梁潤(rùn)成

北京綠傘科技股份有限公司，北京，100094

紙箱是產(chǎn)品防護(hù)、搬運(yùn)、存儲(chǔ)的重要包裝物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)紙箱產(chǎn)量高達(dá)3 444萬(wàn)噸[1-2]。家庭清潔產(chǎn)品目前液體類占主要，各種液體洗滌劑在存儲(chǔ)運(yùn)輸過(guò)程中，多數(shù)用紙箱做外包裝。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2020年1—12月累計(jì)生產(chǎn)情況，肥皂及洗滌劑制造業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量373家，其中液體洗滌劑（洗衣液和餐具洗滌劑）產(chǎn)量753.92萬(wàn)噸[3]。常規(guī)渠道非電商類家庭清潔液體洗滌劑產(chǎn)品包裝通常每箱重量為5 kg～20 kg，由此國(guó)內(nèi)每年會(huì)使用大量紙箱，并且紙箱在產(chǎn)品構(gòu)成中占重要成本和質(zhì)量影響。合理設(shè)計(jì)紙箱可以既滿足產(chǎn)品防護(hù)性能要求，又合理控制成本。

1 紙箱設(shè)計(jì)基本要求

每款產(chǎn)品針對(duì)外觀、印刷、尺寸、耐破強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮產(chǎn)品包裝重量、運(yùn)輸距離、碼放高度、存放空間濕度環(huán)境、碼放方式等，既能滿足產(chǎn)品需求，又要合理控制成本。對(duì)紙箱設(shè)計(jì)提出較高要求。

1.1 印刷和外觀

印刷需要符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 191—2008《包裝儲(chǔ)運(yùn)圖示標(biāo)志》，條形碼需要符合商品條碼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，涉及宣傳類如環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品和綠色產(chǎn)品等需按照對(duì)應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行合規(guī)應(yīng)用圖案。紙箱屬于可回收物，可印刷可回收標(biāo)識(shí)，具體可以參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18455—2022《包裝回收標(biāo)志》。

1.2 紙箱尺寸

紙箱尺寸主要考慮內(nèi)裝瓶或袋形狀、大小和碼放方式，同時(shí)需要考慮托盤大小。目前流通較多的托盤尺寸為1 200 mm×1 000 mm，需充分利用托盤，提高庫(kù)房?jī)?chǔ)存能力，也需要考慮人工搬用方便性。目前超市展示產(chǎn)品紙箱高度主要為100～350 mm，周長(zhǎng)900～1 500 mm。

設(shè)計(jì)尺寸時(shí)需要考慮尺寸對(duì)箱體抗壓性能的影響，GB/T 6543—2008《運(yùn)輸包裝用單瓦楞紙箱和雙瓦楞紙箱》中規(guī)定，內(nèi)裝物在5 kg以內(nèi)，最大綜合尺寸為700 mm，在10 kg以內(nèi)為1 000 mm，在20 kg以內(nèi)為1 400 mm。瓦楞紙箱的長(zhǎng)、寬之比一般不大于2.5∶1，寬高之比一般不大于2∶1，一般不小于0.15∶1。長(zhǎng)寬比在1.2～1.5時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，紙箱高度在100～350 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著高度增加而稍有下降[4]。

設(shè)計(jì)尺寸時(shí)要充分考慮內(nèi)裝物與向內(nèi)頂隙間距，對(duì)于后期碼放怕壓噴頭、泵頭貨側(cè)封蓋類型產(chǎn)品，要預(yù)留5～10 mm間隙，對(duì)于內(nèi)裝瓶可承壓類產(chǎn)品，要預(yù)留3～5 mm間隙。

1.3 耐破強(qiáng)度

紙板耐破強(qiáng)度對(duì)后期搬運(yùn)和運(yùn)輸過(guò)程起重要作用。根據(jù)GB/T 6544—2008《瓦楞紙板》標(biāo)準(zhǔn)要求和配紙實(shí)際情況，BC楞紙板通常耐破強(qiáng)度≥800 kPa。

1.4 紙箱抗壓強(qiáng)度

紙箱抗壓強(qiáng)度是紙箱最重要的一個(gè)質(zhì)量衡量指標(biāo)，對(duì)后期存儲(chǔ)運(yùn)輸至關(guān)重要。合理設(shè)計(jì)既能滿足實(shí)際需求，又可以合理控制成本。

1.4.1 紙箱抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)

