濕度對手機用紙漿模塑緩沖包裝能量吸收特性的影響

濕度對手機用紙漿模塑緩沖包裝能量吸收特性的影響

張巖1,2，王志偉1,2

(1.暨南大學包裝工程研究所，珠海519070； 2.暨南大學廣東普通高校產品包裝與物流重點實驗室，珠海519070)

摘要：基于動態(tài)沖擊試驗，分析了紙漿模塑制品在沖擊高度為30 cm、50 cm、80 cm及相對濕度為50%、65%、80%、90%條件下的荷載-位移數(shù)據(jù)，建立了名義應力-應變曲線和能量吸收曲線。結果表明：沖擊高度一定時，隨著相對濕度的增大，紙漿模塑制品的名義應力-應變曲線下移，彈性模量、屈曲臨界應力明顯下降，最佳能量吸收肩點向左下方移動，以RH=50%為基準，RH=65%、80%、90%時的平均第二屈曲臨界應力分別下降14%、24%和42%；相對濕度一定時，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的名義應力-應變曲線上移，彈性模量、屈曲臨界應力明顯提高，最佳能量吸收肩點向右上方移動，并且沖擊高度的影響隨相對濕度的增加顯著增強；制品在承受沖擊荷載時發(fā)生兩次明顯屈曲。

關鍵詞：紙漿模塑制品；相對濕度；名義應力-應變曲；能量吸收曲線

中圖分類號:TB484.1；TB487文獻標志碼：A

Influenceofrelativehumidityonenergyabsorptionpropertiesofmoldedpulpcushioningpackagingformobilephone

ZHANG Yan1,2, WANG Zhi-wei1,2(1.ResearchInstituteofPackagingEngineering,JinanUniversity,Zhuhai519070,China;2.KeyLaboratoryofProductPackagingandLogisticsofGuangdongHigherEducationInstitutes,JinanUniversity,Zhuhai519070,China)

Abstract:On the basis of impact tests, the load-deflection informations of molded pulp products were analysed under the impact height of 30cm, 50cm, 80cm and under the relative humidity (RH) of 50%,65%,80%,90%. Meanwhile the nominal stress-strains curves and the energy absorption curves were established. The experimental results show that: under a certain impact height, with the increase of relative humidity, the nominal stress-strain curves move downward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the lower left. When the RH increases from 50% to 65%, 80% and 90%, the average second buckling critical stress decreases by 14%,24% and 42% respectively. Under a certain RH, with the increase of impact height, the nominal stress-strain curves move upward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the upper right, and this effect significantly enhances with the increase of RH. Under impact load, the molded products occur two obvious bucklings.

Keywords:moldedpulpproduct;relativehumidity;nominalstress-straincurve;energyabsorptioncurve

緩沖材料的任務是吸收包裝件在受到沖擊和振動時所產生的能量。常用的緩沖包裝材料有泡沫塑料(EPS、EPP、EPE等)、空氣墊和紙制品緩沖包裝材料(紙漿模塑、蜂窩紙板、瓦楞紙板等)。

紙漿模塑材料作為一種新型的緩沖包裝材料以其優(yōu)良的防震、抗壓、抗沖擊、防靜電、無污染、可自然降解、多種顏色以及制品的可疊加性(大大減小運輸存放空間)等性能，在緩沖包裝中應用非常廣泛，尤其應用于小型家電產品的緩沖包裝中。

紙漿模塑材料一般是由廢紙箱、舊報紙、舊書籍等廢舊紙制品材料經過制漿、成型、干燥、整飾等過程制作而成的紙制品包裝材料。經研究發(fā)現(xiàn)紙漿模塑制品緩沖性能的影響因素主要為①原材料的性能，②加工條件(制漿工藝、成型工藝等)，③結構形式(肋狀、塔狀、座狀、椅狀等)，④幾何參數(shù)(厚度、密度等)，⑤使用條件(環(huán)境溫濕度、加載方向、加載速度、預壓縮等)。

國內外對于紙漿模塑制品緩沖性能的研究還不是很完善。Eagleton等[1]通過靜態(tài)壓縮和跌落沖擊實驗得到紙漿模材料的緩沖特性曲線，通過與EPS發(fā)泡塑料進行對比，得到在低靜態(tài)荷載、低跌落高度時紙漿模塑材料的緩沖性能較好。Hoffmann等[2]基于靜態(tài)和動態(tài)實驗，分析了材料密度、制品高度、幾何形狀等因素與制品強度的關系。Gurav等[3]對肋狀紙漿模塑制品進行了壓縮實驗，建立了肋狀紙漿模塑制品有限元模型模擬其變形情況。計宏偉等[4]研究了溫度、濕度、加載速度等因素對紙漿模塑材料彈性模量、屈服應力的影響規(guī)律，計算得到紙漿模塑材料的泊松比。王志偉等[5-11]將能量吸收圖的概念用于評價紙制品包裝材料，全面分析了濕度和初始應變率對蜂窩紙板、瓦楞紙板和紙漿模塑材料荷載性能和能量吸收性能的影響關系,并進行了有限元模擬驗證。

