尹興，陳志強(qiáng)，崔久剛，鄭秋月

快遞包裝EPE/瓦楞紙板動(dòng)態(tài)緩沖性能

尹興1，陳志強(qiáng)2，崔久剛1，鄭秋月1

（1.天津職業(yè)大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院，天津 300410；2.中國(guó)包裝科研測(cè)試中心，天津300457）

在設(shè)計(jì)快遞包裝時(shí)，應(yīng)綜合考慮瓦楞紙板和發(fā)泡聚乙烯（EPE）組合材料的緩沖作用，以達(dá)到減少緩沖材料用量的目的。以快遞包裝中常用的、不同厚度的EPE、三層瓦楞紙板、五層瓦楞紙板為研究對(duì)象，按照GB/T 8167—2008進(jìn)行試驗(yàn)，得到EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE的最大加速度-靜應(yīng)力曲線，并進(jìn)行擬合。EPE材料越厚，其緩沖性能越好；將EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE等3組數(shù)據(jù)的雙曲線函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合度均大于95%，擬合效果較好；在同一靜應(yīng)力下，動(dòng)態(tài)緩沖性能優(yōu)劣順序?yàn)槲鍖油呃慵埌?EPE＞三層瓦楞紙板/EPE＞EPE。擬合函數(shù)可用于快遞包裝設(shè)計(jì)，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果為快遞包裝減量化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

快遞包裝；發(fā)泡聚乙烯；瓦楞紙板；動(dòng)態(tài)緩沖特性

為了保證商品在快遞運(yùn)輸過程中的安全，內(nèi)部緩沖材料和外包裝容器的設(shè)計(jì)及選材至關(guān)重要。在快遞包裝中，內(nèi)部緩沖材料有發(fā)泡聚乙烯（EPE）[1—3]、發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）[4]、發(fā)泡聚丙烯（EPP）[5]、發(fā)泡聚氨酯（EPU）[6]、氣柱[7]等。外包裝通常使用的材料有瓦楞紙板[8—10]、蜂窩紙板[11—12]、木箱等[13]。EPE（又稱珍珠棉），是一種新型的環(huán)保包裝材料，具有質(zhì)輕、軟、抗沖擊等特點(diǎn)。在工業(yè)產(chǎn)品和民用商品中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用，廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸、包裝領(lǐng)域的緩沖設(shè)計(jì)等，是目前最常用的緩沖包裝材料之一。在快遞包裝中瓦楞紙板是最常見的快遞包裝材料，根據(jù)產(chǎn)品特性，最常選用的快遞外包裝材料是三層瓦楞紙板、五層瓦楞紙板。瓦楞紙板主要是由瓦楞紙和箱板紙粘合而成，具有較好的彈性和可加工性。

2020年11月30日，國(guó)務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)展改革委等部門《關(guān)于加快推進(jìn)快遞包裝綠色轉(zhuǎn)型的意見》要求，進(jìn)一步加強(qiáng)快遞包裝治理，推進(jìn)快遞包裝減量化、綠色化，鼓勵(lì)通過包裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少填充物的使用[14]。

快遞包裝為了保證產(chǎn)品的安全，除了計(jì)算EPE的用量外，還應(yīng)考慮加上瓦楞紙板后組合材料的緩沖性能，以減少“填充物”的使用，達(dá)到減量化的目的。

文中按照GB/T 8167—2008《包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)探索。研究EPE材料在不同厚度下的動(dòng)態(tài)緩沖性能，并對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊曲線進(jìn)行擬合。同時(shí)，選用快遞常用的三層瓦楞紙板和五層瓦楞紙板分別與EPE進(jìn)行組合，探索瓦楞紙板/EPE組合動(dòng)態(tài)的緩沖性能，得到組合材料最大加速度-靜應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，為快遞包裝減量化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

主要材料：實(shí)驗(yàn)選用EPE的密度為24 kg/m3，樣品分別被切為100 mm×100 mm，150 mm×150 mm，200 mm×200 mm等3種尺寸，厚度分別為30，40，50，60 mm。在跌落高度為300 mm的條件下，獲取4種不同厚度EPE的動(dòng)態(tài)緩沖特性曲線。

