淺談紙護角在家電產品包裝設計中的運用

湯志平

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

紙護角是多層高強牛皮紙用黏合劑黏合壓制而成,具有耐壓強度大、抗載力大、堅韌性好、不易破裂、強度和剛度高等特點,用于保護產品邊角、增加立體抗壓、避免運輸撞擊等。然而我們對于紙護角的抗壓性能研究還不夠,目前使用時大多憑借經驗來選擇紙護角,這樣在使用中會帶來較大的盲目性,選用的紙護角性能過大,將直接增加包裝成本；選用的紙護角抗壓性能不足,起不到保護產品的作用。考慮到目前紙護角絕大部分使用在通底型包裝箱設計中，且主要是在堆碼過程中起到支撐作用，其壓縮變形量在11mm左右時紙護角已經失效。因此，本次我們主要對紙護角高度、厚度、寬度與抗壓強度在其一定變形范圍內的相關性進行分析。

1 實驗方案及過程

1.1 試驗設計方案

試驗原理：從紙護角的任意部位截取300、450、600mm長度的試樣五根，樣品的端面光滑平整、無磨損，且與側面垂直，將試樣垂直放置于壓縮試驗機兩平板的中央，活動板以10mm／min±2 mm／min的速率壓縮試樣直至壓潰，記錄壓潰時的抗壓最大值，取五根樣品的平均值。目前常用紙護角尺寸規格為：寬度×厚度×長度，單位mm：50×50×5×250、50×50×5×615、5 0×5 0×6×5 8 1、5 0×5 0×7×6 3 5、5 0×5 0×7×5 0 5、5 0×5 0×7×5 1 0、5 0×5 0×7×5 0 0、7 0×7 0×7×5 0 5、70×70×7×510。因此，我們選取以下規格進行試驗，50×50×5×300、50×50×5×450、5 0×5 0×5×6 0 0、5 0×5 0×4×3 0 0、5 0×5 0×4×4 5 0、5 0×5 0×4×6 0 0、5 0×5 0×7×3 0 0、5 0×5 0×7×4 5 0、5 0×5 0×7×6 0 0、7 0×7 0×7×3 0 0、70×70×7×450、70×70×7×600。

圖1

圖2

圖3

通過抗壓試驗測試，我們發現紙護角在抗壓過程中，基本力學（載荷—位移）表現形式為兩個性能階段：第一階段，線彈性變形階段，主要在剛發生壓縮的小范圍位移內；第二階段，屈服階段即外載荷變化不大，而紙護角位移變形量卻在逐漸增加。

1.2 紙護角高度與抗壓強及相關性分析

以下為紙護角規格為5 0×5 0×4、50×50×5、50×50×7,高度與抗壓強及相關性分析過程。

圖4

圖1、圖2、圖3、圖4分別為紙護角規格為50×50×4、50×50×5、50×50×7、70×70×7,高度分別為300、450、600mm，載荷（單位kN）與壓縮位移（單位mm）之間的曲線圖。

圖1對比分析結果：A.對于紙護角規格為50×50×4，壓縮變形量在0～10mm范圍內時，壓縮載荷與紙護角變形量呈線性關系；B.紙護角高度（長度）對性能影響：當紙護角高度為300、450時，兩者的抗壓性能相當，高度基本無影響，但在高度上升到600時，紙護角的抗壓性能下降比較明顯，其斜率下降明顯，在壓縮變形量為1mm左右開始，高度為600mm的紙護角抗壓性能開始明顯變化。

圖2對比分析結果：A.對于紙護角規格為50×50×5，壓縮變形量在0～10mm范圍內時，壓縮載荷與紙護角變形量呈線性關系或近似線性關系；B.對于紙護角規格為50×50×5，紙護角高度不同導致的抗壓性能差異較大。圖3對比分析結果：A.對于紙護角規格為50×50×7，壓縮變形量在0～11mm范圍內時，壓縮載荷與紙護角變形量呈線性關系或近似線性關系；B.對于紙護角規格為50×50×7，在高度為300、450mm時，抗壓性能相近。

圖6

圖4 對比分析結果：對于紙護角規格為70×70×7，壓縮變形量在0～2mm范圍內時三種紙護角基本無變化，隨著受壓時間增加，高度為600mm的紙護角受高度影響出現屈服波動狀態比較大。

1.3 紙護角厚度與抗壓強及相關性分析

以下為紙護角規格為50×50，高度分別為3 0 0 m m、4 5 0 m m、6 0 0 m m，厚度分別為4 m m、5m m、7m m時，厚度與抗壓強及相關性分析過程。

圖5、圖6、圖7分別為紙護角規格為50×50,高度分別為300mm、450mm、600mm，厚度分別為4m m、5m m、7m m時壓縮變形量在0～11m m范圍內，載荷（單位kN）與壓縮位移（單位mm）之間的曲線圖。

圖5對比分析結果：對于紙護角規格寬度為50×50，高度為300時，壓縮變形量在0～10mm范圍內時，在相同載荷作用條件下，總體來說，厚度為7mm時具有較強的抗壓性能；5mm次之、4mm最差；可見，在0～300mm范圍內紙護角厚度越厚其抗壓性能會越強些。

