（材料学专业论文）瓦楞纸板黏结构件的缓冲性能研究.pdf

摘要 本文探讨了三重粘结瓦楞纸板3 a ( 由三层a 型瓦楞纸板粘结而成) 、3 b ( 由三层b 型 瓦楞纸板粘结而成) 及b a b ( 由a b 型瓦楞纸板和b 型瓦楞纸板粘结而成) 的静态和动态缓 冲性能。相关研究及主要成果如下： 本文研究了湿度对瓦楞纸板抗弯性能的影响。试验结果表明，随着湿度的提高，纸板 弯曲的弹性区域变窄，进入平台区和屈服阶段更快，从而失去抗弯性能。对3 a 进行了纵 横向抗弯强度的性能测试，结果表明，瓦楞纸板各向异性明显。 本文研究了三种结构的瓦楞纸板缓冲衬垫的静态缓冲性能。研究结果表明，瓦楞纸板 组合衬垫各层的屈服强度( 即弹性阶段应力峰值) 不同时，屈服强度最小层应当首先屈服、 破坏。 本文对三种组合衬垫进行了动态缓冲性能测试，结果表明，不同结构的材料，动态缓 冲试验只根据静应力一最大加速度无法直观得出材料的缓冲性能优劣，应该将其转化成应 力一缓冲系数曲线。 根据动静态缓冲性能的比较以及对3 b 型缓冲衬垫的校核，选择3 b 型缓冲衬垫对平板 玻璃进行缓冲设计，并对三种设计方案进行变频和定频振动试验以及自由跌落试验，优化 设计方案，最终选择了相同衬垫面积的四面防护的缓冲设计。 关键词：粘结瓦楞纸板缓冲衬垫；抗弯性能；静态缓冲性能；动态缓冲性能；边界破损曲 线；缓冲系数 i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：多匙乞 聊辟莎月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密彰 ( 请在以上方框内打。 ”) 学位论文作者( 本人签名) ：戮五诽易月莎日 指一师体髅引：亏泓c 衍朋卵 致谢 首先，感谢我的导师徐长妍老师，从论文选题到试验安排，以及最后的论文撰写个 个环节都给予了精心指导和亲切关怀。正是在导师的关心指导下，使我对课题的认识越来 越清晰、明确、深刻，也激发了我做课题时的热情，在此表示由衷的感谢和深深的敬意。 此外，在研究期间，师兄徐朝阳、郝孟辉、郭勇，师姐李玲、潘幸珍、邓巧云，同学 齐健、叶永连、闫微丽、袁恒、周恒、蒋永涛、刘坡以及我的室友们都给予了极大的帮助， 在此表示感谢。 最后特别感谢我的父母和亲人以及朋友一直以来对我的支持和帮助，正是他们无私的 付出和默默关怀，才使得我的学业得以顺利完成。 张云 2 0 0 8 年6 月于南京 1 绪论 1 1 缓冲包装概论 1 1 1 包装概念 谈到包装，人们曾赋予不同的内涵。过去人们认为包装是用器具去容纳物品，或对物 品进行裹包、捆扎等的操作，仅仅起容纳物品、方便取用的作用，这样的理解显然是片面 的。现在人们对包装赋予了更广泛的含义，它以系统论的观点，把包装的目的、要求、构 成要素、功能作用以及实际操作等因素联系起来，形成一个完整的概念。 我国国家标准( g b t 4 1 2 2 1 1 9 9 6 ) 川中确认：包装是为在流通过程中保护产品，方 便储运，促进销售，按一定技术方法而采用的容器、材料及辅助物等的总体名称。 在这里，包装有两重含义：一是指盛装产品的容器及其他包装用品，即“包装物”； 二是指把产品盛装或包扎的活动。 总之，包装是使产品从生产企业到消费者手中保护其使用价值和价值的实现而具有特 定功能的系统。同时，包装又是构成商品的重要组成部分，是实现商品价值和使用价值的 手段，是商品生产与消费之间的桥梁，与人们的生活密切相关。 1 1 - 2 包装的基本功能 包装之所以如此重要，是因为它具有以下几大重要功能： ( 1 ) 保护功能包装的保护功能是最基本的、也是最重要的功能。它应该能保护产品， 使之不受损害和损失。商品在流通过程中，对其产生伤害的因素有：环境条件，如温度、 湿度、气体、放射线、微生物、昆虫、鼠虫等眩1 ，它们均可能损害包装，危害产品；人 为因素对产品造成的损害也是不可避免的，商品在运输、装卸、储存过程中，因操作不当 使商品受到冲击、震动、跌落而损伤，或堆放层数过多面压坏。因此，应根据不同产品的 形态、特征、运输环境等因素，以最适当的材料、设计合理的包装容器和技术，赋予包装 充分的保护功能，保护内装产品的安全，对危险货物采用特殊包装，注意防止其对周围环 境及人和生物的危害。 ( 2 ) 方便功能现代商品包装能为人们带来许多方便，这对于提高工作效率和生产 质量都发挥着重要作用。包装的方便功能主要体现在方便生产、方便储运、方便使用和方 便处理等几个方面。 ( 3 ) 销售功能包装如同无声的销售员，良好的包装能引起消费者的注意，激发消 费者的购买欲望。包装的销售功能是通过包装设计来实现的。优秀的包装设计，以其精巧 的造型、合理的结构、醒目的商标、得体的文字和明快的色彩等艺术语言，直接刺激消费 者的购买欲望，并导致购买行为。有些包装还具有潜在价值，如美观适用的包装容器，在 内装物用完后还可以用来盛装其他物品，造型独特别致的容器，印刷精美的装饰，不但能 提高商品售价，促进商品销售，同时还可以作为艺术鉴赏品收藏。 1 1 3 包装材料 包装材料是指用于制造包装容器和构成产品包装的材料的总称。