CN113895128A - 一种具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材 - Google Patents

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CN113895128A CN202111078539.5A CN202111078539A CN113895128A CN 113895128 A CN113895128 A CN 113895128A CN 202111078539 A CN202111078539 A CN 202111078539A CN 113895128 A CN113895128 A CN 113895128A
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Abstract

本发明公开了一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材。包括上下面板和夹心层，夹心层布置在上下面板间形成三明治结构，夹心层的特征为双向波纹状，两个波纹方向相互垂直；夹心层由数个胞元立体结构在上下面板之间的二维平面上紧密填充得到的；胞元立体结构由呈田字形布置的四块平行四边形板材折叠成型。本发明不仅易于加工成型，其结构的高度变化范围广，解决了单瓦楞纸板厚度受限的问题；单位质量承载能力和缓冲吸能特性优异，实现了提高夹层板总厚度前提下力学性能的同步提升。

Description

一种具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材
技术领域
本发明属于新材料技术领域的一种纸质板材，尤其是涉及一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材。
背景技术
由于环境保护的需求，纸质缓冲型板材的用量和市场需求一直很旺盛。目前市面上纸质缓冲型板材大多为三层瓦楞纸板、多层瓦楞纸板或蜂窝纸板。三层瓦楞纸板(也称单瓦楞纸板)具有相对较高的抗压强度，但缓冲性能不佳，并且瓦楞高度受限，A型瓦楞高度一般在4.6～4.9mm，特大型瓦楞K型的高度也只能达到6.6-7.0mm；多层瓦楞纸板虽然能通过多个瓦楞芯层叠加或多个单层瓦楞纸板的粘接来增加结构的整体厚度，但其加工过程复杂，层间结合强度也会对整个材料的力学性能产生较大影响，并且由于相邻的瓦楞芯层或相邻的单瓦楞纸板的瓦楞峰、谷并不能完美对齐，导致最终得到的多层瓦楞纸板缓冲性能尚可但抗压强度不佳的问题，更为不利的是，多层瓦楞纸板制作过程中，原材料和胶黏剂的消耗量大，成本较高，不够环保；蜂窝纸板的特点是平压强度高、纸板厚度基本不受限制，但其加工困难、成型粘合用胶量大，每单位面积蜂窝纸板原材料消耗量大，并且蜂窝胞元两端是封闭的，板间湿度不能很好地耗散，并不适合在潮湿、冷藏等环境下使用。
三层瓦楞纸板和蜂窝纸板均为三明治结构，即由上下两层面纸和中间的夹心层粘接而成，他们的区别在于中间的夹心层结构不同。也正是由于夹心层结构上的差异，带来三层瓦楞纸板和蜂窝纸板在力学性能和缓冲吸能特性上的巨大差异。这也证明，对三明治结构的夹心层结构进行重新设计以得到性能不同的新型缓冲型板材是可行的。如何在现有三层瓦楞纸板结构特征的基础上，通过对芯层结构的再设计，改善三层瓦楞纸板缓冲性能不佳和瓦楞高度受限的问题，提出新型的纸质缓冲型板材，这是缓冲包装材料研究领域的新课题。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，该板材具有三明治结构，夹心层是由简单胞元拓扑而成的，具有双向波纹的特征，该板材不仅易于加工成型，高度变化范围广，而且具有与单瓦楞纸板可比拟的承载能力和缓冲吸能特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述纸质缓冲型板材包括上面板、下面板和夹心层，夹心层布置在上面板、下面板之间形成三明治结构，夹心层的特征为双向波纹状，即两个相互垂直的方向上均具有波纹截面。
所述夹心层是由数个胞元立体结构为基础拓扑结构在上面板和下面板之间的二维平面上紧密填充得到的；
所述胞元立体结构由胞元平面结构按照预设折痕线折叠而成，主要由呈田字形布置的四块完全相同的平行四边形板材构成，四个平行四边形板材分别为胞元第一构成平面、胞元第二构成平面、胞元第三构成平面和胞元第四构成平面，胞元第二构成平面和胞元第三构成平面构成的整体与胞元第一构成平面和胞元第四构成平面构成的整体呈镜像对称布置；
每个平行四边形板材均为平行四边形，其中两条对边平行上面板/下面板布置作为平行边，其余两条对边不平行上面板/下面板布置作为倾斜边，相邻两条边的夹角为α。
