新型环保纸蜂窝夹芯复合材料研究_李志英
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在进行平压测试时，其顶端和底端的石膏板只起 传递压力作用，实际起缓冲作用的是夹层中间的蜂窝 纸板，其弹性模量 E=E1E2T（/ T1E2+T2E1），其中 E1，E2，T1， T2分别为 2 块复合蜂窝纸板的弹性模量和厚度，T 为复 合板的厚度。蜂窝纸板 1 和蜂窝纸板 2 的材料相同， 具有相同的弹性模量，即 E1=E2，又有 T=T1+T2，可得 E= E1=E2，即厚度为两弹性材料的厚度之和[12]，弹性模量 E 不变。复合材料为线性材料的串联排列，其弹性模量 等于单层蜂窝纸板弹性模量，但串联后的厚度增加。
包装工程
第 36 卷 第 1 期
70
PACKAGING ENGINEERING
2015 年 1 月
新型环保纸蜂窝夹芯复合材料研究
李志英 1，高飞跃 2，杨丹 3
（1. 渭南师范学院，渭南 714000；2. 西安新达机械有限公司，西安 710048； 3. 陕西科技大学，西安 710021）
摘要：目的 依据包装缓冲设计及动力学理论分析新型环保纸蜂窝夹芯板的最佳厚度。方法 通过平 压实验、弯曲实验、抗冲击实验和单点吊挂实验分析蜂窝纸板的各项力学性能。结果 平压实验时，压 溃过程呈先后顺序，其压力-位移曲线呈双峰形态。在复合材料中间部位施加压力时，压力可达板自 重的 0.75 倍以上，70~110 mm 厚的板均能承受 30 kg 的大软体冲击（冲击高度为 500 mm），满足墙体抗 冲击性能标准；厚度小于 90 mm 的墙板，其损坏情况为孔洞周围石膏板被压溃，表现为轻微损伤；厚度 大于 90 mm 的墙板，其力学性能良好。结论 墙板的最佳厚度为 90 mm。 关键词：纸蜂窝夹芯；平压；弯曲；冲击；吊挂 中图分类号：TB484.6 文献标识码：A 文章编号：1001-3563（2015）01-0070-04
A New Type of Environment Friendly Paper Honeycomb Sandwiched Composite Material
LI Zhi-ying1，GAO Fei-yue2，YANG Dan3
（1. Weinan Normal University，Weinan 714000，China；2. Xi′an Xinda Machinery Co.，Ltd.，Xi′an 710048，China； 3. Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China）
实 验 材 料 ：纸 面 石 膏 面 板（规 格 为 2000 mm × 1200 mm×10 mm），泰山石膏股份有限公司；蜂窝纸 芯材（孔径为 8 mm，孔径比为 1，孔壁厚度为 0.2 mm， 蜂 窝 原 材 芯 纸 定 量 为 250 g/m2 ，面 纸 定 量 为 120 g/m2），西安市海宏包装有限公司；胶黏剂（主要成分 为玉米淀粉、硫酸亚铁、双氧水、氢氧化钠、硼砂等）， 西安市海宏包装有限公司。实验设备为 YE-50 包装 件压力试验机、软体冲击替代设备、单点吊挂替代设 备等。
序号
1 2 3 4
挠度/ mm 2.6 3.3 2.5 3.8
弯曲强度/ （N·m）
20.44 14.5 28.09 24.18
质量/ g
1106.79 1094.22 1091.67 1095.78
可承受的 最大压力/N
1400 1260 1850 2420
承重 （自重）
≥0.75 倍
由表 2 可以得出，仅在中间部位施加压力时，压力 值可达到复合材料自重的数十倍甚至上百倍，完全满 足抗弯破坏荷载值不小于板自重 0.75 倍的要求。
曲实验由于试样尺寸过大且跨距为 350 mm，所以利用 改造后的 YE-50 包装件压力试验机进行试验。通过 将试样两端支撑起来，在中间施加压力形成弯矩来模 拟墙体在实际中受到的弯矩，通过不断地增加压力来 观察试样的表现，研究其能承受的最大弯曲力。参照 ISO 5628—1990《纸和纸板弯曲强度静态测定法一般 原则》和 GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方 法》[9] 进 行 测 试 。 参 照 GB/T 22631—2008/ISO 7892： 1988《建筑物垂直部件抗冲击试验冲击物及通用试 验程序》[10]进行大软体冲击测试。单点吊挂实验参照 JG/T 3029 住宅内隔墙轻质条板的相关规定进行测 试[11]，在板高 800 mm 处打一孔洞，扫清残灰，然后嵌入 螺钉并其将固定，上下钢管间距为 900 mm，通过固定 螺栓加载，分两级加载，第 1 级加载 400 N，静置 2 min， 再加载 400 N，静置 24 h，观察板面有无贯通裂纹，吊 挂区周围有无破损，记录检测结果。
