基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估_

1、陕西科技大学硕士学位论文基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验 评估姓名:黄涛申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论指导教师:陈满儒20090601基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估摘要近20多年来,我国的包装工业经历了从起步到壮大的关键阶段。目前, 我国的包装工业已经形成了一个以纸、塑料、金属、玻璃、印刷和包装机械 为主要产品的独立、完整、门类齐全的工业体系,然而,由于我国包装工业 底子薄、起步晚,至今仍然满足不了社会国民经济发展的需要。近年来,随着经济的发展和社会的进步,电子产品特别是中小型电子产 品层出不穷,已经在现实生活中有着举足轻重的地位。然而

2、,电子产品的包 装设计却没有很好匹配产品的更新,导致出现产品损坏、物流效率低下、过 度包装、污染环境等问题,于是科学的包装设计成为作者需要研究的课题。 作者工作于电子产品制造公司,对电子产品的结构性能与物流状况非常 了解,针对这种产品的包装设计变得具有现实意义和推广价值。产品包装开发的流程包括开发方案研讨、信息收集、流程与方案设计、 方案测试和制定包装技术说明文件等步骤,这些步骤的有效实施得以保证设 计过程的完整性和科学性。纵观目前国内外包装设计的现状与趋势,绿色设计己成为不可替代的方 向,作者探究绿色包装概念,这是一种强调可持续发展的包装设计理念,指 出包装设计的减量化、重复利用、可回收再生

3、、资源再生和包装的可降解原 则。在本文设计中,作者结合绿色包装解决方案的要求,分别设计了产品的 缓冲包装与运输包装,符合社会发展的趋势。产品包装设计的方案必须通过实践的检验,作者最后进行了包装单体评 估和整体评估,运用科学的实验方式验证方案的可行性。实验证明,本次设 计的各项包装形式能够满足预期要求,可以推广使用。关键词:绿色包装,瓦楞纸板,缓冲包装,运输包装,运输包装试验DISTRIBUTION PACKAGING DESIGN AND EXPERIMENTAL EVALUArION OF MEDIUM.SMALL SIZED TYPES OF ELECTRoNIC PRoDUCTSA GR

4、EEN PACKAGING SOLUTIONABSTRACTIn the latest 20years,China's packaging industry has become more and more stronger.At present,ChinaS packaging industry grows into an independent integrated,and a wide industrial system,which contains papers,plastics,metals, glasses,printing and packaging machinery.

5、However,China's packaging industry Can not meet the needs of national economic development because of the weak economic foundation.In the recent years,the electronic products emerge endlessly with the prosperity of social commodities.The packaging design of electronic products does not match the

6、 new products,which results in damage to products,over-packaging and excessivepackaging wastes.So the sound packaging designneeds to be investigated scientifically.Working at manufacturing company of electronic products,the author has a beaer understanding of the performance and the distribution of

7、the products.The packaging design of the DA-09product the author developed is of the practical significanceand comprehensive value.Taking a panoramic view of the status quo and international packaging design,the green design has become an irresistible direction.The authors introduce the concept of g

8、reen packaging,which emphasizes the concept of packaging design consistent with sustainable development.Thepackaging design of products must experience the testevaluation.The author finally conducts an overall evaluation of packages.The scientific experiments to verify the feasibility of the evaluat

9、ion are used.The experiment shows that the packaging designs can meet the intended requirements.KEY WORDS:green packaging,corrugated paperboard,cushioning packaging, distribution packaging,shipment test陕西科技大学硕士学位论文原创性声明及关于学位论文使用授权的声明原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任

10、何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。荆 、论文作者签名:嵩签 日 期:200c2生弓月关于学位论文使用授权的声明本人完全了陕解西科技大学有关保留、使用学位论文的规定,同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众

11、提供信 息服务。(保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名:垃.导师签名:通擎日期:趔鳘.屋基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估1绪论1.1中国包装工业的发展历史、现状及现存问题中国的包装工业是在改革开放的大潮中发展和壮大起来的。早在1981年,当时担任 国务院副总理的谷牧就对如何发展中国包装工业提出了具有远见卓识的意见,并带领政 府有关部门制定了相应的政策和措施。这些意见和政策措施,对中国包装工业的快速发 展起到了非常关键的作用fl】。目前,中国的包装工业不仅已形成了一个以纸、塑料、金属、玻璃、印刷和包装机 械为主要产品的独立、完整、门类齐全的工业体系,而且已经形成了以

12、长江三角洲、珠 江三角洲和长江流域带动内地快速发展的包装产业分布格局。根据有关统计资料显示,我国包装工业的总产值在社会总产值中的比例已由上世纪 80年代初的0.4%上升到目前的2.2%,包装行业在我国国民经济的42个主要行业中,经 济总量排序已从20世纪80年代初的倒数第2位跃居到第14位,其产值已位居全球第3位Ili,包装工业为保护商品、保证安全、方便储运、促进销售及提升商品的市场竞争力 做出了重要贡献。从总量上看,中国是一个包装大国,但由于包装工业底子薄、起步晚,仍然满足不 了当今社会国民经济发展的需要。中国包装工业的现状与经济全球化的国际竞争背景和 中国国民经济发展的要求仍不适应,与世界