三層瓦楞紙板為京東快遞中常用的B型瓦楞紙板，楞高為2.6 mm，邊壓強(qiáng)度為3500 N/m，耐破度為540 kPa。五層瓦楞紙板為順豐快遞中常用的BC楞瓦楞紙板，楞高為6.9 mm，邊壓強(qiáng)度為3850 N/m，耐破度為750 kPa。

4種不同厚度的EPE分別與三層瓦楞紙板和五層瓦楞紙板粘合后，放入溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中，處理24 h，在高度為300 mm的條件下進(jìn)行跌落沖擊。

1.2 設(shè)備

主要設(shè)備：DY-2，沖擊試驗(yàn)機(jī)，海達(dá)國(guó)際儀器有限公司；TP3，加速度采集系統(tǒng)，Lansmont；盒型打樣機(jī)，艾司科貿(mào)易（上海）有限公司。

1.3 方法

根據(jù)GB/T 8167—2008《包裝用緩沖材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)方法》來測(cè)試。每個(gè)靜應(yīng)力值下取3個(gè)樣品，每個(gè)樣品連續(xù)沖擊5次，第1次沖擊加速度值舍去，后4次平均值為該樣品的最大沖擊加速度值。為了擬合曲線更加準(zhǔn)確，靜應(yīng)力取7～8個(gè)點(diǎn)[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPE動(dòng)態(tài)緩沖性能

在跌落高度為300 mm，EPE厚度分別為30，40，50，60 mm時(shí)，測(cè)得的最大加速度-靜應(yīng)力曲線見圖1。

圖1 不同厚度EPE的最大加速度-靜應(yīng)力曲線

由圖1可知，緩沖材料動(dòng)態(tài)沖擊曲線呈“U”字形。原因是隨著重錘質(zhì)量的增加，靜應(yīng)力隨之增大。重錘沖擊時(shí)，EPE材料的變形程度增大，吸收的沖擊能量增多，對(duì)應(yīng)的最大加速度降低；直到EPE材料變形達(dá)到最大值時(shí)，此時(shí)材料吸收的沖擊能量達(dá)到最高值，最大加速度降到最低；而當(dāng)重錘質(zhì)量繼續(xù)加大，EPE材料自身的變形空間只能吸收一定的沖擊能量，剩下的能量將會(huì)傳遞給質(zhì)量塊，致使最大加速度增大，呈現(xiàn)出向上的趨勢(shì)。

同時(shí)，在同一跌落高度下，隨著EPE厚度的增加，曲線整體向下、向右偏移。當(dāng)EPE厚度為30 mm，靜應(yīng)力為3.68 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為39.11；當(dāng)厚度為40 mm，靜應(yīng)力為6.13 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為28.07；當(dāng)厚度為50 mm，靜應(yīng)力為8.28 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為22.63；當(dāng)厚度為60 mm，靜應(yīng)力為10.81 kPa時(shí)，沖擊加速度最小值為17.81。通過這些數(shù)據(jù)得出，EPE材料厚度越大，其緩沖性能越好。

為了得到300 mm跌落高度下EPE材料完整的靜應(yīng)力-沖擊加速度曲線，現(xiàn)將曲線上的數(shù)值用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，因?yàn)殡p曲函數(shù)的擬合度較高，也更便于在實(shí)際應(yīng)用中開展，所以文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合均采用雙曲函數(shù)[16]。

=(1?2+2?+3)/(+1) (1)

式中：為最大加速度（）；為靜應(yīng)力（kPa）；1，2，3，1均為常數(shù)。

不同厚度的EPE緩沖材料擬合公式和擬合度見表1。

表1 不同厚度的EPE緩沖材料擬合公式和擬合度

擬合得到的雙曲函數(shù)簡(jiǎn)潔、精準(zhǔn)，擬合度在95%以上。在試驗(yàn)范圍內(nèi)任取1個(gè)靜應(yīng)力值，通過雙曲函數(shù)表達(dá)式的計(jì)算就能得到其對(duì)應(yīng)的最大沖擊加速度值。