所述胞元第一构成平面与胞元第二构成平面通过胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线连接，胞元第二构成平面与胞元第三构成平面通过胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线连接，胞元第三构成平面与胞元第四构成平面通过胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线连接，胞元第四构成平面与胞元第一构成平面通过胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线连接；
所述胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线为内折线，胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线均为外折线；
所述胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线连接、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线相交于胞元顶点；
所述胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线所构成的平面与上面板平行，胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线倾斜且由胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线所构成的平面同时垂直于上面板和下面板。
数个胞元立体结构紧密阵列且连接布置，在上面板和下面板之间的二维平面上设有垂直正交布置的第一方向和第二方向；
在沿第一方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面与胞元第二构成平面的处于下侧的水平边分别和另一个胞元立体结构中胞元第四构成平面和胞元第三构成平面的处于下侧的水平边均通过内折线连接；
在沿第二方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面的处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第二构成平面的处于外侧的倾斜边通过内折线连接，一个胞元立体结构中胞元第四构成平面的处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第三构成平面的处于外侧的倾斜边通过外折线连接。
所有的胞元立体结构均在同一块板材上，由一块板材按照预设的折痕线折纸而成。
通过调整胞元立体结构中的单个平行四边形的相邻两条边的边长比进而调整纸质缓冲型板材的变形模式、承载能力和缓冲吸能效果。
所述的胞元立体结构有三种不同的类型，分别为第一类型胞元立体结构、第二类型胞元立体结构和第三类型胞元立体结构；
第一类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b等于1，适用于对承载能力和能量吸收要求较高的场合，能够以稳定可控的变形方式吸收冲击能量，为产品提供保护；第二类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b小于1，适用于产品可能经受的二次冲击需要予以保护的场合；第三类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b大于1，适用于空间填充时对承载要求不高，但需要较大的板材厚度的场合。
所述夹心层的材料是牛皮纸、瓦楞芯纸、纸板、微型瓦楞纸板、杜邦纸等平板状高分子材料。
所述上面板和下面板的材料是牛皮纸、纸板或者胶合板、石膏板、木片等平板状材料。
本发明不仅易于加工成型，其结构的高度变化范围广，可根据实际需要通过选择胞元结构几何参数实现板材厚度的灵活定制，解决了单瓦楞纸板厚度受限的问题；同时，该板材的单位质量承载能力和缓冲吸能特性优于同规格的三层瓦楞纸板和五层瓦楞纸板，实现了提高夹层板总厚度前提下力学性能的同步提升。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、具有简单的三明治结构，夹心层是由简单胞元拓扑而成的，具有双向波纹的特征，易于加工成型；
2、结构的高度变化范围广，可以根据实际需要通过选择胞元结构几何参数实现板材厚度的灵活定制，适用于更多场合，解决了单瓦楞纸板总高度有限的问题；
3、单位质量的承载能力和缓冲吸能特性优于同规格的三层瓦楞纸板和五层瓦楞纸板，实现了提高夹层板总厚度前提下力学性能的同步提升；
4、夹心层具有双向波纹的结构特征，结构内部是导通的，有利于层板内部湿气水分迅速排出，减少潮湿环境对结构性能的影响。
本发明的具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材不仅可以用作缓冲吸能衬垫，也可以用于制作高强纸板箱，应用于产品的缓冲包装和物流防护，具有强度高、缓冲性好、力学性能的稳定性好、原材料消耗量小、成本低等优点。
