緩沖氣柱袋在運輸包裝中的應用設計及研究現狀

徐健+劉曉玉+王保升

緩沖包裝是電子產品、家用電器、儀器儀表、玻璃陶瓷等各種易損易碎物品運輸過程中不可缺少的一部分，對產品運輸安全起著重要的作用。目前，常用的緩沖包裝材料主要有發泡塑料、紙板等。隨著綠色包裝的興起和“限塑令”的實施，發泡塑料由于無法自然分解且燃燒時具有毒性等劣勢，成為實現綠色包裝的巨大阻礙。而紙板雖然比發泡塑料的后期處理更具優勢，但在前期需耗費大量資源，生產過程中也具有一定的污染性，并且其在作為緩沖結構時需要進行多次折疊，這無疑會造成人力資源的浪費，不利于智能制造在包裝行業的推進。

在這種情況下，一種自然空氣填充的新型包裝系統—緩沖氣柱袋，受到了行業人士的重視，如今其已成為最具環保概念的緩沖包裝材料之一，且表現出極大的發展潛力。

緩沖氣柱袋的優勢與應用

1.優勢

與泡沫塑料、蜂窩紙板等緩沖材料相比，緩沖氣柱袋具有較為突出的優勢，主要表現在如下幾個方面。

（1）結構簡單

對于質量較輕的產品，只需根據產品的外形尺寸合理選擇緩沖氣柱袋的尺寸，并將其充入氣體，裹包在產品周圍，放入紙箱以供運輸和銷售即可。

（2）應用范圍廣

緩沖氣柱袋具有良好的回彈性、溫濕度穩定性、吸濕性、防震性，可廣泛應用于電子、食品、文物和儀器儀表等產品的運輸過程。

（3）優良的社會和經濟效益

緩沖氣柱袋的優良緩沖性有效避免了產品（尤其是精密儀器、易碎品及軍工產品等產品）在儲運過程中的損壞，減小了經濟損失，而且緩沖氣柱袋的原料便宜，加工設備簡單，既降低了包裝成本，又提高了產品利潤。

（4）良好的環保效益

相比泡沫塑料，緩沖氣柱使用量少，而且，廢棄的緩沖氣柱袋薄膜可以回收再利用，減小了對環境的污染，具有良好的環保效益。

2.應用功能

緩沖氣柱袋最早出現于法國，主要應用于紅酒包裝（如圖1所示），可避免紅酒在運輸途中發生碰撞損害。如今，緩沖氣柱袋的應用領域已經非常廣泛，凡是運輸過程中需要緩沖保護的產品幾乎都能使用，歸納起來主要有以下幾種應用功能。

（1）緩沖和防震功能

緩沖氣柱袋的剛性會隨著壓縮量的變大而增大，因此其承載能力范圍較大，具有良好的緩沖性能。在流通過程中容易損壞的商品均可采用緩沖氣柱袋，如顯示器、手機、攝像機、空調、冰箱、洗衣機等電子產品，茶具、玻璃瓶、瓷器等陶瓷和玻璃制品，打印機、掃描儀、鐘表、汽車零部件等精密儀器。

（2）防護功能

緩沖氣柱袋的防護功能主要體現在防潮和防表面摩擦刮擦等方面。對于電子產品和精密儀器來說，儲運過程中的防潮也是基本要求之一，采用緩沖氣柱袋包裝，在為這些產品提供良好緩沖的同時還能有效防潮。而對于木制家具等在搬運中容易因磕碰和摩擦而掉漆的商品來說，使用緩沖氣柱袋則能有效防止產品在包裝內的移動，貼體保護產品，使其免于磕碰和摩擦，對產品表面起到很好的防護作用。

（3）快捷功能

緩沖氣柱袋在充氣前大約為幾張紙的厚度，卷料放置不會占用過多的倉儲空間。使用時只需通過充氣口充入空氣便可直接使用（如圖2所示），操作簡單、快捷，質量輕，可顯著減輕包裝人員和快遞人員的負擔。