13、先进国家相比,中国包装工业仍存在很大差 距。为此,我们必须更好地向各国包装行业的先进水平学习,加强国际间的交流与合作, 加快我国包装工业的技术进步,更好地调整、优化和提升包装产业结构,才能有效促进 包装工业持续、快速、健康、协调发展。1.2绿色设计理念应用于包装设计领域的背景随着我国社会经济和科技进步的迅速发展,工业化、城镇化、现代化建设的快速推 进,资源供需的矛盾日益突出,生态环境的压力也随之增大,特别是包装垃圾的产生量 不断增大所带来的环境压力已成为国内亟待解决的重大问题12】。一般情况下,包装物并不是一件独立的商品,只有当它们与被包装的产品结合在一 起时,才组成了一件完整的商品。包装属于

14、短生命周期产品,多属一次性使用,80%的 包装一次性使用后即成为废弃物,如果不加以回收处理利用,进入环境后必将造成严重 的环境污染,同时也是一种巨大的资源浪费。据统计资料表明,在发达国家,包装废弃 物在重量上约占城市固体废弃物的三分之一,而在体积上约占二分之一。目前我国年包陕西科技大学硕士学位论文装废弃物的数量在1600万吨左右,商品包装废弃物已占城市固体废弃物的三分之一左 右,并且每年还在以12%的速度增长【31。包装废弃物回收处理情况也不容乐观,除啤酒 瓶、纸箱、塑料周转箱和饮料瓶较好外,其他包装废弃物的回收率相当低,整体回收率 不到包装产品总产量的20%。包装废弃物已成为全社会共同关注的

15、问题,主要表现在以 下几个方面:(1环境问题随着中国包装工业的迅猛发展,由包装所带来的环境问题逐渐增多,也引起了人们 的普遍关注。很多国外禁用或限用的包装材料仍在我国包装行业中大量使用,由此造成 的环境污染有目共睹,特别是一次性塑料用品的大量使用造成的“白色污染,铁路沿线 各种包装废弃物,源源不断地覆盖在我国的铁路运输网上,严重污染了火车可达地区的 环境。包装垃圾已经在慢慢侵蚀着我们的生存环境。(2资源问题我国是资源富国又是资源穷国,即资源总量多而人均量少。包装工业是建立在消耗 资源基础上而形成的产业,所消耗的资源包括水资源、森林资源和矿产资源。包装工业 消耗资源是不可避免的,但如何使所消耗的

16、资源降至最低,是包装工业无法回避的问题。 我国已进入世界造纸生产大国、消费大国和进口大国。据统计,我国人均纸的消费量 达34-,38Kg,相当于4500-,5000万吨、折合约20000万m3的原木,接近半个大兴安岭 林区木材的储量。我国缺乏森林资源,每年都要进口大量的纸和木材。目前森林覆盖率 在全球名居前列的欧洲,大约将25%的商业木材用于造纸,而其中25%的纸产品用于各 种商品的包装,很多国家都要求制造商、进口商与零售商负起将包装材料回收利用与再 制造的责任。(3经济问题随着经济的全球化,从上世纪70年代末到80年代初,全球性环境危机的出现,激 发了人们对资源、环境和自身健康的关注,促使环

17、境意识的迅速觉醒和提高。同时,由 于各个国家具有自身独特的经济文化、自然资源以及结构特点,再加上环境保护中还掺 杂着政治的、战略的、社会的因素,这一切使得各个国家的环境利益和环境政策存在着 巨大的差异,这种差异也为各国构筑绿色贸易壁垒提供了现实的基础。发达国家在掠夺发展中国家的资源及初级产品的同时,把污染企业转移到发展中国 家,加剧了发展中国家的环境恶化;另一方面,又利用环境问题制造贸易壁垒,来限制 发展中国家的经济发展,极力维持其在国际贸易经济领域中的主导地位。近几年来,我国企业对绿色壁垒的认识也在逐渐增强,但大多数企业只将突破绿色 壁垒的重点放在生产绿色产品上,认为只要产品达到“绿色标准就

18、可以在国际市场畅 通无阻,却大都忽视了绿色包装在国际贸易中的重要作用。由于不熟悉国外包装的相关2基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估法律法规,以及包装意识的淡薄,使得我国企业出口商品的价格受到严重制约。很多商 品包装因达不到外商的要求,造成了重大损失。有关部门统计,因包装而造成的外贸损 失每年竟高达100多亿元人民币。(4社会问题现代社会,随着节约能源、环境保护、回归自然等新兴的价值观被日益认同,人们 将目光投身简洁自然的风格。快节奏的生活步伐,已使人感到疲惫不堪,人们渴望心灵 的片刻小憩。工业社会带来的设计垃圾、视觉污染、过度包装等,不仅没有起到应有的 美化、促销作用,

