一種替代木托盤(pán)的紙滑板特性與應(yīng)用壽命的研究

■文/張惠忠，范 唯，劉 楊

（1.達(dá)成包裝制品（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215155；2.連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

紙滑板又稱(chēng)紙滑托盤(pán)，是近年來(lái)在西方國(guó)家工業(yè)領(lǐng)域興起的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。它以紙代木，綠色減排，體積小，成本低，是很有潛力的傳統(tǒng)木托盤(pán)的替代品。其核心技術(shù)應(yīng)具備以下要素：紙滑板可與安裝在普通叉車(chē)上的專(zhuān)用推拉器（見(jiàn)圖1，目前國(guó)內(nèi)已有專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠）配合使用；紙滑板的拉邊要有足夠的抗撕裂強(qiáng)度（涉及使用壽命與成本）；紙滑板須經(jīng)模切加工，使其拉邊定型，始終呈30°翹起（見(jiàn)圖2），以便叉車(chē)正常操作；紙滑板的下面（與地面接觸的面）應(yīng)有防水功能（見(jiàn)圖2）；紙滑板的上面（與貨物接觸的面）必須要有防滑功能，以防推拉時(shí)貨物與紙滑板發(fā)生移動(dòng)錯(cuò)位（見(jiàn)圖3）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)型推拉器

圖2 紙滑板示意圖

圖3 貨物與紙滑板移動(dòng)錯(cuò)位

紙滑板的工作原理如下：

（1）裝有推拉器的叉車(chē)兩腳前行到紙滑板的拉邊下方（見(jiàn)圖4）；

（2）推拉器上的壓板下移，將拉邊壓緊（見(jiàn)圖5）；

（3）推拉器收縮后退，將整托貨物全部移至叉車(chē)叉腳上（見(jiàn)圖6）；

（4）叉車(chē)上提后即可正常搬運(yùn)貨物；

（5）卸貨時(shí)，其作業(yè)與上述流程相反。

圖4 推拉器至拉邊下方

圖5 壓緊拉邊

圖6 貨物移至叉車(chē)上

常用紙滑板均由高克重牛皮紙復(fù)合而成，本文研制的紙滑板由進(jìn)口全木漿（440 g/m2＋440 g/m2）復(fù)合，總厚度為0.9 mm；實(shí)施防滑、防潮等特殊工序處理，以提高其表面摩擦系數(shù)，以及抗?jié)裥院涂顾毫研浴Ｔ摷埢宸浅＿m合于集裝箱、貨車(chē)運(yùn)輸以及倉(cāng)庫(kù)內(nèi)周轉(zhuǎn)，可廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域與行業(yè)[1]。這種環(huán)保材料可100%回收再利用[2]。

紙滑板的品種較多（見(jiàn)圖7），但生產(chǎn)上常用的是C型，一般拉邊寬度為100 mm（B型是寬體型）。

一般來(lái)說(shuō)，紙滑板的耐用性由其在實(shí)際應(yīng)用中的使用次數(shù)所決定，而影響紙滑板使用次數(shù)的因素有很多，最主要是拉邊破損和撕裂失效，其次是紙滑板的表面防水性能、防滑層的涂布量、箱紙板復(fù)合的纖維方向、實(shí)際搬運(yùn)中的載重量，以及使用場(chǎng)合地面的粗糙度即摩擦系數(shù)等。目前紙滑板無(wú)實(shí)際周轉(zhuǎn)中的耐用性數(shù)據(jù)，企業(yè)對(duì)紙滑板用于出口的一次性使用皆無(wú)疑義，但能否像傳統(tǒng)木托盤(pán)和塑料托盤(pán)一樣反復(fù)使用則廣泛存有懷疑。為此，本文針對(duì)紙滑板的耐用性及其影響因素進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)和分析。

圖7 紙滑板的品種

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 對(duì) 象

托盤(pán)的使用尺寸在歐洲、美洲和亞洲各不相同。根據(jù)GB/T 2934－2007《聯(lián)運(yùn)通用平托盤(pán) 主要尺寸及公差》的相關(guān)規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)選用載面尺寸為1 100 mm×1 100 mm的紙滑板。根據(jù)GB/T 4892－2008《硬質(zhì)直方體運(yùn)輸包裝尺寸系列》和GB/T 15233－2008《包裝 單元貨物尺寸》的規(guī)定，選用尺寸為366 mm×366 mm×366 mm的紙箱，用于紙滑板上堆碼裝擬載重物；選擇底面3×3的堆碼方式，堆碼層數(shù)視載重量而定。

