（材料物理与化学专业论文）竹纤维发泡缓冲包装材料防护性能研究.pdf

浙江理工大学硕士论文 摘要 在环境污染严重、自然界资源匮乏的大背景下，e p s 等不可降解的泡沫塑料 被逐渐叫停是必然趋势，取而代之的是绿色缓冲包装材料。其中植物纤维类发泡 材料是近几年的研究热点，它是以植物纤维( 废旧报纸、纸箱纸和其他植物纤维 材料) 以及胶粘剂为主要原料，添加发泡剂、增塑剂等其他助剂制作而成，具有 不污染环境、制作工艺简单、成本低廉、原料丰富等优点，可替代e p s 作为缓冲 材料，也可填补纸浆模塑产品无法用于大型包装物件的缺陷，是发泡塑料的理想 替代品。竹也是植物纤维中的一大类，虽然在近几年对其的研究越来越多，但在 缓冲发泡材料的应用上才刚刚起步。 目前对竹纤维作为发泡缓冲材料的研究有了阶段性成果，而且对其工艺条件 的控制以及产品的发泡机理、微观结构、泡孔缺陷的研究也有了重大突破，但在 力学性能的研究上还有待发展。 本文主要论述了竹纤维发泡缓冲包装材料的制备过程，并做出静动态力学性 能的测试。根据竹纤维发泡材料静态平压实验应力一应变关系曲线特征，可把曲 线分解为三个阶段：线性段、波形段和大应变时应力急剧增加段。根据动态力学 性能测试，可归纳出作为缓冲材料的竹纤维发泡材料具有以下三个基本特征：1 材料厚度h 和静应力o 。一定时，冲击加速度g 随跌落高度h 的增大而增加；2 跌 落高度h 和静应力o 。一定时，冲击加速度g 随材料厚度h 的增大而减少；3 当 应变e ( 0 e e 。) 一定时，应力。随跌落高度h 的增加而增加；随跌落次数的增 加而增加；随湿度的增加而降低。 以应力一应变曲线为基础，探讨了发泡体制备过程中原材料、原料表面处理、 发泡剂、胶粘剂、增塑剂、滑石粉等因素对发泡体力学性能的影响。 根据前述竹纤维发泡材料静态平压实验应力一应变关系曲线及前人进行的类 似实验，建立了竹纤维发泡材料平压的非线性本构模型，平均拟合精度均大于9 0 ，计算值与实测值吻合良好。 在构造静态模型的基础上，建立能较全面反映竹纤维发泡缓冲包装材料动态 响应的首次冲击非线性粘弹塑性模型。再考虑到竹纤维发泡缓冲包装材料压缩过 程中的塑性变形、冲击次数及损伤特性等的影响，以首次冲击时竹纤维发泡材料 非线性弹塑性模型为基础，根据实际测试数据提出的竹纤维发泡材料缓冲性能的 浙江理工大学硕士论文 三个基本特征为依据，为反映竹纤维发泡材料衬垫缓冲性能的其他特点，体现塑 性应变、冲击次数、材料损伤、湿度变化对衬垫动态性能的影响，建立了连续多 次冲击的2 2 参数非线性粘弹塑性模型，对变形种类、温湿度的影响以及材料对冲 击能量的吸收性和衬垫塑性变形进行了综合考虑。可仅根据一两组试验数据，识 别出模型参数，能够全面反映竹纤维发泡缓冲包装材料的缓冲特性。 该模型的建立及其参数的成功识别，不仅解决了竹纤维发泡缓冲包装材料的 平压动力学计算问题，为缓冲包装优化设计创造了条件；也解决了测试工作量庞 大的问题，通过少量测试，识别出模型参数，便可全面掌握竹纤维发泡缓冲包装 材料平压的缓冲性能。 关键词：竹纤维；缓冲包装材料；缓冲性能；非线性粘弹塑性模型。 浙江理工大学硕士论文 a b s t r a c t b e c a s u s eo ft h es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h es h o r t a g en a t u r a lr e s o u r c e s ， e p sa n do t h e rn o n - d e g r a d a b l ef o a mb e i n gs u s p e n d e da n db e i n gr e p l a c e db yg r e e n b u f f e r sp a c k a g i n gm a t e r i a l si st h ei n e v i t a b l et r e n d t h ep l a n tf i b e rf o a l l lm a t e r i a li s t h ef c o u s ei nr e c e n ty e a r sr e s e a r c h i ti sb a s e do np l a n tf i b e r ( w a s t ep a p e r p a p e r c a r t o n sa n do t h e rp l a n tf i b e rm a t e r i a l s ) ，a n di sp r o d u c e db ya d h e s i v ea st h em a i nr a w m a t e r i a l , a d d i n gf o a m i n ga g e n t ，p l a s t i c i z e r sa n do t h e rh e 1 pa g e n t t l l i sm a t e r i a ld on o t p o l l u t et h ee n v i r o n m e n ta n dr i c ho fr a wm a t e r i a l s i t sp r o d u c t i o np r o c e s si ss i m p l e a n d1 0 w c o s t 。