EPS在汽車KD件出口包裝中的應用

李加祥 賈磊賢

劉平金 吳耀華

奇瑞汽車股份有限公司

安徽 蕪湖 241006

0 引言

國產汽車出口量的增大促進了汽車物流發展[1]。國際物流的環境復雜、運輸方式多樣等，導致汽車KD（knocked down）件出口包裝的破損率居高不下。加之受國際政治、經濟環境影響，集裝箱運輸成本不斷上漲。這些都對汽車KD件出口包裝提出了更高要求[2-5]。

聚苯乙烯泡沫（expanded polystyrene，EPS）是一種輕型高分子聚合物，是通過在聚苯乙烯樹脂中加入發泡劑，并加熱軟化，產生氣體，而形成的具有硬質閉孔結構的泡沫塑料[6]。其可以加工成緩沖材料[7]，與瓦楞紙箱等配套使用，還可以加工成集緩沖、承載為一體的EPS包裝箱。另外，EPS制品還可以根據被包裝物的形狀進行設計。相對其他材料，EPS材料能更加充分地利用空間，壓縮包裝體積，因而在包裝防護和集裝箱利用率方面都具有明顯優勢[8]。但是，目前EPS在汽車KD件包裝中未得到推廣應用。針對此問題，本課題組分析了EPS在汽車KD件包裝應用中存在的問題，并提出相應的解決方法，從而為企業選擇KD件包裝提供參考。

1 EPS在汽車KD件包裝應用中存在的問題

EPS材料在包裝防護和集裝箱利用率方面都具有明顯優勢。但是，目前EPS在汽車KD件包裝應用中存在一系列的問題。

1）投入資金高，投資風險大。汽車KD件尺寸較大，導致模具尺寸也較大，且部分零件要開多副模具。汽車零件種類繁多，不同車型的零件通用性低，通常一個車型需要開幾十副甚至上百副模具，這導致生產EPS包裝需要投入大量資金。受國際政治、經濟以及汽車產品更新換代等多重因素的影響，投資生產EPS包裝的風險也較大。

2）EPS質量控制難度大。①包裝難以應對海運物流環境。汽車KD件出口大多采用海運方式。為應對海運中的惡劣氣候，EPS包裝一般會做相應的防潮防水處理，在包裝箱外使用PE（polyethylene）膜或拉伸纏繞膜做密封處理。如果EPS包裝的水分沒有揮發完畢（即含水率未降至2%以下），那么在長周期的物流過程中，包裝箱內易形成高溫、高濕環境，在相對密封環境內極易導致汽車KD件出現銹蝕、霉變、印痕等質量問題。②壁厚不足。因模具模腔較深或模具注料口分布不合理，部分EPS在加工過程易出現進料不充分現象，進而產生孔洞等問題，導致泡沫強度不足。③發泡顆粒易脫落。部分EPS顆粒沒有充分熔合，導致發泡顆粒容易脫落。在物流、包裝過程中脫落的發泡顆粒，不僅給工廠作業環境帶來影響，甚至影響到汽車KD件包裝質量。④EPS包裝易翹曲變形。EPS包裝一般壁厚較薄（壁厚小于20 mm）、高度較高（高度大于300 mm），其脫模后易出現翹曲變形問題。翹曲變形不僅影響包裝整體外觀，也會影響包裝的承載能力，甚至會出現包裝與零件干涉，導致零件損壞。

3）EPS廢棄物處理困難。EPS廢棄物在回收利用時存在一系列問題。EPS廢棄物不能折疊，體積大，所需存儲空間也大，導致回收再利用時運輸和存儲成本較高，且脫落的泡沫顆粒難以清理。

除此之外，EPS材料具有消防安全風險。

2 EPS包裝推廣應用措施

汽車KD件出口企業需要采取有效措施，以解決EPS應用過程中存在的問題，充分發揮其在質量、效率、空間利用等方面的優勢，使企業獲取良好的經濟和社會效益。因此，本課題組從降低投資風險、完善質量管控體系、回收再利用包裝廢棄物、提高材料阻燃性能等方面提出EPS包裝推廣應用措施。

2.1 降低投資風險

1）通過成本分析模型，遴選適合EPS包裝的KD件

EPS包裝的加工制造成本構成比較復雜，包括原材料、模具分攤、人工、運輸、破損返修等費用。根據EPS包裝的成本模型（見式（1）），企業可獲知什么條件下適合選擇EPS材料。

