20世紀(jì)末21世紀(jì)初，在包裝業(yè)界有一個(gè)比較熱門的關(guān)鍵詞——紙蜂窩。從它被發(fā)明到開始廣泛應(yīng)用，歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程。隨著人類環(huán)保意識日益覺醒，地球可持續(xù)發(fā)展需求的日趨迫切，紙蜂窩制品也因其本身的環(huán)保特性而逐漸受到廠商親睞。本文擬結(jié)合筆者從事包裝設(shè)計(jì)開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)劶埛涓C在運(yùn)輸包裝中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要領(lǐng)，以期達(dá)到拋磚引玉的效果。

一、概述

    蜂窩材料因仿生于蜜蜂的居住巢穴而得名。連續(xù)的六邊形結(jié)構(gòu)使蜂巢穩(wěn)固而堅(jiān)實(shí)，具有高平壓強(qiáng)度、輕質(zhì)量等特征。相應(yīng)的，蜂窩仿生結(jié)構(gòu)具有緩沖、減震、隔熱、隔音等特性，被廣泛用于人類生活、科技的各個(gè)方面，如緩沖包裝、貨運(yùn)容器、航空航天、建筑隔墻、裝飾隔間、辦公桌椅等等。

二、物料性能

    要談紙蜂窩制品的設(shè)計(jì)，就必然要談到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因?yàn)榧埛涓C制品的應(yīng)用推廣正是基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。蜂窩紙板由多排并列的連續(xù)六邊形紙結(jié)構(gòu)組成，單個(gè)蜂孔具有紙質(zhì)的外壁，六邊形的兩個(gè)端面用紙或其它材質(zhì)的薄材閉合，形成一個(gè)個(gè)封閉的氣室。由于紙蜂窩制品的組成成分復(fù)雜，包括植物纖維、粘合劑、空氣等，因此其性能復(fù)雜。

    1.物理性能

    紙蜂窩板的緩沖耗能主要集中在兩個(gè)方面：基材耗能和蜂窩中的氣體耗能。

    （1）基材緩沖耗能
    構(gòu)成紙蜂窩板的基材為紙纖維，主要成分是高分子材料，因此紙蜂窩板具有典型高分子材料所具備的基本粘彈性，呈現(xiàn)出非線性包裝力學(xué)特點(diǎn)。當(dāng)它產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變時(shí)，部分能量可以貯存起來，另一部分能量則被轉(zhuǎn)化成熱能而被耗散掉。從微觀上分析其耗能特性：當(dāng)它受到外力時(shí)，一方面分子鏈可以變形，另一方面會(huì)產(chǎn)生分子鏈的滑移；當(dāng)除去外力后，變形的分子鏈要恢復(fù)原位，釋放外力所作的功，但分子鏈不能*恢復(fù)原位，會(huì)產(chǎn)生一定的*變形，這一部分做的功變?yōu)闊崮埽纳⒃谥車沫h(huán)境中。

    （2）氣體緩沖耗能
    紙蜂窩板的固相成分雖然都是高分子有機(jī)物，但其力學(xué)特性與聚合物有一定的區(qū)別，主要是因?yàn)樵诩埛涓C板中氣體占有絕大部分體積，對其特性存在較大的影響。當(dāng)紙蜂窩板受壓時(shí)，閉合蜂孔中的氣體被壓縮，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，貯存能量，隨著壓力的進(jìn)一步增大，蜂窩中的氣體開始泄漏，形變增大，損耗能量。

    2.力學(xué)性能

    紙蜂窩板緩沖力學(xué)的主要特性如下：
    （1）紙蜂窩板具有類似于發(fā)泡塑料的力學(xué)特性，具有顯著的粘性和塑性，是一種優(yōu)良的綠色緩沖包裝材料；
    （2）紙蜂窩板的平壓強(qiáng)度隨孔徑的增加而降低，而當(dāng)厚度高于一個(gè)臨界值后，隨厚度的增加而增強(qiáng)（如圖1）；
    （3）紙蜂窩板的緩沖性能受厚度影響不大，與孔徑大小有關(guān)（如圖2）；
    （4）紙蜂窩板的并置能降低緩沖系數(shù)，提高緩沖性能，而疊置則能增加平壓強(qiáng)度，提高抗沖擊性能。

