蜂窝纸箱抗压性能试验研究

张峻岭 文周

(东莞职业技术学院,广东 东莞 523808)

蜂窝纸箱抗压性能试验研究

张峻岭 文周

(东莞职业技术学院,广东 东莞 523808)

通过对厚度分别为20mm、30mm、40mm、50mm蜂窝纸箱的空箱杭压实验,对比相同容重的瓦楞纸箱后,提出在相同材料消耗的条件下,蜂窝纸箱具有明显的强度优势。

蜂窝纸箱;瓦楞纸箱;杭压强度

蜂窝的六边形结构是蜜蜂的杰作、它以最少的材料消耗构筑成坚固的蜂巢、它的结构具有非凡的科学性。蜂窝纸板就是依据自然蜂巢结构原理制作的,它是把无数个空心立体六角形,用胶接方法连接成一个整体的受力件形成纸芯,并在其两面粘合面纸而成的一种新型纸制板材。蜂窝纸板作为一种缓冲包装材料,它在流通过程中,在外力的作用下受到冲击和振动时,能吸收外力产生的能量,防止产品遭受破损,是具有高度压缩和复原性的粘弹性材料［1一3］。

1 蜂窝纸箱包装的优势

蜂窝纸板是一种节省资源、保护生态环境、成本低廉的绿色包装材料,它具有轻、强、刚、稳四大优点。用蜂窝纸板加工的蜂窝纸箱具有抗压、防振、防潮等突出的特点,是易碎、怕压物品的理想包装。

内装物是粉状、颗粒状等非固体状态,则造型设计可选择余地大,包装设计仅对增加产量和保证产品质量有较大制约作用。如果内装物为固体,那么包装造型结构要适合内装物本身的形状。由于商品本身与包装之间会产生大大小小的空间,因而往往造成包装操作过程中的破损。此时,常常需要在空隙中插入一些缓冲材料,而这一附加作业会引起包装工作量加大,降低生产速度和生产效率,使包装成本升高。

木制包装箱质地坚硬、容易加工、有较好的抗冲击和抗戳穿能力,但箱内必须添加缓冲衬垫,且其价格高,故一些厂家常采用瓦楞纸箱,但瓦楞纸箱易受冲击变形而导致内装物的损坏率提高。

作为包装材料,与木制包装材料相比,蜂窝纸箱生产成本低10%～12%,且防振、缓冲性能优良,是易碎、怕压物品的理想包装；与瓦楞纸箱相比,蜂窝纸箱可包装几千公斤质量的产品,而瓦楞纸箱按照国家标准,5层箱的内装物不得超过55kg,7层箱内装物超过70kg就得另加内衬硬板。因此,蜂窝纸箱是制作包装箱的理想材料［4］。

2 蜂窝纸箱的设计

影响蜂窝纸箱的综合保护性能的因素有纸板的物理性能、箱体的尺寸比例、箱体的结构类型。纸板的物理性能影响因素主要是材质、加工工艺、结构尺寸等,与纸板的生产环节密切相关；箱体的尺寸比例则与被包装物相关；而纸箱的结构类型则是共性因素,因此本设计主要研究纸箱的结构类型［5一7］。

目前蜂窝纸箱多采用木质框架粘贴蜂窝纸板成箱,该结构工序繁多且多由手工完成,纸箱的抗压、防护性能有很大的不确定性,质量很难控制,生产效率低。对于厚度在20mm左右的蜂窝纸板有厂家采用直接压痕、折叠而成箱；厚度在30mm及以上的蜂窝纸板不能直接压痕,但可以沿厚度方向裁切后再压痕、折叠、成箱,如图1。

图1 蜂窝纸板裁切、压痕示意图

该设计的蜂窝纸箱结构平面展开图如图2。

图2 蜂窝纸箱平面展开示意图

其中,沿高度方向是“x”向,箱体裁切后留15mm压痕,沿裁切面胶结,箱体与箱底的结合使用胶接,再与箱盖用胶带纸粘结。

当纸箱受压时,将在箱盖与箱体的接触处通过箱盖均匀分布在四个侧面的截面上。而随着蜂窝纸板厚度的增加,侧面面积增大,因此应力也减少,可以减少对它的损坏,于是它的抗压强度就大些。

侧面的受力可以看作是很多杆的受力的集合,因此可以用杆的受力稳定性来分析。对于受力杆件存在一个临界力P0。当压杆承受的轴向力P＜P0时,如果没有干扰,压杆能处于直立状态,但一有干扰,杆件就发生侧向弯曲,且撤去外力压杆也不复返原状,从而使纸板内部产生应力,如剪切力。剪切力分为两部分：一部分是芯纸和面纸之间的剪切力,它使芯纸与面纸发生剥离。另一部分是芯纸内部的剪切力,它使芯条与芯条分开直至破损。剪切模量与芯纸条的厚度有关,芯条越厚,剪切膜量越大,抗剪切性越好。由于蜂窝纸板“x”向的压缩强度、剪切强度和弯曲强度要大于“y”向,所以成箱后高度方向应选择“x”向。

在其他约束条件相同的条件下,杆的长度不同,其临界力也不同。当侧面受力时会发生弯曲,弯曲时它将受到的约束是侧面给它的,由于作用力与反作用力,相邻的侧面将在箱角处受力。如果胶的强度不够,此处便是薄弱环节。对于箱盖的受力,主要发生在与箱体接触的部位,与它的“z”向压缩强度有关。

该箱角棱的粘合形式是通过裁切、涂胶折叠而成,当箱壁受到压力的情况下,压力作用在箱壁上变成内应力。由于粘结边较大,粘结处材料刚度增加,使纸的接触表面结合力增加及连接相邻表面的胶膜刚化,使纸箱抗压强度提高［8一10］。

