纸基空间组合材料静态缓冲性能实验研究

2007/8/10 15:04:24

摘要] 通过对废纸浆与鸡毛组合形成的缓冲材料进行静态压缩实验，获得了材料的静态受力-变形曲线、应力-应变曲线、缓冲系数-应变量曲线及弹性状态方程，为新材料在缓冲包装中的推广应用提供了理论依据。关键词：废纸浆；鸡毛；静态缓冲性能天然纤维缓冲材料是一种以天然纤维为基体，用胶粘剂粘接而成的缓冲材料，具有良好的缓冲性能和广泛的适用性，是一种综合性能优良的缓冲材料。用天然纤维制造缓冲材料的技术是从欧洲发展起来的，开始用动物马鬃为原料生成，由于马鬃资源日趋减少，生产厂家不得不寻找代用原料，如动物的毛发、猪鬃、棕纤维、剑麻纤维和种植纤维等，随着缓冲材料应用的扩大，对天然纤维缓冲材料的研究也更加深入，特别是近十几年来，欧美等国相继开发出一系列天然纤维缓冲材料新产品。利用废纸做纸质基材，以质轻且回弹性好的鸡毛纤维为混合式组合材料，一次成型得到缓冲包装材料。新材料价格成本低、缓冲性能好，并且生产过程中不制浆，无酸碱等废液排放，符合发展绿色包装的趋势。1 实验材料与方法1．1 实验材料 1)废纸浆。将废纸撕碎，用热水浸泡成浆，按正交试验优化配比(废纸20g，脱墨剂0．56g，氢氧化钠0．4g，硅酸钠0．8g，双氧水0．4g)对纸浆进行脱墨处理，过滤晾干。 2) 鸡毛纤维。将鸡毛清洗除杂、脱色、脱梗后，将轻柔的鸡毛纤维晾干后用粉碎机粉碎。1．2 实验仪器天平、实验电动粉碎机、电热恒温水浴箱、电热恒温干燥箱、液压万能试验机等。1．3 实验方法 1) 将实验材料、热制法自制的淀粉胶等要素按正交试验优化结果(干废纸浆12g，鸡毛纤维10g，粘合剂10g，发泡剂6g，水浴温度40℃)进行混合，过滤后用铝合金模具成型，烘干得到缓冲材料。 2) 用10t液压万能实验机对材料进行静态压缩实验。2 实验结果实验试样为圆柱形，密度0．256g／cm3、厚度16mm、直径83mm，选取其中26个加载点记录的压力与变形数据见表1。3 实验结果分析3．1 初始弹性系数及弹性状态方程分析图1中原始数据点的趋势可以得出：新缓冲材料表现出非线性特征，符合正切曲线型弹性体规律，其弹性状态方程的数学模型可假设为：式中：k0为初始弹性系数；db为压缩极限；x为压缩变形量；F为压力。根据经验及实际情况选取db (初始值／2)=8mm，对每组数据进行计算后得到初始弹性系数平均值k0=0．17547，则弹性状态方程为：F=0．8937tan0．19635x。图1表示了由弹性状态方程得到的理论曲线(光滑线)与实测数据点的关系。3．2 缓冲系数C 缓冲系数C与应力σ、应变ε、变形能E的关系如下：根据上述的4个公式，由实验所测的受力变形数据可以得到图2和图3，图中小圆点均为实测数据计算得到的值，曲线为最小二乘法拟合得到的结果。4 结语采用来源充足、成本低廉并可回收再利用的废纸和鸡毛为原料，组合成型的缓冲材料具有密度小、缓冲性能好等特性；通过静态压缩试验得到的特征曲线和经验公式为新材料的应用提供了基本数据资料。（文/毛中彦）

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