（材料加工工程专业论文）基于温湿度效应的纸蜂窝结构能量吸收模型研究.pdf

摘要 蜂窝纸板是近年来在欧美、日本和我国兴起的一种节省资源、保护生态环 境、成本低廉的新型绿色环保包装缓冲材料，它具有轻、强、刚、稳四大优点， 体现了一种全新的包装模式和观念。作为一种环保材料，它具有可自然降解， 不污染环境和循环再生利用等特点，而且可以替代木材，极大地减少木材的使 用量，保护日益减少的森林资源。 本文试验研究了不同温湿度条件下蜂窝原纸的含水率的变化影响。根据试 验结果，结合了3 个经典的含水率模型，用m a t l a b 拟合得到蜂窝原纸的最佳 含水率数学模型。对蜂窝原纸的力学性能受含水率的影响进行了深入研究，探 讨了蜂窝原纸弹性模量和屈服应力与含水率的关系，结合含水率数学模型，运 用m a t l a b 拟合出了蜂窝原纸相对屈服应力和相对弹性模量关于温湿度的预测 方程，并进行了验证。分析蜂窝纸板静态压缩力学行为及其缓冲机理，试验研 究了蜂窝纸板的临界应力和平台应力与含水率的关系，推导出了蜂窝纸板临界 应力和平台应力关于温湿度的预测方程，并进行了验证。结合以上的研究绘出 了有关含水率和厚跨比的蜂窝纸板能量吸收图，利用能量吸收图可以简单地对 蜂窝纸板包装设计进行优化选择。 本文的研究成果在研究环境因素对蜂窝纸板的缓冲性能的影响中具有重 要的意义，并可使用能量吸收图在企业罩对蜂窝纸板包装设计进行优化选择， 具有一定的实践意义。 关键词：蜂窝纸板；蜂窝原纸；含水率；屈服应力；弹性模量；临界应力：平 台应力；能量吸收图 a b s t r a e t i nr e c e n ty e a r sp a p e rh o n e y c o m bw h i c ha p p e a ri ne u r o p e ，a m e r i c a , j a p a na n d c h i n ai sa ne n v i r o n m e n t - f r i e n d l y , l o w - c o s ta n dn e wg r e e np a c k a g i n gc u s h i o n i n g m a t e r i a l i th a sf o u ra d v a n t a g e sw h i c ha r el i g h t ，s t r o n g ，f i r ma n ds t a b l e i te m b o d i e s an e wm o d e la n dt h ec o n c e p to fp a c k a g i n g a sa l le n v i r o n m e n t f r i e n d l ym a t e r i a l ，i t n o to n l yc a nd e g r a d e ，d on o tp o l l u t et h ee n v i r o n m e n ta n dr e c y c l e ，b u ta l s oc a n r e p l a c et h ew o o d ，w h i c hg r e a t l yr e d u c et h eu s a g eo fw o o dt op r o t e c tt h ed w i n d l i n g f o r e s tr e s o u r c e s t h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t yo nt h em o i s t u r ec o n t e n t o fc o r r u g a t e dp a p e ra n dp a p e rh o n e y c o m bw a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t si nt h es t u d y b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h eo p t i m u mm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e m o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o r r u g a t e dp a p e ra n dp a p e rh o n e y c o m bw e r ef i t t e d i n a c c o r d a n c ew i t ht h r e ec l a s s i cm o d e l sb ym a t l a b t h ei n f l u e n c eo ft h em o i s t u r e c o n t e n to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o r r u g a t e dp a p e rw a ss t u d i e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ee