20世紀末21世紀初，在包裝業(yè)界有一個比較熱門的關(guān)鍵詞——紙蜂窩。從它被發(fā)明到開始廣泛應用，歷經(jīng)了半個世紀的發(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)計開發(fā)的經(jīng)驗，談談紙蜂窩在運輸包裝中的應用及設(shè)計要領(lǐng)，以期達到拋磚引玉的效果。

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)固而堅實，具有高平壓強度、輕質(zhì)量等特征。相應的，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、科技的各個方面，如緩沖包裝、貨運容器、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，就必然要談到其結(jié)構(gòu)特點，因為紙蜂窩制品的應用推廣正是基于其結(jié)構(gòu)特點。蜂窩紙板由多排并列的連續(xù)六邊形紙結(jié)構(gòu)組成，單個蜂孔具有紙質(zhì)的外壁，六邊形的兩個端面用紙或其它材質(zhì)的薄材閉合，形成一個個封閉的氣室。由于紙蜂窩制品的組成成分復雜，包括植物纖維、粘合劑、空氣等，因此其性能復雜。

    1.物理性能

    紙蜂窩板的緩沖耗能主要集中在兩個方面：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)出非線性包裝力學特點。當它產(chǎn)生動態(tài)應力與應變時，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：當它受到外力時，一方面分子鏈可以變形，另一方面會產(chǎn)生分子鏈的滑移；當除去外力后，變形的分子鏈要恢復原位，釋放外力所作的功，但分子鏈不能*恢復原位，會產(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物，但其力學特性與聚合物有一定的區(qū)別，主要是因為在紙蜂窩板中氣體占有絕大部分體積，對其特性存在較大的影響。當紙蜂窩板受壓時，閉合蜂孔中的氣體被壓縮，機械能轉(zhuǎn)化成熱能，貯存能量，隨著壓力的進一步增大，蜂窩中的氣體開始泄漏，形變增大，損耗能量。

    2.力學性能

    紙蜂窩板緩沖力學的主要特性如下：
    （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）紙蜂窩板的平壓強度隨孔徑的增加而降低，而當厚度高于一個臨界值后，隨厚度的增加而增強（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度，提高抗沖擊性能。

    3.化學性能

    （1）因為紙蜂窩板主要材料由紙質(zhì)纖維粘合而成，材料本身不具有抗潮抗?jié)裥阅?，所以如果生產(chǎn)過程中使用了堿性粘合劑，那么在使用過程中它就會吸收環(huán)境中的水分。因此，在惡劣的環(huán)境下使用紙蜂窩板，其平壓強度和緩沖性能會有所降低。
    （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)計制作成不同的結(jié)構(gòu)，從而達到必要的緩沖作用。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，模切使其能更好地貼合產(chǎn)品外形。
    （2）預壓　通過預壓，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規(guī)整，但對加工精度和細節(jié)要求較高。

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

 

三、紙蜂窩包裝制品的設(shè)計思路

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

    1.材料

    組成紙蜂窩板的基本要素有三個：紙蜂窩芯、面紙、粘合劑。紙蜂窩芯的蜂格大小、紙定量、紙強度和厚度，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度、環(huán)境耐受度，對平壓強度也有較大的影響；粘合劑將這二者粘接在一起，直接影響著產(chǎn)品的力學與物理機械性能。在設(shè)計過程中要綜合考慮被包裝產(chǎn)品的緩沖需求，將這三個要素協(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，但缺陷也很明顯，歸納起來主要有以下幾點：
    （1）空間和載荷支撐能力優(yōu)于EPS或紙漿模塑制品，因此要求強度往往比要求緩沖容易得多；
    （2）復雜形狀及異面適應能力差；
    （3）表面摩擦顯著，不利于對精細產(chǎn)品外觀的保護；
    （4）面戳穿能力差；
    （5）環(huán)境適應能力有限。
    因此，在進行蜂窩緩沖制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要工作就是揚長避短，創(chuàng)新包裝方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)功能性和服務性的結(jié)合。

四、紙蜂窩包裝制品的應用實例

    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)泡塑料材料兩個方面。下面列舉幾個比較普遍的應用實例：

    1.蜂窩托盤的設(shè)計

    zui初的蜂窩托盤是針對木托盤而設(shè)計開發(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，進行優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計，來實現(xiàn)其承載能力。

    （1）確定產(chǎn)品流通環(huán)境
    產(chǎn)品流通環(huán)境按運輸渠道可分為陸地、海運、空運三種方式；按運輸工具可分為火車、汽車、集裝箱、人工搬運。

    在實際運輸過程中，上述各流通方式都有交叉的地方，比如一個產(chǎn)品可能既要經(jīng)過陸運，又要經(jīng)過空運、海運，在運輸過程中，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)廠到用戶家里這個過程中一個普遍的情況。

