循環(huán)包裝用塑料圍板箱的分析測試

向文灝

（上海睿池供應(yīng)鏈管理有限公司）

前言

塑料圍板箱是一種用塑料材質(zhì)制作成的可拆卸的箱式托盤，普遍用作于汽車零部件的物流包裝箱，亦可用于醫(yī)療食品及化妝品等產(chǎn)品的運(yùn)輸包裝。

國外一般將圍板箱描述為sleeve packaging，在中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27915-2011《組合式塑料托盤》中將圍板箱定義為C 型托盤，主體由頂蓋，壁板和底盤三部分組成，空箱時壁板可M 形折疊，將空箱體積降低，如圖1。

其中頂蓋與底盤為高密度聚乙烯材質(zhì)（HDPE），壁板則是聚丙烯共聚物（PP-Co）。由于塑料圍板箱出現(xiàn)的過程是一個替代紙箱包裝的過程，因而結(jié)構(gòu)的來源也是基于紙箱結(jié)構(gòu)的演變，如同歐洲紙板制造工業(yè)聯(lián)合會（The European Federation of Corrugated Board Manufacturers-FEFCO）箱型標(biāo)準(zhǔn)中的0310 紙箱系列，借助塑料材質(zhì)的成型優(yōu)勢，將0310 結(jié)構(gòu)底蓋與額外的底部承載托盤結(jié)構(gòu)融合為底盤結(jié)構(gòu)，主要競爭的應(yīng)用產(chǎn)品為重型瓦楞紙箱。

0310 紙箱系列其最大優(yōu)勢是不會像瓦楞紙那樣容易受到濕度影響而使得強(qiáng)度下降。而國內(nèi)常見的圍板箱的主要特點(diǎn)是底盤部分的九腳托盤墊腳結(jié)構(gòu)使用了斜插嵌入式的中空墊腳，以便于空箱回收節(jié)省體積。

圖1 塑料圍板箱拆裝折疊

1. 塑料圍板箱概況

塑料圍板箱常規(guī)作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸的物流運(yùn)輸包裝容器，在2005 年便已經(jīng)是德國大眾集團(tuán)的零部件物流的通用標(biāo)準(zhǔn)包裝容器之一，主要用來裝載無銳邊的輕型安裝件。因此國內(nèi)合資企業(yè)沿用了該類塑料圍板箱需求，但塑料圍板箱在其通用容器手冊中種類占比約6.8%，而早期國內(nèi)塑料制品工藝和成本的制約，塑料圍板箱造價高，使得在汽車零部件包裝領(lǐng)域也一直屬于小眾化循環(huán)包裝產(chǎn)品。隨著汽車零部件國產(chǎn)化程度逐步提高，國內(nèi)汽車零部件物流領(lǐng)域更開放，特別是國產(chǎn)化過程中將國外的第三方物流（3PL Third-Party logistics），循環(huán)取貨（milk run），供應(yīng)商管理庫存（VMI-vendor Managed Inventory）等制造業(yè)供應(yīng)鏈管理方式的吸收普及，使得原來粗放型的物流供應(yīng)環(huán)節(jié)變得精細(xì)化，原來并不容易引起關(guān)注的一次性包裝的浪費(fèi)現(xiàn)象更直觀浮現(xiàn)在企業(yè)管理者眼前。因此加速了零部件企業(yè)對可反復(fù)多次使用的循環(huán)物流包裝箱的應(yīng)用推廣，并形成一定規(guī)模的市場需求。

同時國內(nèi)針對塑料圍板箱的國產(chǎn)化設(shè)備能力提高且成本下降，使塑料圍板箱的生產(chǎn)投入門檻下降，僅長三角地區(qū)2014 年到2018 年每年都有新的生產(chǎn)工廠產(chǎn)能啟動，四年期間成立新工廠的數(shù)量基本以60%的增長率擴(kuò)增。根據(jù)走訪長三角各生產(chǎn)廠家了解及粗略估算，推測各類塑料圍板箱的保有量可能已經(jīng)達(dá)到300 萬只。而2005 年大眾集團(tuán)在歐洲5000 個零件供應(yīng)商的循環(huán)包裝容器的總和約980 萬只[1]。國內(nèi)短時間的產(chǎn)能擴(kuò)充也使得塑料圍板箱從早期的賣方市場轉(zhuǎn)換為買方市場，原有需求市場有限，過多的產(chǎn)能導(dǎo)致市場消化速度迅速下降，逐步催生了更多企業(yè)以租賃的形式來緩沖原有市場空間。而租賃方為了使得市場消化產(chǎn)能，近兩年不斷嘗試脫離汽車零部件領(lǐng)域，尋找新的應(yīng)用方向，更多的客戶群體開始接觸使用塑料圍板箱。因此在不同類型的性能對比分析有利于不同使用場景的選擇參考。

