瓦楞紙板結構件及強化技術研究現狀

青島科技大學 孫聚杰

隨著環保和可持續發展意識的增強，人們在包裝中越來越多的開始使用環保型、可降解回收型材料。尤其是在“以紙代木、以紙代塑”方面，各個包裝科研機構、包裝制品生產廠家都非常關注。

一、瓦楞紙板結構件簡介

瓦楞紙板是以紙代木、以紙代塑中被廣泛利用的包裝材料，這與瓦楞紙板的力學性能、結構性能密不可分，它不僅具有一定的緩沖性能、抗壓性能，還具有廉價和可回收利用等優點，而且可以通過切割、開槽、壓痕、折疊、粘合等方式制成各種紙質包裝制品。

圖1 瓦楞紙板結構制品

圖1展示了各種瓦楞紙板制成的紙質包裝制品，雖然這些瓦楞紙質包裝制品的瓦楞紙板切割、折疊、插裝或粘合方式不一樣，而且總體結構形式不同，但它們具有很強的結構相似性。通過對各種形態結構的瓦楞紙質包裝制品進行分析，可以發現，它們主要是由各種部件組成，這些部件的具體形式有板、梁、支座、墊塊、護角等，而構成這些部件的主要結構形式有層疊形結構件、口字形結構件、斜撐形結構件、外三角形結構件、內三角形結構件、錯楞形結構件等（如圖2），這些結構件可以單個做緩沖結構件或承載墊塊等，也可通過插裝或粘合將多個結構件組合，組成大型包裝結構件。由于這些結構件是構成各種瓦楞包裝制品的基礎，所以將這些結構件統一定義為瓦楞紙板基礎結構件。

圖2 一些瓦楞紙板基礎結構件

瓦楞紙板基礎結構件，即指構成瓦楞紙質包裝制品的板、梁、支座、墊塊、護角等部件的各種基礎結構件，它們可以通過組合、拼裝、粘合等構成重型紙質包裝箱、重型紙質托盤、大型展示架、重型電子制品緩沖襯墊等包裝制品。在實際應用中，這些瓦楞紙板基礎結構件構成的瓦楞紙質包裝制品在所有的生產、運輸、銷售過程中包裝件均需要承受相當大的壓力，而且越來越多的大中型制品（如海爾、長虹、小天鵝等的制品）開始使用瓦楞紙質包裝替代原有塑料、木材包裝，這些應用領域的出現，也對瓦楞紙質包裝制品的承載性能提出了更高的要求。因此，非常有必要對如何強化瓦楞紙板基礎結構件承載性能做相關研究，從而為研制新型重型紙質包裝制品打下基礎。

不僅是包裝企業，國家有關部門也非常重視新型重型紙質包裝制品的研究，2009年，工業和信息化部、國家發展和改革委員會、科學技術部、財政部、商務部、國家稅務總局、國家質量監督檢驗檢疫總局等七部門共同發布了《關于印發機電產品包裝節材代木工作方案的通知》，強調將落實并完善資源綜合利用產品增值稅政策，促進機電產品包裝節材代木，充分顯示國家對于“以紙代木”政策的大力支持。而各類重型紙質包裝件的廣泛應用，對瓦楞紙板結構件的性能，尤其是承載性能提出了更高的要求。

目前國內外僅對如何強化瓦楞原紙、瓦楞紙板的承載性能方面有所研究，而對于瓦楞紙板結構件這種結構體的承載性能強化研究基本處于空白，因此非常有必要展開這方面的研究。

二、瓦楞紙板結構件及其性能的研究

通過簡化力學模型和對比性試驗探討了折疊三角形瓦楞紙板襯墊結構緩沖能力與其截面尺寸、結構折疊層數的關系。

澳大利亞維多利亞科技大學的Michael A.Sek和機載導彈控制系統研究中心的Jim Kirkpatrick基于靜態和準動態壓縮試驗數據來分析預測瓦楞紙板襯墊的性能。

2003年，在分析瓦楞紙板特點的基礎上，設計了四種瓦楞紙板緩沖結構，并對其進行測試，總結其緩沖性能，證明了其可以代替泡沫塑料緩沖墊的結論。

2007年，運用夾層板理論分析瓦楞紙板的彎曲問題，并建立其平衡控制方程。

2007年，試驗研究了3種折疊型雙瓦楞紙板襯墊結構在跌落高度分別為30cm、60cm、90cm 3種條件下的動態緩沖特性，采用3次多項式曲線擬合法獲得了峰值加速度-靜應力曲線的經驗公式和特征系數。

2010年，以不同組合角度的瓦楞紙板為研究對象，以角度為變化參數，對邊壓強度、平壓強度進行了分析研究，進行了擬合，得到了其強度與組合角度的關系模型，獲得了其靜態緩沖系數-應力曲線。為組合型瓦楞紙板在緩沖包裝中的推廣應用提供了基本數據。