19、相反却给消费者以累赘的感觉,产生逆反心理。如何在这样喧嚣嘈杂 的视觉世界中,用最简单的包装结构、最节约的包装材料、最科学的包装造型、最单纯 的图形和色彩,以及最精炼的文字,使包装设计体现人文关怀,已成为包装设计可持续 发展的必然趋势。美国行为科学家马斯洛把人的需要从低到高分成七个层次,即生理需要、安全需要、 社交需要、自尊需要、审美需要、认知需要和自我实现需要14】。当社会经济发展处于较 低水平时,人们对商品的要求是简单而实用;当社会经济水平达到一定程度时,消费者 就会对商品提出更高的要求,包含除实用之外的更多心理的、精神文化方面的需求。包 装设计的人文化,是社会发展的必然结果,它体现了包装设

20、计的非物质化绿色设计理念。1.3本课题研究的目的和意义作者目前工作于一个电子产品制造公司,随着经济的迅速发展,为了满足不同消费 水平和不同国家的客户需求,公司近年来生产的产品种类、样式日益增多,销售的区域 遍布世界各地,然而产品在物流过程中,在到达终端客户之前时常会出现包装方面的问 题,于是利用合理的包装设计来确保产品的安全是包装工作者的首要任务。2008年以来的金融危机导致全球范围内的经济衰退,国内外企业在面临新的挑战时 必须审时度势,寻找自身发展的突破口,才能在这种形势下生存,为此众多企业大力推 行COST-DOWN(降低成本策略。包装是大多数企业重点考虑的领域,如何在安全设 计的基础上最

21、大程度地降低包装成本,是包装工作者的又一重要课题。另外,随着全球环境的恶化和人类生存空间的过度破坏,人们已经强烈意识到环境 保护的重要意义,伴随着各个国家和行业的法规和政策的出台,个人和企业的行为得以 规范。包装设计必须基于环保的要求来进行,于是绿色包装成为社会发展的必然趋势和 有利保障。在上述全球经济、包装设计、个人研究领域的背景下,作者选择了基于绿色包装解 决方案的中小型电子产品运输包装设计这一课题,继而用科学合理的实验来实现评估的 目的。科学合理的包装结构设计、环保节约的包装材料选择,可以让企业实现利益的最陕西科技大学硕士学位论文大化,进而为经济环境的可持续发展做出贡献,这便是本课题研究

22、的意义所在。1.4本课题研究的主要内容及技术路线本课题的主要内容是中小型电子产品的包装设计,作者首先分析了绿色设计应用于 包装设计领域的背景,在此基础上,本文着重对下面几个问题进行了研究:(1关于产品包装设计开发的流程,作者分为包装开发方案探讨、信息收集、流程 与方案设计、方案测试和制定包装技术说明文件五个方面来阐述,得出切实可行的设计 思路,指导整个包装设计工作的完成;(2介绍了绿色包装的概念,指出绿色包装强调人与自然的生态平衡,体现了环境 保护与经济发展相互协调、可持续发展的思想策略,因而绿色包装将成为包装业发展的 必然趋势;(3基于绿色包装的理念,结合作者公司生产的电子产品的概况与实际流

23、通环境, 。作者进行产品的缓冲包装设计,这是设计的重点部分。首先分析了目前市场上常用的缓 冲包装材料以及缓冲包装形式,然后经过对比选择了瓦楞纸板缓冲系统,根据设计对象 设计了缓冲系统的结构和尺寸:(4在缓冲系统的基础上,进行了运输包装系统设计,这是设计的主要部分。作者 设计了产品的内包装(销售包装与外包装(运输包装、合理的货物包装规范、辅助包 装形式等,为产品安全、便捷储运提供有力保障;(5本文最后用实验评估的方式评价了所有的包装结构和整体运输包装件,用以证 明设计方案的可行性。随着社会的进步,电子产品成为人类生活和工作不可或缺的物品,鉴于电子产品的 诸多共同特点,本次设计的理论与实践研究成果

24、对电子产品的运输包装开发设计、方案 实验评估具有重要的应用价值。4基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估2产品包装设计开发过程2.1确定设计对象本次设计选择的研究对象是笔者所在公司生产的某电子产品,产品的功能:GPRS 电子导航装置,兼有电视机、碟片机、音视频播放机等功能,主要用于汽车导航和家庭 娱乐,属于精密电子仪器。该款产品的型号为Dre锄er砧ice.09,简称DA-09,产品体积 小巧、功能丰富,销售前景十分乐观。DA-09主要用于出口欧美等发达国家,因而包装 要求严格。DA一09的脆值为80G,主机的外形尺寸为:258*196"40(1llIll,附件及

25、其重量如下 表所示:袁1-1产品及附件重量Tabl-1Weight ofproductS and aec,esmd懿2.2产品包装开发的流程分析在确定了包装设计的对象后,包装设计活动就可以开始进行了。包装开发是整个包 装设计的前期阶段,也是包装设计方案的理论准备。通过包装开发的研讨,可以提供整 个设计活动的思路,本部分在包装项目范围及其管理的基础上,介绍包装开发过程中的 几个主要方面。2.2.1包装开发方案探讨随着经济的发展和物质的繁荣,一个完整的商品系统愈加复杂和完善,它主要包括:研发、采购、制造、包装、仓储、物流以及销售等活动,其中包装活动是整个商品系统 中非常复杂的一部分,因为它与其他环

