濕度對手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝能量吸收特性的影響

濕度對手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝能量吸收特性的影響

張巖1,2，王志偉1,2

(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)

摘要：基于動態(tài)沖擊試驗(yàn)，分析了紙漿模塑制品在沖擊高度為30 cm、50 cm、80 cm及相對濕度為50%、65%、80%、90%條件下的荷載-位移數(shù)據(jù)，建立了名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量吸收曲線。結(jié)果表明：沖擊高度一定時(shí)，隨著相對濕度的增大，紙漿模塑制品的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線下移，彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力明顯下降，最佳能量吸收肩點(diǎn)向左下方移動，以RH=50%為基準(zhǔn)，RH=65%、80%、90%時(shí)的平均第二屈曲臨界應(yīng)力分別下降14%、24%和42%；相對濕度一定時(shí)，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線上移，彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力明顯提高，最佳能量吸收肩點(diǎn)向右上方移動，并且沖擊高度的影響隨相對濕度的增加顯著增強(qiáng)；制品在承受沖擊荷載時(shí)發(fā)生兩次明顯屈曲。

關(guān)鍵詞：紙漿模塑制品；相對濕度；名義應(yīng)力-應(yīng)變曲；能量吸收曲線

中圖分類號:TB484.1；TB487文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Influenceofrelativehumidityonenergyabsorptionpropertiesofmoldedpulpcushioningpackagingformobilephone

ZHANG Yan1,2, WANG Zhi-wei1,2(1.ResearchInstituteofPackagingEngineering,JinanUniversity,Zhuhai519070,China;2.KeyLaboratoryofProductPackagingandLogisticsofGuangdongHigherEducationInstitutes,JinanUniversity,Zhuhai519070,China)

Abstract:On the basis of impact tests, the load-deflection informations of molded pulp products were analysed under the impact height of 30cm, 50cm, 80cm and under the relative humidity (RH) of 50%,65%,80%,90%. Meanwhile the nominal stress-strains curves and the energy absorption curves were established. The experimental results show that: under a certain impact height, with the increase of relative humidity, the nominal stress-strain curves move downward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the lower left. When the RH increases from 50% to 65%, 80% and 90%, the average second buckling critical stress decreases by 14%,24% and 42% respectively. Under a certain RH, with the increase of impact height, the nominal stress-strain curves move upward, the elasticity modulus and buckling critical stress decrease, and the best energy absorption point offsets to the upper right, and this effect significantly enhances with the increase of RH. Under impact load, the molded products occur two obvious bucklings.

Keywords:moldedpulpproduct;relativehumidity;nominalstress-straincurve;energyabsorptioncurve

緩沖材料的任務(wù)是吸收包裝件在受到?jīng)_擊和振動時(shí)所產(chǎn)生的能量。常用的緩沖包裝材料有泡沫塑料(EPS、EPP、EPE等)、空氣墊和紙制品緩沖包裝材料(紙漿模塑、蜂窩紙板、瓦楞紙板等)。

紙漿模塑材料作為一種新型的緩沖包裝材料以其優(yōu)良的防震、抗壓、抗沖擊、防靜電、無污染、可自然降解、多種顏色以及制品的可疊加性(大大減小運(yùn)輸存放空間)等性能，在緩沖包裝中應(yīng)用非常廣泛，尤其應(yīng)用于小型家電產(chǎn)品的緩沖包裝中。

紙漿模塑材料一般是由廢紙箱、舊報(bào)紙、舊書籍等廢舊紙制品材料經(jīng)過制漿、成型、干燥、整飾等過程制作而成的紙制品包裝材料。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)紙漿模塑制品緩沖性能的影響因素主要為①原材料的性能，②加工條件(制漿工藝、成型工藝等)，③結(jié)構(gòu)形式(肋狀、塔狀、座狀、椅狀等)，④幾何參數(shù)(厚度、密度等)，⑤使用條件(環(huán)境溫濕度、加載方向、加載速度、預(yù)壓縮等)。

國內(nèi)外對于紙漿模塑制品緩沖性能的研究還不是很完善。Eagleton等[1]通過靜態(tài)壓縮和跌落沖擊實(shí)驗(yàn)得到紙漿模材料的緩沖特性曲線，通過與EPS發(fā)泡塑料進(jìn)行對比，得到在低靜態(tài)荷載、低跌落高度時(shí)紙漿模塑材料的緩沖性能較好。Hoffmann等[2]基于靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)，分析了材料密度、制品高度、幾何形狀等因素與制品強(qiáng)度的關(guān)系。Gurav等[3]對肋狀紙漿模塑制品進(jìn)行了壓縮實(shí)驗(yàn)，建立了肋狀紙漿模塑制品有限元模型模擬其變形情況。計(jì)宏偉等[4]研究了溫度、濕度、加載速度等因素對紙漿模塑材料彈性模量、屈服應(yīng)力的影響規(guī)律，計(jì)算得到紙漿模塑材料的泊松比。王志偉等[5-11]將能量吸收圖的概念用于評價(jià)紙制品包裝材料，全面分析了濕度和初始應(yīng)變率對蜂窩紙板、瓦楞紙板和紙漿模塑材料荷載性能和能量吸收性能的影響關(guān)系,并進(jìn)行了有限元模擬驗(yàn)證。

