瓦楞 /蜂窝复合纸板综合强度性能

张 晶， 钱 江， 陆恩黎， 张新昌*，3

(1．江南大学机械工程学院，江苏无锡214122;2．巨人通力电梯/富华工业包装有限公司，浙江湖州313000;3．江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122)

蜂窝纸板，又称蜂窝夹芯纸板、蜂窝复合纸板，具有强度高、承重大、节约原料等特点，是一种新型的环保材料。目前，已经作为一种代木材料，应用于各种包装产品中。例如，蜂窝纸箱、蜂窝托盘等。但是，蜂窝纸板也存在一定缺陷。例如，蜂窝纸板折叠性能差，无法折叠成箱，需利用纸质护角黏合蜂窝箱板成箱，成箱效率低，储运空间大。此外，蜂窝纸板独特的蜂窝纸芯结构导致蜂窝纸板侧强度和戳穿强度低［1-2］。

这些都限制了蜂窝纸板在包装领域的广泛应用，所以将蜂窝纸板与瓦楞纸板进行复合，实现两种纸板性能互补，发挥各自优势。目前，关于瓦楞 /蜂窝复合纸板性能的研究，还处于初期阶段，对瓦楞/蜂窝复合纸板性能的研究较少。都学飞等人通过对比分析蜂窝纸板、A，B，AB 3类瓦楞/蜂窝复合结构纸板的强度性能发现，瓦楞 /蜂窝复合型纸板的边压强度、耐破度、戳穿强度均大于蜂窝纸板［3］。贺丹华等人探讨蜂窝 /E形瓦楞复合纸板的G's－T，F－S，σ －ε，C －ε，分析蜂窝 /E形瓦楞复合纸板的缓冲力学性能［4］。耿敏等测试蜂窝纸板和瓦楞纸板及其复合板的刚度，并在理论上作了分析。结果表明，面纸的纵横方向对纸板的弯曲刚度起着决定性作用，复合板的刚度性能较单层板大大增强［5］。李厚民等测试瓦楞纸板和蜂窝纸板及其组合结构的缓冲特性曲线，并将组合结构与另外两种材料的曲线特征进行比较，结果表明组合结构兼具二者的优点，对于小幅荷载和较大载荷都有良好的缓冲能力［6］。

文中通过理论分析和试验研究4种楞型A，C，B，E瓦楞纸板与蜂窝纸板单面复合纸板的4项强度性能，包括平压强度、侧压强度、弯曲强度和戳穿强度，对4种复合形式的瓦楞 /蜂窝纸板的各项强度进行综合评价，分析4种不同瓦楞 /蜂窝复合纸板的强度性能特点，并得出综合强度性能最佳的瓦楞蜂窝纸板复合形式，为瓦楞 /蜂窝复合纸板在包装领域的应用和推广提供理论依据。

1 蜂窝夹层板结构强度理论分析

瓦楞/蜂窝复合纸板分为单层和双层复合两种形式，复合结构形式如图1所示。

图1 瓦楞/蜂窝复合形式Fig．1 Composite form of corrugated/honeycomb cardboard

瓦楞/蜂窝复合纸板是一种夹层板结构。所谓夹层结构，是由两块薄而强的面板和充填在其中用以保证两块面板共同工作的软而轻的芯子所组成的复合结构。在夹层板壳的理论研究中，已经提出了不少计算模型。其中，Hoff理论是把表层看作为普通的薄板，考虑了面板的抗弯性能，而夹芯依旧认为只承受横向的剪切力。所以，根据瓦楞/蜂窝复合纸板结构特点，采用Hoff理论，忽略夹芯层的横向抗压作用，面板几乎承受了夹层板面内拉伸(压缩)应力和面内剪切应力;夹芯主要承受横向剪切应力［7］。以下假设:

1)面板只承受面内应力 σx，σy，τxy;

2)夹芯只承受横向剪应力且沿厚度均匀分布，其应力状态为 σx= σy= τxy，τxz≠ 0，τyz≠0;

