環境相對濕度對牛皮紙墊緩沖性能影響的研究

覃敏，方健，楊旭，陶文軒，于雷

環境相對濕度對牛皮紙墊緩沖性能影響的研究

覃敏，方健，楊旭，陶文軒，于雷

（北京林業大學 木質材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083）

探究環境相對濕度對新型牛皮紙墊緩沖性能的影響。基于靜、動態壓縮試驗，分析疊加層數分別為2、3、4的牛皮紙墊在環境相對濕度分別為30%、50%、70%、90%條件下的緩沖性能。在靜態壓縮試驗中，牛皮紙墊靜壓承載能力隨著環境相對濕度的增大而減弱、疊加層數的增多而增強。不同規格紙墊存在對應的濕度應力分界值，當材料所受外力小于濕度應力分界值時，其緩沖性能隨著濕度的增大而提高；當外力大于濕度應力分界值時，緩沖性能隨濕度的增大而減弱。一定濕度條件下，疊加層數對牛皮紙墊緩沖性能也存在影響：相對濕度為30%時，緩沖性能隨疊加層數的增多而減弱；相對濕度為50%、70%、90%時，存在層數應力分界值，當材料所受外力小于層數應力分界值時，其緩沖性能隨疊加層數的增多而減弱，當外力大于層數應力分界值時，緩沖性能隨疊加層數的增多而增強。在動態壓縮試驗中，隨著環境相對濕度的增加，牛皮紙墊傳遞給產品的最大加速度增大，緩沖性能減弱；疊加層數的增多，使其傳遞給產品的最大加速度減小，緩沖性能增強。研究結果對牛皮紙墊緩沖包裝的設計和材料選擇存在潛在的指導意義。

牛皮紙墊；緩沖性能；靜態壓縮；動態壓縮；環境相對濕度

伴隨著《“十四五”循環經濟發展規劃》的出臺以及限塑令的下達，國家郵政總局大力推動綠色包裝的發展[1-2]。紙質包裝材料與其他包裝材料相比，加工工藝成熟，成本穩定，綠色環保，得到了廣泛應用，成為近年來緩沖包裝行業的新寵[3-4]。如今市場上出現了一種新型紙質緩沖包裝材料——牛皮紙墊，將一種長纖維、高韌度的牛皮紙通過專門的紙墊機折疊擠壓成型，使之成為具有規則折皺的緩沖包裝材料?？諝獗绘i在折皺的紙層中，紙墊受到外力作用時，通過本身折皺變形吸收壓縮能，從而對產品起到緩沖保護作用[5]。目前，牛皮紙墊廣泛應用于家具用品、化妝品、通信電子等行業，特別適用于易碎產品的緩沖防護。常見的包裝形式有十字交叉形、折疊填充、四周環繞等。對比其他紙質包裝材料，牛皮紙墊成型簡單，包裝形式更靈活，且在生產制造過程中能夠較大程度地利用原料。

