湿度对手机用纸浆模塑缓冲包装能量吸收特性的影响

湿度对手机用纸浆模塑缓冲包装能量吸收特性的影响

张岩1,2，王志伟1,2

(1.暨南大学包装工程研究所，珠海519070； 2.暨南大学广东普通高校产品包装与物流重点实验室，珠海519070)

摘要：基于动态冲击试验，分析了纸浆模塑制品在冲击高度为30 cm、50 cm、80 cm及相对湿度为50%、65%、80%、90%条件下的荷载-位移数据，建立了名义应力-应变曲线和能量吸收曲线。结果表明：冲击高度一定时，随着相对湿度的增大，纸浆模塑制品的名义应力-应变曲线下移，弹性模量、屈曲临界应力明显下降，最佳能量吸收肩点向左下方移动，以RH=50%为基准，RH=65%、80%、90%时的平均第二屈曲临界应力分别下降14%、24%和42%；相对湿度一定时，随着冲击高度的增加，纸浆模塑制品的名义应力-应变曲线上移，弹性模量、屈曲临界应力明显提高，最佳能量吸收肩点向右上方移动，并且冲击高度的影响随相对湿度的增加显著增强；制品在承受冲击荷载时发生两次明显屈曲。

关键词：纸浆模塑制品；相对湿度；名义应力-应变曲；能量吸收曲线

中图分类号:TB484.1；TB487文献标志码：A

Influenceofrelativehumidityonenergyabsorptionpropertiesofmoldedpulpcushioningpackagingformobilephone

ZHANG Yan1,2, WANG Zhi-wei1,2(1.ResearchInstituteofPackagingEngineering,JinanUniversity,Zhuhai519070,China;2.KeyLaboratoryofProductPackagingandLogisticsofGuangdongHigherEducationInstitutes,JinanUniversity,Zhuhai519070,China)

Abstract:On the basis of impact tests, the load-deflection informations of molded pulp products were analysed under the impact height of 30cm, 50cm, 80cm and under the relative humidity (RH) of 50%,65%,80%,90%. Meanwhile the nominal stress-strains curves and the energy absorption curves were established. The experimental results show that: under a certain impact height, with the increase of relative humidity, the nominal stress-strain curves move downward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the lower left. When the RH increases from 50% to 65%, 80% and 90%, the average second buckling critical stress decreases by 14%,24% and 42% respectively. Under a certain RH, with the increase of impact height, the nominal stress-strain curves move upward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the upper right, and this effect significantly enhances with the increase of RH. Under impact load, the molded products occur two obvious bucklings.

Keywords:moldedpulpproduct;relativehumidity;nominalstress-straincurve;energyabsorptioncurve

缓冲材料的任务是吸收包装件在受到冲击和振动时所产生的能量。常用的缓冲包装材料有泡沫塑料(EPS、EPP、EPE等)、空气垫和纸制品缓冲包装材料(纸浆模塑、蜂窝纸板、瓦楞纸板等)。

纸浆模塑材料作为一种新型的缓冲包装材料以其优良的防震、抗压、抗冲击、防静电、无污染、可自然降解、多种颜色以及制品的可叠加性(大大减小运输存放空间)等性能，在缓冲包装中应用非常广泛，尤其应用于小型家电产品的缓冲包装中。

纸浆模塑材料一般是由废纸箱、旧报纸、旧书籍等废旧纸制品材料经过制浆、成型、干燥、整饰等过程制作而成的纸制品包装材料。经研究发现纸浆模塑制品缓冲性能的影响因素主要为①原材料的性能，②加工条件(制浆工艺、成型工艺等)，③结构形式(肋状、塔状、座状、椅状等)，④几何参数(厚度、密度等)，⑤使用条件(环境温湿度、加载方向、加载速度、预压缩等)。

国内外对于纸浆模塑制品缓冲性能的研究还不是很完善。Eagleton等[1]通过静态压缩和跌落冲击实验得到纸浆模材料的缓冲特性曲线，通过与EPS发泡塑料进行对比，得到在低静态荷载、低跌落高度时纸浆模塑材料的缓冲性能较好。Hoffmann等[2]基于静态和动态实验，分析了材料密度、制品高度、几何形状等因素与制品强度的关系。Gurav等[3]对肋状纸浆模塑制品进行了压缩实验，建立了肋状纸浆模塑制品有限元模型模拟其变形情况。计宏伟等[4]研究了温度、湿度、加载速度等因素对纸浆模塑材料弹性模量、屈服应力的影响规律，计算得到纸浆模塑材料的泊松比。王志伟等[5-11]将能量吸收图的概念用于评价纸制品包装材料，全面分析了湿度和初始应变率对蜂窝纸板、瓦楞纸板和纸浆模塑材料荷载性能和能量吸收性能的影响关系,并进行了有限元模拟验证。

