探討瓦楞紙板的破壞模式和破損機理

瓦楞紙板原材料豐富，易于大批量生產加工成各種形狀和尺寸，具有良好的緩沖性能，且可回收處理和再利用，是一種典型的綠色緩沖包裝材料。在運輸包裝中，瓦楞紙板主要用于制作各種緩沖、防振的包裝件，應用形式有紙箱、緩沖襯墊、托盤等，目前已經廣泛應用于家電、電子、機電等產品的運輸包裝領域。

瓦楞紙板作為一種各向異性的夾層板材，具有一定的防振抗沖擊性能。一般，包裝產品在流通過程中受到的振動沖擊次數會達到幾萬次甚至更多，瓦楞紙板作為保護產品的緩沖材料，也會隨之發生壓縮、復原現象，即疲勞效應。在這種情況下，瓦楞紙板的緩沖性能也會發生相應的變化，當瓦楞紙板的承載能力達到極限值時，瓦楞紙板的力學性能將會大大減弱，甚至失去保護性能。因此，確定瓦楞紙板是否達到了其承載能力的極限值，以及分析瓦楞紙板的破壞模式和破損機理具有很重要的現實意義。

本文將對雙瓦五層、三瓦七層瓦楞紙板進行靜態壓縮試驗，通過相關試驗，分析和探討瓦楞紙板的破壞模式和破損機理。

靜態壓縮試驗

以雙瓦五層、三瓦七層瓦楞紙板為試驗對象，靜態壓縮試驗步驟如下。

(1)參考GB/T 450-2002《紙和紙板試樣的采取》進行取樣，試樣尺寸為100mm×100mm。

(2)按照GB/T 10739-2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標準大氣條件》的要求對試樣進行溫濕度預處理，溫濕度條件為：溫度為23℃、相對濕度為60%。

(3)采用HT-2402電腦伺服控制材料試驗機進行試驗，記錄試驗數據，繪制應力-應變曲線（如圖1所示）。

破壞模式分析

瓦楞紙板由面紙、芯紙、里紙黏合而成，當其受到縱向載荷時，紙板內部將發生一定的中面內力。如果這個中面內力在各個部位、各個方向受到的不是壓力（是拉力或等于零），則瓦楞紙板的平面平衡狀態是穩定的。但如果縱向載荷所引起的中面內力在某些部位、某些方向受到的是壓力，則當縱向載荷超過某一數值（即臨界載荷）時，瓦楞紙板的平面平衡狀態將變得不穩定，其會因干擾力而彎曲。即使干擾力被除去，瓦楞紙板也不會再恢復到原來的平面平衡狀態，而是進入某一個彎曲的平衡狀態，這種現象稱為“屈曲”。常見的屈曲模式主要有以下3種（如圖2所示）。

(1)總體屈曲，即歐拉屆曲類型的夾層板總體屈曲。

(2)剪切皺折，即由于芯層剪切剛度不夠引起的夾層結構剪切總體屈曲。

(3)面紙皺曲，即在瓦楞紙板受壓時，面紙在芯紙彈性的支持下向內或向外產生局部屈曲，其主要取決于芯紙的剛度和強度，以及面紙的黏結強度，同時也取決于紙板的生產缺陷。

瓦楞紙板在未受外力作用的情況下，其破壞模式主要有以下4種。

(1)瓦楞紙板受拉而使得面層屈服或斷裂。

(2)瓦楞紙板表層牛皮面紙起皺，致使瓦楞紙板局部屈曲。

(3)受壓過程中，瓦楞芯紙以剪切的方式被破壞。

(4)瓦楞紙板面紙與芯紙黏結失效，這主要是因為生產過程中涂膠不均，致使面紙與芯紙之間的黏結力下降，也可能是因為樹脂黏合劑發生脆性斷裂，造成黏結失效。

實際上，瓦楞紙板的破壞模式通常是上述多種破壞模式共同作用的結果，只是在某些情況下，某一破壞模式占了優勢。

通過瓦楞紙板的靜態壓縮試驗可知，瓦楞紙板在受垂直面板的載荷條件下，芯紙會發生剪切皺折，從而導致瓦楞紙板總體屈曲。

破損機理探討

通過單瓦三層瓦楞紙板應力-應變曲線（如圖3所示）對瓦楞紙板的破損機理進行探討。由圖3可以看出，單瓦三層瓦楞紙板應力-應變曲線分為以下4個階段。

(1)線彈性階段（AB段）：壓縮開始，應力隨應變呈快速線性增加變化，直至達到屈服應力。

(2)屈服階段（BC段）：由于瓦楞芯紙及結構的特性，瓦楞紙板開始逐步屈服，當進入屈服階段時，應力逐步下降，在此階段瓦楞芯紙的結構開始被破壞。

(3)塑性變形階段（CD段）：此階段應力隨應變的增加基本保持不變，而瓦楞芯紙的結構則完全被破壞。

(4)密實化階段（DE段）：在此階段瓦楞紙板完全被壓實，而失去緩沖性能，應力隨應變的增加而急劇增加。

結合圖1可知，瓦楞紙板壓縮破壞過程的一般規律是：當應力較小時，呈線彈性變化；隨著應力的增加，進入波動階段，峰值與峰谷的數量與瓦楞的層數呈一一對應關系，這表明多層瓦楞紙板具有多層失穩性，即壓塌現象并不是在瓦楞紙板各層中同時發生，而是分層破壞的，通過試驗觀察我們發現，下層瓦楞或楞高較大的層最先被破壞；隨著應力的繼續增加，瓦楞紙板出現屈服；當應力達到一定值時，芯紙的結構全部被破壞，隨后應力快速上升。

從瓦楞紙板的壓縮破壞過程可以看出，瓦楞紙板的緩沖性能主要體現在屈服階段和塑性變形階段，也就是芯紙的結構被壓縮破壞的階段，在這個過程中，瓦楞紙板將吸收大量的能量，使被包裝物得到緩沖。

圖1 多層瓦楞紙板應力-應變曲線

圖2 常見瓦楞紙板屈曲模式

圖3 單瓦三層瓦楞紙板應力-應變曲線