26、节紧密相连,系统中每个环节都对包装活动有一 定影响或要求。产品的研发部门要求包装具有包容性和保护性,最大程度维持产品的使用功能;采 购部门要求包装材料的价格适中,供货商可靠;制造部门要求包装的装配活动节约工时 且操作简易方便;仓储部门要求货物在仓库中能够科学合理的堆码,并且具有一定的堆 码强度和堆码高度;物流部门要求包装能承受物流环节中可能出现的任何外部激励;市5陕西科技大学硕士学位论文场部门要求包装设计能够跟随社会发展的趋势和人们思想的潮流,进而给终端消费者留 下深刻的影响。另外,包装活动还要考虑环境保护的要求以及零售商和终端消费者的需 求。在现代企业中,包装开发与过程管理的实施主要与企业的

27、经营理念和包装活动在企 业中的作用有关。在中小企业中,包装活动的职责可能由采购或制造部门担任,这时候 的包装设计很大程度上依靠包装供应商。在大型企业中,包装的职责则由各部门来担任, 分别是包装开发、包装采购、包装测试、平面设计等,每个部门的分工及其相互关系不 同,在这种模式下,产品与包装的研发可以同时进行,各部门密切协作,进而提高包装 设计的效率和水平。包装研究开发的周期取决于包装系统的复杂程度,对于包装方案的改进只需依据变 更内容进行适当的调整和更新,而新产品的包装方案设计则颇为复杂,同时涉及的内容 较多,新方案设计要经过信息收集、流程设计、方案测试、技术规范制定等过程(如图 21。信息收集

28、研发采购一制造仓储物流销售一终端客户等方面的信息流程与方案设计项目预算一时间计划一方案设计一方案研讨O方案测试环保性能测试一可靠度性能测试一市场测试一方案评判选定方案U制定包装技术说明文件国家标准一行业标准企业标准一内部技术规范l 包装设计完成图2-1包装开发的主要步骤Fi921the general package design process6基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估2.2.2信息收集信息收集是产品包装设计需要首先完成的任务,具体包括产品的物理形态、性能、 消费对象、生产、运输、装卸、储存、销售方式与地区、环境、法律等方面的信息。 2.2.3流程与方案设计

29、在这个过程中,包装设计工作者在量化包装设计项目及目标的基础上,做好充分的 项目预算,在项目整体思路清晰的情况下,要拟订一个时间表,该表包括具体的子项目、 不同方案分析、阶段性成果和方案总结.然后根据前期的理论与信息准备,进行产品包 装方案的设计,可根据不同的包装结构和包装材料设计出不同的包装方案,针对不同的 方案进行研讨分析其可行性。2.2.4方案测试方案的判定要经过严格的评估和可靠度测试,才能了解各种方案不易发现的缺点和 问题,有时还可能包含小规模的产品试验、消费者测试活动及其市场运营。经过这一系 列的评测,最终判定最优方案。2.2.5制定包装技术说明文件制定包装技术说明文件的目的在于在满足

30、国家标准、行业标准以及企业标准的基础 上,结合公司自身的条件和水平,形成本产品包装方案的普遍性适合性条例,从而更加 有效地实施包装的功能。2.3本章小节作者工作于中小型电子产品制造公司,对电子产品的结构、性能与包装设计要求有 深入了解,以此作为研究对象进行包装设计、包装评估方面的研究,以便得到普遍适合 此类产品的绿色包装解决方案。包装开发是系统性的工作,通过总结开发的主要流程,可以看出包装设计是一项全 面性的任务,是产品走向市场的重要工业技术,包装的研究开发涉及面宽,立项、过程 计划、管理等方面是十分复杂的工作。7陕西科技大学硕士学位论文3绿色包装3.1包装概述包装的产生与发展历史悠久,在人类

31、社会的原始时期和古代,包装是应盛装和转移 生活资料、保护物品而产生。近代,随着经济的发展,包装的储存、运输和销售用途进 一步明确。现代,随着工业体系的完善,经济、贸易发展和生活水平的提高,包装的保 护、促销、方便等功能得到了充分的发挥,包装已成为商品不可分割的组成部分。现代 包装完整的定义应是指具有一定科学技术、艺术、经济、社会含量的包装材料、包装容 器和包装操作活动的总称。关于包装的概念和涵义,人们有着不同的理解,以下是三种比较典型的定义:(1美国密歇根州立大学包装学院(Michigan State University,the School ofPackaging 1952年成立,是世界上

32、第一个设立包装专业的高等院校定义:包装就是对 产品或已装入袋、箱、杯、盘、罐、管、瓶或其它形式容器中的一次包装件的封闭。包 装完成包容性、保护性、宣传性和适用性中的一个或多个基本功能。(2世界著名包装教育专家Walter Soroka教授(见著作Fundamentals ofPackaging Technology(3rd Edition.USA:Institute ofPackaging Professionals(IoPP,2002定义:包 装最好被描述为对货物的运输、流通、仓储、销售及其使用等方面作好准备的一种协作 系统。它具有复杂、动态、科学、艺术以及争议的商业功能,其最基本的作用是对

