落地式柜機(jī)空調(diào)包裝用蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)與性能研究

熊立貴

（廣東理工職業(yè)學(xué)院）

隨著中國(guó)產(chǎn)品出口量不斷增大，美國(guó)、歐盟等國(guó)家對(duì)中國(guó)原木包裝提出了嚴(yán)格的熏蒸檢疫要求，應(yīng)用木質(zhì)包裝不僅出口程序繁瑣，還大大的增加產(chǎn)品成本。中國(guó)空調(diào)產(chǎn)品出口量大，80%空調(diào)生產(chǎn)制造商在中國(guó)，如:TCL空調(diào)、美的空調(diào)、格力空調(diào)、志高空調(diào)等公司，為了與國(guó)際要求接軌，產(chǎn)品內(nèi)包裝結(jié)構(gòu)都采用蜂窩紙板替代泡沫、木架等包裝材料，這樣不僅降低了包裝成本，提高了公司的產(chǎn)品形象，更有利于保護(hù)環(huán)境[1]。

目前市面上的家電產(chǎn)品大都處于用泡沫作為內(nèi)緩沖包裝材料，泡沫材料（EPS）不容易降解，現(xiàn)在小河及垃圾堆里隨處可見，形成大自然的白色污染。然而采用蜂窩紙等紙品作為內(nèi)緩沖材料為包裝內(nèi)結(jié)構(gòu)，有利于保護(hù)環(huán)境，給子孫后代留一片綠洲。因此在全球提出保護(hù)環(huán)境的條件下，包裝作為保護(hù)產(chǎn)品在銷售運(yùn)輸過程后，產(chǎn)品到達(dá)用戶手中后就失去意義的丟棄物，首先考慮應(yīng)用環(huán)保包裝材料，是每個(gè)優(yōu)秀的包裝設(shè)計(jì)師都應(yīng)思考的問題。在包裝內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)師要有一個(gè)包裝設(shè)計(jì)理念，就是在包裝保護(hù)好產(chǎn)品的前提下，選好包裝材料、用好包裝材料，不能出現(xiàn)過渡用村料的包裝設(shè)計(jì)[2]。

1. 蜂窩紙板材料

蜂窩紙板由面紙、芯紙并通過膠粘而形成的正六邊形，外形像蜂窩狀，是一種具有緩沖性能較好的環(huán)保材料。落地式柜機(jī)空調(diào)包裝用蜂窩紙板作為內(nèi)緩沖結(jié)構(gòu)，其規(guī)格：蜂窩紙芯的蜂窩邊長(zhǎng)8 mm，蜂窩紙板厚度30 mm，蜂窩面紙克重250 g/m2,蜂窩芯紙克重140 g/m2，蜂窩紙板容重0.0378 g/cm3，蜂窩紙板的含水率為12±3%，平壓強(qiáng)度180-200 kpa,靜態(tài)彎曲強(qiáng)度95 mN.m。蜂窩紙板作為緩沖材料主要是蜂窩狀的芯紙結(jié)構(gòu)，支撐受力、緩沖形變、抗彎曲等因素有關(guān)，芯紙材料要考慮其克重及孔徑以及蜂窩狀的高度。芯紙蜂窩狀的高度及孔徑大小直接影響平壓強(qiáng)度和緩沖吸收能量[3]，其影響見圖1。

圖2. 蜂窩紙板生產(chǎn)工藝流程Fig 2. Honeycomb production process

蜂窩紙板外形結(jié)構(gòu)就是類似自然界蜂做成的窩巢結(jié)構(gòu)原理加工而成的，其制作工藝也是通過八角設(shè)備把瓦楞原紙采用被糊化的膠粘住，且此膠不易發(fā)霉，粘接性能好，最后形成正六邊立體形狀，其制作工藝見圖2。

2. 蜂窩紙板平壓強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)QT-TK-01.03《蜂窩紙板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，取140×140 mm蜂窩紙板樣件，平放在壓力試驗(yàn)機(jī)兩塊工裝板中間，垂直樣品表面加壓直至蜂窩芯破壞，讀取蜂窩紙板樣所能承受的最大壓力。每個(gè)樣件取3處樣品進(jìn)行測(cè)試，取平均值。

計(jì)算公式：P=Fmax/S

式中：P——平壓強(qiáng)度，kPa；Fmax——最大施壓力，N；S——受力面積，mm2。

注：樣件需在溫度70±2℃的烘箱中烘4 h，樣件由烘箱中取出后應(yīng)馬上放入塑料袋中，避免重新吸潮，要實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量避免樣件直接暴露空氣中。

