纸浆模塑在运输包装中的缓冲结构优化设计

前 言 纸浆模塑作为一种新型的缓冲材料，正在以不可替代的优势迅速发展。由于它具有无污染、无公害、可回收利用，质量轻、易加工、成本低，废弃物易回收处理等特性，符合当今社会提倡环保的要求。因此，作为新型绿色缓冲包装材料。纸浆模塑制品有着广阔的市场前景。 运输包装主要对产品起物理和机械防护作用，是方便产品装卸、运输、储存、管理和分发的包装。为了有效地保护产品，必须对产品进行缓冲包装设计。与常用的泡沫缓冲材料相比，纸浆模塑制品基本解决了制造过程及包装废弃物对环境的危害与污染问题。它作为未来替代EPS泡沫塑料的环保型缓冲材料，有着特殊的缓冲机理，为了生产出缓冲性能优良的纸浆模塑缓冲材料，其缓冲结构设计非常重要。因此，本文通过对纸浆模塑缓冲机理的分析以及缓冲结构设计要素的总结，对其结构进行了优化设计，为降低成本，节约材料提供了基本的理论依据。 1 纸浆模塑缓冲机理 纸浆模塑制品是采用废弃纸品再生浆或草本植物纤维浆作基料，利用独特的工艺和专用助剂，在拟定的专用网模上塑造一定的几何形状成型的材料。当纸浆模塑制品在运输包装中作为缓冲包装材料时，其缓冲机理与泡沫塑料不同，它是利用自身的特殊结构在受力后的变形，吸收外界能量，从而减少被包装物在运输过程中受到的冲击和振动。一般纸浆模塑缓冲材料适合静应力较小的情况。而传统的发泡缓冲材料是受力后利用材料本身的变形来吸收外界能量，达到缓冲的效果。由于纸浆模塑制品在受力后是由各个结构单元的变形来实现承载，从而达到缓冲效果的，因此，纸浆模塑结构单元便成为材料完成缓冲的重要因素。 2 纸浆模塑缓冲设计要素 纸浆模塑制品作为运输包装中的缓冲衬垫有着良好的弹性和恢复性，基于纸浆模塑缓冲材料的缓冲包装结构特性并不与传统材料完全相同，所以相应的设计重点就放在以缓冲结构充当缓冲垫的设计上。纸浆模塑缓冲结构设计要素主要包括：缓冲系数，结构单元数，纸模定量厚度和拔模斜度。 2.1 缓冲系数 缓冲系数是在运输包装中，对缓冲包装设计非常重要的一个参数。它是可以通过选择或更换材料来变更的系数，它影响到包装结构的尺寸，也影响到缓冲效果。一般缓冲系数C可定义为σ与单位体积变形能E的比值。 即： 在同一应力状态下，如果材料有相同的应变量，则负载相同，但是材料单位体积所能吸收的能量不同。因此，在满足一定的冲击防护能力的前提下，力求缓冲结构使用最少的缓冲材料，总是在缓冲设计中选择最小的缓冲系数。材料的缓冲系数可以通过静态压缩试验或动态压缩试验测得。 2.2 结构单元数 纸浆模塑的缓冲作用主要是依靠结构单元来实现。常见的结构单元形式有肋状，桶状，塔状。纸浆模塑制品缓冲结构单元在静载荷作用下，载荷变形分为3个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和压溃阶段。在弹性变形阶段，当撤销施加的外力，纸浆模塑材料会恢复原来的状态。在塑性变形阶段，材料结构受到初步破坏，原始状态开始发生变形，因此，在此阶段，材料不会完全恢复到原来的状态。在压溃变形阶段，材料结构被完全破坏，丧失了承载能力，使得变形无法恢复。而性能良好的缓冲材料必须要有良好的回弹性和恢复性，所以，在缓冲设计时，缓冲结构单元所能承受的最大载荷不能超过弹性变形阶段的极限载荷。 缓冲结构单元个数越多，所能承受的最大载荷越大，当缓冲结构单元个数为n个的纸浆模塑制品与单元结构为1个的纸浆模塑制品相比较时，所承受的最大载荷是n∶1的关系。增加结构单元的个数，可以增加制品的抗压能力。因此，在缓冲结构设计时，根据产品的大小确定缓冲衬垫的尺寸，从而确定结构单元数，并在此基础上尽可能对结构单元进行优化设计。 2.3 纸模定量厚度 纸模的定量与最小传递重力加速度值有关。不同制品的最小传递重力加速度几乎是相同的。当给定产品的许用脆值，定量较大的制品所能承受的静应力较大。当纸模定量厚度越高，其缓冲面积越小。纸浆模塑制品缓冲衬垫越高，所传递的最小重力加速度值越小，可供选择的设计范围越大，缓冲效果也越好。