附图说明
图1是现有技术中三层瓦楞纸板的结构示意图。
图2是优选实施例中根据本发明的纸质缓冲型板材的结构示意图和胞元立体结构示意图。
图3是优选实施例中根据本发明的纸质缓冲型板材的胞元平面结构示意图。
图4是优选实施例中第一类型胞元立体结构、第二类型胞元立体结构和第三类型胞元立体结构所成型的具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材的面外压缩应力-应变曲线。
图5是优选实施例中第一类型胞元立体结构所成型的具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材与三层瓦楞纸板在平压载荷下的单位质量应力-应变曲线。
图6是优选实施例中第一类型胞元立体结构所成型的具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材与五层瓦楞纸板在平压载荷下的单位质量应力-应变曲线。
图中，11-(现有技术)瓦楞纸板上面板，12-(现有技术)瓦楞纸板下面板，13-(现有技术)瓦楞芯层；
21-上面板，22-下面板，23-夹心层；
30-胞元顶点，31-胞元第一构成平面，32-胞元第二构成平面，33-胞元第三构成平面，34-胞元第四构成平面；
312-胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线，334-胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线，323-胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线，314-胞元第一构成平面与胞元第四构成平面之间的折线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的纸质缓冲型板材包括上面板21、下面板22和夹心层23，夹心层23布置在上面板21、下面板22之间形成三明治结构，夹心层23的特征为双向波纹状，即两个相互垂直的方向上均具有波纹截面，即夹心层23在沿每个方向上做截面的线条均为波纹，且该波纹为V字形的重复。
如图2、图2局部放大图、图3所示，夹心层23是由数个胞元立体结构为基础拓扑结构在上面板21和下面板22之间的二维平面上紧密填充得到的；
胞元立体结构由胞元平面结构按照预设折痕线折叠而成；胞元平面结构主要由呈田字形布置的四块几何参数完全相同的平行四边形板材构成，四个平行四边形板材按第一象限到第四象限顺序分布依次分别为胞元第一构成平面31、胞元第二构成平面32、胞元第三构成平面33和胞元第四构成平面34，胞元第二构成平面32和胞元第三构成平面33构成的整体与胞元第一构成平面31和胞元第四构成平面34构成的整体呈镜像对称布置；
每个平行四边形板材均为平行四边形，其中两条对边水平布置作为水平边且边长为a，其余两条对边非水平布置作为倾斜边且边长为b，相邻两条边的夹角为α。
优选地，构成胞元立体结构的平行四边形中，水平边a的长度范围为5～25mm，相邻两边的边长比a:b的范围为0.25～2.5，相邻两边夹角α的范围是30°～80°。
胞元第一构成平面31与胞元第二构成平面32通过胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312连接，胞元第二构成平面32与胞元第三构成平面33通过胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323连接，胞元第三构成平面33与胞元第四构成平面34通过胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334连接，胞元第四构成平面34与胞元第一构成平面31通过胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线314连接；胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334为内折线，胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线314均为外折线；胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线314相交于胞元顶点30。
胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323连接、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线314所构成的平面与上面板21平行，胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312倾斜且由胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312所构成的平面同时垂直于上面板21和下面板22。
