組合蜂窩紙板緩沖性能的靜態試驗研究

朱若燕,尹 琪,李厚民

(湖北工業大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430068)

蜂窩紙板由紙芯上下表面粘貼面紙而成,紙芯采用的是六邊形蜂窩結構,故而為蜂窩紙板(圖1).

圖1 蜂窩紙板結構示意圖

蜂窩紙板作為紙質的包裝材料在生產加工、使用以及最后的回收利用過程中均不會帶來環境污染問題,而且具有成本低,強度高,優良的承載能力和緩沖性能,是比較理想的運輸包裝材料,引發國內外很多學者對其各方面性能的研究[1,2].

國內關于蜂窩紙板緩沖性能的研究集中于從材料入手研究其靜態、動態緩沖性能[3,4],或者是與其他材料組合而成的組合件的測試及分析,從結構組合方面入手考慮其緩沖性能的并不多見.本文主要考慮不同面積蜂窩紙板的疊置形式,通過靜態的壓縮試驗研究其面積的變化對其緩沖性能的影響.

1 試驗方案與方法

試驗擬采用上下板按照對中方式疊合放置,如圖2所示.靜態壓縮采用國標[5]規定的A法進行試驗.試驗設備采用SANS HWT-5105100 kN微機控制電子萬能材料試驗機.

材料為武漢荷力勝蜂窩材料有限公司提供的蜂窩紙板,紙芯定量為105 g/cm3,面紙是定量為175 g/cm3的C級再生紙,厚度均為35 mm.

為了充分研究組合板結構的緩沖性能和面積參數對緩沖性能的影響,試驗方案如下:

1)組合板與單板性能對比試驗.上板70 mm×70 mm×35 mm(規格為長 ×寬×厚,下同);下板100 mm×100 mm×35 mm.對比組合板和單板的靜態緩沖性能.

2)組合板其中一個板面積變化對比試驗.小板均為70 mm×70 mm×35 mm,對比5組不同的大板面積(表1)進行壓縮試驗,分析下板尺寸的變化對應力-應變曲線和緩沖系數的影響.

表1 不同大板規格

圖2 疊置組合蜂窩紙板布置、加載示意圖

2 數據分析

由壓力試驗機記錄儀記錄下來的曲線為壓力、形變數值,通過求出各次試驗中的5組數據的算術平均值,由式(1),(2)計算應力、應變值:

式中:σ為試樣承受的靜應力;F為壓力;A為面積;ε為試樣的應變;x為變形量;t為組合試樣總厚度.利用MATLAB即可繪出應力-應變曲線,再借助于應力-應變曲線,由

得到緩沖系數C后,最后通過Matlab繪出緩沖系數—最大靜應力曲線.

2.1 組合板與單板緩沖性能對比

對于組合板,為了統一計算應力,均取為面積較大的板(以下簡稱大板)的面積,在后面的所有試驗數據里也采取同樣的處理方法.

首先對于方案1組合板以及單板進行壓縮試驗,得出其力-位移曲線如圖3所示.

圖3 組合板靜態壓縮的力-位移曲線

由圖3可知,在組合的蜂窩紙板壓縮過程中,兩板厚度一致,由于小板面積較小,應力大于大板,所以總是小板先屈服直至壓潰,因而組合板的前面階段與單板壓縮相似:首先在彈性階段迅速上升至一個峰值,然后迅速下降至一個平臺區,觀察位移至35 mm(單板厚度)處組合板曲線可知,這時大板漸漸進入屈服階段,因而進入第二峰值.

圖4 組合板靜態壓縮的緩沖系數-應力曲線

借由力位移數據可以計算應力-應變關系,繼而可以計算出各個應力值對應的緩沖系數(圖4).

由圖4可以看出組合板的緩沖系數曲線在單板的曲線的左側,所以在相同緩沖系數下,組合板較適合在較低的應力區工作.而在應力較大的區域曲線基本重合.總的來說,經組合后,蜂窩紙板的緩沖性能向低應力區方向移動了,從而拓展了蜂窩紙板的工作范圍.

2.2 不同承載面積對組合板緩沖性能的影響

在不同下板的組合試驗中,小板面積統一為70 mm×70 mm,而大板的面積依次增大(面積規格見表1).圖4為不同面積組合板的緩沖系數-應力圖,可以看出,對應在同一適當的緩沖系數值上,隨著面積的增大,組合襯墊的工作應力值減小,而更大程度上拓展了組合板工作的應力范圍,這為實際的組合蜂窩紙板在包裝設計中提供了可行的依據,對于不同的產品可以選用合適的承載面積來組合以達到較好的緩沖性能.

圖5 不同面積的組合蜂窩紙板緩沖系數曲線

3 結論

在不同面積上下板組合的蜂窩紙板,其應力-應變關系以及緩沖性能會發生變化.

1)組合蜂窩紙板的壓縮過程中,其應力應變曲線的也分為線彈性區域和平臺區域,所不同的是在小板密實化了之后會壓縮大板,開始出現第二個峰值.這是兩層板依次破壞的結果.

2)經過疊置組合的板的緩沖系數-應力曲線相對單板的緩沖曲線左移,即組合結構改善了紙板低應力區的緩沖性能,這樣間接拓展了蜂窩紙板的工作范圍.

3)增大組合板中大板的面積會給組合板不同應力區的緩沖性能帶來改善,更大程度上拓展了組合板工作的應力范圍,這為實際的組合蜂窩紙板在包裝設計中提供了可行的依據,對于不同的產品可以選用合適的承載面積來組合以達到較好的緩沖性能.

[1]郭彥峰,許文才,王 梅.蜂窩紙板緩沖性能的實驗研究[J].包裝工程,1999,20(2):12-15.

[2]Gibson L J.Ashby M.F Cellular solids:structure and Properties[M].Cambridge:CambridgeUniversity Press,1997.

[3]王冬梅,王志偉.紙質結構型包裝材料緩沖性能研究進展[J].材料導報,2007,21(6):43-46.

[4]李厚民,朱若燕,楊小俊.蜂窩紙板與瓦楞紙板組合結構緩沖特性研究[J].包裝工程,2005,26(4):9-11.

[5]張安寧,童小燕,劉效云,等.多層疊加蜂窩紙板壓縮特性研究[J].包裝工程,2004,25(6):31-32.

[6]GB/T8168-2008.包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法[S].國家標準局.