公式為：P＝K·G（H-h）/h×9.8

公式中：P為抗壓強(qiáng)度，N；K為強(qiáng)度安全系數(shù)；G為瓦楞紙箱包裝件的質(zhì)量，kg；H為堆碼高度，mm；h為瓦楞紙箱高度，mm。

不同產(chǎn)品和庫(kù)房條件，碼放的高度不同，通常以人體搬運(yùn)高度為宜，選擇2 m高度，部分庫(kù)房放置在3 m高度。

根據(jù)內(nèi)裝包裝物和實(shí)際流通情況綜合選定安全系數(shù)，通常安全系數(shù)選擇整數(shù)。對(duì)于軟包裝袋類、噴頭類、泵頭類產(chǎn)品一般選擇安全系數(shù)為5-7，對(duì)于產(chǎn)品為瓶裝并可承壓類產(chǎn)品一般選擇安全系數(shù)為3-4。

2 日化產(chǎn)品案例

以一款500 g噴頭類產(chǎn)品為例，對(duì)其箱體尺寸、抗壓強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 箱體尺寸設(shè)計(jì)

以一款500 g帶噴頭A產(chǎn)品為例，計(jì)劃箱內(nèi)裝24瓶，綜合包裝成本較為合理。瓶長(zhǎng)、寬、高為99 mm、48 mm、262 mm，箱內(nèi)碼放方式為每排6瓶，共計(jì)4排，中間有插板，紙箱內(nèi)徑尺寸為405 mm×298 mm×270 mm。產(chǎn)品質(zhì)量含瓶、噴頭和紙箱為13 kg，最大綜合尺寸為973 mm，長(zhǎng)寬之比為1.36∶1，寬高之比為1.10∶1。箱內(nèi)盛放數(shù)量、物品質(zhì)量、最大綜合尺寸、箱體長(zhǎng)寬之比和箱體寬高之比較為合理。

2.2 抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)

2.2.1 碼放高度和層數(shù)

箱體高度外徑290 mm，考慮人工搬運(yùn)和碼放，高度設(shè)定為2 m，最大碼放高度為7層。

2.2.2 安全系數(shù)

箱體選擇為常規(guī)BC雙瓦楞紙箱，內(nèi)裝產(chǎn)品屬于噴頭類產(chǎn)品，且在全國(guó)流通，流通周期為2-10個(gè)月，選擇安全系數(shù)5。

2.2.3 抗壓強(qiáng)度選定

產(chǎn)品、瓶和紙箱總計(jì)重量13 kg，碼放層數(shù)為7層，考慮后期流通期長(zhǎng)和存儲(chǔ)環(huán)境濕度大等問(wèn)題，安全系數(shù)設(shè)定為5，根據(jù)抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式得出紙箱抗壓強(qiáng)度3 822 N，此要求通常指標(biāo)準(zhǔn)條件溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為50%。

2.2.4 選擇紙箱紙板邊壓強(qiáng)度和配紙

根據(jù)紙箱尺寸、抗壓強(qiáng)度、楞型計(jì)算紙箱用紙板邊壓強(qiáng)度，再根據(jù)紙板邊壓強(qiáng)度要求進(jìn)行紙板的每層配紙，選擇適合的用紙。A產(chǎn)品選擇雙層瓦楞結(jié)構(gòu)BC楞，選擇凱里卡特（Kellicutt）公式計(jì)算邊壓強(qiáng)度[5]：

式中：P為瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度，lb（N）；PX為紙板邊壓強(qiáng)度，lb/in（N/cm）；4aXz為瓦楞常數(shù)；J為楞型常數(shù)；Z為紙箱周長(zhǎng)，in（cm）。

通過(guò)以上公式可得A 產(chǎn)品紙板邊壓強(qiáng)度為54.28 N/cm，即5 428 N/m。

紙板邊壓強(qiáng)度主要與每層紙板橫向環(huán)壓強(qiáng)度R、選用紙質(zhì)定量W和紙橫向環(huán)壓指數(shù)有關(guān)。橫向環(huán)壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：R＝W×r

式中：R為橫向環(huán)壓強(qiáng)度，N/m；W為紙質(zhì)定量，g/m2；r為橫向環(huán)壓指數(shù)，N·m/g。

對(duì)于五層瓦楞紙板：R＝W1×r1+W2×r2+W3×r3+Wb×rb×cb+Wc×rc×cc

式中：rb為B楞收縮率，通常為1.361；rc為C楞收縮率，通常為1.477[5]。

通過(guò)以上可根據(jù)實(shí)際用紙定量和用紙品質(zhì)進(jìn)行合理配紙。

2.3 紙箱紙板耐破強(qiáng)度

公式為：P＝X·G[5]