数个胞元立体结构紧密阵列且连接布置，在上面板21和下面板22之间的二维平面上设有垂直正交布置的第一方向和第二方向：
在沿第一方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面31与胞元第二构成平面32的处于下侧的水平边分别和另一个胞元立体结构中胞元第四构成平面34与胞元第三构成平面33的处于下侧的水平边均通过内折线连接；
在沿第二方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面31的处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第二构成平面32的处于外侧的倾斜边通过内折线连接，一个胞元立体结构中胞元第四构成平面34的处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第三构成平面33的处于外侧的倾斜边通过外折线连接。
具体实施中，所有的胞元立体结构均在同一块板材上，由一块板材按照预设的折痕线折纸而成。
通过调整胞元立体结构中的单个平行四边形的相邻两条边的边长比进而调整纸质缓冲型板材的变形模式、承载能力和缓冲吸能效果。
优选实施例中胞元立体结构有三种不同的类型，分别为第一类型胞元立体结构、第二类型胞元立体结构和第三类型胞元立体结构，上述三种类型胞元立体结构的主要区别在于平行四边形相邻两条边的长度之比；
第一类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b等于1，适用于对承载能力和能量吸收要求较高的场合，能够以稳定可控的变形方式吸收冲击能量，为产品提供保护；第二类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b小于1，适用于产品可能经受的二次冲击需要予以保护的场合；第三类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b大于1，适用于空间填充时对承载要求不高，但需要较大的板材厚度的场合。
夹心层23的材料是牛皮纸、瓦楞芯纸、纸板、微型瓦楞纸板、杜邦纸等平板状高分子材料。
上面板21和下面板22的材料是牛皮纸、纸板或者胶合板、石膏板、木片等平板状材料，且上面板21和下面板22的材料可以不相同。
具体实施中，将纸质缓冲型板材按照以下方式进行制作：
S1、制作平板形的上面板21和下面板22；
S2、制作由多个胞元平面结构组成的胞元纸板，使得多个胞元平面结构在同一纸板上紧密阵列连接布置；
S3、将胞元纸板通过自身的折痕线进行折纸形成由多个胞元立体结构构成的夹心层23；
S4、将夹心层23分别和上面板21、下面板22进行粘接形成纸质缓冲型板材。
S2中，胞元平面结构主要由呈田字形布置的四块几何参数完全相同的平行四边形板材通过折线连接构成，呈近似纸飞机形状，四个平行四边形板材均布置在同一平面上，按象限分布排序分别为胞元第一构成平面31、胞元第二构成平面32、胞元第三构成平面33和胞元第四构成平面34，胞元第一构成平面31和胞元第二构成平面32之间、胞元第二构成平面32和胞元第三构成平面33之间、胞元第三构成平面33和胞元第四构成平面34之间、胞元第四构成平面34和胞元第一构成平面31之间均通过折痕线连接，即预先设有折痕线；胞元第二构成平面32和胞元第三构成平面33构成的整体与胞元第一构成平面31和胞元第四构成平面34构成的整体呈镜像对称布置；
胞元第三构成平面33和胞元第四构成平面34之间的折痕线334以及胞元第二构成平面32和胞元第一构成平面31之间的折痕线312在同一直线上，胞元第一构成平面31和胞元第四构成平面34之间的折痕线314以及胞元第二构成平面32和胞元第三构成平面33之间的折痕线323不在同一直线上。
在胞元平面结构所在的平面上设有垂直正交布置的第一方向和第二方向：
在沿第一方向上的相邻三个胞元平面结构之间，居中的胞元平面结构中胞元第一构成平面31和胞元第四构成平面34与居上的胞元平面结构中第三构成平面33与胞元第二构成平面32通过折痕线连接，居中的胞元平面结构中胞元第二构成平面32和胞元第三构成平面33与居下的胞元平面结构中第一构成平面31与胞元第四构成平面34通过折痕线连接，即预先设有折痕线。
在沿第二方向上的相邻三个胞元平面结构之间，居中的胞元平面结构中胞元第一构成平面31和胞元第二构成平面32与居右的胞元平面结构中第三构成平面33与胞元第四构成平面34通过折痕线连接，居中的胞元平面结构中胞元第四构成平面34和胞元第三构成平面33与居左的胞元平面结构中第一构成平面31与胞元第二构成平面32通过折痕线连接，即预先设有折痕线。
