EPS和EPE泡沫塑料是我國目前使用的主要緩沖材料,雖然具有良好的防護能力和性能價格比, 但由于難以回收利用、不能自然風化或腐爛、焚燒處理會產生有害氣體,已成為造成環境污染的主要來源之一。隨著人們環保意識的增強,美國和歐盟等國已對泡沫塑料的使用提出限制,取而代之的是環境相容性好的包裝材料,如植物纖維類緩沖材料、瓦楞紙板、蜂窩紙板、紙漿模塑等。因此,開發環保型包裝材料、研究緩沖襯墊結構已成為國內外包裝同行研究的熱點和重點。

    以下將對植物纖維類、可降解泡沫塑料、淀粉類、膨脹珍珠巖等環保型緩沖材料的研發方法、制備工藝、緩沖特性以及應用前景進行比較分析。

    1　瓦楞紙板緩沖襯墊

    瓦楞紙板襯墊具有良好的加工性能、成本低、可回收利用,20世紀50年代就已廣泛使用, 60年代后, EPS等泡沫塑料代替了瓦楞紙板緩沖襯墊。隨著人們環保意識的逐漸增強和來自于環境方面的壓力,瓦楞紙板等緩沖襯墊又開始重返舞臺,人們對瓦楞紙板的襯墊的結構形式和緩沖性能的研究也在深入。

    文獻在論述常用瓦楞紙板襯墊的結構形式的基礎上,比較分析了幾種典型襯墊的測試結果和緩沖性能,得出了瓦楞紙板襯墊的緩沖效果與結構形式及尺寸的關系,并說明了瓦楞紙板襯墊的選用方法。文獻、采用結構化神經網絡方法,識別紙板型緩沖襯墊的非線性特性、比較識別結果與相應實測值的吻合程度,并以內裝物的最大加速度振幅為目標函數、采用非線性規劃方法,優化紙板型緩沖襯墊的模型物理參數阻尼系數C和彈性剛度K,編制數值模擬軟件。通過測試典型紙板緩沖襯墊的動態特性、分析比較了紙板襯墊的緩沖性能。文獻 通過大量試驗對瓦楞紙板緩沖襯墊進行了動態性能測試。文獻應用ADAMS軟件針對瓦楞紙板緩沖包裝,建立系統動力學分析模型,并在非線性數學模型的基礎上,對系統中瓦楞紙板緩沖系統的剛度、阻尼特性模型和系統中主要運動件在連續沖擊載荷下的受力特性進行了分析,為瓦楞紙板緩沖性能研究探索了新的方法。

    人們在研究瓦楞紙板緩沖性能的同時,也在通過改變楞型或改變結構來提高瓦楞紙板的緩沖性能。如使用微細瓦楞紙板做內襯來包裝香水、化妝品及小型電子產品,以替代傳統的EPE、EPS等泡沫塑料,既提高了包裝的抗壓強度,又提升了包裝的檔次。廣西桂林市晨光紙品有限公司研制開發出一種增強夾心瓦楞紙板(“瓦中瓦”) ,“瓦中瓦”是以普通瓦楞紙板作面里,又在兩層面里紙板之間設有瓦楞紙板和紙管的優良結構,大大增加了紙板的強度,既保留了普通瓦楞紙板的優點,又可通過調整夾心層厚薄、夾心層的幾何形狀,來調整改變瓦楞紙板的強度和緩沖性能。再如所謂的立體瓦楞紙板襯墊,其基體外緣輪廓與包裝箱內腔形狀一致,基體的包裝部位有被包裝物體外形相匹配的凹陷和凸起,緩沖性能優于紙漿模塑制品。同時還可以在襯墊內部的空隙處填充稻、麥、麻或谷類植物的秸稈,防止因擠壓而變形,提高緩沖和抗沖擊性能。在歐洲,也有使用牛皮紙或舊報紙卷成紙團做緩沖包裝。如德國不萊梅市的PSP公司開發了泡沫紙生產工藝,用回收的舊書廢紙和面粉作原料,通過擠壓,受水蒸汽作用發泡,形成泡沫紙。