3)夹层板弯曲变形时εz≠0，且不计σz=0对变形的影响。

单层瓦楞与蜂窝纸板的复合方向有两种:横向复合和纵向复合，即将瓦楞纸板的纵向分别与蜂窝纸板的横向和纵向进行复合，复合方向与结构如图2所示。

图2 瓦楞 /蜂窝复合纸板复合方向Fig．2 Composite direction of corrugated/honeycomb cardboard

瓦楞/蜂窝复合纸板的抗压强度按照载荷方向可以分为法向抗压强度和侧向抗压强度，即平压强度σz和侧压强度σx和σy。由于面板与蜂窝纸芯胶合面积较小，面板对蜂窝芯纸变形的约束较小，所以其法向抗压强度主要取决于芯子本身。常见的蜂窝纸芯的破坏形式主要为蜂窝纸芯的失稳压溃，蜂窝纸板的法向抗压强度主要取决于蜂窝纸芯法向失稳临界载荷σocr［8］。以图3中虚线框内蜂窝纸芯为研究单元，芯子破坏时，蜂窝壁板正应力达到芯材的失稳临界载荷，则基本单元体上承受的总压缩载荷为4·a/2·δc·σocr，相当体上的应力为

对于瓦楞/蜂窝复合纸板，受到法向压缩载荷直接作用在瓦楞纸板上，当载荷传递作用在蜂窝纸板上时，载荷被削弱减小，所以瓦楞/蜂窝复合纸板的平压强度大于蜂窝纸板的平压强度。

图3 蜂窝纸芯分析单元Fig．3 Analysis unit of Honeycomb paperboard

当瓦楞/蜂窝复合纸板受到侧向载荷时，根据Hoff理论，其侧压强度主要取决于面板材料。在面板不发生局部失稳的情况下，当面板达到它的强度极限时，复合纸板就发生破坏［8］。所以，x，y两个方向上的抗压强度如式(2)，(3)所示。瓦楞纸板纵向上的抗压强度较大，通过瓦楞纸板纵向与蜂窝纸板x和y方向进行复合，提高了面层的抗压强度极限，进而提高了整体复合纸板的侧压强度。

其中:σx，σy，σz分别为 Z，X，Y 方向上的抗压强度(MPa);δc为芯子厚度(mm);a为蜂窝纸芯边长(mm);h1，h2分别为上下面板的厚度(mm);B为蜂窝纸板的宽度(mm);H为蜂窝复合结构的厚度(mm);σocr为蜂窝纸芯失稳临界载荷(N);σfx1，σfx2分别为上下面板X方向上的强度极限(MPa);σfy1，σfy2分别为上下面板材料 Y方向上的强度极限(MPa)。

若面板是属于拉伸或压缩破坏，又因为假设中认为面板承受了所有的弯曲正应力，忽略芯层的抗弯。蜂窝纸板通过与瓦楞纸板复合，其面板材料的压缩和拉伸的强度极限大大提高。所以，瓦楞/蜂窝复合纸板的弯曲强度要大于蜂窝纸板的弯曲强度。

蜂窝纸板的戳穿强度包括戳穿两层面纸和蜂窝纸芯所消耗的能量。蜂窝纸板通过与瓦楞纸板复合，提高了面纸材料的戳穿强度，进而提高了瓦楞 /蜂窝复合纸板整体的戳穿强度。

下面将蜂窝纸板与不同楞型的瓦楞纸板进行复合，测定4种复合形式的瓦楞 /蜂窝复合纸板的平压强度、侧压强度、弯曲强度和戳穿强度。

2 试验部分

2．1 测试仪器

THS-A7C-100AS型可程式恒温恒湿试验机，庆生科技有限公司;电子材料试验机LRX Plus，英国LLOYD INSTRUMENTS公司。冲孔试验机。

2．2 材料

10 mm厚蜂窝纸板，孔径为6．5 mm，面纸为250 g/m2国产牛皮面纸，芯纸为120 g/m2牛皮纸，由上海鄂尔特包装技术有限公司提供。为了避免不同楞型瓦楞纸板材质对性能造成的影响，A，C，B，E 4种瓦楞纸板采用相同的面纸和瓦楞芯纸，面纸为130 g/m2箱板纸，瓦楞芯纸为110 g/m2瓦楞原纸，由上海盘龙包装公司提供。采用白乳胶黏合剂将瓦楞纸板与蜂窝纸板进行复合。

2．3 试样制备及试验方法

瓦楞/蜂窝复合纸板的强度测试项目包括平压强度、侧压强度、弯曲强度和戳穿强度。分别参照GB/T 22874—2008单面和单瓦楞纸板平压强度测定方法，GB/T 1454—2005夹层结构侧压性能试验方法，GB/T 2679．7—2005纸板 戳穿强度测定方法，GB/T 1456—2005夹层结构弯曲性能试验方法，确定样品规格，制作样品如表1所示。试验前，对所有试样在(23±1)℃ 、相对湿度50±2%条件下进行预处理至少24 h。