紙質材料被廣泛應用于運輸包裝，紙基材料本身固有的吸濕性導致其在使用過程中對環境相對濕度尤為敏感，基本物理性能易受影響，從而導致緩沖性能的變化，因此有少部分學者探究了環境相對濕度對瓦楞紙板和蜂窩紙板等紙質材料緩沖性能的影響。汪苗苗[6]在探究環境溫濕度對瓦楞紙板緩沖性能的影響實驗中，通過靜態壓縮試驗方法，討論了瓦楞紙板在不同濕度條件下的應力–應變曲線以及緩沖系數，結果表明，受環境相對濕度的影響，緩沖系數隨著濕度的增大逐漸變小。孫爽[7]同樣通過靜態壓縮的方法探究了環境相對濕度對瓦楞紙板靜態承載性能的影響，發現當環境相對濕度為50%～75%時，平臺應力和初始峰值應力的下降趨勢不明顯；當環境相對濕度超過85%時，平臺應力下降明顯，承載力減弱。除了用緩沖系數法表征瓦楞紙板的緩沖性能，吳莎[8]使用能量吸收法探究環境濕度對瓦楞紙板緩沖性能的影響，得出環境濕度與彈性比能之間呈線性的關系，并且隨著相對濕度的增大，應力和單位體積吸收能均減小。環境相對濕度對蜂窩紙板緩沖性能同樣存在影響，張志昆[9]探究了5個濕度條件下蜂窩紙板的靜態壓縮緩沖性能，在環境相對濕度為35%～95%時，蜂窩紙板壓縮性能有較明顯變化，隨著環境相對濕度的增加，材料在彈性階段的應力值和屈服階段的應力值都隨之下降。鄂玉萍[10]研究了蜂窩紙板和瓦楞紙板在不同濕度和不同初始應變率下的能量吸收性能，得出2種紙板的能量吸收能力隨相對濕度的增加呈現出階段性響應的規律。徐爍等[11]研究了蜂窩紙板在3種不同濕度條件下的動態壓縮性能，結果表明，隨著相對濕度的增大，蜂窩紙板吸收能量的能力隨之減弱。牛皮紙墊作為一種新型的紙質緩沖材料，目前缺乏關于環境相對濕度對其緩沖性能影響的研究。因此，本文基于靜、動態壓縮試驗，根據靜態壓縮試驗結果分析4種環境相對濕度條件下材料的應力–應變曲線、彈性比能、緩沖系數，以及動態壓縮試驗中得到的最大加速度曲線，探究牛皮紙墊的緩沖性能，為其緩沖包裝設計及應用提供參考。

1 試驗

1.1 材料與儀器

主要材料：牛皮紙墊，如圖1a所示，購于上海貴榮紙業有限公司，定量為70 g/m2，未經防潮處理。將條狀紙墊裁切成為100 mm×100 mm大小，在實際應用中，牛皮紙墊存在折疊使用的情況，因此將其分別制成疊加層數為2、3、4層紙墊試樣，如圖1b為疊加層數為3的試樣。試驗所用的試樣規格如表1所示，試樣以“S–疊加層數”命名，如“S–3”表示疊加層數為3層的試樣。在不同環境相對濕度下進行試驗的試樣以“濕度–試樣名稱”表示，如“30%–S–3”表示在30%濕度下進行試驗的3層試樣。

圖1 牛皮紙墊試樣

表1 牛皮紙墊試樣規格

Tab.1 Specifications of kraft paper pad sample

主要儀器：MMW–50萬能材料試驗機，濟南耐而試驗機有限公司；DY–2跌落沖擊試驗機，陜西科技大學；HWS–150B型號恒溫恒濕箱，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.2 試驗方法

靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗是評價緩沖材料靜態緩沖性能的基本方法。將表1所有牛皮紙墊試樣放置于恒溫恒濕箱內，在溫度為23 ℃，濕度分別為30%、50%、70%、90%條件下分別預處理48 h。靜態壓縮試驗參照GB/T 8168—2008[12]《包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法》中規定的方法A，每種試樣進行10次重復試驗，至少取5次有效數據平均值。動態壓縮試驗參照GB/T 8167—2008[13]《包裝用緩沖材料動態壓縮試驗方法》。由于牛皮紙墊屬于紙制品，承受一次沖擊就被壓潰，從而造成緩沖性能下降。所以在動態壓縮試驗中，每沖擊1次，試樣需更換1次。同種條件下進行15次重復試驗，取10次有效最大加速度值進行平均。

2 結果與分析

2.1 靜態壓縮試驗

2.1.1 應力–應變曲線

根據式（1）計算應力、應變，繪制應力–應變（–）曲線。

式中：為壓縮應力，kPa；為壓縮載荷，N；為試樣承受面積，mm2；為壓縮應變；0為試樣原始厚度，mm；1為試樣試驗后的厚度，mm。

牛皮紙墊在不同環境相對濕度條件下受到靜壓后的應力–應變曲線如圖2所示，可以看出環境相對濕度對牛皮紙墊靜壓承載能力有影響。3種規格的牛皮紙墊均體現出在同一應變下，應力隨著濕度的增大而減小的規律，且在環境相對濕度為90%條件下，S–2、S–3、S–4這3種規格試樣在達到0.8高程度應變時應力值分別小于10、20、30 kPa，說明在高濕條件下，材料承受外力的能力較差。其原因在于紙張因吸水而溶脹，當纖維吸收水分超過一定量時，出現水分擴張使得纖維之間的結合力減弱，從而降低紙張的強度，材料抵抗外界載荷的能力下降，甚至在90%的高濕條件下幾乎不能承受外力作用[14]。