33、产品 的包容、保护/保藏、运输和宣传/销售。(3GB/T 4122.1.1996<包装术语:定义:包装为在流通过程中保护产品,方便 储运,促进销售,按一定技术方法而采用的容器、材料及辅助物等的总体名称。现代社会对包装产品的需求量增大,包装品种也日益繁多。包装产业涉及学科面越 来越广,科技含量明显提高,不再是过去简单劳动的个体作坊所能完成的。包装制品的 生产本身已形成一个独立的工业体系,成为国民经济的一个重要支柱产业。在现代包装的防护、方便和促销三大功能中,防护是有效而经济地防止商品在储运 和销售环节中的早期失效,这方面的研究和应用十分广泛,但在不同的商品中依然存在 着“过包装"

34、或“欠包装”现象。方便性包括便于存储和被不同交通工具运转和装卸, 很重要的还有为商品用户提供各种适用的便利。促销性则要求带有更多的理工与人文艺 术结合特点,作为商品的“服装",心理感观性功能将有传达商品信息、凸现其品位、引 导消费意念等作用,成为所包装商品品牌、水平以及使用方法指导的直接载体【s】。在经济全球化的发展进程中,任何国家的产品都有可能溶入世界物流系统之中,如 果在物流中运输距离长,运量大,物流中商品损伤的可能性就很大,造成破损率过高,8基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估不利于保护产品和降低运输成本。其中,冲击和振动是包装件在流通过程中所经受的最 危

35、险的主要动态载荷,也是造成被包装产品发生失效和破损的主要外部力学因素。 据不完全统计,我国每年因包装不善所造成的经济损失高达140多亿元,因此,包 装产品在物流中的安全性是目前包装设计的核心任务。3.2绿色包装概念为应对20世纪60年代全世界范围内出现的环境、资源、入口三大危机,以1972年联合国人类环境会议和1992年联合国环境与发展大会为代表,在全球掀起了一场声势 浩大的“保护环境、节约资源一的绿色浪潮t6】。绿色包装理念强调包装与环境保护、资源再生之间的协调发展。自国际环境保护 纲要制订以来,许多发达国家相继制定了一系列有关环境保护、绿色包装的法令法规, 明确提出禁用或限制使用聚苯乙烯泡

36、沫塑料等易造成白色污染、不利于环境保护的包装 材料,同时要求包装废弃物能够回收利用。这对传统包装提出了严峻的挑战,也使得绿 色包装成为世界包装工业的必然趋势【71。绿色包装又称为生态包装,是指对生态环境不造成污染,对人体健康不造成危害, 能循环和再生利用,可促进持续发展的包装。绿色包装是一个系统工程,它包括容器、 包装材料、包装设计、生产工艺以及废弃物处理技术等多方面的知识,是包装学科的发 展方向,也是中国包装业的可持续发展之路。从协调社会发展和生态环境保护出发,世 界各国都把减量、复用回收及可降解作为生态环保包装的目标和手段。绿色包装一般应 具有几个方面的内涵:(1包装的减量化(Reduce

37、,即包装在满足其保护、储运、销售等功能的条件下, 尽量减少包装材料;(2包装的重复利用(Reuse,即包装在达到使用功能后,经过适当处理,能够重 复使用;(3包装的再循环(Recycle,即废弃的包装制品进行回收处理,循环使用后达到 再利用;(4包装的资源再生(Recover,即利用焚烧来获取能源和燃料等;(5包装的可降解(Degradable,即降解后不形成永久垃圾,并达到改良土壤的 目的。以上即国际上常用的绿色包装“4RID原则,强调以不污染环境、保护人类健康为 前提,以充分利用再生资源、保护生态环境为发展方向嘲。9陕西科技大学硕士学位论文3.3本章小节本章介绍了包装的涵义及发展历史,在人

38、类环境、资源、人口危机的基础上提出了 绿色包装的概念,绿色包装是指对生态环境不造成污染,对人体健康不造成危害,能循 环和再生利用,可促进持续发展的包装。重点介绍了绿色包装的“4R1D"原则,指出包 装设计应满足减量化、重复利用、可回收再生、资源再生和包装的可降解的要求。本章 中一系列概念性的解释与介绍为后续的缓冲包装设计和运输包装设计奠定基础。后文将结合国内外包装工业发展现状和趋势,将绿色设计理念渗透到包装设计当中, 以电子产品为契机,探索适合新阶段我国国情的绿色包装解决方案。10基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估4缓冲包装系统设计为保护商品在流通的过程中,不

