瓦楞—蜂窩紙板力學(xué)性能研究

李洋洋　石威　姜欣岑　戚瑩　吳紅英　孫靖宇

【摘 要】本文針對(duì)現(xiàn)有蜂窩紙板生產(chǎn)效率低的缺點(diǎn)，結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學(xué)性能和瓦楞紙板便于高速生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，提出了平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)，利用靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，分析了靜態(tài)力學(xué)性能和緩沖性能，結(jié)果表明二者的力學(xué)性能均優(yōu)于正六邊形蜂窩紙板；相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強(qiáng)度和緩沖性能均優(yōu)于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，更適用于運(yùn)輸包裝領(lǐng)域，研究結(jié)果可為新型紙板的開(kāi)發(fā)提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】瓦楞—蜂窩紙板；力學(xué)性能；緩沖性能

Study on Mechanical Properties of Honeycomb Paperboard Formed by Corrugated Paperboard

LI Yang-yang SHI Wei JIANG Xin-cen QI Ying WU Hong-ying SUN Jing-yu

（School of Materials Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing Jiangsu 211167，China）

【Abstract】View of low efficiency of existing production process for honeycomb paperboard， blunt honeycomb paperboard and opposite honeycomb paperboard which are formed by corrugated paperboards is presented considering excellent mechanical properties of honeycomb structure and high speed production of corrugated board. Static compression tests are carried out， and static mechanical properties and cushioning performance of the two types of paperboard are analyzed. The results show that the two types of paperboard have better mechanical properties than hexagonal honeycomb paperboard. Opposite honeycomb paperboard has better mechanical properties and cushioning performance than blunt honeycomb paperboard， and is more suitable for transport packaging. The study results can provide a useful reference for development of new paperboard.

【Key words】Honeycomb paperboard formed by corrugated paperboard； Mechanical properties； Cushioning performance

0 前言

蜂窩紙板由于具有比強(qiáng)度和比剛度高、重量輕、優(yōu)異的緩沖隔振性能、良好的隔熱性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于托盤(pán)、包裝箱、緩沖襯墊、護(hù)角與護(hù)棱等，目前又進(jìn)一步拓展到空投包裝[1]，吸引了眾多科研工作者的關(guān)注。王冬梅[2]分析了蜂窩紙板的靜態(tài)壓縮性能，曾克儉[3]對(duì)蜂窩紙板的動(dòng)態(tài)緩沖性能進(jìn)行了研究，張琴[4]研究了蜂窩紙板的振動(dòng)傳遞特性。隨著包裝要求的提高，許多學(xué)者對(duì)蜂窩紙板組合材料的力學(xué)性能開(kāi)展研究，言利容對(duì)蜂窩紙板/EPE組合材料的動(dòng)態(tài)緩沖性能進(jìn)行了研究[5]，趙英芹對(duì)蜂窩紙板/瓦楞紙板疊合材料的動(dòng)力學(xué)性能開(kāi)展了研究。以上文獻(xiàn)主要針對(duì)蜂窩紙板的力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果也證實(shí)了蜂窩紙板具有良好的力學(xué)性能。

真正抑制蜂窩紙板推廣應(yīng)用的不是其力學(xué)性能，而是其制造工藝。雖然我國(guó)蜂窩紙板行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了二十年，但制造工藝仍比較落后，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，設(shè)備昂貴，成為制約蜂窩紙板發(fā)展的重要因素。楊鵬[7]對(duì)蜂窩紙板的工藝和設(shè)備提出了改進(jìn)方法，但效果不是特別明顯。

本文結(jié)合蜂窩紙板良好的力學(xué)特性和瓦楞紙板可以高速高速生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，提出新型的瓦楞—蜂窩紙板，它與瓦楞/蜂窩復(fù)合紙板不同，是采用單面瓦楞紙板，經(jīng)分切和翻轉(zhuǎn)，瓦楞完全對(duì)齊，形成類(lèi)似蜂窩結(jié)構(gòu)的紙板。本文的目的就是研究?jī)煞N不同對(duì)齊方式形成的蜂窩芯的力學(xué)性能，為新型蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)

按照單面瓦楞紙板的對(duì)齊方式，如圖1所示，將瓦楞—蜂窩紙板分為平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板。平齊式瓦楞—蜂窩紙板是將單面瓦楞紙板分切后，向同一方向翻轉(zhuǎn)，粘接而成。而相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板是分切后交錯(cuò)反向翻轉(zhuǎn)，粘接而成。

2 瓦楞—蜂窩紙板靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：?jiǎn)蚊鍮型瓦楞紙板（厚度3.0mm，瓦楞芯紙定量為140g/m2，面紙定量160 g/m2）制作而成的平齊式、相對(duì)式瓦楞—蜂窩芯，正六變形蜂窩芯（邊長(zhǎng)3.5mm、芯紙定量為140g/m2）；

