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纸浆模塑制品强度与性能综合研究(上)

2009/6/21 9:45:49 人评论

目前,中国与其他发达国家一样正在大力推进以环保型材料替代EPS等发泡塑料制品的研究应用工作,尤其在包装材料耗用大户的电子工业和轻工业中以纸浆模塑材料代替EPS等缓冲材料。我国电子电器行业中,仅彩色电视机和显象管这2种产品包装用的EPS发泡塑料量每年达2万多吨,体积折算达l00多万立方米。前国家电子工业部曾把推广纸浆模塑制品以替代EPS等塑料作为“九五”及“十五”期间包装改进的重点。但是到目蓟为止,纸浆模塑制件应用只占全部电子产品耗用包装材料的2%左右。不管国内还是国外,由于种种原因,总体上纸浆模塑制件替代EPS等材料的研究应用进展比较慢,不能跟上时代发展的要求。
  通过前期调查研究发现,目前绝大多数的纸浆模制件都沿用传统的湿式造纸方法。用传统方法生产的纸浆模塑产品,结构强度和缓冲性能较差,且在生产方法、模具成本、经济效益、能源消耗等方面,与发泡塑料制品相比没有明显替代优势。客观地说,现有的纸浆模塑件作为一般轻型产品的浅盘式衬垫物或隔档物尚可,但要作为完全替代EPS的机电产品缓冲包装材料,离开目标相距甚远。目前纸浆模塑制品的致命弱点之一就是其结构强度与缓冲性能不及EPS等材料的1/10。
  目前国内外都缺乏专用于缓冲包装的纸浆模塑制件的通用设计规范,其生产方法与制品结构性能也未有明显的根本改进或革新。为了能生产出以环保性纤维类材料为基体的、可完全替代EPs等发泡塑料的缓冲材料,必须运用新的思路和技术方法,在材料形成机理、生产工艺方法、结构性能、缓冲设计方法等方面进行更加深入的研究。
  l  纸浆模塑制品与EPS材料的比较
  1.1  基本特性
  EPS材料的优点是质轻、透明、强度大、防潮、耐腐蚀。最大弱点是用后不能自行分解,从而其废弃物如果不回收处理则会造成对环境的大量污染。此外,它还有材料体积较大,堆置空间大等缺点。纸浆模塑制品的主要优势是原料资源丰富,具有一定的抗压、防震能力,防静电,吸附性较好,可堆叠存放,无毒,生产不复杂,用途较广,印刷性好和易回收等特性。主要缺点是会吸水、吸油,阻气性较差,生产自动化程度不太高,成本比较高等。
  1.2缓冲与抗振性能
  纸浆模塑制品和EPS制品的缓冲曲线的比较:2种材料所达到的最大传递加速度值相近,但纸浆模塑制品比较适合静应力较低的情况,而EPS所适合的静应力范围较高。并且EPS的缓冲曲线开口比较大,这说明该材料在设计、使用时可以有比较大的选择范围。
纸浆模塑制品的缓冲结构几乎不会导致振动的增大。对于振动保护而言,通常,最频繁的振动一般发生在公路和铁路运输过程中,届时最大振动的增强倍率值为1.8,但是对于泡沫塑料的缓冲衬垫来说显示振动增强倍率值超过5是很常见的。
  2  对纸模塑制品结构性能的影响因素概述
  2.1  几何结构形状
  已有的研究表明:平顶圆锥体制品的抗压能力在变形约为7mm时达到了峰值,然后压力载荷变化趋于平缓。当楔体形状制品所能承受的压力载荷明显低于平顶圆锥体制品。并且,压力载荷接下来呈下降趋势。楔体缓冲结构的长宽比变化对其的抗压能力几乎没有影响。
  关于缓冲性能,虽然两种结构形状的曲线的最小传递加速度值几乎相同,但平顶圆锥体形状制品的缓冲曲线明显位于右侧,并且开口也更宽。这说明当达到相同的传递加速度时,圆锥体结构比楔体制品能承受更高的静应力,并且所适应的静应力范围也更大。不同长宽比楔体结构制品呈现出相同的缓冲曲线,这说明楔体长宽比的变化不影响纸浆模塑制品的缓冲效果。