39、因受到冲击和振动而破损,所施行的包装称为缓冲 防振包装,亦称缓冲包装。随着经济的发展,产品跨省、跨国运输的增多,产品的缓冲 包装越来越受到人们的关注。合理设计包装结构和选择包装材料,可以使商品在装卸、 运输及贮藏过程中的损失减小到最低,这便是缓冲包装的重要意义。4.1缓冲包装的发展历程缓冲包装在我国很早就有了工程实践,公元前十一世纪,商朝出现的重要运输工具 扁担,具有良好的防震缓冲作用;公元七世纪唐代已将易碎陶瓷器具完整无损远运 日本、印度等国,说明当时已具有较高的防震缓冲技术水平。缓冲包装的经典理论起源于近代,在第二次世界大战期间,以各种军需物资,尤其 是高精密的各种电子设备的运输为诱因,美

40、国贝尔实验室的Mindlin和他所领导的研究 小组把机械领域的振动分析理论应用到来靠“试探法"或凭经验进行分析和设计的包装 领域中来,形成了独特的“缓冲包装理论一。1968年,Newton提出了包装产品破损的边 界条件理论,建立了脆性评定定理及其测试方法,并被载入美国材料试验标准(ASTM。 Mindlin和Newton开创性的工作奠定了现代缓冲包装分析和设计的基础。20世纪80年代,基于脆值的边界条件理论,美国MTS系统有限公司与密执安州立 大学包装学院共同研制出缓冲包装的5步设计法,稍后又发展了更为完善的缓冲包装设 计的六步法:(1确定流通环境条件;(2产品脆值估计;(3产品重新

41、设计; (4衬垫 材料的计算; (5设计包装系统;(6试验包装系统原形,并给出了每一步骤应贯彻的 ASTM标准,从而使缓冲包装设计理论取得了迅速的进展9-111。近十几年来,各国包装科技工作者的广泛重视和积极投入,大大促进了缓冲包装设 计理论的交流与发展,在诸如缓冲包装的计算机辅助设计技术、各类线性和非线性缓冲 包装系统的冲击和振动响应分析、缓冲包装系统分析设计模型、缓冲包装概率设计方法 等领域,取得了一系列重要成果11211131。4.2缓冲包装设计的动力学依据IHI缓冲包装动力学是现代包装中一个重要的分支领域,研究包装产品在物流中的破损 机理及影响因素,防止或减少包装破损所采用的冲击与振动

42、防护包装理论与方法。包装 动力学是-I'-J探索研究物品包装在动态载荷激励下运动规律的应用基础科学。包装动力 学的研究,为揭示物品包装在流通环境中的运动规律,寻求物品包装原理,进行合理包 装设计,保护物品、保护人和环境提供理论依据。陕西科技大学硕士学位论文4.2.1包装件流通的外部环境对设计对象可能遭遇的环境条件作考察与评价,是缓冲包装设计的重要内容。按照 商品生命周期观点,包装件在流通过程中可能经受的一切外部危险因素包括运输过程中 的机械条件、气候条件、生物条件、化学活性物质等。图4.1为一重25kg的包装件的实际流通过程,此产品的流通链中包括卡车、火车等 交通工具的运输,多次人工或

43、机械装卸,若干次仓贮堆码作业。图4-1包装件的实际流通过程Fi94-1distribution ofa package4.2.2产品脆值理论1151脆值的含义是产品经受振动和冲击时用以表示其强度的定量指标,又称为产品的易 损度。此值表示产品对外力的承受能力,一般用重力加速度的倍数G来表示。目前国内 外都已一致以产品破损前的临界加速度与g的比值G。作为脆值的定义。在进行某项产品 的缓冲包装结构设计过程中,脆值的测定是不可缺少的一部分,脆值的研究对包装设计 有着重要的意义。图4.2是研究脆值时建立的缓冲包装模型,图中包装产品被简化成匀质的对称物体, 质量为m;物体从h高处自由跌落;缓冲结构为一具有

44、完全弹性的线性弹簧,刚度为k; X。为弹簧受压的最大变形量。为便于讨论略去外包装和弹簧本身质量,不考虑系统阻尼。12基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估图4-2缓冲包装模型Fi94-2Cushioned packaging model;按能量转换规律,从h高度开始跌落,到弹簧受压发生最大变形z。为止,产品具有 的势能将全部转化为弹簧的变形能,其大小等于产品克服弹簧反力所作的功,即: mg(h+Xm=r pG协 (4-1 由于弹簧是线性的,故以=h,则:嘲=导缸2pG=2mgh (4.2 根据牛顿第二定律,产品在弹簧力作用下的加速度口=烈叱,代入式4-2,可以得出:口:丝g

45、 (4.3 口2 Lq。j JX令2h:G,则有:“口=Gg (44 由于2办>>x,故G>>1;式4-4表示产品在跌落冲击时产生的加速度,通常表现 为重力加速度的倍数;在冲击问题上,常常用G这种倍数来表示加速度的大小,G又称 为G因子。由式4.2,得出:P=GW (4.5 上式表明,产品跌落时所受冲击力的大小,等于其重量和G因子的乘积。当这种冲 击超过产品结构所允许的极限时,产品即发生破损。在包装专业中,规定把这种不发生 破损的允许的最大G因子,定义为产品的脆值;由于G表示的是2h/x,故脆值G是一 无因次量。陕西科技大学硕士学位论文传统的脆值理论用产品的最大加速度响