    雖然瓦楞紙板具有良好的減震性能,適合小荷載流通環境,但在運輸過程中,難免會出現較大沖擊荷載的情況,此時瓦楞紙板減震能力有些力不從心。相對于瓦楞紙板,蜂窩紙板具有良好的承壓能力和抗彎性能,對于大荷載有較好的能量吸收和減震能力。若將兩者的優點相互結合使用,則可揚長避短,瓦楞紙板用于承受小荷載,蜂窩紙板用于承受偶爾出現的較大沖擊荷載。文獻對瓦楞紙板、蜂窩紙板及其組合結構3種材料進行了壓縮試驗,并將組合結構與另外兩種材料的緩沖特性曲線進行比較,組合結構兼具有兩者的優點,對于小荷載和較大載荷都有良好的緩沖能力。據有關專家預測,瓦楞蜂窩復合紙板的潛在市場十分巨大,其市場需求量將會超過幾億平方米/年。

    用紙墊代替泡沫塑料作為緩沖材料,既有利于環境保護,又可以回收再生,降低成本。瓦楞紙板襯墊不僅在容器中能阻隔產品,而且在產品受到外界沖擊時,能吸收能量,延長內裝產品承受沖擊脈沖的作用時間,具有良好的緩沖性能。從近幾年新型瓦楞紙板的開發和應用來看,瓦楞的微型化、結構的多樣化、小定量、低成本、高品質是瓦楞紙板未來的發展趨勢。

    2　蜂窩紙板襯墊

    蜂窩紙板是近十幾年在中國迅速發展的新型包裝材料,具有較好的韌性和回彈性,獨特的蜂窩夾芯結構提供了優異的緩沖性能,在所有的緩沖材料中具有更高的單位體積能量吸收值,高厚度的蜂窩紙板可替代EPS塑料泡沫緩沖墊。蜂窩紙板用作緩沖襯墊主要有兩大類,彈力型和折疊型,多采用局部和護角的形式保護產品,常用于正長方形商品,也適合體積大、表面脆弱、防震緩沖要求高的大型電子儀器、計算機和家具、大型平板玻璃和玻璃制品。

      對蜂窩紙板的靜態性能進行了測試,在建立力學模型的基礎上,分析了蜂窩紙板的力學特性和緩沖性能,試驗證明蜂窩紙板具有優良的緩沖性能,具體體現在線性彈性變形和非線性彈性變形。文獻在測試蜂窩紙板典型結構襯墊靜態力學特性的同時,比較分析了幾種常用緩沖材料的力學特性。實驗表明蜂窩紙板緩沖襯墊比瓦楞紙板襯墊更抗壓、抗折,其剛性好于泡沫塑料,是一種具有較好的韌性和回彈性的緩沖材料。文獻、[ 11 ]基于跌落沖擊試驗和振動試驗,研究了4種不同厚度的蜂窩紙板的緩沖防振性能,獲得了動態緩沖曲線的經驗公式和振動傳遞率曲線特征系數(峰值頻率、傳遞率及阻尼比) 。試驗結果表明蜂窩紙板的動態緩沖曲線呈凹谷狀,開口向上,只有一個極小值點,沖擊加速度波形近似于半正弦波,沖擊作用時間較長,吸收的沖擊能量較大,具有良好的動態緩沖特性;振動傳遞特性具有多模態性,有主次之分,對高頻振動有顯著的衰減性。

    近幾年人們對蜂窩紙板緩沖襯墊的性能做了大量研究,為蜂窩紙板的應用提供了依據。為了與國際市場接軌,國內許多知名電器品牌從2001年就開始用蜂窩紙板陸續替代EPS發泡塑料襯墊。如海爾的空調柜機,已開始正式批量采用蜂窩紙板包裝材料,不僅降低了包裝成本,減少了“白色污染”,為外貿企業產品出口打開了一條“綠色通道”。