式中：C生產為原材料、模具分攤、人工、動能、折舊、維修保養等費用，其中模具分攤費用與產量近似成反比關系；

C管理為EPS生產廠家投入的管理費用；

C運輸為供應商將EPS送至KD件包裝現場的物流運輸費用；

C財務為由現金與承兌匯票交易的差異、貼息等產生的費用；

C利潤為供應商銷售收入減去投資成本的差值。

EPS包裝應用于汽車KD件出口包裝時，其成本又與包裝人工成本、出口運輸成本、海外工廠物流成本密切關聯。因此，企業需要根據全過程物流成本的變化情況對EPS包裝進行經濟效益評估。全過程物流成本公式為

式中：C′運輸為KD件運輸到海外工廠的運輸費用；

C人工為生產KD件包裝的人工成本；

C質量為因包裝質量產生的索賠、補發費用；

C其它為海外工廠拆箱、分揀、包裝廢棄物處理等費用。

由式（2）可以看出，全過程物流成本與材料、人工、運輸、質量等費用密切相關，并且隨著材料的變化，其它費用也會隨之變化。從實際情況看，汽車KD件選用EPS材料包裝，并非都具有成本優勢，有的零件使用EPS材料包裝，反而成本較高。因此，企業可對單個零件做相應的經濟分析，將采用EPS包裝時對應的費用代入式（2）中，與其它包裝材料進行對比。如果EPS包裝的全過程物流成本大幅下降，則企業可以考慮選用EPS材料。當然，企業除了考慮單個零件的經濟效益，還要把單個零件放到整個汽車KD件運輸中，結合“整體包裝”理念[9]，評價綜合效益，實現總體效益最大化，從而確保EPS包裝方案具有明顯優勢，不易被其它方案取代，降低相應的投資風險。

2）優化EPS包裝設計

EPS材料采用模具加工制造，因而具有良好的緩沖、限位、承載能力。其包裝汽車零部件時，零件可以交錯、重疊、互補放置，在空間利用率方面具有明顯優勢。但是與紙質材料相比，EPS材料的采購成本明顯偏高。因此，需通過選擇合適的材料密度、優化EPS結構等降低包裝成本。

①材料密度選擇

根據行業標準[10]，EPS泡沫材料密度分為4個類別（見表1）。

表1 EPS泡沫密度分類表Table 1 EPS foam density classification table kg/m3

用于汽車KD件包裝的EPS材料通常選擇Ⅱ類或Ⅲ類密度。用于總裝車間的汽車零部件包裝，除部分底盤件包裝，一般選用Ⅱ類密度的EPS材料；用于焊裝車間的零件及部分底盤件包裝，一般選擇Ⅲ類密度的EPS材料。EPS密度的選擇除了與零件有關，還與EPS制品的結構、尺寸密切關聯，同時還需考慮承載要求。

②零件放置方式選擇

確定零件在EPS內放置方式時，一方面要結合零件外形尺寸，通過相應的交錯、套嵌、疊放等方式，充分利用容器空間，減少材料用量；另一方面又要考慮通過合理放置方式，降低零件損壞的風險，減少對包裝防護的需求，進而減少材料用量。對于部分風險系數很小的零件，可以考慮讓內部包裝的零件參與承載，降低EPS的防護等級。

③結構優化

EPS制品的型腔尺寸、造型確定后，EPS制品的結構需進行優化。對于泡沫體積較大的部位，應結合承載需求，進行局部鏤空，以減少材料用量。對泡沫體積較小的部位，應考慮增加必要的加強筋，增強其承載能力，防止在流通過程中出現斷裂問題。

④緩沖EPS厚度確定

包裝汽車KD件時，EPS材料通常應具備承載與緩沖[11]雙重作用，因此，需確定EPS材料的厚度以滿足緩沖需求。緩沖材料之所以能夠保護零件不受損壞，是因為當被包裝物體在運輸過程受到沖擊時，緩沖材料能夠吸收部分能量[12-13]。

1) 閥門計算書中相關數據。閥桿所受的總力矩MΣ=19 042.19 N·m；活塞直徑DH=0.42 m；閥桿直徑dF=0.12 m；油缸容積VH=0.01 m3；主管內徑d1=0.02 m；支管內徑d2=0.01 m；油站出油口壓力p1=12 MPa；工藝要求的閥門開關時間tR=10 s。