圖2 不同環境相對濕度下的應力–應變曲線（23 ℃）

表2列出了3種規格牛皮紙墊環境相對濕度增大與應力減小的比例關系。從表2可以看出S–2與S–3試樣應力下降比例范圍隨著濕度的增大而增大，說明其承載能力受濕度影響較大。S–4試樣隨著濕度的增大，應力下降比例范圍沒有隨之增大，其原因可能在于疊加層數較多的紙墊可以減弱濕度對其承載能力帶來的影響，且在相同的應變率下，疊加層數越多，紙墊可承受的外力能力越強。當疊加層數變多后，牛皮紙墊承受載荷單元變多，由此可以通過增加疊加層數來提高材料的靜態承壓能力，減弱濕度增大對該性能的影響。

表2 相同應變下隨濕度增大應力減小百分比

Tab.2 Percentage of stress decrease with the increase of humidity at the same strain

由上述分析可知，環境相對濕度不是影響牛皮紙墊靜態承壓能力的唯一因素，疊加層數對其也有一定影響作用。

2.1.2 彈性比能及緩沖系數曲線

在包裝件受到外力沖擊時，緩沖材料的實質是吸收和消耗沖擊能量，削弱其對產品的損傷。緩沖材料的彈性比能是應力–應變曲線圍成的面積，可由應力–應變曲線積分后得到[15]。由式（2）計算后繪制彈性比能–應力曲線。

式中：為彈性比能，kJ/m3；為壓縮應力，kPa；為壓縮應變。

彈性比能表征了緩沖材料單位體積吸收能量的大小。在相同應力條件下，緩沖材料的彈性比能越大，即單位體積吸收的能量越多，緩沖吸能特性越好。

另外，緩沖系數常用于評價材料的緩沖特性，根據應力–應變曲線可以獲得緩沖系數–應力（–）曲線。相同應力條件下，緩沖系數越小則表示材料的緩沖性能越好。緩沖系數（）根據式（3）進行計算。

式中：為緩沖系數；為彈性比能，kJ/m3；為壓縮應力，kPa；為壓縮應變。

材料在不同環境相對濕度下的彈性比能–應力（–）曲線如圖3所示，可發現S–2、S–3、S–4的彈性比能隨著濕度的變化在應力值分別為15、30、40 kPa前后有不同的變化趨勢，將前述應力值定義為濕度應力分界值。S–2試樣在應力小于15 kPa時，彈性比能隨著環境相對濕度的增大而增大，即單位體積吸收能量多，緩沖性能變強；當應力超過15 kPa后，彈性比能隨著濕度的增大而減小，緩沖性能減弱。S–3、S–4這2種規格紙墊在應力分別為30、40 kPa之前，隨著環境相對濕度的增大，其彈性比能隨之變大；當應力超過上述數值后，彈性比能均隨之下降。出現上述現象是由于纖維吸水后變得柔軟，具有一定的彈性，所以在受壓早期，處于較大濕度條件下的材料更易變形吸收壓縮能。結合材料的應力–應變曲線可知，濕度越大的材料能承受的外力越小，因而較快接近變形最大化，進入密實化階段，逐漸失去吸收能量的作用。在受壓后期，隨著外力的不斷增大，處于低濕條件下的材料變形空間依舊較大，吸收能量能力比高濕條件下的材料強[12, 16]。從圖3中還可看到，隨著濕度的增大，材料的最大彈性比能隨之減小，原因在于濕度越大，材料能承受的最大外力值越小，因而很快完全變形，從而失去緩沖作用。

圖3 不同環境相對濕度下的彈性比能–應力曲線（23 ℃）

材料緩沖系數–應力曲線如圖4所示。S–2、S–3、S–4的濕度應力分界值分別為15、30、40 kPa，當3種規格紙墊在應力分別小于濕度應力分界值時，相同應力水平下緩沖系數隨著環境相對濕度的增大而減小，緩沖性能提高；當應力大于濕度應力分界值時，緩沖系數隨著環境相對濕度的增大而增大，緩沖性能隨之下降。這與環境相對濕度對材料的彈性比能曲線體現的緩沖性能變化規律相符。

