基于湿度影响的蜂窝纸板动态压缩能量吸收图

徐 烁，王志伟

(1.暨南大学 包装工程研究所，珠海 519070;2.暨南大学 广东普通高校产品包装与物流重点实验室，珠海 519070)

蜂窝纸板以其环保、重量轻、强度高、结构稳定性好、缓冲性能优良等特点在近几年成为备受关注的缓冲包装材料之一，已广泛应用于包装、建筑、农业等诸多领域。

蜂窝纸板作为产品的缓冲包装材料[1]，主要是通过吸收实际运输过程中的冲击和振动产生的能量(通常是动能)进而保护产品。能量吸收图由Gibson等[2]提出，用于表征缓冲材料的吸能特性。目前能量吸收图的研究集中于泡沫塑料和泡沫金属能量吸收特性的表征。Gibson已经成功地将能量吸收图引入泡沫塑料缓冲性能评估体系中，在此基础上，卢子兴等[3]、王斌等[4]、胡时胜等[5]分别对复合泡沫塑料、泡沫铝合金和硬质聚氨酯泡沫塑料的缓冲吸能特性进行了评估。对纸蜂窝材料能量吸收性能的研究，国外文献很少涉及。国内王冬梅[6－7]基于纸蜂窝夹层结构的压缩试验，考虑孔穴结构因素的影响，构建了能量吸收图得出随着蜂窝胞壁厚度与长度比值的增加，其能量吸收性能将随之增大，但未考虑温湿度对纸力学性能的影响;王志伟等[8]采用分段函数的方法建立了静态压缩条件下纸蜂窝能量吸收与环境湿度及蜂窝结构参数之间的关系模型，并与试验结果进行比较验证，得出了模型的可靠性;王志伟等[9]对蜂窝纸板进行静态压缩，得出了蜂窝纸板的缓冲性能随环境相对湿度的增大而降低的结论。

由于制造蜂窝纸板的基质为纸质材料，其基本物理性能易受环境湿度条件的影响，继而将导致蜂窝纸板性能的变化，因此，研究流通环境条件下，相对湿度对蜂窝纸板动态压缩能量吸收的影响具有十分重要的现实意义。

1 试验

1.1 试验材料

蜂窝纸板由荷力胜(广州)蜂窝制品有限公司制作，试验所用试样的参数如表1所示。表中代号PA－105A/160K－20表示由定量105 g/m2的瓦楞原纸制成的A孔蜂窝芯，裱覆定量为160 g/m2的牛皮纸所得的厚度为20 mm的蜂窝纸板。

表1 蜂窝纸板试样参数Tab.1 Parameters of honeycomb specimens

1.2 试验方法

1.2.1 原纸拉伸试验

原纸拉伸试样采用边压强度取样器进行取样，试样尺寸为152 mm×12.7 mm，试样的长度方向均与原纸纵向平行。将蜂窝原纸试样在标准环境条件(23℃，相对湿度50%)下预处理48 h后，参照 JB/T6544－1993塑料拉伸和弯曲弹性模量试验方法[9]，在CMT8502型电子材料试验机上测量蜂窝原纸的纵向固体模量。电子材料试验机的拉伸标距为65 mm，拉伸速率为0.5 mm/min，进行10次重复试验，取平均值(所有有效试验数据定义为在靠近试样中部断裂时的试验数据)。

1.2.2 蜂窝纸板动态压缩试验

将蜂窝纸板试样在温度23℃，相对湿度50%，70%，80%，90%条件下分别预处理 48 h后，参照GB/T8167－2008包装用缓冲材料动态压缩试验方法[10]在Dynatup9250HV型落锤试验机上进行动态压缩试验。试验采用60 cm跌落高度(应变率为1.71×102/s)，试样尺寸100 mm×100 mm，对各种试验条件均做5次重复试验(各用一个试样)，每个试样从恒温恒湿箱取出后5 min内完成测试。

