瓦楞—蜂窝纸板力学性能研究

李洋洋　石威　姜欣岑　戚莹　吴红英　孙靖宇

【摘 要】本文针对现有蜂窝纸板生产效率低的缺点，结合蜂窝结构优异的力学性能和瓦楞纸板便于高速生产的优点，提出了平齐式瓦楞—蜂窝纸板和相对式瓦楞—蜂窝纸板结构，利用静态压缩实验，分析了静态力学性能和缓冲性能，结果表明二者的力学性能均优于正六边形蜂窝纸板；相对式瓦楞—蜂窝纸板的抗压强度和缓冲性能均优于平齐式瓦楞—蜂窝纸板，更适用于运输包装领域，研究结果可为新型纸板的开发提供有益的参考。

【关键词】瓦楞—蜂窝纸板；力学性能；缓冲性能

Study on Mechanical Properties of Honeycomb Paperboard Formed by Corrugated Paperboard

LI Yang-yang SHI Wei JIANG Xin-cen QI Ying WU Hong-ying SUN Jing-yu

（School of Materials Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing Jiangsu 211167，China）

【Abstract】View of low efficiency of existing production process for honeycomb paperboard， blunt honeycomb paperboard and opposite honeycomb paperboard which are formed by corrugated paperboards is presented considering excellent mechanical properties of honeycomb structure and high speed production of corrugated board. Static compression tests are carried out， and static mechanical properties and cushioning performance of the two types of paperboard are analyzed. The results show that the two types of paperboard have better mechanical properties than hexagonal honeycomb paperboard. Opposite honeycomb paperboard has better mechanical properties and cushioning performance than blunt honeycomb paperboard， and is more suitable for transport packaging. The study results can provide a useful reference for development of new paperboard.

【Key words】Honeycomb paperboard formed by corrugated paperboard； Mechanical properties； Cushioning performance

0 前言

蜂窩纸板由于具有比强度和比刚度高、重量轻、优异的缓冲隔振性能、良好的隔热性能等优点，被广泛用于托盘、包装箱、缓冲衬垫、护角与护棱等，目前又进一步拓展到空投包装[1]，吸引了众多科研工作者的关注。王冬梅[2]分析了蜂窝纸板的静态压缩性能，曾克俭[3]对蜂窝纸板的动态缓冲性能进行了研究，张琴[4]研究了蜂窝纸板的振动传递特性。随着包装要求的提高，许多学者对蜂窝纸板组合材料的力学性能开展研究，言利容对蜂窝纸板/EPE组合材料的动态缓冲性能进行了研究[5]，赵英芹对蜂窝纸板/瓦楞纸板叠合材料的动力学性能开展了研究。以上文献主要针对蜂窝纸板的力学性能进行研究，结果也证实了蜂窝纸板具有良好的力学性能。

真正抑制蜂窝纸板推广应用的不是其力学性能，而是其制造工艺。虽然我国蜂窝纸板行业已经发展了二十年，但制造工艺仍比较落后，生产过程复杂，生产效率低，设备昂贵，成为制约蜂窝纸板发展的重要因素。杨鹏[7]对蜂窝纸板的工艺和设备提出了改进方法，但效果不是特别明显。

本文结合蜂窝纸板良好的力学特性和瓦楞纸板可以高速高速生产的优势，提出新型的瓦楞—蜂窝纸板，它与瓦楞/蜂窝复合纸板不同，是采用单面瓦楞纸板，经分切和翻转，瓦楞完全对齐，形成类似蜂窝结构的纸板。本文的目的就是研究两种不同对齐方式形成的蜂窝芯的力学性能，为新型蜂窝纸板的结构优化提供依据。

1 瓦楞—蜂窝纸板结构

按照单面瓦楞纸板的对齐方式，如图1所示，将瓦楞—蜂窝纸板分为平齐式瓦楞—蜂窝纸板和相对式瓦楞—蜂窝纸板。平齐式瓦楞—蜂窝纸板是将单面瓦楞纸板分切后，向同一方向翻转，粘接而成。而相对式瓦楞—蜂窝纸板是分切后交错反向翻转，粘接而成。

2 瓦楞—蜂窝纸板静态压缩实验

实验材料：单面B型瓦楞纸板（厚度3.0mm，瓦楞芯纸定量为140g/m2，面纸定量160 g/m2）制作而成的平齐式、相对式瓦楞—蜂窝芯，正六变形蜂窝芯（边长3.5mm、芯纸定量为140g/m2）；

