取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y?？埨鞌嗔研袨榈挠绊?/h1>
2022-08-23 07:25:28楊佳王勇李蕊郭寧趙曉輝
包裝工程 2022年15期
楊佳，王勇，李蕊，郭寧，趙曉輝
取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y?？埨鞌嗔研袨榈挠绊?/p>
楊佳1，王勇1，李蕊1，郭寧2，趙曉輝3
（1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.國(guó)麒光電（天津）科技有限公司，天津 300000；3.天津房鑒院建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，天津 300070）
探究取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y?？埨鞌嗔研袨榈挠绊懀云谔岣吲？垶樵现谱鞯陌b盒等成品的強(qiáng)度。首先在不同取樣方向上制備含單邊裂紋的?？?jiān)嚇樱缓蠡跀?shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）方法，結(jié)合顯微張力測(cè)試臺(tái)測(cè)得不同取樣方向與拉伸斷裂載荷的關(guān)系圖，分析不同取樣方向下裂紋尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)，最后結(jié)合電鏡掃描測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，通常情況下，含單邊裂紋的?？堃廊环霞垙埧v向拉伸載荷大于橫向拉伸載荷的規(guī)律，取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小。牛卡紙取樣方向和纖維與纖維的結(jié)合強(qiáng)度是影響?？埨鞌嗔研袨榈闹匾蛩?。
取樣方向；單邊裂紋；拉伸斷裂；?？?/p>
近年來(lái)，電商業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展刺激了配送業(yè)務(wù)與快遞業(yè)務(wù)的發(fā)展，這在很大程度上促進(jìn)了紙包裝行業(yè)的發(fā)展[1]。在紙包裝行業(yè)中，?？堃蚱淠推贫?、環(huán)壓強(qiáng)度和撕裂度都較高，多被用于紙箱包裝[2]，是包裝紙的主要原材料。隨著人民生活水平的提高，對(duì)精品包裝和輕包裝的需求和消費(fèi)不斷增加，對(duì)包裝紙的需求也隨之增加，對(duì)包裝紙?jiān)系闹苽浼捌涫褂眠^(guò)程中相關(guān)性能的研究也越發(fā)重要。
近年來(lái)，對(duì)包裝紙性能的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。首先，原材料基本性能測(cè)試分析是一個(gè)研究熱點(diǎn)，基本性能主要包括耐折強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、抗油、抗水強(qiáng)度等[3-4]；其次，包裝紙微結(jié)構(gòu)對(duì)基本性能的影響也逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的研究?jī)?nèi)容[5-7]，如纖維的長(zhǎng)度、粗度以及自身強(qiáng)度等對(duì)紙張強(qiáng)度的影響[8]，纖維組織的排列順序與結(jié)構(gòu)等對(duì)紙張強(qiáng)度的影響[9]。同時(shí)，紙張性能、纖維材料對(duì)印刷效果的影響，以及印刷過(guò)后紙張的強(qiáng)度等性能[10-11]也是該領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容；最后，包裝紙?jiān)谑褂眠^(guò)程中承受一定載荷，其抗張強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等參數(shù)也是包裝紙性能的重要指標(biāo)[12-13]。在對(duì)包裝紙進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，往往采用國(guó)標(biāo)等規(guī)定的常規(guī)試驗(yàn)方法，該方法雖然可以得到彈性模量、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)[14]，但是包裝紙的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系難以明確。另外，?？堊鳛榘b紙?jiān)牧?，在制備過(guò)程中，纖維沿紙機(jī)方向具有較大的取向性，且紙張的物理性能隨著紙張與紙機(jī)方向夾角的變化而改變[15]。每張?？埗即嬖谟衫w維排列、纏繞而成的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，在受到外力作用時(shí)，這種空間結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生一定的形態(tài)改變[16]。在用?？?jiān)现谱靼b盒等成品時(shí)，一方面?？埲游恢秒S機(jī)性大，致使?？埑善反嬖谥鴱?qiáng)度差異，另一方面牛卡紙受到外力作用，如拉伸力，纖維空間結(jié)構(gòu)變化不同也會(huì)造成?？垙?qiáng)度差異。然而，目前鮮有工作關(guān)注于?？?jiān)嚇尤∠蚣靶×鸭y對(duì)?？埨鞌嗔研袨榈挠绊憽Ｔ谠旒堖^(guò)程中存在的紙面缺陷造成印刷網(wǎng)點(diǎn)不實(shí)，以及在包裝紙使用過(guò)程中可能產(chǎn)生微小裂紋，這也將對(duì)?？埖牧W(xué)性能產(chǎn)生很大影響。雖然已有文獻(xiàn)表明紙張的縱向拉伸強(qiáng)度大于橫向拉伸強(qiáng)度，但當(dāng)裂紋存在時(shí)，牛卡紙?jiān)诶爝^(guò)程中的斷裂行為和裂紋尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)與?？?jiān)嚇尤臃较虻年P(guān)系仍需進(jìn)一步研究，評(píng)估裂紋對(duì)?？埨煨袨榈挠绊憽?/p>