緩沖氣柱袋研究現狀

正是因為緩沖氣柱帶在包裝領域表現出良好的應用前景，吸引了廣大科研工作者的研究熱情，并取得了顯著成果。

在國外，美國德州大學的結構力學實驗室早在1959年就對圓柱形氣柱袋的性能進行了研究，通過跌落試驗來模擬沖擊過程，從而找出氣囊與發泡塑料之間的差異，選出更優的緩沖材料，并在此基礎上，對其他形狀的空氣袋進行了研究。之后他們分別通過振動試驗和重復性跌落試驗來驗證溫度和濕度對氣柱袋靜態性能和動態性能的影響。

在國內，一些研究者通過系列實驗，驗證了緩沖氣柱袋的最大沖擊載荷、最合適充氣量，以及滿足最佳緩沖功能時氣柱袋的形狀和尺寸等。其中，有許多研究結果具有重大的指導意義，比如研究不同寬度尺寸的緩沖氣柱袋在不同跌落高度下的緩沖性能時，人們發現隨著跌落高度的增加，同一寬度尺寸的緩沖氣柱袋最大沖擊加速度也會增加，其所能承載的最大靜應力則會減小。同一跌落高度條件下，隨著氣柱寬度的增加，最大沖擊加速度會減小，其所能承載的最大靜應力則會逐漸增加。此外，在新材料的研發上也有一些新突破，湖南工業大學研究了由高強度牛皮紙和水溶性PVA薄膜復合材料制作的緩沖氣柱袋，并對成品進行靜態壓縮試驗、動態壓縮試驗以及包裝貨物試驗，試驗結果表明這兩種緩沖材料均能滿足運輸過程中的緩沖要求。

緩沖氣柱袋設計和應用時存在的問題

盡管，關于緩沖氣柱袋的性能研究已經非常深入，但從其包裝設計的科學視角和工程應用視角來看，還存在一些問題亟待解決。

1.缺少緩沖氣柱袋設計的具體參考方法

目前，有關緩沖氣柱袋性能的大部分研究均以試驗法為主，缺乏定性分析充氣氣壓、氣室直徑和氣室長度等參數對緩沖性能的影響，難以真正用來指導緩沖設計和應用。即使提出了一些數學模型，也相當復雜，對于工程應用人員來說，公式太過晦澀，難以實現落地性的指導作用。

目前，緩沖氣柱袋的充氣壓力仍是隨意填充，根據經驗粗略確定。這能夠滿足普通產品的基本要求，但對于高精密貴重電子儀器等產品來說，這種粗略的填充方法難以提供最優的緩沖效果，充氣壓力過大時，氣柱袋極易在擠壓下發生爆破，反而會對產品造成一定的沖擊傷害。可見，充氣壓力對緩沖性能的影響非常顯著，要使緩沖氣柱袋對內裝物提供最佳的緩沖效果，需要依據緩沖氣柱袋材料的脆值等特性，通過較為嚴密的計算，合理確定充氣氣壓。但截至目前，在包裝行業內，尚未推出可供行業人士參考的關于緩沖氣柱袋具體設計的統一方法和具體步驟。

2.氣柱袋防震性能的研究不足

從目前的研究來看，人們對緩沖氣柱袋振動特性的研究還明顯不足，產品運輸過程中，隨著內裝物對緩沖氣柱袋的壓縮，導致其剛性表現出時變性，即在受到不同載荷作用時，緩沖氣柱袋具有不同的剛性，從而對包裝系統的固有頻率造成一定影響。緩沖氣柱袋振動傳遞性能的影響因素較為復雜，且目前對這一特性的研究還有待進一步深入。

3.基于空氣動力學理論的氣柱袋緩沖性能尚待研究

在跌落沖擊和振動作用下，緩沖氣柱袋中的氣體會發生高速流動，這種情況下，以靜壓縮過程分析氣體緩沖包裝的能量吸收性能和緩沖性能的結果會偏于保守，氣柱袋的緩沖機理并未得到完全揭示。因此，還應該對緩沖氣柱袋中密閉空氣在高速沖擊和振動作用下的動態力學性能進行研究，以獲得其在沖擊過程中的動應力和應變，建立緩沖氣柱袋的本構模型，從而提高其緩沖性能表征的精準性。對此，可以利用空氣動力學理論系統地研究氣柱袋的緩沖性能，揭示緩沖性能與氣柱袋參數的數學關系，探索利用氣體進行緩沖保護的具體方案，這樣才能使緩沖氣柱袋的設計和應用更為科學，最大限度地發揮其功能。