纸浆模塑产品结构对缓冲性能的影响

塑料包装废弃物对环境造成的“白色污染”已经越来越引起人们的广泛关注。纸浆模塑制品作为典型的绿色包装材料，从原料、生产工艺到最后的废弃物的处理方式都充满了绿色。生产纸浆模塑制品的原料是纸纤维，而且绝大多数产品用的是废纸，废物利用不但减少资源消耗，减少环境污染，还大大降低成本，这样既可以节省资源,保护生态环境,又符合国内国际包装工业材料应用发展的趋势,因而成为塑料餐具、包装制品的最佳替代品,纸浆模塑制品蕴含着巨大的社会效益和经济效益,是21世纪理想的绿色包装制品。

纸浆模塑制品（Pulp Mould Products）是以一定浓度的纸浆，加入适量化学助剂在带有滤网的模具成型机中通过真空或加压的方法使纤维均匀分布在模具表面，从而形成具有拟定几何形状与尺寸的湿纸模胚，经过进一步脱水脱模，干燥整饰而成的制品。纸浆模塑制品通常分为两类；用成品纸浆做原料生产的快餐盒、盘、方便面碗等生活用品类。用废纸做原料生产的包装、衬垫、充填材料以替代白色塑料泡沫制的工业用品。

目前纸浆模塑制品在包装工业中的应用范围在逐渐扩大。发展初期，鸡蛋托盘，瓶类托盘和水果托盘等浅盘类纸浆模塑制品应用较普遍。随着工艺技术、加工设备及结构设计水平的提高，用在工业产品包装中的部分或全部缓冲包装结构形式及起固定作用的包装结构形式在单体，组合，集合包装应用中，其产品种类不断增加，使纸浆模塑包装结构产生多种多样的变化。随着纸浆模塑技术开发、应用范围的不断扩大，纸塑制品不仅仅局限在商品包装上，现已在农业、快餐具、医疗等领域应用。

纸浆模制品的缓冲结构参数

要适应各种不同形状尺寸、重量、脆值的被包装产品的缓冲包装，纸浆模制品需要以相应的结构形式对应的几何形状和尺寸来满足这种要求，采用结构参数表达缓冲模体经受载荷、变形和缓冲性能的相互关系是建立纸浆模制品缓冲设计方法的基础。

任何复杂的缓冲结构体均可以分解成简单的几何结构形状或基本结构形状的组合，图1是纸浆模包装应用中常用的基本结构体：方台、圆台、三棱台和阶状体。

已有的研究表明：圆台的抗压能力在变形约为7mm时达到了峰值，然后压力载荷变化趋于平缓。三棱台形状制品所能承受的压力载荷明显低于圆台制品。并且，压力载荷接下来呈下降趋势。三棱台缓冲结构的长宽比变化对其的抗压能力几乎没有影响。

关于缓冲性能，虽然两种结构形状的曲线最小传递加速度值几乎相同，但圆台形状制品的缓冲曲线明显位于右侧，并且开口也更宽。这说明当达到相同的传递加速度时，圆台结构比三棱台制品能承受更高的静应力，并且所适应的静应力范围也更大。不同长宽比三棱台结构制品呈现出相同的缓冲曲线，这说明三棱台长宽比的变化不影响纸浆模塑制品的缓冲效果。

原材料与辅剂和加工工艺确定后，纸浆模制品的缓冲设计是根据被包装产品的性能与包装要求，根据仓储及运输流通条件来确定纸浆模体的包装结构形式，选择基本模体结构并结合产品形状来确定纸浆模结构体的变化与组合。模体结构形成、尺寸与形状变化是以模体结构参数与缓冲性能之间的关系为依据的。结构参数的变化会改变缓冲结构体的载荷能力，能量吸收作用及弹性恢复作用等。

模体基本结构形状的包装性能用纸浆模结构缓冲参数表达为:

