預壓縮多層鈣塑瓦楞紙板準靜態壓縮與動態緩沖性能研究

高　德， 武劍鋒,2， 盧富德， 陳思佳, 何軍樂,2

(1.浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波　315100； 2.太原科技大學 機械工程學院，太原　030024)

?

預壓縮多層鈣塑瓦楞紙板準靜態壓縮與動態緩沖性能研究

高德1， 武劍鋒1,2， 盧富德1， 陳思佳1, 何軍樂1,2

(1.浙江大學 寧波理工學院，浙江 寧波315100； 2.太原科技大學 機械工程學院，太原030024)

摘要：對不同預壓程度下多層鈣塑瓦楞紙板緩沖襯墊的力學性能以及緩沖特性進行了研究。通過靜態壓縮試驗對比了緩沖襯墊在不同預壓縮程度下的力學性能以及緩沖特性。將材料的應力-應變曲線轉化為緩沖系數-最大應力曲線，從而獲得最小緩沖系數，研究發現壓縮率為5%~25%的緩沖材料可以有效地擴大緩沖保護范圍。通過連續沖擊試驗得到了多層鈣塑瓦楞紙板緩沖襯墊在連續沖擊載荷條件下的沖擊響應，利用加速度-時間曲線和沖擊放大系數曲線分析了緩沖襯墊的緩沖特性。研究結果將對多層鈣塑瓦楞紙板在緩沖包裝設計中的應用起到一定的參考價值。

關鍵詞：多層鈣塑瓦楞紙板;預壓縮;緩沖系數;連續沖擊載荷;沖擊放大系數

鈣塑瓦楞紙板[1-5]是一種在普通瓦楞紙板基礎上研發的新型復合紙板，不僅具有良好的適印性，堆疊性和耐緩沖性，又有抗壓強度高，韌性好，防水等特點，目前已成為一種新型的緩沖包裝材料。隨著鈣塑瓦楞紙板在緩沖包裝材料上的不斷推廣和廣泛使用，鈣塑瓦楞紙板在各種工況下的緩沖特性以及力學性能是研究人員急需研究的。雖然鈣塑瓦楞紙板的生產在國內已有多年，但是關于鈣塑瓦楞紙板的學術報道，特別是鈣塑瓦楞紙板力學性能的相關研究報道較為少見。高德[6-7]等對鈣塑瓦楞復合板的力學性能進行了實驗研究，得出鈣塑瓦楞復合紙板的一般特性，并與普通瓦楞紙板的力學性能進行了比較，為以后鈣塑板的應用提供了科學依據。

通常情況下，在產品的運輸包裝設計過程中,使用鈣塑瓦楞紙板作為緩沖包裝材料時,需要考慮緩沖材料在外包裝箱內將會預先承受一定的壓力。此外，在物流運輸過程中，因路面不平所引起的連續沖擊載荷所造成的包裝結構破損問題也較為突出，為此，國內外學者針對這類問題進行了大量理論以及實驗研究，并取得了一定的成果[8-12]。然而對于鈣塑紙板的沖擊破損問題的研究仍較為少見，特別是對于預壓縮后的多層鈣塑紙板的研究尚未見報道。

為此，本文將對預壓縮的多層鈣塑紙板的緩沖性能以及力學特性進行研究，以不同預壓程度的多層鈣塑瓦楞紙板為研究對象，測試多層鈣塑瓦楞紙板在常溫靜載下的力學性能，利用連續沖擊試驗分析連續沖擊載荷下多層鈣塑瓦楞紙板緩沖襯墊的緩沖特性，并對其沖擊放大系數和沖擊特性進行分析。

1預壓縮多層鈣塑瓦楞紙板緩沖性能研究

1.1試驗方案

試驗采用C楞型鈣塑瓦楞復合紙板，其中鈣塑瓦楞芯片材，是由輕質碳酸鈣和HDPE按5∶5的比例混合，經過單螺桿片材機加熱、擠出、壓延而成。其定量為328 g/m2;而面紙選用的是定量為200 g/m2牛皮面紙，尺寸為100 mm×100 mm;每個樣品層數為12層(4層瓦楞芯)，樣品數量為12個;試驗樣品按照GB/T 4857.2-2005標準進行預處理。