由于紙制品材料本身的吸濕性，濕度對紙漿模塑材料的緩沖性能影響較大，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，基于紙漿模塑制品的動態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究了在不同沖擊高度的情況下，相對濕度對手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝變形性能和能量吸收性能影響的規(guī)律，構(gòu)建紙漿模塑制品在沖擊高度分別為30cm、50cm、80cm時(shí)含有相對濕度信息(RH=50%、65%、80%、90%)的能量吸收圖。

1試驗(yàn)

1.1材料

本實(shí)驗(yàn)所用的手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝如圖1所示，其原材料是100%廢棄舊報(bào)紙紙漿，外尺寸為174.5mm×114.8mm×50.4mm，平均厚度為1.24mm。

圖1　手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝 Fig.1 Molded pulp cushioning packaging for mobile phone

1.2方法與處理

(1)試樣處理

參照GB/T10739-2009[12]紙、紙板和紙漿式樣處理和實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，在恒溫恒濕箱中處理24~48h，考慮溫度23 ℃，相對濕度為50%、65%、80%、90%。

(2)基本物理量的測定

取經(jīng)T=23 ℃、RH=50%恒溫恒是處理后的試樣10個(gè)，在平整部分用邊壓強(qiáng)度取樣器截取60mm×12.7mm的試樣，利用CMT微型控制壓力試驗(yàn)機(jī)測得其在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的彈性模量Es=62.6MPa。

(3)落錘沖擊試驗(yàn)

圖2　落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng) Fig.2 Test system of drop impact

利用重錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)(INSTRON9250HV型)進(jìn)行動態(tài)沖擊試驗(yàn)，如圖2所示，得到變形過程中的荷載-位移數(shù)據(jù)，除以相應(yīng)的接觸面積(9 460mm)和制品高度(50.4mm)，得到名義應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到能量吸收-應(yīng)力數(shù)據(jù)，用Origin繪圖工具繪制在特定沖擊高度下的含有相對濕度信息的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量吸收曲線。

2結(jié)果與分析

2.1紙漿模塑制品動態(tài)沖擊變形特性分析

經(jīng)過動態(tài)沖擊試驗(yàn)，通過得到的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行紙漿模塑制品的緩沖性能評價(jià)。

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)同一溫度T=23 ℃、不同濕度RH=50%，65%、80%，90%處理后的試樣在沖擊高度均為30cm、50cm、80cm情況下的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3~圖5所示。

由圖3~圖5可知，沖擊高度為30cm、50cm、80cm時(shí)，手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同相對濕度情況下均呈現(xiàn)出四個(gè)階段，即彈性階段，此時(shí)應(yīng)力隨應(yīng)變基本呈線性上升的趨勢；屈服階段，此時(shí)主要發(fā)生塑性變形，達(dá)到屈服極限，該制品由其結(jié)構(gòu)的原因發(fā)生了兩次明顯屈曲；平臺階段，此階段名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一條類似平臺的曲線，在此階段制品吸收大量的能量以減少產(chǎn)品的破損；密實(shí)化階段，在這一階段制品失去彈塑性，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速變大。由圖3~圖5可看出，在沖擊高度相同的情況下，隨著相對濕度的增加，紙漿模塑制品的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈下降的趨勢，彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力、平臺應(yīng)力等表征該制品緩沖性能參數(shù)的數(shù)值均降低。

通過圖3~圖5的對比可發(fā)現(xiàn)，在相對濕度相同的情況下，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上升的趨勢，彈性模量、屈曲臨近應(yīng)力、平臺應(yīng)力等表征該制品緩沖性能參數(shù)的數(shù)值均增加。

圖3 沖擊高度為30cm不同相對濕度名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm圖4 沖擊高度為50cm不同相對濕度名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4Nominalstress-strainofmoldedpulpproductcurvesunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm圖5 沖擊高度為80cm不同相對濕度名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5Nominalstress-straincurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

圖6　手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝屈曲變形情況 Fig.6 Buckling deformation of molded pulp product

手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，由于其兩層式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出兩次明顯的屈曲過程，第一次屈曲對應(yīng)于制品四周支撐結(jié)構(gòu)的壓潰，如圖6(a)所示，第二次屈曲對應(yīng)于制品內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的壓潰，如圖6(b)所示。制品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以四周支撐結(jié)構(gòu)沖擊壓潰為設(shè)計(jì)限度，四周支撐結(jié)構(gòu)壓潰時(shí)的名義應(yīng)力值和能量吸收值即為紙漿模塑制品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表1和表2分別為不同相對濕度和沖擊高度下手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝的第一、第二屈曲臨界應(yīng)力。

表1　不同相對濕度和沖擊高度手機(jī)

表2　不同相對濕度和沖擊高度手機(jī)