2008年，將瓦楞紙板托盤的墊塊分為卷繞式和層合式兩類；層合式又有層合未裹包式方形墊塊、層合四周裹包式方形墊塊、層合全裹包式方形墊塊等；以及縱梁的條狀結構，分析了不同結構墊塊的承載能力與其結構形式、結構參數等的關系，并給出了幾種墊塊在滿足最大承載能力前提下的較優結構參數。

2008年，以斜撐結構為研究對象，在研究斜撐結構緩沖機理的前提下，探討斜撐單元的結構參數對結構緩沖性能的影響規律。

2008年，通過對瓦楞紙板展示架的形態和功能分析，論述了兩者之間的關系，并進一步闡述了瓦楞紙板展示架設計的常見形態與特征及應用。

2008年，根據口字型結構壓縮時主要失效形式，將研究空間結構的承載問題轉化為易損板穩定問題。考慮紙板的初始撓度，建立了對邊簡支對邊自由邊界條件下，夾層板穩定問題的基本方程。方程組的求解采用改進的納維葉雙三角級數法，得到了臨界屈曲載荷的計算公式。

三、瓦楞紙板結構件強化方法的研究

2002年，對陽離子淀粉進行陰離子化，得到低粘度兩性淀粉表面施膠劑，對紙張印刷適性和表面強度都有明顯改善。制備了不同取代度的淀粉琥珀酸酯，用于表面施膠所得紙張耐水性顯著提高。

2002年，將陽離子木薯淀粉高濃分散液通過計量薄膜轉移方式涂布到紙張表面，使所得紙張的挺度明顯改善。

2003年，將羥乙基淀粉與果糖一起糊化，制備了成膜性良好的表面施膠分散液，處理后紙頁施膠度明顯改善。

2005年，制備了不同取代度的羥乙基淀粉，對紙張進行表面施膠，成紙表面強度和內部結合強度均有較大提高，同時紙張光澤度和印刷適性也得到改善。

2005年，通過使用自行研制的水性增強劑，在瓦楞紙板生產線生產過程中，對國產普通瓦楞原紙進行噴涂處理，在線增強來提高國產低克重，低質量瓦楞紙的韌度和強度。經實際使用，具有明顯的效果。

2006年，從綠色包裝的意義出發，介紹了以淀粉、纖維素、殼聚糖3大類天然高分子材料為基礎，經過改性或混合，制備具有良好力學性能、生物降解性及抗菌性能的功能高分子膜的方法。

2007年，分析了殼聚糖用于擠壓涂布前的預涂。配制了4種殼聚糖涂料，其殼聚糖分別占絕干涂料量的0.10%，0.25%，0.50%，0.75%。試驗結果表明，紙張的彎曲挺度得到很大程度的提高，但撕裂指數和抗張指數提高不明顯，紙張吸水性能有所下降。初步研究結果表明，殼聚糖能夠很好地粘附到纖維上，可以作為一種環境友好型的涂布原料。

2008年，分析了多種提高瓦楞紙箱強度的方法，論述了通過造紙過程中改變纖維方向或采用高壓板成型法，以及是在造紙前和造紙中向纖維中加入添加劑，提高纖維的結合力，利用兩層或多層芯紙層合以增加芯紙強度等方法提高瓦楞紙箱強度。

2009年，重點研究了細菌纖維素濕膜經機械勻漿處理所得的細菌纖維與植物纖維混合抄片的紙頁性能。試驗證明，細菌纖維素濕膜經過適當的處理后可以用于制備造紙所用的細菌纖維漿料；添加到紙頁中的細菌纖維能在植物纖維間起到一種搭橋作用，并顯著提高紙頁的物理強度。

2009年，詳細總結了表面施膠劑在國內外造紙工業中的應用現狀及研究進展，分析多種天然高分子表面施膠劑與合成表面施膠劑的應用后，認為高濃低粘高性能表面施膠劑的開發應用適應了新型表面施膠裝置開發的要求，是表面施膠劑的發展方向。

2009年，采用溶液共混后流延的方法制備淀粉-殼聚糖可食性包裝膜，運用正交試驗法研究了殼聚糖質量分數、乙酸體積分數、淀粉質量分數、共混時間、甘油比例等因素對包裝膜力學性能的影響。

四、研究現狀分析

分析有關國內外研究現狀，結合本課題的研究內容可以發現以下幾個問題：

（1）對于瓦楞紙板的緩沖性能、承載性能的研究已比較深入，但對于瓦楞紙板結構件的承載性能的研究很少；

（2）現有的研究都僅僅針對個別瓦楞紙板結構件，沒有從瓦楞紙板結構件制品的結構特點、承載方式出發，提出具體的分類研究方法；

（3）通過化學方法改善瓦楞原紙、瓦楞紙板力學性能的研究較多，通過結構設計改進瓦楞紙板結構件力學性能的研究很少，而且瓦楞紙板結構件的承載性能強化技術方面基本沒有相關研究；

瓦楞紙板結構件作為一種空間結構體，不同于單純的瓦楞紙板材料，其承載失效過程隨結構形式的不同、承載方向的變化有多種表現形式。對其承載性能的強化技術，應根據其承載失效過程的差異，結合化學的、結構的改良方法，有針對性的進行研究。