2. 塑料圍板箱的類型

塑料圍板箱因主體結(jié)構(gòu)是由頂蓋，壁板和底盤（即托盤）三部分組成，一般習(xí)慣上將頂蓋和底盤統(tǒng)一稱為天地蓋，兩者使用的原料均為高密度聚乙烯。市場上常見的塑料圍板箱分別有注塑圍板箱、吹塑圍板箱、吸塑圍板箱、雙層吸塑圍板箱以及壓鑄圍板箱等五種。這種分類是根據(jù)圍板箱的底部托盤的成型工藝不同而稱呼不同，而工藝不同則設(shè)備機(jī)械也不同。就塑料包裝容器的加工機(jī)械而言，較為簡單的方法是根據(jù)原材料劃分為板材原料類塑料容器成型機(jī)和顆粒原料類塑料容器機(jī)械。板材原料類可分為塑料片材容器成型機(jī)和片材吹塑中空成型機(jī)，而顆粒原料類可分為注射成型和中空容器吹塑成型[2]。

注塑托盤，是將塑料粒子通過塑化系統(tǒng)即機(jī)筒和旋轉(zhuǎn)螺桿，通過一定壓力和速度定時定量的注射到成型的模具型腔之中。注射過程主要分為充模、補(bǔ)縮和保壓三個步驟[3]。其外觀主要特點(diǎn)就是澆注口結(jié)構(gòu)殘留在托盤外表面。

吹塑圍板箱托盤，使用的擠出吹塑中空成型工藝，原料顆粒通過擠出機(jī)形成筒狀料坯，由上至下進(jìn)入左右開式模具中間，經(jīng)過模具閉合通過吹管導(dǎo)入壓縮空氣成型冷卻形成中空結(jié)構(gòu)底盤，壁厚常見控制在3 mm 左右。該工藝的優(yōu)勢設(shè)備與模具結(jié)構(gòu)簡單，成本投入較低。是目前國內(nèi)常見的圍板箱底盤結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是一般為了模具排氣，表面會避免出現(xiàn)大面積光面[4]且托盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)成中空狀態(tài)。

吸塑托盤，工藝原理為片材熱成型，通過片材的加熱到高彈態(tài)即玻璃化溫度Tg 和黏流態(tài)溫度Tf 之間，然后再通過抽真空或者注入壓縮空氣增壓的方式將軟化片材在成型模具內(nèi)成型[5]。常見使用7~8 mm 的高密度聚乙烯片材，特點(diǎn)是自重輕，外觀相對而言光滑。但由于單層結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較差易形變。較常用于出口一次性托盤，國內(nèi)循環(huán)周轉(zhuǎn)使用少。雙層吸塑托盤，其原理是片材吹塑中空成型，直接是通過兩臺擠出機(jī)同時擠出兩張3 mm 左右軟化片材，進(jìn)入上下開式模具中間，經(jīng)過模具閉合再吹管導(dǎo)入壓縮空氣形成中空結(jié)構(gòu)并成型冷卻。盡管俗稱雙層吸塑，但實(shí)際其成型方式與吸塑底盤的成型工藝不同，而是與吹塑圍板箱更為相似，只是一個擠出筒狀料坯，垂直下料模具左右開合；一個是片狀料坯，雙層送料，模具上下開合。但兩者之間，片材吹塑最大優(yōu)勢是可以在上下模具閉合前在片材料坯內(nèi)置金屬管，從而改善底盤自身剛度，同吹塑托盤一樣，同樣形成空心的中空結(jié)構(gòu)。

壓鑄圍板箱底盤，其生產(chǎn)工藝為壓縮成型或者模壓成型，是歷史悠久的大體積塑料復(fù)合材料的成型方式，一般通過帶有加熱板壓力機(jī)通過凹凸模沖壓成型。材料結(jié)構(gòu)常分為片狀復(fù)合料（Sheet Molding Compound-SMC）和團(tuán)狀復(fù)合材料（Bulk Molding Compound-BMC），而團(tuán)狀復(fù)合材料裝入模腔后可以形成厚度約4 mm 以及寬度1200 mm 的片狀材料，有利于托盤成型[6,7]。其特點(diǎn)為型腔深，表面相對平整，自重偏大且生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致成本偏高。

頂蓋工藝與底盤工藝基本一致，但由于頂蓋完全不需要通過增加金屬管來增加剛度，所以一般不會使用片材吹塑中空成型生產(chǎn)頂蓋。主要為注塑、吹塑、吸塑和壓鑄四種。

壁板原料為聚丙烯，但聚丙烯單體均聚物在零度脆化，因此實(shí)際市場上用于包裝容器生產(chǎn)的聚丙烯原料已經(jīng)通過化學(xué)改性的聚丙烯共聚物。通過擠出成型形成厚度約10 mm 左右板材，常見板材結(jié)構(gòu)有十字、米字和蜂窩結(jié)構(gòu)，而當(dāng)前市場主流為蜂窩結(jié)構(gòu)為主。

