徐 爍，王志偉

(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(chǎn)品包裝與物流重點實驗室，珠海 519070)

蜂窩紙板以其環(huán)保、重量輕、強度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、緩沖性能優(yōu)良等特點在近幾年成為備受關(guān)注的緩沖包裝材料之一，已廣泛應用于包裝、建筑、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。

蜂窩紙板作為產(chǎn)品的緩沖包裝材料[1]，主要是通過吸收實際運輸過程中的沖擊和振動產(chǎn)生的能量(通常是動能)進而保護產(chǎn)品。能量吸收圖由Gibson等[2]提出，用于表征緩沖材料的吸能特性。目前能量吸收圖的研究集中于泡沫塑料和泡沫金屬能量吸收特性的表征。Gibson已經(jīng)成功地將能量吸收圖引入泡沫塑料緩沖性能評估體系中，在此基礎(chǔ)上，盧子興等[3]、王斌等[4]、胡時勝等[5]分別對復合泡沫塑料、泡沫鋁合金和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的緩沖吸能特性進行了評估。對紙蜂窩材料能量吸收性能的研究，國外文獻很少涉及。國內(nèi)王冬梅[6－7]基于紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓縮試驗，考慮孔穴結(jié)構(gòu)因素的影響，構(gòu)建了能量吸收圖得出隨著蜂窩胞壁厚度與長度比值的增加，其能量吸收性能將隨之增大，但未考慮溫濕度對紙力學性能的影響;王志偉等[8]采用分段函數(shù)的方法建立了靜態(tài)壓縮條件下紙蜂窩能量吸收與環(huán)境濕度及蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型，并與試驗結(jié)果進行比較驗證，得出了模型的可靠性;王志偉等[9]對蜂窩紙板進行靜態(tài)壓縮，得出了蜂窩紙板的緩沖性能隨環(huán)境相對濕度的增大而降低的結(jié)論。

由于制造蜂窩紙板的基質(zhì)為紙質(zhì)材料，其基本物理性能易受環(huán)境濕度條件的影響，繼而將導致蜂窩紙板性能的變化，因此，研究流通環(huán)境條件下，相對濕度對蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗

1.1 試驗材料

蜂窩紙板由荷力勝(廣州)蜂窩制品有限公司制作，試驗所用試樣的參數(shù)如表1所示。表中代號PA－105A/160K－20表示由定量105 g/m2的瓦楞原紙制成的A孔蜂窩芯，裱覆定量為160 g/m2的牛皮紙所得的厚度為20 mm的蜂窩紙板。

表1 蜂窩紙板試樣參數(shù)Tab.1 Parameters of honeycomb specimens

1.2 試驗方法

1.2.1 原紙拉伸試驗

原紙拉伸試樣采用邊壓強度取樣器進行取樣，試樣尺寸為152 mm×12.7 mm，試樣的長度方向均與原紙縱向平行。將蜂窩原紙試樣在標準環(huán)境條件(23℃，相對濕度50%)下預處理48 h后，參照 JB/T6544－1993塑料拉伸和彎曲彈性模量試驗方法[9]，在CMT8502型電子材料試驗機上測量蜂窩原紙的縱向固體模量。電子材料試驗機的拉伸標距為65 mm，拉伸速率為0.5 mm/min，進行10次重復試驗，取平均值(所有有效試驗數(shù)據(jù)定義為在靠近試樣中部斷裂時的試驗數(shù)據(jù))。

1.2.2 蜂窩紙板動態(tài)壓縮試驗

將蜂窩紙板試樣在溫度23℃，相對濕度50%，70%，80%，90%條件下分別預處理 48 h后，參照GB/T8167－2008包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法[10]在Dynatup9250HV型落錘試驗機上進行動態(tài)壓縮試驗。試驗采用60 cm跌落高度(應變率為1.71×102/s)，試樣尺寸100 mm×100 mm，對各種試驗條件均做5次重復試驗(各用一個試樣)，每個試樣從恒溫恒濕箱取出后5 min內(nèi)完成測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 基于標準環(huán)境條件的蜂窩原紙縱向固體模量

對經(jīng)過預處理的蜂窩原紙進行拉伸試驗，測得標準環(huán)境條件下(23℃，相對濕度50%)蜂窩原紙縱向固體模量 Es0=2.442 GPa。

2.2 蜂窩紙板動態(tài)壓縮緩沖特性分析

蜂窩紙板動態(tài)壓縮緩沖特性，大多是通過其應力應變曲線進行評價。蜂窩紙板是由上下兩層面紙和中間蜂窩芯紙復合而成，從圖1中看出，當經(jīng)受面內(nèi)壓縮時，其變形過程可明顯分為三個階段:線彈性階段(OA段)、漸進坍塌階段(AB段)、密實化階段(BC段)。蜂窩紙板在經(jīng)受面內(nèi)加載的變形過程中，出現(xiàn)一段較長的波動區(qū)域(AB段)，在此階段蜂窩紙板孔壁按一定波長漸進折疊坍塌，是蜂窩紙板最主要的能量吸收階段。圖2是三種不同厚跨比(蜂窩芯層胞壁厚度t與蜂窩芯層胞壁邊長l之比)蜂窩紙板在不同相對濕度條件下動態(tài)壓縮應力－應變曲線。

圖1 蜂窩紙板動態(tài)壓縮應力－應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of honeycomb paperboard

圖2 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對濕度條件下的動態(tài)壓縮應力－應變曲線(23℃)Fig.2 Stress-strain curves of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions(23℃)

