紙質隔熱杯套隔熱效果的研究

◎ 劉常盛

（星巴克企業管理（中國）有限公司，上海 200233）

咖啡作為當今世界三大飲品之一，其消費量越來越多。為了消費者方便握持盛有熱咖啡的杯子，商家會提供一個重要的包裝材料——隔熱杯套。各種各樣的隔熱杯套不僅能起到隔熱防燙的作用，也具有點綴飲品和提升品牌影響力的作用。隔熱杯套最早由美國奧里根州杰伊·索倫森所研發設計，杰伊使用一個斜切口設計，使其相互對插，然后根據面巾紙印花紋路的啟發，在紙上印出凹凸紋路來解決隔熱問題。隔熱主要依據導熱原理進行，物體各部分未發生相對位移時，依靠物體的分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱能傳遞稱為傳導性傳熱，簡稱導熱[1]。導熱可以分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種方式進行。

熱傳導主要是固體的傳熱方式，物體不同部分或不同物體間的溫度差是熱傳導的必要條件。從微觀角度來看，物體中存在大量的分子，高溫度部分分子熱運動動能大，低溫度部分分子熱運動動能較小，不同動能的分子在彼此大量碰撞的過程中，將熱能從動能高的部分傳至動能低的部分，實現熱傳導，從而物體不同部分或物體間溫度差異逐漸減小[2]。根據材料的熱傳導性能不同，將容易傳熱的一類物質稱為熱的良導體，如金屬材料；將那些不容易進行傳熱的物質稱為熱的不良導體，例如陶瓷、木質材料等，液體（除水銀）均不善于傳熱，而氣體比液體更不善于傳熱[3]。

熱對流是指不同溫度的液體或氣體相遇時，相互間會由于熱運動產生相對流動，從而使溫度逐漸趨于平衡的過程。從是否有外界其他因素干擾方面區分，熱對流可分為自然對流和強迫對流兩種形式。本文中測試在標準室內實驗環境下進行，均為自然對流方式。

熱輻射相關定義如下，任意物體當其溫度高于絕對零度時，會向其周圍發出輻射（電磁波）來發射能量，從而進行熱量傳遞，這種輻射叫熱輻射。熱輻射不需要依靠介質進行熱量的傳遞，但較難穿透固體和液體材料。

普通的一次性隔熱杯套發展演變至今，常見制作材質是卡紙、 瓦楞紙等。其隔熱原料主要是通過在熱杯外增加一層熱傳遞慢的材料，降低消費者握持時表面溫度，起到防止燙傷的作用。隨著咖啡消費量和外帶數量的增加，隔熱杯套的用量也越來越大，研究不同結構、材料對隔熱效果的影響，不僅有助于更合理的使用材料，更有利于減少隔熱杯套全生命周期對環境產生的影響，符合可持續性發展的需求。本文重點對紙張克重和瓦楞厚度對杯套樣品隔熱效果的影響進行研究。

1 材料與方法

1.1 實驗原料

具體樣品用紙規格詳見表1。

表1 設計樣品參數表

1.2 實驗設備

熱電偶溫度計（EXTECH SDL200）、計時器、可控溫加熱壺。

1.3 實驗方法

（1）20 oz容量的紙杯，加熱飲至杯口下6 mm處，蓋上蓋子。

（2）飲品溫度≥87.8 ℃（起始溫度），隔熱杯套正常套在杯子上，杯套的接縫處于杯子接縫的上方。

（3）溫度傳感器一組伸入杯內液面下76 mm中心位置（不碰到杯壁），另一組貼在隔熱杯套外表面。

（4）開始后，持續測試記錄溫度5 min，每5 s記錄一次杯內和杯套表面溫度數據，記錄杯內和杯套表面最高溫度。

2 結果與分析

為便于理解，構建本文研究的導熱模型主要由熱飲料、杯子、隔熱杯套組成。隔熱杯套是由底層瓦楞紙和表層面紙組合而成。結構示意圖1可見，熱量從杯子外表面向隔熱杯套外表面傳遞，同樣適用于熱傳導、熱對流和熱輻射3種形式。

