预压缩多层钙塑瓦楞纸板准静态压缩与动态缓冲性能研究

高　德， 武剑锋,2， 卢富德， 陈思佳, 何军乐,2

(1.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波　315100； 2.太原科技大学 机械工程学院，太原　030024)



预压缩多层钙塑瓦楞纸板准静态压缩与动态缓冲性能研究

高德1， 武剑锋1,2， 卢富德1， 陈思佳1, 何军乐1,2

(1.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波315100； 2.太原科技大学 机械工程学院，太原030024)

摘要：对不同预压程度下多层钙塑瓦楞纸板缓冲衬垫的力学性能以及缓冲特性进行了研究。通过静态压缩试验对比了缓冲衬垫在不同预压缩程度下的力学性能以及缓冲特性。将材料的应力-应变曲线转化为缓冲系数-最大应力曲线，从而获得最小缓冲系数，研究发现压缩率为5%~25%的缓冲材料可以有效地扩大缓冲保护范围。通过连续冲击试验得到了多层钙塑瓦楞纸板缓冲衬垫在连续冲击载荷条件下的冲击响应，利用加速度-时间曲线和冲击放大系数曲线分析了缓冲衬垫的缓冲特性。研究结果将对多层钙塑瓦楞纸板在缓冲包装设计中的应用起到一定的参考价值。

关键词：多层钙塑瓦楞纸板;预压缩;缓冲系数;连续冲击载荷;冲击放大系数

钙塑瓦楞纸板[1-5]是一种在普通瓦楞纸板基础上研发的新型复合纸板，不仅具有良好的适印性，堆叠性和耐缓冲性，又有抗压强度高，韧性好，防水等特点，目前已成为一种新型的缓冲包装材料。随着钙塑瓦楞纸板在缓冲包装材料上的不断推广和广泛使用，钙塑瓦楞纸板在各种工况下的缓冲特性以及力学性能是研究人员急需研究的。虽然钙塑瓦楞纸板的生产在国内已有多年，但是关于钙塑瓦楞纸板的学术报道，特别是钙塑瓦楞纸板力学性能的相关研究报道较为少见。高德[6-7]等对钙塑瓦楞复合板的力学性能进行了实验研究，得出钙塑瓦楞复合纸板的一般特性，并与普通瓦楞纸板的力学性能进行了比较，为以后钙塑板的应用提供了科学依据。

通常情况下，在产品的运输包装设计过程中,使用钙塑瓦楞纸板作为缓冲包装材料时,需要考虑缓冲材料在外包装箱内将会预先承受一定的压力。此外，在物流运输过程中，因路面不平所引起的连续冲击载荷所造成的包装结构破损问题也较为突出，为此，国内外学者针对这类问题进行了大量理论以及实验研究，并取得了一定的成果[8-12]。然而对于钙塑纸板的冲击破损问题的研究仍较为少见，特别是对于预压缩后的多层钙塑纸板的研究尚未见报道。

为此，本文将对预压缩的多层钙塑纸板的缓冲性能以及力学特性进行研究，以不同预压程度的多层钙塑瓦楞纸板为研究对象，测试多层钙塑瓦楞纸板在常温静载下的力学性能，利用连续冲击试验分析连续冲击载荷下多层钙塑瓦楞纸板缓冲衬垫的缓冲特性，并对其冲击放大系数和冲击特性进行分析。

1预压缩多层钙塑瓦楞纸板缓冲性能研究

1.1试验方案

试验采用C楞型钙塑瓦楞复合纸板，其中钙塑瓦楞芯片材，是由轻质碳酸钙和HDPE按5∶5的比例混合，经过单螺杆片材机加热、挤出、压延而成。其定量为328 g/m2;而面纸选用的是定量为200 g/m2牛皮面纸，尺寸为100 mm×100 mm;每个样品层数为12层(4层瓦楞芯)，样品数量为12个;试验样品按照GB/T 4857.2-2005标准进行预处理。

