不同濕度下蜂窩紙板的能量吸收研究

不同濕度下蜂窩紙板的能量吸收研究

近年來，蜂窩板已成為環(huán)保、重量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、緩沖性能好等緩沖區(qū)材料之一。廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。蜂窩紙板作為產(chǎn)品的緩沖包裝材料,主要是通過吸收實際運(yùn)輸過程中的沖擊和振動產(chǎn)生的能量(通常是動能)進(jìn)而保護(hù)產(chǎn)品。能量吸收圖由Gibson等提出,用于表征緩沖材料的吸能特性。目前能量吸收圖的研究集中于泡沫塑料和泡沫金屬能量吸收特性的表征。Gibson已經(jīng)成功地將能量吸收圖引入泡沫塑料緩沖性能評估體系中,在此基礎(chǔ)上,盧子興等、王斌等、胡時勝等分別對復(fù)合泡沫塑料、泡沫鋁合金和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的緩沖吸能特性進(jìn)行了評估。對紙蜂窩材料能量吸收性能的研究,國外文獻(xiàn)很少涉及。國內(nèi)王冬梅基于紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的壓縮試驗,考慮孔穴結(jié)構(gòu)因素的影響,構(gòu)建了能量吸收圖得出隨著蜂窩胞壁厚度與長度比值的增加,其能量吸收性能將隨之增大,但未考慮溫濕度對紙力學(xué)性能的影響;王志偉等采用分段函數(shù)的方法建立了靜態(tài)壓縮條件下紙蜂窩能量吸收與環(huán)境濕度及蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型,并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較驗證,得出了模型的可靠性;王志偉等對蜂窩紙板進(jìn)行靜態(tài)壓縮,得出了蜂窩紙板的緩沖性能隨環(huán)境相對濕度的增大而降低的結(jié)論。由于制造蜂窩紙板的基質(zhì)為紙質(zhì)材料,其基本物理性能易受環(huán)境濕度條件的影響,繼而將導(dǎo)致蜂窩紙板性能的變化,因此,研究流通環(huán)境條件下,相對濕度對蜂窩紙板動態(tài)壓縮能量吸收的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。1測試1.1參數(shù)的測定蜂窩紙板由荷力勝(廣州)蜂窩制品有限公司制作,試驗所用試樣的參數(shù)如表1所示。表中代號PA-105A/160K-20表示由定量105g/m2的瓦楞原紙制成的A孔蜂窩芯,裱覆定量為160g/m2的牛皮紙所得的厚度為20mm的蜂窩紙板。1.2測試方法1.2.1縱向固體模量的測定原紙拉伸試樣采用邊壓強(qiáng)度取樣器進(jìn)行取樣,試樣尺寸為152mm×12.7mm,試樣的長度方向均與原紙縱向平行。將蜂窩原紙試樣在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件(23℃,相對濕度50%)下預(yù)處理48h后,參照J(rèn)B/T6544-1993塑料拉伸和彎曲彈性模量試驗方法,在CMT8502型電子材料試驗機(jī)上測量蜂窩原紙的縱向固體模量。電子材料試驗機(jī)的拉伸標(biāo)距為65mm,拉伸速率為0.5mm/min,進(jìn)行10次重復(fù)試驗,取平均值(所有有效試驗數(shù)據(jù)定義為在靠近試樣中部斷裂時的試驗數(shù)據(jù))。1.2.2材料動態(tài)壓縮試驗將蜂窩紙板試樣在溫度23℃,相對濕度50%,70%,80%,90%條件下分別預(yù)處理48h后,參照GB/T8167-2008包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法在Dynatup9250HV型落錘試驗機(jī)上進(jìn)行動態(tài)壓縮試驗。試驗采用60cm跌落高度(應(yīng)變率為1.71×102/s),試樣尺寸100mm×100mm,對各種試驗條件均做5次重復(fù)試驗(各用一個試樣),每個試樣從恒溫恒濕箱取出后5min內(nèi)完成測試。2試驗結(jié)果與分析2.1根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件，蜂窩原紙的垂直固體模量對經(jīng)過預(yù)處理的蜂窩原紙進(jìn)行拉伸試驗,測得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(23℃,相對濕度50%)蜂窩原紙縱向固體模量Es0=2.442GPa。2.2不同厚跨比對植物的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律蜂窩紙板動態(tài)壓縮緩沖特性,大多是通過其應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行評價。蜂窩紙板是由上下兩層面紙和中間蜂窩芯紙復(fù)合而成,從圖1中看出,當(dāng)經(jīng)受面內(nèi)壓縮時,其變形過程可明顯分為三個階段:線彈性階段(OA段)、漸進(jìn)坍塌階段(AB段)、密實化階段(BC段)。