熱傳導部分，主要是杯子表面熱量從杯子外表面經過熱傳導至瓦楞紙與杯子接觸部分，再傳導到杯套外表面紙，主要影響因素為熱量傳導的路徑，即經過瓦楞高度方向所經過的路線。

熱對流部分，主要是通過杯子表面至杯套表面的空氣進行對流傳遞，影響因素是杯套外表面與杯子外表面之間的空氣層，不同瓦楞厚度造成對流層距離有所變化。本測試中結合紙是熱的不良導體，熱傳導至瓦楞紙，再次由瓦楞紙表面引起的熱對流效應可簡化 忽略[4]。

熱輻射部分，主要是杯子外表面的輻射對瓦楞和外表面的輻射傳遞，本文中杯子中熱飲溫度及測試環境差異較小，中間的瓦楞層為紙質材料，導熱系數小，熱輻射較難穿透瓦楞材料輻射到杯套表面，因此熱輻射在測試中的變化較小[5]。

圖1 導熱模型圖

2.1 不同克重紙張樣品對隔熱效果的影響

為便于對比，在相同瓦楞厚度的基礎上，測定不同克重紙張制作的樣品的隔熱效果樣品1（110+90）、樣品2（110+100）、樣品3（120+100）。實驗測得隔熱杯套外表面的數據如圖2所示。不同克重用紙所制作的杯套，經測試表面溫度差異在0.1～0.2 ℃，并且未能得出杯套表面溫度與用紙克重關聯性的結果。

分析上述結果，由于紙質材料其自身的多孔隙結構，紙質材料的導熱系數較低，為0.06～0.14 W/mK， 分析認為雖然采用了不同紙張克重杯套樣品，但不同克重瓦楞紙和面紙在相同瓦楞結構情況下，所形成的熱傳導路徑、熱對流及熱輻射路徑相同，所以在所測試樣品范圍內，杯套外表面溫度不會隨著用紙克重變化而產生顯著改變。

圖2 不同克重紙張樣品對隔熱效 果的影響圖

2.2 瓦楞厚度的影響

為驗證不同瓦楞厚度對杯套表面溫度的影響，增加了瓦楞成型厚度，即杯子表面與杯套表面的距離增加，對樣品4（110+90）和樣品5（120+90）瓦楞杯套進行測試，主要數據如圖3所示。樣品4與樣品1相比，在增加了瓦楞成型厚度后，表面溫度降低了3.1 ℃，導熱顯著減少。樣品5的表面測試溫度為59.9 ℃，相較于樣品3降低了2.5 ℃。樣品4和樣品5未能觀察到紙克重增加與隔熱效果有顯著的相關性。這主要是因為雖然紙的規格不變，但是通過選取不同的瓦楞成型輥，增加了成型后的瓦楞厚度，從而杯子表面至杯套表面的距離增加，造成熱傳導、熱對流的路徑增加。結合紙質和空氣的導熱系數較低（紙 0.06～0.14 W/mk，空氣0.01～0.04 W/mK），所以杯套表面溫度降低明顯。

圖3 厚度1.38 mm樣品隔熱效果圖

3 結論與討論

通過上述實驗測試，在測試范圍內變更隔熱杯套用紙的克重，對于杯套表面溫度影響較小；變更瓦楞成型厚度對于杯套表面溫度的影響更大。在測試范圍內，通過調整瓦楞成型厚度，在減少原材料使用的基礎上，可以達到更好的杯套隔熱效果。根據理論計算，調整結構和材料之后的隔熱杯套綜合節約用紙量10%。

隨著可持續發展戰略的持續深入以及對于生態環境保護認知的進一步提升，節能減排已經成為環保領域的熱門研究課題。降低10%的克重可以為包裝生產/終端用戶企業雙方帶來更強的競爭力，減少原材料的消耗，進而能進一步減少生產，運輸等制品生命周期內的溫室氣體排放及用水等。在實現經濟價值的基礎上，減少生產，使用等環節對環境產生的影響。包裝企業投入資源與精力進行優化設計，能有效實現環境保護與經濟增長互利共贏。