参照ISO3386-1-2010和GB/T8168-2008,将试样分成A、B、C、D四组,每组3个。使用游标卡尺测量每个试样的初始厚度。使用10 kg的砝码分别对各试样进行预压缩处理24 h。A、B、C、D各组的预压缩程度分别为100%(未压缩)，95%(压缩率5%)，75%(压缩率25%)，以及50%(压缩率50%)。经处理后,卸载,试样恢复5 h后再次使用游标卡尺测量试样的厚度,并用万能试验机(深圳市新三思材料检测有限公司，CMT6103)以2 mm/min的速度对试样进行压缩,同时采集试样的压力-形变数据并获取纸板屈服应力，取其平均值。其测试工作与试样如图1所示。

图1　不同预压缩程度下的四瓦钙塑瓦楞纸板Fig.1　4-layered calcium corrugated paperboard withdifferent pre-compression extent

1.2试验结果分析

图2为未预压时多层钙塑瓦楞纸板的应力-应变曲线，可以将整个静态压缩过程分为大致3个阶段。

在初始阶段，即原始硬度阶段，这一阶段承受撞击中较小的静态载荷，产生一定的峰值加速度。当达到第一个应力屈服点后，应力有所下降并再次攀升，此时到达屈服阶段(同时开始伴有少量塑性变形)，此阶段随着静态载荷逐渐加大，峰值加速度也随之加大，经历两次峰值点后达到最大峰值加速度(即最大应力屈服点)。此时缓冲衬垫的缓冲性能将会加强。峰值之前显示的形变主要以弹性变形为主，此前卸载则可基本恢复到钙塑纸板的原始形态。峰值之后为破坏期(即为压实阶段)以塑性变形为主，经历此阶段的缓冲材料被破坏并且无法恢复到初始状态继续进行保护作用。

图2 未预压的应力应变曲线Fig.2Stress-straincurvesofcorrugatedpaperboardwithoutpre-compression图3 不同压缩率下的应力应变曲线Fig.3TheStress-straincurveofdifferentpre-compressionratio图4 压缩率50%的三次试验的应力应变曲线Fig.4Stress-straincurvesforthreeexperimentsunderpre-compressionof50%

图3为不同预压程度下钙塑瓦楞纸板的应力-应变曲线，可以发现压缩率5%的钙塑纸板也表现出较强的塑性变形。而随着压缩率的增大，这种所谓的波动基本消失。由图可以发现压缩率25%和50%的钙塑纸板初始阶段表现的比较平缓，说明压缩率25%和50%的钙塑纸板中央平坦阶段比未预压缩的钙塑瓦楞纸板持续时间长(即弹性阶段较好，有效性时间长)。在这一阶段能够有效吸收能量并保护产品，表现出来的特性类似“弹性刚度弹簧”，当达到一定载荷后，形变量上升较快，钙塑芯纸开始变弯，此时压缩应力变为弯曲应力，材料的刚性明显减弱而出现较大的变形。当继续增加载荷时，变形量减小，最后几乎不变形，承载能力急剧增加，曲线也急剧上升，表明已接近压缩极限，缓冲材料即将失去弹性。所以对多层钙塑瓦楞纸板进行有效的预压缩处理可以延长缓冲衬垫的有效弹性吸能阶段。

由图4可看出同一压缩率下三次试验的数据图像基本能保持一致，可以有效避免实验的偶然性,计算结果取平均值。

1.3缓冲特性曲线

缓冲系数是用来表征缓冲材料缓冲性能好坏的参数，可利用式(1)~式(3)将不同压缩率下的缓冲衬垫的应力-应变曲线转化成缓冲系数-最大应力曲线：

(1)

(2)

(3)

式中：C为缓冲系数，σm为最大应力,ε为试样对应的应变，E为单位体积下缓冲材料的形变能,F为压缩力值，A为试样的承受面积。

由图3发现未预压和压缩5%的钙塑瓦楞纸板应力应变曲线有波动，并非单调递增，不能应用传统方法整体直接计算，这里针对未预压和压缩5%的缓冲材料缓冲系数-最大应力曲线采取分段计算的方法得到。

