紙箱在托盤上垂懸劣化對抗壓強度的影響

■ 文/達成包裝制品（蘇州）有限公司 孫 亮，張惠忠

評價瓦楞紙箱性能的關鍵指標之一是紙箱的抗壓強度。而影響瓦楞紙箱抗壓強度的因素有很多，如箱體結構、載荷大小、堆垛方式、紙張含水率，以及不同的壓線形式等。目前對這些因素的研究比較多，但很少有瓦楞紙箱堆碼在木托盤上垂懸而導致抗壓強度影響的研究。Uldis I.Ievans針對紙箱堆碼垂懸引起的抗壓強度降低指數，提出垂懸減弱因子(OLF)的計算公式[1]：

OLF=抗壓強度降低率/紙箱周長垂懸率 （1）

因此，本文將從紙箱長邊、短邊、雙邊垂懸對抗壓強度影響的角度出發（垂懸形式如圖1所示），并考慮到不同大氣環流時垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度的影響，在此基礎上提出改善的解決方案。

圖1 紙箱垂懸形式

1 實驗

1.1 實驗對象

實驗使用的瓦楞紙箱為市場常見的普通0201型開槽紙箱，紙箱平面尺寸滿足GB/T 4892—2008中模數要求，長寬高尺寸設為395 mm×295 mm×380 mm。楞型為BC楞，材質220 g/m2+120 g/m2+100 g/m2+120 g/m2+220 g/m2（皆為優等品）。

為了滿足實驗所需要的瓦楞紙箱垂懸實驗組和對比組，非標木托盤尺寸及鋪板間的間隙均為特殊定制。

1.2 實驗設備

所用實驗設備包括：微電子程控抗壓強度試驗儀，QD-3001A；步入式高低溫濕試驗箱，ETE-GDJS。

1.3 實驗方法

為了使實驗數據更具有實踐應用價值，木托盤被放置在平坦的地面上，同時在進行實驗時，每一組垂懸實驗組相應的都會設置對比組。

1.3.1 方案設計

根據GB/T31148—2014中規定，常用“川字式”托盤上木條數量為11條，間隙為25 mm，如圖2所示。但調查本公司的400余家客戶所用1 200 mm×1 000 mm標準托盤上木條數量大多為7根、8根、9根、10根，并且木條的間隙也都大于25 mm。

圖2 GB/T31148-2014中川字式托盤尺寸

實驗中每個瓦楞紙箱內裝25 kg的沙子作為擬裝物，堆碼4層。在瓦楞紙箱垂懸25 mm、48 mm、68 mm、95 mm時，分別研究：

（1）瓦楞紙箱的長、短、雙邊垂懸對抗壓強度的影響。

（2）考慮季節性的影響，設計垂懸48 mm、68 mm時，引入不同溫濕度，比較瓦楞紙箱垂懸不同距離導致抗壓強度的影響。

（3）探究增加3層和5層瓦楞墊板后對紙箱抗壓強度影響。

其中：以短邊垂懸為例，如圖3所示。

圖3 短邊垂懸實驗

1.3.2 測試標準和方法

本次實驗的抗壓強度的測試按照GB/T 4857.4—2008的標準測試，每一組實驗結束后，將堆碼的最下面一層紙箱中的擬裝物取出，封箱后放在微電腦程控抗壓試驗機上進行測試，并記錄下測量的數值。另外，將垂懸的實驗組與對比組抗壓強度的差值除以對比組的抗壓強度，作為抗壓強度衰減率。

2 結果與討論

2.1 長邊垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

瓦楞紙箱長邊垂懸25 mm、48 mm、68 mm、95 mm,抗壓強度的衰減情況如圖4所示。紙箱垂懸距離越長，抗壓強度的衰減程度呈現上升趨勢。其中：瓦楞紙箱在長邊方向上垂懸95mm時，僅僅24h，抗壓強度衰減9%以上。分析原因是：如表1所示，長邊垂懸95mm，紙箱垂懸部分面積占比達32.20%。

圖4 長邊垂懸距離不同對抗壓強度的影響

表1 長邊垂懸對抗壓強度影響

2.2 短邊垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

在4層堆碼時，將瓦楞紙箱的短邊方向垂懸25 mm、48 mm、68 mm、95 mm，抗壓強度測試結果如圖5所示。24 h后，抗壓強度衰減呈現緩慢上升趨勢且總體偏小。但是48 h后，抗壓強度衰減率有了明顯的增加。與長邊垂懸相比，短邊垂懸致抗壓強度衰減程度偏低。

圖5 短邊垂懸距離不同對抗壓強度的影響

產生這一現象的主要原因是：如表2所示，短邊方向垂懸時，垂懸25 mm、48 mm、68 mm的紙箱底部垂懸的面積占比相較于長邊垂懸時整體偏小，垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度影響比較小。隨著時間延長到48 h，垂懸對抗壓強度的影響逐漸顯現出來。

表2 短邊垂懸對抗壓強度的影響

當短邊方向垂懸95 mm時（垂懸部分面積占比24.05%），相較于長邊垂懸24 h和48 h，短邊懸邊抗壓衰減僅有3.63%和6.8%。

2.3 長邊方向上雙邊垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

在實際堆碼時，由于操作不規范，紙箱兩邊同時垂懸的情況也普遍存在，但是紙箱的兩邊同時垂懸95 mm情況一般不會出現，因此本次實驗對雙邊垂懸95 mm不作探究。雙邊垂懸情況如圖6所示。

