新型钙塑瓦楞纸板承载机理与性能研究

摘要

我国是果蔬生产和消费大国，近年来果蔬总产量一直稳居世界首位。90％的果蔬总量均采用瓦楞纸箱包装，由于在运输过程中受到冲击、振动、跌落、摇摆、静压等影响，出现裂纹、挤扁、散失等破损现象，而果蔬渗漏出的汁液导致瓦楞纸板包装箱侵湿，加速了瓦楞纸箱的压溃速率，由上述原因导致的我国果蔬储运损失率高达25％～30％。针对目前果蔬及食品包装领域中普通瓦楞纸箱抗压强度低，防水、防湿、隔气、保温等功能差的现状，本文研究开发钙塑瓦楞芯新型材料，围绕构成钙塑瓦楞纸箱的基本元素，即钙塑片材，及钙塑瓦楞纸板的关键技术与装备研发等问题，结合实验、力学建模以及有限元仿真等方法，研究了钙塑瓦楞芯片材的生产配方及工艺，建立了片材的力学模型，创制了钙塑瓦楞纸板生产工艺及设备，并对所研制钙塑瓦楞纸板的平压性能、弯曲性能、边压性能和缓冲性能进行了力学分析及模型建立，结合有限元对钙塑瓦楞纸箱仿真技术进行了分析，主要研究结论如下: (1)研究了生产新型钙塑瓦楞纸板的关键技术与装备，研制出新型钙塑瓦楞纸板，为后续的新材料实验研究提供支撑。根据瓦楞纸板生产线对胶黏剂的要求，自制并优化了聚丙烯酸酯胶黏剂和水性聚氡酯胶黏剂的配方;根据不同温度和生产速度条件下的钙塑瓦楞纸板的平压强度，确定了生产工艺的最优参数为加热温度150℃，生产速度5.5m/min;对钙塑瓦楞纸板生产线关键部件瓦楞棍的齿形参数进行优化，建立压楞系数的数学模型，优化后的压楞系数较现有设备减小了0.1801，降低了生产成本;同时对生产线的部分关键设备进行整体结构设计，如加热辊、烘干道、上胶机以及电控系统，旨在改善纸板与生产线的能力，缩减成本，为工艺设计和生产中的关键技术提供理论基础。 (2)从钙塑片材的配方优化、挤出加工工艺优化、力学性能建模及分析等方面进行研究，制备满足性能且价格低廉的钙塑片材。通过正交试验对钙塑片材基材配比、改性剂以及偶联剂、相容剂的含量进行系统研究，综合考虑钙塑片材的拉伸强度、冲击强度等性能以及原料成本、制备工艺等因素，获得钙塑片材最优配方为:按钙塑片材原料重量比HDPE5000S:27wt％、HDPE8008:22wt％、CaCO3:49wt％、A-174偶联剂:2wt％。以钙塑片材加工过程中的机筒温度、模头温度以及压延速率为主要影响因素，构建正交试验，测试影响钙塑片材力学性能主要指标拉伸强度及冲击强度，确定当机筒熔融温度为190℃，模口温度控制在240℃，压延辊速率为140r/min，钙塑片材综合力学性能最佳;通过对钙塑片材和牛皮纸主要性能对比研究及建模，得到钙塑片材的拉伸强度略大于牛皮纸的强度，钙塑材料有一个比较平稳的屈服阶段，而牛皮纸材料直接断裂，没有这个阶段。钙塑片材横向拉伸是纵向的1.6倍，呈现出材料各向异性;无论是横向和纵向环压强度，钙塑片材均高于牛皮纸，而且变形的规律与牛皮纸基太相似;由此得到，用钙塑片材完全可以替代牛皮纸作为瓦楞纸板的芯材，且强度大于牛皮纸。 (3)通过对钙塑瓦楞纸板和三层、五层瓦楞纸板的静态平压、边压、弯曲以及动态缓冲四个方面对比实验，得到钙塑瓦楞纸板性能均商于普通瓦楞纸板，同时依据实验结果，建立了相应的模型。平压实验表明，钙塑瓦楞纸板线性段弹性模量显著高于三层和五层瓦楞纸板，分别达到二者的3.69倍和1.68倍，最大承载能力可分别比三层、五层纸板提高2.58倍和2.19倍，并建立了钙塑瓦楞纸板平压静态模型;边压实验表明，钙塑瓦楞纸板边压强度分别是三层和五层瓦楞纸板的1.34倍和1.05倍，并建立了钙塑瓦楞纸板边压静态模型;弯曲实验表明，钙塑瓦楞纸板垂直楞向抗弯能力分别是三层和五层瓦楞纸板的2.25倍和1.16倍，平行楞向抗弯能力分别是二者的1.26倍和1.07倍，并建立了钙塑瓦楞纸板弯曲模型。另一方面，钙塑瓦楞纸板不同方向的抗弯能力有较大差异，垂直楞向是平行楞向的3.16倍，体现出这种新型包装材料另一个方面的优秀承载能力。钙塑瓦楞纸板的动态应力-应变曲线与静态应力-应变曲线的相似程度较高，发现钙塑瓦楞纸板对应变率较敏感。在准静态与动态载荷下的弹性模量存在相位差，比较符合非线性粘弹塑性模型。依据静动态变形规律，建立了钙塑瓦楞纸板的动态压缩模型。 (4)从材料的力学性能出发，基于正交各向异性本构理论，得到钙塑材料、纸材料各向异性本构关系及钙塑瓦楞纸箱的变形行为。基于材料正交各向异性本构关系，建立了钙塑瓦楞纸板结构的有限元模型，分析了此结构在均匀压缩下的变形模式及后屈曲力学行为，结合板壳理论分析了钙塑瓦楞纸箱在大变形下的力学行为并进行了有限元仿真，其宏观应力-应变曲线与对应的试验应力-应变曲线吻合较好，由此证明了钙塑瓦楞结构及瓦楞纸箱有限元模型的正确性。

