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瓦楞纸箱压缩 - 文献综述
本杰明·弗兰克*
美国包装公司，Lake Forest，IL，USA
过去130多年来对瓦楞纸包装生产的研究已经产生了大量有关瓦楞纸箱在使用和失效时的结构动态的信息。该领域的大多数研究发表在造纸业的期刊上。然而，目前瓦楞纸板包装的大部分工作现在来自个人，其重点是瓦楞包装整体而不是瓦楞纸或构成包装材料的结构。由于难以获得或识别一些先前的技术，更近期的研究可能在几十年前被其他人很好地覆盖。本综述重点介绍了盒式压缩过程和盒式压缩测试的实用性，使以前的工作重新回到了前台，为当前的研究提供了有用的背景。它详细研究了调节和测试过程，讨论了压缩估计的最新技术，并探讨了影响箱体压缩强度的各种参数，这些参数在大多数当前的行业模型中都未被捕获。它还研究了箱式压缩结果如何与单位负载中箱子的现场性能相关。在此过程中，它确定了许多富有成效的新研究领域。版权所有copy;2013 John Wiley＆Sons，Ltd。
2012年7月11日收到;2012年12月28日修订;接受2013年1月1日
关键词：箱体压缩;BCT;瓦楞包装;单位化;强度估算;水分平衡
介绍
瓦楞纸板，错误地称为“纸板”，通常简称为“瓦楞纸板”，是几乎所有产品的运输，分配和储存的主要材料。在美国使用的所有纸包装的大约80％是以瓦楞纸箱的形式1 ，并且所有进入市场的商品的相似部分是在瓦楞纸箱中运输的。大多数货物不仅通过分配过程在瓦楞包装中运送到最终用户，而且在许多情况下，这些货物的零件和部件到达其在瓦楞纸箱中的装配位置。瓦楞纤维板包装为产品提供临时保护，防止在分配过程的所有阶段产生破坏性力。从上到下箱压缩强度（BCT）和其他性能标准在我们购买和消费的几乎所有产品的成功营销和分销中起着重要作用，并且作为瓦楞纸板作为结构材料的研究重点几乎从此开始。成立。
第一批与瓦楞包装有关的专利追溯到19世纪70年代，第一台瓦楞纸板出现在不久之后。2 虽然最初的技术开发主要集中在生产瓦楞材料的设备上，但重点很快扩展到增强和理解瓦楞纸板独特性能的方法. .1914年Pridham的决定开辟了瓦楞纸箱作为与木箱相同的集装箱市场，自从1936年将汽车货运和铁路运输船分类扩大到包括瓦楞纤维板运输集装箱以来，制造商一直在寻求改进的预测强度模型。瓦楞纸箱和瓦楞纸板作为结构材料的更深入了解。
- 通讯作者：Benjamin Frank，美国包装公司，Lake Forest，IL 60045，USA。电子邮件：BFRACKPACKAGIN CORP.com
在过去的130多年里，瓦楞纸箱行业已经开展了许多优秀的技术研究。对于瓦楞纸包装结构特性的研究的最高点可能是从1940年到1990年的五十年。研究人员在美国农业部林产品实验室（FPL）的纸化学研究所（IPC）工作，在工业实验室中共同开发了我们现代工业所依赖的理解。工程与纸化学之间以及行业需求与学术机构能力之间的交叉使我们的知识基础蓬勃发展。在这几十年中，边缘压碎强度（ECT）测量方法的发展使得从工程角度更全面地了解瓦楞纸板，评估纤维素的吸湿性质可以评估蠕变性能，纸化学改进带来了意义从再生纤维流中获益。大部分研究最初发表在诸如Fiber Containers或Boxboard Containers之类的期刊上，这些期刊已不再出版，或者出现在TAPPI和Paperboard Packaging等期刊中，这些期刊在格式和方法上经历了多次迭代，其早期版本不易获得以电子形式。
20世纪80年代末和90年代初，在巩固和总结过去100年的研究方面进行了多次尝试。乔治·马尔滕福（George Maltenfort）组装了两本书 2,3 ，试图捕捉瓦楞纤维板包装技术发展初期的一些“遗忘”作品;有点讽刺和不幸的是，他们现在也很难找到。John Koning还发布了一本优秀的指南，Corrugated Crossroads，4 一个关于瓦楞纸板及其性能的各种主题的注释书目，仍然可以通过TAPPI出版社获得。