數(shù)字圖像相關(guān)（Digital image correlation, DIC）方法具有無(wú)損、非接觸、多尺度等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于材料的宏、微觀變形測(cè)試[17-20]，與顯微張力測(cè)試裝置結(jié)合可以實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的全場(chǎng)變形。文中制備在不同取樣方向上含單邊裂紋的?？?jiān)嚇樱罱ɑ贒IC方法的非接觸光學(xué)顯微測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)研究取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響。
1 試驗(yàn)
1.1 試樣制備
試驗(yàn)所用材料為牛卡紙厚度為0.6 mm，定量為450 g/m2。將?？埖臋M向設(shè)定為90°（270°）方向，即?？埣埦淼膶挾确较?；將牛卡紙的縱向設(shè)定為0°（180°）方向，即?？埣埦淼闹芟?，且該紙卷在抄造時(shí)多數(shù)纖維排列與造紙機(jī)運(yùn)行方向平行。每隔30°設(shè)定一個(gè)取樣方向，見(jiàn)圖1a。由于虛線(xiàn)交匯點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的試樣取樣方向基本相同，因此只對(duì)30°、60°、90°、120°、150°、180°方向的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，見(jiàn)圖1b。
含單邊裂紋的?？?jiān)嚇映叽缫?jiàn)圖2，單邊裂紋深度為1 mm。
圖1 ?？?jiān)嚇尤臃较?/p>
圖2 含單邊裂紋?？?jiān)嚇映叽?/p>
1.2 試驗(yàn)裝置
拉伸變形測(cè)試試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3，包括TST350顯微張力測(cè)試臺(tái)，英國(guó)Linkan公司；STM6測(cè)量顯微鏡，日本奧林巴斯公司；DIC測(cè)試系統(tǒng)的圖像采集設(shè)備采用美國(guó)UNIQ公司的UP–1830型CCD相機(jī)，分辨率為1 024像素×1 024像素，DIC計(jì)算軟件采用VIC–2D（Correlated Solutions,Inc.）執(zhí)行。顯微張力測(cè)試臺(tái)對(duì)?？?jiān)嚇舆M(jìn)行原位拉伸，裝有CCD的測(cè)量顯微鏡采集試樣在拉伸過(guò)程中裂紋尖端圖像，VIC–2D軟件對(duì)采集圖像進(jìn)行計(jì)算，獲得裂紋尖端微區(qū)應(yīng)變場(chǎng)。
圖3 試驗(yàn)裝置
1.3 拉伸試驗(yàn)
將不同取樣方向（30°、60°、90°、120°、150°、180°）的?？?jiān)嚇臃謩e進(jìn)行原位拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為10 μm/s。以?？埨w維結(jié)構(gòu)形貌作為變形信息的載體，采用奧林巴斯顯微鏡進(jìn)行圖像采集，物鏡放大倍數(shù)為4，采集頻率為4 Hz。采用DIC算法計(jì)算試樣感興趣區(qū)域（Region of Interest, ROI）各個(gè)時(shí)刻的變形場(chǎng)。該試驗(yàn)中DIC計(jì)算ROI的子區(qū)尺寸為41像素×41像素，計(jì)算步長(zhǎng)為3像素，應(yīng)變計(jì)算窗口尺寸為11像素×11像素。每個(gè)取樣方向制作10個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，取其均值作為真實(shí)值。
為了研究取樣方向?qū)袉芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響，文中對(duì)不同取樣方向的拉伸試樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，獲得了含單邊裂紋?？?jiān)嚇硬煌臃较颞C拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)圖，分析了?？埩鸭y尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)，并在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察了不同取樣方向的?？?jiān)嚇訑嗫谔幚w維組織微觀圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)分析
