浅谈立方体层合瓦楞复合纸板的三向静态压缩性能

　　瓦楞复合纸板也叫瓦楞结构蜂窝纸板、瓦楞蜂窝复合纸板和竖（立）瓦楞纸板，采用两层的单面瓦楞纸板或三层的单瓦楞纸板作为夹层结构纸板，中间夹芯层的一种特殊纸板，与蜂窝纸板类似。这种纸板具有强度高、重量轻和易于废弃处理的特点，主要用于机电设备等重型产品的包装，通常制作为纸箱、托盘和托箱等使用。作为一种新型的夹层材料结构，温时宝对该纸板的性能进行了实验研究，研究表明纸板的结构对于纸板的弯曲、侧压和剪切性能很大的影响，使纸板表现为明显的各向异性，因此采用瓦楞复合纸板制作纸箱和纸托箱，作为侧面时应考虑其纵向侧压强度高于横向侧压强度的特点将箱侧面采用纵向结构，而制作为纸托盘和作为纸箱顶/底面时要考虑纸板纵向抗弯强度大于横向抗弯强度，然后再决定纸板的安装方向。
　　与蜂窝纸板类似，瓦楞复合纸板另一大用途是作为纸托盘和纸托箱的柱脚（脚墩），即将多层纸板粘合形成层合结构柱脚，此时托盘上的载荷最后都要通过层合结构来承担。纸托盘柱脚的材料主要有瓦楞纸板、蜂窝纸板、瓦楞复合纸板和纸护角。袁国娜按照不同的结构形式对瓦楞纸板柱脚进行了实验和有限元模拟研究，朱永辉等对蜂窝纸板柱脚进行了研究，但对于瓦楞复合纸板柱脚尚未发现有文献对此进行研究。由于瓦楞复合纸板为各向异性材料，本文主要研究采用瓦楞复合纸板制作重叠式和交错式两种结构的层合立方体三个方向的静态抗压能力，按照夹层结构平压性能试验方法对其分别测试并进行对比分析，研究结果有助于提高瓦楞复合纸板柱脚的承载能力。
　　1 试验部分
　　1.1 测试仪器
　　万能电子拉力试验机，GT-TCS-2000，高铁检测仪器有限公司。
　　1.2 原材料
　　20 mm 厚瓦楞复合纸板，由浙江中申板业有限公司提供。纸板的面纸定量为 250 g/m2的A 级箱板纸；芯纸（单面瓦楞）为 A 级瓦楞原纸（瓦楞楞型为 A 楞，楞高 4 mm），定量为150 g/m2。黏合剂，聚醋酸乙烯胶粘剂。
　　1.3 试样制备
　　将瓦楞复合纸板裁成 100100 mm2的样片，再将样片用黏合剂粘合为如图 1 所示样块，其中图 1（a）为重叠式层合结构，图 1（b）为交错式层合结构，为便于表述，标示三个方向为 X、Y、Z 向，其中 XYZ 尺寸为 100100100 mm3，每个方向样品数量为 5 个。
　　1.4 过程与方法
　　按照 GB/T 1453－2005，以 2.0 mm/min速度对瓦楞复合纸板层合结构分别从 X、Y、Z三个方向进行平压性能测试，压缩实验装置如图 2 所示。在 X 向和 Y 向测试时，对于层合结构中的单层纸板，夹芯芯条方向平行于受力方向为纵向，反之为横向。
　　2 结果与讨论
　　2.1 重叠式层合结构的压缩性能
　　重叠式层合结构样块 X、Y 和 Z 三向的压缩应力－应变曲线看出，总体上三个方向的变形过程都为两个阶段线性段以及屈服后的下降段。三条曲线的线性段斜率基本相同，但屈服后的下降段则变化规律不一致，Z 向波动较大，X 向和 Y 向波动较小。三个方向的屈服值 Z 向最大，X 向次之，Y 向最小。
　　2.1.1 X 向压缩性能
　　X 向压缩时，五层纸板全部为纵向受压。由图 3 所示的 X 向曲线可知，X 向上的抗压应力在屈服后呈现波动式下降状态，其典型的实验现象如图 4 所示，样品压缩屈服之后，各层合纸板间均匀承受压力从某一位置均匀压缩缩进（图 4（a））；若瓦楞复合纸板样品面纸和夹芯间的粘合强度较差，会在最外层的纸板上发生面纸剥离的情形。
　　2.1.2 Y 向压缩性能
　　Y 向压缩时，五层纸板全为横向受压。由图 3 中的 Y 向曲线可看出，其曲线走向与 X 向的基本相同，但 Y 向曲线的波动及下降幅度更大。由于各层纸板的最薄弱层各不相同，其表现为各层纸板各自从某个位置开始压缩减小，出现纸板间或面纸与夹芯的剥离。
　　2.1.3 Z 向压缩性能
　　Z 向压缩时，五层纸板直接重叠加压相当于夹层结构的平压性能测试。图 3 中的 Z 向曲线在屈服之后与 X 和 Y 向完全不同，X 和 Y 向是小幅的波动式下降，而 Z 向应力波动较大，这主要是因为五层纸板间的抗压性能不完全相同，层合结构先从最薄弱的一层开始压溃应力大幅下降，而当压溃层纸板又被重新压实之后，层合结构的应力再次大幅增加，重复前一个过程，如图 6 所示为其中一层被压溃后的照片图。如果做连续做较大变形范围（80 mm）的测试会发现，Z 向上的应力最大值不一定出现在第一个峰值处。
　　2.2 交错式层合结构的压缩性能
　　交错式层合结构样块 X、Y 和 Z 三向的压缩应力－应变曲线如图 7 所示。与重叠式层合结构图 3 的图线类似，从图7 中可见，交错式层合结构的三向应力－应变曲线依然呈两部分线性段和屈服后的波动段，其中 X 和 Y 向屈服后的曲线依然为波动式下降而且其值非常的相近，而 Z 向曲线波动则呈上升式大波动情形稍有不同。
　　2.2.1 X 向和 Y 向压缩性能
　　X 向压缩时，五层纸板中有三层为横向受压、两层为纵向受压，Y 向压缩正好与此相反。根据温时宝瓦楞复合纸板的侧压性能测试结果，纸板的纵向侧压强度大于横向，由此可以见到相同应变时 Y 向的应力值总是稍大于 X向。如图 8 所示分别为 X 向和 Y 向压缩后的照片，X 向样品最外层为横向受压，纸板出现了交错折断现象，而 Y 向样品也有此现象，但并不像 X 向明显和严重。
　　2.2.2 Z 向压缩性能
　　Z 向压缩时，五层纸板交错层合从面纸方向加压。由于五层纸板的平压强度不可避免的存在差别，因此与重叠式 Z 向压缩相同，典型的情形是交错式 Z 向压缩为从最薄弱的层开始压溃而后压实，再开始另外一层。另外同一纸板不同部位的强度也有所不同，同时两层纸板间交错排列，所以试验中也发现，经常不是整层纸板被压溃，而是某两层纸板分别在不同的部位被压溃。
　　3 结论
　　通过对立方体层合瓦楞复合纸板重叠式和交错式三个方向平压力学性能的测试，经对比分析发现，重叠式和交错式层合结构的压缩性能在 Z 向上大于 X 和 Y 向约 15%，而两种不同的层合方式在 X 和 Y 向上的差别并不是特别明显，而且在两个方向上若纸板被压溃会发生面纸剥离导致的层合结构分解，从而给利用此种结构的托盘带来更大的问题。总体上看作为托盘的柱脚结构使用时采用交错式 Z 向较好。