1.2 方 法

1.2.1 涂布量

為了適應(yīng)潮濕的地面，繼而提高紙滑板在周轉(zhuǎn)中的耐用性能，可在紙滑板與地面接觸的一面涂布防水涂料。為了增加紙滑板表面的摩擦系數(shù)，從而提高包裝件與紙滑板間的摩擦力，使包裝件在搬運(yùn)途中不易錯(cuò)位、更加穩(wěn)定，可在紙滑板與包裝件接觸的一面涂布防滑涂料。

紙滑板與地面的摩擦力越小，紙滑板的磨損就越小，也就更耐用。紙滑板與包裝件的摩擦力越大，包裝件的相對(duì)滑動(dòng)就越小，紙滑板也就更耐用。通過(guò)分析在不同涂布量情況下不同摩擦副的摩擦系數(shù)，可以確定不同摩擦副的最佳涂布量。實(shí)驗(yàn)中防水涂布量分別設(shè)定為0 g/m2、42 g/m2和76 g/m2，防滑涂布量分別設(shè)定為0 g/m2、26 g/m2和64 g/m2。其測(cè)試原理如下。

兩實(shí)驗(yàn)體表面平放在一起，在一定接觸壓力的作用下，兩者相對(duì)移動(dòng)，記錄所需的力[3]。

（1）靜摩擦力：兩接觸體表面在相對(duì)移動(dòng)開(kāi)始時(shí)的最大阻力，記為fs，按式（1）計(jì)算。

式中：fs表示靜摩擦力，μs表示靜摩擦系數(shù)，F(xiàn)p表示法向力。

（2）動(dòng)摩擦力：兩接觸體表面以一定速度相對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力，記為Fd，按式（2）計(jì)算。

式中：Fd表示動(dòng)摩擦力，μd表示動(dòng)摩擦系數(shù)，F(xiàn)p表示法向力。

假設(shè)防水涂布面與地面間的摩擦副簡(jiǎn)稱(chēng)為A組，防滑涂布面與包裝件間的摩擦副簡(jiǎn)稱(chēng)為B組，參考JTG D 40－2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和GBJ 97－1987《水泥混凝土路面施工及驗(yàn)收規(guī)范》，將水泥、砂和水按照1∶3∶0.6的比例混合，制成的面積大于8 cm×20 cm的水泥路面樣本。

1.2.2 載重量

紙滑板在被推拉移動(dòng)時(shí)所受力的情況如圖8、圖9所示。根據(jù)力學(xué)公式：

式中：F表示推拉力，f表示摩擦力，μ表示摩擦系數(shù)，G表示重量，m表示質(zhì)量，g表示重力加速度。

摩擦系數(shù)μ不變，g為定值，貨物的質(zhì)量m越大，推拉力F越大，摩擦力f也隨之增加，推拉邊就更容易被拉斷，同時(shí)還會(huì)加劇紙滑板下表面的磨損。因此，貨物的質(zhì)量對(duì)紙滑板的使用次數(shù)產(chǎn)生重要影響。

紙滑板應(yīng)用范圍廣泛。一般來(lái)說(shuō)，電子、食品行業(yè)的包裝件較輕，每只托盤(pán)質(zhì)量約為500 kg；化工、汽車(chē)行業(yè)的包裝件較重，每只托盤(pán)質(zhì)量約為1 800 kg。因此，對(duì)于載重量的影響，主要是研究在托盤(pán)質(zhì)量分別為500 kg和1 800 kg兩種載重條件下，同向粘合、十字粘合的紙滑板在環(huán)氧地坪上的使用次數(shù)。

圖8 0.5 t試驗(yàn)載重物示意圖

圖9 1.8 t試驗(yàn)載重物示意圖

1.2.3 箱紙板的纖維方向

紙滑板是由兩張高克重箱板紙復(fù)合而成。箱紙板中的纖維具有方向性（俗稱(chēng)“紙紋”），不同的復(fù)合方向造成了紙滑板不同的纖維方向。本文選擇兩種纖維方向的紙張，一種是同向粘合，另一種是十字粘合，在載重量為500 kg的情況下，分析比較兩種結(jié)構(gòu)的紙滑板在水泥地面和環(huán)氧地坪地面上的使用次數(shù)。

1.2.4 摩擦系數(shù)

紙滑板與地面形成一對(duì)摩擦副，地面材質(zhì)不同，摩擦系數(shù)也就不同，客戶(hù)倉(cāng)庫(kù)的地面材質(zhì)各不相同，所形成的摩擦副也就具有不同的摩擦系數(shù)。倉(cāng)庫(kù)的地面材質(zhì)主要是環(huán)氧地坪涂料和水泥，試驗(yàn)分析同向粘合的紙滑板在載重量為1 800 kg的情況下的磨損情況，旨在研究這兩種材質(zhì)的摩擦系數(shù)對(duì)紙滑板耐用性的影響。按照GB/T 10739－2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件》的規(guī)定，測(cè)試前所有測(cè)試樣本須在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，即在溫度為23±1℃、相對(duì)濕度為50%±2%的條件下進(jìn)行預(yù)處理。每組的測(cè)試樣本數(shù)為4件。

