蜂窩紙箱抗壓性能試驗研究

張峻嶺 文周

(東莞職業技術學院,廣東 東莞 523808)

蜂窩紙箱抗壓性能試驗研究

張峻嶺 文周

(東莞職業技術學院,廣東 東莞 523808)

通過對厚度分別為20mm、30mm、40mm、50mm蜂窩紙箱的空箱杭壓實驗,對比相同容重的瓦楞紙箱后,提出在相同材料消耗的條件下,蜂窩紙箱具有明顯的強度優勢。

蜂窩紙箱;瓦楞紙箱;杭壓強度

蜂窩的六邊形結構是蜜蜂的杰作、它以最少的材料消耗構筑成堅固的蜂巢、它的結構具有非凡的科學性。蜂窩紙板就是依據自然蜂巢結構原理制作的,它是把無數個空心立體六角形,用膠接方法連接成一個整體的受力件形成紙芯,并在其兩面粘合面紙而成的一種新型紙制板材。蜂窩紙板作為一種緩沖包裝材料,它在流通過程中,在外力的作用下受到沖擊和振動時,能吸收外力產生的能量,防止產品遭受破損,是具有高度壓縮和復原性的粘彈性材料［1一3］。

1 蜂窩紙箱包裝的優勢

蜂窩紙板是一種節省資源、保護生態環境、成本低廉的綠色包裝材料,它具有輕、強、剛、穩四大優點。用蜂窩紙板加工的蜂窩紙箱具有抗壓、防振、防潮等突出的特點,是易碎、怕壓物品的理想包裝。

內裝物是粉狀、顆粒狀等非固體狀態,則造型設計可選擇余地大,包裝設計僅對增加產量和保證產品質量有較大制約作用。如果內裝物為固體,那么包裝造型結構要適合內裝物本身的形狀。由于商品本身與包裝之間會產生大大小小的空間,因而往往造成包裝操作過程中的破損。此時,常常需要在空隙中插入一些緩沖材料,而這一附加作業會引起包裝工作量加大,降低生產速度和生產效率,使包裝成本升高。

木制包裝箱質地堅硬、容易加工、有較好的抗沖擊和抗戳穿能力,但箱內必須添加緩沖襯墊,且其價格高,故一些廠家常采用瓦楞紙箱,但瓦楞紙箱易受沖擊變形而導致內裝物的損壞率提高。

作為包裝材料,與木制包裝材料相比,蜂窩紙箱生產成本低10%～12%,且防振、緩沖性能優良,是易碎、怕壓物品的理想包裝；與瓦楞紙箱相比,蜂窩紙箱可包裝幾千公斤質量的產品,而瓦楞紙箱按照國家標準,5層箱的內裝物不得超過55kg,7層箱內裝物超過70kg就得另加內襯硬板。因此,蜂窩紙箱是制作包裝箱的理想材料［4］。

2 蜂窩紙箱的設計

影響蜂窩紙箱的綜合保護性能的因素有紙板的物理性能、箱體的尺寸比例、箱體的結構類型。紙板的物理性能影響因素主要是材質、加工工藝、結構尺寸等,與紙板的生產環節密切相關；箱體的尺寸比例則與被包裝物相關；而紙箱的結構類型則是共性因素,因此本設計主要研究紙箱的結構類型［5一7］。

目前蜂窩紙箱多采用木質框架粘貼蜂窩紙板成箱,該結構工序繁多且多由手工完成,紙箱的抗壓、防護性能有很大的不確定性,質量很難控制,生產效率低。對于厚度在20mm左右的蜂窩紙板有廠家采用直接壓痕、折疊而成箱；厚度在30mm及以上的蜂窩紙板不能直接壓痕,但可以沿厚度方向裁切后再壓痕、折疊、成箱,如圖1。