EPS材料的承載能力可以通過壓縮強度和斷裂彎曲負荷等數據進行測算。對于起緩沖作用的EPS襯墊，其厚度可通過下面的公式得到。

緩沖材料蓄積的能量是單位體積的緩沖材料的變形能與材料的面積和厚度的乘積，即

式（3）～（4）中：E為緩沖材料吸收的能量，J；

A為緩沖材料的面積，mm2；

t為緩沖材料的厚度，mm；

ε為單位面積緩沖材料吸收的變形能，J/mm2；

σ為單位面積緩沖材料受到的力，N/mm2。

單位面積EPS所受的力σ除以單位體積EPS所吸收的能量ε所得的商，即為EPS材料的緩沖系數C，

當零件下落高度h遠遠大于緩沖材料最大位移時，緩沖材料的厚度為

式中Gm為沖擊過程產生的最大加速度。

根據式（6），如果可以預計包裝件的下落高度，就可以測量包裝件的最大允許加速度Gm的值，已知EPS的緩沖系數C，可以計算材料所必須的最小厚度。

依據計算得到的EPS材料厚度，可以確定最經濟、合理的EPS緩沖材料厚度。如此，既能夠滿足質量需求，又可以防止材料過厚造成浪費。

EPS包裝設計完成后，應通過有限元等方法進行數據分析，查找風險點，并進行結構、尺寸調整。結合上述包裝分析結果，優化包裝設計后，再開展相應的包裝試驗工作[14-15]。包裝件通過相應的環境、壓力、沖擊、振動、機械搬運等試驗，設計師最終確定EPS包裝方案。

3）汽車出口企業與EPS供應商建立戰略聯盟

通過調研發現，單個車型采用EPS包裝，所需模具在80副以上，一次性投資成本達500萬元以上。如果EPS包裝需求量不大，供應商一般不會投資開發模具。因此，汽車出口企業應選擇生命周期長、出口量大的KD件進行EPS包裝，并與EPS供應商簽訂相應的戰略合作協議，消除包裝材料供應商的投資顧慮，為EPS材料的應用與推廣提供保障。

2.2 建立完善的質量控制體系

如果不能很好地控制包裝質量，EPS包裝的劣勢會更加突出，甚至給汽車KD件出口帶來災難性的后果。其中，EPS 包裝含水率超標和翹曲變形是重點解決的問題。

1）EPS材料含水率

降低EPS材料含水率主要有兩種途徑，一是自然晾干，二是加熱烘干。在規模化生產狀態下，受交貨周期和存儲場地等因素限制，自然晾干難以實施。因此，批量化生產時，EPS制品采用烘干房烘干。如果EPS材料中的水分沒有揮發完畢（即含水率未降至2%以下），則易導致被包裝物出現質量問題（銹蝕、霉變等）。EPS供應商需從以下幾個方面控制EPS材料含水率。

①EPS材料堆碼方式。EPS材料一般碼放在托盤上進入烘房。若泡沫開有通風孔、透氣孔，則可以按照正常狀態進行碼放。若堆碼后其型腔為封閉結構（見圖1），則內部空氣難以流動，此時需選擇蒸汽易進入EPS型腔的堆碼方式（見圖2），以提高烘干效率。

圖1 堆碼后型腔封閉狀態示意圖Fig. 1 The closed cavity after stacking

圖2 烘房內EPS材料錯位碼放狀態示意圖Fig. 2 Dislocation placement of EPS material in the drying room

②烘干時間。受結構、尺寸等諸多因素的影響，不同EPS的烘干時間是不同的。企業應先驗證各種EPS泡沫的烘干時間，再根據此測試數據，烘干EPS泡沫。

③含水率。EPS含水率的檢測原理是通過將EPS試樣加熱至恒重，測量其質量變化，進而核算含水率。為防止測量誤差較大，用EPS泡沫含水率檢測專用儀器測量EPS試樣含水率。

含水率檢測時，樣件選取很關鍵。同一個EPS泡沫，不同位置的結構不同，厚度也不同，烘干的難易程度也不同，含水率也就各不相同，因此檢測時應選擇最難以烘干的位置進行測量，從而確保整個泡沫含水率都能達到技術指標要求。

2）壁厚不足、翹曲變形等問題

壁厚不足的主要原因是進料不充分。應通過增加注料口、注料時間、氣眼或及時更換不合格氣眼等方式加以解決。對于高度較高、壁厚較薄的EPS泡沫，脫模后需及時送入烘干房進行烘干、定型，以防翹曲變形。加工制造時，部分EPS泡沫需增加水冷時間，以避免因水冷不足而導致局部發鼓、表面不平整的現象出現。

