环保型缓冲衬垫的研发及应用前景分析

环保型缓冲衬垫的研发及应用前景分析纸箱网 2009-02-23 16:30:16 作者:纸箱网来源: 文字大小:[大][中][小]货物在流通运输过程中,难免会受到来自于机械、环境、气候、生物等各种外界因素的影响而受损,因包装不合理每年给国家造成的经济损失达百亿元。

为了减少这种损失,对于电子产品、仪器仪表、家用电器、陶瓷玻璃制品等,使用缓冲包装,以控制传递到内装产品的加速度峰值,避免由于惯性力过大而产生过量的内应力所引起的产品破损,提高商品包装在流通过程中的缓冲和防振能力。

EPS和EPE泡沫塑料是我国目前使用的主要缓冲材料,虽然具有良好的防护能力和性能价格比, 但由于难以回收利用、不能自然风化或腐烂、焚烧处理会产生有害气体,已成为造成环境污染的主要来源之一。

随着人们环保意识的增强,美国和欧盟等国已对泡沫塑料的使用提出限制,取而代之的是环境相容性好的包装材料,如植物纤维类缓冲材料、瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸浆模塑等。

因此,开发环保型包装材料、研究缓冲衬垫结构已成为国内外包装同行研究的热点和重点。

以下将对植物纤维类、可降解泡沫塑料、淀粉类、膨胀珍珠岩等环保型缓冲材料的研发方法、制备工艺、缓冲特性以及应用前景进行比较分析。

1 瓦楞纸板缓冲衬垫瓦楞纸板衬垫具有良好的加工性能、成本低、可回收利用,20世纪50年代就已广泛使用, 60年代后, EPS等泡沫塑料代替了瓦楞纸板缓冲衬垫。

随着人们环保意识的逐渐增强和来自于环境方面的压力,瓦楞纸板等缓冲衬垫又开始重返舞台,人们对瓦楞纸板的衬垫的结构形式和缓冲性能的研究也在深入。

文献在论述常用瓦楞纸板衬垫的结构形式的基础上,比较分析了几种典型衬垫的测试结果和缓冲性能,得出了瓦楞纸板衬垫的缓冲效果与结构形式及尺寸的关系,并说明了瓦楞纸板衬垫的选用方法。

文献、采用结构化神经网络方法,识别纸板型缓冲衬垫的非线性特性、比较识别结果与相应实测值的吻合程度,并以内装物的最大加速度振幅为目标函数、采用非线性规划方法,优化纸板型缓冲衬垫的模型物理参数阻尼系数C和弹性刚度K,编制数值模拟软件。

通过测试典型纸板缓冲衬垫的动态特性、分析比较了纸板衬垫的缓冲性能。

文献通过大量试验对瓦楞纸板缓冲衬垫进行了动态性能测试。

文献应用ADAMS软件针对瓦楞纸板缓冲包装,建立系统动力学分析模型,并在非线性数学模型的基础上,对系统中瓦楞纸板缓冲系统的刚度、阻尼特性模型和系统中主要运动件在连续冲击载荷下的受力特性进行了分析,为瓦楞纸板缓冲性能研究探索了新的方法。

人们在研究瓦楞纸板缓冲性能的同时,也在通过改变楞型或改变结构来提高瓦楞纸板的缓冲性能。

如使用微细瓦楞纸板做内衬来包装香水、化妆品及小型电子产品,以替代传统的EPE、EPS等泡沫塑料,既提高了包装的抗压强度,又提升了包装的档次。

广西桂林市晨光纸品有限公司研制开发出一种增强夹心瓦楞纸板(“瓦中瓦”) ,“瓦中瓦”是以普通瓦楞纸板作面里,又在两层面里纸板之间设有瓦楞纸板和纸管的优良结构,大大增加了纸板的强度,既保留了普通瓦楞纸板的优点,又可通过调整夹心层厚薄、夹心层的几何形状,来调整改变瓦楞纸板的强度和缓冲性能。