圖4為含有單邊裂紋牛卡紙?jiān)嚇尤臃较蚺c拉伸斷裂載荷的曲線(xiàn)圖?？梢钥闯?，當(dāng)牛卡紙?jiān)嚇尤臃较驗(yàn)?80°（即取樣方向與拉伸載荷平行）時(shí)，斷裂載荷最大，大于80 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°和150°時(shí)，斷裂載荷為60～70 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°和120°時(shí)，斷裂載荷大于40 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°（即取樣方向與拉伸載荷垂直）時(shí)，斷裂載荷最小，不大于40 N。取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)表明，含有單邊裂紋?？埲臃较蛟狡?0°，其斷裂載荷越小。這主要是由于?？垉?nèi)的纖維組織排列存在方向性，在取樣方向?yàn)?80°的試樣內(nèi)，纖維排列多表現(xiàn)為與拉伸方向平行同向，在纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度和纖維自身強(qiáng)度共同作用下，試樣的斷裂載荷最大。在取樣方向偏向90°的試樣內(nèi)，纖維排列與拉伸方向不平行，多數(shù)纖維不承受拉伸斷裂載荷，試樣強(qiáng)度明顯降低，斷裂載荷減小，取樣方向?yàn)?0°時(shí)，斷裂載荷最小。已有文獻(xiàn)表明，不含裂紋的紙張取樣方向受拉伸斷裂載荷的影響較為明顯[21]；文中試驗(yàn)表明，即使?？埡辛鸭y，但取樣方向與拉伸斷裂載荷仍有明顯關(guān)系，且符合紙張縱向拉伸斷裂載荷大于橫向拉伸斷裂載荷的規(guī)律。綜上，為保證?？?jiān)谥苽浠蛘甙b使用過(guò)程中的強(qiáng)度要求，盡量使其承受與纖維排列方向平行的載荷，能夠減少牛卡紙斷裂發(fā)生的概率。
2.2 應(yīng)變場(chǎng)分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證含有單邊裂紋牛卡紙?jiān)嚇拥娜臃较蚺c拉伸斷裂載荷的關(guān)系，選取取樣方向?yàn)?0o、150o、180o的試樣，在ROI子區(qū)尺寸為41像素×41像素區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)變場(chǎng)分析。圖5a、b、c為90o、150o、180o方向上拉伸載荷為0的試樣圖像，將它們作為參考圖像。采用DIC方法計(jì)算在拉伸載荷為38 N時(shí)，裂紋尖端區(qū)域沿方向，即拉伸方向裂紋尖端的應(yīng)變場(chǎng)ε，見(jiàn)圖5d、e、f。從圖5中可以看出，90o方向上?？?jiān)嚇酉噍^于150o、180o方向上的試樣在裂紋尖端存在明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。90o方向上試樣裂尖區(qū)域應(yīng)變值最大，為0.08；150o方向上裂尖區(qū)域應(yīng)變值次之，為0.064；180o方向上的裂尖區(qū)域應(yīng)變值最小，約為0.019。再次驗(yàn)證了含有單邊裂紋的?？?jiān)嚇尤臃较蛟狡?0o，即取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了裂紋尖端附近有明顯的應(yīng)變集中外，在?？?jiān)嚇悠渌麉^(qū)域也有應(yīng)變集中現(xiàn)象，這主要是由于?？垉?nèi)纖維團(tuán)聚或夾雜引起的。雖然有多處產(chǎn)生了應(yīng)變集中，但是隨著拉伸載荷增大，受預(yù)制裂紋影響，裂紋尖端的應(yīng)變集中最為明顯，應(yīng)變值也最大。文中分析所使用的3種牛卡紙?jiān)嚇优c其他試樣現(xiàn)象規(guī)律基本相同，所以其他試樣的結(jié)果就不再贅述。
圖4 取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)
圖5 試樣裂紋尖端初始參考圖與裂紋尖端拉伸應(yīng)變場(chǎng)
2.3 斷口圖像分析
為了進(jìn)一步研究取樣方向與牛卡紙拉伸斷裂間的關(guān)系，選取取樣方向?yàn)?0o、60o、90o、120o、150o和180o的?？?jiān)嚇訑嗫?，在SEM下觀察斷口處纖維組織的微觀圖，見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，在?？埨鞌嗫谔?，纖維“帚化”，且多數(shù)纖維自身形貌完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂。這表明?？埣垙埨鞆?qiáng)度的主要影響因素為纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，這與其他文獻(xiàn)報(bào)告的內(nèi)容相一致[22-23]。在拉伸過(guò)程中，當(dāng)試樣取樣方向?yàn)?0o時(shí)，?？垉?nèi)多數(shù)纖維排列與拉伸載荷方向垂直，僅有少數(shù)纖維起承載作用，纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度是試樣發(fā)生斷裂的主要阻力；當(dāng)試樣取樣方向?yàn)?80o時(shí)，牛卡紙內(nèi)多數(shù)纖維排列與拉伸載荷同向，雖然纖維自身強(qiáng)度起承載作用，且纖維自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度，但是隨著拉伸載荷逐漸增大，纖維與纖維間率先分離，導(dǎo)致試樣斷裂，纖維自身未發(fā)生斷裂。因此，除了使?？埣垙埧v向與拉伸方向平行外，還應(yīng)加強(qiáng)?？埣垵{中纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高?？埖睦鞆?qiáng)度。