3）科學、合理的質量跟蹤管理制度

EPS不可壓縮、折疊，體積相對較大，物流過程經常會有移庫、轉運等操作，使產品狀態信息容易混淆，后續處理時易引發質量問題。因此，建立科學、合理的質量跟蹤管理制度，如粘貼隨箱記錄卡和二維碼、填寫相關數據表單等，可以有效追蹤EPS材料的整個加工過程，清晰反映EPS泡沫所處的加工狀態，避免不合格產品流入汽車KD件包裝環節。

2.3 建立專業的EPS廢棄物回收渠道

EPS廢棄物難以降解處理，給環境造成了嚴重污染。有效處理EPS廢棄物使之再資源化，具有重要的現實意義。EPS廢棄物回收技術主要有再生利用、熱分解回收低分子化合物和焚燒回收熱能等。近些年，國內外企業和科研機構對EPS回收利用進行了大量的研究，其研究成果有的已經產業化。加拿大Pyrowave公司研發出一種新的催化微波解聚技術，將聚苯乙烯分解轉化為苯乙烯。隨后，莉薇聚合物公司、 Pyrowave公司和英力士苯領公司合作推出了北美聚苯乙烯回收鏈，該回收再生利用系統能使材料在循環經濟中保持最佳效用和價值。我國EPS廢棄物回收技術也越來越成熟，EPS回收利用的主要途徑是將其加工處理成聚苯乙烯。從經濟、資源、環境的協調發展來看，EPS回收再生利用不僅是一個技術問題，更是一個社會系統工程問題。

汽車出口企業可根據目的國EPS廢棄物回收技術的成熟情況，尋找一種有效的EPS回收方式。全球EPS泡沫顆粒市場需求不斷增長，企業可在海外工廠自行回收利用EPS廢棄物，即購買EPS回收設備，就地回收、造粒，然后將塑料粒子對外銷售，以獲取額外利潤。目前，購買EPS回收設備（見圖3）費用在30萬元以內。面積約為1000 m2的回收場地即可滿足需求，其中，設備占地面積約為100 m2，泡沫臨時存儲場地約為600 m2，成品粒子存儲場地約為50 m2。

圖3 EPS材料回收工作流程Fig. 3 Recycling work flow of EPS material

2.4 降低消防安全隱患

EPS是一種有機碳氫化合物，且為發泡多孔狀態。一般的EPS泡沫為易燃制品，易被火點燃，甚至遇到焊裝車間的火花，也能發生燃燒。離開火焰后，EPS材料能繼續燃燒并有濃煙和熔融滴落。可見，大規模使用EPS材料包裝汽車KD件，存在較大的消防安全隱患。

為消除EPS包裝件在流通、存儲、配送等環節的火災隱患，可在EPS原料中增加阻燃劑[16]，使EPS材料具有阻燃能力（即將EPS材料點燃后，移走火源，3 s內自然熄滅）。目前EPS材料的阻燃技術已經比較成熟。環境保護部環境保護對外合作中心郭曉林等，對擠塑聚苯乙烯泡沫塑料的阻燃技術現狀及發展趨勢作了深入研究。北京化工大學炭纖維及功能高分子教育部重點實驗室張勝等，對聚苯乙烯泡沫塑料阻燃方法、工藝過程等進行了較為詳細的闡述。因此，企業可以根據EPS阻燃性能要求，為汽車KD件包裝選取擇合適的EPS阻燃原料。

3 結語

本課題組分析了EPS包裝材料在汽車KD件出口包裝中的應用現狀，并提出了相應的解決方案。1）利用成本模型進行相關經濟分析，選擇適合采用EPS包裝的零件。從密度、零件放置方式、結構和厚度等方面優化EPS包裝設計，減輕其質量，降低成本。此外，汽車出口企業與EPS供應商建立戰略聯盟，降低EPS供應商的投資風險。2）從含水率、壁厚、質量跟蹤等方面完善EPS材料的質量控制體系。3）汽車出口企業可在海外工廠建立專業的EPS廢棄物回收渠道，增加額外利潤。4）通過在EPS原料中增加阻燃劑，降低EPS材料的消防安全隱患。

EPS材料擁有良好的質量保障體系后，可在汽車KD件出口包裝中推廣應用。在應用過程中，還需要結合具體的包裝方案進行分析、驗證，避免出現新的問題，影響被包裝件質量。