纸浆模塑制品的结构设计及力学性能

曹国荣 张勇 田羽 郑华明 韩静 张晓磊 北京印刷学院

摘　要:对纸浆模塑制品的发展现状及其性能研究的进展作了详细的综述，并提出对纸浆模塑制品的研究，应着重在材料特性参数即材料的弹性模量、泊松比、剪切模量与材料的紧度、温度和湿度的函数规律及单元结构和整体结构在静载及动载下的基本力学性能方面，形成纸浆模塑制品的理论设计方法，较好地解决其设计周期长和模具成本高的问题。

关键词:纸浆模塑 结构设计 力学性能

    关于纸浆模塑的定义很多，至今还没有统一的定义，通常人们将它定义为：纸浆模塑是以一定浓度的纸浆，加入适量化学助剂，在带有滤网的模具成型机中，通过真空或加压的方法使纤维均匀分布在模具表面，从而形成具有拟定几何形状与尺寸的湿纸模坯，经过进一步脱水脱模，干燥整饰而成的制品。随着纸浆模塑制品工艺的发展，如形腔式纸浆模塑制品工艺的出现，此定义已不够准确和完整。形腔式纸浆模塑制品采用组合模具的加工方法，纸浆模塑制品在结构上是某种形式的封闭空腔或成型为小开口容器。形腔式结构的纸浆模塑制品需要专用的成型设备和工艺完成这一类纸浆模塑制品的生产加工。该类纸浆模塑制品多作为盛器或装饰物。组合加工形式则是通过多个不同形状的纸浆模塑体在成型时，通过组合实现某种应用需要，完成所需的包装功能。

    纸浆模塑制品从原料、生产工艺到{zh1}的废弃物的处理方式都充满了 绿色 。具有制造成本低，不污染环境，可回收利用等优点，成为替代EPS等发泡材料的环保型制品。由于纸浆模塑制品对产品的保护作用主要是依靠结构单元实现，所以结构设计是制品缓冲包装设计的要点。到目前为止，制品的结构设计还采用经验设计法，缺乏成熟理论与设计规范，使设计出的制品可靠性能差，为了保证制品的结构强度，往往增加制品的厚度或者采用较复杂的结构，这不仅浪费了纸浆材料，还增加了模具成本，从而导致制品总成本的增加，成为替代EPs等材料应用进程中的瓶颈问题。

1 纸浆模塑制品发展

    满足环保要求的包装制品在市场中越来越有竞争力，纸浆模塑制品正顺应了这一点，其主要应用在工业品内包装，禽蛋托盘，鲜果托盘，食品及其半成品包装、医疗器具包装，制作儿童玩具、戏剧道具、工艺品底坯、家具、零部件等的特种材料，军工、服装等行业包装等。纸浆模塑制品的现有应用领域比较有限，主要原因是模具设计制造成本高，当销量不够大时，产品的成本问题尤为突出，因而制约了它的发展和应用进程。还有其性能的提高，需要开发新的产品与新工艺，而这个过程又需要设计相应的设备，如果工艺或者设备的结构复杂，也会导致较高的成本，影响产品的应用推广。在国外一次性纸浆模塑尿壶已经替代了聚酯材料制作的多次性使用尿壶，目前在我国市场上还未见使用，原因是医院和聚酯材料制作尿壶厂商已经形成了固定的供求关系，在没有政府的相关法规限制时，环保的纸浆模塑一次性尿壶很难改变市场格局，但制作其产品的设备，北京碧生源环保科技发展有限公司已经制造生产，并远销东南亚。该公司正在研发的形腔式蜂窝纸浆模塑板材，可以替代蜂窝瓦楞纸板，甚至用于取代建筑材料领域的EPS保温板材，发展前景十分看好。

2 纸浆模塑制品性能研究进展

    目前国内外研究主要集中在制浆、成型设备、工艺和模具结构设计等方面 J，而对缓冲结构设计理论研究不多。现有的理论研究仅局限于静载荷下的某～种缓冲结构单元(肋状结构单元)或某一局部结构的响应情况，而针对动载荷下的缓冲结构没计的研究却是凤毛麟角u J。实际上，包装件在流通过程中主要承受动载荷，一般为冲击和振动载荷，因此，研究动载荷作用下的力学性能比研究静载荷作用下的力学性能更有实际意义。

    缓冲曲线常用于表示缓冲材料的吸收冲击能量的动态特性。1994年D．G．Eagleton等人研究了纸浆横塑材料缓冲特性曲线，并与EPS的曲线进行了比较，发现纸浆模塑材料在低静载、低跌落高度及一次性冲击情况下，比EPS具有更好的缓冲性能，通过两个试样的。窝状’波纹相互叠合后，其缓冲性能得到改善 。

