機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究

馬愛玉 蘇世偉

【摘 要】木材節(jié)約與代用是緩解我國木材供需矛盾的有效途徑，由于機電產(chǎn)品包裝是木材消耗大戶，推進機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木工作，對于節(jié)約優(yōu)質(zhì)木材、保護森林資源和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本文針對目前我國機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木面臨的替代材料、制造設(shè)備、工藝流程及標準化等方面的問題，對機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。

【關(guān)鍵詞】機電產(chǎn)品；包裝；節(jié)材代木；關(guān)鍵技術(shù)

0.引言

我國已成為世界上最大的機電產(chǎn)品加工、制造基地。機電產(chǎn)品的行業(yè)的發(fā)展離不開包裝，而包裝的最大消耗材料是木材，我國每年機電產(chǎn)品包裝所消耗的優(yōu)質(zhì)原木達1000多萬立方米，約占全國商品木材年使用量的1/6。推進機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木工作，對于節(jié)約優(yōu)質(zhì)木材，保護森林資源和生態(tài)環(huán)境，具有重要意義。這既是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求，更是促進我國機電產(chǎn)品包裝升級，加快與國際接軌的現(xiàn)實需要。

1.大型機電產(chǎn)品包裝行業(yè)面臨的問題

隨著國際國內(nèi)市場對木質(zhì)包裝的要求越來越嚴，我國機電產(chǎn)品的包裝的材料制造及運用研究顯得尤為迫切。諸如，復(fù)雜運輸條件與極端環(huán)境下代木材料與型材的環(huán)境適應(yīng)性研究，代木材料制造與應(yīng)用全過程低碳化研究，代木材料結(jié)構(gòu)與其材料力學性能研究，大型重載包裝箱的個性結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計，代木材料快速高效成型設(shè)備的研制與工程化，代木材料質(zhì)量在線無損檢測技術(shù)等均未深入涉足。木質(zhì)包裝的材料制造及運用領(lǐng)域普遍存在包裝不規(guī)范、過度使用材料、防濕與阻燃性能差、包裝檔次低、無法回收使用等問題，這些技術(shù)的缺失與包裝質(zhì)量上的缺陷直接影響了機電產(chǎn)品的安全保護與出口競爭能力。

2.推廣機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木的技術(shù)影響因素

隨著國家發(fā)展綠色經(jīng)濟，節(jié)能減排政策的出臺和企業(yè)社會責任感的增強，我國在機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木方面進行了積極探索。如單板層積材、農(nóng)作物秸稈板、竹膠板、重型瓦楞紙板、蜂窩紙板、鋼木混合結(jié)構(gòu)，其性能與木材接近，價格適當，原材料來源豐富，特別適合在機電產(chǎn)品包裝中推廣。但這些材料的生產(chǎn)企業(yè)檔次參差不齊，生產(chǎn)設(shè)備能力相差較大，工藝流程不夠統(tǒng)一，缺乏相應(yīng)的檢測手段，因此，生產(chǎn)出的成品質(zhì)量差別較大，性能也不夠穩(wěn)定，影響了節(jié)材代木項目的廣泛推廣。

大型機電產(chǎn)品的包裝不同于一般產(chǎn)品包裝，是技術(shù)含量較高的功能性產(chǎn)品包裝，需滿足大型機電產(chǎn)品在儲存、吊裝、運輸過程的功能性要求。機電產(chǎn)品包裝是裝備制造業(yè)生產(chǎn)全過程的重要環(huán)節(jié)，是包裝工業(yè)的重要組成部分，特別是與國民經(jīng)濟和國防建設(shè)關(guān)系較為密切的重大裝備的產(chǎn)品包裝，即大型、精密、貴重、單件、小批量，其包裝性能要求很高。

我國機電產(chǎn)品木質(zhì)包裝存在著包裝不規(guī)范、過度使用材料、防潮防濕阻燃性能差、包裝檔次低、回收使用困難、循環(huán)利用率低等問題，直接影響了機電產(chǎn)品出口的競爭力。目前只能根據(jù)產(chǎn)品尺寸，選用包裝箱尺寸與構(gòu)件尺寸，不能對包裝結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與響應(yīng)做出準確預(yù)估，包裝箱要么浪費材料，要么存在安全隱患。

3.行業(yè)發(fā)展亟待解決的共性關(guān)鍵技術(shù)問題

鑒于我國機電產(chǎn)品包裝代木材料發(fā)展尚處于初級階段，企業(yè)規(guī)模小，生產(chǎn)技術(shù)水平落后，創(chuàng)新能力差，急需及早在制造與應(yīng)用的全過程推行低碳化，以期真正實現(xiàn)既節(jié)約木材又保護環(huán)境、減耗能源。