表1 试验样品规格Tab．1 Test sample specifications

2．4 试验结果与分析

对4种瓦楞/蜂窝复合纸板的4项强度性能分别进行测试，试验结果如表2所示。下面将分别从平压强度、侧压强度、弯曲强度和戳穿强度4个强度指标，分析蜂窝纸板、A/蜂窝、C/蜂窝、B/蜂窝和E/蜂窝复合纸板的强度性能。

2．4．1 平压强度试验结果分析 平压强度反映了纸板在垂直纸面方向上抵抗变形的能力。平压强度指纸板单位面积所能承受的压缩载荷的最大值。试验时将平压试样放置于电脑测控压缩实验仪的上、下压板中间，使压板以(12．5±2．5)mm/min的速度向试样施压，直至试样被压溃，试样被压溃时的最大压力即为平压强度。瓦楞 /蜂窝复合纸板在承受平压载荷时，平压强度较低的瓦楞纸板先被压溃，然后蜂窝纸板再被压溃。文中取蜂窝纸板被压溃时的载荷，作为复合纸板的平压强度值。

表2 瓦楞/蜂窝复合纸板强度试验结果Tab．2 Test results of the corrugated /honeycomb composite cardboard strength

蜂窝纸板本身具有较大的平压强度，与A，C，B，E 4种瓦楞纸板复合后，在承受平面静载荷作用时，由于瓦楞纸板和蜂窝纸板之间的相互影响和作用，进一步提高了平压强度。如图4所示，E/蜂窝纸板的平压强度最高为 0．66 MPa，较蜂窝纸板0．55 MPa提高了 20．0%;B/蜂窝纸板、C/蜂窝纸板、A/蜂窝纸板3种复合形式纸板平压强度依次减小，但均大于蜂窝纸板本身的平压强度，提高率分别为 12．73%，7．27%，3．64%。

图4 纸板平压强度试验结果Fig．4 Results of the cardboard flat compression strength

当复合纸板平面承受载荷压力时，平压强度较低的瓦楞纸板先被压溃，然后蜂窝纸板再被压溃。A，C，B，E 4种瓦楞纸板楞高依次减小，单位长度内的瓦楞数依次增多，瓦楞纸板面外承载性能逐渐提高，复合纸板的面外承载性能也随之提高。

2．4．2 侧压强度试验结果分析 侧压强度指纸板沿侧方向承受压缩载荷的能力。纸板侧压强度是影响包装箱等包装制品抗压强度的重要因素。蜂窝纸板为夹层板结构，参照GB/T 1454—2005夹层结构侧压性能试验方法，将矩形试样放置于上、下压板之间，利用2个金属辅助导块确保试样垂直于上、下压板平面，使压板以(12．5±2．5)mm/min的速度向试样施压，记录试样压溃时的载荷，为纸板的侧压强度。由于瓦楞纸板的纵向侧压强度大于横向侧压强度，所以瓦楞 /蜂窝复合纸板，瓦楞纸板取纵向，分别测试蜂窝纸板X和Y两个方向的侧压强度。

不同复合形式的纸板侧压强度试验结果如图5所示。4种复合形式的瓦楞/蜂窝纸板的X向侧压强度，从大到小，依次为C/蜂窝、E/蜂窝、A/蜂窝和B/蜂窝，较蜂窝纸板X向侧压强度，分别提高了62．5%、50．0%、41．67% 和 31．25%。4 种形式的复合纸板的Y向侧压强度规律与X向侧压强度规律不同。Y向侧压强度从大到小，依次为E/蜂窝、C/蜂窝、B/蜂窝和A/蜂窝。较蜂窝纸板Y向侧压强度，分别提高了 33．80%、26．76%、23．94% 和 1．41%。