根据以上算法将图3曲线转换为缓冲系数与最大应力曲线如图5所示。

图5　缓冲系数—最大应力曲线Fig.5 The cushion coefficient static loading curve of different pre-compression ration

从图5中得到，由于未预压和压缩率5%的缓冲材料出现了屈服应力点，表现出4个数值不同的缓冲系数。未预压的缓冲材料的缓冲系数分别为15,10，8和5，对应的最大应力分别为0.15 MPa，0.25 MPa，0.32 MPa和0.37 MPa，压缩率为5%的缓冲材料的缓冲系数分别为19,13，6和4，所对应的最大应力分别为0.12 MPa,0.14 MPa,0.25 MPa,0.38 MPa。压缩率25%和50%没有这样的特性，缓冲系数为3.5和3，对应的应力为0.31 MPa和0.38 MPa.所以，针对不同预压缩情况下的缓冲材料要进行不同的计算分析才能得到科学的结果，另外由图5可以发现：预压缩多层层钙塑瓦楞纸板材料C-σm的缓冲系数随着压缩率的增加而减小，即缓冲效率增加。

2连续冲击作用下钙塑瓦楞纸板冲击响应分析

图6　冲击试验台Fig.6 Impact test instrument

参考国家标准GB/T15099-1994中使用冲击试验机制定产品机械冲击脆值的试验方法，利用苏州东菱SY11-100气压驱动垂直冲击试验台(最大负载100 kg，峰值加速度100~3 000 m/s2,见图6)来模拟连续冲击载荷条件。选取400 mm跌落冲击高度和3 ms的冲击持续时间所组成的半正弦波，分别对三种预压缩缓冲材料各冲击15次。(每一组预压程度下的实验材料依然进行三次试验，共12个实验品，并取结果的平均值)试验方法是,利用钢性质量块、螺栓将实验材料固定在冲击台上，试验原理是按预定的跌落方法、半正弦波、跌落高度(或峰值加速度)对试样进行相同的连续冲击试验,采集实验材料的响应加速度信号,并观察的实验材料破损情况，分析峰值加速度和冲击放大系数[13-15]。曲线结果由实验数据拟合生成。图7为不同预压程度下的钙塑瓦楞纸板第15次冲击时的加速度响应曲线(实验进行到第15次时缓冲衬垫并未破损)。图8为冲击放大系数曲线，冲击放大系数值根据相关资料所给出的有关的计算方法得到。冲击放大系数又称增益，为输出变化量与输入变化量之比。其反应的是稳定特性，放大系数越大，输入变量对输出变量的影响越大。冲击放大系数用来表征缓冲材料结构系统的固有频率与冲击载荷的等效频率之比(在实验计算中即为质量块受冲击时频率ω1与冲击台产生冲击载荷时冲击台的频率ω2之比)，且比值都大于1，因此，在连续冲击载荷条件下对缓冲结构所造成的破坏损失更严重，应在缓冲设计包装中予以重视[15-16]。

2.1冲击放大系数分析计算

跌落后冲击阶段首先由冲击台产生冲击载荷。根据牛顿第二定律计算的冲击台等效加速度响应

(4)

式中：ω2为冲击台产生冲击载荷时冲击台频率。

然后冲击力由缓冲材料传递到质量块，以质量块为研究对象得到微分方程：

(5)

并与等式(4)和处置条件联立得相对响应位移

(6)

式中：ω1为质量块固有频率。

求出等式(6)关于t的一阶导数并等0求出最大响应位移

(7)

下面求出在质量块上的最大静位移

(8)

得出冲击放大系数

(9)