46、应来评价其破损情况,流通环境的冲击强度 必须小于产品脆值。但是,造成产品破损的原因除了冲击加速度大小外,还与冲击脉冲 的形状、脉冲持续时间,产品的固有频率等因素有关系。这些因素无法以传统的脆值理 论来描述,缓冲包装理论的发展,引出了破损边界理论。4.2.3破损边界理论实验表明,产品的破损不仅取决于产品的最大加速度,还依赖于冲击持续时间和冲 击过程中的速度增量。这样,产品的破损实际上受两个边界条件的约束:一是许用的最 大加速度4H,一是冲击脉冲过程的速度变化量y,其大小等于脉冲加速度对时间的积 分:V=r盯(,(4-6 对于矩形脉冲,有:Av=ii。瓦=Gmgr(4-7 对于半正弦波,有:Av=

47、O.63G卅gr (4.8 对于三角形脉冲,有:Av=O.5zG。gr(4-9不。 对于梯形脉冲,有:Av=ft论Mg (4.10 用上述两个边界条件来反映产品破损规律的曲线,称为破损极限曲线,如图4.3所图4-3破损边界曲线Fi94-3Damage boundary curve14基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估破损极限用两条边界围成:平行于v轴的,称为l临界加速度线;平行于A轴的,称 为临界速度线:两条边界线及其过渡曲线所围成的区域(阴影区域称为破损区;边界 线以外的部分,称为非破损区。坐标系内每一点代表产品一种运动状态;当这个点落在 破损区,产品将破损,而在破损

48、区以外产品不发生破损。4.3包装产品的破损形式冲击和振动是非常复杂的物理现象,为了便于分析和计算包装产品在受到冲击和振 动时的响应,将包装产品简化为力学模型,如图4_4所示为单自由度线性缓冲包装系统 跌落力学模型。假定外包装容器为均质刚体M,被包装的产品为均质刚体m,k和c分 别代表缓冲衬垫的弹性系数和粘性阻尼系数,不计缓冲材料的质量,缓冲材料为线弹性 材料.图“单自由度缉I生缓冲包装系统跌落力学模型Fi酎-4The dynamic model of single freedom ofdegree运输工具的启动、紧急刹车、包装件的自由跌落等机械冲击现象,都是在很短的冲 击持续时间内的能量释放、

49、能量转换或能量传递,对产品或易损件的安全流通造成极大 的危害。图4.5是包装件在跌落冲击过程的动力响应方框示意图,可考虑三个方面:包 缓 产装 冲 品机械冲击(跌落冲 J、 容 L、 衬 响-o一一 一击,水平冲击等器 垫 应图4.5包装件的动力响应过程Fi945 Thedynamic response history of packaging 15陕西科技大学硕士学位论文(1包装容器对冲击的动力响应;(2缓冲衬垫对产品的冲击传递过程;(3若包装产品含有易损件,则易损件对产品也有冲击响应。图4-6表示的是包装件的冲击传递过程,图中横坐标为脉冲作用时间,纵坐标为加 速度,曲线表示了加速度脉冲的时

50、间过程。在包装件的跌落冲击过程中,当包装件与基 面(如运输工具厢板碰撞时,首先是外包装箱突然减速而产生加速度Gpl,再通过缓 冲衬垫将冲击加速度Gpl传递给产品。由于缓冲衬垫具有弹性特性和阻尼特性,它对冲 击加速度Gpl具有缓冲作用,故产品的响应加速度值Gp2小于Gpl。图4-6包装件的冲击传递过程Fi94-6The shock response ofa package根据冲击隔离理论,合理调节外包装箱质量及刚度系数、缓冲讨垫的弹性系数k和 阻尼系数c,可延长冲击持续作用时间tAB,以热能形式耗散冲击能量,就可以达到有效 控制产品或易损件对机械冲击的动力响应幅值(力,速度,加速度等,减少包装件

51、的冲 击破损。当包装件着地,外包装箱受到脉冲时,OA与脉冲曲线围成的面积表示外包装 箱受脉冲的速度变化量,外包装物的最大加速度为Gpl。内装物的最大的加速度值为Gp2, 发生在B时刻,此时系统中缓冲材料变形达到极限位置,越过这一时刻,内装物将在弹 性恢复力的作用下反弹,其加速度由峰值趋向零,达到C点。C点以后的运动为包装产 品的自由振动,与冲击特性没有关系。在商品的流通运输过程中,它们必然要经受一切外部因素的影响,包括力学性环境 条件、气象性环境条件、生化性环境条件、电磁性环境条件等。我国国家标准GB4796-84、 GB4797-84、GB4798-84分别对机电产品、电子电工产品的各种流通

52、环境条件做出了明确 规定,如表4一l所示。16基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估表4.1产品的流通环境TaM1The distribution environmentofproduct环境类别 环境参数非稳定振动(包括冲击,稳定振动,自由跌落,碰撞,翻滚和 力学性环境条件跌落,静压力温度,温度变化,湿度,气压,气压变化,空气与水等介质移动 气象性环境条件速率,降水量,辐射,除雨水外的溅水,同产品相关的湿润度 生化性环境条件 生物活性物质,化学活性物质,机械活性颗粒电磁性环境条件 电场,磁场,发射线路干扰产品在流通过程中所受到的环境危害主要来自于力学性环境条件和气象性环境