包装材料包括组成运 输包装、包装装潢、包装印刷等有关材料和包装辅助材料。 按材料的来源可以分为天然包装材料和加工包装材料；按材料的软硬性质可分为硬包 装材料、软包装材料和半硬包装材料；按材料的材质可分为木材、纸和纸板、塑料、玻璃 与陶瓷、金属、复合材料和其他材料。 包装材料的基本性能包括保护内装产品的性能，易加工操作性能、方便使用性能，外 观装饰性能，节省费用性能以及易回收处理的性能。包装材料的有用性能，一方面来自材 料本身的特性，另一方面还来自各种材料的加工技术。随着科学技术的发展，各种新材料、 新技术不断涌现。包装材料满足商品包装的有用性能在不断完善b 1 。 1 1 4 包装与环境的关系 包装工业的过程及包装废弃物的处理过程都是与环境污染和保护生态平衡有着密切 关系。 包装材料工业，如造纸、塑料、玻璃、金属冶炼和一些辅助材料的加工等工业排放的 废气、废水和废渣，含有多种无机物和有机物。在未经回收利用的废物中含的有毒化学物 质和有害微生物都会造成环境污染，增加工业公害，加重对生态平衡的破坏。因此，发展 包装工业，必须根据国家有关规定，正确处理好保护环境问题，兼顾经济效益、社会效益 和生态效益的统一。 随着社会主义商品经济的发展和人民生活水平的不断提高，包装工业提供的商品包装 越来越多，包装用后的废弃物也相应增加，成为形成垃圾公害的重要原因。垃圾的处理是 个棘手的问题，若以掩埋法处理，其中的有害化学物质会污染土壤和地下水；塑料难以分 解，一旦被雨水冲刷流入江河湖海，会给一些水生动物带来危害，如若焚烧处理，一些释 放到空气中的有害物质会形成“二次公害 ，如形成酸雾、酸雨，危害地面植物和水中生 物，影响农作物和水产品的质量，有些毒害性气体物质，通过人的呼吸和皮肤接触，产生 致病致癌的危险。因此，研究和采用无公害绿色环保包装，是发展现代包装的一个重要课 题钔。 1 - 1 5 缓冲包装 在制造企业和商业企业面临日益激烈的全球化竞争的新形势下，减低物流成本已经成 为企业的第三利润来源。现代物流系统以信息技术为核心，集合包括包装技术在内的多种 技术，对于传统行业转轨变形、调整结构、优化流程、降低成本，发挥了重大作用，风险 进一步减低，服务水平得到提到。包装设计将直接影响物流活动的生产率，没有合理而科 学的包装将零散的商品成组化和信息化，就没有现代的物流系统巧 。 包装的最基本也是最主要的作用就是保护作用，保护产品在运输过程中不被损坏。这 就是包装系统中最重要的一个环节一缓冲包装。 缓冲包装又叫防震包装，是为减缓内装物受到的冲击和震动保护其免受损坏采取一定 防护措施的包装。内装物受到的冲击或震动而产生的损伤主要有两种。 ( 1 ) 产品表面受物力作用破损或某一部位，特别是外侧凸缘部位，受到的外力超过 2 本身的强度，产生了变形或破坏。 ( 2 ) 产品的原粘结部件受外力作用而脱落，或滑动部件受外力作用，使其固定设施 失效，发生滑动、撞击而破坏。 在装卸、运输、存储以及现代物流过程中，包装产品受到冲击、振动载荷具有普遍性， 因包装不善所造成的经济损失也很严重，我国每年因包装破损所造成的直接经济损失超过 1 0 0 亿元，其中较多的部分是由于缓冲包装不当引起的。叩1 为了减少运输过程中内装物破损，就需要采用缓冲材料，使外力先作用于缓冲材料上， 起到“缓和冲击”的作用。古代在包装中充填的传统缓冲包装材料是纸条、棉花、稻草等 口。随着科学技术的不断发展，发泡塑料、气泡缓冲包装、悬挂包装、蜂窝纸板等新型 缓冲材料不断得到发明和使用，为缓冲包装设计提供了巨大的选择空间。 1 1 6 缓冲包装设计 经过大量的工程实践，美国t m s 公司与密歇根州大学包装学院合作，于2 0 世纪7 0 年代 率先提出了缓冲包装设计五步法嘲1 。1 9 8 6 年，美国l a n s m o n t 公司f c b r e s k 等人建议在五 步法的基础上增加一步“重新设计产品刀，于是形成了目前流行的缓冲包装设计六步法： 8 ( 1 ) 确定包装件流通全过程的外部环境条件； ( 2 ) 确定表征产品能够承受的最大加速度的脆值； ( 3 ) 如果发现产品脆值偏低，应考虑重新设计产品中的关键件结构，提高其脆值； ( 4 ) 根据产品脆值和缓冲材料特性，设计缓冲材料的结构，并确定其最佳尺寸； ( 5 ) 设计并制作原型运输包装件； ( 6 ) 按国家标准规定的或客户要求的条件，试验评价原型运输包装，如果试验结果跟 设计的预期结果不一致，重复上述步骤，直到满意为止。 我国参考国外的研究成果，制定了国家标准g b 8 1 6 6 8 7 缓冲包装设计方法，全面阐 述了缓冲包装的要求、缓冲设计程序、冲击防护设计方法、振动防护设计方法、缓冲结构 设计和试验原则和方法等内容。 1 1 7 包装件流通的外部环境 对产品可能遭遇的环境条件作考察与评价，是包装设计中的重要内容。按照商品生 命周期观点，产品包装件在流通过程中可能经受的一切外部危险因素包括运输过程中的机 械条件、气候条件、生物条件、化学活性物质、化学活性物质等。图卜1 为一重2 5 k g 的 包装件的实际流通过程。