这些作品中引用的许多参考文献都可以通过在线和图书馆资源获得，这些资源曾经是IPC的一部分。IPC搬到亚特兰大，成为纸质科学与技术研究所，最近合并到佐治亚理工学院。佐治亚理工学院图书馆有一个在线档案（HTTP//SMARTECH.GATCH.EDU/HANDLY/1853/123） 并提供文献服务，通过该服务可以保护一些较旧的出版物。FPL研究图书馆也有广泛的收藏，许多具有历史意义的技术文章可通过FPL的档案获得（HTTP://www. fPL.f.f.d.U/SHILCH/DIXX.PHP） 或者访问麦迪逊威斯康星州的图书馆。TAPPI在其历史悠久的历史中发布了TAPPI期刊的完整文章集，可根据要求提供给TAPPI成员（library@tappi.org）。TAPPI库还有一些其他期刊的问题，包括Paperboard Packaging和Boxboard Containers，以及IPC / IPST库中的一些参考资料。
瓦楞纸板研究的广度和深度最初在造纸工业的文献中找到了归宿。然而，造纸行业公布的研究重点近期发生了重大变化，行业整合导致整体出版物减少。瓦楞纸板包装的大部分工作现在都来自个人，而不是瓦楞纸包装或包含包装材料的结构。由于包装研究人员可能不知道纸质文献，这项新工作经常与该领域长期，丰富的出版历史脱节，因此可能无法扩展到早期的工作。
尽管出版历史悠久，但仍需要了解瓦楞纸包装以进一步提高其性能。本文的范围是在现有文献的背景下，将一些以前的工作重新放在前面，并为当前的研究提供有用的背景。i 瓦楞纸包装行业应用我们的研究资源得到更好的服务打开问题而不是复制既定的研究。本文将重点介绍围绕盒子压缩评估和建模的文献，以及影响其框架的一些特征
i瓦楞纸板作为工程材料和生产它的设备起源于美国，该领域的许多历史工作都发生在北美。虽然最近许多好的贡献来自海外，但本文的目的是关注我们对瓦楞纸板作为结构材料的贡献的理解的历史发展，并使读者意识到已经在许多方面已经完成的工作深度区域。因此，本文将重点关注已发表或以英语提供的研究，主要是在北美，而不打算以任何方式对其他国家进行的轻微研究。
测量压缩强度和现场性能，以及单位负荷下的箱子性能。虽然包装工程师在整个配送过程中关注包装的耐用性，但本综述文章将集中于包装盒的抗压强度，因为包装盒的仓储是大多数配送过程的主要组成部分。它不会试图总结一般关于分配过程中转运支路影响的最新文献。作为文献调查的一部分，它还将突出研究机会的领域，行业将从深化我们的知识和在以前的工作基础上受益。在任何特定主题的文献引用中，作者的意图是广泛的，但并非详尽无遗。在Koning和Maltenfort的作品中可以找到许多额外的引用，以及在此引用的引用作品的参考文献。
在探索了当前测试方法和环境要求的文献之后，本文继续研究标准规则开槽容器（RSC）的建模，影响测量的顶部到底部压缩强度的因素，以及对压缩强度进行的有限工作除标准的从上到下方向以外的方框。它还介绍了一些影响包装强度的制造问题，包括刻痕，闭合方法，制造接头和刀片。最后，它着眼于如何评估单元中的盒子，以及影响包装性能的现代仓储环境中的文献探索因素。
论导致盒子故障的原因以及行业模型盒子性能的原因需要了解如何测试盒子。箱式压缩模型基于第一主要物理和经验实验室数据的组合，并且因为目标是准确估计现场的包装性能（最终性能“测试”），瓦楞包装科学家需要相当精确的测试程序并且可靠地重复。实现这一点需要控制测试环境和测试协议。
水分相互作用
与大多数其他包装材料（包括玻璃，铝和大多数塑料）不同，纤维素包装材料的强度根据材料的含水量而变化。水分既使纤维本身增塑，又影响纤维之间的粘合。水分含量与环境的相对湿度（RH）之间的关系是复杂且非线性的，使讨论复杂化。许多研究已经研究了水分含量对纸张性能和盒子压缩性能的潜在影响。4–10
纸的平衡含水量与周围环境的RH密切相关。随着环境的RH增加，纸纤维从周围环境吸收水分。当RH降低时，它们释放出这种水分，但吸收的水分不同于水分。这导致了由Wink图形化表示的纸张属性的完善的滞后曲线。5 尽管不同纸浆和纸张类型的磁滞回线的细节是不同的，在给定条件下的平衡湿度也是如此11,12 这种类型的滞后行为对于纤维素材料是通用的。
由于吸收/解吸曲线中的滞后，在给定环境中瓦楞包装的抗压强度将取决于是否通过从较低水分下降或通过从较高水分下降来达到水分含量。从下面达到的水分平衡点往往比从上面下降时达到的点更可重复;从干燥条件进行调节将比通过从潮湿环境中干燥进行调节提供更一致的平衡值。在图1中容易观察到这种行为，其中样品首先在20％和90％RH之间的不同环境中达到平衡，然后进入50％RH环境。在低于50％RH的条件下首先平衡的样品在随后在50％RH下调节时都具有非常相似的水分含量，而在高于50％RH的条件下首先平衡的样品在随后平衡50％RH时具有更高且不同的平衡水分。Maltenfort2 详细介绍了这一主题。