  2.2拔模斜度和纸模高度
  当拔模斜度较小时,缓冲结构能承受较大的载荷,但是当压力载荷达到峰值后,曲线开始产生不规则波动。当制品的拔模斜度达到45o时,缓冲结构在变形还很小时抗压能力就已经接近了峰值,随着变形的增加,曲线趋于平缓。由此可见,纸浆模塑制品的拔模斜度越小,抗压能力则越大。当静应力较低时,纸浆模塑制品的缓冲效果最好,缓冲衬垫的高度变化并没有多大的影响。随着静应力的逐渐增加,缓冲距离越高,传递加速度值越低,能承受的静应力越高。
  2.3  结构单元数和纸模定量厚度
  缓冲结构单元为n个的纸浆模塑制品所能承受的最大压力是缓冲结构单元为一个的纸浆模塑制品所能承受最大压力的n倍以上。
  当制品的定量增加时,其缓冲曲线逐步向右移动(朝着更高的静应力方向)。不同定量制品的缓冲曲线的最小传递重力加速度值几乎是相同的。在给定产品脆值的情况下,定量较大的制品能承受的静应力更大。
  2.4  跌落高度
  80cm高度跌落的测试结果显示,此制品传递加速度的最小值要比60cm高度的测试结果稍大。并且60cm高度的曲线更宽,也就是说其可供选择的范围更大。
  2.5  周边载荷
  周边载荷对纸浆模塑制品缓冲性能的影响类似于静应力,对于任何一个纸浆模塑制品,都有一个最适合缓冲保护的周边载荷的范围。由于曲线与纸浆模塑缓冲衬垫的缓冲曲线很相似,或许可以替代静态载荷在设计时同样使用。
  2.6  环境湿度
  纸浆模制品是对于湿度敏感的产品。在正常的天气情况下,纸浆模塑制品是可以保持自身良好的缓冲和抗压性能。但在连续干旱、黄梅天和暴雨等异常气候下,纸浆模制品的各种性能会有较大改变。当然现在也有许多纸浆模塑制品的表面会涂上一些特殊涂料以达到防水的目的,这样也在一定程度上避免了环境湿度变化对纸模塑制品的影响。
  3  纸浆模塑制件应用上存在的问题
  a.市场上纸模产品品种比较单一,尤其用于大中型产品缓冲目的的纸模产品可供选择的品种规格还较少。
  b.纸浆模塑工业包装产品的抗压与缓冲结构设计方面缺少成熟理论与设计规范。国内对纸浆模塑制品的缓冲等性能及其相关因素的基础研究与分析还不足。
  c.大多数纸模产品的生产还在沿袭湿部化学原理的造纸方法,无法使材料的内部结构具有较强的机械力学性能。
  d.对纸浆模塑类材料和EPS类材料之间可比的各种问题,如成型机理、生产工艺、结构特点、缓冲性能、经济性等缺乏全面而综合的理论研究及试验研究。
  e.需要寻求新型纤维类模塑制品的先进生产法,以显著提高结构强度与缓冲性能、提高生产率。结构改进的重点放在将制品的薄壁式实体结构转变为发泡成型多孔式结构。这可以根本上  改变纸浆模塑制品相对于EPS等发泡材料的最大性能劣势,如比重大、脆性大、弹性模数小、回弹性差、缓冲系数小、多次冲击性差等,以及只能做大面积产品,难以做高深度产品、含水量对结构  性能影响敏感等。
  f.修改目前国际上通行的以发泡塑料作为缓冲材料的缓冲防振包装设计体系——基本数据库和基本计算方法,建立适用于新型纤维类模塑缓冲材料的缓冲防振包装设计方法及其基本数据。试行建立比较完整的用于缓冲包装的新型纤维类模塑制品的设计规范(包括结构分类形式、相关性能参数、设计计算方法等)。

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