圖6 ?？垟嗫诶w維組織
3 結(jié)語(yǔ)
文中通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)方法研究了取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響。研究表明，含單邊裂紋的?？堃廊环霞垙埧v向拉伸載荷大于橫向拉伸載荷的規(guī)律，取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小。在SEM下觀察?？埨鞌嗫谔幇l(fā)現(xiàn)，多數(shù)纖維自身形貌完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂，表明牛卡紙紙張拉伸強(qiáng)度的主要影響因素為纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度。?？埲臃较颉⒗w維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度均是影響?？埨鞌嗔研袨榈闹匾蛩?。文中研究對(duì)提高以?？垶樵现谱鞯陌b盒等成品的強(qiáng)度具有重要意義。
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Effect of Sampling Direction on Tensile Fracture Behavior of Kraft Paper with Unilateral Crack
YANG Jia1, WANG Yong1, LI Rui1, GUO Ning2, ZHAO Xiao-hui3
(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2. Guoqi Optoelectronic Technology (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300000, China; 3. Tianjin Fangjian Construction Engineering Quality Inspection and Testing Co., Ltd., Tianjin 300070, China)
The work aims to explore the effect of sampling direction on tensile fracture behavior of kraft paper with unilateral crack, in order to improve the strength of finished products such as packaging boxes made of kraft paper. First of all, the kraft paper specimens with unilateral cracks in different sampling directions were prepared, and then the relationship graph between different sampling directions and tensile fracture load was measured based on the digital image correlation (DIC) method combined with the micro tension test bed. Next, the micro strain field at the crack tip in different sampling directions was analyzed. Finally, comparative analysis was carried out in combination with the scanning electron microscope test. The results showed that, in general, the kraft paper with unilateral crack still conformed to the law that the longitudinal tensile load of the paper was greater than the transverse tensile load, and the closer the sampling direction to the transverse direction, the greater the strain value in the crack tip area and the smaller the tensile load when fracture occurred. The sampling direction and fiber to fiber bonding strength are two important factors that affect the tensile fracture behavior of kraft paper.