w h i c hc a nb eu s e da saa l t e r n a t i v eb u f f e rm a t e r i a lo ft h ee p s i n a d d i t i o ni tc a nb em a k eu pf o rt h ed e f e c t st h a tm o l d e dp u l pc a nn o tb eu s e df o r p a c k a g i n go fl a r g eo b j e c t s i ti st h ei d e a ls u b s t i t u t eo fp l a s t i cf o a m b a m b o oi sa l s oa p l a n tf i b e ri no n eo ft h i sm a j o rc a t e g o r i e s a l t h o u g hi nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r eo f i t sr e s e a r c hh a sb e e nt a k eo n , b u tt h er e s e r a s hi nt h ef o a l nc u s h i o nm a t e r i a lf o r a p p l i c a t i o n sh a sj u s tb e g u n a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fb a m b o of i b e ru s i n ga st h ef o a l nc u s h i o nm a t e r i a lh a sg o t s t a g ea c h i e v e m e n t ，t h e i rr e s e a r c hs u c ha s t h em e c h a n i s mo f p r o d u c t sf o a m i n g ， m i c r o s t r u c t u r eo ft h ed e f e c t i v ec e l lh a st a k eam a j o rb r e a k t h r o u g h , b u tt h er e s e a r c hi n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r et ob ed e v e l o p e d i nt h i sp a p e r id i s c u s s ed e t a i l e d l yh o wt om a k i n gt h eb a m b o of i b e rp a c k a g i n g f o a mc u s h i o nm a t e r i a l , a n dt e s t i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt ot h eb a m b o of i b e rf o a mm a t e r i a ls t a t i c p r e s s u r ee x p e r i m e n t a ls t r e s s - s t r a i nc u r v e s ，t h ec u r v e sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：l i n e a r , w a v e ，a n das h a r p i n c r e a s eo nt h es t r e s sr e s p o n s e b a s e do nt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t i n g ， w ec a nn a r r o wi td o w na sab u f f e rm a t e r i a lo fb a m b o o 丘b e rf o a mm a t e r i a lh a st h e f o l l o w i n gt h r e eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ：1 nt h et h i c k n e s so ft h em a t e r i a l ”a n d s t a t i cs t r e s s 0 0 ”i sc e r t a i n , t h ei m p a c to fa c c e l e r a t i o n g ”i n c r e a s e sw i t hah i g h d e g r e eo ff a l l i n g h ”i n c r e a s e s ；2 w h e nd r o ph e 逸h t h ，a n ds t a t i cs t r e s s ”i s c e r t a i n t h ei m p