三重组合瓦楞纸板缓冲特性

    三重组合瓦楞纸板即七层瓦楞纸板，比一般瓦楞纸板具有更高缓冲性能和强度。目前国内应用较多的三重组合瓦楞纸板有：3A型瓦楞纸板、X—PLY*瓦楞纸板（由三层瓦楞芯纸和四层薄纸板交替粘合而成，三层瓦楞芯纸相互垂直）、ACB型、ABE型和3B型瓦楞纸板等。这些结构具有容量大、体积小、重量轻（箱重仅为同容积木箱重量的25%—30%）、强度高、缓冲效果好、节省储藏空间、适于折叠堆放、搬运方便，特别适合机械、机电等重型产品等的运输包装。   

    2 三重组合瓦楞纸板的缓冲特性
    目前，用于缓冲包装的材料很多，但以发泡塑料材料居多。发泡塑料是高分子材料经发泡处理形成，具有很好的缓冲性能和吸振性能，且重量轻、易加工、保护性能好、适应性广、价廉物美。但因其具有废弃物不能自然风化、降解、焚烧处理会产生有害气体等缺点，近年来已成为加剧世界环境危机的严重公害。越来越多的国家已立法禁止用发泡塑料作缓冲衬垫包装的商品进口。所以，泡沫塑料将逐渐被其它环保缓冲材料所替代。其中，瓦楞纸板就是一种极为理想的环保型纸质缓冲包装材料。 

    由于结构上的特点，瓦楞纸板能较好的吸收外界冲击能量，延长包装物承受冲击脉冲的作用时间，具有良好的缓冲性能。以其为材料的包装容器具有适合的容装功能。另外其加工性能良好、成本低、使用温度范围比泡沫塑料宽、克服了泡沫塑料衬垫对人和自然环境的危害。既有利于环境保护，又可回收再生、降低成本。

    三重组合瓦楞纸板是在单层瓦楞纸板的基础上集成构成，因此比一般瓦楞纸板具有更高缓冲性能。特别适合机械、机电等重型产品等的运输包装。所以，研究以三重组合瓦楞纸板为主构的缓冲包装系统的缓冲性能、建立其缓冲性能模型、求解其动力学方程、分析相关参数对系统的影响，能使该类包装系统的动力学特性更加明确，从而为瓦楞纸板在缓冲包装的优化设计中，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。 

    3 三重组合瓦楞纸板的防护性能
    瓦楞纸箱自发明至今已有100多年的历史，20世纪初的“普赖德哈姆案件”标志着纸箱包装的真正兴起，揭示了木箱包装的缺陷与不足。*次世界大战期间，瓦楞纸箱在运输包装中的比例仅占20%，木箱占80%。第二次世界大战期间，瓦楞纸箱在运输包装中的比例猛增到80%，而木箱使用量急剧下降，瓦楞纸箱成为zui重要的运输包装容器。 

    在我国，保护森林资源，提高植被覆盖率，改善人类的生存环境已成为大势所趋。包装业因国家限制木材砍伐将面临原材料紧缺的严峻局面。这将大大限制木包装在包装领域里的使用和发展。1998年底的“天牛星虫”事件，美国、加拿大和欧盟等国家严禁我国未经热处理、熏蒸处理或防腐处理的木箱、木托盘出口。传统用木箱包装和木托盘装运的大量出口商品在出口美国、英国、加拿大等欧美国家受到限制。有资料表明，包装工业越发达，木包装在整个包装材料中的比例就越小。如：中国约为20%，日本约为10%，而美国约为3%。从这一数据可看出，随着我国包装工业的不断进步，木包装的用量将会进一步减少。因此录求理想的“以纸代木”包装替代材料，采用多层瓦楞纸板逐步代替传统的木缓冲材料，将成为我国包装产业发展的重要趋势。 

    瓦楞纸箱是一种薄壁结构的包装容器，具有质量轻、强度高、易加工成型、易折叠、便于储存和搬运、易回收和再生利用、印刷适性优良、成本低等特性，已广泛应用于食品、水果、蔬菜、电子产品、工业器件、文化用品等工农业产品的销售包装和运输包装。显然，瓦楞纸箱在销售包装和运输包装中占有优势，是替代木箱的*运输包装容器。但是，瓦楞纸箱强度有限，较木箱明显偏低。另外，温度条件对瓦楞纸箱强度影响显著，必须提高其防潮能力。 

