瓦楞纸板结构件及强化技术研究现状

青岛科技大学 孙聚杰

随着环保和可持续发展意识的增强，人们在包装中越来越多的开始使用环保型、可降解回收型材料。尤其是在“以纸代木、以纸代塑”方面，各个包装科研机构、包装制品生产厂家都非常关注。

一、瓦楞纸板结构件简介

瓦楞纸板是以纸代木、以纸代塑中被广泛利用的包装材料，这与瓦楞纸板的力学性能、结构性能密不可分，它不仅具有一定的缓冲性能、抗压性能，还具有廉价和可回收利用等优点，而且可以通过切割、开槽、压痕、折叠、粘合等方式制成各种纸质包装制品。

图1 瓦楞纸板结构制品

图1展示了各种瓦楞纸板制成的纸质包装制品，虽然这些瓦楞纸质包装制品的瓦楞纸板切割、折叠、插装或粘合方式不一样，而且总体结构形式不同，但它们具有很强的结构相似性。通过对各种形态结构的瓦楞纸质包装制品进行分析，可以发现，它们主要是由各种部件组成，这些部件的具体形式有板、梁、支座、垫块、护角等，而构成这些部件的主要结构形式有层叠形结构件、口字形结构件、斜撑形结构件、外三角形结构件、内三角形结构件、错楞形结构件等（如图2），这些结构件可以单个做缓冲结构件或承载垫块等，也可通过插装或粘合将多个结构件组合，组成大型包装结构件。由于这些结构件是构成各种瓦楞包装制品的基础，所以将这些结构件统一定义为瓦楞纸板基础结构件。

图2 一些瓦楞纸板基础结构件

瓦楞纸板基础结构件，即指构成瓦楞纸质包装制品的板、梁、支座、垫块、护角等部件的各种基础结构件，它们可以通过组合、拼装、粘合等构成重型纸质包装箱、重型纸质托盘、大型展示架、重型电子制品缓冲衬垫等包装制品。在实际应用中，这些瓦楞纸板基础结构件构成的瓦楞纸质包装制品在所有的生产、运输、销售过程中包装件均需要承受相当大的压力，而且越来越多的大中型制品（如海尔、长虹、小天鹅等的制品）开始使用瓦楞纸质包装替代原有塑料、木材包装，这些应用领域的出现，也对瓦楞纸质包装制品的承载性能提出了更高的要求。因此，非常有必要对如何强化瓦楞纸板基础结构件承载性能做相关研究，从而为研制新型重型纸质包装制品打下基础。

不仅是包装企业，国家有关部门也非常重视新型重型纸质包装制品的研究，2009年，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部、商务部、国家税务总局、国家质量监督检验检疫总局等七部门共同发布了《关于印发机电产品包装节材代木工作方案的通知》，强调将落实并完善资源综合利用产品增值税政策，促进机电产品包装节材代木，充分显示国家对于“以纸代木”政策的大力支持。而各类重型纸质包装件的广泛应用，对瓦楞纸板结构件的性能，尤其是承载性能提出了更高的要求。

目前国内外仅对如何强化瓦楞原纸、瓦楞纸板的承载性能方面有所研究，而对于瓦楞纸板结构件这种结构体的承载性能强化研究基本处于空白，因此非常有必要展开这方面的研究。

二、瓦楞纸板结构件及其性能的研究

通过简化力学模型和对比性试验探讨了折叠三角形瓦楞纸板衬垫结构缓冲能力与其截面尺寸、结构折叠层数的关系。

澳大利亚维多利亚科技大学的Michael A.Sek和机载导弹控制系统研究中心的Jim Kirkpatrick基于静态和准动态压缩试验数据来分析预测瓦楞纸板衬垫的性能。

2003年，在分析瓦楞纸板特点的基础上，设计了四种瓦楞纸板缓冲结构，并对其进行测试，总结其缓冲性能，证明了其可以代替泡沫塑料缓冲垫的结论。

2007年，运用夹层板理论分析瓦楞纸板的弯曲问题，并建立其平衡控制方程。

2007年，试验研究了3种折叠型双瓦楞纸板衬垫结构在跌落高度分别为30cm、60cm、90cm 3种条件下的动态缓冲特性，采用3次多项式曲线拟合法获得了峰值加速度-静应力曲线的经验公式和特征系数。

2010年，以不同组合角度的瓦楞纸板为研究对象，以角度为变化参数，对边压强度、平压强度进行了分析研究，进行了拟合，得到了其强度与组合角度的关系模型，获得了其静态缓冲系数-应力曲线。为组合型瓦楞纸板在缓冲包装中的推广应用提供了基本数据。

2008年，将瓦楞纸板托盘的垫块分为卷绕式和层合式两类；层合式又有层合未裹包式方形垫块、层合四周裹包式方形垫块、层合全裹包式方形垫块等；以及纵梁的条状结构，分析了不同结构垫块的承载能力与其结构形式、结构参数等的关系，并给出了几种垫块在满足最大承载能力前提下的较优结构参数。