a c to fa c c e l e r a t i o n “g r e d u c e db yt h ei n c r e a s eo fm a t e r i a lt h i c k n e s s h ；3 w h e nt h es t r a i n “e ”( 0 b ) i sc e r t a i n ，t h es t r e s s b ”i n c r e a s e sw i t hah i g h d e g r e eo ff a i l i n g “h ”i n c r e a s e s ；i n c r e a s e sw i t ht h ef a l l i n gn u m b e ri n c r e a s e s ；吼la st h e h u m i d i t yi n c r e a s e s b a s e do ns t r e s s s t r a i nc u r v e s ，w ed i s c u s ss e v e r a lf a c t o r st h a ti m p a c t st h ep h y s i c a l p r o p e r t i e so ft h ef o a l ns u c ha st h er a wm a t e r i a l s ，r a wm a t e r i a l sp r o c e s s i n go i lt h e s u r f a c e ，b l o w i n ga g e n t s ，a d h e s i v e s ，p l a s t i c i z e r s ，t a l c ，a n do t h e r sd u r i n gt h ep r e p a r a t i o n o f t h ef o a m a c c o r d i n gt ot h es t r e s s s t r a i nc u r v ei nt h ef o r e m e n t i o n e df o a l nm a t e r i a l sb a m b o o f i b e rs t a t i c p r e s s u r e e x p e r i m e n t a la n ds e v e r l a s s i m i l a r e x p e r i m e n t s ，e s t a b l i s ha b a m b o of i b e r - p r e s s u r ef o a mm a t e r i a ln o n 1 i n e a rc o n s t i t u t i v em o d e lf i t t i n gw i t ha n a v e r a g ea c c u r a c yo fm o r et h a n9 0 c a l c u l a t e dw e l lw i t ht h em e a s u r e dd a t a b a s e do l lt h es t a t i cm o d e ls t r u c t u r e ，e s t a b l i s ht h ef i r s tt i m ea t t a c k so nt h eb a m b o o f l b e r - p l a s t i cf o a l nm a t e r i a ln o n - l i n e a rm o d e l ，t h a ti sam o r ec o m p r e h e n s i v er e f l e c t i o n o fb a m b o of i b e rf o a mc u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a l su n d e rr o w - p r e s s u r es h o c k t a k i n g i n t oa c c o u n tt h eb a m b o of i b e rc o m p r e s s e df o a mc u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a l si nt h e 浙江理工大学硕士论文 p r o c e s so fp l a s t i cd e f o r m a t i o n , t h ei m p a c to ft h en u m b e ra n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n j u r y a n ds oo n b a s e do nt h ef i r s tt i m ea t t a c k so nt h eb a m b o of i b e r - p l a s t i cf o a l lm a t e r i a l n o n - l i n e a rm o d e la n dt h ea c t u a lt e s td a t as u b m i t t e db yb a m