试样规格：75mm36mm15mm；

试验仪器：WDW3020 微控电子万能实验机；

压缩速度：10mm/min。

试验获得应力—应变曲线如图2所示。

3 瓦楞—蜂窝纸板压缩性能分析

由图2可得出，平齐式瓦楞—蜂窝纸板的压缩曲线呈现出四个阶段：线弹性阶段、屈服平台阶段、坍塌阶段和致密化阶段。

线弹性阶段：应力随应变快速增加，基本符合线性比例关系。

屈服平台阶段：当应力增大一定值时，应力几乎不再变化，而应变迅速增大，应力—应变曲线表现为一个屈服平台。

坍塌阶段：当应变增大到一定程度时，纸板失去抵抗能力，迅速坍塌，应力下降。

致密化阶段：当应变增大到一定程度，芯纸相互接触，压缩曲线进入致密化阶段，应力随着应变的增大而迅速增大。

相对式瓦楞—蜂窝纸板的压缩曲线没有明显的平台阶段，仅表现出线弹性阶段、坍塌阶段和致密化阶段。当应力增大一定值时，纸板迅速失去抵抗能力，发生坍塌，应变增大，应力变小，直至进入致密化阶段。

对比两种结构材料，可以得出，相对式瓦楞—蜂窝纸板的抗压强度以及对应的应变均大于平齐式瓦楞—蜂窝纸板，其弹性变形区域较宽。当达到屈服极限后，平齐式瓦楞—蜂窝纸板抵抗变形的能力较好。由于相对式纸板的瓦楞与瓦楞直接粘接，在变形过程中，芯纸之间更容易接触，其进入致密化阶段更早，即对应的应变较小。

两种新型结构的瓦楞—蜂窝纸板的抗压强度均远远高于正六边形蜂窝纸板，应力—应变曲线变化趋势也有所不同，这主要是因为瓦楞纸板的面纸起到了明显的加強作用。

4 瓦楞—蜂窝纸板缓冲性能分析

缓冲系数是缓冲设计的重要依据，是表征包装材料缓冲性能的重要参数。依缓冲系数的定义，知

式中，C为缓冲系数；σm为所受静应力；E为单位体积吸收的变形能；σ表示从0到σm不有不断变化的应力；ε为应变。

将图2中的曲线和式（1）计算缓冲系数，并绘制缓冲系数—应变曲线，结果如图3所示。

由图3可以看出，随着应变增大，二者的缓冲系数均减小，缓冲性能提高。在相对式瓦楞—蜂窝纸板发生坍塌前，由于二者表现出的弹性几乎相同，从引起而二者的缓冲系数曲线几乎重合，表现出的缓冲性能也非常接近。当相对式瓦楞—蜂窝纸板进入坍塌阶段，由于其迅速的变形，单位体积吸收的能量比平齐式瓦楞—蜂窝纸板更多，同时其应力也快速减小，使得缓冲系数小于平齐式瓦楞—蜂窝纸板的缓冲系数，缓冲性能更好。

图3 缓冲系数曲线

5 结论

本文对两种瓦楞—蜂窝纸板和正六边形蜂窝纸板进行了静态压缩试验，并进行对比分析，结果表明，由于瓦楞纸板的面纸加强作用，平齐式瓦楞—蜂窝纸板和相对式瓦楞—蜂窝纸板的力学性能优于正六边形蜂窝纸板。相对式瓦楞—蜂窝纸板的抗压强度以及缓冲性能均优于平齐式瓦楞—蜂窝纸板，这说明相对式瓦楞—蜂窝纸板更加适用于运输包装，不但能提供较高的强度，同时也能对产品起到良好的缓冲作用。本文的结论能够为新型蜂窝纸板研究与开发提供一定的参考。

从相对式瓦楞—蜂窝纸板结构看，制造过程中需要交叉变换翻转方向，其制造工艺比平齐式瓦楞—蜂窝纸板复杂，但与目前蜂窝纸板的制造工艺相比，能够提高加工效率。本文仅仅是采用手工制作的试样，目前仍旧没有此类纸板的加工设备。因此，此类纸板的真正应用，需要开发新的制造工艺和设备，从而才能实现工业化生产，推动纸包装材料的发展。

【参考文献】

[1]刘胜祥，王兴业，徐丽丽，等.蜂窝纸板在空投包装中的应用[J].2016，37（17）：25-29.

[2]王冬梅，廖强华.蜂窝纸板静态压缩力学性能建模研究[J].包装工程，2006，27（4）：129-132.

[3]曾克俭，刘珊.蜂窝纸板动态缓冲性能分析研究[J].包装工程.2014，35（17）：15-18.

[4]张琴，王保升.随机振动下蜂窝纸板振动传递特性分析[J].包装工程，2013，34（15）：7-10.

[5]言利容，谢勇.蜂窝纸板/EPE组合材料的动态缓冲性能[J].包装工程，2010，31（19）：27-31.

[6]赵英芹，王玉龙，蒋春华.蜂窝/瓦楞叠合纸板的缓冲性能研究[J].包装工程，2013，34（23）：60-63，67.

[7]杨鹏.蜂窝纸板力学性能仿真分析与工艺、设备，改进研究[D].郑州：郑州大学，2014.

[责任编辑：朱丽娜]