    中國紙蜂窩行業起步較晚,生產線設備的研制開發、制品的結構設計和制品制作加工能力及制品的系列化、標準化、多樣化等工作進展緩慢。蜂窩紙板作為一種新型的包裝材料具有廣闊的前景,解決目前生產技術上的一系列問題是其進一步推廣應用的前提,作為環保緩沖包裝襯墊將促進我國出口包裝的發展。

    3　紙漿模塑制品

    紙漿模塑起始于20世紀60年代,具有制造成本低,不污染環境,可回收利用等優點,成為替代EPS等泡沫塑料的環保型緩沖材料。

    文獻[ 12 ]在研究紙漿模塑制品緩沖性能、結構和所受的載荷的基礎上,提出了紙漿模塑的緩沖機理,并利用有限元方法模擬載荷下的響應,研究表明紙漿模塑制品的結構對緩沖性能起主要作用。文獻[ 13 ]將廢紙箱預處理制得的紙漿中加入淀粉膠粘劑,模壓成型后采用物理成孔方法制成新型紙漿模塑緩沖襯墊。并通過靜態壓縮試驗得到新型材料的彈性狀態方程、靜態應力- 應變曲線、緩沖系數- 應力曲線,實驗表明這種采用物理發泡方法制成的紙漿模塑緩沖襯墊節約材料、成本低、透氣性好,具有一般紙漿模塑材料的優點又獨具特色。文獻[ 14 ]用試驗測試方法,分析了肋狀結構單元的靜態壓縮曲線、緩沖結構單元發生彈性變形的極限載荷和最大載荷比值、緩沖結構單元數與承受最大載荷之間的關系,并根據紙漿模塑緩沖結構單元的靜態壓縮曲線,研究了紙漿模塑緩沖包裝結構設計的原理。文獻對紙漿模制品結構緩沖性能進行了研究,得出紙漿模制品結構(如壁厚、高度、側壁斜度、承載邊長和過渡圓角半徑)對其緩沖性能影響很大的結論。

    在人們研究紙漿模塑制品緩沖性能、特點、緩沖機理的同時,也在不斷地開發新型結構的紙漿模塑制品,如封閉和半封閉式型腔紙漿模塑制品。目前紙漿模塑制品都是在單一的凸或凹的網模表面上形成,所以制品只能是開放式單層型腔,開放式單層型腔無論如何變化,受力時型腔容易變形,承載能力小,剛性較差。而這種封閉和半封閉式型腔制品的獲得方法是:第一步是組合模具合模,形成一個組合模腔,這種組合模腔必須有一個以上的進漿口;第二步是組合模具進入漿池,組合模具上設計的真空機構開始工作,在組合模具模腔內壁上形成濕紙坯;第三步是組合模具升出漿池,真空機構繼續起作用,完成吸濕過程;第四步是組合模具開模,使濕紙坯留在其中一個模具上,濕紙坯再從該模具上轉移,完成濕紙坯成型過程。封閉和半封閉式型制品的出現,使紙漿模塑制品完全可以替代發泡塑料應用在工業品內包裝上,彌補了原有紙漿模塑制品應用的局限性。

    紙漿模塑制品以代替EPS等泡沫塑料作為“九五”和“十五”期間包裝改進的重點。但目前紙漿模塑制品應用只占全部電子產品包裝材料的2%左右,紙漿模塑制品代替EPS等材料的研究應用進展緩慢。紙漿模塑制品作為環保型緩沖襯墊的積極作用正被人們認識和接受,可挖掘的潛力很大。同時,電子信息產業的迅速發展為中國包裝工業迎來了新的發展機遇。通過開展與紙漿模塑緩沖制品性能有關的