l a s t i cm o d u l u s ，t h ey i e l d i n g s t r e s sa n dt h em o i s t u r e c o n t e n to fc o r r u g a t e dp a p e rw e r ed i s c u s s e d c o m b i n e dw i t ht h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h em o i s t u r ec o n t e n to ft h ec o r r u g a t e dp a p e r , t h ep r e d i c t i o ne q u a t i o n so f t h er e l a t i v ee l a s t i cm o d u l u sa n dt h er e l a t i v ey i e l d i n gs t r e s so fc o r r u g a t e dp a p e rw e r e f i t t e da f t e ra n a l y z i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sb ym a t l a ba n dt h e nw e r ev e r i f i e d t h e s t a t i cc o m p r e s s i v em e c h a n i c a lb e h a v i o ra n dc u s h i o n i n gm e c h a n i s mo fp a p e r h o n e y c o m bw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e c r i t i c a ls t r e s s ， p l a t e a us t r e s sa n dt h e m o i s t u r ec o n t e n to fp a p e rh o n e y c o m bw e r es t u d i e d t h e p r e d i c t i o ne q u a t i o n so ft h ec r i t i c a l s t r e s sa n dp l a t e a us t r e s so fp a p e rh o n e y c o m b w e r ed e d u c e da n dt h e nw e r ev e r i f i e d c o m b i n e dt h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h e e n e r g ya b s o r p t i o nd i a g r a mo fp a p e rh o n e y c o m bc o r r e s p o n d i n g t ot h em o i s t u r e c o n t e n ta n dt h i c k n e s s - t o l e n g t hw a sp l o t t e d t h ed i a g r a mc a nb em a d eu s eo ft o o p t i m i z et h ep a c k a g i n gd e s i g no fp a p e rh o n e y c o m b t h es t u d yi sm e a n i n g f u lt os t u d yt h ec u s h i o n i n gp r o p e r t yo fp a p e rh o n e y c o m b a n di th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo no p t i m i z i n gt h ep a c k a g i n gd e s i g no fp a p e r i i h o n e y c o m bb yu s i n ge n e r g ya b s o r p t i o nd i a g r a m k e y w o r d s ：p a p e rh o n e y c o m b ；m o i s t u r ec o n t e n t ；y i e l d i n gs t r e s s ；e l a s t i cm o d u l u s ； c r i t i c a ls t r e s s ；p l a t e a us t r e s s ；e n e r g ya b s o r p t i o nd i a g r a m 字母符号注释表 n o m e n c l a t u r e ，蜂窝原纸的厚度，m m z 蜂窝胞的边长，1 1 1 1 1 1 9蜂窝胞的角度 t l厚跨比 阮蜂窝原纸的泊松比 r 2决定系数 m s e均方差 r s s 残差平方和 