關(guān)鍵詞:紙漿模塑 結(jié)構(gòu)設(shè)計 力學(xué)性能
關(guān)于紙漿模塑的定義很多，至今還沒有統(tǒng)一的定義，通常人們將它定義為：紙漿模塑是以一定濃度的紙漿，加入適量化學(xué)助劑，在帶有濾網(wǎng)的模具成型機中，通過真空或加壓的方法使纖維均勻分布在模具表面，從而形成具有擬定幾何形狀與尺寸的濕紙模坯，經(jīng)過進一步脫水脫模，干燥整飾而成的制品。隨著紙漿模塑制品工藝的發(fā)展，如形腔式紙漿模塑制品工藝的出現(xiàn)，此定義已不夠準確和完整。形腔式紙漿模塑制品采用組合模具的加工方法，紙漿模塑制品在結(jié)構(gòu)上是某種形式的封閉空腔或成型為小開口容器。形腔式結(jié)構(gòu)的紙漿模塑制品需要專用的成型設(shè)備和工藝完成這一類紙漿模塑制品的生產(chǎn)加工。該類紙漿模塑制品多作為盛器或裝飾物。組合加工形式則是通過多個不同形狀的紙漿模塑體在成型時，通過組合實現(xiàn)某種應(yīng)用需要，完成所需的包裝功能。
紙漿模塑制品從原料、生產(chǎn)工藝到最后的廢棄物的處理方式都充滿了 綠色 。具有制造成本低，不污染環(huán)境，可回收利用等優(yōu)點，成為替代EPS等發(fā)泡材料的環(huán)保型制品。由于紙漿模塑制品對產(chǎn)品的保護作用主要是依靠結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計是制品緩沖包裝設(shè)計的要點。到目前為止，制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計還采用經(jīng)驗設(shè)計法，缺乏成熟理論與設(shè)計規(guī)范，使設(shè)計出的制品可靠性能差，為了保證制品的結(jié)構(gòu)強度，往往增加制品的厚度或者采用較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這不僅浪費了紙漿材料，還增加了模具成本，從而導(dǎo)致制品總成本的增加，成為替代EPs等材料應(yīng)用進程中的瓶頸問題。
1 紙漿模塑制品發(fā)展
滿足環(huán)保要求的包裝制品在市場中越來越有競爭力，紙漿模塑制品正順應(yīng)了這一點，其主要應(yīng)用在工業(yè)品內(nèi)包裝，禽蛋托盤，鮮果托盤，食品及其半成品包裝、醫(yī)療器具包裝，制作兒童玩具、戲劇道具、工藝品底坯、家具、零部件等的特種材料，軍工、服裝等行業(yè)包裝等。紙漿模塑制品的現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域比較有限，主要原因是模具設(shè)計制造成本高，當銷量不夠大時，產(chǎn)品的成本問題尤為突出，因而制約了它的發(fā)展和應(yīng)用進程。還有其性能的提高，需要開發(fā)新的產(chǎn)品與新工藝，而這個過程又需要設(shè)計相應(yīng)的設(shè)備，如果工藝或者設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也會導(dǎo)致較高的成本，影響產(chǎn)品的應(yīng)用推廣。在國外一次性紙漿模塑尿壺已經(jīng)替代了聚酯材料制作的多次性使用尿壺，目前在我國市場上還未見使用，原因是醫(yī)院和聚酯材料制作尿壺廠商已經(jīng)形成了固定的供求關(guān)系，在沒有政府的相關(guān)法規(guī)限制時，環(huán)保的紙漿模塑一次性尿壺很難改變市場格局，但制作其產(chǎn)品的設(shè)備，北京碧生源環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司已經(jīng)制造生產(chǎn)，并遠銷東南亞。該公司正在研發(fā)的形腔式蜂窩紙漿模塑板材，可以替代蜂窩瓦楞紙板，甚至用于取代建筑材料領(lǐng)域的EPS保溫板材，發(fā)展前景十分看好。
2 紙漿模塑制品性能研究進展
目前國內(nèi)外研究主要集中在制漿、成型設(shè)備、工藝和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面 J，而對緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究不多?，F(xiàn)有的理論研究僅局限于靜載荷下的某～種緩沖結(jié)構(gòu)單元(肋狀結(jié)構(gòu)單元)或某一局部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，而針對動載荷下的緩沖結(jié)構(gòu)沒計的研究卻是鳳毛麟角u J。實際上，包裝件在流通過程中主要承受動載荷，一般為沖擊和振動載荷，因此，研究動載荷作用下的力學(xué)性能比研究靜載荷作用下的力學(xué)性能更有實際意義。
緩沖曲線常用于表示緩沖材料的吸收沖擊能量的動態(tài)特性。1994年D．G．Eagleton等人研究了紙漿橫塑材料緩沖特性曲線，并與EPS的曲線進行了比較，發(fā)現(xiàn)紙漿模塑材料在低靜載、低跌落高度及一次性沖擊情況下，比EPS具有更好的緩沖性能，通過兩個試樣的。窩狀’波紋相互疊合后，其緩沖性能得到改善 。
1999年Jorge Marcondes，Herbert Schueneman研究了紙漿模塑制品的緩沖機理，得出它與泡沫塑料緩沖能力相近，但作用方式不同，紙漿模塑制品是利用結(jié)構(gòu)變形吸收外界的能量，減少產(chǎn)品受到的沖擊和振動，而泡沫塑料受力后材料本身變形，吸收外界能量的結(jié)論。紙漿模塑的緩沖作用主要依靠結(jié)構(gòu)單元來實現(xiàn)。常見的結(jié)構(gòu)單元有4種，即肋狀、塔狀、座狀和椅狀，它們的緩沖能力是結(jié)構(gòu)單元側(cè)壁的周長的函數(shù)，而不是受力面積的函數(shù) 。