圖1 蜂窩紙板裁切、壓痕示意圖

該設計的蜂窩紙箱結構平面展開圖如圖2。

圖2 蜂窩紙箱平面展開示意圖

其中,沿高度方向是“x”向,箱體裁切后留15mm壓痕,沿裁切面膠結,箱體與箱底的結合使用膠接,再與箱蓋用膠帶紙粘結。

當紙箱受壓時,將在箱蓋與箱體的接觸處通過箱蓋均勻分布在四個側面的截面上。而隨著蜂窩紙板厚度的增加,側面面積增大,因此應力也減少,可以減少對它的損壞,于是它的抗壓強度就大些。

側面的受力可以看作是很多桿的受力的集合,因此可以用桿的受力穩定性來分析。對于受力桿件存在一個臨界力P0。當壓桿承受的軸向力P＜P0時,如果沒有干擾,壓桿能處于直立狀態,但一有干擾,桿件就發生側向彎曲,且撤去外力壓桿也不復返原狀,從而使紙板內部產生應力,如剪切力。剪切力分為兩部分：一部分是芯紙和面紙之間的剪切力,它使芯紙與面紙發生剝離。另一部分是芯紙內部的剪切力,它使芯條與芯條分開直至破損。剪切模量與芯紙條的厚度有關,芯條越厚,剪切膜量越大,抗剪切性越好。由于蜂窩紙板“x”向的壓縮強度、剪切強度和彎曲強度要大于“y”向,所以成箱后高度方向應選擇“x”向。

在其他約束條件相同的條件下,桿的長度不同,其臨界力也不同。當側面受力時會發生彎曲,彎曲時它將受到的約束是側面給它的,由于作用力與反作用力,相鄰的側面將在箱角處受力。如果膠的強度不夠,此處便是薄弱環節。對于箱蓋的受力,主要發生在與箱體接觸的部位,與它的“z”向壓縮強度有關。

該箱角棱的粘合形式是通過裁切、涂膠折疊而成,當箱壁受到壓力的情況下,壓力作用在箱壁上變成內應力。由于粘結邊較大,粘結處材料剛度增加,使紙的接觸表面結合力增加及連接相鄰表面的膠膜剛化,使紙箱抗壓強度提高［8一10］。

3 蜂窩紙箱的空箱抗壓性能實驗

蜂窩紙箱的抗壓強度是評價蜂窩紙箱綜合保護性能的最重要指標,它是由箱體破損時的最大負荷及變形量來表示的。因此,蜂窩紙箱的空箱抗壓實驗可以評價它的綜合保護性能。蜂窩紙箱試驗對象是東莞某包裝有限公司生產的厚度分別為20mm、30mm、40mm、50mm的蜂窩紙板,面紙使用的是再生紙掛面紙,定量為300g/m2。芯紙為再生草漿紙,定量110g/m2。

根據上述紙箱結構制作的樣品蜂窩紙箱的內部尺寸為：高：H=300mm,長：B=350mm,寬：W=250mm。蜂窩紙板的厚度t分別為20mm、30mm、40mm、50mm。