b o of i b e rf o a n lc u s h i o n m a t e r i a lp r o p e r t i e so ft h et h r e eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i no r d et or e f l e c tt h eb a m b o o f i b e rf o a l lp a dc u s h i o n i n gm a t e r i a lp r o p e r t i e so fo t h e rf e a t u r e sa n dr e f l e c tt h ep l a s t i c s t r a i n , t h en u m b e ro fs h o c k s ，m a t e r i a ld a m a g ea n dh u m i d i t yc h a n g e si nt h el i n i n go f t h ed y n a m i cp r o p e r t i e s ，e s t a b l i s hs e v e r a la t t a c k so nt h ep a r a m e t e r so ft h e2 2 n o n - l i n e a rv i s c o p l a s t i cm o d e ，w h i c hc o n s i d e r e dt h et y p eo fd e f o r m a t i o n , t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t ya sw e l la st h ei m p a c to fe n e r g ym a t e r i a li m p a c to nt h ea b s o r b e n tp a d a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o t lo n l yt w og r o u p st e s td a t an e e db em e a s u r e d ，t h a tw ec a n r e f l e c tt h eb a m b o of i b e rc u s h i o np a c k a g i n gf o a mc u s h i o nm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d i d e n t i f yt h em o d e lp a r a m e t e r s ， t h em o d e l se s t a b l i s h m e n ta n di t sp a r a m e t e r si d e n t i f i e ds u c c e s s f u l l y n o to n l y s o l y et h eb a m b o of i b e rp a c k a g i n gf o a mc u s h i o nm a t e r i a lf o rp r e s s u r e d y n a m i c s c a l c u l a t i o n , t h a to p t i m i z et h ep a c k a g i n gd e s i g no ft h eb u f f e rc r e a t e dc o n d i t i o n s ；a l s o s o l v et h ep r o b l e mo ft h eh u g ew o r ko ft h et e s t ，i d e n t i f yt h em o d e lp a r a m e t e r sa n dg e t af u l l p i c t u r e o fb a m b o of i b e rf o a n lc u s h i o n p a c k a g i n gm a t e r i a l s p r e s s u r e p e r f o r m a n c eo ft h eb u f f e r b yas m a l ln u m b e ro ft e s t s k e yw o r d s ：b a m b o of i b e r ；c u s h i o n i n gp a c k a g i n gm a t e r i a l s ；c u s h i o n i n gp r o p e r t y ； n o n - l i n e a rv i s c o e l a s t i cp l a s t i c i t ym o d e l 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日翥筠摹弩憩乎 醐：矽刁弘毗副 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 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，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密e l，在 不保密。 