如图2局部放大图和图3所示，S3中，对于每个胞元平面结构，将胞元第一构成平面31与胞元第四构成平面34沿胞元第一构成平面与胞元第四构成平面之间的折线314外折，同时将胞元第二构成平面32与胞元第三构成平面33沿胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323外折，将胞元第一构成平面31与胞元第二构成平面32沿胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312外折，将胞元第三构成平面33与胞元第四构成平面34沿胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334内折；上述四处折痕线的折叠过程相互牵制，同时发生，从而使胞元平面结构由平面结构折叠成空间结构；再调整上述四个构成平面之间的二面角，使得胞元第一构成平面和胞元第四构成平面间的折线314与胞元第二构成平面和胞元第三构成平面间的折线323之间所夹的锐角为γ，即得到胞元立体结构，锐角γ即胞元立体结构的折叠角。
胞元第一构成平面和胞元第四构成平面间的折线314与胞元第二构成平面和胞元第三构成平面间的折线323之间所夹锐角γ的最大值为平行四边形板材相邻两条边的夹角α的二倍。优选地，角度比α/γ越接近于1且tanαcot(γ/2)的值越大的胞元立体结构具有更大的承压能力和能量吸收能力。
在所得到的胞元立体结构中，胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线323、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线314所构成的平面与上面板21平行，胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线334、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线312所构成的平面同时垂直于上面板21和下面板22。
S3中，由所有的胞元平面结构折叠形成胞元立体结构后，使得完全相同的数个胞元立体结构在平面上二维紧密阵列拓扑排列得到夹心层23。
如图2所示，S4中，
在每个胞元立体结构的胞元第一构成平面和胞元第四构成平面之间的折线314与胞元第二构成平面和胞元第三构成平面之间的折线323上涂覆胶黏剂，再与上面板21的下表面粘接；
在每个胞元立体结构的胞元第一构成平面31的右侧倾斜边、胞元第二构成平面32的右侧倾斜边、胞元第三构成平面33的左侧倾斜边和胞元第四构成平面34的左侧倾斜边均涂覆胶黏剂，再与下面板22的上表面粘接；
从而得到具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材。
本发明的测试实施例如下：
优选实施例1：
选用定量为170g/m2牛皮纸作为上面板和下面板，定量为170g/m2瓦楞纸作为夹心层用材；夹心层由具有如下基本结构特征的第一类胞元立体结构拓扑而成：胞元立体结构由4块几何参数相同的平行四边形板材组成，平行四边形的两条边长均为10mm，两条边的夹角α为60°，折叠角γ为80°，记为样品1#。样品1#的厚度为7.99mm。
优选实施例2：
选用定量为170g/m2牛皮纸作为上面板和下面板，定量为170g/m2瓦楞纸作为夹心层用材；夹心层由具有如下基本结构特征的第二类胞元立体结构拓扑而成：胞元立体结构由4块几何参数相同的平行四边形板材组成，平行四边形的两条边长分别为a＝10mm，b＝20mm，两条边的夹角α为60°，折叠角γ为80°，记为样品2#。样品2#的厚度为7.99mm。
优选实施例3：
选用定量为170g/m2牛皮纸作为上面板和下面板，定量为170g/m2瓦楞纸作为夹心层用材；夹心层由具有如下基本结构特征的第三类胞元立体结构拓扑而成：胞元立体结构由4块几何参数相同的平行四边形板材组成，平行四边形的两条边长分别为a＝20mm，b＝10mm，两条边的夹角α为60°，折叠角γ为80°，记为样品3#。样品3#的厚度为16.00mm。
优选实施例4：
选用定量为170g/m2牛皮纸作为上面板和下面板，定量为170g/m2瓦楞纸作为夹心层用材；夹心层由具有如下基本结构特征的第一类胞元立体结构拓扑而成：胞元立体结构由4块几何参数相同的平行四边形板材组成，平行四边形的两条边长均为10mm，两条边的夹角α为75°，折叠角γ为80°，记为样品4#。样品4#的厚度为9.85mm。
为了与现有技术中的瓦楞纸板力学性能进行对比，选取了两组参照样品。参照样品C1#为三层瓦楞纸板，上面板和下面板均为定量170g/m2牛皮纸，瓦楞芯层为定量170g/m2瓦楞纸制成的B型瓦楞，样品厚度为3.06mm；参照样品C2#为五层瓦楞纸板，上面板和下面板均为定量170g/m2牛皮纸，两层瓦楞芯层由定量170g/m2瓦楞纸制成的中间层隔开，两层瓦楞芯层分别为定量170g/m2瓦楞纸制成的B型瓦楞和定量170g/m2瓦楞纸制成的C型瓦楞，样品厚度为6.84mm。