圖6對比分析結果：對于紙護角規格寬度為50×50，高度為450時，壓縮變形量在0～7mm范圍內時，在相同載荷作用條件下，厚度為4.7mm時具有相近的抗壓性能，但在壓縮變形量超過7mm后，厚度為7mm的紙護角抗壓性能較好。

圖7對比分析結果：對于紙護角規格寬度為50×50，高度為600時，壓縮變形量在0～9mm范圍內時，紙護角表現為線性特性；在相同載荷作用條件下，且壓縮變形量在0～2.5mm小范圍內時，三種厚度的紙護角性能相當，但在壓縮變形量超過7mm后，厚度為7mm的紙護角抗壓性能較好,5mm厚次之。

1.4 紙護角寬度與抗壓強及相關性分析

由于目前使用最多的是50×50、70×70寬度的紙護角，而當規格為70×70寬度的紙護角一般使用厚度為7mm，因此，我們本次對該厚度為7mm、高度分別為300、450、600條件下的性能變化情況進行分析。

圖8對比分析結果：從上述圖片可以看出除50×50×7-600規格的紙護角外，50×50、70×70寬度，厚度均為7mm的紙護角在壓縮變形量0～15mm內抗壓性能相當。可見，在紙護角高度為600mm時，寬度值對紙護角強度的影響并不大，在同等條件下為節省成本建議優先50×50mm規格的紙護角。

2 分析結論

2.1 實驗測試意義與檢驗標準對比分析

實測值意義：檢驗標準要求將試樣垂直放置于壓縮試驗機兩平板的中央，記錄壓潰時的抗壓最大值，再取其平均值，通過實地測試我們發現紙護角在抗壓實驗過程中壓潰階段會出現載荷上升的情況，如文中曲線圖，但壓潰階段時紙護角的抗壓性能對包裝設計來說已基本失效了，因此，分析和研究紙護角在0～11mm壓縮變形內的彈性階段更有實際意義和價值。

誤差分析：理想的實驗樣品要求端面光滑平整、無磨損，且與側面垂直，而實際上來料時紙護角的兩端面無法達到平整。

圖7

2.2 紙護角寬度對抗壓強度的影響

通過1.4我們可以得知，對于50×50、70×70寬度的紙護角其寬度值并不是最關鍵的影響因素。

2.3 紙護角高度對抗壓強度的影響

對于紙護角規格為50×50，厚度分別為4 m m、5m m、7m m的紙護角，隨著高度不斷增加，存在以下變化規律：A.不論厚度是4mm，還是5mm、7mm，隨著紙護角高度不斷增加，同一種規格的紙護角其抗壓強度基本層下降趨勢，特別是紙護角高度達到600mm后，下降趨勢較明顯；B.隨著紙護角高度不斷增加，對于厚度是7mm的紙護角50×50，其抗壓強度變化值小于厚度是4、5mm的紙護角50×50。

2.4 紙護角厚度對抗壓強度的影響

對于紙護角規格為5 0×5 0，厚度分別為4 m m、5 m m、7 m m 的紙護角，隨著厚度不斷增加，存在以下規律：A.在0～30 0 m m高度范圍內，優先厚度為5 m m的紙護角；B.在300～450m m范圍內，厚度為5m m、4m m的紙護角抗壓強度相當；C.在450～600mm范圍內，厚度為7mm的紙護角抗壓強度表現較明顯；在0～3mm位移變形范圍內厚度為4、5mm的紙護角抗壓強度相當。

2.5 小結

綜上對比分析，我們可知在紙護角設計高度一定的條件下，通過厚度、寬度的不同組合可達到抗壓性能穩定且又能適當降低成本的紙護角。

2.6 實際壓縮試驗測試情況

從實際壓縮試驗測試情況來看，紙護角首先在兩端處發生壓縮失效再擴展至其他區域。可見，我們可以改變思路即對紙護角的兩端處提高其剛度值，這樣整體抗壓強度會有提升。

圖8

3 總結沉淀

為了平衡紙護角設計成本與設計強度之間的關系，結合本次實地抗壓測試，針對家電包裝產品在倉儲堆碼過程中承載一定時，我們應從以下順序進行考慮，第一步：計算包裝產品在堆碼過程中的總載荷,再轉化為單根紙護角的承載；第二步：明確堆碼過程中最底層包裝產品的壓縮變形設計預留量；第三步：根據第二步中壓縮變形設計預留量或者第一步中計算的單根紙護角承載載荷大小，結合測試曲線圖，找出最適合的紙護角規格，先核對紙護角厚度（厚度對強度影響最大，寬度一般先選用50×50mm作為基準），再核對紙護角長度。

本次我們主要研究紙護角在彈性變形階段、變形量約在0～11mm范圍內的性能特性，主要涉及紙護角高度、厚度、寬度與抗壓強度的相關性分析，希望能夠對紙護角合理選用提供一種有效的設計思路和參考。