1 实验
1.1 材料与仪器 新型环保纸蜂窝夹心复合材料以复合蜂窝纸板
为芯板，石膏板为面板，通过淀粉糊化胶黏剂粘合而 成，其结构见图 1。
图 1 纸蜂窝夹心复合材料结构 Fig.1 The structure diagram of paper honeycomb sandwiched com-
posite material
1.3 性能测试
测试前将待测样品放置在压强为 0.101 MPa、温度 为 20 ℃、相对湿度为 61%的条件下预处理 24 h 以上。 平压强度实验参照 GB 8168—87《包装用缓冲材料静 态压缩试验方法》[8]的原理和试验步骤进行测试。弯
图 2 复合材料压力-变形曲线 Fig.2 The pressure-deformation curve of the composite material
收稿日期：2014-10-15 作者简介：陕西省教育厅 2014 年科学研究专项（14JK1229） 通讯作者：李志英（1980—），女，山西侯马人，渭南师范学院讲师，主要研究方向为包装设计、视觉传达设计等。
第 36 卷 第 1 期
李志英等：新型环保纸蜂窝夹芯复合材料研究
71
合适的厚度组合，为该新型材料的实际应用推广提供 依据。
ABSTRACT：On the basis of the theories and techniques pertinent to dynamics of package cushioning design, the optimal thickness of the new environment friendly paper honeycomb sandwich panel was analyzed in this paper. Through flat compression test, bending test, impact resistance test and single-point hanging test, the mechanical properties of the honeycomb paperboard were analyzed. In the flat crush test, the collapsing process showed the phenomenon of sequential occurrence, and the pressure-displacement curves were featured by the double-peak shape. When pressure was applied in the middle of the composite material, it could reach a value up to 75% of the gravity of the panel itself. The honeycomb panel with a thickness of 70 mm to 110 mm could tolerate the flexible shock of 30 kg (for shock height of 500 mm), thus meeting the standards of wall impact performance. The damage to the panels with a thickness of less than 90 mm was attributable to the slight collapse of the plaster panels around the hole. The mechanical properties of the wall panels with a thickness exceeding 90 mm were good. 90 mm was the optimal thickness of the paper honeycomb sandwiched wall panels. KEY WORDS：paper honeycomb sandwich；compression；bending；impact；hanging
新型建筑材料要应用在实践中，必须了解其各种 性能。将蜂窝纸板与石膏板复合得到新型环保纸蜂窝 夹芯复合材料，从实际应用角度出发对其进行理论分 析，不同厚度的蜂窝纸板的各项性能有所不同，由此得 到各种厚度墙体的性能也有差异。蜂窝夹芯结构复合
材料的本构关系比较复杂，各部分不是连续体，因而使 得受力分析比较困难，故蜂窝夹层结构的静、动态力学 分析计算一直是研究的一个重要课题[1—7]。文中通过 实验寻求模拟条件下复合材料的静态压缩、抗弯曲及 抗冲击等性能，通过实验对比分析找到满足作为墙体