图5 纸板侧压强度试验结果Fig．5 Results of the cardboard edgewise compressive strength

蜂窝纸板由于结构特点，侧压强度较平压强度低，限制了蜂窝纸板的推广和应用。而瓦楞纸板纵向具有较大的侧压强度，所以将蜂窝与瓦楞纸板复合，能够极大地提高蜂窝纸板的侧压强度，弥补蜂窝纸板缺陷。4种复合形式的瓦楞/蜂窝复合纸板的侧压强度，变化规律比较复杂，Y向和X向侧压强度变化规律不同。但是可以发现，瓦楞/蜂窝复合纸板的Y向与X向侧压强度，较蜂窝纸板均有较大提高，且蜂窝纸板和4种复合纸板的X向侧压强度大于Y向侧压强度。

2．4．3 戳穿强度试验结果分析 戳穿强度是指用一定形状的角锥穿过纸板所需的功，包括开始穿刺及使纸板撕裂弯折成孔所需的功。采用戳穿强度衡量纸板受到锐利物品冲击发生损坏时的抵抗能力，这是一个综合性的强度指标。试验时将试样安装在两块夹板之间，上、下夹板中间有一个等边三角形孔，以供戳穿头通过。放下释放按钮，摆臂逆时针摆动，角锥完全穿透试样后，继续向上摆动，摆过的角度由指针指示，指示值即为戳穿强度。纸板戳穿强度试验结果如图6所示。

图6 纸板戳穿强度试验结果Fig．6 Results of the cardboard punctured strength

由图6可以看出，E/蜂窝、B/蜂窝、C/蜂窝和A/蜂窝的戳穿强度依次提高，较蜂窝纸板戳穿强度有了显著提高，分别为 88．31%，93．51%，96．10%，100%。由于A，C，B，E 4种瓦楞纸板本身的戳穿强度相差不大，所以4种复合形式的瓦楞 /蜂窝纸板之间，戳穿强度相差也较小。

瓦楞/蜂窝复合纸板的戳穿强度，包括戳穿蜂窝纸板和瓦楞纸板所做的功。由于蜂窝纸板纸芯结构是竖直的蜂窝结构，所以蜂窝纸板受到集中载荷作用时，蜂窝纸芯的抗戳穿性能较弱，主要通过蜂窝纸板面纸来抵抗集中载荷作用。将瓦楞纸板复合在蜂窝纸板表面，能够极大地提高复合纸板的戳穿强度。A，C，B，E 4种不同的瓦楞纸板，随着楞高依次减低，戳穿强度也依次减小，4种复合形式的纸板戳穿强度也相应减小。

2．4．4 弯曲强度试验结果分析 纸板弯曲强度是指纸板在承受弯曲载荷作用时，发生弯曲断裂所能承受的最大载荷。参照GB/T 1456—2005夹层结构弯曲性能试验方法，采用3点弯曲法，跨距L=180 mm将试样放置在支座上，加上加载压头，以(12．5±2．5)mm/min速度向试样施压，直至试样破坏，记录破坏载荷，计算得到试样弯曲强度。由于瓦楞纸板纵向弯曲强度大于很想弯曲强度，所以取纵向瓦楞纸板分别与蜂窝纸板X向和Y向进行复合，分别测量弯曲强度。纸板弯曲强度试验结果如图7所示。

图7 纸板弯曲强度试验结果Fig．7 Results of the cardboard bending strength

蜂窝纸板和4种形式的复合纸板X向弯曲强度均大于Y向弯曲强度。4种复合形式的瓦楞/蜂窝纸板的Y向弯曲强度，从大到小依次为E/蜂窝、B/蜂窝、C/蜂窝和A/蜂窝复合纸板，较蜂窝纸板Y向弯曲强度提高率分别为 43．07%，9．74%，4．87%，－18．00%。X向弯曲强度的变化规律与Y向弯曲强度变化规律相同，从大到小依次为，E/蜂窝、B/蜂窝、C/蜂窝和A/蜂窝复合纸板，较蜂窝纸板X向弯曲强度提高率分别为 45．45%，13．18%，7．73%，－21．36%。可以看出，Y向与X向弯曲强度的变化规律相同，E瓦楞能较大地提高蜂窝纸板的弯曲强度，而A，B瓦楞纸板和C瓦楞纸板对蜂窝纸板弯曲强度的提高效果较小。