2008年，以斜撑结构为研究对象，在研究斜撑结构缓冲机理的前提下，探讨斜撑单元的结构参数对结构缓冲性能的影响规律。

2008年，通过对瓦楞纸板展示架的形态和功能分析，论述了两者之间的关系，并进一步阐述了瓦楞纸板展示架设计的常见形态与特征及应用。

2008年，根据口字型结构压缩时主要失效形式，将研究空间结构的承载问题转化为易损板稳定问题。考虑纸板的初始挠度，建立了对边简支对边自由边界条件下，夹层板稳定问题的基本方程。方程组的求解采用改进的纳维叶双三角级数法，得到了临界屈曲载荷的计算公式。

三、瓦楞纸板结构件强化方法的研究

2002年，对阳离子淀粉进行阴离子化，得到低粘度两性淀粉表面施胶剂，对纸张印刷适性和表面强度都有明显改善。制备了不同取代度的淀粉琥珀酸酯，用于表面施胶所得纸张耐水性显著提高。

2002年，将阳离子木薯淀粉高浓分散液通过计量薄膜转移方式涂布到纸张表面，使所得纸张的挺度明显改善。

2003年，将羟乙基淀粉与果糖一起糊化，制备了成膜性良好的表面施胶分散液，处理后纸页施胶度明显改善。

2005年，制备了不同取代度的羟乙基淀粉，对纸张进行表面施胶，成纸表面强度和内部结合强度均有较大提高，同时纸张光泽度和印刷适性也得到改善。

2005年，通过使用自行研制的水性增强剂，在瓦楞纸板生产线生产过程中，对国产普通瓦楞原纸进行喷涂处理，在线增强来提高国产低克重，低质量瓦楞纸的韧度和强度。经实际使用，具有明显的效果。

2006年，从绿色包装的意义出发，介绍了以淀粉、纤维素、壳聚糖3大类天然高分子材料为基础，经过改性或混合，制备具有良好力学性能、生物降解性及抗菌性能的功能高分子膜的方法。

2007年，分析了壳聚糖用于挤压涂布前的预涂。配制了4种壳聚糖涂料，其壳聚糖分别占绝干涂料量的0.10%，0.25%，0.50%，0.75%。试验结果表明，纸张的弯曲挺度得到很大程度的提高，但撕裂指数和抗张指数提高不明显，纸张吸水性能有所下降。初步研究结果表明，壳聚糖能够很好地粘附到纤维上，可以作为一种环境友好型的涂布原料。

2008年，分析了多种提高瓦楞纸箱强度的方法，论述了通过造纸过程中改变纤维方向或采用高压板成型法，以及是在造纸前和造纸中向纤维中加入添加剂，提高纤维的结合力，利用两层或多层芯纸层合以增加芯纸强度等方法提高瓦楞纸箱强度。

2009年，重点研究了细菌纤维素湿膜经机械匀浆处理所得的细菌纤维与植物纤维混合抄片的纸页性能。试验证明，细菌纤维素湿膜经过适当的处理后可以用于制备造纸所用的细菌纤维浆料；添加到纸页中的细菌纤维能在植物纤维间起到一种搭桥作用，并显著提高纸页的物理强度。

2009年，详细总结了表面施胶剂在国内外造纸工业中的应用现状及研究进展，分析多种天然高分子表面施胶剂与合成表面施胶剂的应用后，认为高浓低粘高性能表面施胶剂的开发应用适应了新型表面施胶装置开发的要求，是表面施胶剂的发展方向。

2009年，采用溶液共混后流延的方法制备淀粉-壳聚糖可食性包装膜，运用正交试验法研究了壳聚糖质量分数、乙酸体积分数、淀粉质量分数、共混时间、甘油比例等因素对包装膜力学性能的影响。

四、研究现状分析

分析有关国内外研究现状，结合本课题的研究内容可以发现以下几个问题：

（1）对于瓦楞纸板的缓冲性能、承载性能的研究已比较深入，但对于瓦楞纸板结构件的承载性能的研究很少；

（2）现有的研究都仅仅针对个别瓦楞纸板结构件，没有从瓦楞纸板结构件制品的结构特点、承载方式出发，提出具体的分类研究方法；

（3）通过化学方法改善瓦楞原纸、瓦楞纸板力学性能的研究较多，通过结构设计改进瓦楞纸板结构件力学性能的研究很少，而且瓦楞纸板结构件的承载性能强化技术方面基本没有相关研究；

瓦楞纸板结构件作为一种空间结构体，不同于单纯的瓦楞纸板材料，其承载失效过程随结构形式的不同、承载方向的变化有多种表现形式。对其承载性能的强化技术，应根据其承载失效过程的差异，结合化学的、结构的改良方法，有针对性的进行研究。