*深圳职业技术学院重点项目资助(06K Jra022)王冬梅:1976年生,博士研究生,讲师,主要研究方向为多孔材料的力学性能、环保型缓冲材料、运输包装等纸质结构型包装材料缓冲性能研究进展*王冬梅1,2,王志伟3(1 江南大学现代机械与包装研究所,无锡214122;2 深圳职业技术学院媒体与传播学院,深圳518055;3 暨南大学包装工程研究所,广州510632)摘要 综述了国内外瓦楞纸板、蜂窝纸板和纸浆模塑制品等纸质结构型缓冲包装材料结构缓冲的研究现状,并分别总结了上述材料国内外的研究侧重点:国内的研究多处于对现有材料的试验阶段;而国外则侧重于用力学理论基础知识来解释这些材料的力学性能,并用有限元软件对其力学模型进行仿真,该研究结果对于不同材质的结构型材料具有一定的普适性。
在此基础上得出开发新型结构型材料,寻求普适性的缓冲性能表征方法是下一步研究的方向。
关键词 缓冲材料 结构 瓦楞纸板 蜂窝纸板 纸浆模塑制品Research Advance in Paper Structure Cushioning Packaging MaterialsWANG Dong mei 1,2,WANG Zhiw ei 3(1 M aching Eng ineer ing I nstit ute,Souther n Y angtze U niver sity,Wux i 214122;2 Schoo l of M edia and Co mmunicatio n,Shenzhen Po ly technic,Shenzhen 518055;3 P ackag ing Eng ineer ing Institute,Jinan U niver sity,Guang zho u 510632)Abstract T his paper summarizes t he r esear ch adv ance and emphases o f paper str ucture cushio ning packagingmateria ls, e.g.co rr ug ated paper bo ard,honeycomb pa perbo ard and paper pulp pro duct at ho me and aboar d.Inland re -sear ches focus on the ex periment stag e o f the ex isting mater ial.Over seas researches focus on the ex planation o f the me -chanical behav iour based o n t he mechanical theor y and the simulation of t he mechanical mode based o n the finite ele -ments prog ram.T he over seas r esear ch r esults are univer sal.T his paper show s that the further study directio ns of a -bov e materia ls are the development of new str uctures and the univer sal char acter istics methods o f cushioning pr oper -t ies.Key words cushioning mater ials,structur e,cor rug ated paper bo ard,honeyco mb paperboard,paper pulp0 前言随着人们对资源、环保、可持续性发展认识的加强,环保型产品越来越受到人们的青睐,停止使用作为缓冲包装材料的EPS 发泡塑料成为/禁白0的一项重要工程。
以国家环保局颁发的5固体废弃物处理规定6为代表,国家陆续发布系列的/禁白0、/限白0的规定。
政府有关部门考虑对(EPS)发泡塑料的工业包装应用进行限制,以达到全面控制和消除/白色污染0,保护环境的目的。
因此替代EPS 发泡塑料,使用环保型缓冲包装材料成为绿色缓冲包装发展的一个趋势。
纸质结构型缓冲包装材料以其结构轻、耗材少、性价比高、强度高、缓冲性能优良等特点在近几年成为缓冲包装的新宠。
纸质结构型缓冲包装材料主要有:瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸浆模塑制品等,这些材料由于其自身结构特点和成型方式有所不同,在缓冲包装应用中也稍有不同。
纸质结构型缓冲包装材料之所以具有良好的缓冲性能除了因其自身纤维材质具有一定的弹性外,主要是因这些材料的结构中存在多孔结构(如瓦楞纸板和蜂窝纸板)或存在与被包装产品相适应的凹凸结构(如纸浆模塑制品),因此研究纸质结构型缓冲包装材料的结构对研究其缓冲性能至关重要。
1 国内外研究进展1.1 瓦楞纸板缓冲性能的研究进展瓦楞纸板作为一种夹层材料,因其波纹状瓦楞夹芯的形状和种类不同、瓦楞纸板层数不同以及多层瓦楞纸板中瓦楞组合方式的不同使瓦楞纸板存在多种结构形式,这些不同结构的瓦楞纸板的缓冲性能又存在差异。
国内瓦楞纸板的结构形式及其缓冲性能的研究主要有:(1)对不同结构组合形式的瓦楞纸板的比较。