1.3 測(cè)試指標(biāo)

紙滑板的耐用性由其在實(shí)際周轉(zhuǎn)過(guò)程中的使用次數(shù)所決定，因此可以用推拉器模擬的推拉次數(shù)來(lái)表征紙滑板的耐用性能。以使用次數(shù)作為指標(biāo)可以分析探究不同影響因素對(duì)紙滑板耐用性能的影響。本項(xiàng)研究在計(jì)數(shù)上規(guī)定，推拉器對(duì)載有一定重量包裝件的紙滑板完成一夾、一拉（裝載）、一提、一推（卸載）動(dòng)作視為1次。實(shí)驗(yàn)時(shí)紙滑板被放置在特定位置，其上堆碼具有一定質(zhì)量的模擬貨物，裝有推拉器的叉車(chē)停在紙滑板一側(cè)，以4.91 cm/s的速度進(jìn)行重復(fù)推拉實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂布量對(duì)耐用性能的影響

將防滑劑和防水劑按不同涂布量分別涂布在瓦楞紙箱表面和水泥地面，在相同載重量的情況下，測(cè)定兩種摩擦副對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)，結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 防滑劑涂布量與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖

圖11 防水劑涂布量與摩擦系數(shù)的關(guān)系圖

如圖10所示，涂布防滑劑的樣品與實(shí)驗(yàn)用的瓦楞紙箱表面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“A組摩擦副”）的摩擦系數(shù)隨著涂布量的增大而增大。如圖11所示，涂布防水劑的樣品與水泥地面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“B組摩擦副”）的摩擦系數(shù)隨著涂布量的增大，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

根據(jù)實(shí)際使用需求，紙滑板上表面的摩擦系數(shù)越大越好，下表面的摩擦系數(shù)越小越好。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著防滑劑用量的增加，A組摩擦系數(shù)的增長(zhǎng)也變得緩慢，以美國(guó)進(jìn)口麥可門(mén)防滑劑為例，其涂布量為24 g/m2，且涂布1層為最佳。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，防水劑的用量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致涂層過(guò)厚，這不僅不利于涂料吸附在紙滑板的表面，而且使涂布后的表面凹凸不平；涂布量過(guò)多，還會(huì)使紙滑板變?nèi)彳?。以美?guó)進(jìn)口麥可門(mén)防水劑為例，其涂布量為42 g/m2，且涂布1層為最佳。

2.2 載重量對(duì)耐用性能的影響

載重量為500 kg和1 800 kg，分別利用同向粘合的紙滑板和十字粘合的紙滑板在環(huán)氧地坪上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，使用次數(shù)的數(shù)據(jù)如圖12、13所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同向粘合紙滑板的使用壽命在載重量為500 kg情況下達(dá)到230次，在載重量為1 800 kg情況下約為38次；十字粘合紙滑板的使用壽命在載重量為500 kg情況下達(dá)到1 085次，在載重量為1 800 kg情況下約為57次。由此可見(jiàn)，載重量對(duì)紙滑板的壽命有很大影響，載重量為500 kg時(shí)紙滑板的使用壽命遠(yuǎn)高于載重量為1 800 kg時(shí)的壽命。

2.3 纖維方向?qū)δ陀眯阅艿挠绊?/h3>

圖12 同向粘合樣品的使用次數(shù)

圖13 十字粘合樣品的使用次數(shù)

對(duì)于同向粘合的紙滑板而言，縱向拉伸會(huì)降低其纖維本身的強(qiáng)度，而橫向拉伸主要削弱纖維間的結(jié)合強(qiáng)度。對(duì)于十字粘合的紙滑板而言，拉伸會(huì)同時(shí)破壞這兩種強(qiáng)度且占比一樣，因而抗張強(qiáng)度介于縱向和橫向之間。在拉伸過(guò)程中，與受力方向平行的纖維的數(shù)目：同向粘合紙滑板的縱向方向>十字粘合紙滑板>同向粘合紙滑板橫向方向。