将上述样品1#、样品2#、样品3#、样品4#、参照样品C1#和参照样品C2#均置于23℃，50％RH的环境下预处理48h，然后在RGL-20A型电子万能试验机上进行面外压缩实验，压缩速率为12mm/min。
如图4所示，优选实施例中第一类型胞元立体结构、第二类型胞元立体结构和第三类型胞元立体结构所成型的具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材的面外压缩应力-应变曲线具有显著差异。其中样品1#具有较高的平台应力和较大的能量吸收能力，适用于对承载能力和能量吸收要求较高的场合，能够以稳定可控的变形方式吸收冲击能量，为产品提供保护；样品2#的应力-应变曲线具有明显的双平台，适用于产品可能经受的二次冲击需要予以保护的场合；而样品3#的应力-应变曲线具有较低的初始峰值载荷和较长的压缩行程，适用于空间填充时对承载要求不高，但需要较大的板材厚度的场合。由此可见，优选实施例中三种不同类型胞元立体结构制成的具有双向波纹夹心结构的纸质缓冲类板材的变形模式和力学性能差异显著，因此可以根据需要选择合适的胞元立体结构类型，实现力学性能的定制。
如图5所示，参照样品C1#的应力波动非常大，整个应力-应变曲线呈现出较大的波浪状，而样品1#和样品4#的应力更加平稳；样品1#的初始峰值应力虽然低于参照样品C1#，但样品1#的平台应力与参照样品C1#压溃阶段平均应力水平相当，并且样品1#的总吸收能量与参照样品C1#几乎相等。样品4#的初始峰值应力、平台应力和总吸收能量均显著高于参照样品C1#。上述实验结果说明，本发明的具有双向波纹结构夹心层的纸质缓冲型板材不仅具有更高的承载性能和更稳定的变形模式，而且其承载能力和缓冲吸能性能也是可以根据实际需要定制的。正如实验结果证明的那样，仅仅将平行四边形夹角α由60°(样品1#)改变为75°(样品4#)，所得结构的平台应力提高2.32倍，而总吸收能量提高1.98倍。并且，样品1#和样品4#的厚度分别为7.99mm和9.85mm，远远高于参照样品C1#(厚度为3.06mm)，因此，本发明可以解决背景技术中存在的问题，芯层高度不再受限，并且缓冲性能和承载能力显著提升。
如图6所示，样品1#不仅变形模式平稳可控，其初始峰值应力、平台应力和总吸收能量显著高于参照样品C2#，接近参照样品C2#的两倍，具有明显的优势。并且，参照样品C2#需要5层原纸，所能达到的厚度为6.84mm，而样品1#仅需要3层原纸就能达到7.99mm的厚度。
在现有的瓦楞结构中，单瓦楞纸板的高度变化范围有限，双瓦楞纸板(即五层瓦楞纸板，两层瓦楞芯层由一层中间层隔开)甚至三瓦楞纸板(即七层瓦楞纸板，三层瓦楞芯层由两层中间层隔开)出现，弥补单瓦楞纸板层高受限的同时增加纸板的边压强度，但是由于几层瓦楞堆叠时很难保证各层的瓦楞波峰与波谷位置完全一致，经常出现上一层瓦楞的波峰压在下一层瓦楞的波谷位置，这样平压强度就被显著降低了。因此就形成了夹层板厚度增加与面外力学性能提升之间的矛盾，本发明所提出的一种具有双向波纹夹心结构的纸质缓冲型板材成为解决该矛盾的理想方案。

Claims (9)

1.一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：
所述纸质缓冲型板材包括上面板(21)、下面板(22)和夹心层(23)，夹心层(23)布置在上面板(21)、下面板(22)之间形成三明治结构，夹心层(23)的特征为双向波纹状，即两个相互垂直的方向上均具有波纹截面。
2.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所述夹心层(23)是由数个胞元立体结构为基础拓扑结构在上面板(21)和下面板(22)之间的二维平面上紧密填充得到的；
所述胞元立体结构主要由呈田字形布置的四块完全相同的平行四边形板材构成，四个平行四边形板材分别为胞元第一构成平面(31)、胞元第二构成平面(32)、胞元第三构成平面(33)和胞元第四构成平面(34)，胞元第二构成平面(32)和胞元第三构成平面(33)构成的整体与胞元第一构成平面(31)和胞元第四构成平面(34)构成的整体呈镜像对称布置；
每个平行四边形板材均为平行四边形，其中两条对边平行上面板(21)/下面板(22)布置作为平行边，其余两条对边不平行上面板(21)/下面板(22)布置作为倾斜边，相邻两条边的夹角为α。
3.根据权利要求1或者2所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所述胞元第一构成平面(31)与胞元第二构成平面(32)通过胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线(312)连接，胞元第二构成平面(32)与胞元第三构成平面(33)通过胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线(323)连接，胞元第三构成平面(33)与胞元第四构成平面(34)通过胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线(334)连接，胞元第四构成平面(34)与胞元第一构成平面(31)通过胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线(314)连接；