m蜂窝原纸含水率， r h相对湿度， 丁温度，o c g 纸质材料的湿重，g g o纸质材料的干重，g 单层含水率 c热力学比例常数 彳、b 、c模型参数 民s蜂窝原纸的屈服应力，m p a 反蜂窝原纸拉伸弹性模量，g p a e蜂窝纸板的弹性模量，m p a 如蜂窝原纸标距长度，m m 尸2蜂窝原纸拉伸时在0 0 8 应变时的负荷，n p l蜂窝原纸拉伸时在0 0 7 应变时的负荷，n 厶7 2 蜂窝原纸拉伸时在0 0 8 应变时的形变量，m f f l 厶，l蜂窝原纸拉伸时在0 0 7 应变时的形变量，m m s试样原始横截面积，m 2 孑妗 标况下蜂窝原纸的屈服应力，m p a i v 萨s标况下蜂窝原纸的弹性模量，g p a o y s相对屈服应力 医相对弹性模量 c p k 临界应变 c r p k 蜂窝纸板的临界应力，m p a 唧l 蜂窝纸板的平台应力，m p a 印致密化应变 k 约束参数 k蜂窝芯单层胞壁与双层胞壁的屈服应力比 单位体积变形能 唧 蜂窝纸板压缩应力应变曲线上测得的应力值，m p a 卸 蜂窝纸板压缩应力应变曲线上测得的应变值 w e o ,标况条件下标准化能量吸收值 6 每卺s 标况条件下标准化应力 蹦髂蜂窝纸板线弹性阶段的理论能量吸收值 s蜂窝纸板屈服阶段的理论能量吸收值 l 蜂窝纸板平台阶段的理论能量吸收值 r i d蜂窝纸板平台阶段的理论能量吸收值 v 浙江理t 大学硕十学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着我国扶持蜂窝纸板包装材料政策的频频出台，蜂窝纸板正在迅速发展， 新型代木包装缓冲材料一蜂窝纸板及其加工成型的纸托盘( 纸卡板，纸栈板) 、 纸护角、蜂窝纸箱、蜂窝缓冲衬垫等将成为我国出口货物的理想包装【l l 2 l ，它的 推广应用将降低我国商品在流通过程中的破损率，提高了产品的包装质量【3 1 。 1 2 蜂窝纸板概述 蜂窝纸板是根据自然界的蜂巢结构原理制作的，它是把蜂窝原纸用胶粘结方 法连接成无数个空心的立体正六边形，形成一个整体的纸芯，并在其两面粘合面 纸而成的一种夹层结构的环保节能材料【4 】【5 】，如图1 1 所示。，是蜂窝胞的边长， m n l ；p 是蜂窝胞的角度；f 是蜂窝原纸的厚度，m m 。 图1 - 1 蜂窝纸板结构图 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo fp a p e rh o n e y c o m b 蜂窝纸板主要有以下3 个特点 1 ) 材质消耗少，比强度和比刚度高、重量轻。 这种材料结构以蜜蜂蜂巢为原理，蜂窝纸板以最少的耗材构筑出最大的空 间，其使用于建筑领域则可减少承重，降低建筑费用，使用于包装则可降低成本。 2 ) 优异的隔振缓冲性能，良好的隔音、隔热性能。 蜂窝纸板具有较好的回弹性和韧性，独一无二的蜂窝央芯结构提供了优异的 缓冲性能。与其他的缓冲材料相比，蜂窝纸板具有更高的单位体积能量吸收值， 高厚度的蜂窝纸板可替代如今己大量使用的e p s 塑料泡沫。蜂窝夹层结构的内 浙江理t 大学硕士学位论文 部为一个个封闭的小室，其中充满空气，因此具有很好的保温隔声性能。 3 ) 环保型产品，不污染环境。 在生产蜂窝纸板的过程中并没有污染产生，废弃后容易处理，并可回收再生。 在生产过程中蜂窝纸板经过远红外烘干等各种微波烘干，起到了流水线灭菌作 用，因此纯蜂窝纸制品出1 5 1 不用熏蒸，免检疫【6 1 【7 1 。 1 3 国内外研究现状 蜂窝纸板具有良好的机械性能以及社会效应，最近几年成为了广泛使用的缓 冲包装材料，受到了包装界的高度关注，如今己顺利应用于家具、建筑材料以及 大型机电产品的包装等领域，在我国具有广阔的市场前景【8 】【9 1 。 目前对蜂窝纸板的研究主要集中在对蜂窝纸板的缓冲性能的研究。郭彦峰【l o 】 研究温湿度和材料参数对蜂窝纸板静态缓冲性能的影响，分析其缓冲特性，得知 随着相对湿度的增加，温度的降低，蜂窝纸板的缓冲性能下降，但只通过试验得 出这样一个简单的关系，并没有深入研究总结规律。基于蜂窝纸板压缩试验，王 冬梅【1 1 】1 1 2 】对蜂窝纸板压缩临界应力进行经验评估，得出了蜂窝纸板临界应力评 估方程，并建立了蜂窝纸板静态压缩下的压缩本构模型。杨鄢纠1 3 】运用薄板稳定 理论对蜂窝纸板进行了力学建模，并推导出了蜂窝纸板的临界应力评估方程。蔡 莹1 1 4 l 通过试验研究分析了相对湿度对蜂窝纸板平压强度和抗弯强度的影响，认 为蜂窝纸板的平压强度随着相对湿度的提高而降低，相对湿度对蜂窝纸板抗弯强 度的影响未呈现单一的变化规律，湿度为7 0 r h 的抗弯性能最好，其次是 5 0 r h ，最差的是9 0 r h ，且抗弯强度特性具有方向性，其纵向抗弯强度大于横 向抗张强度。徐革玲等1 1 5 1 研究了蜂窝纸板的侧压强度，实验测量与分析了温度 和相对湿度对蜂窝纸板侧压强度的影响，研究结果表明当温度在5 0 0 c 以下时，蜂 窝纸板侧压强度随着温度的升高而增大，但温度超过5 0 0 c 时，蜂窝纸板的侧压强 度随着温度的升高而减小；当相对湿度提高时，纸板的侧压强度则随之下降。