圖2 常見的圍板箱壁板種類

由于壁板主要是用于替代瓦楞紙箱，因此壁板的選用和紙板一樣以克每平方米為單位。常見有3000 g/m2，3500 g/m2和4000 g/m2。

3. 測試對比

承載強(qiáng)度一直是作為衡量箱式包裝優(yōu)劣的一項(xiàng)指標(biāo)。為了了解市場上常見的各種塑料圍板箱的承載強(qiáng)度對比，因此購買了5 款不同廠家的頂蓋和底盤，其中2 款天地蓋為壓鑄工藝，2 款天地蓋中空吹塑和1 款底盤為雙層吸塑，頂蓋為中空吹塑。同時購置2 款來自不同廠家的3000 g/m2的主流蜂窩板壁板組成1200×1000×1000 的組合式塑料托盤箱作為測試對象。

3.1 通過空箱抗壓測試記錄20 mm 形變條件下的最大受力強(qiáng)度值，參考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》。

圖3 空箱抗壓測試

將試樣放入壓力機(jī)下，并在試樣上方放置同款塑料圍板箱的底盤，對其施加壓力，記錄數(shù)值如表1。

表1 各款式塑料圍板箱20 mm 形變下測試數(shù)值

表2 叉舉測試下各類底盤20 mm 形變值

由于該測試屬于靜態(tài)瞬時加壓，模擬靜態(tài)倉儲條件下的強(qiáng)度值，借助經(jīng)驗(yàn)公式按1/41.16 簡單將靜載堆碼壓力值換算為運(yùn)輸過程中該箱內(nèi)裝物安全極限承載重量。則吹塑及雙層吸塑圍板箱試樣允許內(nèi)裝物重量在280 kg~400 kg 之間。而壓鑄圍板箱的可允許內(nèi)裝物重量可達(dá)到600 kg以上。值得注意的，壓鑄結(jié)構(gòu)的塑料圍板箱在抗壓性能上遠(yuǎn)超出中空結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，必須考慮就抗壓強(qiáng)度測試上，客觀上壓鑄的托盤九腳底面積設(shè)計(jì)上要大于吹塑及雙層吸塑。

圖4 上部分托盤為吹塑托盤，下部分為壓鑄托盤

壓鑄底腳面積為0.174 m2，而吹塑及雙層吸塑約為0.082 m2，兩者設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的相差也是造成抗壓數(shù)值不同的因素之一。所以仍然需要通過叉舉測試進(jìn)一步測試對比。

3.2 參考GB/T 4996-2014 聯(lián)運(yùn)通用平托盤試驗(yàn)方法中選取叉舉測試對塑料圍板箱的底盤進(jìn)行20 mm 形變強(qiáng)度測試。

圖5 叉舉測試

通過該測試用來模擬貨叉叉舉作業(yè)過程中各款塑料圍板箱底盤能承受的最大值，并進(jìn)行記錄如表2?？紤]高度為1000 mm 的塑料圍板箱包裝在實(shí)際叉車裝卸過程，會出現(xiàn)堆垛2 層一次性裝卸的可能，因此在叉舉測試中評估其單箱內(nèi)裝物重量區(qū)間時，因?qū)⒔Y(jié)果值再除以2。

表3 各款塑料圍板箱內(nèi)裝貨物重量安全值參考

通過兩項(xiàng)測試，塑料圍板箱的合理內(nèi)裝物承載重量因以叉舉測試和空箱抗壓兩項(xiàng)數(shù)值中最小的一項(xiàng)作為主要選取依據(jù)，因此總結(jié)如表3。

就受力情況分析，由于塑料圍板箱是一個三部分組合而成的容器，壁板更多的是在承擔(dān)力的傳遞作用，底托盤的性能和受力面積對塑料圍板箱的整體性能影響相對更大。

結(jié)語

目前，在大型循環(huán)包裝箱類型中，由于塑料圍板箱相對金屬箱和木箱而言，具有較大的自重優(yōu)勢，隨著生產(chǎn)成本的下降，對于貨物重量較輕的循環(huán)物流包裝容器選用上仍然具有較高的綜合優(yōu)勢，而不同底部托盤生產(chǎn)工藝不同其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有所不同，回收條件下空箱的折疊比仍然有一定的差異，需要綜合塑料圍板箱實(shí)際需求的應(yīng)用場景進(jìn)行合適的選擇。

但作為反復(fù)使用的容器，圍板箱的分離式結(jié)構(gòu)對于實(shí)際運(yùn)行管理上，特別是空箱回收后的匹配及數(shù)量核對上仍然有很大的阻礙，而且當(dāng)前國內(nèi)物流環(huán)境仍然有待改善，叉車野蠻裝卸導(dǎo)致的破損較容易發(fā)生，而塑料制品受光老化和溫度老化后對循環(huán)利用的次數(shù)影響仍然存在，并且塑料圍板箱報(bào)廢后廢舊塑料的材料回收利用還存在一定挑戰(zhàn)，存在一定再污染的風(fēng)險。