sampling direction; unilateral cracks; tensile fracture; kraft paper
TB484.1
A
1001-3563(2022)15-0203-06
10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.023
2021–10–15
天津市科技計(jì)劃（20YDTPJC00120）；天津商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202110069295，202210069184）
楊佳（1985—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榘b材料、光測(cè)力學(xué)。
責(zé)任編輯：曾鈺嬋
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楊佳，王勇，李蕊，郭寧，趙曉輝
取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y?？埨鞌嗔研袨榈挠绊?/p>
楊佳1，王勇1，李蕊1，郭寧2，趙曉輝3
（1.天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.國(guó)麒光電（天津）科技有限公司，天津 300000；3.天津房鑒院建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，天津 300070）
探究取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y?？埨鞌嗔研袨榈挠绊懀云谔岣吲？垶樵现谱鞯陌b盒等成品的強(qiáng)度。首先在不同取樣方向上制備含單邊裂紋的?？?jiān)嚇樱缓蠡跀?shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）方法，結(jié)合顯微張力測(cè)試臺(tái)測(cè)得不同取樣方向與拉伸斷裂載荷的關(guān)系圖，分析不同取樣方向下裂紋尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)，最后結(jié)合電鏡掃描測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，通常情況下，含單邊裂紋的?？堃廊环霞垙埧v向拉伸載荷大于橫向拉伸載荷的規(guī)律，取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小。牛卡紙取樣方向和纖維與纖維的結(jié)合強(qiáng)度是影響?？埨鞌嗔研袨榈闹匾蛩?。
取樣方向；單邊裂紋；拉伸斷裂；?？?/p>
近年來(lái)，電商業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展刺激了配送業(yè)務(wù)與快遞業(yè)務(wù)的發(fā)展，這在很大程度上促進(jìn)了紙包裝行業(yè)的發(fā)展[1]。在紙包裝行業(yè)中，?？堃蚱淠推贫?、環(huán)壓強(qiáng)度和撕裂度都較高，多被用于紙箱包裝[2]，是包裝紙的主要原材料。隨著人民生活水平的提高，對(duì)精品包裝和輕包裝的需求和消費(fèi)不斷增加，對(duì)包裝紙的需求也隨之增加，對(duì)包裝紙?jiān)系闹苽浼捌涫褂眠^(guò)程中相關(guān)性能的研究也越發(fā)重要。
近年來(lái)，對(duì)包裝紙性能的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。首先，原材料基本性能測(cè)試分析是一個(gè)研究熱點(diǎn)，基本性能主要包括耐折強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、抗油、抗水強(qiáng)度等[3-4]；其次，包裝紙微結(jié)構(gòu)對(duì)基本性能的影響也逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的研究?jī)?nèi)容[5-7]，如纖維的長(zhǎng)度、粗度以及自身強(qiáng)度等對(duì)紙張強(qiáng)度的影響[8]，纖維組織的排列順序與結(jié)構(gòu)等對(duì)紙張強(qiáng)度的影響[9]。同時(shí)，紙張性能、纖維材料對(duì)印刷效果的影響，以及印刷過(guò)后紙張的強(qiáng)度等性能[10-11]也是該領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容；最后，包裝紙?jiān)谑褂眠^(guò)程中承受一定載荷，其抗張強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度等參數(shù)也是包裝紙性能的重要指標(biāo)[12-13]。在對(duì)包裝紙進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，往往采用國(guó)標(biāo)等規(guī)定的常規(guī)試驗(yàn)方法，該方法雖然可以得到彈性模量、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)[14]，但是包裝紙的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系難以明確。另外，?？堊鳛榘b紙?jiān)牧?，在制備過(guò)程中，纖維沿紙機(jī)方向具有較大的取向性，且紙張的物理性能隨著紙張與紙機(jī)方向夾角的變化而改變[15]。每張?？埗即嬖谟衫w維排列、纏繞而成的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)，在受到外力作用時(shí)，這種空間結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生一定的形態(tài)改變[16]。