2.2实验结果与分析

从图7中可以发现，缓冲材料峰值加速度的大小与预压缩程度之间有一定的变化规律，随着压缩率的增长，缓冲材料的峰值加速也变大。在本文研究的这四种不同预压程度的钙塑瓦楞纸板缓冲材料中，压缩率5%时的峰值加速度最小，为30 g左右，比压缩率为50%时的峰值加速度下降了大约52 g，比压缩率为25%时的峰值加速度下降了大约36 g，比未预压时的峰值加速度下降了大约20 g。而且压缩率5%时的加速度曲线相比其余三种衬垫更为平缓，显然，压缩率为5%时的钙塑瓦楞纸板衬垫具有比其他三种衬垫更好的缓冲性能。从图中还可以发现，未预压的钙塑瓦楞纸板在冲击开始的初始阶段表现出较好的缓冲性能，但是到了冲击持续的后期则加速度突然增大，因此其整体缓冲性能不如压缩率为5%的钙塑瓦楞纸板好。

图7　不同压缩率缓冲材料在第15次跌落的加速度—时间曲线Fig.7 Acceleration response curve under the fifteenth loading with different pre-compression ration

图8　不同压缩率下的冲击放大系数曲线Fig.8 The impact amplification factor curve of different pre-comression ration

根据图8表明，冲击放大系数随着压缩率的变化起伏不大，始终维持在1.80左右，说明在进行缓冲包装设计时可根据第一次冲击响应谱下的缓冲材料的固有频率作为参考。

3结论

通过对不同预压缩程度下多层钙塑瓦楞纸板的静态压缩试验以及连续冲击试验，研究了不同预压程度下多层钙塑瓦楞纸板缓冲性能，并得到以下结果：

(1)不同预压缩程度下的钙塑瓦楞纸板弹性缓冲吸能阶段效果不同。压缩率25%，50%的缓冲衬垫比未预压缩和压缩率5%的弹性缓冲吸能阶段作用时间更长，有效性更好。将该预压阶段的钙塑瓦楞纸板用来缓冲包装设计可以更有效的扩大缓冲衬垫的保护范围。

(2)在本文研究的四种钙塑瓦楞纸板缓冲衬垫中，压缩率5%的钙塑瓦楞纸板具有更好的缓冲性能，可以更有效地抵抗连续冲击载荷的作用。而冲击放大系数则并不随压缩程度的变化而变化。而且注意到不是压缩率越高越好，要根据实际情况来设计。

所以缓冲材料的力学性能和缓冲特性需要通过科学的实验来了解,这样才能设计出可靠的运输包装件, 实现安全运输。

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Mechanical and cushioning properties of multilayer calcium plastic corrugated paper board with different pre-compression ratio

GAODe1,WUJian-feng1,2,LUFu-de1,CHENSi-jia1,HEJun-Le1,2

(1. Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University, Ningbo 315100, China;2. School of Mechanical Engineering Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract:The mechanical and cushioning properties of multilayer calcium plastic corrugated paper boards (CPCPB) with different pre-compression ratio were compared through static compression tests. The minimum cushion coefficient was got from the “cushion coefficient-static loading” curve, which is transformed from the “stress-strain” curve. It is shown that the cushion material with a compression ratio from 5% to 25% can extend the cushion protection range. The shock response of the CPCPB under repetitive shocks was obtained through repetitive shocks tests. The cushioning properties of the multilayer CPCPB were also analysed with the help of“acceleration-time” curve and shock amplification factor curve. The results provide good references to the further study of cushion packaging design.

Key words:multilayer calcium plastic corrugated board; pre-compression; cushion coefficient; repetitive shocks; shock amplification factor

中图分类号:TB485.1；O322

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.035

通信作者卢富德 男，博士，1982年生

收稿日期：2014-09-29修改稿收到日期：2015-03-11

基金项目：浙江省自然科学基金(LY16A020004)；国家自然科学基金资助(11402232)；宁波市自然科学基金(2015A610092)

第一作者 高德 男，教授，博士生导师，1963年生

邮箱：lu673153@163.com

第二届国际包装科学与技术大会暨十五届全国包装工程学术会议