此产品的流通链中包括卡车、火车等交通工具的运输，多次人工 或机械装卸，若干次仓储堆码作业。 1 1 8 产品脆值及破损边界曲线理论 包装内装物受上述环境因素影响而产生损坏的特性，称为内装物的易损性，定量描述 这种特性的量值，称为易损度或脆值脆值译自英文的”f r a g i l i t y 一词。不同的产品有 完全不同的损坏模式，与随机特性的流通环境条件有很大关系，包装件的不同缓冲特性也 气 会大大改变产品的损坏特性。因此，产品的脆值不仅仅与产品的固有特性有关，而是具有 统计意义的描述产品承受外界载荷作用后临界破损状态的一个度量值，用于评价产品在流 通环境下耐破坏的能力。 引起冲击过程破损的主要原因是产品受到较大的动载荷作用，使内应力超过了许用极 限跌落冲击载荷是最常见的动载荷，它与产品在跌落冲击过程中出现的加速度成正比产 品不发生物理损坏或功能失效所能承受的最大加速度a c 与重力加速度g 的比值定义为产 品的脆值g c ，即 g c ：生 g 在进行某项产品的缓冲包装结构设计过程中，脆值的测定是不可缺少的一个步骤。近 二十多年以来，在国外已经进行了众多的研究，发表了很多论文和著作。脆值的测试方法 渐成标准化，如美国的a n s 工a s t m 和m i l 等规范和日本的n d s 标准等阳。1 引。 图卜1 某包装件的实际流通过程 f i g 1 - 1t l l ea c t 吼l 仃a n s p o r t a t i o no fc e m i i lp a c k a g e 为了适合于缓冲包装设计，还得绘制出产品的破损边界曲线。绘制这条曲线需要两个 参数：产品上成熟的冲击加速度和冲击的速度变化。冲击加速度值可以在加速度测量仪上 配以加速度传感器加以测出，而冲击过程中的速度变化值取决于下列因素：冲击加速度峰 值、脉冲持续时间和脉冲波形。一般使用的冲击振动测试仪测出的跌落冲击波形为半正弦 波形。这样，欲求冲击速度变化值，只要求得冲击加速度峰值和面冲持续时间即可。 1 1 9 缓冲材料的特性和选择 对包装件来说，其缓冲材料应包含容器材料、固定材料、连接材料和封接材料等。当 然主要指容器和产品之间的固定材料，但也不能忽视其他材料的缓冲作用。在包装件中， 4 不同部位的缓冲材料所引起的作用也不尽相同，但其基本作用都是吸收外部的冲击能量， 然后在较长时间内缓慢释放，从而达到缓冲的目的n 。 缓冲材料的基本特性包括：冲击能量吸收性、回弹性、吸湿性、温湿度稳定性、酸碱 度( p h 值) 、密度、加工性、经济性等。 ( 1 ) 冲击能量吸收法指缓冲材料吸收冲击能量大小的能力。选择包装材料时，常 用硬的材料来吸收大的冲击力，用软的材料来吸收小的冲击力。 ( 2 ) 回弹性指缓冲材料变形后，回复原尺寸的能力。为了使包装件防冲击防振效 果不致明显降低，应选用回弹性好的材料。如果采用回弹性差的材料，在储存或运输过程 中发生永久性变形，必然会导致产品与缓冲材料之间或包装容器与缓冲材料之间产生间 隙，产品就会在容器中跳动，这是不允许的。 ( 3 ) 温湿度稳定性即要求缓冲材料在一定温湿度范围内保持缓冲性能，一般纤维 材料中纤维素材料易受湿度影响，而热性塑料易受温度影响，特别是温度低、材料变硬， 使所包装的产品承受的加速度变大。 ( 4 ) 吸湿性吸湿性大的材料对包装产生两方面的危害，一是降低缓冲性能，二是 引起所包装的金属制品生锈和非金属制品的变形变质。因此纸、木丝等吸湿性强的材料不 宜用于金属制品的包装。 ( 5 ) 酸碱度( p h 值)即要求缓冲材料的水溶出物的p h 值在6 8 之间，最好是7 否则在潮湿的条件下，包装物易被腐蚀。 ( 6 ) 密度对于缓冲材料，无论是成型产品还是块状、薄片状的材料，从其使用状 态来看要求其密度尽量的低，以减少包装的质量。 ( 7 ) 加工性它是指缓冲材料是否易于成型，易于黏合等加工性能及易于进行包装 作业的特点。 ( 8 ) 经济性合理地选用缓冲材料的目的是降低流通成本，因此缓冲包装技术应考 虑其经济性。材料自身价格固然是重要的一面，但还必须把改变包装的容积及形态对运输 存储费的影响等也考虑进去。 1 1 1 0 缓冲包装结构及方法的选择 缓冲包装结构是指对产品、包装容器、缓冲材料进行系统的考虑后，所采用的缓冲固 定方法。一个典型的缓冲包装结构有五层即( 包括内衬) 、内包装盒的缓冲衬垫、内包装 盒、外包装箱内的缓冲衬垫、外包装箱。而一般的缓冲包装结构为三层即( 包括内衬) 、 包装箱内缓冲衬垫和包装箱。 缓冲包装方法一般区分为全面缓冲、部分缓冲和悬浮式缓冲三种方法。 对于不同产品种类和外形特征，应选择合理的缓冲材料和结构形式，以保证最佳缓冲 效果。常见的瓦楞纸板衬垫结构有弹力型、折叠型、弹折型和角型，见图卜2 1 别。 二= = 二匕 弹力型 折叠型 理立显、v 飞、v 习至7 弋王 弹折型 x 图卜2 瓦楞纸板衬垫结构类型 f i g 1 2t h es t r u c t l et y p eo fc o i r u g a t e dp a d s 1 2 小型平板玻璃的缓冲包装现状及发展趋势 角型 中国的家具业发展迅猛，到2 0 0 2 年全国已有家具企业5 万家，总产值达1 6 5 0 亿元， 出口额达5 4 1 7 亿美元，较2 0 0 1 年增长了3 6 5 ，成为家具生活参和出口大国。