淼箨瓣 醐p 凯日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：驴 日期：汐7 年弓月j 浙江理工大学硕士论文 第一章综述 1 1 缓冲材料的发展状况 在大量使用泡沫塑料做缓冲包装材料之前，人们主要将稻麦草、稻壳、刨花、 纸屑、木丝和藤丝等用于包装容器内空隙填充，起限位隔离和缓冲作用。但是这 些材料易吸潮，吸潮后极易长霉、长虫。而且，由于零散使用，造成包装操作困 难，缓冲性能难以预测；拆卸时，凌乱烦杂，给人以不愉快的感觉，所以不能用 于高、精、尖产品的包装，更不适于礼品包装。为此，人们就开发了一系列的缓 冲包装材料n 捌。 泡沫塑料由于其良好的缓冲性能和吸振性能近代广泛使用的缓冲材料。目前 市场上大量使是聚苯乙烯泡沫塑料，这种泡沫塑料对于大批产品包装具有很大优 势，但对于一些不能成批产品却不合适，如几件、几十件的产品，人们就能做 几套昂贵的模具作为聚苯泡沫塑料成型件氨脂泡沫塑料为这种产品提供了一种 方便、可包装方法。它可直接灌注在包装箱内，不用任何模具，以包装物和被包 装物为模瞬时成型。这种塑料适应性强，对任何不规则的产品，特别是异碎物品， 均能按其形状空间填满，使物品被牢固定在包装箱内。由于其可将被包装物包裹 起来，物品同包装物接触面积大，在碰撞时，单位面积所受的力很小，物品不易 受损。 尽管泡沫塑料具有重量轻、易加工、保护性能好、适应性广、价廉物美等优 势，但是也存在着体积大、废弃物不能自然风化、焚烧处理会产生有害气体等缺 点。在环境污染严重、自然界资源匮乏的情况下泡沫塑料对环境的危害引起人们 的极大重视。虽然随着科技的发展已经研制出可降解的塑料，但是这种塑料价格 昂贵，处理的条件要求严格，且不能百分之百地降解，因此这种可降解塑料的大 范围推广应用受到限制。所以，泡沫塑料将逐渐被其它环保缓冲材料所替代 4 1 。 由于泡沫塑料的不可降解性，越来越多的国家和环境保护的相关人士要求停 止使用e p s 、e p e 等不可降解的泡沫塑料，以减轻“白色污染 给生态环境带来 的负担。而且随着自然资源的日益消耗，以石油为原料的发泡塑料也面临着原料 短缺的问题。因此迫切需要绿色可持续发展的缓冲材料来填补包装市场。 纸质缓冲包装材料的使用己有一段历史。但是，由于泡沫塑料在价格和性能 上的优势，纸质缓冲包装材料的发展受到了限制。近几年来，严重的环境污染问 浙江理工大学硕士论文 题促使人们把目光转移到环保型缓冲包装材料的发展上。纸质缓冲包装材料就是 其中一类。目前市场上使用较多的纸质缓冲包装材料有瓦楞纸板和蜂窝纸板。瓦 楞纸板具有加工性良好、成本低、使用温度范围比泡沫塑料宽、没有包装公害等 优点。但也存在一些缺点：如表面较硬，在包装高级商品时不能直接接触内装物 的表面，使内装物与缓冲纸板之间出现相对移动而损坏内装物表面；耐潮湿性 能差；复原性小等。向明介绍了一种新型缓冲包装结构瓦楞纸板与塑料薄膜 相结合的形式。它不仅克服了瓦楞纸板表面较硬这个缺点，而且对各种形状的产 品都可采用相同的包装形式，省去了加工特殊形状缓冲衬垫这道工序的费用和时 间。针对复原性小这个缺点，何慧君【5 】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。蜂窝纸板 的比强度和比刚度高，材耗少、重量轻、内芯密度几乎可与发泡塑料相当。蜂窝 纸板由于内芯中充满空气且互不流通， 因此具有良好的防震、隔热、隔音性 能。蜂窝纸板的生产采用再生纸板材料和水溶胶粘剂，可以百分之百回收，克 服了泡沫塑料衬垫对人和自然环境的危害。它是包装领域替代木箱、塑料箱( 含 塑料托盘、泡沫塑料) 的一种新型绿色包装材料。适用于精密仪器、仪表、家 用电器及易碎物品的运输包装。瓦楞纸板和蜂窝纸板各有优势。蜂窝纸板因其独 特的结构使其较瓦楞纸板具有更强的抗压、抗折能力。蜂窝纸板重量轻这个优点 使其在材料成本上比瓦楞纸板更具优势。但是，在抵挡外物侵入的能力上， 瓦 楞纸板却比蜂窝纸板高出几倍。在生产成本上，蜂窝纸板生产设备的生产效率远 不如瓦楞纸板高，所以在材料加工费上瓦楞纸板要比蜂窝纸板低得多。为了综 合瓦楞纸板和蜂窝纸板的优点，研究工作者们正致力于这两种材料复合件的研 究工作，以期得到更好的缓冲包装结构。耿敏、熊宏智等在这方面的研究蜂窝 纸板复合件的优越包装材料的发展方向【卵】。 纸浆模塑是以纸浆( 或废纸) 为主要原料，经碎解制浆、调料后，注入模具 中成型、干燥而得。该制品原料来源丰富，生产与使用过程无公害，产品重量 轻，抗压强度大，缓冲性能好并具有良好的可回收性。纸浆模塑制品在我国发展 较快，但因其强度所限，目前只在一些小型电子产品、水果、蛋类等物品的缓 冲包装中使用，未能用于较重产品的缓冲包装。 早期的气垫缓冲材料为气垫薄膜，它是用聚氯乙烯薄膜高频热压成形，内 2 浙江理工大学硕士论文 充氮气，外形类似小枕头，透明、富有弹性，适用于轻小型产品的缓冲包装但是 该气垫薄膜易受其周围气温的影响而膨胀和收缩。膨胀将导致外包装箱和被包装 物的损坏，收缩则导致包装内容物的移动，从而使包装失稳，最终引起产品的破 损。