EPS和EPE泡沫塑料是我國目前使用的主要緩沖材料,雖然具有良好的防護(hù)能力和性能價(jià)格比, 但由于難以回收利用、不能自然風(fēng)化或腐爛、焚燒處理會(huì)產(chǎn)生有害氣體,已成為造成環(huán)境污染的主要來源之一。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),美國和歐盟等國已對(duì)泡沫塑料的使用提出限制,取而代之的是環(huán)境相容性好的包裝材料,如植物纖維類緩沖材料、瓦楞紙板、蜂窩紙板、紙漿模塑等。因此,開發(fā)環(huán)保型包裝材料、研究緩沖襯墊結(jié)構(gòu)已成為國內(nèi)外包裝同行研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

    以下將對(duì)植物纖維類、可降解泡沫塑料、淀粉類、膨脹珍珠巖等環(huán)保型緩沖材料的研發(fā)方法、制備工藝、緩沖特性以及應(yīng)用前景進(jìn)行比較分析。

    1　瓦楞紙板緩沖襯墊

    瓦楞紙板襯墊具有良好的加工性能、成本低、可回收利用,20世紀(jì)50年代就已廣泛使用, 60年代后, EPS等泡沫塑料代替了瓦楞紙板緩沖襯墊。隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)和來自于環(huán)境方面的壓力,瓦楞紙板等緩沖襯墊又開始重返舞臺(tái),人們對(duì)瓦楞紙板的襯墊的結(jié)構(gòu)形式和緩沖性能的研究也在深入。

    文獻(xiàn)在論述常用瓦楞紙板襯墊的結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上,比較分析了幾種典型襯墊的測試結(jié)果和緩沖性能,得出了瓦楞紙板襯墊的緩沖效果與結(jié)構(gòu)形式及尺寸的關(guān)系,并說明了瓦楞紙板襯墊的選用方法。文獻(xiàn)、采用結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,識(shí)別紙板型緩沖襯墊的非線性特性、比較識(shí)別結(jié)果與相應(yīng)實(shí)測值的吻合程度,并以內(nèi)裝物的最大加速度振幅為目標(biāo)函數(shù)、采用非線性規(guī)劃方法,優(yōu)化紙板型緩沖襯墊的模型物理參數(shù)阻尼系數(shù)C和彈性剛度K,編制數(shù)值模擬軟件。通過測試典型紙板緩沖襯墊的動(dòng)態(tài)特性、分析比較了紙板襯墊的緩沖性能。文獻(xiàn) 通過大量試驗(yàn)對(duì)瓦楞紙板緩沖襯墊進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能測試。文獻(xiàn)應(yīng)用ADAMS軟件針對(duì)瓦楞紙板緩沖包裝,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型,并在非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)中瓦楞紙板緩沖系統(tǒng)的剛度、阻尼特性模型和系統(tǒng)中主要運(yùn)動(dòng)件在連續(xù)沖擊載荷下的受力特性進(jìn)行了分析,為瓦楞紙板緩沖性能研究探索了新的方法。

    人們在研究瓦楞紙板緩沖性能的同時(shí),也在通過改變楞型或改變結(jié)構(gòu)來提高瓦楞紙板的緩沖性能。如使用微細(xì)瓦楞紙板做內(nèi)襯來包裝香水、化妝品及小型電子產(chǎn)品,以替代傳統(tǒng)的EPE、EPS等泡沫塑料,既提高了包裝的抗壓強(qiáng)度,又提升了包裝的檔次。廣西桂林市晨光紙品有限公司研制開發(fā)出一種增強(qiáng)夾心瓦楞紙板(“瓦中瓦”) ,“瓦中瓦”是以普通瓦楞紙板作面里,又在兩層面里紙板之間設(shè)有瓦楞紙板和紙管的優(yōu)良結(jié)構(gòu),大大增加了紙板的強(qiáng)度,既保留了普通瓦楞紙板的優(yōu)點(diǎn),又可通過調(diào)整夾心層厚薄、夾心層的幾何形狀,來調(diào)整改變瓦楞紙板的強(qiáng)度和緩沖性能。再如所謂的立體瓦楞紙板襯墊,其基體外緣輪廓與包裝箱內(nèi)腔形狀一致,基體的包裝部位有被包裝物體外形相匹配的凹陷和凸起,緩沖性能優(yōu)于紙漿模塑制品。同時(shí)還可以在襯墊內(nèi)部的空隙處填充稻、麥、麻或谷類植物的秸稈,防止因擠壓而變形,提高緩沖和抗沖擊性能。在歐洲,也有使用牛皮紙或舊報(bào)紙卷成紙團(tuán)做緩沖包裝。如德國不萊梅市的PSP公司開發(fā)了泡沫紙生產(chǎn)工藝,用回收的舊書廢紙和面粉作原料,通過擠壓,受水蒸汽作用發(fā)泡,形成泡沫紙。

