泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能實驗研究

鄂玉萍， 張喜俊

(1.浙江理工大學 包裝工程系， 杭州 310018; 2. 紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室， 杭州 310018)

泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能實驗研究

鄂玉萍1,2， 張喜俊1

(1.浙江理工大學 包裝工程系， 杭州 310018; 2. 紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室， 杭州 310018)

對泡沫填充型蜂窩紙板的面外壓縮性能及其影響規律進行了試驗研究。將不同密度的聚氨酯泡沫以不同填充方式填充入不同邊長的蜂窩胞元中，以不同的壓縮速率對上述泡沫填充型蜂窩紙板進行準靜態壓縮試驗，結果發現：蜂窩胞元邊長顯著影響泡沫填充型蜂窩紙板的面外壓縮性能，初始峰值應力和平臺應力均隨著胞元邊長的增大而減小；當使用低密度(高發泡倍率)的泡沫填充蜂窩紙板時，初始峰值應力和平臺應力均優于高密度(低發泡倍率)泡沫填充型蜂窩紙板；部分填充和完全填充的泡沫填充型蜂窩紙板相對于未填充的蜂窩紙板的平臺應力和吸能性能均有大幅提升，不但降低了初始峰值應力，還提高了平臺應力，對面外壓縮性能和緩沖性能改善明顯；在2 mm/min～ 50 mm/min的壓縮速率區間內，泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能受壓縮速率的影響不顯著。本文的研究成果可為蜂窩紙板的合理使用及多目標優化提供依據。

聚氨酯泡沫；蜂窩紙板；面外壓縮；能量吸收

泡沫材料和蜂窩材料是目前廣泛應用的兩種防護性包裝材料。泡沫材料軟而韌，在較小外力作用下，可以起到一定緩沖作用，但外力過大時，泡沫材料容易達到其屈服極限，緩沖效果有限。而蜂窩材料具有較高的平臺應力，能夠承受較大的壓縮載荷，但單獨的蜂窩紙板在進入平臺階段之前需要經歷一個很大的峰值壓縮載荷，這對于保護易碎產品的不利的。有研究者將聚氨酯泡沫塑料填充到蜂窩紙板的胞元中，制得一種能改善蜂窩紙板緩沖性能的新型復合材料[1-2]。這種材料兼得泡沫材料和蜂窩紙板的優點，在一定程度上能夠增強其抗壓性能和緩沖性能。其研究結果表明，相對于普通蜂窩紙板，泡沫填充型蜂窩紙板材料的抗壓強度、屈曲強度、靜動態吸能量和吸能效率都有明顯增大。國外也有研究者對類似的泡沫填充型蜂窩紙板做了研究。Cerda等[3]對以軟的彈性體聚氨酯作為填充材料的圓形蜂窩芯的蜂窩紙板進行了軸向靜態壓縮響應研究，試驗結果表明泡沫填充型蜂窩紙板的能量吸收能力和承載性能都有所提高。Hiroaki等[4]則采用有限元的方法研究了在蜂窩結構中隨機填充剛性插入物對結構的面內沖擊的變形模式、平臺應力、密實化應變及吸收能量等行為的影響。

泡沫填充型蜂窩紙板與普通蜂窩紙板最大的區別在于前者紙芯中填充了軟彈性材料，相當于兩種材料的復合體。因此在研究泡沫填充型蜂窩紙板的面外壓縮性能時，不僅需考慮蜂窩紙板結構參數的影響，還要考慮填充材料的密度及分布方式對其性能的影響。然而，填充泡沫材料的發泡倍率、填充方式和填充比例、蜂窩孔徑等因素對泡沫填充型蜂窩紙板力學性能和緩沖性能的影響如何，目前尚未有系統研究。

本課題借鑒文獻[1]所述的填充型蜂窩紙板制備方法制備泡沫填充型蜂窩紙板，系統地研究填充泡沫材料的發泡倍率、填充方式和填充比例、蜂窩邊長等因素對填充型蜂窩紙板力學性能和緩沖性能的影響，為實現蜂窩紙板的靈活選擇提供依據。