新型气垫缓冲材料由具有柔性和弹性的聚氨脂材料与普通气垫缓冲材料组 成，克服了气垫薄膜的上述缺点。同时，它还采用多层聚乙烯薄膜与高强度、耐 磨损的尼龙布作为缓冲垫的表面材料，延长了其使用寿命，使之可以回收利用， 大大减少了包装废弃物对环境的污染。日本松下公司已将该缓冲材料用于袖珍机 的包装，并将在小型精密仪器和大型家电的包装中使用。 在目前发展的纸浆模塑、蜂窝纸板等纸制缓冲材料中，虽然可以完全降解， 达到了环境保护的要求，但在性能上却与发泡塑料差别较大。如纸浆模塑制品过 于致密，抗震耐冲击性能不及e p s 材料的1 t o ，而且该制品的抗震耐冲击性能 主要是通过制品的几何结构来保证，受模具结构及加工的影响严重，同时，成本 也较高，制品的发展受到很大的制约，只能制作小型包装衬垫【8 。9 】。 植物纤维类缓冲包装材料是在考虑充分利用自然资源的情况下发展起来的。 目前已经研制出来的这类材料有；农作物秸秆缓冲包装材料、聚乳酸发泡材料、 废纸和淀粉制包装用泡沫填料。用农作物秸秆粉碎物和粘接剂作为原料，经混 合、交联反应、发泡、浇铸、烘烤定型、自然干燥等工艺后，即可制成减 震缓冲包装材料。这种材料在低应力条件下，具有比聚苯乙烯泡沫塑料更好的 缓冲性能，而且可降解、原料价廉易得。日本针纺合纤公司以从玉米中提取的 聚乳酸为原料，制作出可生物降解的发泡材料。这种发泡材料的强度、缓冲性、 耐药性等均与苯乙烯泡沫塑料相同，而且可以使用现有的塑料发泡材料制作设 备；用后焚烧产生的热量仅是苯乙烯的i 2 - 1 3 ，不会损坏焚烧炉；使用后可 以堆肥还田，并且不会污染土壤。 用废纸和淀粉为原料制成的包装用泡沫填料，是将废纸或劣质纸张切成或粉 碎成细末，碾成独特的纤维，再与淀粉掺和在一起，然后应用发泡的方法使其形 成多孔的小球。用这种小球作包装用泡沫填料，能承受的冲撞优于苯乙烯泡沫塑 料，且价格比苯乙烯便宜，更重要的是这种材料丢弃以后，能很快地被微生物和 真菌分解，不会对环境带来不良影响。玉米是我国北方地区广泛种植的农作物， 植物纤维类缓冲材料充分利用了这种自然资源，所以极具开发潜力。在人类资源 浙江理工大学硕士论文 匮乏的情况下，着眼于这类材料的开发研制工作，亦是缓冲包装材料发展的大势 所趋 1 0 - 1 5 】。 1 2 缓冲材料的力学性能研究发展状况 表征缓冲包装材料缓冲特性最经典的方法是采用静态或动态材料本构关系。 1 9 5 2 年j a s o n 提出基于变形能的缓冲系数概念来表征缓冲包装材料的性能，后 来又扩展为动态缓冲系数概念。1 9 6 1 年，f l a n k l i n 和h a t a e 提出了最大加速度一静 应力曲线，根据这些经验曲线，可简便地设计计算单自由度系统跌落缓冲包装设 计，但误差较大。1 9 7 4 年c o s t 、m c d a n i e l 和w y s k i d a 分别建立了某种包装材料 下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， 从这个表达式直接计算最大加速度值。人们主要研究了这几类缓冲材料的缓冲性 能：泡沫塑料、瓦楞纸板、蜂窝纸板和纸浆模塑陋训。 1 2 1 泡沫塑料缓冲性能的研究 在大量使用泡沫塑料作为缓冲包装材料之前人们就开始研究其缓冲性能。 t h r o n e 研究了低密度闭孔泡沫塑料的应力一应变曲线和动特性。t r o y l t o t t e n 等 研究了多冲击对闭孔泡沫塑料缓冲性能的影响。胡强等对泡沫塑料衬垫提出了2 9 个参数的非线性粘弹塑性模型并用于物品缓冲包装的优化设计。王正玲等对带结 构的e p s 防震包装材料的动特性进行了研究，在材料的粘弹性非线性本构方程中 引入了一个加权函数来表示材料形状特性。沈怀荣等介绍了一种用于聚氨脂泡沫 塑料衬垫的粘弹性有限元分析程序，利用积分本构关系计算了轴对称衬垫中的应 力松弛。罗兰通过对聚苯乙烯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、聚氨脂泡沫塑料这 三种缓冲材料进行动态压缩试验，研究缓冲材料的动态压缩性能，绘制出动态 压缩特性曲线，找出其规律性及材料的密度、厚度、跌落高度对动态压缩特性 曲线的影响，指出动态压缩对缓冲包装设计的影响舢们。 1 2 2 瓦楞纸板缓冲性能的研究 瓦楞纸板的使用具有悠久的历史。对瓦楞纸板力学性能的研究，国内外许多 学者作了不少工作。 c o x g 在1 9 5 4 年研究瓦楞纸箱侧板的受力分析时，得到一个半经验公式，指 出纸箱侧板的压损强度与临界载荷及材料的边压强度有一个幂函数关系；m c k e e 在1 9 6 3 年导出了纸箱抗压强度( b c s ) 的m c k e e 简化公式；j m a r c o n d e s 研究 4 浙江理工大学硕士论文 了瓦楞纸板的缓冲性能及湿度对其缓冲性能的影响。f r o u s s e r i e 和j p o u y e t 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。 近十几年来，国内对瓦楞纸板也进行了大量的研究。吴天明对瓦楞纸板的平 压冲击性能进行了研究。高德对瓦楞纸板的平压、边压及侧压进行了测试，给出 了相应的应力应变曲线，并初步探讨了纸板非线性粘弹塑性模型的建立方法。