在用?？?jiān)现谱靼b盒等成品時(shí)，一方面?？埲游恢秒S機(jī)性大，致使?？埑善反嬖谥鴱?qiáng)度差異，另一方面牛卡紙受到外力作用，如拉伸力，纖維空間結(jié)構(gòu)變化不同也會(huì)造成?？垙?qiáng)度差異。然而，目前鮮有工作關(guān)注于?？?jiān)嚇尤∠蚣靶×鸭y對(duì)?？埨鞌嗔研袨榈挠绊憽Ｔ谠旒堖^(guò)程中存在的紙面缺陷造成印刷網(wǎng)點(diǎn)不實(shí)，以及在包裝紙使用過(guò)程中可能產(chǎn)生微小裂紋，這也將對(duì)?？埖牧W(xué)性能產(chǎn)生很大影響。雖然已有文獻(xiàn)表明紙張的縱向拉伸強(qiáng)度大于橫向拉伸強(qiáng)度，但當(dāng)裂紋存在時(shí)，牛卡紙?jiān)诶爝^(guò)程中的斷裂行為和裂紋尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)與?？?jiān)嚇尤臃较虻年P(guān)系仍需進(jìn)一步研究，評(píng)估裂紋對(duì)?？埨煨袨榈挠绊憽?/p>
數(shù)字圖像相關(guān)（Digital image correlation, DIC）方法具有無(wú)損、非接觸、多尺度等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于材料的宏、微觀變形測(cè)試[17-20]，與顯微張力測(cè)試裝置結(jié)合可以實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的全場(chǎng)變形。文中制備在不同取樣方向上含單邊裂紋的?？?jiān)嚇樱罱ɑ贒IC方法的非接觸光學(xué)顯微測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)研究取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響。
1 試驗(yàn)
1.1 試樣制備
試驗(yàn)所用材料為牛卡紙厚度為0.6 mm，定量為450 g/m2。將?？埖臋M向設(shè)定為90°（270°）方向，即?？埣埦淼膶挾确较?；將牛卡紙的縱向設(shè)定為0°（180°）方向，即?？埣埦淼闹芟?，且該紙卷在抄造時(shí)多數(shù)纖維排列與造紙機(jī)運(yùn)行方向平行。每隔30°設(shè)定一個(gè)取樣方向，見(jiàn)圖1a。由于虛線(xiàn)交匯點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的試樣取樣方向基本相同，因此只對(duì)30°、60°、90°、120°、150°、180°方向的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，見(jiàn)圖1b。
含單邊裂紋的?？?jiān)嚇映叽缫?jiàn)圖2，單邊裂紋深度為1 mm。
圖1 ?？?jiān)嚇尤臃较?/p>
圖2 含單邊裂紋?？?jiān)嚇映叽?/p>
1.2 試驗(yàn)裝置
拉伸變形測(cè)試試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3，包括TST350顯微張力測(cè)試臺(tái)，英國(guó)Linkan公司；STM6測(cè)量顯微鏡，日本奧林巴斯公司；DIC測(cè)試系統(tǒng)的圖像采集設(shè)備采用美國(guó)UNIQ公司的UP–1830型CCD相機(jī)，分辨率為1 024像素×1 024像素，DIC計(jì)算軟件采用VIC–2D（Correlated Solutions,Inc.）執(zhí)行。顯微張力測(cè)試臺(tái)對(duì)?？?jiān)嚇舆M(jìn)行原位拉伸，裝有CCD的測(cè)量顯微鏡采集試樣在拉伸過(guò)程中裂紋尖端圖像，VIC–2D軟件對(duì)采集圖像進(jìn)行計(jì)算，獲得裂紋尖端微區(qū)應(yīng)變場(chǎng)。
圖3 試驗(yàn)裝置
1.3 拉伸試驗(yàn)
將不同取樣方向（30°、60°、90°、120°、150°、180°）的?？?jiān)嚇臃謩e進(jìn)行原位拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為10 μm/s。以?？埨w維結(jié)構(gòu)形貌作為變形信息的載體，采用奧林巴斯顯微鏡進(jìn)行圖像采集，物鏡放大倍數(shù)為4，采集頻率為4 Hz。采用DIC算法計(jì)算試樣感興趣區(qū)域（Region of Interest, ROI）各個(gè)時(shí)刻的變形場(chǎng)。該試驗(yàn)中DIC計(jì)算ROI的子區(qū)尺寸為41像素×41像素，計(jì)算步長(zhǎng)為3像素，應(yīng)變計(jì)算窗口尺寸為11像素×11像素。每個(gè)取樣方向制作10個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，取其均值作為真實(shí)值。
為了研究取樣方向?qū)袉芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響，文中對(duì)不同取樣方向的拉伸試樣進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，獲得了含單邊裂紋?？?jiān)嚇硬煌臃较颞C拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)圖，分析了?？埩鸭y尖端微觀應(yīng)變場(chǎng)，并在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察了不同取樣方向的?？?jiān)嚇訑嗫谔幚w維組織微觀圖。