2.2 三層瓦楞紙板/EPE組合材料動(dòng)態(tài)緩沖性能

為了更好地模擬快遞包裝中產(chǎn)品的沖擊情況，需要測(cè)試瓦楞紙板與EPE的動(dòng)態(tài)緩沖性能。首先將快遞中常用的三層瓦楞紙板與EPE粘合，再放進(jìn)恒溫恒濕箱中處理24 h，最后再進(jìn)行沖擊測(cè)試。

在300 mm沖擊高度下，三層瓦楞紙板/EPE組合材料的最大加速度-靜應(yīng)力曲線見圖2。

圖2 三層瓦楞紙板/EPE組合材料的最大加速度-靜應(yīng)力曲線

由圖2可知，當(dāng)EPE厚度為30 mm，靜應(yīng)力為3.68 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為38.13；當(dāng)厚度為40 mm，靜應(yīng)力為4.90 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為27.13；當(dāng)厚度為50 mm，靜應(yīng)力為7.40 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為22.07；當(dāng)厚度為60 mm，靜應(yīng)力為10.85 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為17.36。

三層瓦楞紙板/EPE的最大加速度-靜應(yīng)力曲線整體趨勢(shì)與單層EPE的曲線趨勢(shì)相同，EPE材料厚度越大，其所對(duì)應(yīng)的沖擊加速度-靜應(yīng)力曲線的彎曲度越小，曲線越平緩。隨著厚度從30 mm增大至60 mm，靜應(yīng)力逐漸增加，對(duì)應(yīng)的沖擊加速度值逐漸減小。

將三層瓦楞紙板/EPE組合材料的靜應(yīng)力-沖擊加速度曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到的擬合公式和擬合度見表2，擬合度均在98%以上。

表2 三層瓦楞紙板/ EPE組合材料擬合公式和擬合度

2.3 五層瓦楞紙板/EPE組合材料動(dòng)態(tài)緩沖性能

五層瓦楞紙板/EPE組合材料的最大加速度-靜應(yīng)力曲線見圖3。當(dāng)EPE厚度為30 mm，靜應(yīng)力為3.68 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為37.82；當(dāng)厚度為40 mm，靜應(yīng)力為6.10 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為26.65；厚度為50 mm，在靜應(yīng)力為10.92 kPa時(shí)，測(cè)得的沖擊加速度最小值為21.1；厚度為60 mm，靜應(yīng)力為11.01 kPa時(shí)，得出沖擊加速度值為16.84。

圖3 五層瓦楞紙板/EPE組合材料的最大加速度-靜應(yīng)力曲線

由圖3可知，五層瓦楞紙板/EPE組合材料與三層瓦楞紙板/EPE組合材料、EPE的動(dòng)態(tài)沖擊性能趨勢(shì)一致，都是隨著厚度的增加，曲線向右下方移動(dòng)且平緩。

五層瓦楞紙板/EPE組合材料沖擊加速度-靜應(yīng)力曲線擬合后的擬合公式和擬合度見表3。由表3可知，擬合度優(yōu)于前2組，均在99%以上，為快遞用緩沖包裝材料減量化設(shè)計(jì)提供了較好的理論基礎(chǔ)。

表3 五層瓦楞紙板/ EPE組合材料擬合公式和擬合度

2.4 EPE分別與三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE動(dòng)態(tài)緩沖性能的對(duì)比

為了更好地分析快遞用瓦楞紙板對(duì)EPE動(dòng)態(tài)緩沖性能的影響，將EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到EPE在30，40，50，60 mm下的對(duì)比結(jié)果，見圖4。

由圖4可知，EPE與瓦楞紙板組合材料的最大加速度-靜應(yīng)力曲線始終位于單層EPE曲線的下面。綜上所述，EPE與瓦楞紙板組合材料的動(dòng)態(tài)緩沖性能總是優(yōu)于單層EPE材料。