Biblioteka Baidu2
包装工程
2015 年 1 月
表 1 复合材料压溃强度
Tab.1 The crushing strength of the composite material
表 3 复合材料的弯曲强度
Tab.3 Bending strength of the composite material
试样规格 25 mm×40 mm 25 mm×45 mm 30 mm×35 mm 30 mm×40 mm 35 mm×35 mm 35 mm×40 mm 35 mm×50 mm 40 mm×50 mm 50 mm×60 mm 70 mm×70 mm
2 结果与讨论
2.1 平压性能分析
通过低速加压缩载荷的方法，求取墙体材料的压 力-变形曲线见图 2，不同厚度的蜂窝纸板组合压溃强 度实验结果见表 1。
1.2 试样制备
按实验要求将不同厚度蜂窝纸板面板涂胶，涂胶 量为 200 g/m2，将其与石膏板加压使其粘合 24 h 后制 成墙板，厚度分别为 70，80，90，100，110 mm，将其裁切 并编号，具体尺寸：测试平压强度实验的尺寸为 200 mm×200 mm，测试弯曲强度实验的尺寸为 400 mm× 150 mm，测试抗冲击强度实验的尺寸为 1500 mm× 800 mm，进行单点吊挂实验的尺寸为 1000 mm×500 mm。
第 1 压溃强度/kPa 123 107 154 247 50 121 87 232 233 285
第 2 压溃强度/kPa 317 284 190 181 68 134 121 198 199 348
平压试验时，位移量呈增大趋势，其压力-位移曲线出 现双峰态势（即出现 2 个压溃强度点），因压溃过程中 双层蜂窝纸板的压溃呈现先后顺序，所以压力-位移 曲线呈双峰形态。
按 GB/T l456—2005 要求分别对 70~110 mm 样品 进行实验，所得各板弯曲强度见表 3。新型纸蜂窝复 合材料可以等效由上下 2 个各向同性的面板和中间各 向异性的夹芯组成，不同厚度的复合材料在弯曲试验 过程中，随着压力的增加，第 1 阶段都为线性阶段，该 阶段的弯曲变形可以恢复。文中主要研究由复合材 料建造墙体的弯曲强度，故对曲线的研究和数值的选 取均在线性阶段。随着压力的增加，样品出现一些不 可逆的损坏，直观表现为面板断裂、蜂窝压溃或面板
2.2 弯曲性能分析
采用 ISO 5628—1990 推荐的三点加载方式 ，得 [13] 弯曲强度为 FL3（/ 48db），其中 F 为弯矩力，L 为跨距，b 为试样宽度，d 为挠曲度值。在加载速度为 3 mm/min 的条件下，计算结果见表 2。
表 2 抗弯实验结果
Tab.2 The result of bending test
包装工程
第 36 卷 第 1 期
70
PACKAGING ENGINEERING
2015 年 1 月
新型环保纸蜂窝夹芯复合材料研究
李志英 1，高飞跃 2，杨丹 3
（1. 渭南师范学院，渭南 714000；2. 西安新达机械有限公司，西安 710048； 3. 陕西科技大学，西安 710021）
摘要：目的 依据包装缓冲设计及动力学理论分析新型环保纸蜂窝夹芯板的最佳厚度。方法 通过平 压实验、弯曲实验、抗冲击实验和单点吊挂实验分析蜂窝纸板的各项力学性能。结果 平压实验时，压 溃过程呈先后顺序，其压力-位移曲线呈双峰形态。在复合材料中间部位施加压力时，压力可达板自 重的 0.75 倍以上，70~110 mm 厚的板均能承受 30 kg 的大软体冲击（冲击高度为 500 mm），满足墙体抗 冲击性能标准；厚度小于 90 mm 的墙板，其损坏情况为孔洞周围石膏板被压溃，表现为轻微损伤；厚度 大于 90 mm 的墙板，其力学性能良好。结论 墙板的最佳厚度为 90 mm。 关键词：纸蜂窝夹芯；平压；弯曲；冲击；吊挂 中图分类号：TB484.6 文献标识码：A 文章编号：1001-3563（2015）01-0070-04
A New Type of Environment Friendly Paper Honeycomb Sandwiched Composite Material
LI Zhi-ying1，GAO Fei-yue2，YANG Dan3
（1. Weinan Normal University，Weinan 714000，China；2. Xi′an Xinda Machinery Co.，Ltd.，Xi′an 710048，China； 3. Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China）