许 文才等对几种常用结构形式的瓦楞纸板衬垫进行了动态性能测试，得出了其相应 的最大加速度一静应力曲线。由于瓦楞纸板的缓冲性能涉及非线性、塑性变形等， 规律性十分复杂，为了进一步对其进行研究，高德等通过测试和应用非线性粘弹 性理论对瓦楞纸板衬垫的压缩性能进行了理论性描述，在此基础上，建立了2 2 个 参数b 型双层瓦楞纸板衬垫平压时的非线性粘弹塑性模型，解决了瓦楞纸板衬垫 的平压动力学计算问题，为缓冲包装优化设计创造了条件乜h 副。 1 2 3 蜂窝纸板缓冲性能的研究 对蜂窝纸板的研究始于4 0 年代。目前，国外的研究已经深入到蜂窝结构的力 学模型、蜂窝芯的平面压缩数值模拟等。还研究了蜂窝结构隔热、隔音、吸震性 能，研究出的蜂窝新产品包括具有双向强度的蜂窝板、用碳纤维加强的蜂窝结构 等。国内对蜂窝纸板的研究大多处于试验研究阶段。郭彦峰、许文才等对比研究 了4 种厚度的蜂窝纸板的静态曲线，分析了纸厚度与抗压强度的关系；王梅通过 对蜂窝纸板的静态压缩性能试验，对其缓冲性能进行了研究。张改梅通过对蜂窝 纸板进行静态压缩实验，进一步研究它的缓冲性能，得到了应力一应变、缓冲系数 一应变曲线，得出了蜂窝纸板厚度对缓冲性能影响不大的结论啪删。 1 2 4 纸浆模塑缓冲性能的研究 近十几年来，纸浆模塑制品迅速发展。d a n n y g e a g l e t o n 啪1 将纸浆模塑材料 的缓冲曲线与聚苯乙烯的相似曲线作比较，发现纸浆模塑在低应力和一次冲击的 情况下比聚苯乙烯泡沫塑料具有更好的缓冲性能。康勇刚等对纸浆模制品结构缓 冲性能进行了研究，得出纸浆模制品结构对其缓冲性能影响很大的结论。 j o r g e m a r c o n d e s 啪1 等指出了纸浆模塑制品的缓冲能力是结构单元侧壁的周长的函 数，而不是受力面积的函数。王高升等根据纸浆模塑缓冲结构单元的静态压缩曲 线研究了纸浆模塑缓冲包装结构设计的原理b u 。 5 浙江理工大学硕士论文 1 3 论文研究的目的与意义 竹也是植物纤维中的一大类，我国是世界上面积最广、资源最多、利用最早 的竹业国家。竹子种类、竹林面积和蓄积量均居世界最冠，素有“竹子王国 之 美称。浙江省是我国重点产竹省份之一，竹类资源十分丰富，竹业生产历史悠久。 至2 0 0 0 年底全省拥有竹林面积约7 5 万时。占森林面积的1 3 5 ，其中毛竹占 9 0 以上。竹业既是浙江林业的特色产业，也是全省农业的传统优势产业p 2 】。 而且竹子在性能上与其他植物纤维也有相当差别。竹纤维素大分子的重复单 元每一个基环内有三个羟基( 一o h ) ，这些羟基形成分子内氢键，使竹纤维纤维素 具有强极性。分子式如下： 竹材中的半纤维素绝大部分位于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上，被认为是 纤维素细胞间的填料和粘结物质。竹子半纤维素主要为木聚糖( 戊聚糖) ，是由 b - d 一木吡喃糖通过1 - 4 苷键连接而成，并带有4 - 6 - 甲基_ d 一葡萄糖醛酸和l 一阿拉伯 糖基侧链。木质素是一种量大而又可再生的有机资源，是植物细胞壁的主要组成 部分之一。竹木质素属于阔叶林木质素，主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香基丙 烷的结构所构成。存在于胞问层和微细显微间，而且有一定的粘合能力。木质素 的一部分与半纤维素有化学连接，但与纤维素无化学连接。其含量的多少是影响 纤维品质的重要因素。在纺丝及制浆过程中，都要进行脱木质素以提高纤维质量。 表1 1 竹子与其他植物的特性比较 从表1 1 可以看出，竹子的纤维素含量一般4 0 - 6 0 ，低于木材，高于一般草 6 浙江理i 大学硕士论文 类，聚戊糖含量高于针叶术，接近阔叶木水平，灰分含量比木材高，但比麦草和 芦苇要低。 单根竹纤维细长，呈纺锤状，两端尖。纤维内壁均较平滑，胞壁甚厚，胞腔 小，纤维表面有沟槽( 如图l 1 ) 。横截面形态为不规则腰圆形、椭圆形，有中腔， 表面有很多裂纹( 如图i 2 ) 。 圈i 1 竹纤维衰面形态 田1 2 竹纤维截面形态 在纤维长度方面，属于中长纤维，比草类纤维长。纤维的长度愈长，纤维的 强度就愈大，纤维的长宽比愈大，单位面积中纤维之间相互交织的次数多，强度 也愈高，这在植物发泡体中有很大的作用p 3 - 。 。 所以将竹纤维作为原料，开发缓冲发泡材料具有双重意义：一方面可以消除 “白色污染”，改善生态环境，实现可持续发展；另一方面，可以开发竹纤维的 新的用途，为缓冲包装行业提高新材料。 目前对竹纤维作为发泡缓冲材料的研究有了阶段性成果，而且对其工艺条件 的控制以及产品的发泡机理、微观结构、泡孔缺陷的研究也有了重大突破，但在 力学性能的研究上还有待发展。从以上儿种材料的性能研究历史来看，当今陶内 外对这些缓冲材料的研究还大都处于试验研究阶段。至于理论研究也仅仅是对试 验结果的分析、修正。这种研究方法无法很好地描述材料本身的性能，要真正 掌握材料特性，就应浚从材料入手，建立材料的力学模型。如对纸板弯曲和粘 弹性的研究、建立纸板跌落时的应力应变关系、最大加速度与静应力和跌落次数 的关系、加速度与时问、缓冲系数、能量等参数的关系、包装材料动态曲线与时 m j 和温度的关系。 