    雖然瓦楞紙板具有良好的減震性能,適合小荷載流通環(huán)境,但在運(yùn)輸過程中,難免會(huì)出現(xiàn)較大沖擊荷載的情況,此時(shí)瓦楞紙板減震能力有些力不從心。相對(duì)于瓦楞紙板,蜂窩紙板具有良好的承壓能力和抗彎性能,對(duì)于大荷載有較好的能量吸收和減震能力。若將兩者的優(yōu)點(diǎn)相互結(jié)合使用,則可揚(yáng)長避短,瓦楞紙板用于承受小荷載,蜂窩紙板用于承受偶爾出現(xiàn)的較大沖擊荷載。文獻(xiàn)對(duì)瓦楞紙板、蜂窩紙板及其組合結(jié)構(gòu)3種材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn),并將組合結(jié)構(gòu)與另外兩種材料的緩沖特性曲線進(jìn)行比較,組合結(jié)構(gòu)兼具有兩者的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于小荷載和較大載荷都有良好的緩沖能力。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,瓦楞蜂窩復(fù)合紙板的潛在市場十分巨大,其市場需求量將會(huì)超過幾億平方米/年。

    用紙墊代替泡沫塑料作為緩沖材料,既有利于環(huán)境保護(hù),又可以回收再生,降低成本。瓦楞紙板襯墊不僅在容器中能阻隔產(chǎn)品,而且在產(chǎn)品受到外界沖擊時(shí),能吸收能量,延長內(nèi)裝產(chǎn)品承受沖擊脈沖的作用時(shí)間,具有良好的緩沖性能。從近幾年新型瓦楞紙板的開發(fā)和應(yīng)用來看,瓦楞的微型化、結(jié)構(gòu)的多樣化、小定量、低成本、高品質(zhì)是瓦楞紙板未來的發(fā)展趨勢。

    2　蜂窩紙板襯墊

    蜂窩紙板是近十幾年在中國迅速發(fā)展的新型包裝材料,具有較好的韌性和回彈性,獨(dú)特的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)異的緩沖性能,在所有的緩沖材料中具有更高的單位體積能量吸收值,高厚度的蜂窩紙板可替代EPS塑料泡沫緩沖墊。蜂窩紙板用作緩沖襯墊主要有兩大類,彈力型和折疊型,多采用局部和護(hù)角的形式保護(hù)產(chǎn)品,常用于正長方形商品,也適合體積大、表面脆弱、防震緩沖要求高的大型電子儀器、計(jì)算機(jī)和家具、大型平板玻璃和玻璃制品。

      對(duì)蜂窩紙板的靜態(tài)性能進(jìn)行了測試,在建立力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分析了蜂窩紙板的力學(xué)特性和緩沖性能,試驗(yàn)證明蜂窩紙板具有優(yōu)良的緩沖性能,具體體現(xiàn)在線性彈性變形和非線性彈性變形。文獻(xiàn)在測試蜂窩紙板典型結(jié)構(gòu)襯墊靜態(tài)力學(xué)特性的同時(shí),比較分析了幾種常用緩沖材料的力學(xué)特性。實(shí)驗(yàn)表明蜂窩紙板緩沖襯墊比瓦楞紙板襯墊更抗壓、抗折,其剛性好于泡沫塑料,是一種具有較好的韌性和回彈性的緩沖材料。文獻(xiàn)、[ 11 ]基于跌落沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn),研究了4種不同厚度的蜂窩紙板的緩沖防振性能,獲得了動(dòng)態(tài)緩沖曲線的經(jīng)驗(yàn)公式和振動(dòng)傳遞率曲線特征系數(shù)(峰值頻率、傳遞率及阻尼比) 。試驗(yàn)結(jié)果表明蜂窩紙板的動(dòng)態(tài)緩沖曲線呈凹谷狀,開口向上,只有一個(gè)極小值點(diǎn),沖擊加速度波形近似于半正弦波,沖擊作用時(shí)間較長,吸收的沖擊能量較大,具有良好的動(dòng)態(tài)緩沖特性;振動(dòng)傳遞特性具有多模態(tài)性,有主次之分,對(duì)高頻振動(dòng)有顯著的衰減性。

    近幾年人們對(duì)蜂窩紙板緩沖襯墊的性能做了大量研究,為蜂窩紙板的應(yīng)用提供了依據(jù)。為了與國際市場接軌,國內(nèi)許多知名電器品牌從2001年就開始用蜂窩紙板陸續(xù)替代EPS發(fā)泡塑料襯墊。如海爾的空調(diào)柜機(jī),已開始正式批量采用蜂窩紙板包裝材料,不僅降低了包裝成本,減少了“白色污染”,為外貿(mào)企業(yè)產(chǎn)品出口打開了一條“綠色通道”。