    1999年Jorge Marcondes，Herbert Schueneman研究了纸浆模塑制品的缓冲机理，得出它与泡沫塑料缓冲能力相近，但作用方式不同，纸浆模塑制品是利用结构变形吸收外界的能量，减少产品受到的冲击和振动，而泡沫塑料受力后材料本身变形，吸收外界能量的结论。纸浆模塑的缓冲作用主要依靠结构单元来实现。常见的结构单元有4种，即肋状、塔状、座状和椅状，它们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 。

    2000年John Hofmann测试了纸浆模塑制品和EPS制品的在一次冲击和多次冲击后缓冲特性曲线，并对平顶圆锥体与平顶楔体几何形状结构单元的抗压能力进行了对比试验研究。结果表明：平顶圆锥体制品的抗压能力在变形均为7mm时达到了峰值，然后压力载荷变化趋于平缓。楔体形状制品所能承受的压力载荷明 氐于平顶圆锥体制品。并且压力载荷接下来呈下降趋势。楔体缓冲结构的长度变化对其抗压能力几乎没有影响。关于缓冲性能，虽然两种结构形状的曲线的最小传递加速度值几乎相同，但平顶圆锥体形状制品的缓冲曲线明显位于右侧，并且开口也更宽。这说明当达到相同的传递加速度时，圆锥体结构比楔体制品能承受更高的静应力，并且所适应的静应力范围也更大。不同长宽比楔体结构制品呈现出相同的缓冲曲线，这说明楔体长宽比的变化不影响纸浆模塑制品的缓冲效果_。

    北京化工大学曹世普等人用有限元法研究了纸浆模塑制品在静载荷作用下的响应情况。提出在基于制品应力应变总体分布认识的基础上，可以改进制品的结构，使它各部分的应力趋向均匀。可以试着在应力比较小的地方减少缓冲结构数目，简化结构；在应力大的地方增加缓冲结构数目，从而使制品及模具的设计更加合理的设计思想 ，但没有研究如何做到这一点。

    湖北工业大学钟毓宁等人也利用有限元法研究了肋状结构单元，在静载荷作用下结构单元的变形曲线，结构要素对模型抗压强度的影响，结构要素与极限压力的关系，为结构设计提供了理论依据。结果表明：当拔模斜度较小时，缓冲结构能承受较大的载荷，但是当压力载荷达到峰值后。曲线开始产生不规则波动。当单元模型的周边长度固定时，随着高度的增加，抗压强匿会逐渐的降低。当高度从10mm升到30mm时，抗压强度降低的较为明显，大约为50％ 一6o％ 。当高度超过30mm后，抗压强度并不随着高度的增加而继续明显的变化 。

    天津科技大学王高升等人用试验测试的方法，分析了肋状结构单元的静态压缩曲线，缓冲结构单元发生弹性变形的极限载荷和{zd0}载荷比值，缓冲结构单元数与承受{zd0}载荷之间的关系，并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 。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(如，壁厚、高度、侧壁斜度、承载边长和过渡圆角半径)对其缓冲性能影响很大的结论 。

3 纸浆模塑制品研究工作建议

    上述研究多为静载荷作用下的响应情况，并且大都是试验研究，至于理论研究却少见，据此还无法很好地描述材料本身的性能，要真正掌握材料特性，就应该从材料入手，建立材料的力学模型，而国内外在这方面的研究几乎是空白，所以，用现有的研究成果作为包装设计准则还是不够的，今后血着眼于对材料性能的研究，并最终达到用其来指导产品缓冲结构设计的目的。另外，还应考虑流通过程中的振动和冲击对其性能的影响，研究制品的动力学性能，并考虑温度、湿度等因素对材料性能的影响，被包装物和外包装箱对包装系统的影响问题。

1)研究纸浆模塑的力学性能参数，如弹性模曼。麴切模量。泊松比等与纸浆模塑材料的紧度，湿度，温度的函数关系，以及纸浆模塑材料的粘弹性和大变形下的力学性质，为理论设计提供原始数据。

2)研究典型结构单元和整体结构在动载(冲击和振动)与静载下的力学强度特性及单元的结构要素对其强度的影响规律。

4 结 语

    在人类面临环境污染和资源匮乏的双重压力下，纸浆模塑制品应运而生，然而，在其力学强度与结构关系的研究上还很不成熟，至今还没有理论的设计准则来指导实际的设计，因此，为了纸浆模塑制品的长足发展，还需要国内外学者的共同努力。

----------------------------------------------------------------------------------------------Resource from：《 包装工程 》, 2006年12月05日 中国包装网