计 宏伟等【1 6 】对蜂窝纸板的剪切强度进行了试验研究，分析了温度和相对湿度对蜂 窝纸板剪切强度的影响，并根据试验结果给出了蜂窝纸板剪切强度的极限值，并 得出结论，随着温度的升高，蜂窝纸板的剪切强度具有增加的趋势；但当温度高 于7 0 0 c ，此时界面剪切强度会明显下降。当相对湿度降低时，蜂窝纸板剪切强度 增加。基于静态压缩试验，张志昆【1 7 】研究了相对湿度对蜂窝纸板静态压缩性能 2 浙江理工大学硕十学位论文 的影响，并分析了相应的变化规律，结果表明相对湿度对蜂窝纸板静态压缩性能 的影响很大，随着相对湿度的增加，线弹性阶段最大应力值和平台阶段应力的平 均值都在明显降低，但应变受相对湿度的影响并不显著。齐健l l8 】研究了蜂窝纸 板作为缓冲包装材料的适用性，湿度适应性以及各个相对湿度条件下蜂窝纸板抗 压性能的变化，并且对蜂窝纸板压溃强度的拟合，拟合的曲线基本符合规律，即 随着湿度的增加，蜂窝纸板抗压性能呈加速下降趋势。杨松平1 1 9 】对蜂窝纸板缓 冲性能进行了较深入的研究，分析了蜂窝纸板结构参数对其缓冲性能的影响，还 考虑了环境因素中相对湿度对于蜂窝纸板缓冲性能的影响，并将相对湿度信息引 入，构建了不同相对湿度条件下不同结构类型蜂窝纸板的能量吸收图。通过对比 各种类型的蜂窝纸板能量吸收图，得出相对湿度对蜂窝纸板缓冲性能的影响：随 着相对湿度的增大，蜂窝纸板临界应力以及平台应力都有不同程度的减少，能量 吸收值变小。基于试验结果，z h i w dw a n g 2 0 】研究蜂窝纸板在不同相对湿度条 件下缓冲性能的变化，证明了相对湿度在3 0 r h 到7 5 r h 之间时，蜂窝纸板吸 收的能量没什么变化，但是当相对湿度大于7 5 r h 时，随着相对湿度的增加， 其吸收的能量急剧下降。并通过拟合曲线拟合出了能量吸收与相对湿度的关系方 程式，绘出了蜂窝纸板能量吸收图，此能量吸收图可用于包装优化设计和包装材 料的选取。y u - p i n ge 2 1 1 通过建立一个力学模型来预测蜂窝纸板在不同相对湿度 条件下的平台应力。试验结果与运用该模型计算得出的结果基本吻合，这证实了 该模型的准确性和可行性。该模型可用于描述在实际物流环境下蜂窝纸板的能量 吸收性能，对于优化蜂窝纸板结构设计有很大的帮助。z h u o 2 2 】根据试验结果建 立了蜂窝纸板静态压缩的神经网络模型，并优化了模型参数，但并没考虑到蜂窝 纸板的结构因素，因此限制了该模型的应用。李厚民【2 3 】运用有限元模拟了蜂 窝纸板的压缩过程，得出蜂窝纸板在不同压缩量下的变形特点和应力分布规律。 国外也有一些对蜂窝结构力学性能的研究，并都是从理论上进行研究的，应 用性较强。t i m o s h e n l ( o 【2 5 】对蜂窝结构的屈曲变形进行了研究，并提出了一套系统 研究蜂窝结构的方法。s h a f i z a d e h l 2 6 试验研究了蜂窝结构的压缩屈服应力，分析 了蜂窝结构的压缩过程，为蜂窝纸板的压缩缓冲性能的研究提供了参考。a l l a o u i 等【2 7 】试验得知了蜂窝纸板的屈服应力随其含水率的增加而减少。k e l l i c u t t 等1 2 8 1 研究得出蜂窝纸箱抗压强度与其含水率的关系方程式。j e n k i n s o n 等【2 9 】通过试验 浙江理1 = 大学硕十学位论文 研究了纸蜂窝芯抗压强度，弹性模量，核芯剪切强度和刚度模量与其含水率的关 系，试验证明，无水纸蜂窝芯的性能最好，含水率越大，纸蜂窝芯的性能越差， 当把纸蜂窝芯浸泡在水里时，其刚度和剪切强度只有原来的2 0 到4 0 ，其强度 和弹性模量甚至降低到原来的2 0 ，。d o x s e e 3 0 j 通过理论研究，推导出了一种算 法，这种算法可以计算由环境温湿度引起的复合板材平面变形和曲率变化。该算 法对计算温湿度效应引起的蜂窝纸板的变化有帮助。a s v a n i t1 3 l j 试验研究了在不 同温度和相对湿度情况下，含水率对蜂窝结构缓冲性能的影响。她尝试用一个隔 热模型来说明蜂窝结构在撞击瞬间的震动传递，最终发现隔热模型并不符合试验 获得的结果。g i b s o n 3 2 】分析蜂窝结构的共异面性能，解释了蜂窝结构被压缩时所 产生的四个阶段，并得出了蜂窝结构的临界压缩载荷计算公式。a s h b y 3 3 j 研究了 蜂窝结构的压缩和剪切性能，并推导了压缩和剪切性能经验公式。 1 4 本课题主要完成的工作 目f j 蜂窝纸板的应用局限于小范围，其根本原因是蜂窝纸板在实际物流中受 环境温湿度的影响，导致其性能的下降。因此，本课题将湿度和温度信息引入， 总结蜂窝纸板能量吸收性能受温湿度影响的规律，构建关于温湿度因素的蜂窝纸 板力学理论预测模型，其主要工作如下： 1 ) 定制本课题所需要的蜂窝纸板及其原纸试样。 2 ) 对不同含水率的数学模型进行比较，选出最适合评估蜂窝原纸含水率的 数学模型，用来描述蜂窝原纸含水率受温湿度影响的变化规律。 3 ) 根据g b t4 8 5 7 2 2 0 0 5 3 4 】对蜂窝原纸试样进行预处理，对处理后的蜂窝 原纸试样进行弹性模量测试，并总结原纸弹性模量与温湿度之间的关系。 4 ) 根据g b t4 8 5 7 2 2 0 0 5 1 3 4 】对蜂窝纸板试样进行温湿度预处理，预处理完 成后进行静态压缩试验。