3.1 厚度為20mm的蜂窩紙箱的壓力——變形曲線

圖3是厚度為20mm蜂窩紙箱壓力——變形曲線,此紙箱的最大承載能力為3 880N。

圖3 厚度為20mm的蜂窩紙箱的壓力-變形曲線

3.2 厚度為30mm的蜂窩紙箱的壓力——變形曲線

圖4是厚度為30mm蜂窩紙箱壓力——變形曲線,此紙箱的最大承載能力為3 920N。

圖4 厚度為30mm的蜂窩紙箱的壓力-變形曲線

3.3 厚度為40mm的蜂窩紙箱的壓力一變形曲線

圖5是厚度為40mm蜂窩紙箱的壓力——變形曲線,此紙箱的最大承載能力為4 100N。

圖5 厚度為40mm的蜂窩紙箱的壓力-變形曲線

3.4 厚度為50mm的蜂窩紙箱的壓力一變形曲線

圖6是厚度為50mm蜂窩紙箱的壓力——變形曲線,此紙箱的最大承載能力為4 600N。

圖6 厚度為50mm的蜂窩紙箱的壓力-變形曲線

4 蜂窩紙箱與瓦楞紙箱的空箱抗壓強度對比分析

瓦楞紙箱試驗對象與蜂窩紙箱一樣為東莞某包裝有限公司生產的0201型C楞三層瓦楞紙箱。0201型紙箱即對口瓦楞紙箱,是最基本、最為普通使用的箱型。瓦楞楞型通常分為A、B、C、E4種,C型楞的尺寸、結構及強度介于A、B楞之間,同時具備較好的抗壓強度及緩沖性能,是最常用的瓦楞楞型,該楞型紙箱在瓦楞紙箱中應用最廣泛。

為了增加可比性,瓦楞紙板的材料選擇與蜂窩紙板同樣的面紙和芯紙制成,即面紙使用的是再生紙掛面紙,定量為300g/m2。芯紙為再生草漿紙,定量110g/m2。瓦楞紙箱的幾何尺寸為：350*250*300mm,與上述測試蜂窩紙箱大小一致,數量為15只。

對成形空箱進行壓縮試驗,測定了紙箱的抗壓強度。試驗數據為：(單位：N)

2051.5 ,2118.2,2279.3,2356.6,2500.6,2604.4, 2744.0,2833.7,2833.7,2967.1,3140.6,3366.7,3453.8, 3528.6,3592.6。

由以上數據可知,瓦楞紙箱的空箱抗壓強度實驗樣本的峰值為3 592.6N,這一數值與相同容重的40mm蜂窩紙箱的測試結果4 100N相比有較大的差距。

蜂窩紙箱抗壓性能試驗對比分析說明,該箱型設計充分發揮了蜂窩紙板的性能優點,是一種科學合理的蜂窩紙箱結構設計形式,在相同的材料消耗的條件下,其成箱后比瓦楞紙箱有明顯的強度優勢。

［1］張書彬,馮學正.瓦楞紙箱抗壓強度的試驗研究［J］.包裝工程,2008(9):11一13.

［2］劉慧,張新昌.折疊紙盒結構及其尺寸對抗壓強度的影響［J］.包裝工程,2008(5):25一26.

［3］陳瑞.影響紙箱抗壓強度的因素分析及解決方案［J］.包裝世界,2005(5):45一47.

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［5］張改梅.蜂窩紙板箱的設計及性能研究［J］.中國包裝工業,2002(2):41一43.

［6］郭彥峰,辛成龍,許文才,等.蜂窩紙板結構平壓性能有限元分析［J］.包裝工程,2009(1):25一28.

［7］張媛,孟春玲,曹利紅.蜂窩紙板箱的瞬態特性研究［J］.包裝工程,2008(3):66一67.

［8］李清,王建紅.蜂窩紙板箱模壓成箱工藝研究［J］.包裝工程,2006(5):78一79.

［9］王冬梅.紙蜂窩芯結構的比較［J］.包裝世界,2006(4): 18一20.

［10］張新昌,王永光,楊金枝,等.蜂窩紙板箱折疊成型方法［J］.江南大學學報,2004(2):74一76.

ExPerimental research on the ComPressive ProPerty of Honeycomb PaPerboard Boxes

Zhang Junling Wen Zhou
(Dongguan Polytechnic,Dongguan Guangdong 523808)

By tests on honeycomb paperboard boxes with thickness of 20mm,30mm,40mm,and 50mm,corrugated cartons with the same material consumption were compared,we found that honeycomb paperboard box has obvious advantages than corrugated box in strength under the condition of same material consumption.

Honeycomb Paperboard Boxes;Corrugated Carton;compressive strength

TB484

A

1003一5168(2015)07一0053一3

2015一6一22

2015年度東莞職業技術學院院級基金課題:蜂窩紙板防振緩沖特性研究。

張峻嶺(1976一),男,碩士,副高級職稱,研究方向:包裝專業的教學和研究。