一、概述
蜂窩材料因仿生于蜜蜂的居住巢穴而得名。連續(xù)的六邊形結(jié)構(gòu)使蜂巢穩(wěn)固而堅(jiān)實(shí)，具有高平壓強(qiáng)度、輕質(zhì)量等特征。相應(yīng)的，蜂窩仿生結(jié)構(gòu)具有緩沖、減震、隔熱、隔音等特性，被廣泛用于人類(lèi)生活、科技的各個(gè)方面，如緩沖包裝、貨運(yùn)容器、航空航天、建筑隔墻、裝飾隔間、辦公桌椅等等。
二、物料性能
要談紙蜂窩制品的設(shè)計(jì)，就必然要談到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因?yàn)榧埛涓C制品的應(yīng)用推廣正是基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。蜂窩紙板由多排并列的連續(xù)六邊形紙結(jié)構(gòu)組成，單個(gè)蜂孔具有紙質(zhì)的外壁，六邊形的兩個(gè)端面用紙或其它材質(zhì)的薄材閉合，形成一個(gè)個(gè)封閉的氣室。由于紙蜂窩制品的組成成分復(fù)雜，包括植物纖維、粘合劑、空氣等，因此其性能復(fù)雜。
1.物理性能
紙蜂窩板的緩沖耗能主要集中在兩個(gè)方面：基材耗能和蜂窩中的氣體耗能。
（1）基材緩沖耗能
構(gòu)成紙蜂窩板的基材為紙纖維，主要成分是高分子材料，因此紙蜂窩板具有典型高分子材料所具備的基本粘彈性，呈現(xiàn)出非線性包裝力學(xué)特點(diǎn)。當(dāng)它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變時(shí)，部分能量可以貯存起來(lái)，另一部分能量則被轉(zhuǎn)化成熱能而被耗散掉。從微觀上分析其耗能特性：當(dāng)它受到外力時(shí)，一方面分子鏈可以變形，另一方面會(huì)產(chǎn)生分子鏈的滑移；當(dāng)除去外力后，變形的分子鏈要恢復(fù)原位，釋放外力所作的功，但分子鏈不能完全恢復(fù)原位，會(huì)產(chǎn)生一定的永久變形，這一部分做的功變?yōu)闊崮?，耗散在周?chē)沫h(huán)境中。
（2）氣體緩沖耗能
紙蜂窩板的固相成分雖然都是高分子有機(jī)物，但其力學(xué)特性與聚合物有一定的區(qū)別，主要是因?yàn)樵诩埛涓C板中氣體占有絕大部分體積，對(duì)其特性存在較大的影響。當(dāng)紙蜂窩板受壓時(shí)，閉合蜂孔中的氣體被壓縮，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，貯存能量，隨著壓力的進(jìn)一步增大，蜂窩中的氣體開(kāi)始泄漏，形變?cè)龃?，損耗能量。
2.力學(xué)性能
紙蜂窩板緩沖力學(xué)的主要特性如下：
（1）紙蜂窩板具有類(lèi)似于發(fā)泡塑料的力學(xué)特性，具有顯著的粘性和塑性，是一種優(yōu)良的綠色緩沖包裝材料；
（2）紙蜂窩板的平壓強(qiáng)度隨孔徑的增加而降低，而當(dāng)厚度高于一個(gè)臨界值后，隨厚度的增加而增強(qiáng)（如圖1）；
（3）紙蜂窩板的緩沖性能受厚度影響不大，與孔徑大小有關(guān)（如圖2）；
（4）紙蜂窩板的并置能降低緩沖系數(shù)，提高緩沖性能，而疊置則能增加平壓強(qiáng)度，提高抗沖擊性能。
3.化學(xué)性能
（1）因?yàn)榧埛涓C板主要材料由紙質(zhì)纖維粘合而成，材料本身不具有抗潮抗?jié)裥阅?，所以如果生產(chǎn)過(guò)程中使用了堿性粘合劑，那么在使用過(guò)程中它就會(huì)吸收環(huán)境中的水分。因此，在惡劣的環(huán)境下使用紙蜂窩板，其平壓強(qiáng)度和緩沖性能會(huì)有所降低。
（2）排除惡劣環(huán)境的影響，在正常狀態(tài)下，紙蜂窩板也具有較高的固狀穩(wěn)定性。
4.加工性能
紙蜂窩板作為一種材料，它需要根據(jù)產(chǎn)品包裝需要而設(shè)計(jì)制作成不同的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到必要的緩沖作用。像一切板狀材料一樣，紙蜂窩板也具有較好的可加工性。歸納起來(lái)，它具有下列幾種加工方式：
（1）模切 配合產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模切使其能更好地貼合產(chǎn)品外形。
（2）預(yù)壓 通過(guò)預(yù)壓，使構(gòu)成蜂窩孔壁的紙張變形，從而降低紙蜂窩板的平壓強(qiáng)度，提高其緩沖性能。
（3）粘合 紙質(zhì)材料具有良好的可粘性，通過(guò)膠粘劑的選用，可以和塑料、紙、木材、金屬等材料質(zhì)實(shí)現(xiàn)良好的粘接。
（4）壓痕折彎 紙蜂窩板也可以像瓦楞紙板那樣進(jìn)行壓痕，改變其折疊方向。這種方式是通過(guò)使紙蜂窩板的局部壓潰實(shí)現(xiàn)的。它還有一種折彎方式，即去掉折彎部分多余的材料，再用粘合劑粘接成所需要的形狀。這種方式外形棱角充實(shí)規(guī)整，但對(duì)加工精度和細(xì)節(jié)要求較高。
以上特性為紙蜂窩板應(yīng)用范圍、緩沖厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行紙蜂窩緩沖制品的設(shè)計(jì)時(shí)，如果運(yùn)用得當(dāng)，不但可以有效提高襯墊的緩沖保護(hù)能力，避免其不利因素，而且可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)材料成本。
三、紙蜂窩包裝制品的設(shè)計(jì)思路
紙蜂窩包裝制品的設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面來(lái)著手：其一，材料的適當(dāng)搭配；其二，結(jié)構(gòu)的適宜設(shè)計(jì)。
1.材料
組成紙蜂窩板的基本要素有三個(gè)：紙蜂窩芯、面紙、粘合劑。紙蜂窩芯的蜂格大小、紙定量、紙強(qiáng)度和厚度，無(wú)一不對(duì)其性能起著重要的作用；面紙則直接決定了紙蜂窩板的抗戳穿強(qiáng)度、環(huán)境耐受度，對(duì)平壓強(qiáng)度也有較大的影響；粘合劑將這二者粘接在一起，直接影響著產(chǎn)品的力學(xué)與物理機(jī)械性能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮被包裝產(chǎn)品的緩沖需求，將這三個(gè)要素協(xié)調(diào)地結(jié)合在一起。
2.結(jié)構(gòu)
紙蜂窩板有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但缺陷也很明顯，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)：
（1）空間和載荷支撐能力優(yōu)于EPS或紙漿模塑制品，因此要求強(qiáng)度往往比要求緩沖容易得多；
（2）復(fù)雜形狀及異面適應(yīng)能力差；
（3）表面摩擦顯著，不利于對(duì)精細(xì)產(chǎn)品外觀的保護(hù)；
（4）面戳穿能力差；
（5）環(huán)境適應(yīng)能力有限。
因此，在進(jìn)行蜂窩緩沖制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要工作就是揚(yáng)長(zhǎng)避短，創(chuàng)新包裝方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能性和服務(wù)性的完美結(jié)合。
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