1 材料與方法

蜂窩紙板由上海雋榕包裝材料有限公司提供。本試驗選用厚度均為40 mm，蜂窩胞元邊長分別為6 mm、8 mm和10 mm三種規格的蜂窩紙板。該蜂窩紙板面紙克重為250 g/m2，面紙厚度約為0.6 mm，蜂窩芯紙克重為140 g/m2，單層芯紙厚度約為0.2 mm，孔徑比i約為1(質量穩定，蜂窩孔近似呈正六邊形，如圖1(a)所示)。

填充的聚氨酯泡沫由單組分聚氨酯泡沫填縫劑發泡制備而成，分別使用皇氏牌聚氨酯泡沫填縫劑和頂泰牌聚氨酯泡沫填縫劑制備聚氨酯泡沫。利用排水法測得皇氏牌聚氨酯泡沫填縫劑的密度約為0.042 g/cm3，頂泰牌聚氨酯泡沫填縫劑密度約為0.025 g/cm3。

胞元邊長為8 mm和10 mm的蜂窩紙板由于其孔徑較大，采用的填充方法是將現場發泡的聚氨酯泡沫用噴槍均勻噴在蜂窩紙芯表面，用一塊表面平整的平板在噴涂面施加均勻的壓力，使得聚氨酯泡沫貫穿蜂窩芯在另一端溢出，呈現出一種類似饅頭狀的凸起，待其固化后用美工刀刮去蜂窩紙板兩面多余的泡沫即得(如圖1(b))；邊長為6 mm的蜂窩紙板由于其胞孔較小，上述方法難以保證聚氨酯泡沫順利貫穿蜂窩紙芯，因此采用如下方法：先在一個長方體的盒子里填充一定厚度(該厚度須大于蜂窩紙板厚度)的聚氨酯泡沫，然后裁取與長方體盒子尺寸相當的蜂窩紙芯，將蜂窩紙芯從上往下按壓，盒子里的聚氨酯泡沫就會通過蜂窩紙芯的空隙從下到上溢出，從而制得填充聚氨酯泡沫的6 mm邊長蜂窩板材。

圖1 試樣示意圖Fig.1 Schematic drawing of specimen

試驗中所涉及的試樣編號與試樣特征參數如表1所示。

表1 試樣編號及特征參數Tab.1 Parameters of foam-filled paper honeycomb specimens

將制備好的泡沫填充型蜂窩紙板裁切成60 mm×60 mm的試樣，放入恒溫恒濕試驗箱(GDJS-101，中亞試驗設備有限公司，淮安)內，在溫度為23 ℃，相對濕度為50%的條件下進行溫濕度調節處理24 h，待試樣平衡后再進行靜態壓縮試驗。

靜態壓縮試驗參照GB/T-8168—2008[5]以12 mm/min的速度在萬能材料試驗機(量程30 kN，美特斯工業系統(中國)有限公司，深圳)上進行。當測試不同壓縮速率對泡沫填充型的蜂窩紙板的靜態壓縮性能影響時，采用的壓縮速率分別為2 mm/min、12 mm/min和50 mm/min。

在靜態壓縮試驗過程中，實驗設備將自動記錄壓縮載荷和位移變化的數據，根據這些數據可生成載荷-位移曲線，在蜂窩紙板橫向變形可以忽略不計的情況下將載荷-位移曲線轉變為工程應力-應變曲線，根據曲線變化趨勢的不同可以分析對應條件下泡沫填充型蜂窩紙板的準靜態壓縮特性。

2 泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能影響因素

2.1蜂窩胞元邊長對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能的影響

對蜂窩胞元邊長分別為6 mm、8 mm和10 mm的三種泡沫填充型蜂窩紙板進行靜態壓縮試驗，試驗中所用聚氨酯泡沫密度為0.042 g/cm3，填充方式為完全填充，壓縮速率均為12 mm/min，得到不同蜂窩胞元邊長泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 不同胞元邊長的泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of foam-filled paper honeycomb with different cell-length under out-of-plane compression

