基于濕度影響的蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D

徐 爍，王志偉

(1.暨南大學(xué) 包裝工程研究所，珠海 519070;2.暨南大學(xué) 廣東普通高校產(chǎn)品包裝與物流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070)

蜂窩紙板以其環(huán)保、重量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、緩沖性能優(yōu)良等特點(diǎn)在近幾年成為備受關(guān)注的緩沖包裝材料之一，已廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。

蜂窩紙板作為產(chǎn)品的緩沖包裝材料[1]，主要是通過(guò)吸收實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生的能量(通常是動(dòng)能)進(jìn)而保護(hù)產(chǎn)品。能量吸收?qǐng)D由Gibson等[2]提出，用于表征緩沖材料的吸能特性。目前能量吸收?qǐng)D的研究集中于泡沫塑料和泡沫金屬能量吸收特性的表征。Gibson已經(jīng)成功地將能量吸收?qǐng)D引入泡沫塑料緩沖性能評(píng)估體系中，在此基礎(chǔ)上，盧子興等[3]、王斌等[4]、胡時(shí)勝等[5]分別對(duì)復(fù)合泡沫塑料、泡沫鋁合金和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的緩沖吸能特性進(jìn)行了評(píng)估。對(duì)紙蜂窩材料能量吸收性能的研究，國(guó)外文獻(xiàn)很少涉及。國(guó)內(nèi)王冬梅[6－7]基于紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓縮試驗(yàn)，考慮孔穴結(jié)構(gòu)因素的影響，構(gòu)建了能量吸收?qǐng)D得出隨著蜂窩胞壁厚度與長(zhǎng)度比值的增加，其能量吸收性能將隨之增大，但未考慮溫濕度對(duì)紙力學(xué)性能的影響;王志偉等[8]采用分段函數(shù)的方法建立了靜態(tài)壓縮條件下紙蜂窩能量吸收與環(huán)境濕度及蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，得出了模型的可靠性;王志偉等[9]對(duì)蜂窩紙板進(jìn)行靜態(tài)壓縮，得出了蜂窩紙板的緩沖性能隨環(huán)境相對(duì)濕度的增大而降低的結(jié)論。

由于制造蜂窩紙板的基質(zhì)為紙質(zhì)材料，其基本物理性能易受環(huán)境濕度條件的影響，繼而將導(dǎo)致蜂窩紙板性能的變化，因此，研究流通環(huán)境條件下，相對(duì)濕度對(duì)蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收的影響具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

蜂窩紙板由荷力勝(廣州)蜂窩制品有限公司制作，試驗(yàn)所用試樣的參數(shù)如表1所示。表中代號(hào)PA－105A/160K－20表示由定量105 g/m2的瓦楞原紙制成的A孔蜂窩芯，裱覆定量為160 g/m2的牛皮紙所得的厚度為20 mm的蜂窩紙板。

表1 蜂窩紙板試樣參數(shù)Tab.1 Parameters of honeycomb specimens

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原紙拉伸試驗(yàn)

原紙拉伸試樣采用邊壓強(qiáng)度取樣器進(jìn)行取樣，試樣尺寸為152 mm×12.7 mm，試樣的長(zhǎng)度方向均與原紙縱向平行。將蜂窩原紙?jiān)嚇釉跇?biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件(23℃，相對(duì)濕度50%)下預(yù)處理48 h后，參照 JB/T6544－1993塑料拉伸和彎曲彈性模量試驗(yàn)方法[9]，在CMT8502型電子材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量蜂窩原紙的縱向固體模量。電子材料試驗(yàn)機(jī)的拉伸標(biāo)距為65 mm，拉伸速率為0.5 mm/min，進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值(所有有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義為在靠近試樣中部斷裂時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù))。

1.2.2 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

將蜂窩紙板試樣在溫度23℃，相對(duì)濕度50%，70%，80%，90%條件下分別預(yù)處理 48 h后，參照GB/T8167－2008包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法[10]在Dynatup9250HV型落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)采用60 cm跌落高度(應(yīng)變率為1.71×102/s)，試樣尺寸100 mm×100 mm，對(duì)各種試驗(yàn)條件均做5次重復(fù)試驗(yàn)(各用一個(gè)試樣)，每個(gè)試樣從恒溫恒濕箱取出后5 min內(nèi)完成測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件的蜂窩原紙縱向固體模量

對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的蜂窩原紙進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(23℃，相對(duì)濕度50%)蜂窩原紙縱向固體模量 Es0=2.442 GPa。

2.2 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮緩沖特性分析

蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮緩沖特性，大多是通過(guò)其應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)。蜂窩紙板是由上下兩層面紙和中間蜂窩芯紙復(fù)合而成，從圖1中看出，當(dāng)經(jīng)受面內(nèi)壓縮時(shí)，其變形過(guò)程可明顯分為三個(gè)階段:線彈性階段(OA段)、漸進(jìn)坍塌階段(AB段)、密實(shí)化階段(BC段)。蜂窩紙板在經(jīng)受面內(nèi)加載的變形過(guò)程中，出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的波動(dòng)區(qū)域(AB段)，在此階段蜂窩紙板孔壁按一定波長(zhǎng)漸進(jìn)折疊坍塌，是蜂窩紙板最主要的能量吸收階段。圖2是三種不同厚跨比(蜂窩芯層胞壁厚度t與蜂窩芯層胞壁邊長(zhǎng)l之比)蜂窩紙板在不同相對(duì)濕度條件下動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖1 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of honeycomb paperboard

圖2 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對(duì)濕度條件下的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線(23℃)Fig.2 Stress-strain curves of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions(23℃)