參照ISO3386-1-2010和GB/T8168-2008,將試樣分成A、B、C、D四組,每組3個。使用游標卡尺測量每個試樣的初始厚度。使用10 kg的砝碼分別對各試樣進行預壓縮處理24 h。A、B、C、D各組的預壓縮程度分別為100%(未壓縮)，95%(壓縮率5%)，75%(壓縮率25%)，以及50%(壓縮率50%)。經處理后,卸載,試樣恢復5 h后再次使用游標卡尺測量試樣的厚度,并用萬能試驗機(深圳市新三思材料檢測有限公司，CMT6103)以2 mm/min的速度對試樣進行壓縮,同時采集試樣的壓力-形變數據并獲取紙板屈服應力，取其平均值。其測試工作與試樣如圖1所示。

圖1　不同預壓縮程度下的四瓦鈣塑瓦楞紙板Fig.1　4-layered calcium corrugated paperboard withdifferent pre-compression extent

1.2試驗結果分析

圖2為未預壓時多層鈣塑瓦楞紙板的應力-應變曲線，可以將整個靜態壓縮過程分為大致3個階段。

在初始階段，即原始硬度階段，這一階段承受撞擊中較小的靜態載荷，產生一定的峰值加速度。當達到第一個應力屈服點后，應力有所下降并再次攀升，此時到達屈服階段(同時開始伴有少量塑性變形)，此階段隨著靜態載荷逐漸加大，峰值加速度也隨之加大，經歷兩次峰值點后達到最大峰值加速度(即最大應力屈服點)。此時緩沖襯墊的緩沖性能將會加強。峰值之前顯示的形變主要以彈性變形為主，此前卸載則可基本恢復到鈣塑紙板的原始形態。峰值之后為破壞期(即為壓實階段)以塑性變形為主，經歷此階段的緩沖材料被破壞并且無法恢復到初始狀態繼續進行保護作用。

圖2 未預壓的應力應變曲線Fig.2Stress-straincurvesofcorrugatedpaperboardwithoutpre-compression圖3 不同壓縮率下的應力應變曲線Fig.3TheStress-straincurveofdifferentpre-compressionratio圖4 壓縮率50%的三次試驗的應力應變曲線Fig.4Stress-straincurvesforthreeexperimentsunderpre-compressionof50%

圖3為不同預壓程度下鈣塑瓦楞紙板的應力-應變曲線，可以發現壓縮率5%的鈣塑紙板也表現出較強的塑性變形。而隨著壓縮率的增大，這種所謂的波動基本消失。由圖可以發現壓縮率25%和50%的鈣塑紙板初始階段表現的比較平緩，說明壓縮率25%和50%的鈣塑紙板中央平坦階段比未預壓縮的鈣塑瓦楞紙板持續時間長(即彈性階段較好，有效性時間長)。在這一階段能夠有效吸收能量并保護產品，表現出來的特性類似“彈性剛度彈簧”，當達到一定載荷后，形變量上升較快，鈣塑芯紙開始變彎，此時壓縮應力變為彎曲應力，材料的剛性明顯減弱而出現較大的變形。當繼續增加載荷時，變形量減小，最后幾乎不變形，承載能力急劇增加，曲線也急劇上升，表明已接近壓縮極限，緩沖材料即將失去彈性。所以對多層鈣塑瓦楞紙板進行有效的預壓縮處理可以延長緩沖襯墊的有效彈性吸能階段。

由圖4可看出同一壓縮率下三次試驗的數據圖像基本能保持一致，可以有效避免實驗的偶然性,計算結果取平均值。

1.3緩沖特性曲線

緩沖系數是用來表征緩沖材料緩沖性能好壞的參數，可利用式(1)~式(3)將不同壓縮率下的緩沖襯墊的應力-應變曲線轉化成緩沖系數-最大應力曲線：

(1)

(2)

(3)