3 蜂窝纸箱的空箱抗压性能实验

蜂窝纸箱的抗压强度是评价蜂窝纸箱综合保护性能的最重要指标,它是由箱体破损时的最大负荷及变形量来表示的。因此,蜂窝纸箱的空箱抗压实验可以评价它的综合保护性能。蜂窝纸箱试验对象是东莞某包装有限公司生产的厚度分别为20mm、30mm、40mm、50mm的蜂窝纸板,面纸使用的是再生纸挂面纸,定量为300g/m2。芯纸为再生草浆纸,定量110g/m2。

根据上述纸箱结构制作的样品蜂窝纸箱的内部尺寸为：高：H=300mm,长：B=350mm,宽：W=250mm。蜂窝纸板的厚度t分别为20mm、30mm、40mm、50mm。

3.1 厚度为20mm的蜂窝纸箱的压力——变形曲线

图3是厚度为20mm蜂窝纸箱压力——变形曲线,此纸箱的最大承载能力为3 880N。

图3 厚度为20mm的蜂窝纸箱的压力-变形曲线

3.2 厚度为30mm的蜂窝纸箱的压力——变形曲线

图4是厚度为30mm蜂窝纸箱压力——变形曲线,此纸箱的最大承载能力为3 920N。

图4 厚度为30mm的蜂窝纸箱的压力-变形曲线

3.3 厚度为40mm的蜂窝纸箱的压力一变形曲线

图5是厚度为40mm蜂窝纸箱的压力——变形曲线,此纸箱的最大承载能力为4 100N。

图5 厚度为40mm的蜂窝纸箱的压力-变形曲线

3.4 厚度为50mm的蜂窝纸箱的压力一变形曲线

图6是厚度为50mm蜂窝纸箱的压力——变形曲线,此纸箱的最大承载能力为4 600N。

图6 厚度为50mm的蜂窝纸箱的压力-变形曲线

4 蜂窝纸箱与瓦楞纸箱的空箱抗压强度对比分析

瓦楞纸箱试验对象与蜂窝纸箱一样为东莞某包装有限公司生产的0201型C楞三层瓦楞纸箱。0201型纸箱即对口瓦楞纸箱,是最基本、最为普通使用的箱型。瓦楞楞型通常分为A、B、C、E4种,C型楞的尺寸、结构及强度介于A、B楞之间,同时具备较好的抗压强度及缓冲性能,是最常用的瓦楞楞型,该楞型纸箱在瓦楞纸箱中应用最广泛。

为了增加可比性,瓦楞纸板的材料选择与蜂窝纸板同样的面纸和芯纸制成,即面纸使用的是再生纸挂面纸,定量为300g/m2。芯纸为再生草浆纸,定量110g/m2。瓦楞纸箱的几何尺寸为：350*250*300mm,与上述测试蜂窝纸箱大小一致,数量为15只。

对成形空箱进行压缩试验,测定了纸箱的抗压强度。试验数据为：(单位：N)

2051.5 ,2118.2,2279.3,2356.6,2500.6,2604.4, 2744.0,2833.7,2833.7,2967.1,3140.6,3366.7,3453.8, 3528.6,3592.6。

由以上数据可知,瓦楞纸箱的空箱抗压强度实验样本的峰值为3 592.6N,这一数值与相同容重的40mm蜂窝纸箱的测试结果4 100N相比有较大的差距。

蜂窝纸箱抗压性能试验对比分析说明,该箱型设计充分发挥了蜂窝纸板的性能优点,是一种科学合理的蜂窝纸箱结构设计形式,在相同的材料消耗的条件下,其成箱后比瓦楞纸箱有明显的强度优势。

［1］张书彬,冯学正.瓦楞纸箱抗压强度的试验研究［J］.包装工程,2008(9):11一13.

［2］刘慧,张新昌.折叠纸盒结构及其尺寸对抗压强度的影响［J］.包装工程,2008(5):25一26.

［3］陈瑞.影响纸箱抗压强度的因素分析及解决方案［J］.包装世界,2005(5):45一47.

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［5］张改梅.蜂窝纸板箱的设计及性能研究［J］.中国包装工业,2002(2):41一43.

［6］郭彦峰,辛成龙,许文才,等.蜂窝纸板结构平压性能有限元分析［J］.包装工程,2009(1):25一28.

［7］张媛,孟春玲,曹利红.蜂窝纸板箱的瞬态特性研究［J］.包装工程,2008(3):66一67.

［8］李清,王建红.蜂窝纸板箱模压成箱工艺研究［J］.包装工程,2006(5):78一79.

［9］王冬梅.纸蜂窝芯结构的比较［J］.包装世界,2006(4): 18一20.

［10］张新昌,王永光,杨金枝,等.蜂窝纸板箱折叠成型方法［J］.江南大学学报,2004(2):74一76.

ExPerimental research on the ComPressive ProPerty of Honeycomb PaPerboard Boxes

Zhang Junling Wen Zhou
(Dongguan Polytechnic,Dongguan Guangdong 523808)

By tests on honeycomb paperboard boxes with thickness of 20mm,30mm,40mm,and 50mm,corrugated cartons with the same material consumption were compared,we found that honeycomb paperboard box has obvious advantages than corrugated box in strength under the condition of same material consumption.

Honeycomb Paperboard Boxes;Corrugated Carton;compressive strength

TB484

A

1003一5168(2015)07一0053一3

2015一6一22

2015年度东莞职业技术学院院级基金课题:蜂窝纸板防振缓冲特性研究。

张峻岭(1976一),男,硕士,副高级职称,研究方向:包装专业的教学和研究。