    中國紙蜂窩行業(yè)起步較晚,生產(chǎn)線設(shè)備的研制開發(fā)、制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制品制作加工能力及制品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化等工作進(jìn)展緩慢。蜂窩紙板作為一種新型的包裝材料具有廣闊的前景,解決目前生產(chǎn)技術(shù)上的一系列問題是其進(jìn)一步推廣應(yīng)用的前提,作為環(huán)保緩沖包裝襯墊將促進(jìn)我國出口包裝的發(fā)展。

    3　紙漿模塑制品

    紙漿模塑起始于20世紀(jì)60年代,具有制造成本低,不污染環(huán)境,可回收利用等優(yōu)點(diǎn),成為替代EPS等泡沫塑料的環(huán)保型緩沖材料。

    文獻(xiàn)[ 12 ]在研究紙漿模塑制品緩沖性能、結(jié)構(gòu)和所受的載荷的基礎(chǔ)上,提出了紙漿模塑的緩沖機(jī)理,并利用有限元方法模擬載荷下的響應(yīng),研究表明紙漿模塑制品的結(jié)構(gòu)對(duì)緩沖性能起主要作用。文獻(xiàn)[ 13 ]將廢紙箱預(yù)處理制得的紙漿中加入淀粉膠粘劑,模壓成型后采用物理成孔方法制成新型紙漿模塑緩沖襯墊。并通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)得到新型材料的彈性狀態(tài)方程、靜態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線、緩沖系數(shù)- 應(yīng)力曲線,實(shí)驗(yàn)表明這種采用物理發(fā)泡方法制成的紙漿模塑緩沖襯墊節(jié)約材料、成本低、透氣性好,具有一般紙漿模塑材料的優(yōu)點(diǎn)又獨(dú)具特色。文獻(xiàn)[ 14 ]用試驗(yàn)測試方法,分析了肋狀結(jié)構(gòu)單元的靜態(tài)壓縮曲線、緩沖結(jié)構(gòu)單元發(fā)生彈性變形的極限載荷和最大載荷比值、緩沖結(jié)構(gòu)單元數(shù)與承受最大載荷之間的關(guān)系,并根據(jù)紙漿模塑緩沖結(jié)構(gòu)單元的靜態(tài)壓縮曲線,研究了紙漿模塑緩沖包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理。文獻(xiàn)對(duì)紙漿模制品結(jié)構(gòu)緩沖性能進(jìn)行了研究,得出紙漿模制品結(jié)構(gòu)(如壁厚、高度、側(cè)壁斜度、承載邊長和過渡圓角半徑)對(duì)其緩沖性能影響很大的結(jié)論。

    在人們研究紙漿模塑制品緩沖性能、特點(diǎn)、緩沖機(jī)理的同時(shí),也在不斷地開發(fā)新型結(jié)構(gòu)的紙漿模塑制品,如封閉和半封閉式型腔紙漿模塑制品。目前紙漿模塑制品都是在單一的凸或凹的網(wǎng)模表面上形成,所以制品只能是開放式單層型腔,開放式單層型腔無論如何變化,受力時(shí)型腔容易變形,承載能力小,剛性較差。而這種封閉和半封閉式型腔制品的獲得方法是:第一步是組合模具合模,形成一個(gè)組合模腔,這種組合模腔必須有一個(gè)以上的進(jìn)漿口;第二步是組合模具進(jìn)入漿池,組合模具上設(shè)計(jì)的真空機(jī)構(gòu)開始工作,在組合模具模腔內(nèi)壁上形成濕紙坯;第三步是組合模具升出漿池,真空機(jī)構(gòu)繼續(xù)起作用,完成吸濕過程;第四步是組合模具開模,使?jié)窦埮髁粼谄渲幸粋€(gè)模具上,濕紙坯再從該模具上轉(zhuǎn)移,完成濕紙坯成型過程。封閉和半封閉式型制品的出現(xiàn),使紙漿模塑制品完全可以替代發(fā)泡塑料應(yīng)用在工業(yè)品內(nèi)包裝上,彌補(bǔ)了原有紙漿模塑制品應(yīng)用的局限性。

    紙漿模塑制品以代替EPS等泡沫塑料作為“九五”和“十五”期間包裝改進(jìn)的重點(diǎn)。但目前紙漿模塑制品應(yīng)用只占全部電子產(chǎn)品包裝材料的2%左右,紙漿模塑制品代替EPS等材料的研究應(yīng)用進(jìn)展緩慢。紙漿模塑制品作為環(huán)保型緩沖襯墊的積極作用正被人們認(rèn)識(shí)和接受,可挖掘的潛力很大。同時(shí),電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展為中國包裝工業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。通過開展與紙漿模塑緩沖制品性能有關(guān)的