由于紙制品材料本身的吸濕性，濕度對紙漿模塑材料的緩沖性能影響較大，本文在已有研究的基礎上，基于紙漿模塑制品的動態(tài)沖擊試驗，研究了在不同沖擊高度的情況下，相對濕度對手機用紙漿模塑緩沖包裝變形性能和能量吸收性能影響的規(guī)律，構建紙漿模塑制品在沖擊高度分別為30cm、50cm、80cm時含有相對濕度信息(RH=50%、65%、80%、90%)的能量吸收圖。

1試驗

1.1材料

本實驗所用的手機用紙漿模塑緩沖包裝如圖1所示，其原材料是100%廢棄舊報紙紙漿，外尺寸為174.5mm×114.8mm×50.4mm，平均厚度為1.24mm。

圖1　手機用紙漿模塑緩沖包裝 Fig.1 Molded pulp cushioning packaging for mobile phone

1.2方法與處理

(1)試樣處理

參照GB/T10739-2009[12]紙、紙板和紙漿式樣處理和實驗的標準大氣條件，在恒溫恒濕箱中處理24~48h，考慮溫度23 ℃，相對濕度為50%、65%、80%、90%。

(2)基本物理量的測定

取經T=23 ℃、RH=50%恒溫恒是處理后的試樣10個，在平整部分用邊壓強度取樣器截取60mm×12.7mm的試樣，利用CMT微型控制壓力試驗機測得其在標準實驗環(huán)境下的彈性模量Es=62.6MPa。

(3)落錘沖擊試驗

圖2　落錘沖擊試驗系統(tǒng) Fig.2 Test system of drop impact

利用重錘沖擊試驗系統(tǒng)(INSTRON9250HV型)進行動態(tài)沖擊試驗，如圖2所示，得到變形過程中的荷載-位移數(shù)據(jù)，除以相應的接觸面積(9 460mm)和制品高度(50.4mm)，得到名義應力-應變數(shù)據(jù)，經計算得到能量吸收-應力數(shù)據(jù)，用Origin繪圖工具繪制在特定沖擊高度下的含有相對濕度信息的名義應力-應變曲線和能量吸收曲線。

2結果與分析

2.1紙漿模塑制品動態(tài)沖擊變形特性分析

經過動態(tài)沖擊試驗，通過得到的名義應力-應變曲線進行紙漿模塑制品的緩沖性能評價。

在標準實驗環(huán)境下，實驗所得經同一溫度T=23 ℃、不同濕度RH=50%，65%、80%，90%處理后的試樣在沖擊高度均為30cm、50cm、80cm情況下的名義應力-應變曲線如圖3~圖5所示。

由圖3~圖5可知，沖擊高度為30cm、50cm、80cm時，手機用紙漿模塑緩沖包裝的名義應力-應變曲線在不同相對濕度情況下均呈現(xiàn)出四個階段，即彈性階段，此時應力隨應變基本呈線性上升的趨勢；屈服階段，此時主要發(fā)生塑性變形，達到屈服極限，該制品由其結構的原因發(fā)生了兩次明顯屈曲；平臺階段，此階段名義應力-應變曲線是一條類似平臺的曲線，在此階段制品吸收大量的能量以減少產品的破損；密實化階段，在這一階段制品失去彈塑性，應力隨應變的增加迅速變大。由圖3~圖5可看出，在沖擊高度相同的情況下，隨著相對濕度的增加，紙漿模塑制品的名義應力-應變曲線呈下降的趨勢，彈性模量、屈曲臨界應力、平臺應力等表征該制品緩沖性能參數(shù)的數(shù)值均降低。

通過圖3~圖5的對比可發(fā)現(xiàn)，在相對濕度相同的情況下，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的名義應力-應變曲線呈上升的趨勢，彈性模量、屈曲臨近應力、平臺應力等表征該制品緩沖性能參數(shù)的數(shù)值均增加。

圖3 沖擊高度為30cm不同相對濕度名義應力-應變曲線Fig.3Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm圖4 沖擊高度為50cm不同相對濕度名義應力-應變曲線Fig.4Nominalstress-strainofmoldedpulpproductcurvesunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm圖5 沖擊高度為80cm不同相對濕度名義應力-應變曲線Fig.5Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

圖6　手機用紙漿模塑緩沖包裝屈曲變形情況 Fig.6 Buckling deformation of molded pulp product

手機用紙漿模塑緩沖包裝受到沖擊載荷作用時，由于其兩層式結構表現(xiàn)出兩次明顯的屈曲過程，第一次屈曲對應于制品四周支撐結構的壓潰，如圖6(a)所示，第二次屈曲對應于制品內部支撐結構的壓潰，如圖6(b)所示。制品設計時應以四周支撐結構沖擊壓潰為設計限度，四周支撐結構壓潰時的名義應力值和能量吸收值即為紙漿模塑制品的設計標準。