蜂窩紙板厚度不等，其平壓強(qiáng)度值不同，下表1是蜂窩紙板平壓強(qiáng)度參考值。

表1 蜂窩紙板平壓強(qiáng)度 單位：kpaTab1 Honeycomb flat crush strength Unit：kpa

3. 蜂窩紙板靜態(tài)彎曲強(qiáng)度測(cè)試

依據(jù)ISO 5628《紙和紙板 彎曲強(qiáng)度靜態(tài)測(cè)定法 一般原則》進(jìn)行測(cè)定，采用三點(diǎn)加荷法，試樣長(zhǎng)度為250 mm，試樣寬度為50 mm，加載速度為15 mm/ min，兩點(diǎn)之間距離為180 mm。

計(jì)算公式：S=FL3/（48bd）

式中：S——彎曲強(qiáng)度，mN.m；F——彎曲力，N；L——試驗(yàn)彎曲長(zhǎng)度，mm；b——試驗(yàn)寬度，mm；d——撓度值，mm。

注：樣件需在溫度70±2℃的烘箱中烘4 h，樣件由烘箱中取出后應(yīng)馬上放入塑料袋中，避免重新吸潮，在試驗(yàn)中應(yīng)盡量避免樣件直接暴露空氣中[4]。

表2 蜂窩紙板靜態(tài)彎曲強(qiáng)度 單位：mN.mTab2. Honeycomb static bending strength Unit：mN.m

4. 柜式空調(diào)包裝用蜂窩紙板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

落地式柜機(jī)空調(diào)的重量比較重，市面上銷售型號(hào)一般為2P、3P、5P，其面板是由塑料或鋼化玻璃結(jié)構(gòu)組成，容易損壞或破碎。設(shè)計(jì)此包裝結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮：外形為長(zhǎng)方體且底腳會(huì)偏大，立式放置才能平穩(wěn)。無論是立式包裝結(jié)構(gòu)還是臥式包裝結(jié)構(gòu)，都要考慮運(yùn)輸搬運(yùn)情況，特別是臥式包裝還分為平放和側(cè)放兩種情況。在搬運(yùn)堆放時(shí)，工人都會(huì)平的堆碼形式入倉，這樣就應(yīng)優(yōu)先考慮臥式包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是臥式放置包裝有兩種情況：a. 側(cè)放時(shí)柜機(jī)的鈑金容易出現(xiàn)變形；b. 臥式平放時(shí)面板的寬度較大需要克服堆碼及在搬運(yùn)過程中腳踩受力情況。

現(xiàn)TCL空調(diào)的柜式空調(diào)由于搬運(yùn)及堆放存在很多問題，見下圖3：

圖3. 產(chǎn)品包裝搬運(yùn)、堆放問題Fig 3. Product packaging handling, stacking problems

本文研究的落地式柜機(jī)空調(diào)內(nèi)包裝采用全紙蜂窩板作為襯墊式包裝設(shè)計(jì)方案。落地式柜機(jī)產(chǎn)品自身的結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)方體，需考慮到包裝的打包方式、包裝成本、蜂窩板結(jié)構(gòu)包裝加工工藝以及內(nèi)包裝保護(hù)等因素，因此采用左、右蜂窩盒和中U支撐結(jié)構(gòu)、上蓋板、下墊板式結(jié)構(gòu)形式（見下圖）。

圖4. 內(nèi)包裝組裝圖Fig4. Packaging assembly diagram

圖5. 內(nèi)包裝零件圖Fig 5. Packaging parts diagram

另外，為增加內(nèi)蜂窩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，上蓋及下墊結(jié)構(gòu)蜂窩兩側(cè)加粘紙護(hù)角框架，左右箱、中蜂窩箱增加堆碼強(qiáng)度也在箱周邊加粘紙護(hù)角；另考慮空調(diào)產(chǎn)品本身局部的受力強(qiáng)度，其強(qiáng)度較好的地方可以直接接觸蜂窩板，比較弱的部位需避開直接接觸蜂窩紙板，這樣可以降低產(chǎn)品損壞。

5. 側(cè)壓和平壓性能測(cè)試分析

表3 不同厚度的蜂窩紙板側(cè)壓載荷和平壓載荷測(cè)試值Tab3. Honeycomb different thicknesses maximum load pressure side pressure time peace

為了既能保護(hù)好柜機(jī)產(chǎn)品，又能降低蜂窩紙板用料，現(xiàn)分別取30 mm、25 mm、20 mm厚度及長(zhǎng)寬尺寸和蜂窩內(nèi)徑相同樣板，分別進(jìn)行側(cè)壓和平壓性能測(cè)試。