式中：P為耐破強(qiáng)度，kPa；X為耐破指數(shù)，kPa·m2/g；G為紙板定量，g/m2。

根據(jù)配紙的紙板定量和耐破指數(shù)確定紙板耐破強(qiáng)度。

2.4 新配紙紙箱驗(yàn)證

2.4.1 抗壓強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度驗(yàn)證

在恒溫恒濕箱（廠家為上海一恒科學(xué)儀器有限公司）標(biāo)準(zhǔn)條件下23 ℃/50%RH平衡48 h后，用紙箱壓力儀（廠家為濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司）測(cè)試紙箱抗壓強(qiáng)度，耐破強(qiáng)度為3 889 N。對(duì)于確定紙板配紙和尺寸的紙箱，在不同濕度條件下放置，對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響較大。選擇溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為30%～90%，對(duì)抗壓強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1和圖1。

表1 不同濕度條件下抗壓強(qiáng)度和耐破強(qiáng)度

圖1 相同溫度不同濕度條件下紙箱抗壓強(qiáng)度

2.4.2 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí)紙箱最大形變量

在標(biāo)準(zhǔn)條件下23 ℃/50%RH測(cè)試紙箱抗壓強(qiáng)度，壓潰力最大時(shí)紙箱整體高度變形量為13.2 mm，見圖2。如果紙箱形變量大，需要將產(chǎn)品裝箱驗(yàn)證開箱產(chǎn)品是否有變形。不同材質(zhì)紙配置紙箱，在壓潰力最大時(shí)的變形量差異非常大，通常為5～20 mm。

圖2 紙箱不同抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)變形量

2.4.3 堆碼試驗(yàn)

按照GB/T 4857.3—2008《包裝 運(yùn)輸包裝件基本試驗(yàn) 第3部分：靜載荷堆碼試驗(yàn)方法》，在紙箱上方放置390 kg重物，放置24 h后觀察，紙箱沒(méi)有發(fā)生明顯變形。

2.4.4 提升抗壓強(qiáng)度

（1）箱內(nèi)增加插頁(yè)：箱內(nèi)增加插頁(yè)，可以有效分割，防止后期運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)品在箱內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)采用不同形式的插頁(yè)可以增強(qiáng)紙箱的整體抗壓強(qiáng)度。

采用A產(chǎn)品紙箱對(duì)三種插頁(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，插頁(yè)使用同紙箱材質(zhì)紙板（表2）。

表2 不同插頁(yè)影響

（2）雨季適當(dāng)增加配紙：紙箱的抗壓強(qiáng)度設(shè)定主要考慮稱重和安全系數(shù)。如果在夏季雨季時(shí)，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度＞80%，可以適當(dāng)調(diào)配材質(zhì)或增加楞紙厚度，增加紙箱抗壓強(qiáng)度，也可以采用較好的面紙防止吸潮，也可以采用在紙箱表面涂蠟、增加膜等方式防止紙箱強(qiáng)度急劇降低，同時(shí)也可以采用適當(dāng)降低碼放高度、加快物流周轉(zhuǎn)期等措施確保紙箱防護(hù)不變形。

3 總結(jié)

（1）現(xiàn)有洗滌用品包裝紙箱主要以BC楞為主，紙箱設(shè)計(jì)時(shí)需針對(duì)外觀、印刷、尺寸、耐破強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等要求，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮產(chǎn)品包裝重量、運(yùn)輸距離、碼放高度、存放空間濕度環(huán)境、碼放方式等，既能滿足產(chǎn)品需求，又要合理控制成本。

（2）對(duì)設(shè)計(jì)紙箱進(jìn)行驗(yàn)證，特別是抗壓強(qiáng)度、堆碼試驗(yàn)和變形量對(duì)箱內(nèi)產(chǎn)品影響較大，確保在正常存儲(chǔ)、物流等環(huán)節(jié)起到防護(hù)產(chǎn)品作用。

（3）通過(guò)箱內(nèi)插頁(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以滿足產(chǎn)品分割和提升抗壓強(qiáng)度。對(duì)于特殊產(chǎn)品可以選擇更好的面紙或通過(guò)涂蠟、覆膜等方式應(yīng)對(duì)高濕度條件存儲(chǔ)。