    三重组合瓦楞纸板具有比一般瓦楞纸板更高的强度，在一定程度上克服了少层瓦楞纸箱的上述缺点，适于包装重型机电产品。3A型瓦楞纸板制成的重型纸箱，与木质包装相比，其特点是：容量大、体积小；重量轻、强度高；节省储藏空间、适于折叠堆放、搬运方便。用三重组合瓦楞纸板制成的纸箱和托盘目前已被普遍采用，特别适合机械、机电等重型产品等的运输包装。另外，X- PLY*瓦楞纸板、3B型、ACB型、ABE型等七层瓦楞纸板、瓦楞纸板制成的包装容器，强度更高。 

    4 国内外研究进展
    表征包装材料的缓冲特性的方法是采用静态或动态应力——应变曲线。Jansen[1]（上标）1952年提出了以变形能量为基础的缓冲系数概念，来表征缓冲包装材料的性能，将静态缓冲系数扩展为动态缓冲系数概念。此后，可用缓冲系数——zui大应力曲线来表述缓冲包装材料特性。为便于应用，1961年Franklin[2]（上标）和Hatae[2]（上标）提出了zui大加速度——静应力曲线，根据这些经验曲线，可简便地进行单自由度系统跌落缓冲包装设计，但误差较大。1964年美军标准[3]（上标）制定了缓冲包装技术指南，给出主要包装材料的800多条zui大加速度——静应力曲线，按每一条曲线至少要做21次试验计算，试验工作量十分巨大。而一些学者[3]提出的曲线尚未能全部描述现有的包装材料缓冲特性，更无法包含环境参数变化对包装材料性能的影响。Cost[4]（上标）于1974年、McDaniel和Wyskida[5]（上标）于1976年分别认为包装材料动态特性曲线除了与试样尺寸和跌落高度有关外，还与时间和环境温度有关。为减少试验工作量并考虑环境参数影响，使物品包装按多自由度非线性系统进行设计的方便，要求从理论上对缓冲包装材料特性做出合理的分析和数字建模，并分别建立了采用某种包装材料时物品zui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可以从该表达式直接计算zui大加速度。 

    对于缓冲材料的缓冲性能，人们研究较多的是泡沫塑料、瓦楞纸板。1990年胡强等[6]（上标）提出泡沫塑料衬垫的29参数非线性粘弹性模型，用该模型给出了电视机的响应加速度及衬垫优化尺寸的计算结果。对瓦楞纸板力学性能的研究具有较长的历史，国内外许多学者作了不少工作。Cox在1954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；Mckee在1963年导出了纸箱抗压强度（BCS）的Mckee简化公式；J.Marcondes研究了瓦楞纸板的缓冲性能及湿度对其缓冲性能的影响[7]（上标）。国内近十几年来对瓦楞纸板也进行了大量的研究。1994年高德等[8]（上标）考虑温度、多次冲击、层数、变形种类等因素，提出瓦楞纸板缓冲的理论模型，进行了参数识别。吴天明对瓦楞纸板的平压冲击性能进行了研究[9]（上标）。  

    通过文献调研与论证，未见国内外对三重瓦楞结构缓冲防护性能的较为深入的研究成果。国内对它的研究大多外于初始的试验研究阶段。何慧君[13]（上标）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。郭彦峰等[14]（上标）对X- PLY*瓦楞纸板的强度试验进行了研究。这些研究，缺乏对其缓冲性能的机理性描述，未能建立起缓冲性能理论模型，使得应用多重瓦楞纸板材料的产品，不能很好的进行包装系统的动力学分析及利用计算机进行工业包装设计。为使物品包装优化设计成为可能并具有工程实用性，则必须在分析其已有缓冲特性、规律及缓冲机理的基础上，提出科学的理论模型及评价指标，从而确定物品包装*防震缓冲目标参数，根据物品包装模型，进行理论分析。另外，以理论建模、参数识别、优化计算和实验技术的进步为基础，开发*的三重瓦楞缓冲包装结构，提高其缓冲包装设计的技术水平，是今后研究、开发三重瓦楞缓冲包装材料的发展方向。 

    6 结束语
    必须看到，由于瓦楞纸板组合后的整体性能受层数、叠合方向的直接调制，同时不同规格的瓦楞纸板显然影响了组合板的宏观特性。在这方面，缓冲防护的机理研究明显滞后于工程应用，使结构设计很大程度上处于盲目性。以三重组合瓦楞纸板为研究对象，建立其缓冲性能模型、求解其动力学方程、分析主要参数对系统的影响，揭示这种材料在外部机械力学激励下的动力学响应规律。从而为三重组合瓦楞纸板在缓冲包装的优化设计中，尤其在大型电子、机电产品、家用电器包装的优化设计提供若干科学依据，具有深远的社会效益和经济效益。