由圖14、圖15可知，在水泥地面上，同向粘合紙滑板的壽命（57次）要高于十字粘合紙滑板（50次），但數(shù)值比較接近；在環(huán)氧地坪上，十字粘合紙滑板的壽命（1 085次）要遠(yuǎn)高于同向粘合紙滑板（230次），接近于5倍。究其原因：一是水泥地面粗糙，導(dǎo)致紙滑板表面磨損嚴(yán)重，紙滑板使用次數(shù)較少，通常一側(cè)推拉邊損壞時(shí)紙滑板就已經(jīng)完全報(bào)廢，另一側(cè)的推拉邊還沒(méi)來(lái)得及使用，這相當(dāng)于用同向粘合紙滑板的縱向與十字粘合紙滑板比較；二是環(huán)氧地坪地面光滑，紙滑板的使用次數(shù)取決于兩側(cè)推拉邊的牢度?？傊终澈蠘悠穬蓚?cè)推拉邊拉伸次數(shù)之和>同向粘合樣品的縱向推拉邊的拉伸次數(shù)＋橫向推拉邊的拉伸次數(shù)。

圖14 紙滑板在水泥地面的使用次數(shù)

圖15 紙滑板在環(huán)氧地坪的使用次數(shù)

2.4 摩擦系數(shù)對(duì)耐用性能的影響

在相同載重量（1 800 kg）和最佳涂布量的情況下，樣品在水泥地面和環(huán)氧地坪進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同摩擦副的使用次數(shù)

從圖16中可以明顯看出，樣品在環(huán)氧地坪上的使用壽命為38次，而在水泥地面上的使用壽命僅為3次，使用場(chǎng)地對(duì)紙滑板的使用壽命產(chǎn)生很大影響，在其他條件不變的情況下，紙滑板的使用壽命在環(huán)氧地坪上遠(yuǎn)高于在水泥地面上。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

木托盤(pán)與塑料托盤(pán)的費(fèi)用如表1所示[4]。自1998年起，美國(guó)和歐盟相繼對(duì)中國(guó)出口用木制托盤(pán)發(fā)出禁令：木托盤(pán)須經(jīng)熏蒸等方法處理后方可出口，使用后的出口托盤(pán)須由承運(yùn)商負(fù)責(zé)運(yùn)走或作銷(xiāo)毀處理[5-6]。熏蒸一般需要48 h，費(fèi)用約為成本的20%，且所用藥劑（如溴化鉀醇等）為有害制劑。紙滑板的成本為90美分～2美元/張，是木托盤(pán)的10%，塑料托盤(pán)的5%。

表1 各種托盤(pán)單個(gè)產(chǎn)品比較

從投資上看，使用紙滑板只需購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)推拉器（市場(chǎng)價(jià)約為8萬(wàn)元）并安裝在現(xiàn)有叉車(chē)上即可，且為一次性投資。假設(shè)公司托盤(pán)的采購(gòu)量為500片/月，換成紙滑板，可每月最低節(jié)省4萬(wàn)元，2個(gè)月后即可收回添置推拉器的成本，并且以后每年都可以節(jié)約48萬(wàn)元。

從空間占用率上看，紙滑板厚度約1 mm，1 000張紙滑板約占1 m3，倉(cāng)儲(chǔ)空間占用率小，為木托盤(pán)的1%，可節(jié)約大量倉(cāng)儲(chǔ)和周轉(zhuǎn)資金。目前國(guó)內(nèi)已有少部分企業(yè)用紙滑板替代木托盤(pán)進(jìn)行裝卸，如圖17所示。

圖17 國(guó)內(nèi)實(shí)際物流中的應(yīng)用

3 結(jié) 論

涂布最佳定量的防水涂料可明顯減少紙滑板與地面的摩擦力，涂布防滑涂料可有效提高紙滑板與包裝件的摩擦力，從而提高使用次數(shù)。在環(huán)氧地坪上，同向粘合紙滑板在載重量為500 kg的情況下可使用230次，在載重量為1 800 kg的情況下只能使用38次；十字粘合紙滑板在載重量為500 kg的情況下可使用1 085次，在載重量為1 800 kg的情況下只能使用57次。在相同條件下，同向粘合紙滑板在水泥地面上最多可使用3次。

同向粘合紙滑板在環(huán)氧地坪上載重500 kg貨物的耐用性是載重1 800 kg貨物的6倍，十字粘合紙滑板在環(huán)氧地坪上載重500 kg貨物的耐用性是載重1 800 kg貨物的18倍。同向粘合紙滑板載重1 800 kg貨物在環(huán)氧地面上的耐用性是在水泥地面上的12倍。因此，在環(huán)氧地面的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，載重500 kg貨物，選用十字粘合紙滑板可達(dá)到最佳耐用性能。

本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)深入研究紙滑板的耐用性能和成本優(yōu)勢(shì)，以及其在貨物運(yùn)輸和企業(yè)內(nèi)部周轉(zhuǎn)等方面的應(yīng)用特點(diǎn)。本項(xiàng)研究不僅為相關(guān)企業(yè)節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益提供解決方案，還有助于紙滑板在國(guó)內(nèi)取得更多的市場(chǎng)份額。