緩沖氣柱袋在運(yùn)輸包裝中的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究現(xiàn)狀

徐健+劉曉玉+王保升

緩沖包裝是電子產(chǎn)品、家用電器、儀器儀表、玻璃陶瓷等各種易損易碎物品運(yùn)輸過程中不可缺少的一部分，對產(chǎn)品運(yùn)輸安全起著重要的作用。目前，常用的緩沖包裝材料主要有發(fā)泡塑料、紙板等。隨著綠色包裝的興起和“限塑令”的實(shí)施，發(fā)泡塑料由于無法自然分解且燃燒時(shí)具有毒性等劣勢，成為實(shí)現(xiàn)綠色包裝的巨大阻礙。而紙板雖然比發(fā)泡塑料的后期處理更具優(yōu)勢，但在前期需耗費(fèi)大量資源，生產(chǎn)過程中也具有一定的污染性，并且其在作為緩沖結(jié)構(gòu)時(shí)需要進(jìn)行多次折疊，這無疑會(huì)造成人力資源的浪費(fèi)，不利于智能制造在包裝行業(yè)的推進(jìn)。

在這種情況下，一種自然空氣填充的新型包裝系統(tǒng)—緩沖氣柱袋，受到了行業(yè)人士的重視，如今其已成為最具環(huán)保概念的緩沖包裝材料之一，且表現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

緩沖氣柱袋的優(yōu)勢與應(yīng)用

1.優(yōu)勢

與泡沫塑料、蜂窩紙板等緩沖材料相比，緩沖氣柱袋具有較為突出的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

（1）結(jié)構(gòu)簡單

對于質(zhì)量較輕的產(chǎn)品，只需根據(jù)產(chǎn)品的外形尺寸合理選擇緩沖氣柱袋的尺寸，并將其充入氣體，裹包在產(chǎn)品周圍，放入紙箱以供運(yùn)輸和銷售即可。

（2）應(yīng)用范圍廣

緩沖氣柱袋具有良好的回彈性、溫濕度穩(wěn)定性、吸濕性、防震性，可廣泛應(yīng)用于電子、食品、文物和儀器儀表等產(chǎn)品的運(yùn)輸過程。

（3）優(yōu)良的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益

緩沖氣柱袋的優(yōu)良緩沖性有效避免了產(chǎn)品（尤其是精密儀器、易碎品及軍工產(chǎn)品等產(chǎn)品）在儲(chǔ)運(yùn)過程中的損壞，減小了經(jīng)濟(jì)損失，而且緩沖氣柱袋的原料便宜，加工設(shè)備簡單，既降低了包裝成本，又提高了產(chǎn)品利潤。

（4）良好的環(huán)保效益

相比泡沫塑料，緩沖氣柱使用量少，而且，廢棄的緩沖氣柱袋薄膜可以回收再利用，減小了對環(huán)境的污染，具有良好的環(huán)保效益。

2.應(yīng)用功能

緩沖氣柱袋最早出現(xiàn)于法國，主要應(yīng)用于紅酒包裝（如圖1所示），可避免紅酒在運(yùn)輸途中發(fā)生碰撞損害。如今，緩沖氣柱袋的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)非常廣泛，凡是運(yùn)輸過程中需要緩沖保護(hù)的產(chǎn)品幾乎都能使用，歸納起來主要有以下幾種應(yīng)用功能。

（1）緩沖和防震功能

緩沖氣柱袋的剛性會(huì)隨著壓縮量的變大而增大，因此其承載能力范圍較大，具有良好的緩沖性能。在流通過程中容易損壞的商品均可采用緩沖氣柱袋，如顯示器、手機(jī)、攝像機(jī)、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等電子產(chǎn)品，茶具、玻璃瓶、瓷器等陶瓷和玻璃制品，打印機(jī)、掃描儀、鐘表、汽車零部件等精密儀器。

（2）防護(hù)功能

緩沖氣柱袋的防護(hù)功能主要體現(xiàn)在防潮和防表面摩擦刮擦等方面。對于電子產(chǎn)品和精密儀器來說，儲(chǔ)運(yùn)過程中的防潮也是基本要求之一，采用緩沖氣柱袋包裝，在為這些產(chǎn)品提供良好緩沖的同時(shí)還能有效防潮。而對于木制家具等在搬運(yùn)中容易因磕碰和摩擦而掉漆的商品來說，使用緩沖氣柱袋則能有效防止產(chǎn)品在包裝內(nèi)的移動(dòng)，貼體保護(hù)產(chǎn)品，使其免于磕碰和摩擦，對產(chǎn)品表面起到很好的防護(hù)作用。

（3）快捷功能

緩沖氣柱袋在充氣前大約為幾張紙的厚度，卷料放置不會(huì)占用過多的倉儲(chǔ)空間。使用時(shí)只需通過充氣口充入空氣便可直接使用（如圖2所示），操作簡單、快捷，質(zhì)量輕，可顯著減輕包裝人員和快遞人員的負(fù)擔(dān)。

緩沖氣柱袋研究現(xiàn)狀

正是因?yàn)榫彌_氣柱帶在包裝領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，吸引了廣大科研工作者的研究熱情，并取得了顯著成果。