通過上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出不同厚度的蜂窩紙板受力對(duì)比圖。從圖6可以看出，蜂窩紙厚度越小其平壓強(qiáng)度就較強(qiáng)，因此平壓強(qiáng)度與厚度有一定的影響關(guān)系。厚度對(duì)蜂窩板側(cè)壓載荷關(guān)系影響不大，主要是由于上、下兩面所粘的牛卡紙所決定，因此在側(cè)壓力有要求時(shí)，可以考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用紙護(hù)角作為支撐受力。

圖6. 不同厚度的蜂窩紙板受力對(duì)比圖Fig 6. different thickness of honeycomb force comparison chart

落地式柜機(jī)的質(zhì)量較重，為了提高包裝結(jié)構(gòu)對(duì)其側(cè)壓力加大，現(xiàn)在采用雙粘式蜂窩結(jié)構(gòu)，即在蜂窩紙板內(nèi)側(cè)再粘一塊蜂窩板（見圖5），對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，兩種材料抗壓受力對(duì)比結(jié)果見圖7。

圖7. 兩種材料抗壓受力對(duì)比Fig7. the two materials contrast compressive force diagram

通過測(cè)試，粘后的復(fù)合紙板結(jié)構(gòu)明顯載荷增加了近一倍，復(fù)合蜂窩紙板載荷力為324N，這樣可以彌補(bǔ)單層蜂窩紙板的載荷力。

為了充分驗(yàn)證落地式柜機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的蜂窩包裝結(jié)構(gòu)是否合理，采用模擬運(yùn)輸進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。由于此產(chǎn)品質(zhì)量較重（約50 kg），體積較大，一個(gè)人比較難搬運(yùn)，需兩個(gè)人同時(shí)搬運(yùn)，這樣操作兩人放置時(shí)不同步導(dǎo)致一端出現(xiàn)跌落情況，因此進(jìn)一步跌落測(cè)試驗(yàn)證。按照跌落標(biāo)準(zhǔn)，不同質(zhì)量的產(chǎn)品的面、棱、角跌落的高度要求不同，具體要求見下表。面跌落時(shí)，產(chǎn)品的包裝跌落面與水平面之間的夾角誤差最大不超過2°。

表4 產(chǎn)品質(zhì)量不同對(duì)應(yīng)跌落高度要求Tab 4. Different product weight corresponding to the drop height

圖8. 柜機(jī)緩沖包裝測(cè)試情況Fig 8. product cushioning packaging test case

落地式室內(nèi)空調(diào)產(chǎn)品根據(jù)上表格對(duì)應(yīng)質(zhì)量要求分別進(jìn)行面、角、棱跌落測(cè)試，50 kg的質(zhì)量的面跌落高度為400 mm，棱跌落高度為350 mm，角跌落高度為300 mm的測(cè)試要求。測(cè)試它們垂直最大的加速度的破損度狀態(tài)，結(jié)果見上圖。下為跌落時(shí)的加速度曲線圖，從圖9可以看出為半正弦波。

圖11. 包裝平面跌落時(shí)加速度的響應(yīng)Fig11. response package plane fall acceleration

測(cè)試驗(yàn)證后得出：跌落時(shí)的加速度峰值約50 g，其峰值受跌落加速影響不大，但緩沖跌落出現(xiàn)的破損度不相同，面、角、棱在跌落時(shí)的損壞程度相差較大，面受力接觸點(diǎn)較大，它的損壞程度就相對(duì)偏小，角和棱受力面積較小，損壞程度就偏大。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在柜機(jī)包裝緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)棱及角的保護(hù)就需要增加紙護(hù)角，增加其沖擊力。因此在采用蜂窩紙板作為包裝緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，與紙護(hù)角配合使用，設(shè)計(jì)的內(nèi)緩沖包裝結(jié)構(gòu)有利于保護(hù)好產(chǎn)品。

6. 結(jié)語

落地柜式空調(diào)產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)采用蜂窩材料，不僅可以保護(hù)好產(chǎn)品，而且可以替代木質(zhì)材料包裝，減少森林砍伐，有利于保護(hù)環(huán)境。通過設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證得出：蜂窩紙板的側(cè)平壓力承載力較弱，可以采用紙護(hù)角或與瓦楞紙復(fù)合、雙層蜂窩紙板一起使用，增強(qiáng)其承壓的不足，使蜂窩紙板能得到更廣泛的推廣應(yīng)用。蜂窩包裝結(jié)構(gòu)便于加工成型、省材料，成本低，材料自身質(zhì)量較輕等特點(diǎn)，更能適合用于體積大、質(zhì)量大的產(chǎn)品包裝結(jié)構(gòu)。但是蜂窩紙板作為內(nèi)緩沖材料的缺陷是容易受潮變形，生產(chǎn)加工時(shí)大都采用人工作業(yè)完成。