由表2可知，相對濕度分別為50%、65%、80%、90%時(shí)該制品的平均第二屈曲臨界應(yīng)力分別為0.089 1、0.076 6、0.067 6和0.051 3，以RH=50%為基準(zhǔn)，RH=65%、80%、90%時(shí)的第二屈曲臨界應(yīng)力分別下降14%、24%和42%。相對濕度為50%時(shí)，隨沖擊高度由30cm增加到50cm和80cm，該制品第二屈曲臨界應(yīng)力分別提高5.8%和11.8%；但相對濕度為90%時(shí)，隨沖擊高度由30cm增加到50cm和80cm，該制品第二屈曲臨界應(yīng)力分別提高64%和109.5%。由此可以說明：隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力、平臺應(yīng)力都增大，并且隨相對濕度的增加，沖擊高度對這些參數(shù)的影響而逐步顯著。

2.2紙漿模塑制品動態(tài)沖擊能量吸收圖的構(gòu)建

能量吸收圖是由Maiti和Gibson提出來的用來表征緩沖材料的吸能特性，相比于緩沖系數(shù)-最大靜應(yīng)力曲線、最大加速度-靜應(yīng)力曲線、吸能效率曲線等表征材料緩沖性能的曲線，能量吸收圖能綜合考慮材料在不同濕度、不同應(yīng)變率、不同密度等條件下的最佳吸能狀態(tài)，起先用于發(fā)泡塑料，王志偉首次將這個(gè)概念用于評價(jià)紙制品緩沖性能，分析得到了紙制品能量吸收與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

基于2.1所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到材料單位體積吸收的能量，其計(jì)算公式為：

計(jì)算過程中運(yùn)用梯形公式進(jìn)行數(shù)值積分。將單位體積吸收的能量和材料的應(yīng)力除以標(biāo)準(zhǔn)情況下所得到的材料的彈性模量Es，得到標(biāo)準(zhǔn)化的能量吸收曲線。將不同相對濕度的能量吸收曲線繪制在同一個(gè)圖中即得到了含有相對濕度信息的能量吸收圖[7]。能量吸收曲線上一般會出現(xiàn)一個(gè)肩點(diǎn)，該點(diǎn)即為這一結(jié)構(gòu)的緩沖材料在特定條件下的最佳能量吸收肩點(diǎn)，該肩點(diǎn)用于表征緩沖材料的最佳能量吸收特性。

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)同一溫度T=23 ℃、不同濕度RH=50%，65%、80%，90%處理后的試樣在沖擊高度均為30cm、50cm、80cm情況下的能量吸收圖如圖7~圖9所示。

圖7 沖擊高度為30cm時(shí)不同相對濕度能量吸收圖Fig.7EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis30cm圖8 沖擊高度為50cm時(shí)不同相對濕度能量吸收圖Fig.8EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis50cm圖9 沖擊高度為80cm時(shí)不同相對濕度能量吸收圖Fig.9EnergyabsorptioncurvesofmoldedpulpproductunderdifferentrelativehumiditywhenHis80cm

由圖7~圖9可知，在應(yīng)變相同的情況下，隨著相對濕度的增大，手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝標(biāo)準(zhǔn)化能量吸收量降低，最佳能量吸收肩點(diǎn)向左下方移動，說明該紙漿模塑制品的能量吸收性能隨相對濕度的增加而降低。圖7~圖9對比可知，在相對濕度相同的情況下，隨沖擊高度的增加，手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝標(biāo)準(zhǔn)化能量吸收量升高，最佳能量吸收肩點(diǎn)向右上方移動，說明該紙漿模塑制品的能量吸收性能隨沖擊高度的增加而增強(qiáng)。

3結(jié)論

基于手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝在不同相對濕度和沖擊高度情況下的動態(tài)沖擊試驗(yàn)，得到該材料含有濕度信息和沖擊高度信息的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量吸收圖。得出以下結(jié)論：

(1)手機(jī)用紙漿模塑緩沖包裝受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，由于其兩層式結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出兩次明顯的屈曲過程，制品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以四周支撐結(jié)構(gòu)沖擊壓潰為設(shè)計(jì)限度，四周支撐結(jié)構(gòu)壓潰時(shí)的名義應(yīng)力值和能量吸收值即為紙漿模塑制品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)相對濕度因素對手機(jī)用紙漿模塑緩沖性能影響非常顯著，隨著相對濕度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力等均顯著降低，以RH=50%為基準(zhǔn)，RH=65%、80%、90%時(shí)的第二屈曲臨界應(yīng)力分別下降14%、24%和42%，最佳能量吸收肩點(diǎn)向左下方移動，緩沖性能明顯下降。

(3)沖擊高度也會對手機(jī)用紙漿模塑緩沖性能產(chǎn)生影響，隨著沖擊高度的增加，紙漿模塑制品的彈性模量、屈曲臨界應(yīng)力等均有所增加，最佳能量吸收肩點(diǎn)向右上方移動，緩沖性能增強(qiáng)，并且隨相對濕度的增加，沖擊高度對這些參數(shù)的影響而逐步顯著。

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