组合蜂窝纸板缓冲性能的静态试验研究

朱若燕,尹 琪,李厚民

(湖北工业大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430068)

蜂窝纸板由纸芯上下表面粘贴面纸而成,纸芯采用的是六边形蜂窝结构,故而为蜂窝纸板(图1).

图1 蜂窝纸板结构示意图

蜂窝纸板作为纸质的包装材料在生产加工、使用以及最后的回收利用过程中均不会带来环境污染问题,而且具有成本低,强度高,优良的承载能力和缓冲性能,是比较理想的运输包装材料,引发国内外很多学者对其各方面性能的研究[1,2].

国内关于蜂窝纸板缓冲性能的研究集中于从材料入手研究其静态、动态缓冲性能[3,4],或者是与其他材料组合而成的组合件的测试及分析,从结构组合方面入手考虑其缓冲性能的并不多见.本文主要考虑不同面积蜂窝纸板的叠置形式,通过静态的压缩试验研究其面积的变化对其缓冲性能的影响.

1 试验方案与方法

试验拟采用上下板按照对中方式叠合放置,如图2所示.静态压缩采用国标[5]规定的A法进行试验.试验设备采用SANS HWT-5105100 kN微机控制电子万能材料试验机.

材料为武汉荷力胜蜂窝材料有限公司提供的蜂窝纸板,纸芯定量为105 g/cm3,面纸是定量为175 g/cm3的C级再生纸,厚度均为35 mm.

为了充分研究组合板结构的缓冲性能和面积参数对缓冲性能的影响,试验方案如下:

1)组合板与单板性能对比试验.上板70 mm×70 mm×35 mm(规格为长 ×宽×厚,下同);下板100 mm×100 mm×35 mm.对比组合板和单板的静态缓冲性能.

2)组合板其中一个板面积变化对比试验.小板均为70 mm×70 mm×35 mm,对比5组不同的大板面积(表1)进行压缩试验,分析下板尺寸的变化对应力-应变曲线和缓冲系数的影响.

表1 不同大板规格

图2 叠置组合蜂窝纸板布置、加载示意图

2 数据分析

由压力试验机记录仪记录下来的曲线为压力、形变数值,通过求出各次试验中的5组数据的算术平均值,由式(1),(2)计算应力、应变值:

式中:σ为试样承受的静应力;F为压力;A为面积;ε为试样的应变;x为变形量;t为组合试样总厚度.利用MATLAB即可绘出应力-应变曲线,再借助于应力-应变曲线,由

得到缓冲系数C后,最后通过Matlab绘出缓冲系数—最大静应力曲线.

2.1 组合板与单板缓冲性能对比

对于组合板,为了统一计算应力,均取为面积较大的板(以下简称大板)的面积,在后面的所有试验数据里也采取同样的处理方法.

首先对于方案1组合板以及单板进行压缩试验,得出其力-位移曲线如图3所示.

图3 组合板静态压缩的力-位移曲线

由图3可知,在组合的蜂窝纸板压缩过程中,两板厚度一致,由于小板面积较小,应力大于大板,所以总是小板先屈服直至压溃,因而组合板的前面阶段与单板压缩相似:首先在弹性阶段迅速上升至一个峰值,然后迅速下降至一个平台区,观察位移至35 mm(单板厚度)处组合板曲线可知,这时大板渐渐进入屈服阶段,因而进入第二峰值.

图4 组合板静态压缩的缓冲系数-应力曲线

借由力位移数据可以计算应力-应变关系,继而可以计算出各个应力值对应的缓冲系数(图4).

由图4可以看出组合板的缓冲系数曲线在单板的曲线的左侧,所以在相同缓冲系数下,组合板较适合在较低的应力区工作.而在应力较大的区域曲线基本重合.总的来说,经组合后,蜂窝纸板的缓冲性能向低应力区方向移动了,从而拓展了蜂窝纸板的工作范围.

2.2 不同承载面积对组合板缓冲性能的影响

在不同下板的组合试验中,小板面积统一为70 mm×70 mm,而大板的面积依次增大(面积规格见表1).图4为不同面积组合板的缓冲系数-应力图,可以看出,对应在同一适当的缓冲系数值上,随着面积的增大,组合衬垫的工作应力值减小,而更大程度上拓展了组合板工作的应力范围,这为实际的组合蜂窝纸板在包装设计中提供了可行的依据,对于不同的产品可以选用合适的承载面积来组合以达到较好的缓冲性能.

图5 不同面积的组合蜂窝纸板缓冲系数曲线

3 结论

在不同面积上下板组合的蜂窝纸板,其应力-应变关系以及缓冲性能会发生变化.

1)组合蜂窝纸板的压缩过程中,其应力应变曲线的也分为线弹性区域和平台区域,所不同的是在小板密实化了之后会压缩大板,开始出现第二个峰值.这是两层板依次破坏的结果.

2)经过叠置组合的板的缓冲系数-应力曲线相对单板的缓冲曲线左移,即组合结构改善了纸板低应力区的缓冲性能,这样间接拓展了蜂窝纸板的工作范围.

3)增大组合板中大板的面积会给组合板不同应力区的缓冲性能带来改善,更大程度上拓展了组合板工作的应力范围,这为实际的组合蜂窝纸板在包装设计中提供了可行的依据,对于不同的产品可以选用合适的承载面积来组合以达到较好的缓冲性能.

[1]郭彦峰,许文才,王 梅.蜂窝纸板缓冲性能的实验研究[J].包装工程,1999,20(2):12-15.

[2]Gibson L J.Ashby M.F Cellular solids:structure and Properties[M].Cambridge:CambridgeUniversity Press,1997.

[3]王冬梅,王志伟.纸质结构型包装材料缓冲性能研究进展[J].材料导报,2007,21(6):43-46.

[4]李厚民,朱若燕,杨小俊.蜂窝纸板与瓦楞纸板组合结构缓冲特性研究[J].包装工程,2005,26(4):9-11.

[5]张安宁,童小燕,刘效云,等.多层叠加蜂窝纸板压缩特性研究[J].包装工程,2004,25(6):31-32.

[6]GB/T8168-2008.包装用缓冲材料静态压缩试验方法[S].国家标准局.