由圖2可以看出，三種胞元邊長的泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線與未經填充的普通蜂窩紙板一樣，均經歷彈性階段，屈服階段，平臺階段和密實化階段四個階段。短暫的線彈性之后，隨著胞壁的屈曲失穩，載荷迅速下降，表現在應力-應變曲線上是彈性階段與屈服階段交接處形成的“尖峰”，該“尖峰”所對應的應力稱之為初始峰值應力；進入平臺階段后，胞壁的漸進疊縮穩定持續的耗散能量，在應力-應變曲線上形成一段長長的應力平臺，直到材料被完全壓實，載荷陡然上升[6]。

三種胞元邊長蜂窩紙板的初始峰值應力和平臺應力均隨蜂窩胞元邊長的增大而減小。由文獻[7-8]可知，蜂窩紙板初始峰值應力和平臺應力主要取決于胞壁材料本身的力學特性和胞壁厚跨比。當蜂窩胞壁材料相同時，初始峰值應力和平臺應力與胞元邊長大小成反比。

在應力-應變曲線中，從開始壓縮到致密階段的曲線與橫坐標軸所圍成的面積表示單位體積的緩沖材料壓縮到致密階段過程中所吸收的能量[9]，可通過編譯MATLAB程序計算得到，如表2所示。

表2 不同胞元邊長泡沫填充型蜂窩紙板的力學特性Tab.2 Mechanical property of foam-filled paperhoneycomb with different cell-length

由表2可以看出，泡沫填充型蜂窩紙板的單位體積總吸能量隨邊長的增加而降低。這主要是因為單位體積總吸能量主要取決于平臺應力和密實化應變，由圖2可以看出，平臺應力隨著胞元邊長的增加而減少，密實化應變卻隨著胞元邊長的增加而略有增加，然而平臺應力減小的幅度遠大于密實化應變增加的幅度，因此，單位體積總吸能量隨胞元邊長的變化規律與平臺應力一致。

由圖2和表2還可以看出，邊長均為10 mm的泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線(A3)整體位于未經填充的普通蜂窩紙板應力-應變曲線(C5)之上，前者的平臺應力是后者的2.7倍，單位體積總吸收能量則是后者的2.9倍，填充了聚氨酯泡沫的蜂窩紙板的能量吸收性能顯著優于普通蜂窩紙板。而普通蜂窩紙板的密實化應變(定義為蜂窩紙板應力-應變曲線上平臺階段切線和密實化階段切線的交點所對應的應變)略大于泡沫填充型蜂窩紙板，這是因為未經填充的蜂窩紙板在壓縮時，漸進疊縮的胞壁互不影響，繼續壓縮的空間相對較大，密實化應變較大；而填充聚氨酯泡沫之后，疊縮了的胞壁與泡沫之間重疊干涉，限制變形的進一步發生，因此密實化應變變小。

2.2聚氨酯泡沫密度對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能的影響

將密度分別為0.042 g/cm3和0.025 g/cm3的兩種聚氨酯泡沫填充到胞元邊長為10 mm的蜂窩紙板中進行靜態壓縮試驗，填充方式均為完全填充，壓縮速率均為12 mm/min，得到兩種密度各自對應的應力-應變曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，兩種密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板對應的應力-應變曲線雖然在幅值上有所差異，但是它們整體的變形趨勢及變形區間是比較接近的。低密度聚氨酯泡沫填充蜂窩紙板的初始峰值應力和平臺應力均比高密度聚氨酯泡沫填充蜂窩紙板有明顯的提高。且無論填充的聚氨酯泡沫密度如何，泡沫填充型蜂窩紙板的平臺應力與單位體積吸收能量均明顯高于未經填充的普通蜂窩紙板。

圖3 不同密度泡沫填充的蜂窩紙板的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of paper honeycomb filled with PU-foams with different densities

使用不同密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板初始峰值應力、平臺應力和單位體積總吸能量如表3所示。