當前需從循環(huán)經(jīng)濟的減量化（Reduce）、重復(fù)利用（Reuse）和循環(huán)再生（Recycle）三大原則入手，進行代木材料制造與應(yīng)用低碳化加工技術(shù)研究。根據(jù)減量化原則，重點推進節(jié)約化生產(chǎn)加工技術(shù)，實現(xiàn)高性價比。積極開發(fā)代木材料新型結(jié)構(gòu)材、組合式型材與優(yōu)化通用結(jié)構(gòu)材，大幅度降低代木材使用量；根據(jù)再利用原則，重點開發(fā)代木材料加工工藝及其技術(shù)（如竹木復(fù)合、木塑復(fù)合材料加工及其工藝等）的研究，以期提高新型代木材料的綜合機械性能，延長包裝代木材料的使用周期，逐步減少包裝代木材料的一次性用品；根據(jù)再循環(huán)原則，針對機電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，從代木包裝材料板材及型材的系列化、標準化入手，重點研究機電產(chǎn)品包裝材的模塊化與組合化技術(shù)，并按照行業(yè)要求制定全國統(tǒng)一規(guī)范，以便優(yōu)化和綜合利用包裝材料，并使包裝制品制造方便、組裝簡捷、應(yīng)用可靠、便于回收利用，應(yīng)最大限度減少包裝過程中的螺釘?shù)氖褂茫浚?，有利于包裝板材及型材的循環(huán)利用。

3.1專門用于機電產(chǎn)品包裝高強代木材料的研究與開發(fā)

專門用于機電產(chǎn)品包裝的代木材料的工藝性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、綠色制造技術(shù)主要包括以下幾個方面：

（1）利用速生樹種木材（楊樹、桉樹）制造高強度包裝結(jié)構(gòu)材的關(guān)鍵技術(shù)。

攻關(guān)技術(shù)有：小徑級木材高出材率旋切技術(shù)，3-5mm厚單板均勻旋切技術(shù)；快速單板接長技術(shù)和設(shè)備；高強度單板層積材熱壓技術(shù)。

（2）利用農(nóng)作物秸稈制造包裝箱用材的關(guān)鍵技術(shù)。

攻關(guān)技術(shù)有：農(nóng)作物秸稈的收集和貯存技術(shù)；農(nóng)作物秸稈的新型膠粘劑技術(shù)；麥秸/稻草秸稈的纖維制備技術(shù)；秸稈板防潮和防霉技術(shù)等。

（3）利用竹木復(fù)合材料、木塑復(fù)合材料制造包裝箱的關(guān)鍵技術(shù)。

攻關(guān)技術(shù)有：竹片與木材單板界面調(diào)控技術(shù)；竹片的施膠技術(shù)；增強竹片在板坯結(jié)構(gòu)中的合理配置技術(shù)；復(fù)合板坯的鋪裝和熱壓技術(shù)等。

（4）循環(huán)利用廢棄木質(zhì)材料制造包裝箱用材的關(guān)鍵技術(shù)。

攻關(guān)技術(shù)有：廢舊木材的破碎技術(shù)與設(shè)備；廢舊木材的清潔技術(shù)與設(shè)備（去除金屬、砂石、泥土以及混入其中的塑料、油漆及貼面材料等）。

（5）提高蜂窩紙板防潮、強度等性能的原紙生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

攻關(guān)技術(shù)有：專用高強、防水、防潮瓦楞原紙制漿造紙技術(shù)；廢紙漿高濃高效纖維分級、篩分技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；不同狀態(tài)廢紙篩漿設(shè)備篩（孔）縫特征對不同濃度的非牛頓型紙漿纖維懸浮液篩分的阻力特性研究與工程驗證；蜂窩紙板的緩沖動力學性能研究。

3.2大型包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究與設(shè)計軟件開發(fā)

機電產(chǎn)品的主要運輸方式為陸運與水運。陸運的緊急剎車和道路崎嶇與水運的風浪撞擊和顛簸都會產(chǎn)生劇烈沖擊與振動。沖擊是一種破壞性很強的瞬態(tài)載荷，歷時短、能量高度集中，會產(chǎn)生嚴重、甚至是破壞性的影響；振動引起的通常為隨機載荷，對包裝箱影響是累積損傷。它們對結(jié)構(gòu)的破壞與損傷既與載荷強度頻率有關(guān)，又與結(jié)構(gòu)本身的剛度與動態(tài)性能密切相關(guān)。然而，關(guān)于代木材料包裝箱在沖擊與振動情況下的動態(tài)性能的適應(yīng)性，目前全行業(yè)尚無系統(tǒng)的針對性研究。