2 結(jié)果與分析
2.1 取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)分析
圖4為含有單邊裂紋牛卡紙?jiān)嚇尤臃较蚺c拉伸斷裂載荷的曲線(xiàn)圖?？梢钥闯?，當(dāng)牛卡紙?jiān)嚇尤臃较驗(yàn)?80°（即取樣方向與拉伸載荷平行）時(shí)，斷裂載荷最大，大于80 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°和150°時(shí)，斷裂載荷為60～70 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°和120°時(shí)，斷裂載荷大于40 N；當(dāng)取樣方向?yàn)?0°（即取樣方向與拉伸載荷垂直）時(shí)，斷裂載荷最小，不大于40 N。取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)表明，含有單邊裂紋?？埲臃较蛟狡?0°，其斷裂載荷越小。這主要是由于?？垉?nèi)的纖維組織排列存在方向性，在取樣方向?yàn)?80°的試樣內(nèi)，纖維排列多表現(xiàn)為與拉伸方向平行同向，在纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度和纖維自身強(qiáng)度共同作用下，試樣的斷裂載荷最大。在取樣方向偏向90°的試樣內(nèi)，纖維排列與拉伸方向不平行，多數(shù)纖維不承受拉伸斷裂載荷，試樣強(qiáng)度明顯降低，斷裂載荷減小，取樣方向?yàn)?0°時(shí)，斷裂載荷最小。已有文獻(xiàn)表明，不含裂紋的紙張取樣方向受拉伸斷裂載荷的影響較為明顯[21]；文中試驗(yàn)表明，即使?？埡辛鸭y，但取樣方向與拉伸斷裂載荷仍有明顯關(guān)系，且符合紙張縱向拉伸斷裂載荷大于橫向拉伸斷裂載荷的規(guī)律。綜上，為保證?？?jiān)谥苽浠蛘甙b使用過(guò)程中的強(qiáng)度要求，盡量使其承受與纖維排列方向平行的載荷，能夠減少牛卡紙斷裂發(fā)生的概率。
2.2 應(yīng)變場(chǎng)分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證含有單邊裂紋牛卡紙?jiān)嚇拥娜臃较蚺c拉伸斷裂載荷的關(guān)系，選取取樣方向?yàn)?0o、150o、180o的試樣，在ROI子區(qū)尺寸為41像素×41像素區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)變場(chǎng)分析。圖5a、b、c為90o、150o、180o方向上拉伸載荷為0的試樣圖像，將它們作為參考圖像。采用DIC方法計(jì)算在拉伸載荷為38 N時(shí)，裂紋尖端區(qū)域沿方向，即拉伸方向裂紋尖端的應(yīng)變場(chǎng)ε，見(jiàn)圖5d、e、f。從圖5中可以看出，90o方向上?？?jiān)嚇酉噍^于150o、180o方向上的試樣在裂紋尖端存在明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。90o方向上試樣裂尖區(qū)域應(yīng)變值最大，為0.08；150o方向上裂尖區(qū)域應(yīng)變值次之，為0.064；180o方向上的裂尖區(qū)域應(yīng)變值最小，約為0.019。再次驗(yàn)證了含有單邊裂紋的?？?jiān)嚇尤臃较蛟狡?0o，即取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了裂紋尖端附近有明顯的應(yīng)變集中外，在?？?jiān)嚇悠渌麉^(qū)域也有應(yīng)變集中現(xiàn)象，這主要是由于?？垉?nèi)纖維團(tuán)聚或夾雜引起的。雖然有多處產(chǎn)生了應(yīng)變集中，但是隨著拉伸載荷增大，受預(yù)制裂紋影響，裂紋尖端的應(yīng)變集中最為明顯，應(yīng)變值也最大。文中分析所使用的3種牛卡紙?jiān)嚇优c其他試樣現(xiàn)象規(guī)律基本相同，所以其他試樣的結(jié)果就不再贅述。
圖4 取樣方向–拉伸斷裂載荷曲線(xiàn)
圖5 試樣裂紋尖端初始參考圖與裂紋尖端拉伸應(yīng)變場(chǎng)
2.3 斷口圖像分析
為了進(jìn)一步研究取樣方向與牛卡紙拉伸斷裂間的關(guān)系，選取取樣方向?yàn)?0o、60o、90o、120o、150o和180o的?？?jiān)嚇訑嗫?，在SEM下觀察斷口處纖維組織的微觀圖，見(jiàn)圖6。從圖6中可以看出，在?？埨鞌嗫谔?，纖維“帚化”，且多數(shù)纖維自身形貌完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂。這表明?？埣垙埨鞆?qiáng)度的主要影響因素為纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，這與其他文獻(xiàn)報(bào)告的內(nèi)容相一致[22-23]。在拉伸過(guò)程中，當(dāng)試樣取樣方向?yàn)?0o時(shí)，?？垉?nèi)多數(shù)纖維排列與拉伸載荷方向垂直，僅有少數(shù)纖維起承載作用，纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度是試樣發(fā)生斷裂的主要阻力；當(dāng)試樣取樣方向?yàn)?80o時(shí)，牛卡紙內(nèi)多數(shù)纖維排列與拉伸載荷同向，雖然纖維自身強(qiáng)度起承載作用，且纖維自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度，但是隨著拉伸載荷逐漸增大，纖維與纖維間率先分離，導(dǎo)致試樣斷裂，纖維自身未發(fā)生斷裂。因此，除了使?？埣垙埧v向與拉伸方向平行外，還應(yīng)加強(qiáng)?？埣垵{中纖維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高?？埖睦鞆?qiáng)度。