圖4 不同環境相對濕度下的緩沖系數–應力曲線（23 ℃）

由材料應力–應變曲線的分析可知，疊加層數與環境濕度對牛皮紙墊靜態承壓能力有交互影響作用，在此同樣探討疊加層數對材料緩沖性能的影響。不同疊加層數牛皮紙墊彈性比能–應力曲線如圖5所示。在環境相對濕度為30%的條件下，隨著疊加層數的增多，材料的彈性比能變小。當環境相對濕度為50%、70%、90%時，在應力值分別為20、13、12 kPa前后，彈性比能隨著疊加層數的變化有不同的變化趨勢，將此應力值定義為層數應力分界值。當應力小于層數應力分界值時，材料的彈性比能隨著疊加層數的增多而減小；當應力大于層數應力分界值時，彈性比能隨著層數的增多而增大。出現上述現象原因在于受力前期，疊加層數小的材料抵抗外力能力弱，變形速度快，且單位體積內空氣運動的體積小，空氣分子之間的碰撞更強烈，更多的沖擊能量會轉化成為熱量并耗散；在受壓后期，隨著外力的不斷增大，同一外力下，疊加層數越小的材料變形越大，越來越接近密實化，此時變形空間很小，空氣分子也減少，緩沖性能下降[17]。

由圖6分析4種環境相對濕度下不同疊加層數牛皮紙墊的緩沖系數–應力曲線，可得到以下規律：在環境相對濕度為30%的條件下，緩沖系數隨著疊加層數的增大而增大，緩沖性能減弱。在環境相對濕度為50%、70%、90%的條件下，分別存在層數應力分界值為20、13、12 kPa，使得同一環境相對濕度條件下，當應力小于層數應力分界值時，緩沖系數隨著疊加層數的增多變大，緩沖性能減弱；當應力大于層數應力分界值時，緩沖系數隨著疊加層數的增多減小，緩沖性能得到提高。該規律與疊加層數對材料彈性比能曲線體現的緩沖性能規律相符。

2.2 動態壓縮試驗

用最大加速度–靜應力（mst）曲線表征包裝材料的動態緩沖特性，通常用曲線最低點以及附近值來指導緩沖包裝設計。由于動態試驗操作工作量大，耗費樣品數目多，所以基于靜態壓縮試驗得出的結果。為節省材料，在動態壓縮試驗部分，只選取S–2進行濕度變化試驗，同時取S–2、S–3、S–4在相對濕度為50%的條件下試驗，探究疊加層數對其動態緩沖性能的影響。

圖7是最大加速度–靜應力曲線，圖中的散點是試驗測出的數值，通過對實測數據擬合，得到4條不同的曲線。

圖5 不同疊加層數的彈性比能–應力曲線（23 ℃）

圖6 不同疊加層數的緩沖系數–應力曲線（23℃）

圖7 最大加速度–靜應力曲線（23 ℃）

由圖7可知，曲線均為具有一個極值點的凹谷曲線，隨著靜應力的增加，最大沖擊加速度值先減小后增大。隨著牛皮紙墊表面靜應力增大，材料本身變形以及對沖擊能量的吸收效率隨之變大，傳遞給質量塊的沖擊加速度會逐漸下降。當材料本身對沖擊能量吸收效率達到一個最大值時，靜應力繼續增大，材料的變形也在增加，但材料對沖擊能量的吸收效率卻在下降，因而對應的沖擊加速度隨之增大。

由圖7a可知，隨著環境相對濕度的增大，最大加速度值隨之增大，即材料傳遞給質量塊的沖擊加速度增大，表明材料的緩沖性能隨之下降。但可發現，隨著濕度的增大，曲線最低點隨之向左上方移動，在實際應用中，若外界動載荷較小時，可以考慮在高濕條件下使用牛皮紙墊作為緩沖材料，這與靜態壓縮試驗提到的在一定小應力條件下，濕度增大，牛皮紙墊具備較好的緩沖性能的結論相符。圖7b的最大加速度–靜應力曲線最低點隨著疊加層數的增加向右下方移動，緩沖性能提高。表明在較大的動載荷條件下，多疊加層數的牛皮紙墊傳遞給質量塊的沖擊能越小。