具体来看，通常在做力学性能研究时常根据最火加速度与静应力曲线，或利 用缓冲系数计算出缓冲衬垫的承压面积和厚度进行单自由度系统的跌落缓冲包 浙江理工大学硕士论文 装设计。但获得上述曲线的测试工作量十分巨大，这一用测试数据描述材料性能 的方法，不适用于产品具有多自由度或连续体的情况，不能给出产品一包装系统 动态响应的变化过程及各元件( 尤其是易损元件) 动态响应的差异，难以探讨复杂 形状缓冲衬垫的多自由度物品包装优化设计问题。要克服上述缺点，必须建立缓 冲性能的理论模型，通过少量测试数据识别模型中的待定参数，进而将此模型应 用于产品一包装系统的动力学分析计算，实现包装缓冲设计的计算机化。为竹纤维 发泡缓冲材料在缓冲包装材料的优化设计中，尤其是在大型电子、机电产品、家 用电器的缓冲包装优化设计中被广泛应用提供必要的科学理论依据呦吨1 。 1 4 论文研究的思路与内容 i 4 1 论文的思路 总体思路是在制作好的竹纤维发泡缓冲包装材料的基础上研究以其为主构的 缓冲包装系统的缓冲性能、建立缓冲性能模型、分析相关参数对系统的影响，使 该类包装系统的动力学特性更加明确型。 建立理论模型的依据是非线性粘弹塑性材料的三维微分型本构方程，在该方 程中略去应力、应变及其导数的高次幂项就为一维情况；略去应力、应变的导数项 及塑性应变项就变成静态情况。因此，可从最简单的一维静态情况建模。通过实验 并借鉴前人的实验结果，建立静态的应力应变关系。这一关系应该能反映缓冲性能 的基本特征。而后，在此关系式中增加应力应变的导数项、塑性应变项，将e 看作 粘弹性应变，形成动态模型的基本格局，这是本文建模过程的总体思路。 1 4 2 论文的主要内容 ( 1 ) 选择原料制备竹纤维发泡缓冲包装材料并根据应力一应变曲线分析制备 过程中力学性能的影响因素，进而确定合理的配方； ( 2 ) 以静态应力一应变曲线为基础构造静态非线性粘弹塑性模型，识别其参 数，并拟合曲线与实测值进行比较； ( 3 ) 依据己建立静态非线性粘弹塑性模型及动态缓冲特性构造出动态的首次 冲击6 参数非线性模型，然后综合考虑变形种类、温湿度的影响以及材料对冲击 能量的吸收性和衬垫塑性变形等因素，建立了连续多次冲击的2 2 参数非线性粘弹 塑性模型，识别模型参数并根据所识别模型在连续五次冲击后进行计算值与实测 值的比较。 8 浙江理工大学硕士论文 第二章发泡体的制备及力学性能影响因素分析 2 1 实验材料与试剂 竹浆：慈竹浆，四川省夹江县华润纸厂； 马铃薯淀粉：生化试剂，上海化学试剂公司； 碳酸氢钠：n a h c 0 3 ，白色结晶状粉末，分析纯，上海四虹光化工试剂厂； 碳酸氢铵；n h , , b c 0 3 ，白色粒状晶体，分析纯，天津市博迪化工有限公司； 无水碳酸铵：( ) 。c 魄，白色片状固体，分析纯，上海四赫维化工有限公司； a c ：淡黄色粉末，市售； 滑石粉；白色粉末，分析纯，中国莲花化学试剂厂； 四硼酸钠：n a 2 8 4 0 ，l o 吃o ，无色透明的结晶性粉末，分析纯，江苏太仓化工二厂； 氢氧化钠；白色固体，分析纯，浙江省兰溪市屹达化工试剂有限公司； 丙三醇：无色液体，分析纯，上海三鹰化学试剂有限公司； 无水乙醇：c 地c h 2 0 h ，分析纯，浙江省兰溪市屹达化工试剂有限公司； 2 2 设备与仪器 电子天平：p l 6 0 2 - s ，测量范围0 5 - 6 1 0 9 ，梅特勒一托利多( 上海) 有限公司； 纤维标准解离器：g b j - a 型，长春市月明小型试验机有限责任公司； 强力电动搅拌机；j b 9 0 - d 型，调速范围5 0 - 1 4 0 0 转分，上海标本模型厂制造； 可控硅恒温水浴锅：k g c 2 1 0 r 6 型，温度范围3 7 - 1 0 0 ，上海锦屏仪器仪表有限 公司； 格兰仕微波炉；g a l a n z ，p 7 0 2 3 t p - k 7 ，广东省佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有 限公司； 电热鼓风恒温干燥箱：d h g - 9 1 4 0 a ，上海精宏实验设备有限公司； 电子万能试验机：r 6 l 2 0 - a 型，规格2 0 k n ，深圳市瑞格尔有限公司； 缓冲材料冲击试验机：y 5 2 - 2 z f 型，西安捷盛电子技术有限责任公司； 游标卡尺：0 - 1 5 0 m m ，分度值0 0 2 r a m ，杭州工具量具有限公司 2 3 静态压缩试验方法 缓冲材料的静态压缩试验主要用来测定缓冲材料的压缩力一变形特性和材料 的压缩变形量与复原性能。按照国家标准g b 8 1 6 8 - 8 7 包装用缓冲材料静态压缩 试验方法，在电子万能试验机上对样品进行静态压缩试验【4 2 4 3 1 。试验上压板的 9 浙江理工大学硕士论文 速度通常为( 1 2 3 ) m m m i n ，接近于静态力。得到压力一变形或应力一应变曲线。 其静态压缩性能测试如图2 1 所示： l 2 3 1 上压板2 发泡材料3 下压板 图2 1 静态压缩测试图 应力 仃：_ p ( 2 1 ) 式中：仃应力，p a ； p 所加载荷，n ； a 式样面积，m 2 。 应变 g = t o 一- t x 1 0 0 ( 2 2 ) 瓦 式中；瓦试样原始厚度，c m