    3.化學(xué)性能

    （1）因?yàn)榧埛涓C板主要材料由紙質(zhì)纖維粘合而成，材料本身不具有抗潮抗?jié)裥阅埽匀绻a(chǎn)過程中使用了堿性粘合劑，那么在使用過程中它就會(huì)吸收環(huán)境中的水分。因此，在惡劣的環(huán)境下使用紙蜂窩板，其平壓強(qiáng)度和緩沖性能會(huì)有所降低。
    （2）排除惡劣環(huán)境的影響，在正常狀態(tài)下，紙蜂窩板也具有較高的固狀穩(wěn)定性。

    4.加工性能

    紙蜂窩板作為一種材料，它需要根據(jù)產(chǎn)品包裝需要而設(shè)計(jì)制作成不同的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到必要的緩沖作用。像一切板狀材料一樣，紙蜂窩板也具有較好的可加工性。歸納起來，它具有下列幾種加工方式：
    （1）模切　配合產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模切使其能更好地貼合產(chǎn)品外形。
    （2）預(yù)壓　通過預(yù)壓，使構(gòu)成蜂窩孔壁的紙張變形，從而降低紙蜂窩板的平壓強(qiáng)度，提高其緩沖性能。
    （3）粘合　紙質(zhì)材料具有良好的可粘性，通過膠粘劑的選用，可以和塑料、紙、木材、金屬等材料質(zhì)實(shí)現(xiàn)良好的粘接。
    （4）壓痕折彎　紙蜂窩板也可以像瓦楞紙板那樣進(jìn)行壓痕，改變其折疊方向。這種方式是通過使紙蜂窩板的局部壓潰實(shí)現(xiàn)的。它還有一種折彎方式，即去掉折彎部分多余的材料，再用粘合劑粘接成所需要的形狀。這種方式外形棱角充實(shí)規(guī)整，但對加工精度和細(xì)節(jié)要求較高。

    以上特性為紙蜂窩板應(yīng)用范圍、緩沖厚度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)作用。在進(jìn)行紙蜂窩緩沖制品的設(shè)計(jì)時(shí)，如果運(yùn)用得當(dāng)，不但可以有效提高襯墊的緩沖保護(hù)能力，避免其不利因素，而且可以簡化結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)材料成本。

 

三、紙蜂窩包裝制品的設(shè)計(jì)思路

    紙蜂窩包裝制品的設(shè)計(jì)主要從兩個(gè)方面來著手：其一，材料的適當(dāng)搭配；其二，結(jié)構(gòu)的適宜設(shè)計(jì)。

    1.材料

    組成紙蜂窩板的基本要素有三個(gè)：紙蜂窩芯、面紙、粘合劑。紙蜂窩芯的蜂格大小、紙定量、紙強(qiáng)度和厚度，無一不對其性能起著重要的作用；面紙則直接決定了紙蜂窩板的抗戳穿強(qiáng)度、環(huán)境耐受度，對平壓強(qiáng)度也有較大的影響；粘合劑將這二者粘接在一起，直接影響著產(chǎn)品的力學(xué)與物理機(jī)械性能。在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮被包裝產(chǎn)品的緩沖需求，將這三個(gè)要素協(xié)調(diào)地結(jié)合在一起。

    2.結(jié)構(gòu)

    紙蜂窩板有其*的優(yōu)點(diǎn)，但缺陷也很明顯，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)：
    （1）空間和載荷支撐能力優(yōu)于EPS或紙漿模塑制品，因此要求強(qiáng)度往往比要求緩沖容易得多；
    （2）復(fù)雜形狀及異面適應(yīng)能力差；
    （3）表面摩擦顯著，不利于對精細(xì)產(chǎn)品外觀的保護(hù)；
    （4）面戳穿能力差；
    （5）環(huán)境適應(yīng)能力有限。
    因此，在進(jìn)行蜂窩緩沖制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要工作就是揚(yáng)長避短，創(chuàng)新包裝方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能性和服務(wù)性的結(jié)合。

四、紙蜂窩包裝制品的應(yīng)用實(shí)例

    由于紙蜂窩板的特性，該材料被廣泛用于減輕材質(zhì)重量，減少不可循環(huán)再生材料用量，隔音、隔熱等方面，在包裝方面，則主要體現(xiàn)于取代木質(zhì)材料和發(fā)泡塑料材料兩個(gè)方面。下面列舉幾個(gè)比較普遍的應(yīng)用實(shí)例：