预计今 后1 0 年，需求额将以每年1 0 1 5 的速度递增。“3 1 玻璃，它的透明本身就带有一定的艺术观赏性，与木制家具相比，它显得更活泼多样。 另外，玻璃的表面还可以饰以多种磨砂图案花纹，使艺术感染力渗透其间。有人这样描述： 在冷光源光束的照射下的玻璃家具，就像一尊晶莹剔透的冰雕展现于居室一方。人们从透 明的外表可清晰地看见内在的陈设器皿、工艺品等摆设，一切都是那样的生动典雅，变成 物化了的艺术展览，人与装饰物和谐共处并得以“对话”，喻示着现代生活已不再是封闭 的、黯淡的、死气沉沉的，而是明朗的、透彻的。玻璃制作的家具与艺术结缘，活灵活现 地演绎出一派浪漫的现代风格。玻璃家具已经成为时尚的新宠。 镶有玻璃的家具在近年来也有了很大的发展，特别是整体塑型的玻璃家具，更加充满 流线感，好像有水在家里中流淌。由于是玻璃质地，这样的家具也就具有了明澈、清新的 透明质感，经过光影的空透，富于立体效果，能够让空间变大，更有朝气。镶有玻璃的家 具富于变化的款式和造型，不仅充分发挥了设计师的想象力，而且为居室主人增添了无限 想象与创造的空间，非常受喜欢标新立异的年轻时尚一族的喜爱。 玻璃家具的发展及地位已经是家具行业不可忽视的领头军。同时，玻璃家具的运输问 题也提上了日程。 目前市场上的很多家具上的小面积平板玻璃都是跟家具分开包装，运输到目的地之后 再进行组装，而且几乎都是使用蜂窝纸板进行缓冲包装，平板玻璃只是用一层防护薄膜包 裹，外面直接用蜂窝纸箱进行包装即可肺引。 众所周知，蜂窝纸板跟瓦楞纸板都是缓冲材料的优选，但是蜂窝纸板比瓦楞纸板昂贵 很多，从而导致产品包装运输成本的提高。 本次研究主要目的是通过试验，用瓦楞纸板替代蜂窝纸板，并秉承包装减量化的思想， 6 设计不同结构的缓冲衬垫，改变包装结构，尽量减少纸板的用量又达到缓冲保护的效果。 1 3 瓦楞纸板的缓冲性能概述 1 3 1 瓦楞纸板的发展现状与趋势 英国人e d w a r dc i l e y 和e d w a r de 1 1 e n 于1 8 5 6 年发明了瓦楞纸，当时，瓦楞纸只是用来 作为礼帽的内衬，便于透气。1 5 年后的1 8 7 1 年，美国人a l b e r tj o n e s 发明单面瓦楞纸板， 用于包装玻璃灯罩和类似的易碎物品，取名为“s i n g l ef a c ec o r r u g a t e db o a r d ，获得 美国第一个瓦楞包装技术专利权；1 8 7 4 年，美国人0 1 i v e rl o n g 发明双面瓦楞纸板，使瓦 楞包装技术获得又一次重大突破；1 8 7 5 年，第一个瓦楞纸板包装生产厂在美国诞生，生产 内包装用细瓦楞纸板；直到1 8 9 4 年美国人r o b e r tg u y a 研制成功较粗的a 型瓦楞纸板后， 瓦楞纸板用于运输包装便迅速风行世界。到第二次世界大战时，瓦楞纸箱已代替木箱在运 输包装中占到8 0 。至今，瓦楞纸板已成为现代包装使用最广泛的包装材料之一，瓦楞纸 箱产值占包装工业制品总产值的3 0 u 制。 目前，用于缓冲包装的材料很多，但以发泡塑料材料居多。发泡塑料是高分子材料经 发泡处理形成，具有很好的缓冲性能和吸振性能，且重量轻、易加工、保护性能好、适应 性广、价廉物美。但因废弃物不能自然风化、降解，焚烧处理会产生有害气体等缺点，近 年来已成为加剧世界环境危机的严重公害。越来越多的国家立法禁止用发泡塑料作缓冲衬 垫包装的商品进口。所以，泡沫塑料将逐渐被其它环保缓冲材料所替代。纸质缓冲包装材 料就是其中一类n 5 1 。瓦楞纸板是目前市场上使用较多的一种极为理想的环保型纸质缓冲包 装材料。 由于结构上的特点，瓦楞纸板能较好的吸收外界冲击能力，延长包装物承受冲击脉冲 的作用时间，具有良好的缓冲性能。以其为材料的包装容器具有适合的容装功能。另外其 加工性能良好、成本低、使用温度范围比泡沫塑料宽、克服了泡沫塑料衬垫对人和自然环 境的危害。既有利于环境保护，又可回收再生、降低成本。 在运输包装中，瓦楞纸板的使用量占很大的比重，被广泛用来制作各种缓冲包装结构 件，其应用方式主要有：瓦楞纸箱、缓冲衬垫、托盘等。 瓦楞纸板的空间结构特征直接影响瓦楞纸板的力学性能，尤其是对静态压缩特性、动 态冲击特性和振动传递特性等与缓冲包装密切相关的性能。瓦楞纸板具有以下三个方面的 结构特征：1 6 3 ( 1 ) 具有多相性，包括固相、液相和气相。固相成分包括植物纤维、胶料、填料及染 料等，是决定组合瓦楞纸板力学性能的主要因素；而液相和气相成分的存在使其力学性质 复杂多变。 ( 2 ) 具有各向异性。一方面由于瓦楞纸板的组成成分主要为纸材；另一方面其本身 在空间结构、排列及取向上存在较大差异，以致于瓦楞纸板力学性质具有显著的各向异性。 ( 3 ) 瓦楞纸板夹层板结构。瓦楞纸板属于波形( 曲线波) 夹层板结构，应用中只能 依靠增加或减少瓦楞纸芯的层数来改变厚度，如本研究课题中的双瓦楞纸板( 五层) 、三 瓦楞纸板( 七层) 。 