探讨瓦楞纸板的破坏模式和破损机理

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瓦楞纸板原材料丰富，易于大批量生产加工成各种形状和尺寸，具有良好的缓冲性能，且可回收处理和再利用，是一种典型的绿色缓冲包装材料。在运输包装中，瓦楞纸板主要用于制作各种缓冲、防振的包装件，应用形式有纸箱、缓冲衬垫、托盘等，目前已经广泛应用于家电、电子、机电等产品的运输包装领域。

瓦楞纸板作为一种各向异性的夹层板材，具有一定的防振抗冲击性能。一般，包装产品在流通过程中受到的振动冲击次数会达到几万次甚至更多，瓦楞纸板作为保护产品的缓冲材料，也会随之发生压缩、复原现象，即疲劳效应。在这种情况下，瓦楞纸板的缓冲性能也会发生相应的变化，当瓦楞纸板的承载能力达到极限值时，瓦楞纸板的力学性能将会大大减弱，甚至失去保护性能。因此，确定瓦楞纸板是否达到了其承载能力的极限值，以及分析瓦楞纸板的破坏模式和破损机理具有很重要的现实意义。

本文将对双瓦五层、三瓦七层瓦楞纸板进行静态压缩试验，通过相关试验，分析和探讨瓦楞纸板的破坏模式和破损机理。

静态压缩试验

以双瓦五层、三瓦七层瓦楞纸板为试验对象，静态压缩试验步骤如下。

(1)参考GB/T 450-2002《纸和纸板试样的采取》进行取样，试样尺寸为100mm×100mm。

(2)按照GB/T 10739-2002《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》的要求对试样进行温湿度预处理，温湿度条件为：温度为23℃、相对湿度为60%。

(3)采用HT-2402电脑伺服控制材料试验机进行试验，记录试验数据，绘制应力-应变曲线（如图1所示）。

破坏模式分析

瓦楞纸板由面纸、芯纸、里纸黏合而成，当其受到纵向载荷时，纸板内部将发生一定的中面内力。如果这个中面内力在各个部位、各个方向受到的不是压力（是拉力或等于零）， 则瓦楞纸板的平面平衡状态是稳定的。但如果纵向载荷所引起的中面内力在某些部位、某些方向受到的是压力，则当纵向载荷超过某一数值（即临界载荷）时，瓦楞纸板的平面平衡状态将变得不稳定，其会因干扰力而弯曲。即使干扰力被除去，瓦楞纸板也不会再恢复到原来的平面平衡状态，而是进入某一个弯曲的平衡状态，这种现象称为“屈曲”。常见的屈曲模式主要有以下3种（如图2所示）。

(1)总体屈曲，即欧拉届曲类型的夹层板总体屈曲。

(2)剪切皱折，即由于芯层剪切刚度不够引起的夹层结构剪切总体屈曲。

(3)面纸皱曲，即在瓦楞纸板受压时，面纸在芯纸弹性的支持下向内或向外产生局部屈曲，其主要取决于芯纸的刚度和强度，以及面纸的黏结强度，同时也取决于纸板的生产缺陷。

瓦楞纸板在未受外力作用的情况下，其破坏模式主要有以下4种。

(1)瓦楞纸板受拉而使得面层屈服或断裂。

(2)瓦楞纸板表层牛皮面纸起皱，致使瓦楞纸板局部屈曲。

(3)受压过程中，瓦楞芯纸以剪切的方式被破坏。

(4)瓦楞纸板面纸与芯纸黏结失效，这主要是因为生产过程中涂胶不均，致使面纸与芯纸之间的黏结力下降，也可能是因为树脂黏合剂发生脆性断裂，造成黏结失效。

实际上，瓦楞纸板的破坏模式通常是上述多种破坏模式共同作用的结果，只是在某些情况下，某一破坏模式占了优势。

通过瓦楞纸板的静态压缩试验可知，瓦楞纸板在受垂直面板的载荷条件下，芯纸会发生剪切皱折，从而导致瓦楞纸板总体屈曲。

破损机理探讨

通过单瓦三层瓦楞纸板应力-应变曲线（如图3所示）对瓦楞纸板的破损机理进行探讨。由图3可以看出，单瓦三层瓦楞纸板应力-应变曲线分为以下4个阶段。

(1)线弹性阶段（AB段）：压缩开始，应力随应变呈快速线性增加变化，直至达到屈服应力。

(2)屈服阶段（BC段）：由于瓦楞芯纸及结构的特性，瓦楞纸板开始逐步屈服，当进入屈服阶段时，应力逐步下降，在此阶段瓦楞芯纸的结构开始被破坏。

(3)塑性变形阶段（CD段）：此阶段应力随应变的增加基本保持不变，而瓦楞芯纸的结构则完全被破坏。

(4)密实化阶段（DE段）：在此阶段瓦楞纸板完全被压实，而失去缓冲性能，应力随应变的增加而急剧增加。

结合图1可知，瓦楞纸板压缩破坏过程的一般规律是：当应力较小时，呈线弹性变化；随着应力的增加，进入波动阶段，峰值与峰谷的数量与瓦楞的层数呈一一对应关系，这表明多层瓦楞纸板具有多层失稳性，即压塌现象并不是在瓦楞纸板各层中同时发生，而是分层破坏的，通过试验观察我们发现，下层瓦楞或楞高较大的层最先被破坏；随着应力的继续增加，瓦楞纸板出现屈服；当应力达到一定值时，芯纸的结构全部被破坏，随后应力快速上升。

从瓦楞纸板的压缩破坏过程可以看出，瓦楞纸板的缓冲性能主要体现在屈服阶段和塑性变形阶段，也就是芯纸的结构被压缩破坏的阶段，在这个过程中，瓦楞纸板将吸收大量的能量，使被包装物得到缓冲。

图1 多层瓦楞纸板应力-应变曲线

图2 常见瓦楞纸板屈曲模式

图3 单瓦三层瓦楞纸板应力-应变曲线