    1.蜂窩托盤的設(shè)計(jì)

    zui初的蜂窩托盤是針對木托盤而設(shè)計(jì)開發(fā)的，旨在減少對森林資源的耗損。對于自重較小的產(chǎn)品，直接使用紙蜂窩板制成蜂窩托盤即可，其結(jié)構(gòu)和材料較為簡單，一般為單層面板加底部支腳，能承受幾十到上百公斤的重量。而對于自重較大的產(chǎn)品，則需要通過紙蜂窩板的疊置，以及與其它材料（如瓦楞紙板、層板、塑料零件、紙型鋼類）的相互結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)其承載能力。

    （1）確定產(chǎn)品流通環(huán)境
    產(chǎn)品流通環(huán)境按運(yùn)輸渠道可分為陸地、海運(yùn)、空運(yùn)三種方式；按運(yùn)輸工具可分為火車、汽車、集裝箱、人工搬運(yùn)。

    在實(shí)際運(yùn)輸過程中，上述各流通方式都有交叉的地方，比如一個(gè)產(chǎn)品可能既要經(jīng)過陸運(yùn)，又要經(jīng)過空運(yùn)、海運(yùn)，在運(yùn)輸過程中，可能既使用了火車、汽車，又使用了集裝箱，等等。所以包裝要考慮的流通環(huán)境，是產(chǎn)品從生產(chǎn)廠到用戶家里這個(gè)過程中一個(gè)普遍的情況。

    （2）確定托盤外尺寸
    托盤外尺寸必須符合國標(biāo)GB/T4995-1996聯(lián)運(yùn)通用平托盤的性能要求，并根據(jù)貨物的運(yùn)輸方式，所裝載單個(gè)貨物或單元貨物的底面尺寸，計(jì)算*的托盤外尺寸及盤體尺寸。

    對于單個(gè)產(chǎn)品外尺寸較大的貨物，可直接根據(jù)其底面zui大外形尺寸確定托盤的長、寬方向外尺寸，但對于部件、零件等需進(jìn)行集合包裝的貨物，則需要根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)輸貨柜（或集裝箱）內(nèi)容量、產(chǎn)品體積等計(jì)算*單元集裝量，并由此確定托盤的zui大外形尺寸。

    而高度方向的尺寸，則根據(jù)運(yùn)輸工具（包括貨柜、運(yùn)輸車柜或集裝箱）內(nèi)高、產(chǎn)品整機(jī)的裝箱量，在一個(gè)較小的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。一般托盤的外高為120～140（mm）（對于托盤盤體附帶瓦楞紙盒的，外高應(yīng)除去托盤瓦楞紙盒包覆貨物的高度。

    （3）確定蜂窩托盤相關(guān)技術(shù)參數(shù)。
    蜂窩托盤相關(guān)技術(shù)參數(shù)及計(jì)算方法如下：
    承載重量由被包裝產(chǎn)品總重量決定，計(jì)算公式如下：
    托盤靜態(tài)承載重量＝k·N·Mmax
    托盤動(dòng)態(tài)承載重量=Mmax
    其中Mmax為托盤所裝載貨物zui大總重量；N為托盤單元堆碼層數(shù)；安全系數(shù)k取2～5（參考包裝紙箱）。

    （4）確定托盤設(shè)計(jì)方案
    對于整機(jī)產(chǎn)品，托盤的設(shè)計(jì)方案是附屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的，其承載重量、外形尺寸、組成部分等要素直接包含在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中，不需另做方案。
    對于零部件等集裝單元用托盤，則可單獨(dú)擬訂設(shè)計(jì)方案，或與整體包裝一起制訂。

    （5）蜂窩托盤的主要結(jié)構(gòu)方式及適用環(huán)境
    托盤主要由兩大部分組成：適合叉車、液壓車、滑車搬運(yùn)轉(zhuǎn)移的支撐腳；托載貨物的盤體。

    （6）托盤盤體
    托盤盤體用于容裝貨物，并為人工搬運(yùn)或機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)提供足夠的抗彎曲撓度。在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中盤體受到叉車臂向上的力值，進(jìn)叉方向（即受力方式）和部位不同，決定了盤體所需撓度的方向性不同。對于需四面進(jìn)叉的托盤，其撓度應(yīng)為各向同性；對于對稱兩面進(jìn)叉且貨物重量不超過600Kg的托盤，則允許采取撓度趨向于各向異性的盤體，但縱、橫向彎曲強(qiáng)度相差不應(yīng)超過40%。