式中：C為緩沖系數，σm為最大應力,ε為試樣對應的應變，E為單位體積下緩沖材料的形變能,F為壓縮力值，A為試樣的承受面積。

由圖3發現未預壓和壓縮5%的鈣塑瓦楞紙板應力應變曲線有波動，并非單調遞增，不能應用傳統方法整體直接計算，這里針對未預壓和壓縮5%的緩沖材料緩沖系數-最大應力曲線采取分段計算的方法得到。

根據以上算法將圖3曲線轉換為緩沖系數與最大應力曲線如圖5所示。

圖5　緩沖系數—最大應力曲線Fig.5 The cushion coefficient static loading curve of different pre-compression ration

從圖5中得到，由于未預壓和壓縮率5%的緩沖材料出現了屈服應力點，表現出4個數值不同的緩沖系數。未預壓的緩沖材料的緩沖系數分別為15,10，8和5，對應的最大應力分別為0.15 MPa，0.25 MPa，0.32 MPa和0.37 MPa，壓縮率為5%的緩沖材料的緩沖系數分別為19,13，6和4，所對應的最大應力分別為0.12 MPa,0.14 MPa,0.25 MPa,0.38 MPa。壓縮率25%和50%沒有這樣的特性，緩沖系數為3.5和3，對應的應力為0.31 MPa和0.38 MPa.所以，針對不同預壓縮情況下的緩沖材料要進行不同的計算分析才能得到科學的結果，另外由圖5可以發現：預壓縮多層層鈣塑瓦楞紙板材料C-σm的緩沖系數隨著壓縮率的增加而減小，即緩沖效率增加。

2連續沖擊作用下鈣塑瓦楞紙板沖擊響應分析

圖6　沖擊試驗臺Fig.6 Impact test instrument

參考國家標準GB/T15099-1994中使用沖擊試驗機制定產品機械沖擊脆值的試驗方法，利用蘇州東菱SY11-100氣壓驅動垂直沖擊試驗臺(最大負載100 kg，峰值加速度100~3 000 m/s2,見圖6)來模擬連續沖擊載荷條件。選取400 mm跌落沖擊高度和3 ms的沖擊持續時間所組成的半正弦波，分別對三種預壓縮緩沖材料各沖擊15次。(每一組預壓程度下的實驗材料依然進行三次試驗，共12個實驗品，并取結果的平均值)試驗方法是,利用鋼性質量塊、螺栓將實驗材料固定在沖擊臺上，試驗原理是按預定的跌落方法、半正弦波、跌落高度(或峰值加速度)對試樣進行相同的連續沖擊試驗,采集實驗材料的響應加速度信號,并觀察的實驗材料破損情況，分析峰值加速度和沖擊放大系數[13-15]。曲線結果由實驗數據擬合生成。圖7為不同預壓程度下的鈣塑瓦楞紙板第15次沖擊時的加速度響應曲線(實驗進行到第15次時緩沖襯墊并未破損)。圖8為沖擊放大系數曲線，沖擊放大系數值根據相關資料所給出的有關的計算方法得到。沖擊放大系數又稱增益，為輸出變化量與輸入變化量之比。其反應的是穩定特性，放大系數越大，輸入變量對輸出變量的影響越大。沖擊放大系數用來表征緩沖材料結構系統的固有頻率與沖擊載荷的等效頻率之比(在實驗計算中即為質量塊受沖擊時頻率ω1與沖擊臺產生沖擊載荷時沖擊臺的頻率ω2之比)，且比值都大于1，因此，在連續沖擊載荷條件下對緩沖結構所造成的破壞損失更嚴重，應在緩沖設計包裝中予以重視[15-16]。

2.1沖擊放大系數分析計算

跌落后沖擊階段首先由沖擊臺產生沖擊載荷。根據牛頓第二定律計算的沖擊臺等效加速度響應

(4)

式中：ω2為沖擊臺產生沖擊載荷時沖擊臺頻率。

然后沖擊力由緩沖材料傳遞到質量塊，以質量塊為研究對象得到微分方程：

(5)

并與等式(4)和處置條件聯立得相對響應位移

(6)