2000年John Hofmann測試了紙漿模塑制品和EPS制品的在一次沖擊和多次沖擊后緩沖特性曲線，并對平頂圓錐體與平頂楔體幾何形狀結(jié)構(gòu)單元的抗壓能力進行了對比試驗研究。結(jié)果表明：平頂圓錐體制品的抗壓能力在變形均為7mm時達到了峰值，然后壓力載荷變化趨于平緩。楔體形狀制品所能承受的壓力載荷明 氐于平頂圓錐體制品。并且壓力載荷接下來呈下降趨勢。楔體緩沖結(jié)構(gòu)的長度變化對其抗壓能力幾乎沒有影響。關(guān)于緩沖性能，雖然兩種結(jié)構(gòu)形狀的曲線的最小傳遞加速度值幾乎相同，但平頂圓錐體形狀制品的緩沖曲線明顯位于右側(cè)，并且開口也更寬。這說明當達到相同的傳遞加速度時，圓錐體結(jié)構(gòu)比楔體制品能承受更高的靜應(yīng)力，并且所適應(yīng)的靜應(yīng)力范圍也更大。不同長寬比楔體結(jié)構(gòu)制品呈現(xiàn)出相同的緩沖曲線，這說明楔體長寬比的變化不影響紙漿模塑制品的緩沖效果_。
北京化工大學(xué)曹世普等人用有限元法研究了紙漿模塑制品在靜載荷作用下的響應(yīng)情況。提出在基于制品應(yīng)力應(yīng)變總體分布認識的基礎(chǔ)上，可以改進制品的結(jié)構(gòu)，使它各部分的應(yīng)力趨向均勻。可以試著在應(yīng)力比較小的地方減少緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)目，簡化結(jié)構(gòu)；在應(yīng)力大的地方增加緩沖結(jié)構(gòu)數(shù)目，從而使制品及模具的設(shè)計更加合理的設(shè)計思想 ，但沒有研究如何做到這一點。
湖北工業(yè)大學(xué)鐘毓寧等人也利用有限元法研究了肋狀結(jié)構(gòu)單元，在靜載荷作用下結(jié)構(gòu)單元的變形曲線，結(jié)構(gòu)要素對模型抗壓強度的影響，結(jié)構(gòu)要素與極限壓力的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。結(jié)果表明：當拔模斜度較小時，緩沖結(jié)構(gòu)能承受較大的載荷，但是當壓力載荷達到峰值后。曲線開始產(chǎn)生不規(guī)則波動。當單元模型的周邊長度固定時，隨著高度的增加，抗壓強匿會逐漸的降低。當高度從10mm升到30mm時，抗壓強度降低的較為明顯，大約為50％ 一6o％ 。當高度超過30mm后，抗壓強度并不隨著高度的增加而繼續(xù)明顯的變化 。
天津科技大學(xué)王高升等人用試驗測試的方法，分析了肋狀結(jié)構(gòu)單元的靜態(tài)壓縮曲線，緩沖結(jié)構(gòu)單元發(fā)生彈性變形的極限載荷和最大載荷比值，緩沖結(jié)構(gòu)單元數(shù)與承受最大載荷之間的關(guān)系，并根據(jù)紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元的靜態(tài)壓縮曲線，研究了紙漿模塑緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理 ?？涤聞偟葘垵{模制品結(jié)構(gòu)緩沖性能進行了研究，得出紙漿模制品結(jié)構(gòu)(如，壁厚、高度、側(cè)壁斜度、承載邊長和過渡圓角半徑)對其緩沖性能影響很大的結(jié)論 。
3 紙漿模塑制品研究工作建議
上述研究多為靜載荷作用下的響應(yīng)情況，并且大都是試驗研究，至于理論研究卻少見，據(jù)此還無法很好地描述材料本身的性能，要真正掌握材料特性，就應(yīng)該從材料入手，建立材料的力學(xué)模型，而國內(nèi)外在這方面的研究幾乎是空白，所以，用現(xiàn)有的研究成果作為包裝設(shè)計準則還是不夠的，今后血著眼于對材料性能的研究，并最終達到用其來指導(dǎo)產(chǎn)品緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。另外，還應(yīng)考慮流通過程中的振動和沖擊對其性能的影響，研究制品的動力學(xué)性能，并考慮溫度、濕度等因素對材料性能的影響，被包裝物和外包裝箱對包裝系統(tǒng)的影響問題。
1)研究紙漿模塑的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模曼。麴切模量。泊松比等與紙漿模塑材料的緊度，濕度，溫度的函數(shù)關(guān)系，以及紙漿模塑材料的粘彈性和大變形下的力學(xué)性質(zhì)，為理論設(shè)計提供原始數(shù)據(jù)。
2)研究典型結(jié)構(gòu)單元和整體結(jié)構(gòu)在動載(沖擊和振動)與靜載下的力學(xué)強度特性及單元的結(jié)構(gòu)要素對其強度的影響規(guī)律。
4 結(jié) 語
在人類面臨環(huán)境污染和資源匱乏的雙重壓力下，紙漿模塑制品應(yīng)運而生，然而，在其力學(xué)強度與結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究上還很不成熟，至今還沒有理論的設(shè)計準則來指導(dǎo)實際的設(shè)計，因此，為了紙漿模塑制品的長足發(fā)展，還需要國內(nèi)外學(xué)者的共同努力。
曹國榮 張勇 田羽 鄭華明 韓靜 張曉磊 北京印刷學(xué)院
信息來源：《 包裝工程 》
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