热态装备影响纸箱抗压强度

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：为进一步了解引起纸箱抗压强度变化的原因，结合理论与实验分析热态染料对纸箱抗压强度的影响。内层进行过防水涂布工艺处理的纸箱，能够有效防止箱内水分变化对纸箱强度的影响。②纸箱抗压强度，主要指纸箱在压力机匀速施加载荷直至压溃时的最大载荷，是评定染料纸箱质量优劣的重要指标之一。3组实验箱的含水率均低于对比纸箱，其中2组实验箱纸板的边压强度低于对比纸箱，说明了热态内装物会影响纸箱的强度。

近几年，我国包装用纸量持续增长，至2020年达6972万吨。

不同行业的特殊内装物，以及某些恶劣的存储运输环境，对瓦楞纸箱强度的要求越来越高。

全国有300余家化工染料厂是达成包装的客户，其中不少客户反映纸箱易变形，强度不够。

调研发现：大部分染料的最后一道工序是高温烘干，生产线降温环节的局限性，导致染料装箱时仍为高温。封箱堆码后降至室温的过程中，纸箱发生变形，进而影响了纸箱的强度。为进一步了解引起纸箱抗压强度变化的原因，结合理论与实验分析热态染料对纸箱抗压强度的影响。

1.理论基础

热态染料先装入PE塑料袋，封口后再装箱，理论设想对纸箱抗压强度的影响主要因素，是空气温度变化引起含水率的变化和空气的热膨胀。

（1）空气中水分的影响

空气中饱和水蒸气的含水量随着温度的升高而增大，含水量可依据克拉伯龙方程推导出的式（5-5）求得。

当空气中绝对含水量不变时，温度升高，相对湿度下降；温度下降，相对湿度升高。

即箱内高温的空气所能容纳的水分较多，温度下降，则多余的水分就会析出被纸箱吸收，导致纸箱变软，抗压强度即发生变化。

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式中：m指不同温度下水蒸气饱和时，每立方米气体的含水量，g；pb指不同温度下水的饱和蒸气压，mmHg（1mmHg=133.322Pa）；T为热力学温度，K。

（2）空气的热膨胀

热态染料装入PE塑料袋并马上封口的过程会带入部分空气。袋中的空气受高温染料的影响，发生热膨胀，空气体积的变化可依据克拉伯龙方程（5-18）求得。

塑料袋的透气性很小，导致塑料袋体积变大，对匹配25kg染料的瓦楞纸箱内壁有挤压作用，因此，出现客户反映的鼓肚现象，导致纸箱的瓦楞发生微变形，影响纸箱的强度。

式中：p为压强，Pa；V为气体体积，L；n为物质的量，mol；T为热力学温度，K；R为气体常数，约为8.31J/（mol·K）。

2.实验方案

（1）采样

以某公司的活性染料为研究对象，实验的初始温度为60℃。实验中采用的箱型、尺寸、纸质均为大多数染料纸箱的标准配材，箱型为0201，尺寸为370mm×280mm×450mm，配材为250g/m2+180g/m2+200g/m2+（120g/m2+120g/m2）+230g/m2的六层复合纸箱，活性染料装在塑料袋内，见图5-7-1。

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图5-7-1　六层复合纸板

（2）设备

实验设备主要有：恒温恒湿箱；烘箱；MRC-1000精密滚式定量涂布机；QD-3001微电脑程控抗压强度试验仪；电子秤；手持式红外测温仪；精度为0.2 ℃的水银测温计；纸箱表面含水率测试仪等。

（3）方法

实验包括：

①常温与恒温恒湿纸箱的对比（后者在相对湿度50%、温度23℃环境中须保持24h），共设15组；

②普通纸箱与防水纸箱（防水层设在纸箱内表面）的对比，共设3组；

③为使实验数据更具说服力，每组实验都设对比纸箱。

内层进行过防水涂布工艺处理的纸箱，能够有效防止箱内水分变化对纸箱强度的影响。

防水涂料选择美国MICHELMAN公司的X300，通过精密滚式“定量涂布机”，按18g/m2的涂布量，均匀地涂覆在原纸上，生产成实验所需的防水六层复合纸箱。

实验箱：装入25kg温度为60℃染料的防水纸箱；对比纸箱与实验箱处于相同的环境，无特殊处理、无内装物的纸箱。

（4）测试指标

①通过测量实验前后纸箱质量、含水率的变化，来量化热装物引起箱内水分的变化。

②纸箱抗压强度，主要指纸箱在压力机匀速施加载荷直至压溃时的最大载荷，是评定染料纸箱质量优劣的重要指标之一。

纸箱抗压强度主要依据标准是ISO 12048：1994或ASTM D 6422000—2010或GB/T 4857.4—2008《运输包装件基本试验第四部分：采用压力试验机进行的抗压和堆码试验方法》进行测试。

