瓦楞—蜂窩紙板力學性能研究

李洋洋　石威　姜欣岑　戚瑩　吳紅英　孫靖宇

【摘 要】本文針對現(xiàn)有蜂窩紙板生產(chǎn)效率低的缺點，結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學性能和瓦楞紙板便于高速生產(chǎn)的優(yōu)點，提出了平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對式瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)，利用靜態(tài)壓縮實驗，分析了靜態(tài)力學性能和緩沖性能，結(jié)果表明二者的力學性能均優(yōu)于正六邊形蜂窩紙板；相對式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強度和緩沖性能均優(yōu)于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，更適用于運輸包裝領(lǐng)域，研究結(jié)果可為新型紙板的開發(fā)提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】瓦楞—蜂窩紙板；力學性能；緩沖性能

Study on Mechanical Properties of Honeycomb Paperboard Formed by Corrugated Paperboard

LI Yang-yang SHI Wei JIANG Xin-cen QI Ying WU Hong-ying SUN Jing-yu

（School of Materials Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing Jiangsu 211167，China）

【Abstract】View of low efficiency of existing production process for honeycomb paperboard， blunt honeycomb paperboard and opposite honeycomb paperboard which are formed by corrugated paperboards is presented considering excellent mechanical properties of honeycomb structure and high speed production of corrugated board. Static compression tests are carried out， and static mechanical properties and cushioning performance of the two types of paperboard are analyzed. The results show that the two types of paperboard have better mechanical properties than hexagonal honeycomb paperboard. Opposite honeycomb paperboard has better mechanical properties and cushioning performance than blunt honeycomb paperboard， and is more suitable for transport packaging. The study results can provide a useful reference for development of new paperboard.

【Key words】Honeycomb paperboard formed by corrugated paperboard； Mechanical properties； Cushioning performance

0 前言

蜂窩紙板由于具有比強度和比剛度高、重量輕、優(yōu)異的緩沖隔振性能、良好的隔熱性能等優(yōu)點，被廣泛用于托盤、包裝箱、緩沖襯墊、護角與護棱等，目前又進一步拓展到空投包裝[1]，吸引了眾多科研工作者的關(guān)注。王冬梅[2]分析了蜂窩紙板的靜態(tài)壓縮性能，曾克儉[3]對蜂窩紙板的動態(tài)緩沖性能進行了研究，張琴[4]研究了蜂窩紙板的振動傳遞特性。隨著包裝要求的提高，許多學者對蜂窩紙板組合材料的力學性能開展研究，言利容對蜂窩紙板/EPE組合材料的動態(tài)緩沖性能進行了研究[5]，趙英芹對蜂窩紙板/瓦楞紙板疊合材料的動力學性能開展了研究。以上文獻主要針對蜂窩紙板的力學性能進行研究，結(jié)果也證實了蜂窩紙板具有良好的力學性能。

真正抑制蜂窩紙板推廣應(yīng)用的不是其力學性能，而是其制造工藝。雖然我國蜂窩紙板行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了二十年，但制造工藝仍比較落后，生產(chǎn)過程復雜，生產(chǎn)效率低，設(shè)備昂貴，成為制約蜂窩紙板發(fā)展的重要因素。楊鵬[7]對蜂窩紙板的工藝和設(shè)備提出了改進方法，但效果不是特別明顯。

本文結(jié)合蜂窩紙板良好的力學特性和瓦楞紙板可以高速高速生產(chǎn)的優(yōu)勢，提出新型的瓦楞—蜂窩紙板，它與瓦楞/蜂窩復合紙板不同，是采用單面瓦楞紙板，經(jīng)分切和翻轉(zhuǎn)，瓦楞完全對齊，形成類似蜂窩結(jié)構(gòu)的紙板。本文的目的就是研究兩種不同對齊方式形成的蜂窩芯的力學性能，為新型蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)

按照單面瓦楞紙板的對齊方式，如圖1所示，將瓦楞—蜂窩紙板分為平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對式瓦楞—蜂窩紙板。平齊式瓦楞—蜂窩紙板是將單面瓦楞紙板分切后，向同一方向翻轉(zhuǎn)，粘接而成。而相對式瓦楞—蜂窩紙板是分切后交錯反向翻轉(zhuǎn)，粘接而成。

2 瓦楞—蜂窩紙板靜態(tài)壓縮實驗

實驗材料：單面B型瓦楞紙板（厚度3.0mm，瓦楞芯紙定量為140g/m2，面紙定量160 g/m2）制作而成的平齊式、相對式瓦楞—蜂窩芯，正六變形蜂窩芯（邊長3.5mm、芯紙定量為140g/m2）；

試樣規(guī)格：75mm36mm15mm；

試驗儀器：WDW3020 微控電子萬能實驗機；

壓縮速度：10mm/min。

試驗獲得應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

3 瓦楞—蜂窩紙板壓縮性能分析

由圖2可得出，平齊式瓦楞—蜂窩紙板的壓縮曲線呈現(xiàn)出四個階段：線彈性階段、屈服平臺階段、坍塌階段和致密化階段。

線彈性階段：應(yīng)力隨應(yīng)變快速增加，基本符合線性比例關(guān)系。

屈服平臺階段：當應(yīng)力增大一定值時，應(yīng)力幾乎不再變化，而應(yīng)變迅速增大，應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為一個屈服平臺。