蜂窩紙板在經(jīng)受面內(nèi)加載的變形過程中,出現(xiàn)一段較長的波動區(qū)域(AB段),在此階段蜂窩紙板孔壁按一定波長漸進(jìn)折疊坍塌,是蜂窩紙板最主要的能量吸收階段。圖2是三種不同厚跨比(蜂窩芯層胞壁厚度t與蜂窩芯層胞壁邊長l之比)蜂窩紙板在不同相對濕度條件下動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖2和圖3可以看出,在同一濕度下,蜂窩紙板線彈性階段的峰值應(yīng)力和漸進(jìn)坍塌階段的平均應(yīng)力隨著厚跨比的減小而減小,緩沖性能相應(yīng)降低。相同厚跨比條件下,峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力隨著環(huán)境相對濕度的增大而減小,緩沖性能有不同程度的下降。環(huán)境相對濕度從50%上升到70%的過程中,峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力幾乎沒有變化;當(dāng)環(huán)境相對濕度上升到80%,減小幅度到達(dá)7%～20%;當(dāng)環(huán)境相對濕度繼續(xù)上升至90%,峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力急劇下降,下降比例高達(dá)50%以上。因此,在常規(guī)的物流運(yùn)輸環(huán)境中,可以忽略相對濕度對蜂窩紙板緩沖性能的影響,但在中國的東南沿海地區(qū)的某些極端潮濕環(huán)境下,相對濕度對蜂窩紙板緩沖性能的影響是必須要考慮的。2.3氣調(diào)與能量吸收點的確定能量吸收圖可以表征緩沖材料所承受的應(yīng)力和吸收的能量之間的關(guān)系,它可以由緩沖材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)建。具體做法是:在緩沖材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線下到某一應(yīng)力點σp處的面積對應(yīng)力σp作圖,兩者都以緩沖材料的固體模量Es0作標(biāo)準(zhǔn)化,所得曲線即為能量吸收曲線。緩沖材料的能量吸收曲線上通常會出現(xiàn)一個肩點,該點即為某一結(jié)構(gòu)的緩沖材料在某一應(yīng)變率下的最佳設(shè)計點。用專業(yè)繪圖軟件origin將三種不同厚跨比蜂窩紙板在不同濕度條件下的動態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為能量吸收圖。由圖4可知,隨著相對濕度的增大,蜂窩紙板最佳能量吸收點(包跡線所連接的曲線肩點)向左下方偏移,其單位體積吸收能量的能力減弱。將不同相對濕度條件下,不同厚跨比蜂窩紙板的包跡線匯總于同一坐標(biāo)系,使得在同一張能量吸收圖中包含了應(yīng)變速率、蜂窩結(jié)構(gòu)及環(huán)境濕度等信息,見圖5,借助該動態(tài)壓縮能量吸收圖,利用插值法可進(jìn)行蜂窩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)選,進(jìn)而指導(dǎo)緩沖包裝設(shè)計。2.4單次給藥設(shè)計某產(chǎn)品長期處于RH80%的高濕環(huán)境中,產(chǎn)品質(zhì)量m=3kg,脆值A(chǔ)c=30g,包裝材料和產(chǎn)品之間接觸面積A=0.01m2,已知蜂窩紙板厚度T=20mm,當(dāng)包裝件從高度H=60cm處跌落時,根據(jù)所構(gòu)建的能量吸收圖對蜂窩紙板的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇。(1)由包裝件跌落高度H=60cm知最大沖擊速度v=3.43m/s,故應(yīng)變速率ε˙=v/T=1.71×102/sε˙=v/Τ=1.71×102/s,可適用于圖5所構(gòu)建的能量吸收圖,蜂窩紙板單位體積吸收能W=mgH/AT=90kJ/m3,因為被包裝物的脆值A(chǔ)c是30g,則其最大許用包裝力F=m×Ac=900N,最大許用應(yīng)力σp=F/A=m×Ac/A=90kPa;(2)選擇一個適宜蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES1,取1.0GPa,在圖6所示的能量吸收圖中畫出W/ES1=0.9×10-4和σp/ES1=9×10-5的直線,得到點A;(3)保持W和σp不變,僅改變ES1,取ES2=1.5GPa,重復(fù)步驟(2),得到B點;(4)過A、B兩點畫直線與RH80%對應(yīng)的能量吸收曲線交于C點;(5)在圖6中讀出C點對應(yīng)的W/ES和σp/ES,進(jìn)而計算出最佳ES,再利用插值法在C點所對應(yīng)的蜂窩紙板芯層胞壁厚跨比平行線族中確定最佳厚跨比。本例所選用的蜂窩芯層原紙縱向固體模量ES=1.875GPa,蜂窩芯層胞壁最佳厚跨比為0.0260。3環(huán)境相對濕度對發(fā)酵企業(yè)的影響(1)蜂窩紙板的緩沖性能受環(huán)境相對濕度的影響,隨著環(huán)境相對濕度的增大:①線彈性階段的峰值應(yīng)力和漸進(jìn)坍塌階段的平均應(yīng)力有不同程度的減小。在環(huán)境相對濕度從50%上升到70%的過程中,峰值應(yīng)力和平均