丝瓜络结构仿生材料的制备及其缓冲性能研究.pdf

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1、分类号密级丝瓜络结构仿生材料的制备及其缓冲性能研究研究生姓名：刘林指导教师姓名、职称：谢勇教授学科专业：材料加工工程研究方向：产品包装设计及制造湖南工业大学二〇一八年六月三日分类号密级丝瓜络结构仿生材料的制备及其缓冲性能研究Preparationofluffaspongestructuralbionicmaterialsanditscushioningpropertyresearch研究生姓名：刘林指导教师姓名、职称：谢勇教授学科专业：材料加工工程研究方向：产品包装设计及制造论文答辩日期答辩委员会主席湖南工业大学二〇一八年六月三日II湖南工业大学学位论文原创

2、性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日湖南工业大学论文版权使用授权书本人了解湖南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作

3、者签名：导师签名：日期：年月日III摘要缓冲材料广泛应用于产品包装中，以减少产品在储运过程中受到的冲击和振动损伤。但现阶段所使用的缓冲包装材料，大部分依然存在消耗不可再生资源、废弃后难以降解、缓冲性能较差等问题，因此探索和开发性能优良的新型绿色化、轻量化缓冲材料势在必行。研究表明，丝瓜络是一种具有优异能量吸收特性的天然材料，它的这一特性源自其独特的多级孔隙结构。受此启发，本文以天然丝瓜络为仿生对象，通过深入剖析其结构特征，及其结构与性能之间的关系，提取具有代表性的丝瓜络结构模型，选用更易获得的自然棕丝纤维材料进行丝瓜络仿生结构的设计，并在此基础上开展仿生结构

4、成型工艺方法的研究和实验验证，以制备具有优良缓冲性能的环境友好型缓冲材料。为实现此目的，本文主要做了以下研究工作：首先对天然丝瓜络本身的结构特点和力学性能进行了分析和研究。对其进行了轴向静态压缩试验，结果表明：（1）其应力-应变曲线呈现出三区段特性，即弹性阶段、屈服平台阶段和密实化阶段，其平台区较长，平台应力稳定，是一种理想的吸能材料。（2）其屈服强度、平台应力和单位体积吸能量均随其密度的增加而增加，密实化应变随密度增加而减小；（3）其力学性能与其多级孔隙结构密切相关，内表面的存在增强了材料整体的应力水平和能量吸收能力，高孔隙率的外壁和中心部分又对内表面提供

5、了屈曲约束，改变了内表面的破损模式，各结构综合作用使其具备了轻质、稳定、吸能等特点。接着，对丝瓜络材料的结构与吸能原理进行了理论分析，建立了丝瓜络结构仿生模型，在此基础上，以棕丝纤维为主要原料，天然胶乳为胶黏剂，采用微波加热与热压成型相结合的方法，完成了棕丝纤维仿丝瓜络结构多孔材料的制备。通过充分的试验确定了材料制备的最佳工艺参数为：微波功率600w，加热时间4min；热压条件为：热压温度为140℃，热压压力为0.5MPa，热压时间为15min。最后对棕丝纤维缓冲材料试样进行了力学及缓冲性能的测试与分析。结果表明，与泡沫塑料相比，本文所研究制备的仿生材料（密

6、3度范围在0.06~0.1g/cm之间），其平台应力更高，能量吸收性能更好；与蜂窝纸板相比，其弹性模量和初始峰值应力低，基本上克服了I蜂窝纸板“应力尖峰”给产品缓冲保护带来的不利影响，具有优良的缓冲吸能性能。本文的研究一方面为天然丝瓜络材料的综合利用和基于丝瓜络结构的多孔材料的设计提供了科学有效的基础数据，另一方面充分利用废弃的棕榈纤维材料，所制备的材料可在一定程度上替代泡沫塑料，用作缓冲包装材料，以达到节约自然资源、减少环境污染的目的。关键词：缓冲材料，丝瓜络，结构仿生，能量吸收特性，棕丝纤维，制备工艺IIABSTRACTCushioningmateria

7、lsiswidelyusedinproductpackagingtodecreasethedamagecausedbyvibrationandpoundduringtransportationandstorage.Butmostofcushioningpackagingmaterialsatthisstagestillexistsomeproblems,suchasconsumednon-renewableresources,non-degradedandpoorcushioningproperties.It’sveryessentialtodevelopt

8、henewcushioningpackagingma