由于纸制品材料本身的吸湿性，湿度对纸浆模塑材料的缓冲性能影响较大，本文在已有研究的基础上，基于纸浆模塑制品的动态冲击试验，研究了在不同冲击高度的情况下，相对湿度对手机用纸浆模塑缓冲包装变形性能和能量吸收性能影响的规律，构建纸浆模塑制品在冲击高度分别为30cm、50cm、80cm时含有相对湿度信息(RH=50%、65%、80%、90%)的能量吸收图。

1试验

1.1材料

本实验所用的手机用纸浆模塑缓冲包装如图1所示，其原材料是100%废弃旧报纸纸浆，外尺寸为174.5mm×114.8mm×50.4mm，平均厚度为1.24mm。

图1　手机用纸浆模塑缓冲包装 Fig.1 Molded pulp cushioning packaging for mobile phone

1.2方法与处理

(1)试样处理

参照GB/T10739-2009[12]纸、纸板和纸浆式样处理和实验的标准大气条件，在恒温恒湿箱中处理24~48h，考虑温度23 ℃，相对湿度为50%、65%、80%、90%。

(2)基本物理量的测定

取经T=23 ℃、RH=50%恒温恒是处理后的试样10个，在平整部分用边压强度取样器截取60mm×12.7mm的试样，利用CMT微型控制压力试验机测得其在标准实验环境下的弹性模量Es=62.6MPa。

(3)落锤冲击试验

图2　落锤冲击试验系统 Fig.2 Test system of drop impact

利用重锤冲击试验系统(INSTRON9250HV型)进行动态冲击试验，如图2所示，得到变形过程中的荷载-位移数据，除以相应的接触面积(9 460mm)和制品高度(50.4mm)，得到名义应力-应变数据，经计算得到能量吸收-应力数据，用Origin绘图工具绘制在特定冲击高度下的含有相对湿度信息的名义应力-应变曲线和能量吸收曲线。

2结果与分析

2.1纸浆模塑制品动态冲击变形特性分析

经过动态冲击试验，通过得到的名义应力-应变曲线进行纸浆模塑制品的缓冲性能评价。

在标准实验环境下，实验所得经同一温度T=23 ℃、不同湿度RH=50%，65%、80%，90%处理后的试样在冲击高度均为30cm、50cm、80cm情况下的名义应力-应变曲线如图3~图5所示。

由图3~图5可知，冲击高度为30cm、50cm、80cm时，手机用纸浆模塑缓冲包装的名义应力-应变曲线在不同相对湿度情况下均呈现出四个阶段，即弹性阶段，此时应力随应变基本呈线性上升的趋势；屈服阶段，此时主要发生塑性变形，达到屈服极限，该制品由其结构的原因发生了两次明显屈曲；平台阶段，此阶段名义应力-应变曲线是一条类似平台的曲线，在此阶段制品吸收大量的能量以减少产品的破损；密实化阶段，在这一阶段制品失去弹塑性，应力随应变的增加迅速变大。由图3~图5可看出，在冲击高度相同的情况下，随着相对湿度的增加，纸浆模塑制品的名义应力-应变曲线呈下降的趋势，弹性模量、屈曲临界应力、平台应力等表征该制品缓冲性能参数的数值均降低。

通过图3~图5的对比可发现，在相对湿度相同的情况下，随着冲击高度的增加，纸浆模塑制品的名义应力-应变曲线呈上升的趋势，弹性模量、屈曲临近应力、平台应力等表征该制品缓冲性能参数的数值均增加。

图3 冲击高度为30cm不同相对湿度名义应力-应变曲线Fig.3Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm图4 冲击高度为50cm不同相对湿度名义应力-应变曲线Fig.4Nominalstress-strainofmoldedpulpproductcurvesunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm图5 冲击高度为80cm不同相对湿度名义应力-应变曲线Fig.5Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

图6　手机用纸浆模塑缓冲包装屈曲变形情况 Fig.6 Buckling deformation of molded pulp product

手机用纸浆模塑缓冲包装受到冲击载荷作用时，由于其两层式结构表现出两次明显的屈曲过程，第一次屈曲对应于制品四周支撑结构的压溃，如图6(a)所示，第二次屈曲对应于制品内部支撑结构的压溃，如图6(b)所示。制品设计时应以四周支撑结构冲击压溃为设计限度，四周支撑结构压溃时的名义应力值和能量吸收值即为纸浆模塑制品的设计标准。

