泡狀紙蜂窩芯復合板動態緩沖性能研究

張 斌，楊小俊，覃路韋，葉竹君，張襯英

(湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢 430068)

瓦楞紙板、蜂窩紙板等和塑料類的發泡聚乙烯、聚氨酯等材料等緩沖包裝材料為貨物包裝運輸提供了不可或缺的保護[1]。塑料類材料不可降解，易造成污染，與現在所提倡的綠色包裝不相符[2]。紙基類材料符合綠色包裝理念，其中蜂窩紙板可代替木板作為托盤、包裝箱應用在貨物的運輸中，能降低成本，保護環境[3]。但蜂窩紙板也具有紙類材料的一些缺點，其防水防潮性能和表面耐戳穿性不如塑料緩沖材料[4]。本文研究的一種新型的泡狀紙蜂窩芯復合板，能夠解決傳統蜂窩紙板在防水防潮及表面強度上的天然劣勢，提高材料的動態緩沖性能。動態緩沖性能是緩沖材料在遭受動態沖擊荷載時所表現出來的緩沖能力[5]，其決定緩沖材料的實際應用效果。張靜靜等通過動態沖擊試驗研究了蜂窩紙板的厚度等因素與其異面動態沖擊力學性能之間的關系[6]。丁勇等通過動態壓縮試驗研究了溫濕度與蜂窩紙板動態壓縮性能之間的關系[7]。曾克儉等研究了蜂窩紙板的動態緩沖系數與最大靜應力之間的關系，得出“隨著紙板厚度的增大與紙板的抗沖擊能力也隨之增大”的結論[8]。王志偉等通過有限元技術研究了蜂窩紙板的動態沖擊壓縮過程，分析出濕度和厚度對紙板的抗沖擊能力之間的關系[9]。本文擬通過動態壓縮試驗獲得泡狀紙蜂窩芯復合板(泡狀復合板)、纖維紙蜂窩夾芯結構復合平板(復合平板)和蜂窩紙板的最大沖擊加速度-靜應力曲線(Gmax-σst)曲線，根據曲線研究厚度與板材的動態緩沖性能之間的關系，比較三種板材的動態緩沖性能。

1 研究對象

復合平板是一種在高溫下模壓成型的紙蜂窩夾層結構緩沖材料。其將纖維布和紙蜂窩芯由聚氨酯發泡粘接固化成型，表面強度較高，抗戳穿性能好，防水防潮性強[10]。本文所研究的泡狀復合板(圖1)則是一種在復合平板的基礎上增加泡狀結構，且泡的形狀、大小、密度均可根據需要調整的新型板材。泡狀復合板不僅具有復合平板的優良特性，其泡狀結構更使復合板在受到沖擊時能起到良好的減震作用，由此提高了板材的緩沖性能。

(a)實物

2 試驗

2.1 材料與設備

選取芯高為10、15、20 mm的泡狀復合板各3組，每組3個[11]，試樣面積A=100 mm×100 mm。為了滿足對比條件，還需相同數量和規格的蜂窩紙板和復合平板。沖擊試驗原理圖如圖2，最大沖擊加速度Gmax由傳感器測得，泡狀復合板中泡的直徑為10 mm,所占紙板面積比例為50%。

1-電荷傳感器; 2-重錘; 3-壓板; 4-導柱; 5-試樣圖2 試驗示意圖

2.2 試驗方案

動態壓縮試驗是用重錘垂直下落來沖擊緩沖材料表面[12]，通過調節重錘質量、緩沖材料厚度等來獲得不同條件下的最大沖擊加速度值。根據試驗數據繪制表示材料動態緩沖性能的Gmax-σst曲線和C-σmax曲線。其中：σst為靜應力；σm為最大應力；C為緩沖系數，是衡量材料緩沖效率高低的標準[13]。