为了更好的利用瓦楞纸板，人们对它的各种性态及新的构成进行了大量的研究，其中 7 三重组合瓦楞纸板即为一种新的构成，它通过对三重组合瓦楞纸板缓冲、防护特性的研究 分析，提出了对三重组合瓦楞纸板的重点研究目标、内容及关键问题，为今后的研究奠定 了基础。 1 3 2 动静态缓冲性能的研究 瓦楞纸板缓冲性能的研究己有几十年的历史，其中表征瓦楞纸板静态缓冲性能的试 验方法包括静态平压强度，侧压强度，抗弯强度和静态蠕变性能，大多都是采用静态应力 一应变曲线来表示。但是，由于考虑到静态试验的加载速度很小，而包装件在流通过程中， 往往受到强烈的冲撞和跌落，缓冲材料的变形速度很大，因此1 9 5 2 年j a n s e n n 7 1 提出了以变 形能量为基础的缓冲系数概念，来表征缓冲包装材料的性能，将静态缓冲系数扩展为动态 缓冲系数概念。从此，缓冲材料的受力面积a ，厚度t ，跌落高度h 以及受力大小等各种因 素都被考虑进来。从而表征材料缓冲性能关系的方法更加多样化。1 9 6 1 年f r a n k l i n n 8 1 和 h a t a e n 别提出了最大加速度一静应力曲线。虽然这样的曲线对包装设计选用缓冲包装材料 很有指导作用，但是对于纸板这样变异性的的材料，很难得到经验曲线，且误差也很大。 1 9 6 4 年美军标准瞳伽制定了缓冲包装技术指南，给出主要包装材料的8 0 0 多条最大加速度一 静应力曲线，但未能涵盖全部现有包装材料的缓冲特性，特别是纸类缓冲材料，而且这些 缓冲曲线也没有考虑环境参数变化对包装材料性能的影响。c o s t 瞻于1 9 7 4 年、m c d a n i e l 瞳2 1 和w y s k i d a 晗踟于1 9 7 6 年分别认为包装材料动态特性曲线除了与试样尺寸和跌落高度有关 外，还与时间和环境温湿度有关。为减少试验工作量并考虑环境参数影响，使物品包装按 多自由度非线性系统进行设计的方便，要求从理论上对缓冲包装材料特性做出合理的分析 和数学建模，并分别建立了采用某种包装材料时物品最大加速度的数学表达式，根据不同 静应力、厚度、跌落高度和环境温度可以从该表达式直接计算最大加速度。 c o x l 9 3 3 年开始研究瓦楞纸板的缓冲性能，得到经验公式乜；1 9 6 3 年m c k e e 导出 简化公式瞳副；余本农对瓦楞纸板进行实验获得了静态边压应力应变曲线瞳6 删；吴天明研 究了瓦楞纸板的平压特性瞳8 j 。 对于静态缓冲性能而言，1 9 9 5 年高德心鲫等建立了瓦楞纸板静态应力应变模型： ( 1 ) 瓦楞纸板静态平压的应力应变模型： o = a 1e + a 2 s i n ( a 3e ) + a 4 t g ( a 5 ) ( 2 ) 瓦楞纸板边压的非线性本构模型： 02 a l + a 2 e + a 3e2 + a 4e 3 ( 3 ) 瓦楞纸板侧压的非线性本构模型： o = a l + a 2 e3 s i n ( a 3 + a 4 ) + a 5 2 c o s ( a 5 ) 在这三个模型的基础上，采用非线性g a u s s n e w t o n 法进行求解，拟合参数，跟试验数 据进行比较，更好地对试验数据进行取舍，减少工作量。 在动态缓冲性能方面，高德等考虑温度、多次冲击、层数等因素给出了瓦楞纸板的理 论模型渺3 1 。： 仃+ 6 仃= z ( p ) 厶( 舰) 胎+ s i n ( 占一占，) + t a i l ( 占) + e ) 该模型的建立及其参数的成功识别，不仅解决了瓦楞纸板的平压动力学计算问题，为缓冲 包装优化设计创造了条件。 此外，有限元精细的动力学分析潞3 4 1 ，结构化神经网络、模糊自适应控制等识别 方法应用于非线性材料的特征提取5 侧，各种仿真软件的应用也取得极大进展7 | 。 对于缓冲材料的缓冲性能，人们研究较多的是泡沫塑料、瓦楞纸板。1 9 9 0 年胡强 等提出泡沫塑料衬垫的2 9 参数非线性粘弹性模型，用该模型给出了电视机的响应加速度及 衬垫优化尺寸的计算结果。何慧君口钔等提出将瓦楞纸板做成互相平行、垂直和交错的多层 结构，使其形状如蜂窝，这样就能大大提高其缓冲性能。郭彦峰等h 叫对x p l y 超强瓦楞纸 板的强度试验进行了研究。这些研究为研究和开发三重瓦楞缓冲包装材料建立了缓冲性能 理论基础。但是每种组合的各种性能研究都没有进行系统化的研究，只是在片面地研究分 析了某个组合的某个性能，所提供的理论依据不能给实际的物品包装一个完整的参考依 据。 1 4 课题来源及名称 本课题属南京林业大学“十五人才工程项目“玻璃家具瓦楞纸板衬垫缓冲包装研 究部分研究内容。 本课题名称为“平板玻璃台面瓦楞纸板及其黏结构件的缓冲衬垫设计与性能研究 。 1 5 研究的背景及意义 瓦楞纸板是目前提倡的绿色包装缓冲材料之一，但是由于其强度较低，现在只运用于 一些中小型电子产品，水果等的包装。目前大型物品的缓冲材料基本还是使用泡沫塑料， 但是该材料的体积大，难回收，对环境有严重的污染，所以很多国家已经禁止使用了h 。 