原纸弹性模量测定方法

原纸弹性模量测定方法

一、引言

纸和纸板在包装中的主要用途有：用做包裹材料、用于制袋、生产纸盒和生产结构型材料(如瓦楞纸板、蜂窝纸板等)。我们通常将用于生产结构型材料的纸称为原纸。当纸用于商品外包装时，纸的力学性能通常由耐折度、撕裂度、环压强度、耐破度、戳穿强度等性能指标表示。随着国际上对“白色污染”问题的重视，EPS发泡塑料的禁用，纸包装材料越来越多地制成结构型材料用于缓冲包装之中。而评估缓冲材料缓冲性能的参数通常是缓冲系数。用原纸制作结构型缓冲材料的方式非常多，究竟哪种结构方式适合于产品的缓冲包装呢?我们不可能把每种结构形式均制出原型产品进行性能测试，因此，有必要根据原纸的力学性能推算结构型材料的缓冲性能。GIBSON[1]曾经研究过六角形蜂窝结构的力学性能与蜂窝原材料力学性能之间的关系，主要是用结构参数和蜂窝原材料的弹性模量联系起来．Kel1icutt[2]公式也给出了瓦楞纸板的强度与原纸强度之间的关系。这些经典的理论均可作为新型结构型纸质缓冲材料开发的依据。为了推算结构型纸质材料的缓冲性能与原纸之间的关系，通常需要用到原纸材料的弹性模量。原纸的弹性模量也是评价原纸的抗弯和环压性能的一个综合指标。

目前很难查到纸的弹性模量测试方法，也未见其测试标准，由于原纸是一种非常易于弯曲且很薄、边压强度又较低的材料，使得原纸的压缩弹性模量测量起来非常困难。文献【3】曾用挺度仪测量纸板弯折l50的挺度。再根据挺度的定义和计算公式：

式(1)中，S是蜂窝原纸的挺度，F是Taber挺度仪悬臂的载荷，r是弯曲力矩的有效半

径，G是挺度仪顺时针或逆时针旋转150时的读数，，是重量系数，0．5。根据挺度仪的工作原理，杨氏模量E可以描述为：

式(2)中，W是试样的宽度，t是试样的厚度，将方程(1)代人方程(2)得：

根据公式(3)可以计算原纸的弹性模量。它更趋向于表征原纸的弯曲弹性模量，这样的测试方法比较繁琐，且数据的准确性依赖于挺度仪精度和人工读数。本文试图借鉴文献[4]塑料弹性模量测试方法测量，并结合原纸的特性，找出比较适合于原纸弹

性模量的测试方法。

二、测试材料及方法

原纸采用定量分别为230g·m-2和350g·m-2的国产牛皮纸板。其纸厚分别是0．29mm和0．49mm．采用边压强度取样仪取样，试样尺寸规格为12．7mm×125mm，纵横向各10条。试样在20％、相对湿度为65％下处理24h。取出试样在5min内完成实验。

试验仪器为5000N电子拉伸计，由于原纸较薄(其厚度<0．5mm)．用电子拉伸计的夹具固定时很难夹紧，易于打滑，因此在测试纸条固定时要在不影响原纸性能的情况下，先给试样一个预应力才能固定好，所以测试结果的应力应变点并非始于0点。电子拉伸计的标距是65mm，应变率为(1±0．5)mm·min-1。

参照的实验标准为：JB／T6544—1993中华人民共和国机械行业标准，塑料拉伸和弯曲弹性模量试验方法。

三、试验结果及分析

根据弹性模量的定义，它指的是在弹性极限内，线性应力与线性应变的比值。从原纸的拉伸力位移曲线可知，该材料的纵向拉伸线性区在位移为0．5-lmm之间。横向拉伸线弹性区在0．5-0．8mm。原纸弹性模量的计算可根据其定义来计算：

式(4)中，σ为拉伸应力，ε为拉伸应变，根据应力应变的定义，σ和ε可以分别描述为：

其中：P-原纸的拉伸载荷；

t-原纸的厚度；

b一试样的宽度，本试验中b=12．7mm；

l-拉伸位移，单位：mm；

L-试验时拉伸计的跨度，本试验中L=65mm。

定量350g.m-2和230g.m-2纵横向拉伸应力应变如图1(a)和图l(b)所示。为了便于弹性模量的计算，将初始弹性变形区放大，得到图2所示的结果。根据公式(4)～(6)可以求出原纸的纵横向弹性模量。定量350g.m-2牛皮纸板的纵向弹性模量E纵为2．32GPa，横向弹性模量E横为1．36GPa：定量为230g.m-2牛皮纸的纵向弹性模量E纵为2．82GPa，横向弹性模量E横为1．23GPa。

试验结果表明，原纸的拉伸总是经历弹性区和塑性区，原纸横向表现出非常明显的塑性；原纸的纵向弹性模量远大于横向弹性模量，一般采用原纸的纵向作为承载方向；定量大的原纸的弹性模量不一定大于定量小的原纸的弹性模量，要根据具体的纸板材料而定。

上述方法可以用于原纸弹性模量的检验，值得注意的是在原纸固定时需给原纸一个不大于10N的预应力，以防原纸测试过程中打滑；原纸应在预定的温湿度下进行处理；计算原纸弹性模量时需根据具体的实验曲线来选择线弹性区的关键点(文中。原纸纵向线弹性区关键点是位移分别为0．5mm和1mm时所对应的点，原纸横向线弹性区关键点是位移为0．5mm和0．8mm时所对应的点)，而不能照搬文献[4]标准中的应变为0．1％和应变为0．3％时的点。

图1 原纸拉伸力-位移曲线

图2原纸拉伸线弹性区力-位移曲线放大图