实 验 材 料 ：纸 面 石 膏 面 板（规 格 为 2000 mm × 1200 mm×10 mm），泰山石膏股份有限公司；蜂窝纸 芯材（孔径为 8 mm，孔径比为 1，孔壁厚度为 0.2 mm， 蜂 窝 原 材 芯 纸 定 量 为 250 g/m2 ，面 纸 定 量 为 120 g/m2），西安市海宏包装有限公司；胶黏剂（主要成分 为玉米淀粉、硫酸亚铁、双氧水、氢氧化钠、硼砂等）， 西安市海宏包装有限公司。实验设备为 YE-50 包装 件压力试验机、软体冲击替代设备、单点吊挂替代设 备等。
序号
1 2 3 4
挠度/ mm 2.6 3.3 2.5 3.8
弯曲强度/ （N·m）
20.44 14.5 28.09 24.18
质量/ g
1106.79 1094.22 1091.67 1095.78
可承受的 最大压力/N
1400 1260 1850 2420
承重 （自重）
≥0.75 倍
由表 2 可以得出，仅在中间部位施加压力时，压力 值可达到复合材料自重的数十倍甚至上百倍，完全满 足抗弯破坏荷载值不小于板自重 0.75 倍的要求。
曲实验由于试样尺寸过大且跨距为 350 mm，所以利用 改造后的 YE-50 包装件压力试验机进行试验。通过 将试样两端支撑起来，在中间施加压力形成弯矩来模 拟墙体在实际中受到的弯矩，通过不断地增加压力来 观察试样的表现，研究其能承受的最大弯曲力。参照 ISO 5628—1990《纸和纸板弯曲强度静态测定法一般 原则》和 GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方 法》[9] 进 行 测 试 。 参 照 GB/T 22631—2008/ISO 7892： 1988《建筑物垂直部件抗冲击试验冲击物及通用试 验程序》[10]进行大软体冲击测试。单点吊挂实验参照 JG/T 3029 住宅内隔墙轻质条板的相关规定进行测 试[11]，在板高 800 mm 处打一孔洞，扫清残灰，然后嵌入 螺钉并其将固定，上下钢管间距为 900 mm，通过固定 螺栓加载，分两级加载，第 1 级加载 400 N，静置 2 min， 再加载 400 N，静置 24 h，观察板面有无贯通裂纹，吊 挂区周围有无破损，记录检测结果。
1 实验
1.1 材料与仪器 新型环保纸蜂窝夹心复合材料以复合蜂窝纸板
为芯板，石膏板为面板，通过淀粉糊化胶黏剂粘合而 成，其结构见图 1。
图 1 纸蜂窝夹心复合材料结构 Fig.1 The structure diagram of paper honeycomb sandwiched com-
posite material
1.3 性能测试
测试前将待测样品放置在压强为 0.101 MPa、温度 为 20 ℃、相对湿度为 61%的条件下预处理 24 h 以上。 平压强度实验参照 GB 8168—87《包装用缓冲材料静 态压缩试验方法》[8]的原理和试验步骤进行测试。弯
图 2 复合材料压力-变形曲线 Fig.2 The pressure-deformation curve of the composite material
收稿日期：2014-10-15 作者简介：陕西省教育厅 2014 年科学研究专项（14JK1229） 通讯作者：李志英（1980—），女，山西侯马人，渭南师范学院讲师，主要研究方向为包装设计、视觉传达设计等。
第 36 卷 第 1 期
李志英等：新型环保纸蜂窝夹芯复合材料研究
71
合适的厚度组合，为该新型材料的实际应用推广提供 依据。
ABSTRACT：On the basis of the theories and techniques pertinent to dynamics of package cushioning design, the optimal thickness of the new environment friendly paper honeycomb sandwich panel was analyzed in this paper. Through flat compression test, bending test, impact resistance test and single-point hanging test, the mechanical properties of the honeycomb paperboard were analyzed. In the flat crush test, the collapsing process showed the phenomenon of sequential occurrence, and the pressure-displacement curves were featured by the double-peak shape. When pressure was applied in the middle of the composite