再如所谓的立体瓦楞纸板衬垫,其基体外缘轮廓与包装箱内腔形状一致,基体的包装部位有被包装物体外形相匹配的凹陷和凸起,缓冲性能优于纸浆模塑制品。

同时还可以在衬垫内部的空隙处填充稻、麦、麻或谷类植物的秸秆,防止因挤压而变形,提高缓冲和抗冲击性能。

在欧洲,也有使用牛皮纸或旧报纸卷成纸团做缓冲包装。

如德国不莱梅市的PSP公司开发了泡沫纸生产工艺,用回收的旧书废纸和面粉作原料,通过挤压,受水蒸汽作用发泡,形成泡沫纸。

虽然瓦楞纸板具有良好的减震性能,适合小荷载流通环境,但在运输过程中,难免会出现较大冲击荷载的情况,此时瓦楞纸板减震能力有些力不从心。

相对于瓦楞纸板,蜂窝纸板具有良好的承压能力和抗弯性能,对于大荷载有较好的能量吸收和减震能力。

若将两者的优点相互结合使用,则可扬长避短,瓦楞纸板用于承受小荷载,蜂窝纸板用于承受偶尔出现的较大冲击荷载。

文献对瓦楞纸板、蜂窝纸板及其组合结构3种材料进行了压缩试验,并将组合结构与另外两种材料的缓冲特性曲线进行比较,组合结构兼具有两者的优点,对于小荷载和较大载荷都有良好的缓冲能力。

据有关专家预测,瓦楞蜂窝复合纸板的潜在市场十分巨大,其市场需求量将会超过几亿平方米/年。

用纸垫代替泡沫塑料作为缓冲材料,既有利于环境保护,又可以回收再生,降低成本。

瓦楞纸板衬垫不仅在容器中能阻隔产品,而且在产品受到外界冲击时,能吸收能量,延长内装产品承受冲击脉冲的作用时间,具有良好的缓冲性能。

从近几年新型瓦楞纸板的开发和应用来看,瓦楞的微型化、结构的多样化、小定量、低成本、高品质是瓦楞纸板未来的发展趋势。

2 蜂窝纸板衬垫蜂窝纸板是近十几年在中国迅速发展的新型包装材料,具有较好的韧性和回弹性,独特的蜂窝夹芯结构提供了优异的缓冲性能,在所有的缓冲材料中具有更高的单位体积能量吸收值,高厚度的蜂窝纸板可替代EPS塑料泡沫缓冲垫。

蜂窝纸板用作缓冲衬垫主要有两大类,弹力型和折叠型,多采用局部和护角的形式保护产品,常用于正长方形商品,也适合体积大、表面脆弱、防震缓冲要求高的大型电子仪器、计算机和家具、大型平板玻璃和玻璃制品。

对蜂窝纸板的静态性能进行了测试,在建立力学模型的基础上,分析了蜂窝纸板的力学特性和缓冲性能,试验证明蜂窝纸板具有优良的缓冲性能,具体体现在线性弹性变形和非线性弹性变形。

文献在测试蜂窝纸板典型结构衬垫静态力学特性的同时,比较分析了几种常用缓冲材料的力学特性。

实验表明蜂窝纸板缓冲衬垫比瓦楞纸板衬垫更抗压、抗折,其刚性好于泡沫塑料,是一种具有较好的韧性和回弹性的缓冲材料。

文献、[ 11 ]基于跌落冲击试验和振动试验,研究了4种不同厚度的蜂窝纸板的缓冲防振性能,获得了动态缓冲曲线的经验公式和振动传递率曲线特征系数(峰值频率、传递率及阻尼比) 。

试验结果表明蜂窝纸板的动态缓冲曲线呈凹谷状,开口向上,只有一个极小值点,冲击加速度波形近似于半正弦波,冲击作用时间较长,吸收的冲击能量较大,具有良好的动态缓冲特性;振动传递特性具有多模态性,有主次之分,对高频振动有显著的衰减性。

近几年人们对蜂窝纸板缓冲衬垫的性能做了大量研究,为蜂窝纸板的应用提供了依据。

为了与国际市场接轨,国内许多知名电器品牌从2001年就开始用蜂窝纸板陆续替代EPS发泡塑料衬垫。

如海尔的空调柜机,已开始正式批量采用蜂窝纸板包装材料,不仅降低了包装成本,减少了“白色污染”,为外贸企业产品出口打开了一条“绿色通道”。

中国纸蜂窝行业起步较晚,生产线设备的研制开发、制品的结构设计和制品制作加工能力及制品的系列化、标准化、多样化等工作进展缓慢。

蜂窝纸板作为一种新型的包装材料具有广阔的前景,解决目前生产技术上的一系列问题是其进一步推广应用的前提,作为环保缓冲包装衬垫将促进我国出口包装的发展。

3 纸浆模塑制品纸浆模塑起始于20世纪60年代,具有制造成本低,不污染环境,可回收利用等优点,成为替代EPS等泡沫塑料的环保型缓冲材料。

文献[ 12 ]在研究纸浆模塑制品缓冲性能、结构和所受的载荷的基础上,提出了纸浆模塑的缓冲机理,并利用有限元方法模拟载荷下的响应,研究表明纸浆模塑制品的结构对缓冲性能起主要作用。