圖6 雙邊垂懸

紙箱的長邊方向雙邊垂懸25 mm、48 mm、68 mm，抗壓強度測試結果如圖7所示。

圖7 雙邊垂懸對抗壓強度影響

紙箱雙邊垂懸距離越長，抗壓強度衰減呈現上升趨勢，且24 h和48 h之間抗壓強度衰減相差不大。

但是當雙邊垂懸68 mm時（見表3），垂懸面積占比達到了46.1%，24 h和48 h后雙邊垂懸的抗壓強度衰減率僅有9.3%和10.8%。主要原因是：雙邊垂懸68 mm時，頂部載荷施加在底部紙箱的作用力相較于長邊方向單邊垂懸136 mm時更加均勻，且在堆碼中不會出現整體失穩傾斜的問題。

表3 雙邊垂懸對抗壓強度的影響

2.4 不同溫濕度條件下長邊垂懸對瓦楞紙箱抗壓強度的影響

環境的溫濕度是影響紙箱抗壓強度的重要因素之一，本實驗選擇了3個溫濕度模擬四季:溫度23℃，相對濕度50%（春、秋）、溫度5℃，相對濕度30%（冬）以及30℃，相對濕度85%（夏）。其中在實驗箱中進行的高溫高濕（溫度30℃，相對濕度85%）環境下垂懸時，13 h就出現了紙箱坍塌的情況。因此在該條件下，只進行八小時實驗。

從表4可以看出：溫度5℃，相對濕度30%時，長邊方向垂懸48 mm和68 mm的抗壓強度衰減率相比較于23℃，相對濕度50%整體偏低。因此低溫低濕度環境下，瓦楞紙箱的各項性能最佳，垂懸造成的抗壓影響最小。

表4 短邊垂懸對抗壓強度的影響

瓦楞紙箱在高溫高濕（30℃，相對濕度85%）條件下，堆碼放置8 h后，抗壓強度的衰減就達到27.32%和35.65%。原因是：紙箱在高溫高濕環境里，垂懸造成抗壓強度的衰減因紙箱含水率增加而被放大。

2.5 增加瓦楞墊板對底層紙箱抗壓強度的影響

本次實驗采用了材質140 g/m2+90 g/m2+140 g/m2的3層瓦楞紙墊板和材質140 g/m2+90 g/m2+90 g/m2+90 g/m2+140 g/m2的5層墊板。同時實驗組中除了設置對比實驗組外，還設置了紙箱放置在間隙95 mm且不垂懸的實驗組。

增加瓦楞紙墊板實驗組、對比組的結果如圖8所示。在放置了3層瓦楞紙板和5層瓦楞紙板的瓦楞紙箱經過24 h后，抗壓強度相較于對比組降低了2.9%和1.9%，并且可以發現5層墊板比3層墊板的效果更好。這是因為墊板不僅可以弱化瓦楞紙箱在堆碼過程中垂懸，還間接地起到了一定的緩沖作用，有利于瓦楞紙箱堆碼和運輸。

圖8 增加墊板后紙箱抗壓強度的關系

同時，放置3層墊板的紙箱抗壓強度衰減由原來的9%降低到2.9%，放置5層墊板的紙箱降低到1.9%，而一塊墊板的價格約為3元人民幣，與整托的紙箱相比微不足道。

3 結論和解決方案

通過對瓦楞紙箱在木托盤上不同的垂懸方式和環境溫濕度變化對瓦楞紙箱抗壓強度影響的實驗研究，得到結論如下：

（1）垂懸相同距離，短邊垂懸比長邊垂懸對抗壓強度影響小,同時雙邊垂懸相比較于單向長、短邊影響要小。

（2）抗壓強度衰減率與垂懸部分面積占紙箱底面總面積的百分比密切相關，垂懸面積占比在15%以內時，抗壓衰減約為4%。占比15-25%時，抗壓衰減約為8%。占比30%以上時，抗壓強度衰減將在9%以上。

（3）低溫低濕環境下，垂懸對抗壓強度的影響較小。高溫高濕情況下，垂懸對抗壓強度影響很大。

（4）在木托盤上分別放置一張3層瓦楞和5層瓦楞墊板，24 h后抗壓強度的衰減由9%(不加墊板)降低到2.9%(3層墊板)和1.9%(5層墊板)。

本次實驗僅進行24 h、48 h，在實際倉庫堆碼以及運輸中遠不止24 h、48 h。為了延長瓦楞紙箱的使用壽命，避免紙箱在堆碼過程中垂懸，或使垂懸距離盡量小，解決方案如下：使用國家標準托盤；在堆碼中一定會發生垂懸時，盡量使用短邊垂懸；倉儲運輸中盡量保持低溫低濕。同時夏季時紙箱需要做防潮處理；紙箱尺寸在設計時應該考慮在托盤上的堆碼情況，對倉儲或者搬運操作工人進行堆垛培訓；對于重載荷紙箱，抗壓強度值設計時比較極限或者無法避免垂懸的情況下，可以在標準托盤上加放瓦楞墊板來減少抗壓強度的損失。