瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件及強(qiáng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀

青島科技大學(xué) 孫聚杰

隨著環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)诎b中越來(lái)越多的開始使用環(huán)保型、可降解回收型材料。尤其是在“以紙代木、以紙代塑”方面，各個(gè)包裝科研機(jī)構(gòu)、包裝制品生產(chǎn)廠家都非常關(guān)注。

一、瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件簡(jiǎn)介

瓦楞紙板是以紙代木、以紙代塑中被廣泛利用的包裝材料，這與瓦楞紙板的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)性能密不可分，它不僅具有一定的緩沖性能、抗壓性能，還具有廉價(jià)和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，而且可以通過(guò)切割、開槽、壓痕、折疊、粘合等方式制成各種紙質(zhì)包裝制品。

圖1 瓦楞紙板結(jié)構(gòu)制品

圖1展示了各種瓦楞紙板制成的紙質(zhì)包裝制品，雖然這些瓦楞紙質(zhì)包裝制品的瓦楞紙板切割、折疊、插裝或粘合方式不一樣，而且總體結(jié)構(gòu)形式不同，但它們具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)相似性。通過(guò)對(duì)各種形態(tài)結(jié)構(gòu)的瓦楞紙質(zhì)包裝制品進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，它們主要是由各種部件組成，這些部件的具體形式有板、梁、支座、墊塊、護(hù)角等，而構(gòu)成這些部件的主要結(jié)構(gòu)形式有層疊形結(jié)構(gòu)件、口字形結(jié)構(gòu)件、斜撐形結(jié)構(gòu)件、外三角形結(jié)構(gòu)件、內(nèi)三角形結(jié)構(gòu)件、錯(cuò)楞形結(jié)構(gòu)件等（如圖2），這些結(jié)構(gòu)件可以單個(gè)做緩沖結(jié)構(gòu)件或承載墊塊等，也可通過(guò)插裝或粘合將多個(gè)結(jié)構(gòu)件組合，組成大型包裝結(jié)構(gòu)件。由于這些結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成各種瓦楞包裝制品的基礎(chǔ)，所以將這些結(jié)構(gòu)件統(tǒng)一定義為瓦楞紙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件。

圖2 一些瓦楞紙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件

瓦楞紙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件，即指構(gòu)成瓦楞紙質(zhì)包裝制品的板、梁、支座、墊塊、護(hù)角等部件的各種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件，它們可以通過(guò)組合、拼裝、粘合等構(gòu)成重型紙質(zhì)包裝箱、重型紙質(zhì)托盤、大型展示架、重型電子制品緩沖襯墊等包裝制品。在實(shí)際應(yīng)用中，這些瓦楞紙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的瓦楞紙質(zhì)包裝制品在所有的生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售過(guò)程中包裝件均需要承受相當(dāng)大的壓力，而且越來(lái)越多的大中型制品（如海爾、長(zhǎng)虹、小天鵝等的制品）開始使用瓦楞紙質(zhì)包裝替代原有塑料、木材包裝，這些應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)，也對(duì)瓦楞紙質(zhì)包裝制品的承載性能提出了更高的要求。因此，非常有必要對(duì)如何強(qiáng)化瓦楞紙板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件承載性能做相關(guān)研究，從而為研制新型重型紙質(zhì)包裝制品打下基礎(chǔ)。

不僅是包裝企業(yè)，國(guó)家有關(guān)部門也非常重視新型重型紙質(zhì)包裝制品的研究，2009年，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、商務(wù)部、國(guó)家稅務(wù)總局、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等七部門共同發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)機(jī)電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木工作方案的通知》，強(qiáng)調(diào)將落實(shí)并完善資源綜合利用產(chǎn)品增值稅政策，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木，充分顯示國(guó)家對(duì)于“以紙代木”政策的大力支持。而各類重型紙質(zhì)包裝件的廣泛應(yīng)用，對(duì)瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件的性能，尤其是承載性能提出了更高的要求。

目前國(guó)內(nèi)外僅對(duì)如何強(qiáng)化瓦楞原紙、瓦楞紙板的承載性能方面有所研究，而對(duì)于瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件這種結(jié)構(gòu)體的承載性能強(qiáng)化研究基本處于空白，因此非常有必要展開這方面的研究。