10.0
9.5
含水量后
在50％RH下平衡
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0
0 20 40 60 80 100
初始预处理气氛（％RH）
图1.在不同的初始气氛中样品平衡后，TAPPI标准条件（50％RH）下的平均平衡水分含量。数据点表示不同槽纹结构和组成的五组不同组合板的平均值和标准偏差。（数据由美国包装公司提供。）
这种滞后效应突出了控制样品水分历史的关键性质，以执行任何涉及纸张或盒子的强大研究计划。环境历史差异导致的水分变化可能使包装性能的详细探索复杂化，无论是在盒子相互作用方面还是在有助于盒子强度的变量方面。解决这一挑战的标准方法是通过指定的预处理过程编写在TAPPI测试协议中。预处理并不意味着简单地允许包装在测试环境中平衡一段时间，而是意味着首先在干燥器环境中调节样品以从较低位置接近标准条件（73 F / 50％RH）水分含量。在没有预处理的情况下，两组测试之间的变化可能受到样本所经历的环境历史的有意义的影响。如果盒子保持在相对干燥的条件下，湿度的微小变化可能不会对测试结果产生很大影响。13 然而，在纸张中发现的典型水分含量范围内，测试值的变化可高达测试性能的25％对于从干燥侧未达到平衡的样品，在各种“正常”条件下。2,10,14 一个经验法则是，在标准条件下发现的典型含水量范围内的抗压强度与水分呈线性变化，且为1％水分的变化可能导致强度变化7％至10％，当然取决于纸张中使用的特定类型和纤维混合物。预处理环境中的RH必须足够低，以便在随后在50％RH下调节时，纸或包装的水分沿着等温线的吸收曲线作出响应。对于许多纤维素材料，这意味着在~25％RH下进行预处理。14 然而，不应该完全干燥盒子（骨干）以实现预处理，因为这会不可逆地影响纸张上的粘合位点。
纤维并导致其他可能不代表该领域的盒子的变化。
有趣的是，尽管在TAPPI测试方案中强调预处理的重要性，但在ASTM D416915 “运输容器性能测试的标准实践”中不再强调预处理，并且ISTA16 测试方案中不要求预处理。在D4169下，待测材料必须在测试环境中进行调节，以“在72小时或足够的时间内达到包装和产品的所有部分的平衡......”（第6节）。虽然测试协议规定应该在标准条件下进行测试（73.4 2○F（23 1○C）和50 2％RH，与TAPPI相同），预处理仅在声明中提及“根据规范D4332对纤维板容器进行调节。“有时在测试环境中关注调节的实验室错过了，D4332 17 确实需要在干燥条件下对纤维素材料进行预处理，基本上与TAPPI要求相同（第5和7节）。ISTA测试协议ii 仅说明，“在测试之前，包装产品应在实验室环境温度和湿度下预处理12小时。”
T T T
ASTM和ISTA方法均设计用于评估包装产品，目的是识别在运输环境中严重应力下的严重产品损坏（破损）或包装失效。他们认为基本调节足以避免水分变化造成的严重影响，如果目标是在单次“抽查”中探索包装适用性，水分含量只是导致测试中性能观察的可变性来源之一。因此，它们在探索由包装提供的产品的一般保护方面是有用的，如果不是为了可重复地评估包装的特定性质。在进行技术工作时，如果不遵循强大的预处理和调节标准，强烈建议测量（和报告）被测样品的水分含量（使用水分平衡，或遵循TAPPI 412 18），以便于了解可能与文献相关的差异，并使随后的文献数据荟萃分析能够提取全球趋势。
在标准条件下瓦楞包装的强度本身不足以预测可随时间推移应用的安全堆垛负荷。在静态载荷下，箱子将随着时间（蠕变）而呈现出增加的变形，受到包装在负载下时所经历的湿气的影响。在大多数环境中，包括典型的仓库，RH在一天中变化，随着空气变暖而降低，并且可以保持更多的水分，然后随着空气在夜间冷却并且其保持能力降低而增加。随着空气的保湿能力
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资料编号：[2373]
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