郭鹃等[1]对4层双拱瓦楞纸板和5层瓦楞纸板进行了对比实验,得出4层双拱瓦楞纸板的平压强度超过了5层瓦楞纸板,边压强度仅次于5层瓦楞纸板,在振动实验中得出4层双拱瓦楞纸板的初始抗压性远远超过了5层瓦楞纸板;郭彦峰等[2]分析了X -PL Y 超强瓦楞纸板的结构特征,并进行了耐破强度、戳穿强度、平压强度和边压强度等的对比试验,得出了不同铺层形式的X -PL Y 超强瓦楞纸板的强度优于相应的3A 型或3B 型瓦楞纸板的强度;刘晔等[3]完成了4种型号的三重瓦楞纸板平压、侧压、边压承载规律实验,对不同构型设计的瓦楞纸板强度作了对比试验,并对3B 、X -PL Y(B)2种组合板材按线性、正弦、正切分段曲线进行拟合建立了该材料的静态平压本构关系曲线;向红等[4]测试了多种组合形式的7层瓦楞纸板的耐破强度、抗压强度、戳穿强度等指标,得出了CCB、BBB、A AB型的瓦楞纸板综合性能最佳。
(2)瓦楞纸板承压与瓦楞结构的关系。
杨嫣红等[5]以C瓦为例提出了瓦楞纸板平压失效二杆结构模型,并研究了含有C瓦的3层瓦楞纸板的屈曲临界载荷;高德等[6,7]分析了瓦楞形状及参数对瓦楞纸板性能的影响,得出增大瓦楞的跨度和高度能得到更好的缓冲性能,瓦楞纸板的高度基本上不影响瓦楞纸板的强度,其强度主要与瓦楞的跨度有关。
(3)不同结构形式的瓦楞纸板衬垫的缓冲性能研究。
近几年用瓦楞纸板开发的不同结构的缓冲衬垫结构也很多,如弹力型、折叠型、弹折型和角型等。
宋超等[8]通过简化力学模型和对比性实验探讨了折叠三角形瓦楞纸板衬垫结构缓冲能力与其截面尺寸、结构折叠层数的关系,得到的基本的规律对新型结构的开发和应用提供了参考;付云岗等[9]通过试验研究双层叠置A B型双瓦楞纸板的冲击与振动特性,给出双层叠置AB型双瓦楞纸板的最大加速度-静应力曲线及其特征系数和经验公式、最大加速度-时间曲线以及振动传递率-频率曲线,并将A B型双瓦楞纸板与发泡聚氨酯泡沫塑料、蜂窝纸板作了比较;刘功等[10]采用AB5层瓦楞纸板设计了4种组合形式的缓冲衬垫,并对其缓冲性能进行了实验。
国外对瓦楞纸板的结构缓冲性能的研究较多且较为深入: (1)瓦楞纸板结构形式的研究。
K im Do W ook等[11]在瓦楞纸板的基础上开发了double-ply加强型瓦楞纸板,将原来3层瓦楞纸板中的夹层变为2层波纹状的瓦楞层,在基本上不增加瓦楞纸板的厚度的基础上增加了瓦楞纸板的压缩强度,并申请了do uble-ply加强型瓦楞纸板的专利;M yung H oo n L ee等[12]对5种不同结构形式(单层SW、双层DW、单层带有双夹芯DM、双层带有一个双夹芯(A A.+Af lute)DM A、双层带有一个双夹芯(A A.+Bflute)DM B)的瓦楞纸板分别沿M D方向和CD方向进行了四点弯曲实验,结果表明瓦楞纸板沿M D方向的弯曲刚度比CD方向大,其中DM A的弯曲刚度最大,DM、DM A、DM B作为新型的瓦楞纸板结构其弯曲刚度较大,与传统的瓦楞纸板相比有较好的结构优势;Rousser ie F.等[13]对瓦楞纸板夹芯结构进行了试验研究,并建立了夹芯结构的模型。
(2)对具有各向异性的瓦楞纸板不同方向承压的理论研究。
Johnso n.M.W.等[14,15]利用矩形板的轴向屈曲理论预测了瓦楞纸板的CD方向和M D方向的应力应变特性;U rbanik.T.J[16]把瓦楞纸板的波纹状瓦楞看作受弹性限制的短柱,研究了瓦楞纸板机械方向非线性屈曲理论,并用材料压缩失效和结构屈曲失效之间的相互关系修正了该理论。
(3)瓦楞纸板箱的力学性能研究。
M c-kee[17]根据瓦楞纸板的边压强度导出了纸箱抗压强度(BCS)的M ckee简化公式,目前仍在使用该公式预测瓦楞纸箱的抗压强度[18,19];2003年Bianco lini M. E.等[20]用试验和有限元理论模型两种方式分析了瓦楞纸板的力学特性,并分析了瓦楞纸箱的屈曲载荷;2005年Biancolini M. E.等[21]又分析了瓦楞纸板的屈曲特性和瓦楞纸箱的后屈曲行为,指出瓦楞纸板的屈曲临界载荷不足以评估瓦楞纸箱的压溃行为。
国内对于瓦楞纸板结构缓冲性能的研究多处于实验阶段,大多是对不同结构形式的瓦楞纸板进行静态、动态压缩实验或振动传递率实验以测出不同结构形式的瓦楞纸板在缓冲性能上的异同,对瓦楞纸板的合理选用具有一定的参考意义;国外对于瓦楞纸板结构缓冲性能的研究比较深入,既用了新型增强型瓦楞结构改善原来瓦楞纸板的缓冲性能,又根据瓦楞纸板的结构形式进行力学性能的理论研究,这些理论研究带有一定的普适性,对于不同结构形式的瓦楞纸板均可采用这些理论来预测其缓冲性能,对于新型瓦楞纸板的开发和瓦楞纸板的合理选材具有一定的指导意义。
1.2蜂窝纸板缓冲性能的研究进展蜂窝纸板作为一种无污染、结构新颖、承重量大、成本低、弹性好且具有良好的缓冲性能的包装材料受到包装界的高度关注,并已顺利应用于大型机电产品的包装、家具、建筑材料等领域。
目前人们研究的蜂窝纸板主要以正六角形纸蜂窝芯为主,其研究主要有:(1)不同厚度的蜂窝纸板缓冲性能的比较研究。
郭彦峰等[22~24]通过实验对比研究了不同厚度的蜂窝纸板的准静态缓冲曲线;Guo Y anfeng等[25]还对不同厚度的蜂窝纸板做了动态压缩实验和振动传递率实验,找出了蜂窝纸板动态压缩曲线和振动传递率曲线的规律;郝巍等[26]试验研究了不同厚度的No mex纸对No mex蜂窝力学性能的影响,认为增加纸的厚度并不是提高No mex蜂窝综合力学性能的最佳途径,只有根据蜂窝密度规格选择合适厚度的N o mex纸才能获得综合力学性能良好的蜂窝。