为了提高缓冲性能，可在其他参数不变的情况下，适当提高缓冲衬垫的厚度。 2.4 拔模斜度 纸浆模塑制品在成型过程中，湿纸坯是紧扣在模具上的，而且纸纤维还会镶嵌在网模的网孔中，为了便于使湿纸坯转换，与拔模方向平行的制品表面都应该有个合理的拔模斜度。斜度过小则脱模困难，会造成制品表面拉痕或破裂；斜度过大将降低制品尺寸精度，影响包装功能。随着拔模斜度的不同，结构承受载荷的能力和崩溃极限都不相同。拔模斜度越小，则抗压能力越大。因此，在设计纸浆模塑的缓冲结构时，要尽可能的将拔模斜度设计的小一些，一般的设计范围在4°～8°之间为宜。 3 纸浆模塑制品的缓冲结构设计 假设一个产品形状规则，重量为W，许用脆值为C，其最大跌落高度为H，选用肋状纸浆模塑材料。通过静态压缩试验得出纸浆模塑材料的缓冲系数—最大应力（C－σ<_m）曲线。缓冲系数随最大应力变化呈凹谷状，开口向上，谷底最低点的坐标是最小缓冲系数C和对应的最大应力值σ_m。为了降低成本，同时又能满足一定的冲击防护能力，力求缓冲材料最省，采用“过原点切线法”，即从原点出发，作曲线的切线，切点为（C₀，σ_m0），其中C₀为切点处的缓冲系数，σ_m0为相对应的最大应力值。曲线如图1所示： 在[C，C₀]范围内选择一个合适的缓冲系数C₁及对应的最大应力值σ_m1，使其尽量满足所求的缓冲衬垫的面积相对较小，厚度相对较高，从而使衬垫既有良好的缓冲性能，又可使材料较省。 利用上述已知条件可求得缓冲衬垫的面积A 即： 根据产品的形状及缓冲衬垫的面积设计缓冲衬垫的长和宽，分别设为M和N。当产品从最大跌落高度H跌落时，所受的最大冲击力为P。 为了防止产品受损，缓冲衬垫此时必须能吸收至少P大小的冲击力所产生的能量。假设选用n个缓冲结构单元，每个结构单元面积为a×b，各结构单元相同且均匀排列，通过静态压缩试验知它能承受的最大载荷为p。如图2所示： 当结构单元的浆料配比，形状和侧壁斜度均相同的情况下，产生弹性极限载荷与最大载荷的比值恒定，记为α。从而满足： 设在长度方向上有x个结构单元，在宽度方向上有y个结构单元，结构单元间隙为i。为了节约材料，使缓冲衬垫的面积A达到符合要求的较小值的同时，衬垫的结构单元数达到最大值，建立数学模型： 利用线性规划问题的求解方法，求出满足条件的最优解x，y及其间隙i。 通过已知条件计算得知缓冲衬垫的厚度T 即： 设在高度方向上有z个缓冲结构单元，结构单元高度为l。 zl＝T （10） 则： 即： 根据z的值确定纸浆模塑的定量厚度。根据缓冲衬垫的厚度，选择纸浆模塑制品的个数。根据产品的固定要求确定制品的拔模斜度。 结构设计的基本图形如图3所示： 当衬垫设计成形后，还要对其进行强度校核、挠度校核、跌落姿态改变时缓冲能力的校核、蠕变量校核及温湿度校核等，来确保缓冲衬垫是否满足性能要求。如果在校核中，缓冲衬垫与产品接触部位不能承受冲击中的最大应力，则应重新计算结构尺寸，当衬垫的尺寸面积与厚度之比超过一定厚度时，衬垫容易挠曲或变形，大大降低衬垫的负重能力。为了避免挠曲，其中最小承载面积与厚度之比应符合克斯特纳经验公式。缓冲衬垫在校核中若不满足角冲击校核，必须对缓冲结构进行重新设计，最后，根据流通过程中可能出现的环境条件修正衬垫的结构尺寸。 设计成形后的缓冲衬垫若要进入流通环节，必须与产品及其外包装构成包装件进行一系列的运输包装测试，目的是为了确认缓冲衬垫的可靠性。首先，模拟包装件在运输中受到的冲击和振动过程，对其进行冲击、振动试验。其次，分析试验数据，确定包装件的破损能力。最后，据此确定缓冲衬垫是否满足产品的设计要求，若不符合，则重新修正衬垫的结构尺寸，直到衬垫结构完全符合产品的设计要求为止。 4 结 语 本设计从能量角度分析，选取合适的缓冲系数以及对应的最大静应力，然后据此计算出缓冲衬垫的结构单元数，从而确定纸浆模塑缓冲衬垫的基本构型。 纸浆模塑制品由于其特殊的结构造成了缓冲设计的重点在于结构单元的设计。因此，要实现最优<