坍塌階段：當應(yīng)變增大到一定程度時，紙板失去抵抗能力，迅速坍塌，應(yīng)力下降。

致密化階段：當應(yīng)變增大到一定程度，芯紙相互接觸，壓縮曲線進入致密化階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而迅速增大。

相對式瓦楞—蜂窩紙板的壓縮曲線沒有明顯的平臺階段，僅表現(xiàn)出線彈性階段、坍塌階段和致密化階段。當應(yīng)力增大一定值時，紙板迅速失去抵抗能力，發(fā)生坍塌，應(yīng)變增大，應(yīng)力變小，直至進入致密化階段。

對比兩種結(jié)構(gòu)材料，可以得出，相對式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強度以及對應(yīng)的應(yīng)變均大于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，其彈性變形區(qū)域較寬。當達到屈服極限后，平齊式瓦楞—蜂窩紙板抵抗變形的能力較好。由于相對式紙板的瓦楞與瓦楞直接粘接，在變形過程中，芯紙之間更容易接觸，其進入致密化階段更早，即對應(yīng)的應(yīng)變較小。

兩種新型結(jié)構(gòu)的瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強度均遠遠高于正六邊形蜂窩紙板，應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化趨勢也有所不同，這主要是因為瓦楞紙板的面紙起到了明顯的加強作用。

4 瓦楞—蜂窩紙板緩沖性能分析

緩沖系數(shù)是緩沖設(shè)計的重要依據(jù)，是表征包裝材料緩沖性能的重要參數(shù)。依緩沖系數(shù)的定義，知

式中，C為緩沖系數(shù)；σm為所受靜應(yīng)力；E為單位體積吸收的變形能；σ表示從0到σm不有不斷變化的應(yīng)力；ε為應(yīng)變。

將圖2中的曲線和式（1）計算緩沖系數(shù)，并繪制緩沖系數(shù)—應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著應(yīng)變增大，二者的緩沖系數(shù)均減小，緩沖性能提高。在相對式瓦楞—蜂窩紙板發(fā)生坍塌前，由于二者表現(xiàn)出的彈性幾乎相同，從引起而二者的緩沖系數(shù)曲線幾乎重合，表現(xiàn)出的緩沖性能也非常接近。當相對式瓦楞—蜂窩紙板進入坍塌階段，由于其迅速的變形，單位體積吸收的能量比平齊式瓦楞—蜂窩紙板更多，同時其應(yīng)力也快速減小，使得緩沖系數(shù)小于平齊式瓦楞—蜂窩紙板的緩沖系數(shù)，緩沖性能更好。

圖3 緩沖系數(shù)曲線

5 結(jié)論

本文對兩種瓦楞—蜂窩紙板和正六邊形蜂窩紙板進行了靜態(tài)壓縮試驗，并進行對比分析，結(jié)果表明，由于瓦楞紙板的面紙加強作用，平齊式瓦楞—蜂窩紙板和相對式瓦楞—蜂窩紙板的力學性能優(yōu)于正六邊形蜂窩紙板。相對式瓦楞—蜂窩紙板的抗壓強度以及緩沖性能均優(yōu)于平齊式瓦楞—蜂窩紙板，這說明相對式瓦楞—蜂窩紙板更加適用于運輸包裝，不但能提供較高的強度，同時也能對產(chǎn)品起到良好的緩沖作用。本文的結(jié)論能夠為新型蜂窩紙板研究與開發(fā)提供一定的參考。

從相對式瓦楞—蜂窩紙板結(jié)構(gòu)看，制造過程中需要交叉變換翻轉(zhuǎn)方向，其制造工藝比平齊式瓦楞—蜂窩紙板復雜，但與目前蜂窩紙板的制造工藝相比，能夠提高加工效率。本文僅僅是采用手工制作的試樣，目前仍舊沒有此類紙板的加工設(shè)備。因此，此類紙板的真正應(yīng)用，需要開發(fā)新的制造工藝和設(shè)備，從而才能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，推動紙包裝材料的發(fā)展。

【參考文獻】

[1]劉勝祥，王興業(yè)，徐麗麗，等.蜂窩紙板在空投包裝中的應(yīng)用[J].2016，37（17）：25-29.

[2]王冬梅，廖強華.蜂窩紙板靜態(tài)壓縮力學性能建模研究[J].包裝工程，2006，27（4）：129-132.

[3]曾克儉，劉珊.蜂窩紙板動態(tài)緩沖性能分析研究[J].包裝工程.2014，35（17）：15-18.

[4]張琴，王保升.隨機振動下蜂窩紙板振動傳遞特性分析[J].包裝工程，2013，34（15）：7-10.

[5]言利容，謝勇.蜂窩紙板/EPE組合材料的動態(tài)緩沖性能[J].包裝工程，2010，31（19）：27-31.

[6]趙英芹，王玉龍，蔣春華.蜂窩/瓦楞疊合紙板的緩沖性能研究[J].包裝工程，2013，34（23）：60-63，67.

[7]楊鵬.蜂窩紙板力學性能仿真分析與工藝、設(shè)備，改進研究[D].鄭州：鄭州大學，2014.

[責任編輯：朱麗娜]