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

    對于單個產(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、零件等需進行集合包裝的貨物，則需要根據(jù)國家相關(guān)標準、運輸貨柜（或集裝箱）內(nèi)容量、產(chǎn)品體積等計算*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)運輸工具（包括貨柜、運輸車柜或集裝箱）內(nèi)高、產(chǎn)品整機的裝箱量，在一個較小的范圍內(nèi)進行調(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)及計算方法如下：
    承載重量由被包裝產(chǎn)品總重量決定，計算公式如下：
    托盤靜態(tài)承載重量＝k·N·Mmax
    托盤動態(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)計方案
    對于整機產(chǎn)品，托盤的設(shè)計方案是附屬于產(chǎn)品設(shè)計方案的，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，則可單獨擬訂設(shè)計方案，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，并為人工搬運或機械轉(zhuǎn)運提供足夠的抗彎曲撓度。在轉(zhuǎn)運過程中盤體受到叉車臂向上的力值，進叉方向（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。對于需四面進叉的托盤，其撓度應為各向同性；對于對稱兩面進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、橫向彎曲強度相差不應超過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、紙型鋼等起到保護蜂窩紙板、增加強度之用。

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

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

    支撐腳是托盤的承力部分，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和堅實程度直接決定了貨物靜態(tài)放置時的可靠性，因此支撐腳的設(shè)計必須滿足幾點要求：
    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)，支撐腳的變形量應小于10mm；
    ④支撐腳間距應符合機械搬運設(shè)備的特點；
    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現(xiàn)

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

    集合單元的穩(wěn)定性可通過三種方式實現(xiàn)：其一，使用拉伸膜纏繞或熱縮膜裹覆，使一個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，同時實現(xiàn)出口產(chǎn)品的環(huán)保要求，滿足歐美等國家對進口產(chǎn)品提出的種種要求。

    因此，在進行托盤設(shè)計時應注意選材，在保證強度、所需實現(xiàn)功能和適當?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

    （1）紙蜂窩容器的特點
    容器的主要材料為蜂窩紙板，輔以恰當?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)，具有較高的平壓強度，這在設(shè)計容器時既有有利的一面，也有不利的一面。在水平方向上抗壓強度較高，但抗垂直壓強的能力卻不足。另一方面，蜂窩紙板本身的戳穿強度較低，在設(shè)計容器時也應注意予以彌補。

    （2）明確容器物理特性
    在設(shè)計容器時首先應明確容器的用途、使用環(huán)境、承載重量、內(nèi)裝物特點，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、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)計師們應銳意創(chuàng)新，借鑒其它材料容器實例，充分發(fā)揮紙質(zhì)型材的優(yōu)點，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，必須保證粘接強度足以對抗容器在使用過程中各個方向的張力。
    紙蜂窩板間面與面接觸時亦可僅靠粘合劑實現(xiàn)連接，但當面與棱邊、棱邊與棱邊連接時，則需采用其它的加固件、連接件進行連接。常用的方法是：先在蜂窩紙板上填預埋件，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行連接固定。
    在這一方面將會較多應用到板式家具的加工固定方式。

    （5）紙型材容器弱點的彌補

    ①楞邊加強
    鑒于蜂窩紙板邊角強度差，垂直抗壓能力弱，在設(shè)計容器時應注意對容器楞邊的保護和加強。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、加紙鋼板加強等方式。
    ②增加抗戳穿強度
    蜂窩紙板的表面只有一層牛皮卡紙，當zui高克度的紙張也不能滿足容器的抗戳穿強度時，就應考慮增加其它材料予以彌補了。
    ③防潮性能的實現(xiàn)
    實現(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

    在進行該類緩沖襯墊設(shè)計時，其設(shè)計思路與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)計襯墊結(jié)構(gòu)方式，并針對薄弱點增加附件，進行加強設(shè)計。

    在進行方案設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應注意各種紙質(zhì)材料本身特性的充分發(fā)揮，必要時可根據(jù)情況與其它材料配合使用，從而實現(xiàn)揚長避短，節(jié)約成本的效果。蜂窩紙板作為緩沖襯墊，設(shè)計中的zui大難點在于其異形加工難，邊壓強度低，整體性差等。零件越復雜，加工成本越高；接觸面積越小，越容易壓潰；一旦壓潰，其二次保護性能差……這些都需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來彌補。另外，設(shè)計時還必須考慮零件的裝配工藝、運輸、倉儲堆碼方面的因素，使工藝實施盡可能簡單，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用越來越廣泛，但它并非是一種的材料，在設(shè)計中應當堅持“揚長避短”的原則，綜合利用各種材料的優(yōu)良之處，或許能夠設(shè)計開發(fā)出更為理想的緩沖包裝制品。

    任何一個產(chǎn)品設(shè)計完成后，都不是達到狀態(tài)，總會有改進的空間；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)者進行更多地交流，共同進步。