表3 不同密度泡沫填充的蜂窩紙板的力學特性Tab.3 Mechanical property of paper honeycomb filledwith PU-foam with different density

由表3可知，使用低密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板的平臺應力是使用高密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板平臺應力的1.45倍，前者的單位體積總吸能量也比后者提高43.9%。而使用低密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板的平臺應力比普通蜂窩紙板平臺應力提升124%，其單位體積吸收能量也是普通蜂窩紙板的4.2倍。低密度聚氨酯泡沫發泡倍率比較高，緩沖性能優異，因此使用低密度聚氨酯泡沫填充的蜂窩紙板在承受載荷時，蜂窩胞元中的聚氨酯泡沫結合整個蜂窩孔壁抵抗變形能力較強，泡沫填充型蜂窩紙板材料的面外壓縮性能和緩沖性能較好。

2.3泡沫填充方式對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能的影響

為了研究填充方式對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能的影響，制備了五種不同填充方式的泡沫填充型蜂窩紙板，即四周型填充(僅在四周蜂窩胞元內填充聚氨酯泡沫)、交叉型填充(僅在試樣兩條對角線上的蜂窩胞元內填充聚氨酯泡沫)、橫豎型填充(僅在縱向和橫向兩條中心線上的蜂窩胞元內填充聚氨酯泡沫)、完全填充(試樣上所有蜂窩胞元內均填充聚氨酯泡沫)和未填充，其中未填充即為普通蜂窩紙板，又分為有面紙蜂窩紙板和無面紙蜂窩紙板兩種。所使用的蜂窩紙板邊長均為10 mm，所用聚氨酯泡沫密度均為0.025 g/cm3，試驗壓縮速率均為12 mm/min，得到每種填充方式對應的應力-應變曲線如圖4所示。

圖4 不同填充方式下泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of paper honeycomb filled with PU-foams by different filling format

由圖4可以看出，上述不同填充方式的泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線可以明顯地分為兩簇，填充泡沫的蜂窩紙板，無論填充方式如何，其應力-應變曲線均在無填充蜂窩紙板之上，其初始峰值應力、平臺應力及吸能量等性能都較未填充蜂窩紙板有較大程度上的提高。

不同填充方式的蜂窩紙板初始峰值應力、平臺應力和單位體積總吸能量匯總于表4。從圖4和表4中可以看出，四周型填充方式和橫豎型填充方式蜂窩紙板的應力-應變曲線幾乎重合，表4中兩者初始峰值應力、平臺應力、和單位體積總吸能量數值也非常接近，表明這兩種填充方式的泡沫填充型蜂窩紙板的面外壓縮性能和緩沖性能無明顯差異。交叉型方式填充的蜂窩紙板的初始峰值應力、平臺應力和吸能量相對于四周型和橫豎型兩種填充方式有一定程度的提高，表明其在壓縮過程中能承受更多的載荷，材料抗壓能力和緩沖能力較好。但這三種填充方式均為部分填充，其抗壓能力和能量吸收能力仍低于完全填充型蜂窩紙板。未填充型蜂窩紙板分為有面紙和無面紙兩種，圖4中兩者的應力-應變曲線比較接近，由表4也可看出兩者初始峰值應力和平臺應力數值也相差不大，表明蜂窩紙板上下兩層的面紙對其面外壓縮性能和緩沖性能影響較小，印證了文獻[10]的結論。

同時由表4還可以看出，泡沫填充型蜂窩紙板無論填充方式如何，其初始峰值應力與平臺應力均比較接近，而未填充蜂窩紙板，無論有無面紙，其初始峰值應力均高于平臺應力，約為平臺應力的1.68倍～1.71倍。由文獻[11]可知，較高的初始峰值應力可能會導致產品破損，因為蜂窩紙板必須經歷初始峰值應力之后才能進入真正起吸能作用的平臺階段，因此研究如何降低初始峰值應力也是大多數學者的研究方向[12-15]。由本試驗可知，填充了泡沫的蜂窩紙板基本上克服了普通蜂窩紙板 “應力尖峰”給產品緩沖保護帶來的不利影響，達到了既降低初始峰值應力又提高平臺應力的目的，大大提高了材料的能量吸收性能和緩沖保護性能。