2 试验结果与分析

2.1 基于标准环境条件的蜂窝原纸纵向固体模量

对经过预处理的蜂窝原纸进行拉伸试验，测得标准环境条件下(23℃，相对湿度50%)蜂窝原纸纵向固体模量 Es0=2.442 GPa。

2.2 蜂窝纸板动态压缩缓冲特性分析

蜂窝纸板动态压缩缓冲特性，大多是通过其应力应变曲线进行评价。蜂窝纸板是由上下两层面纸和中间蜂窝芯纸复合而成，从图1中看出，当经受面内压缩时，其变形过程可明显分为三个阶段:线弹性阶段(OA段)、渐进坍塌阶段(AB段)、密实化阶段(BC段)。蜂窝纸板在经受面内加载的变形过程中，出现一段较长的波动区域(AB段)，在此阶段蜂窝纸板孔壁按一定波长渐进折叠坍塌，是蜂窝纸板最主要的能量吸收阶段。图2是三种不同厚跨比(蜂窝芯层胞壁厚度t与蜂窝芯层胞壁边长l之比)蜂窝纸板在不同相对湿度条件下动态压缩应力－应变曲线。

图1 蜂窝纸板动态压缩应力－应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of honeycomb paperboard

图2 三种不同厚跨比蜂窝纸板在不同相对湿度条件下的动态压缩应力－应变曲线(23℃)Fig.2 Stress-strain curves of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions(23℃)

由图2和图3可以看出，在同一湿度下，蜂窝纸板线弹性阶段的峰值应力和渐进坍塌阶段的平均应力随着厚跨比的减小而减小，缓冲性能相应降低。相同厚跨比条件下，峰值应力和平均应力随着环境相对湿度的增大而减小，缓冲性能有不同程度的下降。环境相对湿度从50%上升到70%的过程中，峰值应力和平均应力几乎没有变化;当环境相对湿度上升到80%，减小幅度到达7% ～20%;当环境相对湿度继续上升至90%，峰值应力和平均应力急剧下降，下降比例高达50%以上。因此，在常规的物流运输环境中，可以忽略相对湿度对蜂窝纸板缓冲性能的影响，但在中国的东南沿海地区的某些极端潮湿环境下，相对湿度对蜂窝纸板缓冲性能的影响是必须要考虑的。

图3 三种不同厚跨比蜂窝纸板在不同相对湿度下的峰值应力和平均应力Fig.3 Peak stress and average stress of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

2.3 蜂窝纸板动态压缩能量吸收图的构建

能量吸收图可以表征缓冲材料所承受的应力和吸收的能量之间的关系，它可以由缓冲材料的压缩应力－应变曲线构建。具体做法是:在缓冲材料压缩应力－应变曲线下到某一应力点σp处的面积对应力σp作图，两者都以缓冲材料的固体模量Es0作标准化，所得曲线即为能量吸收曲线。缓冲材料的能量吸收曲线上通常会出现一个肩点，该点即为某一结构的缓冲材料在某一应变率下的最佳设计点。

用专业绘图软件origin将三种不同厚跨比蜂窝纸板在不同湿度条件下的动态压缩应力－应变曲线转化为能量吸收图。由图4可知，随着相对湿度的增大，蜂窝纸板最佳能量吸收点(包迹线所连接的曲线肩点)向左下方偏移，其单位体积吸收能量的能力减弱。

将不同相对湿度条件下，不同厚跨比蜂窝纸板的包迹线汇总于同一坐标系，使得在同一张能量吸收图中包含了应变速率、蜂窝结构及环境湿度等信息，见图5，借助该动态压缩能量吸收图，利用插值法可进行蜂窝结构和材质的优选，进而指导缓冲包装设计。

2.4 蜂窝纸板动态压缩能量吸收图的应用

某产品长期处于RH80%的高湿环境中，产品质量m=3 kg，脆值Ac=30 g，包装材料和产品之间接触面积A=0.01 m2，已知蜂窝纸板厚度T=20 mm，当包装件从高度H=60 cm处跌落时，根据所构建的能量吸收图对蜂窝纸板的材质和结构进行优化选择。

图4 三种不同厚跨比蜂窝纸板在不同相对湿度下的能量吸收图Fig.4 Energy-absorption diagrams of honeycomb paperboard with different thickness-to-length ratios under different relative humidities conditions