文献[ 13 ]将废纸箱预处理制得的纸浆中加入淀粉胶粘剂,模压成型后采用物理成孔方法制成新型纸浆模塑缓冲衬垫。

并通过静态压缩试验得到新型材料的弹性状态方程、静态应力- 应变曲线、缓冲系数- 应力曲线,实验表明这种采用物理发泡方法制成的纸浆模塑缓冲衬垫节约材料、成本低、透气性好,具有一般纸浆模塑材料的优点又独具特色。

文献[ 14 ]用试验测试方法,分析了肋状结构单元的静态压缩曲线、缓冲结构单元发生弹性变形的极限载荷和最大载荷比值、缓冲结构单元数与承受最大载荷之间的关系,并根据纸浆模塑缓冲结构单元的静态压缩曲线,研究了纸浆模塑缓冲包装结构设计的原理。

文献对纸浆模制品结构缓冲性能进行了研究,得出纸浆模制品结构(如壁厚、高度、侧壁斜度、承载边长和过渡圆角半径)对其缓冲性能影响很大的结论。

在人们研究纸浆模塑制品缓冲性能、特点、缓冲机理的同时,也在不断地开发新型结构的纸浆模塑制品,如封闭和半封闭式型腔纸浆模塑制品。

目前纸浆模塑制品都是在单一的凸或凹的网模表面上形成,所以制品只能是开放式单层型腔,开放式单层型腔无论如何变化,受力时型腔容易变形,承载能力小,刚性较差。

而这种封闭和半封闭式型腔制品的获得方法是:第一步是组合模具合模,形成一个组合模腔,这种组合模腔必须有一个以上的进浆口;第二步是组合模具进入浆池,组合模具上设计的真空机构开始工作,在组合模具模腔内壁上形成湿纸坯;第三步是组合模具升出浆池,真空机构继续起作用,完成吸湿过程;第四步是组合模具开模,使湿纸坯留在其中一个模具上,湿纸坯再从该模具上转移,完成湿纸坯成型过程。

封闭和半封闭式型制品的出现,使纸浆模塑制品完全可以替代发泡塑料应用在工业品内包装上,弥补了原有纸浆模塑制品应用的局限性。

纸浆模塑制品以代替EPS等泡沫塑料作为“九五”和“十五”期间包装改进的重点。

但目前纸浆模塑制品应用只占全部电子产品包装材料的2%左右,纸浆模塑制品代替EPS等材料的研究应用进展缓慢。

纸浆模塑制品作为环保型缓冲衬垫的积极作用正被人们认识和接受,可挖掘的潜力很大。

同时,电子信息产业的迅速发展为中国包装工业迎来了新的发展机遇。

通过开展与纸浆模塑缓冲制品性能有关的各种影响因素的理论研究和测试验证,以及对制品的设计结构形式分类与组合优化,以提高纸浆模塑制品结构强度和缓冲性能是今后纸浆模塑发展的一个重点。

目前,中国纸浆模塑行业结构正在发生变化,从小型企业向大中型企业转变;设备的更新、工艺的进步、高新技术的运用提高了纸浆模塑行业的地位;纸模制品应用领域的拓宽丰富了环保产业的内容,为防治白色污染增添了新的制品。

研究纸浆模塑缓冲衬垫结构设计方法,制备缓冲衬垫并测试衬垫的动态特性和缓冲性能,为缓冲包装设计提供理论根据,达到简化包装设计,降低包装成本的目的。

纸浆模塑制品对产品的保护作用主要是依靠结构单元实现,所以结构设计是制品缓冲包装设计的要点。

到目前为止,制品的结构设计还采用经验设计法,缺乏成熟理论与设计规范,因此,应重点研究纸浆模塑制品的缓冲理论和设计规范。

4 可降解泡沫塑料近几十年来,泡沫塑料工业发展迅速,应用面越来越广。

特别在包装、建筑和运输等部门,泡沫塑料已占有不可取代的地位。

但是,这些体大质轻的泡沫塑料制品丢弃后成为严重的“白色污染”。

降解,特别是生物降解,是解决白色污染的重要途径之一。

目前国内对降解塑料研究的较多,但对降解泡沫塑料缓冲材料研究的并不多。