表1和表2分别为不同相对湿度和冲击高度下手机用纸浆模塑缓冲包装的第一、第二屈曲临界应力。

表1　不同相对湿度和冲击高度手机

表2　不同相对湿度和冲击高度手机

由表2可知，相对湿度分别为50%、65%、80%、90%时该制品的平均第二屈曲临界应力分别为0.089 1、0.076 6、0.067 6和0.051 3，以RH=50%为基准，RH=65%、80%、90%时的第二屈曲临界应力分别下降14%、24%和42%。相对湿度为50%时，随冲击高度由30cm增加到50cm和80cm，该制品第二屈曲临界应力分别提高5.8%和11.8%；但相对湿度为90%时，随冲击高度由30cm增加到50cm和80cm，该制品第二屈曲临界应力分别提高64%和109.5%。由此可以说明：随着冲击高度的增加，纸浆模塑制品的弹性模量、屈曲临界应力、平台应力都增大，并且随相对湿度的增加，冲击高度对这些参数的影响而逐步显著。

2.2纸浆模塑制品动态冲击能量吸收图的构建

能量吸收图是由Maiti和Gibson提出来的用来表征缓冲材料的吸能特性，相比于缓冲系数-最大静应力曲线、最大加速度-静应力曲线、吸能效率曲线等表征材料缓冲性能的曲线，能量吸收图能综合考虑材料在不同湿度、不同应变率、不同密度等条件下的最佳吸能状态，起先用于发泡塑料，王志伟首次将这个概念用于评价纸制品缓冲性能，分析得到了纸制品能量吸收与材料结构之间的关系。

基于2.1所得到的应力-应变曲线，得到材料单位体积吸收的能量，其计算公式为：

计算过程中运用梯形公式进行数值积分。将单位体积吸收的能量和材料的应力除以标准情况下所得到的材料的弹性模量Es，得到标准化的能量吸收曲线。将不同相对湿度的能量吸收曲线绘制在同一个图中即得到了含有相对湿度信息的能量吸收图[7]。能量吸收曲线上一般会出现一个肩点，该点即为这一结构的缓冲材料在特定条件下的最佳能量吸收肩点，该肩点用于表征缓冲材料的最佳能量吸收特性。

在标准实验环境下，实验所得经同一温度T=23 ℃、不同湿度RH=50%，65%、80%，90%处理后的试样在冲击高度均为30cm、50cm、80cm情况下的能量吸收图如图7~图9所示。

图7 冲击高度为30cm时不同相对湿度能量吸收图Fig.7EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm图8 冲击高度为50cm时不同相对湿度能量吸收图Fig.8EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm图9 冲击高度为80cm时不同相对湿度能量吸收图Fig.9EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

由图7~图9可知，在应变相同的情况下，随着相对湿度的增大，手机用纸浆模塑缓冲包装标准化能量吸收量降低，最佳能量吸收肩点向左下方移动，说明该纸浆模塑制品的能量吸收性能随相对湿度的增加而降低。图7~图9对比可知，在相对湿度相同的情况下，随冲击高度的增加，手机用纸浆模塑缓冲包装标准化能量吸收量升高，最佳能量吸收肩点向右上方移动，说明该纸浆模塑制品的能量吸收性能随冲击高度的增加而增强。

3结论

基于手机用纸浆模塑缓冲包装在不同相对湿度和冲击高度情况下的动态冲击试验，得到该材料含有湿度信息和冲击高度信息的名义应力-应变曲线和能量吸收图。得出以下结论：

(1)手机用纸浆模塑缓冲包装受到冲击载荷作用时，由于其两层式结构表现出两次明显的屈曲过程，制品设计时应以四周支撑结构冲击压溃为设计限度，四周支撑结构压溃时的名义应力值和能量吸收值即为纸浆模塑制品的设计标准。

(2)相对湿度因素对手机用纸浆模塑缓冲性能影响非常显著，随着相对湿度的增加，纸浆模塑制品的弹性模量、屈曲临界应力等均显著降低，以RH=50%为基准，RH=65%、80%、90%时的第二屈曲临界应力分别下降14%、24%和42%，最佳能量吸收肩点向左下方移动，缓冲性能明显下降。

(3)冲击高度也会对手机用纸浆模塑缓冲性能产生影响，随着冲击高度的增加，纸浆模塑制品的弹性模量、屈曲临界应力等均有所增加，最佳能量吸收肩点向右上方移动，缓冲性能增强，并且随相对湿度的增加，冲击高度对这些参数的影响而逐步显著。

参考文献

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