玻璃家具的特点就是质重，易碎，目前市场上有的厂家还是使用泡沫塑料作为玻璃家 具的缓冲衬垫，但是在运输过程中破损还是特别严重，加上泡沫塑料对环境的严重污染， 于是解决这个难题的同时并注意使用环保型材料是具有很大的环保和现实意义的。 玻璃家具在家具中占有很大比例。家具，尤其是玻璃家具在流通过程中的破损问题已 经引起家具企业的广泛关注，因为它不仅影响企业的经济效益，而且严重危害产品的品牌 效应。研究开发玻璃家具绿色防震包装材料及构件，具有十分重要的理论意义和使用价值。 产品在运输过程中产生破损的主要原因除了由跌落等外力引起的冲击作用外，还包括 振动因素。在共振情况下，产品的响应加速度可能会超过其脆值导致产品发生破损h 羽。此 外，长期振动会使产品产生疲劳损坏和内装产品同容器之间的摩擦损伤。因此，防振不亚 于缓冲。但是，针对玻璃家具，设计瓦楞纸板缓冲衬垫并测试其振动特性，国内外尚无报 、j 山 迫。 该项目针对玻璃茶几的造型结构和流通环境，设计瓦楞纸板衬垫防震包装系统，具有 一定的环保价值和学术意义，对玻璃家具行业急需解决的运输、装卸及贮藏破损问题具有 一定的实用价值。 1 6 本文主要研究内容 ( 1 ) 1 2 舢厚的平板玻璃的脆值及破损边界曲线； 9 ( 2 ) 环境湿度对瓦楞纸板力学性能的影响； ( 3 ) 组合7 层瓦楞纸板衬垫静态缓冲性能研究； ( 4 ) 组合7 层瓦楞纸板衬垫纵横向对抗弯性能的影响研究； ( 5 ) 3 b 型缓冲衬垫的静态蠕变性能研究； ( 6 ) 组合7 层瓦楞纸板缓冲衬垫的动态缓冲性能研究； ( 7 ) 缓冲衬垫选择及结构设计； ( 8 ) 包装件动态冲击试验： ( 9 ) 包装件振动试验； ( 1 0 ) 包装件结构优化。 1 0 2 瓦楞纸板缓冲衬垫的性能测试 2 1 试验中所用瓦楞纸板缓冲材料介绍 2 1 1 瓦楞纸板基本参数 试验所用a 型、b 型、a b 型瓦楞纸板及淀粉胶粘剂均来源于南京华泰包装纸业有限公 司。三种纸板的原始参数见表2 1 具体试样试样的制备以及材料参数按不同试验部分分 别介绍。 表2 1 纸板原始数据 t a b l e2 一lt h eo 打g i l l a ld a t a so f m eb o a r d s w k ，s c 粗dkd e l l o t ew h i t eb 础，s e n l i c h e m i c a l ( n s s c ) 姐dk r a r 曲e r s 即s p c c t i v e l y ：1 1 1 e 士舳g er 印r e s 饥t s o n es t a i l d a r dd e 讥a t i o n w k ，s c 和k 分别表示白牛皮纸，半化学纤维芯纸以及普通牛皮纸，表示一个标准范围允许值。 2 1 2 试验试样的预处理 制板的工艺过程为： 涂胶一粘贴一陈放一预压一剪裁一恒温恒湿处理 涂胶量约为1 5 0 1 8 0 9 m 2 ，由于瓦楞纸板生产到使用过程中存在一个堆放问题，因此 将所得的试样在1 0 0 n 的重物下静压一周，按i s 0 2 2 3 3 1 9 8 6 和g b t 4 8 5 7 2 2 0 0 5 的规定 标准进行预处理，在2 5 。c ，相对湿度r h 6 0 的恒温恒湿箱中放置4 8 小时。 广东省医疗器械厂生产的恒温恒湿培养箱l r h 2 5 0 s 型。该仪器用来平衡试件的湿度， 减小试验误差。整个试样都在此仪器中平衡了2 4 h ，湿度和温度分别设为2 5 2 。c ，l m = 6 0 2 。 每部分试验的具体试样参数及制备方法见试验内容部分。 2 2 环境湿度以及瓦楞纵横向对瓦楞纸板缓冲衬垫抗弯强度的影响研究 纸类缓冲材料受湿度的影响最为显著，郭彦峰、付云岗等研究了湿度对a b 型双瓦楞纸 板的蠕变及回复性能h 刚的影响，结果表明湿度对瓦楞纸板的蠕变及回复性能影响显著，在 本次试验中，着重研究了三种湿度对b a b 七层瓦楞纸板的抗弯性能的影响。 瓦楞纸板是由内、外两面的面纸和波纹形瓦楞芯纸通过粘合而成的一种结构，可将其 视为一种夹层结构。应祖光h 刀认为瓦楞纸板的面纸具有明显的各向异性，且可以认为是正 交各向异性，而波纹形瓦楞芯纸在构造特征上也可以视为正交各向异性，因而可以将瓦楞 纸板作为正交各向异性的材料来研究。本文采用a 型瓦楞纸板制取三层瓦楞纸板组合衬垫 ( a a a 型) ，并测定其不同方向上的抗弯性能，以研究组合瓦楞纸板衬垫的各向异性。 2 2 1 试样制备 按楞峰一楞峰一楞峰的纵向将a 型瓦楞纸板组合成三层黏结结构。忽略淀粉胶层的厚 度，涂胶冷压后的层合板平均厚度为1 4 6 0 硼。然后分别按c d ( c r o s sd i r e c t i o n ) 和 m d ( m a c h i n ed i r e c t i o n ) 两个方向锯截，制取8 咖2 7 0 m m 的试验试样，以研究a a a 型瓦楞 纸板组合结构抗弯性能的各向异性。如图2 1 和图2 2 所示。 将b 型和a b 型瓦楞纸板黏结成b + a b 型瓦楞纸板层合结构，按横向锯截，制取8 咖 2 7 0 m m 的试验试样，以研究湿度对组合结构抗弯性能的影响。