目前，我國通用及大型重載機電產(chǎn)品包裝箱的設(shè)計基本上仍停留在放大設(shè)計、類比設(shè)計、測繪設(shè)計等經(jīng)驗設(shè)計階段，我國大型重載機械設(shè)備快速發(fā)展，與運輸包裝技術(shù)可靠性設(shè)計水平極不相稱，急需根據(jù)廣義振動有限元法和避免共振可靠性分析方法，提供基于載荷、強度、重心位置、運輸條件（溫度、濕度、路面狀況）及相互作用完整信息的系統(tǒng)級的可靠建模路徑，規(guī)范組合式、通用化可靠性設(shè)計方法，建立能反映包裝“共因失效”的表決系統(tǒng)參數(shù)化模型，疲勞可靠性應(yīng)力-壽命模型及可靠性壽命計算的當量模型，解決我國大型重載機電產(chǎn)品包裝箱可靠性設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。同時應(yīng)開展對通用包裝制品材料和包裝制品力學性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工程化研究。重點研究不同代木材料的力學性能、包裝制品結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)件、聯(lián)接件、結(jié)構(gòu)聯(lián)接件等的力學性能，為包裝制品的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學的理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出規(guī)范嚴格的不同承重結(jié)構(gòu)材的尺寸界定、并制定相應(yīng)標準，包括：

（1）包裝材料力學性能研究（生物質(zhì)材料物理力學性能指標、材料本構(gòu)關(guān)系、材料等級）。

（2）大型包裝箱安全等級（包裝箱的重要性分級、可靠度設(shè)計）。

（3）包裝箱載荷規(guī)范化、標準化（靜力荷載、各種運載條件下動力作用、溫度應(yīng)力、施工荷載等）。

（4）包裝箱結(jié)構(gòu)分析方法（力學模型、結(jié)構(gòu)計算的一般規(guī)定、靜力與動力分析方法）。

（5）復(fù)雜運輸條件下大型包裝結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計（節(jié)點設(shè)計、連接、節(jié)點承載力與變形驗算方法），突破的關(guān)鍵是充分利用仿真技術(shù)，以包裝箱結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的動態(tài)性能研究為切入點，剖析其結(jié)構(gòu)與材料的固有動態(tài)性能，解決動態(tài)載荷作用下的響應(yīng)性差的問題。并由此為基礎(chǔ)，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布局、采用合理的結(jié)構(gòu)型式，選取匹配的構(gòu)件材料等并進行實物化試驗研究與工程化。

（6）極端氣候環(huán)境下包裝箱耐候性研究（風吹、日曬、雨淋、溫度變化等條件的耐候性研究與設(shè)計），針對重載包裝箱，重點開發(fā)利用運輸過程中的風能、太陽能等自然條件，實施箱內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度等自動調(diào)節(jié)技術(shù)。

（7）大型重載機電產(chǎn)品包裝箱動態(tài)可靠性設(shè)計軟件開發(fā)。

3.3機電產(chǎn)品包裝代木材料制造專用設(shè)備研究與開發(fā)

（1）基于高頻、微波與靶向噴蒸熱壓技術(shù)的快速高效成型設(shè)備研究與工程化。

國內(nèi)單板層積材的成型大多采用常規(guī)接觸式熱壓法，板材芯層溫升是由板面逐層傳導(dǎo)。由于木材的導(dǎo)熱系數(shù)小，傳熱慢，壓制厚度為30cm的單板層積材需6-8小時。對較厚的層積材，因傳導(dǎo)途經(jīng)長，層芯溫升慢，往往表層膠粘劑已固化過度，而芯層固化溫度尚不足，不僅影響質(zhì)量，而且效率低，又耗能，加之單板旋切厚度不均，生產(chǎn)工藝規(guī)范的非可控因素影響較大。同批次的產(chǎn)品質(zhì)量差異，給推行組合化、標準化、通用化制造包裝箱形成極大障礙。

微波與高頻技術(shù)這兩種加熱方法皆為場能作用于介質(zhì)分子，選擇性強，加熱迅速均勻，效率高，耗能低，將顯著提高層積材的質(zhì)量。因此，基于高頻與微波技術(shù)的快速高效成型設(shè)備的研制與工程化乃當務(wù)之急。

同樣，帶有靶向噴蒸裝置的大噸位熱壓系統(tǒng)的制造技術(shù)、板坯芯層溫度與含水率控制技術(shù)，是重型機電產(chǎn)品包裝用單板層積材快速熱壓成型技術(shù)的關(guān)鍵突破口，有待開發(fā)并工程化。