根据试验结果和理论推导，构建出蜂窝纸板临 界应力和平台应力与温湿度的本构方程。 5 ) 运用m a t l a b 软件进行分析建模，绘制出不同的含水率环境条件下的蜂窝 纸板的能量吸收图，并根据能量吸收图对蜂窝纸板包装设计进行优化。 1 5 本章小结 本章回顾了蜂窝纸板的发展进程，阐述了蜂窝纸板在包装领域中所占据的重 4 浙江理t 火学硕十学位论文 要地位，并总结了目前在国内外在蜂窝纸板上的研究。结合实际物流环境，说明 蜂窝纸板应用范围小的原因是受到环境温湿度的影响。最后阐述了本课题的主要 思路方向和工作内容。 浙江理工大学硕上学位论文 第二章蜂窝原纸含水率的试验研究 蜂窝纸板是由蜂窝原纸构成的包装材料，它们对环境温湿度的变化特别敏 感。这是因为环境温湿度的变化导致了蜂窝原纸内部含水率的变化，进而影响了 蜂窝纸板力学性能。因此，在实际物流环境中，必须考虑到蜂窝原纸的物流环境 温湿度和它的含水率。本章主要研究蜂窝原纸的吸湿性能，并选择3 个含水率数 学模型进行拟合，目的在于探讨环境温湿度与蜂窝原纸含水率的关系。 2 1 蜂窝原纸吸湿特性 作为一种纸质材料，在不同的环境温湿度中，蜂窝原纸会不停地与空气进行 水分交换，即蜂窝原纸在不断地吸收空气中的水分的同时，也不断地向空气中释 放水分，这种性能叫做吸湿性。将蜂窝原纸放在一定的环境中静止一段时间，当 蜂窝原纸的吸湿速率与放湿速率保持动态平衡时，即吸湿速率等于放湿速率，此 时，蜂窝原纸的水分将不再增加或减少，其含水率将保持不变。 2 1 1 纸的定义与结构特点 纸是从悬浮液中将植物纤维、矿物纤维、动物纤维、化学纤维或这些纤维的 混合物沉积到适当的成型设备上，经干燥制成的平整、均匀的薄片【3 5 1 。纸板是 由各种纸浆加工成的、纤维相互交织组成的厚纸页。纸板与纸一般是按厚度与定 量来区分的，按照国家标准，定量小于2 2 5 9 m 2 、厚度小于o 1 m m 的称为纸，定 量大于2 2 5 9 m 2 、厚度大于0 1 m m 的称为纸板【3 6 】。 纸是一种非匀质材料，结构复杂，其结构特点大致可归纳为如下几方面【3 7 1 ： 1 ) 具有多种元素：纤维、色料、填料和胶料等，其中纤维是纸张结构最基 本的组成，纤维的种类和加工方法不同，纸张的性质和结构也各不相同。不同品 种的填料、胶料和色料也会导致纸的性能差异。 2 ) 纤维、色料、填料和胶料在纸的x y z 3 个方向上的分布都具有各向异 性，具体表现为纤维的排列方向上的不同，不同尺寸的纤维分布不同，以及色料、 填料、胶料和空气含量等的分布不同。这种结构的各向异性，主要决定于抄纸的 使用的设备和方法。 6 浙江理工大学硕士学位论文 3 ) 大多数纸具有两面性，即纸两面的性质不同。 4 ) 纸具有孔隙结构，纸的多孔结构( 孔隙率) 决定了纸具有可压缩性、吸 湿性、吸收性和透气性，这是纸能吸收油墨、水等液体物质的基础。 5 ) 纤维、色料、填料和胶料之间的结合决定着纸的机械强度以及与其他物 质的结合力。 2 1 2 纸的吸湿性、脱湿性与含水率 纸的含水率指一定重量的纸所含有的水分重量与其总重量之比，以表示。 纸具有高度的吸水性和脱水性，且纸中的半纤维素是比纤维素更强的亲水物质。 纸是一种复杂的多元的材料，它依靠3 种不同的结合形式来保持水分平衡i 吸附 水、毛细管水和润胀水。在一定温湿度条件下，纸的水分不再发生变化的状态叫 做水分平衡状态，这时的含水率叫做平衡含水率。平衡含水率描述了纸在该温湿 度条件下的干燥极限。在不同的温湿度状态下，纸有其相应的平衡含水率，但在 同一温湿度条件下，由于纸的结构和性能的不同也有不同的平衡含水率。在同一 温湿度条件下，亲水性强的纸的平衡含水率高；反之，在同一温湿度条件下，纸 的亲水性差的平衡含水率低。当把含水率小于其平衡含水率的纸放置在空气中 时，它会吸湿，直到达到其平衡含水率便不再吸湿。吸湿过程中，纤维润胀，导 致纸的尺寸伸长。而当把含水率大于其平衡含水率的纸放在空气中时，它会向空 气脱湿至达到平衡含水率。在脱湿过程中，纸会收缩3 8 1 。 随着近代测试技术的应用和发展，纸的含水率的测试方法有多种，可分为直 接法和间接法两大类【3 9 1 。 1 ) 直接测试法 该方法是先称取一定湿重的纸质材料，然后去除水分后称得干重，按下面公 式计算纸质材料的含水率。 m ：华1 0 0 ( 1 ) u 其中m 为纸质材料的含水率，；g 为纸质材料的湿重，g ；g d 为纸质材料 的干重，g 。 根据驱除水分方法的不同，又有多种不同的方法。 烘箱法 7 浙江理工大学硕士学位论文 烘箱法用电阻丝加热，可根据需要调至恒定的温度。温度的依据是能使水分 蒸发而不使纸的内部纤维分解变质为原则加以规定的，推荐温度为1 0 5 0 c 11o o c 。通过使用烘箱法测得的含水率结果是比较稳定的，准确性高，虽然消耗 时间长且费电，但是目前仍然是测试纸的含水率的主要方法，并且经常被用来核 对其他测试方法的准确性。 红外线干燥法 用红外线灯泡( 一般是近红外线) 照射试样。红外线穿透力强，辐射能量高， 在短时间内使纸张内部达到较高温度，将水分去除，烘干纸张一般只需要5 2 0 m i n ，与烘箱法相比，耗电量小且设备简单，但温度无法准确控制，照射的能 量分布也不均匀，往往使局部过热，当红外线照射时间长时，会使材料烘焦，使 试验结果稳定性差。