    蜂窩托盤的盤體主要采用蜂窩紙板構(gòu)成，附加瓦楞紙板、層板、紙型鋼等起到保護(hù)蜂窩紙板、增加強(qiáng)度之用。

    另外，當(dāng)盤體受力不均勻時(shí)，或者當(dāng)寬長比大于0.7時(shí)，還可采用其它材質(zhì)加固的設(shè)計(jì)方案。

蜂窩托盤盤體主要有圖3中所示A、B、C、D三種結(jié)構(gòu)方式，它們分別適用于的載重環(huán)境如右表所示。

（7）支撐腳的設(shè)計(jì)

    支撐腳是托盤的承力部分，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和堅(jiān)實(shí)程度直接決定了貨物靜態(tài)放置時(shí)的可靠性，因此支撐腳的設(shè)計(jì)必須滿足幾點(diǎn)要求：
    ①符合貨物靜態(tài)堆載可能發(fā)生的zui高限值；
    ②支撐腳著力部位應(yīng)該在貨物的重心分布區(qū)域內(nèi)；
    ③在貨物允許的流通期限（即貨物從產(chǎn)地到用戶這一期限）內(nèi)，支撐腳的變形量應(yīng)小于10mm；
    ④支撐腳間距應(yīng)符合機(jī)械搬運(yùn)設(shè)備的特點(diǎn)；
    ⑤支撐腳承力面積和數(shù)量根據(jù)所承載貨物總重量確定。
    注：對于蜂窩托盤，支撐腳的承力面積、數(shù)量和分布均一性很大程度上決定了托盤的靜態(tài)極限承重值。

    （8）托盤一些附加特性的實(shí)現(xiàn)

    ①集合包裝
    當(dāng)所托載的貨物為兩件以上時(shí)，即稱為集合包裝，一個(gè)托盤所裝載貨物即為一個(gè)集合單元。集合包裝不僅要考慮托盤的承載重量，還應(yīng)考慮貨物的堆碼序列、整個(gè)集合單元的穩(wěn)定性。

    集合單元的穩(wěn)定性可通過三種方式實(shí)現(xiàn)：其一，使用拉伸膜纏繞或熱縮膜裹覆，使一個(gè)托盤的貨物成為一體；其二，使用紙角鋼、紙鋼板，并在頂面加頂箱為蓋，構(gòu)成牢固的框架結(jié)構(gòu)，使貨物固定在內(nèi)；其三，直接用打包帶打包裹緊。

    ②托盤的防潮性
    可采用三種方式實(shí)現(xiàn)托盤的防潮性能：其一，在托盤外表面涂覆一層防潮劑；其二，將托盤表面紙張覆一層HDPE膜；其三，提高對托盤原材料的施膠度。

    ③托盤的環(huán)保性
    瓦楞紙托盤、蜂窩托盤的使用，其目的在于以紙代木，減少原木資源的耗費(fèi)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)出口產(chǎn)品的環(huán)保要求，滿足歐美等國家對進(jìn)口產(chǎn)品提出的種種要求。

    因此，在進(jìn)行托盤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意選材，在保證強(qiáng)度、所需實(shí)現(xiàn)功能和適當(dāng)?shù)某杀厩疤嵯拢M可能使用全紙質(zhì)材料。

    2.紙蜂窩容器的設(shè)計(jì)

    （1）紙蜂窩容器的特點(diǎn)
    容器的主要材料為蜂窩紙板，輔以恰當(dāng)?shù)募堎|(zhì)型鋼、瓦楞紙板和其它配件組構(gòu)成箱。
    蜂窩紙板為平板狀結(jié)構(gòu)，具有較高的平壓強(qiáng)度，這在設(shè)計(jì)容器時(shí)既有有利的一面，也有不利的一面。在水平方向上抗壓強(qiáng)度較高，但抗垂直壓強(qiáng)的能力卻不足。另一方面，蜂窩紙板本身的戳穿強(qiáng)度較低，在設(shè)計(jì)容器時(shí)也應(yīng)注意予以彌補(bǔ)。

    （2）明確容器物理特性
    在設(shè)計(jì)容器時(shí)首先應(yīng)明確容器的用途、使用環(huán)境、承載重量、內(nèi)裝物特點(diǎn)，確定容器基本物理特性，包括底層承重、是否堆碼、內(nèi)裝物凈重、流通環(huán)境等。

    （3）紙蜂窩容器結(jié)構(gòu)