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摘要

图目录

表目录

第一章绪论

1．1研究的背景及其意义

1．2钙塑片材的研究进展

1．3瓦楞纸板静动态性能的研究进展

1．3．1瓦楞纸板的静态平压性能研究进展

1．3．2瓦楞纸板边压性能研究进展

1．3．3瓦楞纸板弯曲性能研究

1．3．4瓦楞纸板的缓冲性能分析

1．4瓦楞纸箱应用现状及研究进展

1．4．1瓦楞纸箱的抗压强度

1．4．2相对湿度对瓦楞纸箱的影响

1．4．3瓦楞纸箱动载损伤的研究分析

1．4．4钙塑瓦楞纸箱的应用分析

1．5本文的主要研究思路及内容

第二章钙塑瓦楞纸板创新结构与规模化生产工艺设备研究

2．1钙塑片材挤出技术与设备研究

2．1．1钙塑片材生产技术

2．1．2钙塑片材挤出设备

2．2钙塑瓦楞纸板黏合剂研究

2．2．1市售胶黏剂对钙塑瓦楞纸板黏结性能的分析

2．2．2钙塑瓦楞纸板水性聚丙烯酸酯胶黏剂的研究

2．2．3钙塑瓦楞纸板水性聚氨荫胶黏剂的研究

2．3钙塑瓦楞纸板生产关键技术与工艺装备研究

2．3．1钙塑瓦楞纸板生产工艺设计

2．3．2钙塑瓦楞纸板生产线的设计

2．3．3钙塑瓦楞纸板生产线关键装置研究

2．4钙塑瓦楞纸箱成型技术

2．5本章小结

第三章瓦楞钙塑片材研制及力学性能研究

3．1钙塑片材配方实验研究

3．1．1实验材料

3．1．2实验设备

3．1．3钙塑片材制备

3．1．4力学性能测试

3．1．5结果与讨论

3．2．6配方结论

3．2钙塑片材挤出加工工艺优化

3．2．1机简温度对钙塑片材性能的影响

3．2．2模口温度对钙塑片材性能的影响分析

3．2．3压延棍速度对钙塑片材性能的影响分析

3．2．4生产工艺优化结果

3．3钙塑片材性能分析及建模

3．3．1钙塑片材的拉伸强度分析

3．3．2钙塑片材的环压强度

3．3．3弹性模量与泊松比测试

3．3．4钙塑瓦楞芯片材的其他性能

3．3．5钙塑片材性能分析结果

3．4本章小结

第四章钙塑瓦楞纸板结构承载机理及表征

4．1．1实验材料

4．1．2实验设备及方法

4．1．3结果与分析

4．2钙塑瓦楞纸板边压性能研究

4．2．1实验材料

4．2．2边压实验

4．2．3结果与分析

4．3钙塑瓦楞纸板弯曲性能研究

4．3．1实验材料

4．3．2弯曲实验

4．3．3结果与分析

4．3．4对比分析

4．4钙塑瓦楞纸板动态平压冲击性能及建模

4．4．1动态平压测试原理

4．4．2钙塑瓦楞纸板动态平压测试结果分析

4．4．3钙塑瓦楞纸板动态平压模型与实验结果

4．5本章小结

第五章钙塑瓦楞纸箱有限元仿真分析

5．1钙塑瓦楞纸板的静力学模型

5．1．1材料本构模型

5．1．2本构参数识别

5．1．3静力学模型

5．2钙塑瓦楞纸板有限元仿真计算

5．2．1有限元模型

5．2．2平压结果与分析

5．2．3边压结果与实验对比分析

5．3钙塑瓦楞纸箱有限元仿真分析

5．3．1有限元仿真计算结果

5．3．2实验结果及对比分析

5．4本章小结

第六章结论与展望

6．1主要结论

6．2主要创新点

6．3进一步展望

参考文献

作者简介