泡状纸蜂窝芯复合板动态缓冲性能研究

张 斌，杨小俊，覃路韦，叶竹君，张衬英

(湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068)

瓦楞纸板、蜂窝纸板等和塑料类的发泡聚乙烯、聚氨酯等材料等缓冲包装材料为货物包装运输提供了不可或缺的保护[1]。塑料类材料不可降解，易造成污染，与现在所提倡的绿色包装不相符[2]。纸基类材料符合绿色包装理念，其中蜂窝纸板可代替木板作为托盘、包装箱应用在货物的运输中，能降低成本，保护环境[3]。但蜂窝纸板也具有纸类材料的一些缺点，其防水防潮性能和表面耐戳穿性不如塑料缓冲材料[4]。本文研究的一种新型的泡状纸蜂窝芯复合板，能够解决传统蜂窝纸板在防水防潮及表面强度上的天然劣势，提高材料的动态缓冲性能。动态缓冲性能是缓冲材料在遭受动态冲击荷载时所表现出来的缓冲能力[5]，其决定缓冲材料的实际应用效果。张静静等通过动态冲击试验研究了蜂窝纸板的厚度等因素与其异面动态冲击力学性能之间的关系[6]。丁勇等通过动态压缩试验研究了温湿度与蜂窝纸板动态压缩性能之间的关系[7]。曾克俭等研究了蜂窝纸板的动态缓冲系数与最大静应力之间的关系，得出“随着纸板厚度的增大与纸板的抗冲击能力也随之增大”的结论[8]。王志伟等通过有限元技术研究了蜂窝纸板的动态冲击压缩过程，分析出湿度和厚度对纸板的抗冲击能力之间的关系[9]。本文拟通过动态压缩试验获得泡状纸蜂窝芯复合板(泡状复合板)、纤维纸蜂窝夹芯结构复合平板(复合平板)和蜂窝纸板的最大冲击加速度-静应力曲线(Gmax-σst)曲线，根据曲线研究厚度与板材的动态缓冲性能之间的关系，比较三种板材的动态缓冲性能。

1 研究对象

复合平板是一种在高温下模压成型的纸蜂窝夹层结构缓冲材料。其将纤维布和纸蜂窝芯由聚氨酯发泡粘接固化成型，表面强度较高，抗戳穿性能好，防水防潮性强[10]。本文所研究的泡状复合板(图1)则是一种在复合平板的基础上增加泡状结构，且泡的形状、大小、密度均可根据需要调整的新型板材。泡状复合板不仅具有复合平板的优良特性，其泡状结构更使复合板在受到冲击时能起到良好的减震作用，由此提高了板材的缓冲性能。

(a)实物

2 试验

2.1 材料与设备

选取芯高为10、15、20 mm的泡状复合板各3组，每组3个[11]，试样面积A=100 mm×100 mm。为了满足对比条件，还需相同数量和规格的蜂窝纸板和复合平板。冲击试验原理图如图2，最大冲击加速度Gmax由传感器测得，泡状复合板中泡的直径为10 mm,所占纸板面积比例为50%。

1-电荷传感器; 2-重锤; 3-压板; 4-导柱; 5-试样图2 试验示意图

2.2 试验方案

动态压缩试验是用重锤垂直下落来冲击缓冲材料表面[12]，通过调节重锤质量、缓冲材料厚度等来获得不同条件下的最大冲击加速度值。根据试验数据绘制表示材料动态缓冲性能的Gmax-σst曲线和C-σmax曲线。其中：σst为静应力；σm为最大应力；C为缓冲系数，是衡量材料缓冲效率高低的标准[13]。

试验前试样需在相对湿度55%，26℃的环境中放置24 h进行保温处理[13]；将试样固定在试验机工作台正中心，重锤在试样正上方600 mm处坠落进行冲击，并更换三次试样，求冲击加速度均值；对同一样品应由5种重量不同的重锤进行冲击[14]；重复上述步骤并记录数据。

2.3 试验设计

为了比较芯高、胶合剂配比、面料及温度等4种因素对泡状复合板缓冲性能的干扰[15]，需使用Taguchi试验方法进行验证，试验设计见表1。试验采取正交试验方法，若做全面实验有34=81个组合，但采用L9(34)正交表且忽略因素之间的互相干扰只需9组试验。正交实验方案组合见表2。

表1 Taguchi试验表

表2 L9(34)正交实验表及组合

3 结果与讨论

3.1 实验结果

试验测得不同重量重锤在600 mm高度对不同芯高的板材进行冲击的最大冲击加速度值。每种芯高的泡状复合板和复合平板需测试3次，共有9组实验数据。整理数据可得板材的最大冲击加速度值Gmax(表3—5)。

表3 H=600 mm蜂窝纸板的Gmax值

表4 H=600 mm复合平板的Gmax值

分析实验数据可知:泡状复合板的胶合剂配比、面料及温度等3三种因素对其动态缓冲性能影响不大;芯高是影响其动态缓冲性能的主要因素。

芯高相等时，3种板材随着重锤重量的增大，其遭受的冲击加速度值呈现出先降后增的趋势；同种板材随着芯高的增大，其遭受的冲击加速度值呈现出减小的趋势。

表5 H=600 mm泡状复合板的Gmax值

3.2 结果与讨论

在动态压缩试验中，纸蜂窝芯的高度极大地影响着板材的缓冲性能。根据表3—5中数据绘制板材最大冲击加速度-静应力(Gmax-σst)曲线(图3)。

(a)芯高10 mm

分析图3可知，板材的Gmax-σst曲线为凹状，呈现出先降后增的趋势。坠落高度相同时，同种板材的缓冲性能与纸蜂窝芯高度呈正相关。由此可得以下结论:随着纸蜂窝芯高度的增加,板材的动态缓冲性能也随之变强。对比3种板材的Gmax-σst曲线可知：芯高相同时，泡状复合板的缓冲性能最为优秀。

缓冲材料的选择是通常参考材料的缓冲系数，因此将Gmax-σst曲线转为板材的缓冲系数-静应力(C-σmax)曲线便于设计者直观比较材料的缓冲性能。缓冲系数-静应力(C-σmax)曲线见图4。

(a)芯高10 mm

分析图4中板材的C-σmax曲线可知，曲线呈先减后增的趋势，为山谷状，谷底为极小值，且缓冲系数的变化大致相似。可得以下结论：板材随着芯高高度的增长，板材的缓冲性能也会随之提升,两者之间呈正相关。机电设备等产品需要具有高抗压强度且缓冲性能良好缓冲包装材料。对比3种板材的C-σmax曲线可知：蜂窝纸板与泡状复合板的缓冲系数-最大静应力曲线极为接近，但动态缓冲性能仍不如泡状复合板好，相较于蜂窝纸板和复合平板，泡状复合板的缓冲性能最好。

4 结语

作为一种具有良好动态缓冲性能的绿色环保缓冲材料，泡状纸蜂窝芯复合板拥有广阔的市场前景。通过动态压缩试验得到的泡状复合板最大加速度-静应力曲线(Gmax-σst)和缓冲系数-最大应力曲线(C-σmax)为泡状复合板的实际应用提供了参考。在进行缓冲包装设计时，应参考材料的动态缓冲性能，根据实际情况优先选用与被包装产品匹配性最好的缓冲材料，这样即保证缓冲效果又节约成本。