在國外，美國德州大學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室早在1959年就對圓柱形氣柱袋的性能進(jìn)行了研究，通過跌落試驗(yàn)來模擬沖擊過程，從而找出氣囊與發(fā)泡塑料之間的差異，選出更優(yōu)的緩沖材料，并在此基礎(chǔ)上，對其他形狀的空氣袋進(jìn)行了研究。之后他們分別通過振動(dòng)試驗(yàn)和重復(fù)性跌落試驗(yàn)來驗(yàn)證溫度和濕度對氣柱袋靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的影響。

在國內(nèi)，一些研究者通過系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了緩沖氣柱袋的最大沖擊載荷、最合適充氣量，以及滿足最佳緩沖功能時(shí)氣柱袋的形狀和尺寸等。其中，有許多研究結(jié)果具有重大的指導(dǎo)意義，比如研究不同寬度尺寸的緩沖氣柱袋在不同跌落高度下的緩沖性能時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)隨著跌落高度的增加，同一寬度尺寸的緩沖氣柱袋最大沖擊加速度也會(huì)增加，其所能承載的最大靜應(yīng)力則會(huì)減小。同一跌落高度條件下，隨著氣柱寬度的增加，最大沖擊加速度會(huì)減小，其所能承載的最大靜應(yīng)力則會(huì)逐漸增加。此外，在新材料的研發(fā)上也有一些新突破，湖南工業(yè)大學(xué)研究了由高強(qiáng)度牛皮紙和水溶性PVA薄膜復(fù)合材料制作的緩沖氣柱袋，并對成品進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)以及包裝貨物試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明這兩種緩沖材料均能滿足運(yùn)輸過程中的緩沖要求。

緩沖氣柱袋設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)存在的問題

盡管，關(guān)于緩沖氣柱袋的性能研究已經(jīng)非常深入，但從其包裝設(shè)計(jì)的科學(xué)視角和工程應(yīng)用視角來看，還存在一些問題亟待解決。

1.缺少緩沖氣柱袋設(shè)計(jì)的具體參考方法

目前，有關(guān)緩沖氣柱袋性能的大部分研究均以試驗(yàn)法為主，缺乏定性分析充氣氣壓、氣室直徑和氣室長度等參數(shù)對緩沖性能的影響，難以真正用來指導(dǎo)緩沖設(shè)計(jì)和應(yīng)用。即使提出了一些數(shù)學(xué)模型，也相當(dāng)復(fù)雜，對于工程應(yīng)用人員來說，公式太過晦澀，難以實(shí)現(xiàn)落地性的指導(dǎo)作用。

目前，緩沖氣柱袋的充氣壓力仍是隨意填充，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略確定。這能夠滿足普通產(chǎn)品的基本要求，但對于高精密貴重電子儀器等產(chǎn)品來說，這種粗略的填充方法難以提供最優(yōu)的緩沖效果，充氣壓力過大時(shí)，氣柱袋極易在擠壓下發(fā)生爆破，反而會(huì)對產(chǎn)品造成一定的沖擊傷害?？梢姡錃鈮毫彌_性能的影響非常顯著，要使緩沖氣柱袋對內(nèi)裝物提供最佳的緩沖效果，需要依據(jù)緩沖氣柱袋材料的脆值等特性，通過較為嚴(yán)密的計(jì)算，合理確定充氣氣壓。但截至目前，在包裝行業(yè)內(nèi)，尚未推出可供行業(yè)人士參考的關(guān)于緩沖氣柱袋具體設(shè)計(jì)的統(tǒng)一方法和具體步驟。

2.氣柱袋防震性能的研究不足

從目前的研究來看，人們對緩沖氣柱袋振動(dòng)特性的研究還明顯不足，產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，隨著內(nèi)裝物對緩沖氣柱袋的壓縮，導(dǎo)致其剛性表現(xiàn)出時(shí)變性，即在受到不同載荷作用時(shí)，緩沖氣柱袋具有不同的剛性，從而對包裝系統(tǒng)的固有頻率造成一定影響。緩沖氣柱袋振動(dòng)傳遞性能的影響因素較為復(fù)雜，且目前對這一特性的研究還有待進(jìn)一步深入。

3.基于空氣動(dòng)力學(xué)理論的氣柱袋緩沖性能尚待研究

在跌落沖擊和振動(dòng)作用下，緩沖氣柱袋中的氣體會(huì)發(fā)生高速流動(dòng)，這種情況下，以靜壓縮過程分析氣體緩沖包裝的能量吸收性能和緩沖性能的結(jié)果會(huì)偏于保守，氣柱袋的緩沖機(jī)理并未得到完全揭示。因此，還應(yīng)該對緩沖氣柱袋中密閉空氣在高速?zèng)_擊和振動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究，以獲得其在沖擊過程中的動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變，建立緩沖氣柱袋的本構(gòu)模型，從而提高其緩沖性能表征的精準(zhǔn)性。對此，可以利用空氣動(dòng)力學(xué)理論系統(tǒng)地研究氣柱袋的緩沖性能，揭示緩沖性能與氣柱袋參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，探索利用氣體進(jìn)行緩沖保護(hù)的具體方案，這樣才能使緩沖氣柱袋的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更為科學(xué)，最大限度地發(fā)揮其功能。