若忽略淀粉胶的厚度，涂胶 冷压后的层合板平均厚度为1 0 2 4 m 。 2 2 2 试验方法 将a a a 型瓦楞纸板试样置于常温环境中，温度为( 2 5 2 ) o c ，湿度为( 6 0 2 ) ； b + a b 型瓦楞纸板组合试样置于恒温恒湿箱中平衡2 4h r ，恒温恒湿箱的温度设置为2 5 0 c ， 湿度分别为6 0 和8 5 。 弯曲强度性能试验在深圳市新三思c m t 6 1 0 4 型微机控制电子万能试验机上进行试样 采用三点弯曲加载方式，参照i s 0 5 6 2 8 1 9 9 0 “纸和纸板弯曲强度静态测定法一般原则” 进行。采用游标卡尺测量试样的宽度和厚度，调整试验机两支点的距离，使其跨度为 2 5 0 姗，在试样跨度的中点划线作为受力部位，依次将6 个试样放在支座的中心并使试验 机压头与试样划线部位表面接触，加载速度为1 2 唧m i n 。完成试验后试验机自动停止并 出图。试验重复6 次。 图2 1c d 抗弯三点弯曲示意图 f i g 2 - 11 l l r 一p o i i l tb e n d i i l gs k e t c hm 印 i nc r o s sd i r e c t i o n 1 2 图2 2 岫抗弯三点弯曲图 f i g 2 2t 1 1 r e e - p o i n tb c i l d i i l gs k e t c hm a p i nm a c h j i l ed i r e c t i o n 6 0 5 0 z 杂4 0 锚3 0 2 0 1 0 0 2 0 挠度m m 图2 3a a a 纵横向弯曲载荷一挠度曲线 f 唔2 - 3t h er e l a t i o n s h i po f f l e x i b i l 时a 1 1 d1 0 a df o ra a as a m p l e s 051 01 52 02 53 03 5 挠度咖 图2 4b + a b 不同湿度抗弯载荷一挠度曲线 f 嘻2 - 4t h er e l a t i o n s h i po ff l e x i b i l i 够粗dl o a d 矗) rb a bs 唧1 铬 w i t hd i f 蚤：r e n th 哪i d i 够 2 2 3 数据处理与分析 抗弯强度测试采用三点弯曲法，如图2 1 和图2 2 所示。试样抗弯强度o ( m p a ) 按 下式计算： 。：掣( 2 一1 ) 2 x 6 ，l 其中，p 雎。为试样压溃时的最大负载，单位n ；l 为抗弯专用卡具的跨度，单位舳；b 为样品的宽度，单位衄；h 为试样的厚度，单位咖。 试样的弹性模量e ( m p a ) 按下式计算： e ：3 _ 笠( 2 2 ) 4 6 办j 式中：e 为试件的弹性模量，m p a ；f 为在载荷变形图中直线内力的增加量，单位n ； 筋 加 坫 加 5 0 n 禧祥 s 为在力f 2 _ f 。区间试件变形量，单位m 。 表2 2a a a 组合不同方向的力学性能表 1 f a b l e2 2t h em e c h a i l i c a lp r c p e n i e so fa a ai i ld i 丘e r 吼td i r e c t i o n s 试样l2345 6 平均 。擅向m p a 1 3 8 11 3 6 71 2 4 21 1 4 91 2 0 l1 1 5 3 1 2 4 9 o 数向m p a 4 0 57 2 08 1 2 3 3 97 9 46 7 16 2 4 e 横向m p a 7 7 0 2 96 1 8 2 7 7 3 6 8 87 5 5 4 76 1 8 3 07 2 1 8 5 7 0 3 5 1 e 墩向m p a 5 5 6 7 97 1 9 4 15 3 3 3 35 8 2 8 8 7 5 8 5 53 2 6 2 15 7 9 5 3 注：下表中离差平方和s s 包括组间离差平方和s s ( s u mo f s q u a r e 矗) rf a c t o r a ) 和组内离差平方和s s s u mo f s q u a r ef b r e 仃o r ) ：自由度d f 包括组间自由度d a ( d e g 溉o f 丘e c d 咖b 咖啪印u p s ) 和组内自由度d 蜮d e g r o f 骶c d 锄谢t l l 咖 g r o u p s ) ：均方m s 包括组间均方m s a ( m 啪a q 叫eb e t w e 伊o u p s ) 和组内均方m s m e 锄s q u a 他谢山i n g r o u p s ) ；f = m s a m s e 表2 3a a a 组合不同方向的抗弯性能方差分析 t a b l e 2 - 3a 1 1 a l y s i so fv 撕a i l c eo fa a ai 1 1d i 舵r e r l td i r e c t i o n s 差异源s sd fm s f 显著 纵横向( 组间)1 1 7 1 8 7 8 误差( 组内) 2 8 8 9 6 2 1 1 0 1 1 7 1 8 7 8 4 0 7 9 ，i c 木 2 8 9 6 2 总和1 4 6 0 8 4 0 1 1 表2 4b + a b 组合不同湿度的力学性能表 7 i j a b l e 2 - 4t h em e c h a n i c a lp r o p t ：n j e so f a 。