紙質(zhì)隔熱杯套隔熱效果的研究

◎ 劉常盛

（星巴克企業(yè)管理（中國(guó)）有限公司，上海 200233）

咖啡作為當(dāng)今世界三大飲品之一，其消費(fèi)量越來(lái)越多。為了消費(fèi)者方便握持盛有熱咖啡的杯子，商家會(huì)提供一個(gè)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(diǎn)綴飲品和提升品牌影響力的作用。隔熱杯套最早由美國(guó)奧里根州杰伊·索倫森所研發(fā)設(shè)計(jì)，杰伊使用一個(gè)斜切口設(shè)計(jì)，使其相互對(duì)插，然后根據(jù)面巾紙印花紋路的啟發(fā)，在紙上印出凹凸紋路來(lái)解決隔熱問(wèn)題。隔熱主要依據(jù)導(dǎo)熱原理進(jìn)行，物體各部分未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠物體的分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱(chēng)為傳導(dǎo)性傳熱，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)熱[1]。導(dǎo)熱可以分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種方式進(jìn)行。

熱傳導(dǎo)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(dǎo)的必要條件。從微觀角度來(lái)看，物體中存在大量的分子，高溫度部分分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大，低溫度部分分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能較小，不同動(dòng)能的分子在彼此大量碰撞的過(guò)程中，將熱能從動(dòng)能高的部分傳至動(dòng)能低的部分，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，從而物體不同部分或物體間溫度差異逐漸減小[2]。根據(jù)材料的熱傳導(dǎo)性能不同，將容易傳熱的一類(lèi)物質(zhì)稱(chēng)為熱的良導(dǎo)體，如金屬材料；將那些不容易進(jìn)行傳熱的物質(zhì)稱(chēng)為熱的不良導(dǎo)體，例如陶瓷、木質(zhì)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(duì)流是指不同溫度的液體或氣體相遇時(shí)，相互間會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)流動(dòng)，從而使溫度逐漸趨于平衡的過(guò)程。從是否有外界其他因素干擾方面區(qū)分，熱對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種形式。本文中測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行，均為自然對(duì)流方式。

熱輻射相關(guān)定義如下，任意物體當(dāng)其溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，會(huì)向其周?chē)l(fā)出輻射（電磁波）來(lái)發(fā)射能量，從而進(jìn)行熱量傳遞，這種輻射叫熱輻射。熱輻射不需要依靠介質(zhì)進(jìn)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(fā)展演變至今，常見(jiàn)制作材質(zhì)是卡紙、 瓦楞紙等。其隔熱原料主要是通過(guò)在熱杯外增加一層熱傳遞慢的材料，降低消費(fèi)者握持時(shí)表面溫度，起到防止?fàn)C傷的作用。隨著咖啡消費(fèi)量和外帶數(shù)量的增加，隔熱杯套的用量也越來(lái)越大，研究不同結(jié)構(gòu)、材料對(duì)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(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，符合可持續(xù)性發(fā)展的需求。本文重點(diǎn)對(duì)紙張克重和瓦楞厚度對(duì)杯套樣品隔熱效果的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

具體樣品用紙規(guī)格詳見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)樣品參數(shù)表

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱電偶溫度計(jì)（EXTECH SDL200）、計(jì)時(shí)器、可控溫加熱壺。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(kāi)始后，持續(xù)測(cè)試記錄溫度5 min，每5 s記錄一次杯內(nèi)和杯套表面溫度數(shù)據(jù)，記錄杯內(nèi)和杯套表面最高溫度。

2 結(jié)果與分析

為便于理解，構(gòu)建本文研究的導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖1可見(jiàn)，熱量從杯子外表面向隔熱杯套外表面?zhèn)鬟f，同樣適用于熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種形式。

熱傳導(dǎo)部分，主要是杯子表面熱量從杯子外表面經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)至瓦楞紙與杯子接觸部分，再傳導(dǎo)到杯套外表面紙，主要影響因素為熱量傳導(dǎo)的路徑，即經(jīng)過(guò)瓦楞高度方向所經(jīng)過(guò)的路線(xiàn)。

熱對(duì)流部分，主要是通過(guò)杯子表面至杯套表面的空氣進(jìn)行對(duì)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(duì)流層距離有所變化。本測(cè)試中結(jié)合紙是熱的不良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)至瓦楞紙，再次由瓦楞紙表面引起的熱對(duì)流效應(yīng)可簡(jiǎn)化 忽略[4]。

熱輻射部分，主要是杯子外表面的輻射對(duì)瓦楞和外表面的輻射傳遞，本文中杯子中熱飲溫度及測(cè)試環(huán)境差異較小，中間的瓦楞層為紙質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)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(cè)試中的變化較小[5]。

圖1 導(dǎo)熱模型圖

2.1 不同克重紙張樣品對(duì)隔熱效果的影響

為便于對(duì)比，在相同瓦楞厚度的基礎(chǔ)上，測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)得隔熱杯套外表面的數(shù)據(jù)如圖2所示。不同克重用紙所制作的杯套，經(jīng)測(cè)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(guān)聯(lián)性的結(jié)果。

分析上述結(jié)果，由于紙質(zhì)材料其自身的多孔隙結(jié)構(gòu)，紙質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，為0.06～0.14 W/mK， 分析認(rèn)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?jiān)谙嗤呃憬Y(jié)構(gòu)情況下，所形成的熱傳導(dǎo)路徑、熱對(duì)流及熱輻射路徑相同，所以在所測(cè)試樣品范圍內(nèi)，杯套外表面溫度不會(huì)隨著用紙克重變化而產(chǎn)生顯著改變。

圖2 不同克重紙張樣品對(duì)隔熱效 果的影響圖

2.2 瓦楞厚度的影響

為驗(yàn)證不同瓦楞厚度對(duì)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(duì)樣品4（110+90）和樣品5（120+90）瓦楞杯套進(jìn)行測(cè)試，主要數(shù)據(jù)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(dǎo)熱顯著減少。樣品5的表面測(cè)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(guān)性。這主要是因?yàn)殡m然紙的規(guī)格不變，但是通過(guò)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(dǎo)、熱對(duì)流的路徑增加。結(jié)合紙質(zhì)和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)論與討論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在測(cè)試范圍內(nèi)變更隔熱杯套用紙的克重，對(duì)于杯套表面溫度影響較小；變更瓦楞成型厚度對(duì)于杯套表面溫度的影響更大。在測(cè)試范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整瓦楞成型厚度，在減少原材料使用的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到更好的杯套隔熱效果。根據(jù)理論計(jì)算，調(diào)整結(jié)構(gòu)和材料之后的隔熱杯套綜合節(jié)約用紙量10%。

隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)深入以及對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)認(rèn)知的進(jìn)一步提升，節(jié)能減排已經(jīng)成為環(huán)保領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題。降低10%的克重可以為包裝生產(chǎn)/終端用戶(hù)企業(yè)雙方帶來(lái)更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，減少原材料的消耗，進(jìn)而能進(jìn)一步減少生產(chǎn)，運(yùn)輸?shù)戎破飞芷趦?nèi)的溫室氣體排放及用水等。在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基礎(chǔ)上，減少生產(chǎn)，使用等環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。包裝企業(yè)投入資源與精力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)互利共贏。