二、瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件及其性能的研究

通過(guò)簡(jiǎn)化力學(xué)模型和對(duì)比性試驗(yàn)探討了折疊三角形瓦楞紙板襯墊結(jié)構(gòu)緩沖能力與其截面尺寸、結(jié)構(gòu)折疊層數(shù)的關(guān)系。

澳大利亞維多利亞科技大學(xué)的Michael A.Sek和機(jī)載導(dǎo)彈控制系統(tǒng)研究中心的Jim Kirkpatrick基于靜態(tài)和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析預(yù)測(cè)瓦楞紙板襯墊的性能。

2003年，在分析瓦楞紙板特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四種瓦楞紙板緩沖結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，總結(jié)其緩沖性能，證明了其可以代替泡沫塑料緩沖墊的結(jié)論。

2007年，運(yùn)用夾層板理論分析瓦楞紙板的彎曲問(wèn)題，并建立其平衡控制方程。

2007年，試驗(yàn)研究了3種折疊型雙瓦楞紙板襯墊結(jié)構(gòu)在跌落高度分別為30cm、60cm、90cm 3種條件下的動(dòng)態(tài)緩沖特性，采用3次多項(xiàng)式曲線擬合法獲得了峰值加速度-靜應(yīng)力曲線的經(jīng)驗(yàn)公式和特征系數(shù)。

2010年，以不同組合角度的瓦楞紙板為研究對(duì)象，以角度為變化參數(shù)，對(duì)邊壓強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，進(jìn)行了擬合，得到了其強(qiáng)度與組合角度的關(guān)系模型，獲得了其靜態(tài)緩沖系數(shù)-應(yīng)力曲線。為組合型瓦楞紙板在緩沖包裝中的推廣應(yīng)用提供了基本數(shù)據(jù)。

2008年，將瓦楞紙板托盤的墊塊分為卷繞式和層合式兩類；層合式又有層合未裹包式方形墊塊、層合四周裹包式方形墊塊、層合全裹包式方形墊塊等；以及縱梁的條狀結(jié)構(gòu)，分析了不同結(jié)構(gòu)墊塊的承載能力與其結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)等的關(guān)系，并給出了幾種墊塊在滿足最大承載能力前提下的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2008年，以斜撐結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在研究斜撐結(jié)構(gòu)緩沖機(jī)理的前提下，探討斜撐單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)緩沖性能的影響規(guī)律。

2008年，通過(guò)對(duì)瓦楞紙板展示架的形態(tài)和功能分析，論述了兩者之間的關(guān)系，并進(jìn)一步闡述了瓦楞紙板展示架設(shè)計(jì)的常見(jiàn)形態(tài)與特征及應(yīng)用。

2008年，根據(jù)口字型結(jié)構(gòu)壓縮時(shí)主要失效形式，將研究空間結(jié)構(gòu)的承載問(wèn)題轉(zhuǎn)化為易損板穩(wěn)定問(wèn)題。考慮紙板的初始撓度，建立了對(duì)邊簡(jiǎn)支對(duì)邊自由邊界條件下，夾層板穩(wěn)定問(wèn)題的基本方程。方程組的求解采用改進(jìn)的納維葉雙三角級(jí)數(shù)法，得到了臨界屈曲載荷的計(jì)算公式。

三、瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件強(qiáng)化方法的研究

2002年，對(duì)陽(yáng)離子淀粉進(jìn)行陰離子化，得到低粘度兩性淀粉表面施膠劑，對(duì)紙張印刷適性和表面強(qiáng)度都有明顯改善。制備了不同取代度的淀粉琥珀酸酯，用于表面施膠所得紙張耐水性顯著提高。

2002年，將陽(yáng)離子木薯淀粉高濃分散液通過(guò)計(jì)量薄膜轉(zhuǎn)移方式涂布到紙張表面，使所得紙張的挺度明顯改善。

2003年，將羥乙基淀粉與果糖一起糊化，制備了成膜性良好的表面施膠分散液，處理后紙頁(yè)施膠度明顯改善。

2005年，制備了不同取代度的羥乙基淀粉，對(duì)紙張進(jìn)行表面施膠，成紙表面強(qiáng)度和內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度均有較大提高，同時(shí)紙張光澤度和印刷適性也得到改善。