表4 不同填充方式蜂窩紙板的力學特性Tab.4 Mechanical property of paper honeycomb filledwith PU-foam by different filling format

2.4壓縮速率對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能影響

在壓縮速率分別為2 mm/min、12 mm/min和50 mm/min三種加載條件下對泡沫填充型蜂窩紙板進行靜態壓縮試驗，實驗所用蜂窩紙板邊長均為10 mm，所用聚氨酯泡沫密度均為0.042 g/cm3，填充方式均為完全填充，得到不同壓縮速率下的應力-應變曲線如圖5所示，由此計算得出的初始峰值應力、平臺應力和單位體積總吸能量如表5所示。

表5 不同壓縮速率下蜂窩紙板的力學特性Tab.5 Mechanical property of foam-filled paper honeycombin different nominal strain rates

由圖5可以看出，以2 mm/min和12 mm/min進行壓縮的完全填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線的彈性階段、屈服階段和平臺階段幾乎重合，而后者的密實化應變略大于前者，因此單位體積總吸收能量也略高于前者。以50 mm/min進行壓縮的完全填充蜂窩紙板的應力-應變曲線則位于上述兩條曲線之上，其初始峰值應力、平臺應力和單位體積吸收能量較前兩者均有一定程度的提高，但提升的幅度有限。其原因可能是，蜂窩紙板和泡沫材料均具有一定的應變率效應，然而本試驗選取的三組應變率均屬于低應變率范圍，在這個范圍內材料的應變率效應并未完全體現，需進一步進行動態壓縮試驗從而深入了解泡沫填充型蜂窩紙板的動態力學性能和應變率效應。

圖5 不同壓縮速率下泡沫填充型蜂窩紙板的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of foam-filled paper honeycomb in different nominal strain rates

3 結 論

本文通過大量試驗研究了蜂窩紙板胞元邊長、聚氨酯泡沫發泡密度、泡沫的填充方式以及壓縮速率對泡沫填充型蜂窩紙板面外壓縮性能和能量吸收特性的影響，結果發現填充泡沫的蜂窩紙板的力學性能和能量吸收型性能均較未填充蜂窩紙板有較大程度的提高，特別值得一提的是，填充泡沫的蜂窩紙板無論填充方式如何，其初始峰值應力都被明顯降低，而平臺應力顯著提升，克服了未填充蜂窩紙板存在“應力尖峰”的缺陷，更有利于產品的緩沖保護。

[1] 張勇,謝衛紅,陳力,等. 填充聚氨酯泡沫蜂窩紙板緩沖性能試驗 [J]. 解放軍理工大學學報(自然科學版),2014, 15(2): 139-145.

ZHANG Yong, XIE Weihong, CHEN Li, et al.Experimental research on static and dynamic energy absorbing capacity of honeycomb paperboard filled with polyurethane [J]. Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition),2014, 15(2): 139-145.

[2] ZHANG Yong, XIE Weihong, CHEN Li. Dynamic buffering performance of the honeycomb paperboard filled with polyurethane [J]. Journal of Wuhan University of Technology(Mater. Sci. Ed), 2014, 29(3): 561-566.

[3] CERDA X, RETANA J, CROS S．Synergistic energy absorption in the axial crush response of filled circular cell honeycombs[J]．Composite Structures,2012， 94：1669-1676.

[4] HIROAKI N, TADAHARU A, WAKAKO A. In-plane impact behavior of honeycomb structure randomly filled with rigid inclusions [J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 36(1): 73-80.

[5] 國家標準局.包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法：GB 8168—2008 [S]. 北京: 標準出版社, 2008.

[6] E Yuping, WANG Zhiwei. Effect of relative humidity on energy absorption properties of honeycomb paperboards [J]. Packaging Technology and Science, 2010, 23: 471-483.