表1和表2分別為不同相對濕度和沖擊高度下手機用紙漿模塑緩沖包裝的第一、第二屈曲臨界應力。

表1　不同相對濕度和沖擊高度手機

表2　不同相對濕度和沖擊高度手機

由表2可知，相對濕度分別為50%、65%、80%、90%時該制品的平均第二屈曲臨界應力分別為0.089 1、0.076 6、0.067 6和0.051 3，以RH=50%為基準，RH=65%、80%、90%時的第二屈曲臨界應力分別下降14%、24%和42%。相對濕度為50%時，隨沖擊高度由30cm增加到50cm和80cm，該制品第二屈曲臨界應力分別提高5.8%和11.8%；但相對濕度為90%時，隨沖擊高度由30cm增加到50cm和80cm，該制品第二屈曲臨界應力分別提高64%和109.5%。由此可以說明：隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應力、平臺應力都增大，并且隨相對濕度的增加，沖擊高度對這些參數(shù)的影響而逐步顯著。

2.2紙漿模塑制品動態(tài)沖擊能量吸收圖的構建

能量吸收圖是由Maiti和Gibson提出來的用來表征緩沖材料的吸能特性，相比于緩沖系數(shù)-最大靜應力曲線、最大加速度-靜應力曲線、吸能效率曲線等表征材料緩沖性能的曲線，能量吸收圖能綜合考慮材料在不同濕度、不同應變率、不同密度等條件下的最佳吸能狀態(tài)，起先用于發(fā)泡塑料，王志偉首次將這個概念用于評價紙制品緩沖性能，分析得到了紙制品能量吸收與材料結構之間的關系。

基于2.1所得到的應力-應變曲線，得到材料單位體積吸收的能量，其計算公式為：

計算過程中運用梯形公式進行數(shù)值積分。將單位體積吸收的能量和材料的應力除以標準情況下所得到的材料的彈性模量Es，得到標準化的能量吸收曲線。將不同相對濕度的能量吸收曲線繪制在同一個圖中即得到了含有相對濕度信息的能量吸收圖[7]。能量吸收曲線上一般會出現(xiàn)一個肩點，該點即為這一結構的緩沖材料在特定條件下的最佳能量吸收肩點，該肩點用于表征緩沖材料的最佳能量吸收特性。

在標準實驗環(huán)境下，實驗所得經同一溫度T=23 ℃、不同濕度RH=50%，65%、80%，90%處理后的試樣在沖擊高度均為30cm、50cm、80cm情況下的能量吸收圖如圖7~圖9所示。

圖7 沖擊高度為30cm時不同相對濕度能量吸收圖Fig.7EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm圖8 沖擊高度為50cm時不同相對濕度能量吸收圖Fig.8EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm圖9 沖擊高度為80cm時不同相對濕度能量吸收圖Fig.9EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

由圖7~圖9可知，在應變相同的情況下，隨著相對濕度的增大，手機用紙漿模塑緩沖包裝標準化能量吸收量降低，最佳能量吸收肩點向左下方移動，說明該紙漿模塑制品的能量吸收性能隨相對濕度的增加而降低。圖7~圖9對比可知，在相對濕度相同的情況下，隨沖擊高度的增加，手機用紙漿模塑緩沖包裝標準化能量吸收量升高，最佳能量吸收肩點向右上方移動，說明該紙漿模塑制品的能量吸收性能隨沖擊高度的增加而增強。

3結論

基于手機用紙漿模塑緩沖包裝在不同相對濕度和沖擊高度情況下的動態(tài)沖擊試驗，得到該材料含有濕度信息和沖擊高度信息的名義應力-應變曲線和能量吸收圖。得出以下結論：

(1)手機用紙漿模塑緩沖包裝受到沖擊載荷作用時，由于其兩層式結構表現(xiàn)出兩次明顯的屈曲過程，制品設計時應以四周支撐結構沖擊壓潰為設計限度，四周支撐結構壓潰時的名義應力值和能量吸收值即為紙漿模塑制品的設計標準。

(2)相對濕度因素對手機用紙漿模塑緩沖性能影響非常顯著，隨著相對濕度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應力等均顯著降低，以RH=50%為基準，RH=65%、80%、90%時的第二屈曲臨界應力分別下降14%、24%和42%，最佳能量吸收肩點向左下方移動，緩沖性能明顯下降。

(3)沖擊高度也會對手機用紙漿模塑緩沖性能產生影響，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應力等均有所增加，最佳能量吸收肩點向右上方移動，緩沖性能增強，并且隨相對濕度的增加，沖擊高度對這些參數(shù)的影響而逐步顯著。

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