2005年，通過(guò)使用自行研制的水性增強(qiáng)劑，在瓦楞紙板生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)國(guó)產(chǎn)普通瓦楞原紙進(jìn)行噴涂處理，在線增強(qiáng)來(lái)提高國(guó)產(chǎn)低克重，低質(zhì)量瓦楞紙的韌度和強(qiáng)度。經(jīng)實(shí)際使用，具有明顯的效果。

2006年，從綠色包裝的意義出發(fā)，介紹了以淀粉、纖維素、殼聚糖3大類天然高分子材料為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)改性或混合，制備具有良好力學(xué)性能、生物降解性及抗菌性能的功能高分子膜的方法。

2007年，分析了殼聚糖用于擠壓涂布前的預(yù)涂。配制了4種殼聚糖涂料，其殼聚糖分別占絕干涂料量的0.10%，0.25%，0.50%，0.75%。試驗(yàn)結(jié)果表明，紙張的彎曲挺度得到很大程度的提高，但撕裂指數(shù)和抗張指數(shù)提高不明顯，紙張吸水性能有所下降。初步研究結(jié)果表明，殼聚糖能夠很好地粘附到纖維上，可以作為一種環(huán)境友好型的涂布原料。

2008年，分析了多種提高瓦楞紙箱強(qiáng)度的方法，論述了通過(guò)造紙過(guò)程中改變纖維方向或采用高壓板成型法，以及是在造紙前和造紙中向纖維中加入添加劑，提高纖維的結(jié)合力，利用兩層或多層芯紙層合以增加芯紙強(qiáng)度等方法提高瓦楞紙箱強(qiáng)度。

2009年，重點(diǎn)研究了細(xì)菌纖維素濕膜經(jīng)機(jī)械勻漿處理所得的細(xì)菌纖維與植物纖維混合抄片的紙頁(yè)性能。試驗(yàn)證明，細(xì)菌纖維素濕膜經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗罂梢杂糜谥苽湓旒埶玫募?xì)菌纖維漿料；添加到紙頁(yè)中的細(xì)菌纖維能在植物纖維間起到一種搭橋作用，并顯著提高紙頁(yè)的物理強(qiáng)度。

2009年，詳細(xì)總結(jié)了表面施膠劑在國(guó)內(nèi)外造紙工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，分析多種天然高分子表面施膠劑與合成表面施膠劑的應(yīng)用后，認(rèn)為高濃低粘高性能表面施膠劑的開發(fā)應(yīng)用適應(yīng)了新型表面施膠裝置開發(fā)的要求，是表面施膠劑的發(fā)展方向。

2009年，采用溶液共混后流延的方法制備淀粉-殼聚糖可食性包裝膜，運(yùn)用正交試驗(yàn)法研究了殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乙酸體積分?jǐn)?shù)、淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、共混時(shí)間、甘油比例等因素對(duì)包裝膜力學(xué)性能的影響。

四、研究現(xiàn)狀分析

分析有關(guān)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，結(jié)合本課題的研究?jī)?nèi)容可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）對(duì)于瓦楞紙板的緩沖性能、承載性能的研究已比較深入，但對(duì)于瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件的承載性能的研究很少；

（2）現(xiàn)有的研究都僅僅針對(duì)個(gè)別瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件，沒(méi)有從瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件制品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、承載方式出發(fā)，提出具體的分類研究方法；

（3）通過(guò)化學(xué)方法改善瓦楞原紙、瓦楞紙板力學(xué)性能的研究較多，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能的研究很少，而且瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件的承載性能強(qiáng)化技術(shù)方面基本沒(méi)有相關(guān)研究；

瓦楞紙板結(jié)構(gòu)件作為一種空間結(jié)構(gòu)體，不同于單純的瓦楞紙板材料，其承載失效過(guò)程隨結(jié)構(gòu)形式的不同、承載方向的變化有多種表現(xiàn)形式。對(duì)其承載性能的強(qiáng)化技術(shù)，應(yīng)根據(jù)其承載失效過(guò)程的差異，結(jié)合化學(xué)的、結(jié)構(gòu)的改良方法，有針對(duì)性的進(jìn)行研究。