张书彬+杨祖彬+谭帆
【摘 要】针对某型号笔记本电脑，采用植物纤维发泡材料作为缓冲包装材料，进行缓冲方案研究，设计了左右缓冲衬垫结构，在此基础上，设计了笔记本电脑销售包装。研究结果表明，只要缓冲结构设计合理，植物纤维发泡材料完全能够满足笔记本电脑等电子产品的缓冲包装要求，且其缓冲成本比纸浆模塑成本低得多。
【关键词】植物纤维发泡材料；笔记本电脑；缓冲设计
笔记本电脑质量轻、体积小，属于易损商品，其包装重在缓冲防护设计。近年来，重庆成为世界上最大的笔记本电脑成产基地，2014年，生产电脑6400万台，占全球笔记本电脑产量的40%左右[1]。大量的笔记本电脑需要出口国外，而国外对电子产品的包装要求非常严格，对环境有污染、难以降解的缓冲包装，如EPS缓冲材料禁止进入国外发达国家。因此，对笔记本电脑的缓冲包装设计的研究显得十分重要。本文针对某型号笔记本电脑，采用植物纤维发泡材料作为缓冲包装材料，进行缓冲方案研究与设计，为笔记本电脑的出口包装提供了一种低成本的包装设计解决方案。
1 笔记本电脑常见缓冲包装
笔记本电脑常用缓冲材料有发泡聚苯乙烯（EPS）、发泡聚乙烯（EPE）、瓦楞纸板、纸浆模塑等。发泡聚苯乙烯是目前缓冲包装上使用最多的一种材料，质量轻、防潮、缓冲减振性能优异，易于加工成型，有良好的温度适应性，常用于精密仪表、电子产品等物品的缓冲防震包装。但是，EPS难降解，回收处理污染大，很多国家禁止使用。发泡聚乙烯即珍珠棉，质量轻、韧性好、缓冲性能优良，可通过弯曲分散或者吸收冲击力，易于成型，价格合适，常被用作陶瓷、家用电器等产品的包装，图1（a）为笔记本电脑EPE缓冲包装。EPE和EPS一样，对环境不友好，难降解。图1（b）是笔记本电脑全瓦楞纸板包装结构，瓦楞纸板通过折叠组装成某种结构来固定包装电脑，它利用的是瓦楞纸板成型结构的缓冲性能达到保护产品的目的，该缓冲包装满足了出口环保的要求。纸浆模塑能够紧紧的贴合被包装物，具有较大强度和良好的可加工性，缓冲性能良好。纸浆模塑的原材料是废纸和废纸板，其成本低，可回收利用，在自然环境中可降解，相对于EPE、EPS等泡沫材料，纸浆模塑的处理更为绿色环保，它在自然环境中可以自动腐烂，不会产生“白色污染”，降解之后的纸浆模塑还可以成为肥料，使土地肥沃。纸浆模塑常用于机电产品和电子产品的缓冲包装，图1（c）为纸浆模塑笔记本电脑缓冲包装。
2 植物纤维发泡材料缓冲包装方案及设计
植物纤维发泡材料是以稻草、麦秆等农作物秸秆，或者草类植物纤维为主要原料，配以一定比例的废纸、淀粉和助剂，经过发泡技术制成的[2-4]。农作物秸秆来源广泛，成本低廉，但我国农作物秸秆利用率还不到70%[5]，大部分用于焚烧、作肥还田、动物饲料，用作工业原料使用比例很低[6]，用在产品包装上的比例更低。植物纤维发泡材料是可降解材料，研究使用植物纤维发泡材料替代难降解的包装材料意义重大，不仅可以保护我们的生存环境免受污染，还可以通过利用农作物秸秆增加农民的收入。本文设计了一种使用植物纤维发泡材料作为笔记本电脑缓冲包装的方案。该结构和图1（c）所示结构类似，植物纤维发泡材料有两个，左右结构，分别套装在笔记本电脑两端。
2.1 产品特性分析
本次设计所针对的是13.3英寸的SONY笔记本电脑，型号为SVF143A1RT，具体参数见表1，属于商务型笔记本电脑，粉色外壳，外观靓丽，质量适中，便于携带和运输。
产品脆值又称产品易损度，是衡量产品冲击强度的定量指标。定义为产品不发生物理损坏或功能损伤所能承受的最大加速度[7]。根据类比法，确定笔记本电脑脆值为60g。
等效跌落高度代表包装件在流通过程中跌落冲击能量的大小。一般有两种确定其大小的方法，一种是标准量值法，一种是经验估计法。根据笔记本电脑的质量，查相关标准，确定其在运输过程中的跌落高度h=80cm[8]。
2.2 緩冲衬垫最小缓冲尺寸设计
缓冲衬垫设计常根据材料的缓冲系数-最大静应力曲线，采用最小缓冲系数来设计[7]。由植物纤维发泡材料的缓冲系数-最大静应力曲线（密度为0.265g/cm3）可知[9]，曲线最低点，缓冲系数Cmin=6，应力σm=8kg/cm2。理论上可知衬垫的厚度T=Ch/G=8cm，衬垫的承载面积Amin=WG/σm=11.25cm2。由于植物纤维缓冲材料的缓冲性能除了和材料本身弹性有关外，和结构形式有很大的关系，和纸浆模塑相似，缓冲性能主要通过结构形式决定，因此，植物纤维缓冲衬垫的承载面积和厚度可以根据其结构形式的不同再调整设计。