1、模体壁厚

模体壁厚是纸浆模结构缓冲壳体的平均厚度。模体厚度是缓冲结构体承受载荷能力的主要因素之一。当成型加工工艺方法与纸浆原料确定后，纸浆模制品的厚度能够稳定在某一厚度范围上。因加工工艺的差别，模体密度有较大的变化范围，模体厚度要辅以模体材料平均密度来体现模体结构的缓冲性能。当缓冲结构形式和模体形状确定后，随着模体厚度的增加其承载能力也随之增加。调整模体厚度可以使缓冲结构设计适合不同重量产品的包装要求。用于工业品包装的纸浆模制品的平均厚度范围在0.2～20mm。

2、模体缓冲高度

模体缓冲高度是指承受载荷模体的两个承载面之间的最小距离。模体缓冲高度不同于模体的加工高度。包装产品在流通过程中要经受来自各方向的外力并且要满足棱、角、面各部位动态侧试标准，而纸浆模制品加工过程会产生拔模斜度，垂直于出模方向的模体缓冲高度为沿该方向被包装产品与模体接触部位到包装容器内壁的最小距离。

缓冲结构体的高度根据被包装产品的形状与重量及运输环境有很大的变化范围。当其它缓冲结构参数确定后，结构体高度变化会改变模体的最大承载能力。改变对冲击振动能量的吸收，影响受载后模体的弹性恢复作用。根据被包装产品的特征，缓冲模体的高度既要提供足够的缓冲变形空间，又要满足模体排列所给定的包装空间。缓冲包装应用中的模体高度多在15～75mm之间，承受载荷的基本结构模体高度过高时，在载荷作用下会产生弯曲现象，无法达到预定的缓冲作用。

当静应力较低时，纸浆模塑制品的缓冲效果最好，缓冲衬垫的高度变化并没有多大的影响。随着静应力的逐渐增加，缓冲距离越高，传递加速度值越低，能承受的静应力越高。

3、模体侧壁斜度

结构缓冲的侧壁斜度是模体成型加工过程中出模方向与模体侧壁间的夹角。结构体各壁面的侧壁斜度可以相同，或根据包装要求采用不同的侧壁斜度。

缓冲结构体侧壁斜度不仅在成型加工中影响脱模的难易程度和成品率，还直接关系着结构模体的强度、弹性恢复作用及模体的排列方式。模体的侧壁斜度较大时，加工过程中易于脱模，但模体的承载能力会随着侧壁斜度的增加而降低。当斜度超过15°时，模体在动态冲击作用下有撕裂现象产生，造成缓冲作用失效。对给定的包装设计尺寸，模体的排列数量随模体侧壁斜度增加而减少，根据模体的高度、承载要求和缓冲要求，功能结构模体的侧壁斜度变化范围从3°～12°，连接结构模体的侧壁斜度无特定要求。用于中、小型工业品包装的纸浆模制品的模体侧壁斜度多约为4°左右。

4、承载边长

缓冲结构体承受载荷的侧壁沿载荷方向的投影长度。由于纸浆模制品是三维壳状结构，受载结构体无法像实体缓冲材料如EPS那样，通过受载方向上的投影面积来计算应力应变关系，从而计算吸收值和缓冲系数。采用受载底边长来表达结构变化与缓冲性能之间的关系，易于确定模体的结构形状和排列方式，受载底边长对缓冲性能的作用，根据结构形状及参数来确定。

5、过渡圆角半径

结构体侧壁壁面相交处的圆角半径。多数情况下模体的过渡圆角是确定的。圆角半径一般为3～10mm。过渡圆角半径对模体的峰值承载能力作用很小，但会改变模体受载初期的初始弹性率和受载变形后的弹性恢复率。增加过渡圆角会减小初始弹性率，模体的弹性恢复作用会有小量增加。较大的过渡圆角有利于增加装箱预紧力。

6、结构单元数

缓冲结构单元为n个的纸浆模塑制品所能承受的最大压力是：缓冲结构单元为一个的纸浆模塑制品所能承受最大压力的n倍以上。