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在环境污染严重、自然界资源匮乏的大背景下,EPS等不可降解的泡沫塑料被逐渐叫停是必然趋势,取而代之的是绿色缓冲包装材料。其中植物纤维类发泡材料是近几年的研究热点,它是以植物纤维(废旧报纸、纸箱纸和其他植物纤维材料)以及胶粘剂为主要原料,添加发泡剂、增塑剂等其他助剂制作而成,具有不污染环境、制作工艺简单、成本低廉、原料丰富等优点,可替代EPS作为缓冲材料,也可填补纸浆模塑产品无法用于大型包装物件的缺陷,是发泡塑料的理想替代品。竹也是植物纤维中的一大类,虽然在近几年对其的研究越来越多,但在缓冲发泡材料的应用上才刚刚起步。
目前对竹纤维作为发泡缓冲材料的研究有了阶段性成果,而且对其工艺条件的控制以及产品的发泡机理、微观结构、泡孔缺陷的研究也有了重大突破,但在力学性能的研究上还有待发展。
本文主要论述了竹纤维发泡缓冲包装材料的制备过程,并做出静动态力学性能的测试。根据竹纤维发泡材料静态平压实验应力-应变关系曲线特征,可把曲线分解为三个阶段:线性段、波形段和大应变时应力急剧增加段。根据动态力学性能测试,可归纳出作为缓冲材料的竹纤维发泡材料具有以下三个基本特征:1。材料厚度h和静应力σ0一定时,冲击加速度G随跌落高度H的增大而增加;2.跌落高度H和静应力σ0一定时,冲击加速度G随材料厚度h的增大而减少;3.当应变ε(0<ε<εb)一定时,应力σ随跌落高度H的增加而增加;随跌落次数的增加而增加;随湿度的增加而降低。
以应力-应变曲线为基础,探讨了发泡体制备过程中原材料、原料表面处理、发泡剂、胶粘剂、增塑剂、滑石粉等因素对发泡体力学性能的影响。
根据前述竹纤维发泡材料静态平压实验应力-应变关系曲线及前人进行的类似实验,建立了竹纤维发泡材料平压的非线性本构模型,平均拟合精度均大于90%,计算值与实测值吻合良好。
在构造静态模型的基础上,建立能较全面反映竹纤维发泡缓冲包装材料动态响应的首次冲击非线性粘弹塑性模型。再考虑到竹纤维发泡缓冲包装材料压缩过程中的塑性变形、冲击次数及损伤特性等的影响,以首次冲击时竹纤维发泡材料非线性弹塑性模型为基础,根据实际测试数据提出的竹纤维发泡材料缓冲性能的三个基本特征为依据,为反映竹纤维发泡材料衬垫缓冲性能的其他特点,体现塑性应变、冲击次数、材料损伤、湿度变化对衬垫动态性能的影响,建立了连续多次冲击的22参数非线性粘弹塑性模型,对变形种类、温湿度的影响以及材料对冲击能量的吸收性和衬垫塑性变形进行了综合考虑。可仅根据一两组试验数据,识别出模型参数,能够全面反映竹纤维发泡缓冲包装材料的缓冲特性。
该模型的建立及其参数的成功识别,不仅解决了竹纤维发泡缓冲包装材料的平压动力学计算问题,为缓冲包装优化设计创造了条件;也解决了测试工作量庞大的问题,通过少量测试,识别出模型参数,便可全面掌握竹纤维发泡缓冲包装材料平压的缓冲性能。