試樣規(guī)格：75mm36mm15mm；

試驗(yàn)儀器：WDW3020 微控電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)；

壓縮速度：10mm/min。

試驗(yàn)獲得應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

3 瓦楞—蜂窩紙板壓縮性能分析

由圖2可得出，平齊式瓦楞—蜂窩紙板的壓縮曲線呈現(xiàn)出四個(gè)階段：線彈性階段、屈服平臺(tái)階段、坍塌階段和致密化階段。

線彈性階段：應(yīng)力隨應(yīng)變快速增加，基本符合線性比例關(guān)系。

屈服平臺(tái)階段：當(dāng)應(yīng)力增大一定值時(shí)，應(yīng)力幾乎不再變化，而應(yīng)變迅速增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為一個(gè)屈服平臺(tái)。

坍塌階段：當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，紙板失去抵抗能力，迅速坍塌，應(yīng)力下降。

致密化階段：當(dāng)應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ǔ潭龋炯埾嗷ソ佑|，壓縮曲線進(jìn)入致密化階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而迅速增大。

相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板的壓縮曲線沒(méi)有明顯的平臺(tái)階段，僅表現(xiàn)出線彈性階段、坍塌階段和致密化階段。當(dāng)應(yīng)力增大一定值時(shí)，紙板迅速失去抵抗能力，發(fā)生坍塌，應(yīng)變?cè)龃螅瑧?yīng)力變小，直至進(jìn)入致密化階段。

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)材料，可以得出，相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強(qiáng)度以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均大于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，其彈性變形區(qū)域較寬。當(dāng)達(dá)到屈服極限后，平齊式瓦楞—蜂窩紙板抵抗變形的能力較好。由于相對(duì)式紙板的瓦楞與瓦楞直接粘接，在變形過(guò)程中，芯紙之間更容易接觸，其進(jìn)入致密化階段更早，即對(duì)應(yīng)的應(yīng)變較小。

兩種新型結(jié)構(gòu)的瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正六邊形蜂窩紙板，應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)也有所不同，這主要是因?yàn)橥呃慵埌宓拿婕埰鸬搅嗣黠@的加強(qiáng)作用。

4 瓦楞—蜂窩紙板緩沖性能分析

緩沖系數(shù)是緩沖設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是表征包裝材料緩沖性能的重要參數(shù)。依緩沖系數(shù)的定義，知

式中，C為緩沖系數(shù)；σm為所受靜應(yīng)力；E為單位體積吸收的變形能；σ表示從0到σm不有不斷變化的應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

將圖2中的曲線和式（1）計(jì)算緩沖系數(shù)，并繪制緩沖系數(shù)—應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著應(yīng)變?cè)龃螅叩木彌_系數(shù)均減小，緩沖性能提高。在相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板發(fā)生坍塌前，由于二者表現(xiàn)出的彈性幾乎相同，從引起而二者的緩沖系數(shù)曲線幾乎重合，表現(xiàn)出的緩沖性能也非常接近。當(dāng)相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板進(jìn)入坍塌階段，由于其迅速的變形，單位體積吸收的能量比平齊式瓦楞—蜂窩紙板更多，同時(shí)其應(yīng)力也快速減小，使得緩沖系數(shù)小于平齊式瓦楞—蜂窩紙板的緩沖系數(shù)，緩沖性能更好。

圖3 緩沖系數(shù)曲線

5 結(jié)論

本文對(duì)兩種瓦楞—蜂窩紙板和正六邊形蜂窩紙板進(jìn)行了靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，由于瓦楞紙板的面紙加強(qiáng)作用，平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板的力學(xué)性能優(yōu)于正六邊形蜂窩紙板。相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強(qiáng)度以及緩沖性能均優(yōu)于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，這說(shuō)明相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板更加適用于運(yùn)輸包裝，不但能提供較高的強(qiáng)度，同時(shí)也能對(duì)產(chǎn)品起到良好的緩沖作用。本文的結(jié)論能夠?yàn)樾滦头涓C紙板研究與開(kāi)發(fā)提供一定的參考。

從相對(duì)式瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)看，制造過(guò)程中需要交叉變換翻轉(zhuǎn)方向，其制造工藝比平齊式瓦楞—蜂窩紙板復(fù)雜，但與目前蜂窩紙板的制造工藝相比，能夠提高加工效率。本文僅僅是采用手工制作的試樣，目前仍舊沒(méi)有此類(lèi)紙板的加工設(shè)備。因此，此類(lèi)紙板的真正應(yīng)用，需要開(kāi)發(fā)新的制造工藝和設(shè)備，從而才能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，推動(dòng)紙包裝材料的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉勝祥，王興業(yè)，徐麗麗，等.蜂窩紙板在空投包裝中的應(yīng)用[J].2016，37（17）：25-29.

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[3]曾克儉，劉珊.蜂窩紙板動(dòng)態(tài)緩沖性能分析研究[J].包裝工程.2014，35（17）：15-18.

[4]張琴，王保升.隨機(jī)振動(dòng)下蜂窩紙板振動(dòng)傳遞特性分析[J].包裝工程，2013，34（15）：7-10.

[5]言利容，謝勇.蜂窩紙板/EPE組合材料的動(dòng)態(tài)緩沖性能[J].包裝工程，2010，31（19）：27-31.

[6]趙英芹，王玉龍，蔣春華.蜂窩/瓦楞疊合紙板的緩沖性能研究[J].包裝工程，2013，34（23）：60-63，67.

[7]楊鵬.蜂窩紙板力學(xué)性能仿真分析與工藝、設(shè)備，改進(jìn)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]