（2）基于計算機視覺、X射線與超聲波的無損檢測技術(shù)。

重點研究型材質(zhì)量檢測設(shè)備及儀器儀表，層積材流水生產(chǎn)線等生產(chǎn)狀況的在線檢測與監(jiān)控，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)是：承載梁材料的主要缺陷識別及剔除等無損檢測技術(shù)與裝備，以及層積材加工刀具與材料切削性能的研究。

（3）是針對高強度秸桿板、竹木復(fù)合板、竹木復(fù)合梁等產(chǎn)品流水生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)裝備的填平補齊；針對高強度秸桿板、竹木復(fù)合板、竹木復(fù)合梁等產(chǎn)品流水生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

（4）代木包裝材料成型模具研究、開發(fā)及工程化，開展包裝產(chǎn)品的代木材料高溫熱壓模具（包括包裝用標準化托盤、包裝內(nèi)襯、包裝用人造板圓桶以及各種異型包裝容器等產(chǎn)品的代木材料高溫熱壓模具）設(shè)計研究與工程化。

3.4機電產(chǎn)品包裝代木標準化與產(chǎn)業(yè)化研究

3.4.1機電產(chǎn)品包裝專用層積材目標性能代表值的確定

按照國家單板層積材標準GB/T20241-2006的規(guī)定，以多層整幅（或經(jīng)拼接）單板按順紋為主組坯膠合而成的板材均稱為單板層積材。機電包裝用單板層積材屬于結(jié)構(gòu)用單板層積材，應(yīng)具有良好的耐水性、耐候性和力學性能。但是，以不同樹種原料、不同厚度單板、不同種類膠粘劑、不同接長單板和組坯方式以及不同壓縮率制造的單板層積材的物理力學性能往往相差甚遠。機電產(chǎn)品種類繁多，承載重則達幾十噸，上百噸，輕則幾十公斤或幾百公斤。因此，其包裝對單板層積材的性能要求也不盡相同。當前國內(nèi)層積材制造廠尚無統(tǒng)一的有關(guān)實現(xiàn)目標性能代表值的工藝參數(shù)選定體系。

全行業(yè)急需根據(jù)機電產(chǎn)品特點確定采用單板層積材的等級（長度和厚度模數(shù)、強度指標和耐候性指標等），然后根據(jù)不同的等級研究制定單板層積材制造技術(shù)規(guī)范，包括原料樹種、膠粘劑種類、單板接長方式、板坯壓縮率以及強度指標等。

3.4.2建立包裝節(jié)材代木模塊化、組合化設(shè)計標準體系

為了使包裝材料制品制造方便、組裝簡捷、應(yīng)用可靠，便于回收利用，需開展節(jié)材代木包裝制品的組合化、模塊化，組合式型材研究設(shè)計，并按照行業(yè)要求制定全國統(tǒng)一規(guī)范，以便優(yōu)化和綜合利用包裝材料。

3.4.3建立包裝節(jié)材代木專業(yè)檢驗機構(gòu)、評價體系和成果推廣應(yīng)用體系

研究制定機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木評價辦法，建立或授權(quán)經(jīng)過資質(zhì)認定的專業(yè)檢測機構(gòu)，對節(jié)材代木產(chǎn)品和企業(yè)進行評估，以確認其是否符合節(jié)材代木包裝的要求；在已有試點企業(yè)的基礎(chǔ)上，更大規(guī)模地進行節(jié)材代木包裝材料的推廣應(yīng)用，以期大部分取代現(xiàn)在廣泛使用的木材包裝，在全國機電行業(yè)中推廣應(yīng)用；研究制定機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木產(chǎn)業(yè)化的制度激勵機制、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部支撐環(huán)境以及相關(guān)的經(jīng)濟政策和法規(guī)；機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木的技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化應(yīng)著重于向現(xiàn)實生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化，著力于科技成果的工程化和系統(tǒng)集成，加快成果推廣與應(yīng)用。

4.結(jié)束語

在環(huán)境保護和資源約束的政策背景下，加上我國豐富人工速生林和農(nóng)作物秸稈的再生資源保障，機電產(chǎn)品包裝已經(jīng)成為木材節(jié)約工作的重點行業(yè)，中國將建成集國內(nèi)機電產(chǎn)品包裝材料與設(shè)備研發(fā)、包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能測試和評價、相關(guān)標準制訂、技術(shù)與信息服務(wù)、人才引進與培訓(xùn)為一體的綜合性平臺及具有可持續(xù)發(fā)展和國際競爭力的研發(fā)與工程化基地，機電產(chǎn)品包裝節(jié)材代木也一定會成為我國木材節(jié)約代用工程的重要突破口。

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