式中：ω1為質量塊固有頻率。

求出等式(6)關于t的一階導數并等0求出最大響應位移

(7)

下面求出在質量塊上的最大靜位移

(8)

得出沖擊放大系數

(9)

2.2實驗結果與分析

從圖7中可以發現，緩沖材料峰值加速度的大小與預壓縮程度之間有一定的變化規律，隨著壓縮率的增長，緩沖材料的峰值加速也變大。在本文研究的這四種不同預壓程度的鈣塑瓦楞紙板緩沖材料中，壓縮率5%時的峰值加速度最小，為30 g左右，比壓縮率為50%時的峰值加速度下降了大約52 g，比壓縮率為25%時的峰值加速度下降了大約36 g，比未預壓時的峰值加速度下降了大約20 g。而且壓縮率5%時的加速度曲線相比其余三種襯墊更為平緩，顯然，壓縮率為5%時的鈣塑瓦楞紙板襯墊具有比其他三種襯墊更好的緩沖性能。從圖中還可以發現，未預壓的鈣塑瓦楞紙板在沖擊開始的初始階段表現出較好的緩沖性能，但是到了沖擊持續的后期則加速度突然增大，因此其整體緩沖性能不如壓縮率為5%的鈣塑瓦楞紙板好。

圖7　不同壓縮率緩沖材料在第15次跌落的加速度—時間曲線Fig.7 Acceleration response curve under the fifteenth loading with different pre-compression ration

圖8　不同壓縮率下的沖擊放大系數曲線Fig.8 The impact amplification factor curve of different pre-comression ration

根據圖8表明，沖擊放大系數隨著壓縮率的變化起伏不大，始終維持在1.80左右，說明在進行緩沖包裝設計時可根據第一次沖擊響應譜下的緩沖材料的固有頻率作為參考。

3結論

通過對不同預壓縮程度下多層鈣塑瓦楞紙板的靜態壓縮試驗以及連續沖擊試驗，研究了不同預壓程度下多層鈣塑瓦楞紙板緩沖性能，并得到以下結果：

(1)不同預壓縮程度下的鈣塑瓦楞紙板彈性緩沖吸能階段效果不同。壓縮率25%，50%的緩沖襯墊比未預壓縮和壓縮率5%的彈性緩沖吸能階段作用時間更長，有效性更好。將該預壓階段的鈣塑瓦楞紙板用來緩沖包裝設計可以更有效的擴大緩沖襯墊的保護范圍。

(2)在本文研究的四種鈣塑瓦楞紙板緩沖襯墊中，壓縮率5%的鈣塑瓦楞紙板具有更好的緩沖性能，可以更有效地抵抗連續沖擊載荷的作用。而沖擊放大系數則并不隨壓縮程度的變化而變化。而且注意到不是壓縮率越高越好，要根據實際情況來設計。

所以緩沖材料的力學性能和緩沖特性需要通過科學的實驗來了解,這樣才能設計出可靠的運輸包裝件, 實現安全運輸。

參 考 文 獻

[1] 高德，張煒. 單面紙鈣塑瓦楞板板及其制備方法[P]. ZL201210353635.0. 2014.11.26.

[2] 劉鷹.紙塑瓦楞板及制作方法[P]. ZL200910097229.0. 2009.09.02.

[3] Wang D M．Cushioning properties of multi-layer corrugated sandwich structures[J]. Sandwich Structures and Materials, 2009, 1(11): 57-66．

[4] Guo Yan-feng，Xu Wen-cai.Comparison studies on dynamic packaging properties of corrugated paperboard pads[J]. Engineering, 2010, 2(5): 378-386．

[5] Hoffmann J. Compression and cushioning characteristics of moulded pulp packaging[J]. Packaging Technology and Science,2000,13: 211-220.

[6] 馮軍，高德.鈣塑瓦楞復合紙板性能的試驗研究[J].包裝工程,2013,34(11):43-45.

FENG Jun, GAO De. Experimental study on properties of calcium plastic composite corrugated board[J]. Packaging Engineering, 2013,34(11):43-45.