通過比較EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE發(fā)現(xiàn)，相同厚度的EPE，在同一靜應(yīng)力下，動(dòng)態(tài)緩沖性：五層瓦楞紙板/EPE＞三層瓦楞紙板/EPE＞EPE。當(dāng)EPE厚度為40 mm，靜應(yīng)力為3.92 kPa時(shí)，單層EPE受到的沖擊加速度為29.05，三層瓦楞紙板/EPE受到的沖擊加速度為28.21，五層瓦楞紙 板/EPE受到的沖擊加速度為27.83。說明瓦楞紙板層數(shù)越大，沖擊時(shí)吸收的能量越多，產(chǎn)品受到的沖擊加速度越小，動(dòng)態(tài)緩沖性能越好。并且在靜應(yīng)力較小時(shí)，3種材料的區(qū)別不大，原因是這部分沖擊能量主要由EPE所吸收。隨著靜應(yīng)力的增大，瓦楞紙板的彈性變形可吸收部分能量[17]，產(chǎn)品受到的沖擊加速度差別較大。

圖4 EPE分別與三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE動(dòng)態(tài)緩沖性能對(duì)比

試驗(yàn)所得緩沖材料最大加速度-靜應(yīng)力曲線，可用于產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)計(jì)算，見圖5。產(chǎn)品脆值為26時(shí)，以縱坐標(biāo)26為起點(diǎn)繪制一條水平線，分別與EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE有等6個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)與相比，靜應(yīng)力較大，故而緩沖材料的面積較??；在進(jìn)行產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)時(shí)，一般以對(duì)應(yīng)的靜應(yīng)力數(shù)值進(jìn)行緩沖材料的面積計(jì)算。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜應(yīng)力大于2點(diǎn)，故而在300 mm跌落高度下，50 mm厚度的EPE，點(diǎn)用的緩沖材料最少。在進(jìn)行緩沖包裝材料EPE用量計(jì)算時(shí)，使用點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靜應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算可以減少EPE在快遞中的用量。

圖5 材料動(dòng)態(tài)緩沖曲線設(shè)計(jì)應(yīng)用

3 結(jié)語

EPE厚度從30 mm增加到60 mm，隨著靜應(yīng)力的增大，最大加速度-靜應(yīng)力曲線逐漸向右下方移動(dòng)，沖擊加速度值逐漸減小。表明EPE材料越厚，其緩沖性能越好。

分別對(duì)EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/ EPE等3組數(shù)據(jù)進(jìn)行雙曲線函數(shù)擬合，擬合度均大于95%，尤其是五層瓦楞紙板/EPE的擬合曲線擬合度大于99%，擬合效果好，可用于快遞包裝設(shè)計(jì)。

通過對(duì)比EPE、三層瓦楞紙板/EPE、五層瓦楞紙板/EPE的最大加速度-靜應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，在同一靜應(yīng)力下，動(dòng)態(tài)緩沖性能：五層瓦楞紙板/EPE＞三層瓦楞紙板/EPE＞EPE，這為快遞包裝減量化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

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Dynamic Buffering Performance of EPE/Corrugated Board Used in Express Packaging

YIN Xing1, CHEN Zhi-qiang2, CUI Jiu-gang1, ZHENG Qiu-yue1

(1.School of Packaging and Printing Engineering, Tianjin Vocational Institute, Tianjin 300410, China; 2.China Packaging Research & Test Center, Tianjin 300457, China)

In the design of express packaging, the buffering effect of corrugated board and expanded polyethylene (EPE) composite materials should be considered comprehensively to reduce the amount of buffer materials. With EPE, three-layer corrugated board, and five-layer corrugated board commonly used in express packaging as the research object, the experiments were designed according to GB/T 8167—2008. The maximum acceleration-static stress curve of the materials were calculated and fitted. The results showed that the thicker the EPE material, the better its buffering performance. Three groups of materials of EPE, three-layer corrugated board/EPE, five-layer corrugated board/EPE were fitted with hyperbolic function, and the fitting degree was greater than 95%. The fitting effect was good. Under the same static stress, dynamic cushioning performance: five-layer corrugated board/EPE>three-layer corrugated board/EPE>EPE. The fitted function can be used for design of express packaging. The experiment result provides a basis for the reduction design of express packaging.

express packaging; expanded polyethylene; corrugated board; dynamic buffering performance

TB485.1

A

1001-3563(2022)01-0052-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.007

2021-10-22

天津職業(yè)大學(xué)校企協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目（20200135）；包裝行業(yè)職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（一般項(xiàng)目）；天津市教委科研計(jì)劃（2020KJ070）

尹興（1981—），女，副教授，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)輸包裝、包裝材料。