图5 不同相对湿度条件下不同厚跨比蜂窝纸板动态压缩能量吸收图汇总Fig.5 Summary of compression energy-absorption diagram of honeycomb paperboards with different thickness-to-length ratios under different relative humidity

(1)由包装件跌落高度H=60 cm知最大冲击速度v=3.43 m/s，故应变速率ε·=v/T=1.71×102/s，可适用于图5所构建的能量吸收图，蜂窝纸板单位体积吸收能W=mgH/AT=90 kJ/m3，因为被包装物的脆值Ac是30 g，则其最大许用包装力F=m×Ac=900 N，最大许用应力σp=F/A=m×Ac/A=90 kPa;

(2)选择一个适宜蜂窝芯层原纸纵向固体模量ES1，取 1.0 GPa，在图 6所示的能量吸收图中画出W/ES1=0.9 ×10－4和 σp/ES1=9 ×10－5的直线，得到点A;

(3)保持W和 σp不变，仅改变 ES1，取 ES2=1.5 GPa，重复步骤(2)，得到B点;

(4)过A、B两点画直线与RH80%对应的能量吸收曲线交于C点;

图6 蜂窝纸板动态压缩能量吸收图应用示意图Fig.6 Diagrammatic sketch of the application of energy-absorption diagram of honeycomb paperboards under dynamic compression

(5)在图6中读出C点对应的W/ES和σp/ES，进而计算出最佳ES，再利用插值法在C点所对应的蜂窝纸板芯层胞壁厚跨比平行线族中确定最佳厚跨比。

本例所选用的蜂窝芯层原纸纵向固体模量ES=1.875 GPa，蜂窝芯层胞壁最佳厚跨比为0.026 0。

3 结论

(1)蜂窝纸板的缓冲性能受环境相对湿度的影响，随着环境相对湿度的增大:

① 线弹性阶段的峰值应力和渐进坍塌阶段的平均应力有不同程度的减小。在环境相对湿度从50%上升到70%的过程中，峰值应力和平均应力几乎没有变化;当环境相对湿度上升到80%，减小幅度到达7% ～20%，当环境相对湿度继续上升至90%，峰值应力和平均应力急剧下降，下降比例高达50%以上。

② 蜂窝纸板最佳能量吸收点向左下方偏移，其单位体积吸收能量的能力减弱。

(2)基于动态压缩能量吸收图，利用插值法可进行蜂窝结构和材质的优选，进而指导缓冲包装设计。

[1]郭彦峰，许文才，王 梅.蜂窝纸板缓冲性能的实验研究[J].包装工程，1999，20(2):12 －15.

[2]Gibson L J，Ashby M F.Cellular solids:structure and properties(second edition)[M].Cambridge University Press，1997.

[3]卢子兴，袁应龙.高应变率加载下复合泡沫塑料的吸能特性及失效机理研究[J].复合材料学报，2002，19(5):114－117.

[4]王 斌，何 德，舒光冀.泡沫Al合金的压缩性能及能量吸收[J].金属学报，2000，36(5):1037－1040.

[5]胡时胜，刘剑飞，王 悟.硬质聚氨酯泡沫塑料的缓冲吸能特性评估[J].爆炸与冲击，1998，18(6):42－47.

[6]Wang D M.Impact behavior and energy absorption of paper honeycomb sandwich panels[J].International Journal of Impact Engineering，2009，36(1):110 －114.

[7]Wang D M.Energy absorption diagrams of paper honeycomb sandwich structures[J].Packaging Technology and Science，2009，22(2):63 －67.

[8]Wang Z W，E Y P.Mathematical modeling of energy absorption property for paper honeycomb in various ambient humidities[J].Materials and Design，2010，31(9):4321－4328.

[9]Wang Z W，E Y P.Effect of relative humidity on energy absorption properties of honeycomb paperboards [J].Packaging Technology and Science，2010，23(8):471 －483.

[10]JB/T 6544－1993.塑料拉伸和弯曲弹性模量试验方法[S].北京:中国标准出版社，1993.

[11]GB/T 8167－2008.包装用缓冲材料动态压缩试验方法[S].北京:中国标准出版社，2008.