2．4．5 强度性能综合评价 通过对蜂窝纸板和4种复合纸板:A/蜂窝、B/蜂窝、C/蜂窝和E/蜂窝纸板的平压强度、戳穿强度、侧压强度和弯曲强度指标分析，可以看出，5种纸板的4项强度性能的排列顺序并不同，但是4种复合形式的纸板较蜂窝纸板各项强度均有提高。4种复合瓦楞/蜂窝纸板强度特点不相同。为了评价纸板的综合性能，文中将蜂窝纸板和4种复合形式的瓦楞/蜂窝纸板的各项性能的排序号相加作为估计其综合性能的参考指标［9］，然后据此参考指标值，对5种纸板的综合性能排序，结果如表3所示。

表3 纸板强度性能评价Tab．3 Performance evaluation form of the cardboard comprehensive strength

从表3可以得出以下结论:(1)4种瓦楞 /蜂窝复合纸板的综合性能均优于蜂窝纸板的综合性能，其中E/蜂窝纸板的综合性能最佳，B/蜂窝和C/瓦楞综合性能次之，A/蜂窝复合纸板综合性能最差，对蜂窝纸板性能提升效果较小。(2)A/蜂窝复合纸板的戳穿强度最佳，但是平压、侧压及弯曲强度性能较差。(3)B/蜂窝和C/瓦楞复合纸板各项强度性能较为均衡。(4)E/蜂窝复合纸板综合性能最佳，平压、侧压和弯曲强度较大，但是戳穿强度较低。

3 结语

蜂窝纸板通过与4种不同楞型的瓦楞纸板复合，平压强度、戳穿强度、侧压强度和弯曲强度4项强度性能，均有不同程度提高。其中E/蜂窝复合纸板综合性能最佳，平压、侧压和弯曲强度较大，但是戳穿强度较低;A/蜂窝复合纸板综合强度性能最差，戳穿强度最佳，但是平压、侧压及弯曲强度性能较差;B/蜂窝和C/瓦楞复合纸板各项强度性能较为均衡。在瓦楞/蜂窝复合纸板今后应用中，可以根据每种复合形式的强度特点和使用要求选定具体的复合形式，发挥其强度优势。

［1］贺丹华，王双飞，黄崇杏．蜂窝纸板力学性能及应用情况的研究［J］．包装工程，2007，28(10):116-118，134．HE Danhua，WANG Shuangfei，HUANG Chongxing．Research on the mechanical properties and applications of honeycomb paperboard［J］．Packaging Engineering，2007，28(10):116-118，134．(in Chinese)

［2］WANG D M，WANG Z W．Out-of-plane compressive properties of hexagonal paper honeycombs［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，20(2):115-119．

［3］都学飞，郭彦峰，陶良毅，等．瓦楞/蜂窝复合结构纸板强度性能的试验研究［J］．包装工程，2008，29(8):41-43．DU Xuefei，GUO Yanfeng，TAO Liangyi，et al．Experimental research oil strength properties of corrugated-honeycomb composite paperboard［J］．Packaging Engineering，2008，29(8):41-43．(in Chinese)

［4］贺丹华，王双飞，黄崇杏，等．蜂窝/E形瓦楞复合纸板的缓冲特性的研究［J］．包装工程，2008，29(2):15-16，29．HE Danhua，WANG Shuangfei，HUANG Chongxing，et al．Research on the cushion properties of honeycomb/E corrugated composite cardboard［J］．Packaging Engineering，2008，29(2):15-16，29．(in Chinese)

［5］耿敏等．蜂窝纸板与瓦楞纸板的复合刚度试验及分析［J］．北京轻工业学院学报，2006，27(1):34-36．GENG Min．The stiffness test and analysis on the honeycomb and corrugated composite cardboard［J］．Journal of Beijing Instiute Ofllight Industry，2006，27(1):34-36．(in Chinese)

［6］李厚民．蜂窝纸板受压时的有限元分析［J］．包装工程，2006，27(1):34-36．LI Houmin．FEM analysis of the compression properties of honeycomb paperboard［J］．Packaging Engineering，2006，27(1):34-36．(in Chinese)

［7］吴鸿遥．合成板、夹层板与整体板的强度计算原理［M］．北京:国防工业出版社，1989．

［8］彭建林．蜂窝纸板力学性能分析研究［D］．昆明:昆明理工大学，2008．

［9］向红，黄湘冰．七层瓦楞纸板结构及力学性能研究［J］．包装科技，1999，104(2):12-12．XIANG Hong，HUANG Xiangbing．Resarch on the structure and mechanical properties of the seven layer of the corrugated board［J］．Packaging Technology，1999，104(2):12．(in Chinese)