由圖2和圖3可以看出，在同一濕度下，蜂窩紙板線彈性階段的峰值應力和漸進坍塌階段的平均應力隨著厚跨比的減小而減小，緩沖性能相應降低。相同厚跨比條件下，峰值應力和平均應力隨著環(huán)境相對濕度的增大而減小，緩沖性能有不同程度的下降。環(huán)境相對濕度從50%上升到70%的過程中，峰值應力和平均應力幾乎沒有變化;當環(huán)境相對濕度上升到80%，減小幅度到達7% ～20%;當環(huán)境相對濕度繼續(xù)上升至90%，峰值應力和平均應力急劇下降，下降比例高達50%以上。因此，在常規(guī)的物流運輸環(huán)境中，可以忽略相對濕度對蜂窩紙板緩沖性能的影響，但在中國的東南沿海地區(qū)的某些極端潮濕環(huán)境下，相對濕度對蜂窩紙板緩沖性能的影響是必須要考慮的。

圖3 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對濕度下的峰值應力和平均應力Fig.3 Peak stress and average stress of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

2.3 蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收圖的構(gòu)建

能量吸收圖可以表征緩沖材料所承受的應力和吸收的能量之間的關(guān)系，它可以由緩沖材料的壓縮應力－應變曲線構(gòu)建。具體做法是:在緩沖材料壓縮應力－應變曲線下到某一應力點σp處的面積對應力σp作圖，兩者都以緩沖材料的固體模量Es0作標準化，所得曲線即為能量吸收曲線。緩沖材料的能量吸收曲線上通常會出現(xiàn)一個肩點，該點即為某一結(jié)構(gòu)的緩沖材料在某一應變率下的最佳設(shè)計點。

用專業(yè)繪圖軟件origin將三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同濕度條件下的動態(tài)壓縮應力－應變曲線轉(zhuǎn)化為能量吸收圖。由圖4可知，隨著相對濕度的增大，蜂窩紙板最佳能量吸收點(包跡線所連接的曲線肩點)向左下方偏移，其單位體積吸收能量的能力減弱。

將不同相對濕度條件下，不同厚跨比蜂窩紙板的包跡線匯總于同一坐標系，使得在同一張能量吸收圖中包含了應變速率、蜂窩結(jié)構(gòu)及環(huán)境濕度等信息，見圖5，借助該動態(tài)壓縮能量吸收圖，利用插值法可進行蜂窩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)選，進而指導緩沖包裝設(shè)計。

2.4 蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收圖的應用

某產(chǎn)品長期處于RH80%的高濕環(huán)境中，產(chǎn)品質(zhì)量m=3 kg，脆值A(chǔ)c=30 g，包裝材料和產(chǎn)品之間接觸面積A=0.01 m2，已知蜂窩紙板厚度T=20 mm，當包裝件從高度H=60 cm處跌落時，根據(jù)所構(gòu)建的能量吸收圖對蜂窩紙板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化選擇。

圖4 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對濕度下的能量吸收圖Fig.4 Energy-absorption diagrams of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

圖5 不同相對濕度條件下不同厚跨比蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收圖匯總Fig.5 Summary of compression energy-absorption diagram of honeycomb paperboards with different thickness-to-length ratios under different relative humidity

(1)由包裝件跌落高度H=60 cm知最大沖擊速度v=3.43 m/s，故應變速率ε·=v/T=1.71×102/s，可適用于圖5所構(gòu)建的能量吸收圖，蜂窩紙板單位體積吸收能W=mgH/AT=90 kJ/m3，因為被包裝物的脆值A(chǔ)c是30 g，則其最大許用包裝力F=m×Ac=900 N，最大許用應力σp=F/A=m×Ac/A=90 kPa;

(2)選擇一個適宜蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES1，取 1.0 GPa，在圖 6所示的能量吸收圖中畫出W/ES1=0.9 ×10－4和 σp/ES1=9 ×10－5的直線，得到點A;

(3)保持W和 σp不變，僅改變 ES1，取 ES2=1.5 GPa，重復步驟(2)，得到B點;

(4)過A、B兩點畫直線與RH80%對應的能量吸收曲線交于C點;

圖6 蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收圖應用示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of the application of energy-absorption diagram of honeycomb paperboards under dynamic compression

(5)在圖6中讀出C點對應的W/ES和σp/ES，進而計算出最佳ES，再利用插值法在C點所對應的蜂窩紙板芯層胞壁厚跨比平行線族中確定最佳厚跨比。

本例所選用的蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES=1.875 GPa，蜂窩芯層胞壁最佳厚跨比為0.026 0。

3 結(jié)論

(1)蜂窩紙板的緩沖性能受環(huán)境相對濕度的影響，隨著環(huán)境相對濕度的增大:

① 線彈性階段的峰值應力和漸進坍塌階段的平均應力有不同程度的減小。在環(huán)境相對濕度從50%上升到70%的過程中，峰值應力和平均應力幾乎沒有變化;當環(huán)境相對濕度上升到80%，減小幅度到達7% ～20%，當環(huán)境相對濕度繼續(xù)上升至90%，峰值應力和平均應力急劇下降，下降比例高達50%以上。

② 蜂窩紙板最佳能量吸收點向左下方偏移，其單位體積吸收能量的能力減弱。

(2)基于動態(tài)壓縮能量吸收圖，利用插值法可進行蜂窩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)選，進而指導緩沖包裝設(shè)計。

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