圖6 ?？垟嗫诶w維組織
3 結(jié)語(yǔ)
文中通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)方法研究了取樣方向?qū)瑔芜吜鸭y牛卡紙拉伸斷裂行為的影響。研究表明，含單邊裂紋的?？堃廊环霞垙埧v向拉伸載荷大于橫向拉伸載荷的規(guī)律，取樣方向越靠近橫向，裂尖區(qū)域應(yīng)變值越大，在發(fā)生斷裂時(shí)的拉伸載荷越小。在SEM下觀察?？埨鞌嗫谔幇l(fā)現(xiàn)，多數(shù)纖維自身形貌完整，沒(méi)有發(fā)生斷裂，表明牛卡紙紙張拉伸強(qiáng)度的主要影響因素為纖維與纖維間結(jié)合強(qiáng)度。?？埲臃较颉⒗w維與纖維間的結(jié)合強(qiáng)度均是影響?？埨鞌嗔研袨榈闹匾蛩?。文中研究對(duì)提高以?？垶樵现谱鞯陌b盒等成品的強(qiáng)度具有重要意義。
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Effect of Sampling Direction on Tensile Fracture Behavior of Kraft Paper with Unilateral Crack
YANG Jia1, WANG Yong1, LI Rui1, GUO Ning2, ZHAO Xiao-hui3
(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134, China; 2. Guoqi Optoelectronic Technology (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300000, China; 3. Tianjin Fangjian Construction Engineering Quality Inspection and Testing Co., Ltd., Tianjin 300070, China)
The work aims to explore the effect of sampling direction on tensile fracture behavior of kraft paper with unilateral crack, in order to improve the strength of finished products such as packaging boxes made of kraft paper. First of all, the kraft paper specimens with unilateral cracks in different sampling directions were prepared, and then the relationship graph between different sampling directions and tensile fracture load was measured based on the digital image correlation (DIC) method combined with the micro tension test bed. Next, the micro strain field at the crack tip in different sampling directions was analyzed. Finally, comparative analysis was carried out in combination with the scanning electron microscope test. The results showed that, in general, the kraft paper with unilateral crack still conformed to the law that the longitudinal tensile load of the paper was greater than the transverse tensile load, and the closer the sampling direction to the transverse direction, the greater the strain value in the crack tip area and the smaller the tensile load when fracture occurred. The sampling direction and fiber to fiber bonding strength are two important factors that affect the tensile fracture behavior of kraft paper.
sampling direction; unilateral cracks; tensile fracture; kraft paper
TB484.1
A
1001-3563(2022)15-0203-06
10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.023
2021–10–15
天津市科技計(jì)劃（20YDTPJC00120）；天津商業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202110069295，202210069184）
楊佳（1985—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榘b材料、光測(cè)力學(xué)。
責(zé)任編輯：曾鈺嬋
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