53、条 件的作用。冲击和振动是产品在运输过程中所经受的两个非常主要的力学动态载荷,也 .是造成包装件破损或失效的主要外部因素之一。对于易损、易碎、高精度的机电产品、 电子产品、电工产品等,如果包装不善,会导致产品在流通过程中造成很高的破损率。 在流通过程中,造成产品的破损现象是多种多样的,一般可分为以下三类:(1结构完整性破坏,包括产品零部件的强度降低、断裂破坏、疲劳和摩擦损伤 等;(2结构功能性破坏,包括结构及其元件、部件的性能失效、失灵等;(3产品工艺性破坏,包括联接件松动、脱离,部件相互撞击、短路或磁化等, 还有寿命退化,即某些机电产品、电子电工产品在定振动环境下引起工作寿命的缩短 等。4.

54、4缓冲包装结构缓冲包装的结构有多种形式,其中最常见的是用有弹性的材料或弹性元件作缓冲衬 垫,缓冲衬垫作为内装物和包装箱之间的介质,它的作用一方面延长外激励力作用时间 以降低物品的响应,另一方面消耗外界激励传递给物品的能量。缓冲衬垫的结构形式因内装物的质量、形状和尺寸而不同。缓冲包装方法一般分为 三种:全面缓冲包装、局部缓冲包装、悬浮式缓冲包装。全面缓冲包装法是指包装容器内所剩余的空间,全部用缓冲材料填充固定,对产品 周围进行全面保护的方法。全面缓冲包装所使用的缓冲材料,一般为丝状、薄片状或粒 状的材料,以便于对形状复杂的产品能良好地填塞,缓冲时能有效地吸收能量,分散外17陕两科技大学硕士学位论

55、文力的作用来保护被包装产品。局部缓冲包装法是对被包装产品或内包装件的拐角、棱及侧面进行衬垫缓冲的方法。 这种方法主要使用泡沫塑料成型缓冲垫、充气塑料薄膜缓冲垫、橡胶弹簧等作为缓冲体。 悬浮式缓冲包装是用弹簧把被包装物品悬吊在外包装容器内,使包装件在遭受外力 作用时,产品在各个方向都能得到缓冲保护。这种包装方法特别适合于精密、脆弱产品, 如大型电子管、大型电子计算机、制导装置等。4.5缓冲包装材料缓冲包装材料在缓冲包装系统中有着重要的作用,一方面延长外部激励作用时间, 降低包装产品的动态响应,另一方面消耗外界激励传递给包装产品的冲击与振动能量。 4.5.1缓冲材料的力学特刎161117I在包装力

56、学模型中,一般都把缓冲材料视为理想的弹性体,也就是在长时间的堆码 和反复振动、多次冲击下,它仍具有和初次试验时相同的性能,卸载后无残余变形。实 际缓冲材料的弹性是相当复杂的,根据力形变曲线可把缓冲材料大致分为以下几类:图4.7线弹性材料 图4-8正切型弹性材料 图4-9双曲正切型弹性材料Fi947Linear material Fi94-8Tangent material Fi94-9Hyperbolic tangent material (1线弹性材料:这类缓冲材料的力形变曲线呈直线型,如图4.7所示。线弹 性材料的力F与变形X的关系可表示为:F=h (4.11 其中k是缓冲材料的弹性模量。

57、这种材料的缓冲系统称为线性缓冲包装系统。在工 程实际中所采用的缓冲包装材料绝大多数属于非线性弹性材料,只有在缓冲材料变形很 小,或要求计算精度不高时,才能将缓冲材料近似看成线弹性材料。(2正切型弹性材料:这类缓冲材料的力变形曲线呈正切函数型,如图4.8所 示。正切型弹性材料的力F与形变X的关系可表示为:F:兰丝绥旦 (4.12 万 。2吃具有正切函数型性质的缓冲材料很多,如泡沫塑料、棉花、乳胶海绵、碎纸等。基于绿色包装解决方案的中小型电子产品运输包装设计及实验评估(3双曲正切型弹性材料:这类缓冲材料的力变形曲线呈双曲正切型,如图 4.9所示。双曲正切型弹性材料的力F与形变X的关系可表示为:,=rot/,了koX (4.13 rO在实际上没有什么材料精确地具有这种力学性质,但瓦楞纸板、蜂窝纸板、聚苯乙 烯泡沫塑料等塑性较大的材料在其受到外力作用的初期所表现的力学性质属于这类材 料。图4-lO三次函数型弹性材料 图4一n不规则型弹性材料Fi酽-lO Tri-function material Fi94q 1Irregular material(4三次函数型弹性材料:这类缓冲材料的力形变曲线呈三次函数型,如图 4.10所示。三次函数型弹性材料的力F与形变X的关系可表示为:F=koX+rX3(4-14 三次函数型