蜂窝纸板与瓦楞纸板组合结构缓冲特性研究(上)
蜂窝纸板与瓦楞纸板组合结构缓冲特性研究(上)
[摘要] 通过试验测试了瓦楞纸板、蜂窝纸板及其组合结构的缓冲特性曲线，并将组合结构与另外两种材料的曲线特征进行比较，结果表明，组合结构兼具有两者的优点，对于小幅荷载和较大载荷都有良好的缓冲能力。
关键词：瓦楞纸板；蜂窝纸板；组合结构；缓冲特性
蜂窝纸板和瓦楞纸板是2种可以循环再生使用的绿色环保材料，也是我国包装行业使用最多的2种材料。瓦楞纸板采用波浪型瓦楞作为纸芯，然后进行多层复合，形成瓦楞纸板；蜂窝纸板采用蜂窝结构作为纸芯，经过复合，形成蜂窝纸板L1 J。瓦楞纸板在我国的生产及使用已有很多年的历史，所以关于瓦楞纸板的试验及理论研究已趋于成熟。蜂窝纸板的引进及大批量的生产是最近几年的事，由于蜂窝纸板具有强度大、刚性好、缓冲、保温、隔热、隔音等许多优点，具有良好的发展和应用前景，所以有关蜂窝纸板的理论及试验研究是各研究院所和企业的研究热点。
影响蜂窝纸板力学性能的因素很多，其压缩、失稳、破坏的机理十分复杂。国内有多位学者研究蜂窝纸板的缓冲性能，但多是进行单一材料的静态压缩、动态压缩和冲击的缓冲性能研究，也有部分学者进行了组合构件的性能测试及分析，但多是研究蜂窝纸板与蜂窝纸板的组合结构L2 。文中将通过试验研究蜂窝纸板与瓦楞纸板的组合结构缓冲性能。
对于小幅荷载，瓦楞纸板具有良好的减震性能。但交通运输和搬运过程中，偶尔出现较大的冲击荷载也是常有的事，此时瓦楞纸板减震能力有些力不从心。相对于瓦楞纸板，蜂窝纸板具有良好的承压能力和抗弯性能，对于大幅荷载有较好的能量吸收和减震能力。若将两者的优点相互结合使用，瓦楞纸板用于承受小幅荷载，蜂窝纸板用于承受偶尔的较大的冲击荷载，则可扬长避短。况且蜂窝纸板与瓦楞纸板的组合，不需采用铆接和螺栓联结，避免了开孔引起的应力集中，从而使疲劳强度有较大提高。所以将蜂窝纸板与瓦楞纸板结合使用，作为产品的包装和减震材料，其破损率将大大降低，可大量节省运输包装费用，具有良好的应用前景和实用价值。
1 试验
为了研究蜂窝纸板与瓦楞纸板受压时的缓冲性能，按照GB8168(包装用缓冲材料静态压缩试验方法》，分别对5层瓦楞纸板、蜂窝纸板、蜂窝纸板与瓦楞纸板的组合结构分别进行静态压缩试验。由于只是静载压缩试验，试验时，蜂窝纸板与瓦楞纸板只是叠放在一起，若作为实际产品的包装，则可用胶水将两者粘接在一起，以防相互错动。
试验时，瓦楞纸板采用国内包装界使用最多的5层瓦楞纸板。为了对比分析，蜂窝纸板与瓦楞纸板试样的面积均为，A：l0cm×10cm。分别测量蜂窝纸板和瓦楞纸板的厚度，瓦楞纸板厚度t，=6．78mm，蜂窝纸板厚度t2=20．6mm。试验环境温度T=21℃ ，RH=71％，试验在MTS810材料试验机上进行。按照A法，沿试样厚度方向以12mm／min的速度对试样逐渐加载，电脑自动记录压力F和变形，为了不漏掉峰值，采样速率为每秒5个点。每个试验进行5组，取均值进行分析。
2 应力一应变曲线
压力F和变形 的均值按下式计算应力和应变：
式中：o为试样承受的静应力；s为试样对应的应变；t为各板厚度，组合结构计算时，t=t1+t2 。
根据试验数据，分别绘制出5层瓦楞纸板、蜂窝纸板、蜂窝纸板与瓦楞纸板组合结构的压缩曲线见图1—3。
5层瓦楞纸板有2层芯纸，压缩时一般是一层先屈服，然后另一层才屈服，所以在图中有2个波峰，其中第一个峰值为51kPa，对应的应变为12％。
从开始加压到峰值，曲线上基本是一条直线。过了峰值之后，蜂窝纸板的芯纸被压溃，应力小幅下降，然后在小范围内波动，基本保持为水平直线，应变增加很快，但应力基本不变。峰值之前显示为弹性阶段，此前卸载则可恢复到蜂窝纸板的原始形状，纸板可次使用。峰值之后则为屈服阶段，此阶段蜂窝结构已基本破坏，卸载之后不能恢复到初始状态，因此不可重复再用。在曲线的最后阶段，蜂窝纸板完全被压溃，应力随应变的增加而大幅增加，已失去缓冲能力。本次试验峰值为 187kPa，对应的应变为3．8％。图中较长的屈服平台和较早的起点说明蜂窝纸板对lOOkPa左右的压力有很好的缓冲能力。组合结构的σ一ε曲线有2 个峰值，第1个稍小，第2个稍大。第1个峰值应力为65．6kPa，对应的应变为7．8％；第2个峰值应力为214．5kPa，对应的应变为18．8％。在应变为7．8％日寸，瓦楞纸板首先屈服。由于已经屈服的瓦楞纸板可以继续变形，所以蜂窝纸板屈服时的应变较单独压缩日寸要浠后较多。在瓦楞纸板完全压溃之前，蜂窝纸板由于所受载荷较小，仍处于弹性阶段，变形很小，等瓦楞纸板完全压溃，蜂窝纸板开始承受全部载荷增量。等载荷超过组合结构的屈服点，蜂窝纸板开始屈服，所以组合结构屈服平台的应力与蜂窝纸板的一致(100kPa多一点)。通过分析载荷一位移曲线的数据，可以算出组合结构中蜂窝纸板屈服时滞后的实际位移刚好是瓦楞纸板单独压缩时其被完全压溃时的位移。
同时，从上面3条曲线也可看出，组合结构中，瓦楞纸板屈服时的应力由51kPa，提高到65．6kPa，蜂窝纸板的屈服应力也由187kPa提高到 214．5kPa，都有较大幅度的提高，而屈服平台的应力基本保持不变，这主要是因为一种材料的变形对另一种材料的变形起到了一定的缓 中作用。(待续)