試驗前試樣需在相對濕度55%，26℃的環境中放置24 h進行保溫處理[13]；將試樣固定在試驗機工作臺正中心，重錘在試樣正上方600 mm處墜落進行沖擊，并更換三次試樣，求沖擊加速度均值；對同一樣品應由5種重量不同的重錘進行沖擊[14]；重復上述步驟并記錄數據。

2.3 試驗設計

為了比較芯高、膠合劑配比、面料及溫度等4種因素對泡狀復合板緩沖性能的干擾[15]，需使用Taguchi試驗方法進行驗證，試驗設計見表1。試驗采取正交試驗方法，若做全面實驗有34=81個組合，但采用L9(34)正交表且忽略因素之間的互相干擾只需9組試驗。正交實驗方案組合見表2。

表1 Taguchi試驗表

表2 L9(34)正交實驗表及組合

3 結果與討論

3.1 實驗結果

試驗測得不同重量重錘在600 mm高度對不同芯高的板材進行沖擊的最大沖擊加速度值。每種芯高的泡狀復合板和復合平板需測試3次，共有9組實驗數據。整理數據可得板材的最大沖擊加速度值Gmax(表3—5)。

表3 H=600 mm蜂窩紙板的Gmax值

表4 H=600 mm復合平板的Gmax值

分析實驗數據可知:泡狀復合板的膠合劑配比、面料及溫度等3三種因素對其動態緩沖性能影響不大;芯高是影響其動態緩沖性能的主要因素。

芯高相等時，3種板材隨著重錘重量的增大，其遭受的沖擊加速度值呈現出先降后增的趨勢；同種板材隨著芯高的增大，其遭受的沖擊加速度值呈現出減小的趨勢。

表5 H=600 mm泡狀復合板的Gmax值

3.2 結果與討論

在動態壓縮試驗中，紙蜂窩芯的高度極大地影響著板材的緩沖性能。根據表3—5中數據繪制板材最大沖擊加速度-靜應力(Gmax-σst)曲線(圖3)。

(a)芯高10 mm

分析圖3可知，板材的Gmax-σst曲線為凹狀，呈現出先降后增的趨勢。墜落高度相同時，同種板材的緩沖性能與紙蜂窩芯高度呈正相關。由此可得以下結論:隨著紙蜂窩芯高度的增加,板材的動態緩沖性能也隨之變強。對比3種板材的Gmax-σst曲線可知：芯高相同時，泡狀復合板的緩沖性能最為優秀。

緩沖材料的選擇是通常參考材料的緩沖系數，因此將Gmax-σst曲線轉為板材的緩沖系數-靜應力(C-σmax)曲線便于設計者直觀比較材料的緩沖性能。緩沖系數-靜應力(C-σmax)曲線見圖4。

(a)芯高10 mm

分析圖4中板材的C-σmax曲線可知，曲線呈先減后增的趨勢，為山谷狀，谷底為極小值，且緩沖系數的變化大致相似。可得以下結論：板材隨著芯高高度的增長，板材的緩沖性能也會隨之提升,兩者之間呈正相關。機電設備等產品需要具有高抗壓強度且緩沖性能良好緩沖包裝材料。對比3種板材的C-σmax曲線可知：蜂窩紙板與泡狀復合板的緩沖系數-最大靜應力曲線極為接近，但動態緩沖性能仍不如泡狀復合板好，相較于蜂窩紙板和復合平板，泡狀復合板的緩沖性能最好。

4 結語

作為一種具有良好動態緩沖性能的綠色環保緩沖材料，泡狀紙蜂窩芯復合板擁有廣闊的市場前景。通過動態壓縮試驗得到的泡狀復合板最大加速度-靜應力曲線(Gmax-σst)和緩沖系數-最大應力曲線(C-σmax)為泡狀復合板的實際應用提供了參考。在進行緩沖包裝設計時，應參考材料的動態緩沖性能，根據實際情況優先選用與被包裝產品匹配性最好的緩沖材料，這樣即保證緩沖效果又節約成本。