material, it could reach a value up to 75% of the gravity of the panel itself. The honeycomb panel with a thickness of 70 mm to 110 mm could tolerate the flexible shock of 30 kg (for shock height of 500 mm), thus meeting the standards of wall impact performance. The damage to the panels with a thickness of less than 90 mm was attributable to the slight collapse of the plaster panels around the hole. The mechanical properties of the wall panels with a thickness exceeding 90 mm were good. 90 mm was the optimal thickness of the paper honeycomb sandwiched wall panels. KEY WORDS：paper honeycomb sandwich；compression；bending；impact；hanging
新型建筑材料要应用在实践中，必须了解其各种 性能。将蜂窝纸板与石膏板复合得到新型环保纸蜂窝 夹芯复合材料，从实际应用角度出发对其进行理论分 析，不同厚度的蜂窝纸板的各项性能有所不同，由此得 到各种厚度墙体的性能也有差异。蜂窝夹芯结构复合
材料的本构关系比较复杂，各部分不是连续体，因而使 得受力分析比较困难，故蜂窝夹层结构的静、动态力学 分析计算一直是研究的一个重要课题[1—7]。文中通过 实验寻求模拟条件下复合材料的静态压缩、抗弯曲及 抗冲击等性能，通过实验对比分析找到满足作为墙体
Biblioteka Baidu2
包装工程
2015 年 1 月
表 1 复合材料压溃强度
Tab.1 The crushing strength of the composite material
表 3 复合材料的弯曲强度
Tab.3 Bending strength of the composite material
试样规格 25 mm×40 mm 25 mm×45 mm 30 mm×35 mm 30 mm×40 mm 35 mm×35 mm 35 mm×40 mm 35 mm×50 mm 40 mm×50 mm 50 mm×60 mm 70 mm×70 mm
2 结果与讨论
2.1 平压性能分析
通过低速加压缩载荷的方法，求取墙体材料的压 力-变形曲线见图 2，不同厚度的蜂窝纸板组合压溃强 度实验结果见表 1。
1.2 试样制备
按实验要求将不同厚度蜂窝纸板面板涂胶，涂胶 量为 200 g/m2，将其与石膏板加压使其粘合 24 h 后制 成墙板，厚度分别为 70，80，90，100，110 mm，将其裁切 并编号，具体尺寸：测试平压强度实验的尺寸为 200 mm×200 mm，测试弯曲强度实验的尺寸为 400 mm× 150 mm，测试抗冲击强度实验的尺寸为 1500 mm× 800 mm，进行单点吊挂实验的尺寸为 1000 mm×500 mm。
第 1 压溃强度/kPa 123 107 154 247 50 121 87 232 233 285
第 2 压溃强度/kPa 317 284 190 181 68 134 121 198 199 348
平压试验时，位移量呈增大趋势，其压力-位移曲线出 现双峰态势（即出现 2 个压溃强度点），因压溃过程中 双层蜂窝纸板的压溃呈现先后顺序，所以压力-位移 曲线呈双峰形态。
按 GB/T l456—2005 要求分别对 70~110 mm 样品 进行实验，所得各板弯曲强度见表 3。新型纸蜂窝复 合材料可以等效由上下 2 个各向同性的面板和中间各 向异性的夹芯组成，不同厚度的复合材料在弯曲试验 过程中，随着压力的增加，第 1 阶段都为线性阶段，该 阶段的弯曲变形可以恢复。文中主要研究由复合材 料建造墙体的弯曲强度，故对曲线的研究和数值的选 取均在线性阶段。随着压力的增加，样品出现一些不 可逆的损坏，直观表现为面板断裂、蜂窝压溃或面板
2.2 弯曲性能分析
采用 ISO 5628—1990 推荐的三点加载方式 ，得 [13] 弯曲强度为 FL3（/ 48db），其中 F 为弯矩力，L 为跨距，b 为试样宽度，d 为挠曲度值。在加载速度为 3 mm/min 的条件下，计算结果见表 2。
表 2 抗弯实验结果
Tab.2 The result of bending test