采用最小二乘法擬合試驗數據，獲得最大加速度–靜應力曲線的經驗公式，多項式階數的選取應使得殘余誤差平方和最小，即實測數值與擬合曲線的離散性最小。通過專業繪圖軟件oringin處理試驗數據，確定擬合曲線的多項式階數以及特征系數，最后獲得多項式公式，見式（4），不同濕度條件和不同疊加層數的經驗公式如表3、4所示。

式中：m為最大加速度，單位為重力加速度（=9.8 m/s2）；st為牛皮紙墊承受的靜應力，kPa；、1、2、3均為特征系數。

表3 不同濕度下mst特征系數及經驗公式

Tab.3 Characteristic coefficient and empirical formula of Gm-σst curve under different humidity

表4 不同疊加層數m–st特征系數及經驗公式

Tab.4 Characteristic coefficient and empirical formula of Gm-σst curve of different superimposed layers

3 結語

本文基于靜、動態壓縮試驗方法，探究環境相對濕度對牛皮紙墊緩沖性能的影響。通過探討可知，在較濕的環境下，若外界沖擊載荷較小時，牛皮紙墊也能夠起到較好的緩沖作用，說明在某些條件下，牛皮紙墊的使用條件范圍較廣，具有較好的應用前景。同時，在運輸過程中，環境相對濕度不是影響牛皮紙墊緩沖性能的唯一因素，而是與其他因素交互影響，如疊加層數。因此，在實際緩沖包裝設計中，需綜合考慮影響材料緩沖性能的諸多因素，例如在濕度波動較小的運輸條件下，不必增加材料的疊加層數即可起到較好的緩沖作用，同時到達節約成本的效果。

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Effect of Ambient Relative Humidity on Cushioning Performance of Kraft Paper Pads

QIN Min, FANG Jian, YANG Xu, TAO Wen-xuan, YU Lei

(MOE Key Laboratory of Wood Material Science and Application, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

The work aims to explore the effect of ambient relative humidity on the cushioning performance of a new kraft paper pad. Based on static and dynamic compression tests, the cushioning performance of kraft paper pads of 2, 3 and 4 layers was analyzed under 30%, 50%, 70% and 90% ambient relative humidity. In the static compression test, the static pressure bearing capacity of kraft paper pad decreased with the increase of relative humidity, but increased with the increasing superimposed layers. There were humidity stress boundary values of paper pads of different specifications. When the external force on the material was less than the humidity stress boundary value, the cushioning performance increased with the increase of humidity. When the external force was greater than the humidity stress boundary value, the cushioning performance decreased with the increase of humidity. Under certain humidity conditions, the number of superimposed layers also affected the cushioning performance of kraft paper pad. At 30% relative humidity, the cushioning performance decreased with the increase of the number of layers. At 50%, 70% and 90% relative humidity, there were stress boundary values corresponding to the number of layers. When the external force on the material was less than the stress boundary value of the number of layers, the cushioning performance decreased with the increase of the number of layers. When the external force was greater than the stress boundary value of the number of layers, the cushioning performance increased with the increase of the number of superimposed layers. In the dynamic compression test, with the increase of the ambient relative humidity, the maximum acceleration transmitted by the kraft paper pad to the product increased, and the cushioning performance decreased. The increase in the number of superimposed layers reduced the maximum acceleration transmitted to the product and enhanced the cushioning performance. The above results have potential guiding significance for the design and material selection of kraft paper pad cushioning packaging.

kraft paper pad; cushioning performance; static compression; dynamic compression; ambient relative humidity

TH212；TH213.3

A

1001-3563(2023)09-0190-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.023

2022?09?04

北京林業大學中央高校基本科研業務費專項資金（2017JC12）

覃敏（1997—），女，碩士生，主攻緩沖包裝。

方健（1978—），女，博士，主要研究方向為功能性包裝材料，包括淀粉、纖維素、殼聚糖、PVA等可降解包裝材料及相變微膠囊材料的研究。

責任編輯：曾鈺嬋