近年来，采用远红外代替近红外，使它既有烘箱法的优点又 可省电省时。 吸湿剂干燥法 将材料和强烈的吸湿剂放在同一密闭的容器内，利用吸湿剂吸收空气中的水 分，使容器内空气的相对湿度达到o ，材料在这样的条件下能充分脱湿。效果 最好的吸湿剂是干燥的五氧化二磷粉末，最常用的是干燥颗粒状氯化钙。此法虽 然精确，但成本高，费时长，仅适用于精密的试验研究中。 此外，还有高频加热干燥法和真空干燥法等等。 2 ) 间接测试法 利用材料中含水率与某些纤维性能间关系的原理来检测其含水率。主要有以 下几种： 电阻测湿法 利用材料内部纤维在不同含水率条件下具有不同的电阻值来进行测定的，当 材料的温度、松紧程度、数量和电压等试验条件一定的情况下，通过材料内部纤 维的电流与它的含水率存在一定相关关系，因此，根据电流的大小，即可知含水 率的大小。 红外光谱法 由于水对红外线不同的波长有不同的吸收率，而吸收量与材料中的水分有 关，因此根据红外线的吸收图谱，可以推测纤维的含水率。 8 浙江理工大学硕上学位论文 此外，还有电容式测湿法、微波吸收法和核磁共振法等等。 2 1 3 环境因素对纸的含水率影响 周围空气环境条件以及平衡时间长短等等外界因素，对纸的含水率的影响很 大。空气环境条件主要有大气压力、相对湿度和温度三个方面，由于地球表面上 大气压力变化不大，这里主要讨论相对湿度、温度与纸的含水率的关系。 1 ) 相对湿度 在温度条件一定的情况下，相对湿度越高，空气中水分子压力越大，单位体 积空气中的水分子数目越多，纸的吸湿机会也比较多，也就导致了纸的含水率的 增加。 2 ) 温度 与相对湿度比较，温度对纸的含水率的影响较小，其一般规律是温度越高， 纸的含水率越低。这是因为，在相对湿度相同的条件下，空气温度低时，水分子 活动能量小，一旦水分子与纸的内部纤维结合后就不易分离，纸的脱湿能力下降， 含水率上升。反之，当空气温度高时，水分子活动能量大，纸的脱湿能力上升， 含水率下降。 2 2 蜂窝原纸含水率评估方程 目前国内外对蜂窝原纸的吸湿曲线研究较少，几乎没有学者构建蜂窝原纸含 水率评估模型。但是，在其他领域拥有一些经典，常用的含水率模型。然而，迄 今尚未找到一个能够覆盖不同温度和相对湿度状态的所有产品的普适性模型，因 此，本文选择用3 种常用的含水率模型拟合蜂窝原纸的含水率，并从中选择最合 适研究蜂窝原纸含水率的模型，确定其参数。 2 2 1b e t 模型 s b r u n a u e r 、e e m m e t t 和e t e l l e r 于1 9 3 8 年提出的b e t 多分子层吸附理论， 其表达方程即b e t 方程，方程如下【4 0 】： b e 配肼) = m = f 面m 雨u c 面r h 瓦丽 ( 2 ) 其中m 为平衡含水率，：为单层含水率：r h 为相对湿度，；c 为热 9 浙江理工大学硕上学位论文 力学比例常数。 经过修正后，将温度丁加入方程，修正方程如下： b e 丁c 丁，足，= m = i f = | 是墨专者兰三 c 3 ， 其中彳、b 、c 为模型参数。 b e t 模型最大优势考虑到了由样品吸附能力的不同带来的吸附层数之间的 差异，这是与以往标样对比法最大的区别。b e t 模型是现在行业中应用最广泛， 测试结果可靠性最强的方法，几乎所由国内外的相关标准都是依据b e t 方程建 立起来的。 2 2 2g a b 模型 基于l a n g m u i r 单分子吸附和b e t 多分子吸附理论，g u g g e n h e r m ，a n d e r s o n 和 d eb o e r 提出了g a b 模型【4 i 】： g 爿b ( 丁，尺日) = m2 i f 二云_ 瓦z 焉丢i 三冬三( 4 ， 其中m 为平衡含水率，；尥为单层含水率；r h 为相对湿度，；后、c 为热力学比例常数。 由于g a b 模型具有热力学理论意义，它已被欧美的食品工程研究人员所采 用，但此时g a b 模型并未考虑温度的影响。1 9 9 3 年j a y a s 和m a z z a 引入了温度 因素r ，将g a b 模型修正为1 4 2 1 ： 爿艿( 吾) r g a b ( t ，朋) = m = 万一 ( 5 ) ( 1 一b r h ) ( 1 一b r h + ( 詈) b r 日) 其中m 为平衡含水率，；丁为温度，o c ；r h 为相对湿度，；a 、b 、c 为模型参数。 修正的g a b 模型不仅有热力学理论意义，同时也考虑了温度的影响，其适 用范围广，可用于水分活度0 1 0 9 的广泛范围和各种物料，目前被用作许多产 品的吸附与解吸等温线模型。 2 2 3c h u n g p f o s t 模型 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 c h u n g 与p f o s t 在1 9 6 7 年以p o l a n y i 吸附理论为基础，认为饱和蒸气压和吸 附水的自由能之差a f 同平衡含水率m 的关系可以用指数形式表示。