由圖2和圖3可以看出，在同一濕度下，蜂窩紙板線彈性階段的峰值應(yīng)力和漸進(jìn)坍塌階段的平均應(yīng)力隨著厚跨比的減小而減小，緩沖性能相應(yīng)降低。相同厚跨比條件下，峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大而減小，緩沖性能有不同程度的下降。環(huán)境相對(duì)濕度從50%上升到70%的過(guò)程中，峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化;當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度上升到80%，減小幅度到達(dá)7% ～20%;當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度繼續(xù)上升至90%，峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力急劇下降，下降比例高達(dá)50%以上。因此，在常規(guī)的物流運(yùn)輸環(huán)境中，可以忽略相對(duì)濕度對(duì)蜂窩紙板緩沖性能的影響，但在中國(guó)的東南沿海地區(qū)的某些極端潮濕環(huán)境下，相對(duì)濕度對(duì)蜂窩紙板緩沖性能的影響是必須要考慮的。

圖3 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對(duì)濕度下的峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力Fig.3 Peak stress and average stress of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

2.3 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D的構(gòu)建

能量吸收?qǐng)D可以表征緩沖材料所承受的應(yīng)力和吸收的能量之間的關(guān)系，它可以由緩沖材料的壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線構(gòu)建。具體做法是:在緩沖材料壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線下到某一應(yīng)力點(diǎn)σp處的面積對(duì)應(yīng)力σp作圖，兩者都以緩沖材料的固體模量Es0作標(biāo)準(zhǔn)化，所得曲線即為能量吸收曲線。緩沖材料的能量吸收曲線上通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)肩點(diǎn)，該點(diǎn)即為某一結(jié)構(gòu)的緩沖材料在某一應(yīng)變率下的最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。

用專(zhuān)業(yè)繪圖軟件origin將三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同濕度條件下的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為能量吸收?qǐng)D。由圖4可知，隨著相對(duì)濕度的增大，蜂窩紙板最佳能量吸收點(diǎn)(包跡線所連接的曲線肩點(diǎn))向左下方偏移，其單位體積吸收能量的能力減弱。

將不同相對(duì)濕度條件下，不同厚跨比蜂窩紙板的包跡線匯總于同一坐標(biāo)系，使得在同一張能量吸收?qǐng)D中包含了應(yīng)變速率、蜂窩結(jié)構(gòu)及環(huán)境濕度等信息，見(jiàn)圖5，借助該動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D，利用插值法可進(jìn)行蜂窩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)選，進(jìn)而指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)。

2.4 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D的應(yīng)用

某產(chǎn)品長(zhǎng)期處于RH80%的高濕環(huán)境中，產(chǎn)品質(zhì)量m=3 kg，脆值A(chǔ)c=30 g，包裝材料和產(chǎn)品之間接觸面積A=0.01 m2，已知蜂窩紙板厚度T=20 mm，當(dāng)包裝件從高度H=60 cm處跌落時(shí)，根據(jù)所構(gòu)建的能量吸收?qǐng)D對(duì)蜂窩紙板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇。

圖4 三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同相對(duì)濕度下的能量吸收?qǐng)DFig.4 Energy-absorption diagrams of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

圖5 不同相對(duì)濕度條件下不同厚跨比蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D匯總Fig.5 Summary of compression energy-absorption diagram of honeycomb paperboards with different thickness-to-length ratios under different relative humidity

(1)由包裝件跌落高度H=60 cm知最大沖擊速度v=3.43 m/s，故應(yīng)變速率ε·=v/T=1.71×102/s，可適用于圖5所構(gòu)建的能量吸收?qǐng)D，蜂窩紙板單位體積吸收能W=mgH/AT=90 kJ/m3，因?yàn)楸话b物的脆值A(chǔ)c是30 g，則其最大許用包裝力F=m×Ac=900 N，最大許用應(yīng)力σp=F/A=m×Ac/A=90 kPa;

(2)選擇一個(gè)適宜蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES1，取 1.0 GPa，在圖 6所示的能量吸收?qǐng)D中畫(huà)出W/ES1=0.9 ×10－4和 σp/ES1=9 ×10－5的直線，得到點(diǎn)A;

(3)保持W和 σp不變，僅改變 ES1，取 ES2=1.5 GPa，重復(fù)步驟(2)，得到B點(diǎn);

(4)過(guò)A、B兩點(diǎn)畫(huà)直線與RH80%對(duì)應(yīng)的能量吸收曲線交于C點(diǎn);

圖6 蜂窩紙板動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D應(yīng)用示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of the application of energy-absorption diagram of honeycomb paperboards under dynamic compression

(5)在圖6中讀出C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的W/ES和σp/ES，進(jìn)而計(jì)算出最佳ES，再利用插值法在C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的蜂窩紙板芯層胞壁厚跨比平行線族中確定最佳厚跨比。

本例所選用的蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES=1.875 GPa，蜂窩芯層胞壁最佳厚跨比為0.026 0。

3 結(jié)論

(1)蜂窩紙板的緩沖性能受環(huán)境相對(duì)濕度的影響，隨著環(huán)境相對(duì)濕度的增大:

① 線彈性階段的峰值應(yīng)力和漸進(jìn)坍塌階段的平均應(yīng)力有不同程度的減小。在環(huán)境相對(duì)濕度從50%上升到70%的過(guò)程中，峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化;當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度上升到80%，減小幅度到達(dá)7% ～20%，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度繼續(xù)上升至90%，峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力急劇下降，下降比例高達(dá)50%以上。

② 蜂窩紙板最佳能量吸收點(diǎn)向左下方偏移，其單位體積吸收能量的能力減弱。

(2)基于動(dòng)態(tài)壓縮能量吸收?qǐng)D，利用插值法可進(jìn)行蜂窩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)選，進(jìn)而指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計(jì)。

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