    作為容器，根據(jù)不同的用途、產(chǎn)品特點(diǎn)、使用頻次、流通環(huán)境等等，紙蜂窩容器可以有不同的幾何結(jié)構(gòu)，也可與不同的配件配合達(dá)到不同的目的。因此筆者不想在此贅述其具體結(jié)構(gòu)，但應(yīng)提出的是，容器的結(jié)構(gòu)形式是與產(chǎn)品用途、流通環(huán)境及各種特殊要求密不可分的，設(shè)計(jì)師們應(yīng)銳意創(chuàng)新，借鑒其它材料容器實(shí)例，充分發(fā)揮紙質(zhì)型材的優(yōu)點(diǎn)，趨利避害。

    （4）連接方式

    用紙蜂窩板生產(chǎn)容器，zui大的問題是棱邊的連接。在選擇連接方式和粘接材料時(shí)，必須保證粘接強(qiáng)度足以對抗容器在使用過程中各個(gè)方向的張力。
    紙蜂窩板間面與面接觸時(shí)亦可僅靠粘合劑實(shí)現(xiàn)連接，但當(dāng)面與棱邊、棱邊與棱邊連接時(shí)，則需采用其它的加固件、連接件進(jìn)行連接。常用的方法是：先在蜂窩紙板上填預(yù)埋件，再用紙槽鋼與蜂窩紙板楞邊粘接固定，待干燥定形后即可使用木螺釘、板式家具用塑料連接件等進(jìn)行連接固定。
    在這一方面將會(huì)較多應(yīng)用到板式家具的加工固定方式。

    （5）紙型材容器弱點(diǎn)的彌補(bǔ)

    ①楞邊加強(qiáng)
    鑒于蜂窩紙板邊角強(qiáng)度差，垂直抗壓能力弱，在設(shè)計(jì)容器時(shí)應(yīng)注意對容器楞邊的保護(hù)和加強(qiáng)。一般采取的方式是用紙槽鋼包邊、加紙角鋼、用瓦楞紙板包邊、加紙鋼板加強(qiáng)等方式。
    ②增加抗戳穿強(qiáng)度
    蜂窩紙板的表面只有一層牛皮卡紙，當(dāng)zui高克度的紙張也不能滿足容器的抗戳穿強(qiáng)度時(shí)，就應(yīng)考慮增加其它材料予以彌補(bǔ)了。
    ③防潮性能的實(shí)現(xiàn)
    實(shí)現(xiàn)此目的有兩種方式：其一，覆膜；其二，涂刷防潮劑。

    3．緩沖包裝的設(shè)計(jì)

    在進(jìn)行該類緩沖襯墊設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)思路與EPS緩沖襯墊相似：首先，確定其各方向的緩沖厚度，在保證緩沖性能的前提下保證裝箱量達(dá)到zui大。其次，根據(jù)所確定的緩沖厚度、緩沖面積，草擬紙型材緩沖襯墊的大致結(jié)構(gòu)，初步確定主要緩沖面積上的蜂窩紙板結(jié)構(gòu)特性（厚度、蜂窩格大小及配紙方式）；zui后，根據(jù)材料特性來設(shè)計(jì)襯墊結(jié)構(gòu)方式，并針對薄弱點(diǎn)增加附件，進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

    在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意各種紙質(zhì)材料本身特性的充分發(fā)揮，必要時(shí)可根據(jù)情況與其它材料配合使用，從而實(shí)現(xiàn)揚(yáng)長避短，節(jié)約成本的效果。蜂窩紙板作為緩沖襯墊，設(shè)計(jì)中的zui大難點(diǎn)在于其異形加工難，邊壓強(qiáng)度低，整體性差等。零件越復(fù)雜，加工成本越高；接觸面積越小，越容易壓潰；一旦壓潰，其二次保護(hù)性能差……這些都需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)。另外，設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮零件的裝配工藝、運(yùn)輸、倉儲堆碼方面的因素，使工藝實(shí)施盡可能簡單，襯墊不易受損傷。

五、結(jié)束語

    隨著人類對可持續(xù)發(fā)展的日益重視，紙蜂窩緩沖包裝制品的應(yīng)用越來越廣泛，但它并非是一種的材料，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“揚(yáng)長避短”的原則，綜合利用各種材料的優(yōu)良之處，或許能夠設(shè)計(jì)開發(fā)出更為理想的緩沖包裝制品。

    任何一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，都不是達(dá)到狀態(tài)，總會(huì)有改進(jìn)的空間；任何一種既定的產(chǎn)品包裝方案都不是*有效的，希望與同行業(yè)者進(jìn)行更多地交流，共同進(jìn)步。