为了提高 精确度，p f o s t 在1 9 7 6 年修正了该式，模型如t 1 4 3 1 ： c 棚g 一咖s 咿，尺) ：m ：一l n ( t - 了cl n r h ) ( 6 ) 其中r h 为相对湿度，；m 为平衡含水率，；丁为温度，o c ；a 、b 、c 为模型参数。 2 3 试验 2 3 1 试验材料 为了避免生产工艺条件等因素不同而造成的差别，试验材料选择同一家厂商 生产的蜂窝原纸。 蜂窝原纸由荷力胜蜂窝材料集团提供：定量为1 2 0g m 2 ，采用边压强度仪取 样脚】，试样尺寸为1 5 0m m x l 2 5m i i l ，纸纹方向为横向，厚度为o 2 5m m 。试验 样品如图2 1 所示。材料参数如表2 - l 所示 图2 i 蜂窝原纸试验样品 f i g u r e2 - 1t e s ts a m p l eo fc o r r u g a t e dp a p e r 表2 1 蜂窝原纸参数 t a b l e2 - 1p a r a m e t e r so fc o r r u g a t e dp a p e r 2 3 2 试验设备 恒温恒湿箱( 型号：科r 芟j c s c p k m h 1 0 0 0 r 恒温恒湿箱；产地：东莞) ，如 浙江理工大学硕士学位论文 图2 2 。 水分测定仪( 型号：后王s f y 2 0 a 水分测定仪；产地：深圳) ，如图2 3 。 图2 - 2 恒温恒湿箱 f i g u r e2 - 2t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r 2 3 3 试验方法 2 3 3 1 试样温湿度预处理 图2 - 3 水分测定仪 f i g u r e2 - 3m o i s t u r et e s ta p p a r a t u s 为了模拟蜂窝原纸在不同流通环境中的状态，试验参照g b t4 8 5 7 2 2 0 0 5 矧 运输包装件温湿度处理标准进行试样温湿度处理，设置试验环境温度如表2 2 所 示。为了避免误差，处理前必须对试样先进行干燥处理，再将试样放置在恒温恒 湿箱的工作空间内，并将其架空放置，使温湿度调节处理的空气可以自由通过其 顶部、四周和至少7 5 的底部面积，进行4 8 小时的温湿度处理。温湿度处理完 成后，试样必须在离开处理条件5 m i n 内进行试验测定。 表2 - 2 温湿度预处理条件 t a b l e 2 - 2e x p e d m e n t a lc o n d i t i o n s 2 3 3 2 试样含水率测试 将经过温湿度预处理后的试样放入水分测定仪，设置烘干时间为5 m i n ，烘 干温度为1 0 0 ( 2 。设置完毕，启动仪器。5 m i n 后，记录试样的含水率。 2 3 3 3 模型评估方法 运用m a t l a b 软件进行曲线拟合以及参数评估，采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算 1 2 浙江理丁大学硕士学位论文 法进行误差估计，方差和模型参数的收敛取值为1 0 珈，迭代次数不限。用以下 几个参数作为模型评估指标： 1 ) 决定系数( t h ec o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n ) 。它表示拟合曲线的估计 值与对应的实际数据之间的拟合程度，取值为0 到l 之间。当彤越接近l 时， 表示模型的参考价值越高；相反，越接近0 时，表示参考价值越低f 4 5 】。 2 ) 均方差m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) 。它是各数据偏离平均数的距离的平均 数，它是离均差平方和平均后的方根，用盯表示。标准差是方差的算术平方根。 标准差能反映一个数据集的离散程度。均方差越低，说明实验数据越收敛，模型 越适合【4 6 1 。 3 ) 残差平方和r s s ( r e s i d u a ls u mo f s q u a r e ) 。为了明确解释变量和随机误 差各产生的效应是多少，统计学上把数据点与它在回归直线上相应位置的差异称 残差，每一点的估计值和实际值的差的平方之和称为残差平方和，它表示随机误 差的效应。残差平方和越小，说明实验数据越收敛，模型越适合。 2 4 分析与结论 2 4 1 蜂窝原纸含水率试验分析 通过试验得出的蜂窝原纸含水率数据如表2 3 所示 表2 - 3 不同温湿度条件下的蜂窝原纸的含水率试验结果 t a b l e2 - 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h em o i s t u r ec o n t e n to f c o r r u g a t e dp a p e ri nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y 含水率历( ) 温度双。