[7] 高德，馮軍，盧富德.平壓單瓦鈣塑瓦楞紙板本構模型[J]. 振動工程學報,2014,27(6)：852-856.

GAO De,FENG Jun,LU Fu-de.Study on constitutive model of single-wall calcium plastic composite corrugated cardboard under flat compression loadings[J].Journal of Vibration Engineering,2014,27(6):852-856.

[8] 盧富德，高德.考慮蜂窩紙板箱緩沖作用的產品包裝系統跌落沖擊研究[J].振動工程學報，2012,25(3)：335-341.

LU Fu-de, GAO De.Study on drop impact of packaging system considering the cushioning action of honeycomb paperboard box[J].Journal of Vibration Engineering,2012,25(3)：335-341.

[9] Wang Zhao-xia，Gai De，Xu Wen-cai． Effect of coupling on the mechanical properties of calcium carbonate-plastic composite packaging materials[J]． Applied Mechanics and Materials， 2012， 200: 321-324．

[10] Sek M A, Minett M, Rouillard V, et al. A new method for the determination of cushion curves[J].Packaging Technology and Science,2000,13:249-255.

[11] Rouillard V, Sek M A.Behaviour of multi-layered corrugated paperboard cushioning systems under impact loads[J].Strain,2007,43(4):345-347.

[12] Minett M, Sek M A. Behaviour of corrugated fiberboard as a cushioning material[C]//Proceedings of 11th IAPRI World Conference on Packaging, Singapore, 1999: 591-601.

[13] 許衛群. 沖擊載荷作用下結構的動力響應分析 [D].武漢:武漢理工大學,2004.

[14] 宋寶豐.包裝件在重復沖擊下的響應加速度計算[J].包裝工程，2000,21(4)：1-2.

SONG Bao-feng. Calculation of response accelerations of a package under repetitive shocks[J]. Packaging Engineering, 2000, 21(4): 1-2.

[15] 許文才，向明.連續沖擊載荷對包裝產品的影響[J].振動與沖擊，2001,20(3)：26-28.

XU Wen-cai,XIANG Ming.Continuous impact load of packaging Products[J].Journal of Vibration and Shock,2001,20(3):26-28.

[16] 高德，樊令強，盧富德.鈣塑瓦楞紙板-蜂窩板復合結構緩 沖功能實驗分析[J].功能材料，2014,23(45):23016-23019.

GAO De,FAN Ling-qiang,LU Fu-de.Cushioning properties of two-layered cushioning structure stacked by honeycomb and Calcium plastic board subjected to quasi-static Compressive loadings [J]. Functional Materials,2014,23(45):23016-23019.

Mechanical and cushioning properties of multilayer calcium plastic corrugated paper board with different pre-compression ratio

GAODe1,WUJian-feng1,2,LUFu-de1,CHENSi-jia1,HEJun-Le1,2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China;2. School of Mechanical Engineering Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract:The mechanical and cushioning properties of multilayer calcium plastic corrugated paper boards (CPCPB) with different pre-compression ratio were compared through static compression tests. The minimum cushion coefficient was got from the “cushion coefficient-static loading” curve, which is transformed from the “stress-strain” curve. It is shown that the cushion material with a compression ratio from 5% to 25% can extend the cushion protection range. The shock response of the CPCPB under repetitive shocks was obtained through repetitive shocks tests. The cushioning properties of the multilayer CPCPB were also analysed with the help of“acceleration-time” curve and shock amplification factor curve. The results provide good references to the further study of cushion packaging design.

Key words:multilayer calcium plastic corrugated board; pre-compression; cushion coefficient; repetitive shocks; shock amplification factor

中圖分類號:TB485.1；O322

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.035

通信作者盧富德 男，博士，1982年生

收稿日期：2014-09-29修改稿收到日期：2015-03-11

基金項目：浙江省自然科學基金(LY16A020004)；國家自然科學基金資助(11402232)；寧波市自然科學基金(2015A610092)

第一作者 高德 男，教授，博士生導師，1963年生

郵箱：lu673153@163.com

第二屆國際包裝科學與技術大會暨十五屆全國包裝工程學術會議