所述胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线(334)为内折线，胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线(312)、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线(323)、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线(314)均为外折线；
所述胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线(334)、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线(312)、胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线(323)连接、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线(314)相交于胞元顶点(30)；
所述胞元第二构成平面与胞元第三构成平面之间的折线(323)、胞元第四构成平面与胞元第一构成平面之间的折线(314)所构成的平面与上面板(21)平行，胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线(334)、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线(312)倾斜且由胞元第三构成平面与胞元第四构成平面之间的折线(334)、胞元第一构成平面与胞元第二构成平面之间的折线(312)所构成的平面同时垂直于上面板(21)和下面板(22)。
4.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：数个胞元立体结构紧密阵列且连接布置，在上面板(21)和下面板(22)之间的二维平面上设有垂直正交布置的第一方向和第二方向；
在沿第一方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面(31)与胞元第二构成平面(32)的处于下侧的水平边分别和另一个胞元立体结构中胞元第四构成平面(34)和胞元第三构成平面(33)的处于下侧的水平边均通过内折线连接；
在沿第二方向上的相邻两个胞元立体结构之间，一个胞元立体结构中胞元第一构成平面(31)处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第二构成平面(32)处于外侧的倾斜边通过内折线连接，一个胞元立体结构中胞元第四构成平面(34)处于外侧的倾斜边和另一个胞元立体结构中胞元第三构成平面(33)处于外侧的倾斜边通过外折线连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所有的胞元立体结构均在同一块板材上，由一块板材按照预设的折痕线折纸而成。
6.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：通过调整胞元立体结构中的单个平行四边形的相邻两条边的边长比进而调整纸质缓冲型板材的变形模式、承载能力和缓冲吸能效果。
7.根据权利要求6所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所述的胞元立体结构有三种不同的类型，分别为第一类型胞元立体结构、第二类型胞元立体结构和第三类型胞元立体结构；
第一类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b等于1；第二类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b小于1；第三类型胞元立体结构的平行四边形边长比a:b大于1。
8.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所述夹心层(23)的材料是牛皮纸、瓦楞芯纸、纸板、微型瓦楞纸板、杜邦纸等平板状高分子材料。
9.根据权利要求1所述的一种具有双向波纹夹心层的纸质缓冲型板材，其特征在于：所述上面板(21)和下面板(22)的材料是牛皮纸、纸板或者胶合板、石膏板、木片等平板状材料。
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