c ) 相对湿度j r 坝) 52 03 04 05 0 3 01 0 4 19 3 27 3l6 6 76 3 3 5 01 2 0 3l o 1 5 8 8 8 9 0 98 2 4 7 01 2 5 9 1 0 9 91 0 8 8 1 0 8 79 2 4 8 0 1 3 1 61 2 0 31 1 0 6l1 3 81 0 2 2 9 01 71 3 8 91 3 1 91 2 3 91 1 4 2 根据表2 3 绘出蜂窝原纸含水率与温湿度的关系图，如图2 4 和2 5 所示。 蜂窝原纸含水率与相对湿度的关系如图2 4 所示。从图中可以看出，当温度 一定时，相对湿度越高，蜂窝原纸的平衡含水率越高，呈上升趋势，温度为3 0 时，当相对湿度从3 0 上升到9 0 时，蜂窝原纸的含水率上升了4 4 5 8 。这是 浙江理工大学硕上学位论文 因为，在一定的温度条件下，相对湿度越高，空气中水分子压力就越大，单位体 积内空气中的水分子数目就越多，蜂窝原纸的吸湿机会就越多，导致其含水率就 越高。图2 4 显示，当温度为5 时，随着相对湿度的上升，蜂窝原纸含水率上 升的幅度最大，这是因为在低温时，水分子与纤维亲水基团结合后就不容易分离， 随着相对湿度的上升，温度越低，与纤维亲水基团结合的水分子就越多，因此含 水率就越高。 熏 y 蓬 解 * 缸 1 7 2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 相对湿度j r h ( 呦 图2 4 同一温度条件下蜂窝原纸含水率与相对湿度的关系 f i g u r e2 - 4t h er e i a t i o nb e t w e e nt h em o i s t u r ec o n t e n to fc o r r u g a t e dp a p e ra n dr e l a t i v eh u m i d i t yi n t h es a m ec o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r e 蜂窝原纸含水率与温度的关系如图2 5 所示。从图2 5 可以看出，当相对湿 度一定时，温度越高，蜂窝原纸的平衡含水率越低，呈下降趋势，例如，相对湿 度为8 0 时，当温度从5 上升到5 0 ，蜂窝原纸的含水率下降了2 2 3 4 。这 和温度增高时，空气中或纤维内部的水分子热运动增大有关。在相对湿度相同的 条件下，环境温度低时，水分子活动能量小，一旦水分子与纤维亲水基团( 例如 羟基) 结合后就不易再分离；当环境温度高时，水分子活动能量大，纤维大分子 的热振动能也随之增大，会削弱水分子与纤维大分子中亲水基团的结合力，使水 分子更容易从纤维内部逸出，造成含水率下降。同时，存在于纤维内部空隙中的 液态水蒸发的蒸气压也随温度的上升而上升，使水分子容易逸出。 值得强调的是，在所有湿度条件中，湿度为9 0 时含水率受温度影响最大， 其下降幅度也最大。这是因为在高温高湿条件下，纤维具有热膨胀的原因。在高 1 4 坫 坞 n 9 7 5 浙江理t 大学硕士学位论文 湿条件下，温度升高时，原纸内部纤维膨胀，导致原纸内部水分子体积减小，含 水率降低。 霎 ! 莲 糌 苌 - - 皇0 7 c 口 星o 5 图3 4 蜂窝原纸相对屈服应力的理论3 d 图 f i g u r e3 - 4t h et h r e e - d i m e n s i o n a ld i a g r a m o fr e l a t i v ee l a s t i cm o d u l u sp r e d i c t e df r o md i f f e r e n t h u m i d i t i e sa n dt e m p e r a t u r e sb yt h em o d e lg i v e ni ne q u a t i o n ( 1 2 ) 由图中很直观的就能看出，蜂窝原纸的相对屈服应力同时受温度和相对湿度 的影响。随着温度的上升，相对湿度的下降，蜂窝原纸含水率下降，导致相对屈 服应力升高。 3 2 2 蜂窝原纸的弹性模量的分析与评估 通过试验得出的蜂窝原纸弹性模量数据如表3 2 所示。测得的蜂窝原纸在标 况下的弹性模量矿。为0 5 5 2 8 g p a 。结合表2 3 ，得出的蜂窝原纸相对弹性模量与 含水率的关系如图3 5 所示。随着含水率的上升，蜂窝原纸的弹性模量呈下降趋 势。 基于多孔材料的氢键链接理论，n i s s a n i s 2 1 结合试验结果研究多孔结构材料的 弹性模量的变化规律，得出多孔结构材料的弹性模量与其含水率呈指数型关系。 因此，蜂窝原纸作为一种纸质多孔材料，它的弹性模量与含水率也应符合指数型 关系。 因此，根据n i s s a n t 5 2 1 的研究，结合表3 2 ，运用m a t l a b 软件将蜂窝原纸的相 对弹性模量与含水率的关系进行指数拟合，得出蜂窝原纸的相对弹性模量预测方 程，方程如下， 量= 2 3 0 8 4 e 。0 脚” ( 1 3 ) 2 4 浙江理工大学硕士学位论文 表3 - 2 蜂窝原纸在不同温湿度条件下的弹性模量试验结果 t a b l e3 - 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ee l a s t i cm o d u l u so fc o r r u g a t e d