3.结果讨论

（1）对纸箱质量的影响

①理论分析

高温的染料直接装箱，会导致箱内局部空气的温度升高，箱内的相对湿度低于箱外，见图5-7-2，相对湿度的梯度差，导致箱外的高湿度向箱内低湿度渗透，导致了纸箱质量增大（箱内含水率变大）。

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图5-7-2　箱内外的相对湿度

②实验结果

18组实验现象均与理论分析不符，即实验箱的质量不但没有增加，反而降低。

由图5-7-3（a）可知，常规环境的对比试验中，实验箱的质量平均降低10.93g，对比纸箱平均降低7.17g。

由图5-7-3（b）可知，在相对湿度为50%，温度为23℃的恒温恒湿室的对比试验中，实验箱的质量平均降低6.2g，对比纸箱的质量平均降低1.5g，说明装有热态染料纸箱的质量有减小的趋势。

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图5-7-3　常规环境和恒温室内纸箱的质量变化

同时，通过水分测试仪对实验前后纸箱的平均含水率进行测定，结果见图5-7-4，实验箱的含水率平均较对比纸箱低4.97%。主要是因为箱内外温度差，引起箱内热空气向箱外低温区域渗透（见图5-7-5），同时带走了纸板中少量的水分。

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图5-7-4　恒温恒湿室内纸箱的含水率

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图5-7-5　箱内外的温度

结合理论分析与实验现象可以发现：纸箱内外温度差“带走”的水分比相对湿度梯度差“带来”的水分多，导致实验箱的含水率较对比纸箱低，质量没有增加反而减少。常规环境与恒温恒湿环境的对比实验发现，环境中温湿度的变化对纸箱含水率的影响也很明显。

（2）对纸箱强度的影响

①纸板边压强度

将恒温恒湿室中实验箱，与对比纸箱的边压强度进行对比见图5-7-6，可见2/3的实验箱边压强度低于对比纸箱，实验箱纸板的边压强度平均比对比纸箱低1.53%。3组实验箱的含水率均低于对比纸箱，其中2组实验箱纸板的边压强度低于对比纸箱，说明了热态内装物会影响纸箱的强度。

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图5-7-6　恒温恒湿室中的边压强度对比

②空箱抗压强度

由图5-7-7可知，同一组实验箱与空箱抗压强度的对比，平均相对误差在5.5%左右。但是2组的对比实验中，均有2/3的实验箱强度低于对比纸箱强度。

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图5-7-7　恒温恒湿和常温环境中纸箱的强度变化

分析原因主要有：热态25kg染料的塑料袋的鼓胀对纸箱的挤压；实验箱的摇盖开孔（便于测量内部染料温度）；实验过程中对实验箱的人工封箱、搬运等原因。

整个实验时间跨度为3个月，温湿度波动较大，导致纸箱间的强度差异较大，说明环境温湿度对纸箱强度的影响也很显著。

（3）防水处理效果分析

①防水处理对原纸的影响

将防水涂料处理的原纸与同型号的普通原纸，按GB/T 10739—2002《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》中的规定处理24h后进行强度对比。

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图5-7-8　恒温恒湿室普通、防水原纸性能对比

结果见图5-7-8，可见涂布防水原纸的环压强度、耐破强度分别比普通原纸提高了4.5%和2.6%，说明防水处理对增强纸箱抗压强度具有显著作用。

②防水处理对纸箱的影响

由图5-7-9可以发现，防水处理后，装热态染料的纸箱强度平均比防水对比纸箱强度高20.75%，主要原因有：防水涂料经过高温挤压嵌入原纸的浅表层，形成了新的物质层，使纸的纤维间更加密实，有效地提高了纸箱的强度。防水涂料能有效防止温差引起的湿度梯度渗透，只有温度梯度引起的“烘干”，导致了实验箱的强度均高于对比纸箱。

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