[7] ZHANG J, ASHBY M F. The out-of-plane properties of honeycombs [J]. International of Mechanical Science, 1992, 34(6): 475-489.

[8] E Yuping, WANG Zhiwei. Plateau stress of paper honeycomb as response to various relative humidities [J]. Packaging Technology and Science, 2010, 23: 203-216.

[9] GIBSON L J, ASHBY M F. Cellular solids: structure and properties [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1997.

[10] 王冬梅. 蜂窩紙板和瓦楞紙板緩沖性能及表征研究[D]. 無錫: 江南大學, 2007.

[11] 鄂玉萍. 濕度和應變率對紙質緩沖材料能量吸收性能的影響[D]. 無錫:江南大學,2010.

[12] ZHANG Xinchun, AN Liqiang, DING Haimin. Dynamic crushing behavior and energy absorption of honeycombs with density gradient [J]. Journal of Sandwich Structures and Materials, 2014, 16(2): 125-147.

[13] 樊喜剛,尹西岳,陶勇,等. 梯度蜂窩面外動態壓縮力學行為與吸能特性研究[J].固體力學學報, 2015, 36(2): 114-122.

FAN Xigang, YIN Xiyue, TAO Yong, et al. Mechanical behavior and energy absorption of graded honeycomb materials under out-of-plane dynamic compression [J].Acta Mechnica Solida Sinica, 2015, 36(2): 114-122.

[14] 王虹,王文明, 胡兵林,等. 紙蜂窩材料的有效緩沖及其預壓縮試驗[J]. 包裝工程. 2012, 33(1): 20-23.

WANG Hong, WANG Wenming, HU Binglin, et al. Effective cushioning of paper honeycomb material and precompression test [J]. Packaging Engineering, 2012, 33(1): 20-23.

[15] 范志庚,盧立新,王軍.疲勞效應對蜂窩紙板系統的內共振條件參數影響的研究[J].振動與沖擊,2016,35 (11):203-207.

FAN Zhigeng, LU Lixin, WANG Jun. Effect of fatigue damage on inner-resonance conditions parameters of a honeycomb paperboard system[J].Journal of Vibration and Shock,2016,35 (11): 203-207.

Anexperimentalstudyonout-of-planecompressivebehaviorofahoneycombpaperboardfilledwithfoams

EYuping1, 2,ZHANGXijun1

(1.CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China; 2.National&LocalUnitedEngineeringLaboratoryofTextileFiberMaterialsandProcessingTechnology,Hangzhou310018,China)

The out-of-plane compressive behavior of a honeycomb paperboard filled with polyurethane (HPFP) was experimentally studied to clarify the effect of the dimension of honeycomb cell, relative density of filling foam, filling format and compression rate on the initial peak stress, plateau stress and absorbed energy of HPFP. The results show that: the initial peak stress and plateau stress of HPFP decreased significantly when the cell-length was increasing; plateau stress and energy absorption properties of HPFP filled with lower relative density foam were superior to that of HPFP filled with higher relative density foam; honeycomb paperboards filled with foams, whether filled totally or partially, exhibit excellent compressive properties and energy absorption performance than those without any fillings. Foams filled in honeycomb cells can decrease the initial peak stress and increase plateau stress, thus improve the cushioning performance significantly; the effect of loading rate is insignificant to the compressive properties of HPFP between 2 mm/min-50 mm/min. Those results can offer a useful reference for rationally use and multi-objective optimization of honeycomb paperboards.

PU foam; honeycomb paperboard; out-of-plane compression; energy absorption properties

國家自然科學基金(51303160)；浙江理工大學521人才培養計劃，產品包裝與物流廣東普通高校重點實驗室開放基金(1101712-N)；浙江省高校重中之重學科優秀青年人才培養基金(2014YXQN04)

2016-05-19 修改稿收到日期： 2016-08-22

鄂玉萍 女，博士，講師，1982年生

TB34；TB484.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.023