a ai nd i a e r e l l th u m i d i t 、， 试样 1 23456 平均值 o6 m p a 2 0 9 31 9 0 7 1 5 9 21 5 9 81 4 1 11 4 2 8 1 6 6 5 o8 5 m p a 8 0 27 9 67 6 67 2 7 6 7 06 7 07 3 9 e 瞄m p a 3 0 3 93 1 3 73 9 8 7 3 5 7 73 1 9 92 1 5 23 1 8 2 e 啪m p a2 4 5 42 4 5 42 6 1 72 7 0 52 4 5 4 2 4 5 42 5 2 3 表2 5b + a b 组合不同方向的抗弯性能方差分析 t a b l e 2 4a n a l y s i so f r i a n c eo f a a ai nd i 髋r e n th u m i d i t i e s 差异源s sd fm sf 显著 纵横向( 组i 司)5 1 9 7 322 5 9 85 3 7 9料 误差( 组内)7 2 2 81 54 8 2 总和 5 9 2 0 l1 7 图2 3 和图2 4 为两组试验的载荷一挠度曲线。可见，瓦楞纸板组合结构的载荷一挠度 曲线分为4 个阶段：第一阶段为瞬时弹性变形，在两个曲线几乎重叠的部分近似直线，载 荷与挠度成正比；第二阶段为缓慢弹性变形，挠度随着载荷的增加缓慢增加，第一第二阶 段都属于可逆变形；第三阶段为弹塑性区，此区域内挠度缓慢变化，压缩载荷开始下降， 直至达到塑性塌陷应力为止；第四阶段为屈服阶段，曲线几乎为一平台，因为加载速度小 于弯曲速度，呈现出断断续续的变化趋势，直至自动停止试验为止。 1 4 2 2 4a a a 型瓦楞纸板组合结构抗弯性能的各向异性 表2 2 、表2 3 和图2 4 为3 a 型瓦楞纸板组合结构的抗弯性能试验结果。由此可知，3 a 型瓦楞纸板组合结构横向弯曲试样的抗弯强度大约是纵向弯曲的1 6 倍，各向异性明显。 这是因为组合结构横向弯曲时，受力点位于由多个瓦楞组成的平面上，瓦楞面纸的下面相 当于由多个支撑点支撑着；而纵向弯曲时，受力点作用于一个瓦楞上，不论是作用在楞峰 还是楞谷，受力的只是由瓦楞面纸和瓦楞芯纸组成的空穴上，下面缺少了支撑物，因此抗 弯强度明显比不上横向抗弯强度。 2 2 5 湿度对b + a b 型瓦楞纸板组合结构抗弯性能的影响 由图2 4 可知，纤维类包装缓冲材料对环境湿度要求较高，环境相对湿度越大，瓦楞 纸板的吸湿越大，因而瓦楞纸板的力学性能就有明显的差异。从图中可以看出，瓦楞纸板 的抗弯强度随着相对湿度的升高而明显降低。l m 6 0 的抗弯强度最好，载荷达到2 4 8 n 时的挠度仅为7 3 m ，同样，r h 8 5 时的最大抗弯载荷仅为1 4 7 6 n 。由此可见，瓦楞纸板 缓冲材料的抗弯强度在r h 6 0 左右最好。 表2 4 和图2 4 为不同湿度条件下，b a b 型瓦楞纸板组合结构的抗弯强度。可见，湿 度对b a b 型瓦楞纸板组合结构的抗弯性能有显著影响：湿度越高，抗弯性能越差。随着湿 度的提高，纸板弯曲的弹性区域变窄，进入平台区和屈服阶段更快，从而失去抗弯性能。 根据泛太克纸业包装有限公司提供的信息，在纸板使用过程中，过于干燥可能会引 起纸板龟裂，湿度过高又影响纸板的强度性能，所以纸板生产车间一般都把湿度控制在 4 5 6 0 阳引。但在运输过程中，如果遭遇高湿度天气或高湿度环境，纸箱强度必然下降。 这是在设计和使用组合瓦楞纸箱及组合衬垫时应注意的问题。 2 2 6 结论 ( 1 ) 瓦楞纸板组合结构的抗弯强度曲线可分为瞬时弹性变形、缓慢弹性变形、弹塑性 阶段和屈服阶段4 段，在平台区会出现断续现象。 ( 2 ) 纸板的变异性很大，组内误差也很明显，这是不可避免的，但是纸板性能的总体 趋势很明显。 ( 3 ) 在瓦楞纸板的许用强度范围内，宜选用横向瓦楞作为衬垫隔板。 ( 4 ) 当在流通环境中可能遭遇高湿度环境( 湿度超过7 0 ) 时，应对组合瓦楞纸箱或 衬垫进行防潮处理，以避免纸箱堆码塌陷或衬垫被压溃，失去包装防护功能。 2 3 组合瓦楞纸板缓冲衬垫的抗弯性能分析 测定材料的弯曲性能是材料科学中广泛应用的力学性能实验方法。通过对组合瓦楞纸 板缓冲衬垫的研究，可以得到该种组合材料弯曲承载的应力一应变关系，而应力一应变关系 及其形式特点是研究材料粘弹性的基础，也是研究材料承载过程中材料变形和破坏规律的 一项重要任务。 2 3 1 静力学分析 从外部作用于物体上的力称为外力，是施加于物体的载荷及反力的总称如拉伸中的 扩张力，压缩中的压缩力，弯曲中的力矩等。物体受到外力的作用必然产生形状的变化，