2.3 结构设计
衬垫采用左右结构设计，两侧对称，组装后立放装箱，装配如图2（a）（效果图为平放）。衬垫具体结构如图2（b）所示，每个衬垫的两个端面内侧都有一个凸台，立放时，端面凸台承载，该凸台设计尺寸6cm×2cm，凸台高度取1.5cm，和笔记本电脑组装后，两个端面凸台承载，所以承载面积为24cm2。每个衬垫的两个侧面内侧各设计4个凸台，对称分布， 凸台设计尺寸和端面凸台尺寸相同。为了保持壁厚均匀，衬垫内侧有凸台的外侧向内凹，反之，外侧有凸台的对应的衬垫内侧向内凹，外侧凸起的高度，凸台高度设计为1.5cm。所以，缓冲衬垫整体长为40cm，宽为8.5cm，高度为6.5cm。
植物纤维缓冲衬垫在设计和制造中需注意脱模斜度、壁厚和圆角。（1）脱模斜度：在制作过程中，为了便于脱模，必须有一定的脱模斜度。斜度过大或者过小都不好，斜度过小使得脱模难度增大，斜度过大会使精度降低。合理的脱模斜度一般在3°～6°。（2）制品壁厚：壁厚对制品强度的影响是非常大的，制品壁厚的增加需要的不仅是原料的增加还需要烘干能耗的增加，在这个过程中可能还会出现一系列质量缺陷的问题比如凹陷和缩孔。因此在壁厚的设计上，应该在满足强度的要求下尽量使壁厚降低，一般取3-20mm。（3）过渡圆角：衬垫主体与加强筋之间，以及内外表面的转角处都要采用圆角，避免直楞直角。endprint
2.4 成本分析
該笔记本电脑植物纤维缓冲衬垫和纸浆模塑制品的结构相似，与纸浆模塑衬垫相比，单个植物纤维衬垫的外形尺寸，与笔记本组装后的外形尺寸均相差无几，故笔记本电脑缓冲包装成本取决于原材料的成本。纸浆模塑是由废旧瓦楞纸板制作而成，其成本受瓦楞纸板的价格的波动而波动。而植物纤维制品原材料是稻草、麦秸秆等，成本低廉，价格稳定。根据2017年4月的市场价格，该一套（两个衬垫）笔记本电脑纸浆模塑衬垫的价格大约为0.6元。而同样大小的一套（两个衬垫）笔记本电脑植物纤维衬垫的成本约为0.35元。与纸浆模塑衬垫相比，植物纤维衬垫成本节约大致40%。
2.5 销售包装设计
市场上的笔记本电脑销售包装多采用瓦楞纸板，也有少数高档的产品会采用皮质材料进行包装。瓦楞纸板作为目前市场上使用较多的销售包装材料，具有价格便宜、加工性能好、保护性能好、绿色环保无污染等特点。本设计采用B楞瓦楞纸板作为笔记本电脑销售包装材料，面纸定量取250g/m2，芯纸的定量取150g/m2。由笔记本电脑组装上衬垫后的尺寸为长360mm，宽为280mm，高为65mm。根据瓦楞纸箱尺寸计算公式，可求得笔记本电脑销售包装制造尺寸，笔记本电脑销售包装尺寸如图3所示。
3 结论
将植物纤维发泡材料通过合理的结构设计，用在笔记本电脑的缓冲包装上，其缓冲设计成本较纸浆模塑缓冲包装低40%。限于研究条件所限，未能加工制造出植物纤维缓冲衬垫实物，并进行实验室跌落试验。
【参考文献】
[1]重庆成为全球最大笔记本电脑生产基地[EB/OL].http：//china.huanqiu.com/hot/2015-01/5361355.html.
[2]王瑜，张萍，高德，等.植物纤维含量对聚乳酸/玉米秸秆纤维发泡材料（PFFM）性能的影响研究[J].化工新型材料，2012，40（6）：79-81.
[3]曾广胜，林瑞珍，徐成等.发泡废纸板纤维/LDPE复合材料的加工流变性及泡孔形态[J].复合材料学报，2013，30（2）：89-93.
[4]未友国，敖宁建，张渊明.植物纤维/蒙脱土/橡胶发泡复合材料微孔结构的研究[J].电子显微学报，2008，27（5）：379-383.
[5]解恒参，赵晓倩.农作物秸秆综合利用的研究进展综述[J].环境科学与管理，2015，40（1）：86-90.
[6]韩鲁佳，闫巧娟，刘向阳，等.中国农作物秸秆资源及其利用现状[J].农业工程学报，2002，18（3）：87-91.
[7]彭国勋.物流运输包装设计[M].北京：印刷工业出版社，2006.
[8]邢月卿，陈满儒，孙德强.笔记本电脑的纸质缓冲包装设计[J].包装工程，2014，35（9）：61-65.
[9]张书彬，唐全波，杜力.一种植物纤维制品静态缓冲特性试验研究[J].包装工程，2013，34（9）：33-35.
[责任编辑：朱丽娜]endprint
