鮮食葡萄電商懸固包裝薄膜的力學性能分析與優化設計研究

張涵涵，梁欣，魏婧怡，趙通，姚剛，閻瑞香*

鮮食葡萄電商懸固包裝薄膜的力學性能分析與優化設計研究

張涵涵1，梁欣2，魏婧怡1，趙通1，姚剛2，閻瑞香1*

（1.天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津 300457； 2.深圳順豐泰森控股（集團）有限公司，廣東 深圳 518000）

針對電商物流包裝存在操作繁瑣、透氣透濕不足、寄遞中暴力分揀的問題以及葡萄易落粒損傷的特點，設計一種針對鮮食葡萄的透氣透濕性適宜的簡便化包裝。采用激光打孔調整TPU薄膜透氣透濕性，通過力學性能測試選出適宜厚度與孔隙排列方式，根據跌落試驗確認TPU薄膜包裹葡萄的最佳凹陷程度，并驗證懸固包裝的有效性。厚度為0.08 mm、孔隙排列方式為Z形的TPU薄膜有優良的力學性能與透氣透濕性，打孔后薄膜水蒸氣透過率極顯著提高（0.01），并且0.08 mm的Z形TPU薄膜凹陷3 cm的懸固包裝在610 mm的高度跌落不觸底，對葡萄的保護效果良好。紙漿模塑盒可承受400 N以上的力，循環壓縮20次后仍有很好的支撐性，通過跌落測試可得懸固包裝葡萄的表面損傷指數比袋中袋更小。綜合來看，該懸固包裝操作方便，打孔后透氣透濕性顯著提高，與包裝箱匹配使用能滿足堆碼與運輸要求，是一種符合包裝運輸要求的鮮食葡萄電商包裝方式，本研究為果蔬類產品的電商包裝結構設計提供了新思路。

鮮食葡萄；電商包裝；懸固結構；激光打孔；熱塑性聚氨酯；紙漿模塑

葡萄（L.）酸甜可口，味美汁鮮，深受消費者喜愛[1]。“互聯網+農業”產業的興起使鮮食葡萄通過電商寄遞至全國各地[2]，但其多在高溫高濕季節成熟，采后有大量田間熱與呼吸熱，且具有果肉軟、果穗散的特點，寄遞過程中暴力分揀、包裝透氣透濕性不足均易導致葡萄品質劣變[3]。葡萄采后損失率高達20%～30%[4]，嚴重影響其電商發展。

選擇合適的包裝材料和包裝結構能降低葡萄在貯運中由于擠壓、沖擊和振動等引起的損壞[5]。目前在葡萄貯運中效果較好的包裝為袋中袋，所用材料為聚乙烯（Polyethylene，PE），但其需要工具輔助充氣[6]。懸固包裝是常見的包裝形式之一[7]，其使用高彈性的薄膜定位產品，能有效減緩沖擊和振動[8]。懸固包裝的材料通常為熱塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethanes，TPU）和瓦楞紙板。其中，TPU的拉伸強度大、回彈范圍廣[9]；瓦楞紙板輕便、緩沖性能好。近年來，紙漿模塑制品發展迅速，具有強度大、緩沖性能好的特點[10]。梁奕昆等[11]利用TPU和瓦楞紙板設計出針對輕小型電子產品的懸固包裝。孟子涵等[8]則將懸固包裝作為紅酒內襯，使紅酒在正常的儲運條件下完好無損。通過模擬運輸試驗發現，懸固包裝能減輕葡萄[12]、桃子和李子[13]等水果在運輸中受到的機械損傷。但關于懸固包裝由于薄膜透氣透濕性不足造成產品腐爛變質的情況還鮮有報道。因此，研究出操作簡單、透氣透濕性適宜的電商包裝是促進葡萄電商物流產業發展的關鍵。

本研究設計一種由TPU與紙漿模塑組成的懸固包裝，篩選出力學性能優良的TPU薄膜厚度，然后對其激光打孔提高透氣透濕性，再篩選出較好的孔隙排列方式，確認TPU薄膜的最佳凹陷程度，通過跌落試驗驗證懸固包裝的有效性，優化適用于鮮食葡萄的懸固包裝設計方案，以期降低鮮食葡萄在電商物流過程中的腐爛損失，保持物流品質。

1 試驗

1.1 材料與儀器

主要材料：巨峰葡萄（'Kyoho'），產于天津市濱海新區；TPU薄膜（厚度為0.05、0.08、0.10、0.15、0.20 mm），購于東莞市特普優環保新材料有限公司；紙漿模塑盒（規格為33 cm×21 cm×7.5 cm），購于中山市三秦包裝材料有限公司。

主要儀器：3369電子萬能試驗機，美國Instron公司；TA.XT Plus質構儀，英國Stable Micro Systems公司；ECLIPSE LV100ND POL/DS偏光顯微鏡，尼康精機（上海）有限公司；UV-3C紫外激光打標機，大族激光科技產業集團股份有限公司；W-B-121F水蒸氣透過率測試儀，廣州西唐機電科技有限公司；BSG-33F氣體透過率測試儀，廣州西唐機電科技有限公司；DY-2跌落試驗機，美國Lansmont corporation公司。

1.2 方法

1.2.1 薄膜力學性能測試

1）拉伸性能。根據GB/T 1040.3—2006，裁取尺寸為150 mm×15 mm的TPU樣品，夾距設為50 mm，拉伸速率為450 mm/min。每組5個平行試樣，取平均值。

2）彈性回復率。參照梁飛飛等[14]的方法并稍作修改，TPU樣品尺寸為60 mm×5 mm，夾距0為20 mm，在常溫（23±3）℃下將夾距拉至0的3倍，保持1 min停留再撤去外力并等待1 min，測出TPU恢復后的長度，根據式（1）得到TPU在常溫下的彈性回復率。

式中：為彈性回復率；為原長度，mm；0為夾距長度，mm。

3）穿刺強度。根據GB/T 10004—2008，將直徑為100 mm的試片安裝在樣膜固定夾環上，然后用P/2N鋼針，以55 mm/min的速度穿刺，讀取鋼針穿透試片的最大負荷。

4）壓縮強度。根據GB/T 1041—2008，試樣尺寸為350 mm×250 mm，壓縮速度為10 mm/min，每組5個平行試樣，取平均值。

1.2.2 薄膜阻隔性能測試

1）打孔參數確定。經多次測試，最終確定紫外激光打孔參數為：激光速度=200 mm/s，脈沖重復頻率PR=15 kHz，電流=7 A，打標次數=28次。

2）水蒸氣透過性。參照馬清華等[15]的方法，測試溫度為38 ℃，相對濕度為90%。由于每組薄膜的激光參數與打孔數量都一致，所以選擇條形打孔組作為水蒸氣透過量的測試組。

3）氧氣透過性。參照王洋樣等[16]的方法并稍作修改，裁取直徑為100 mm的圓形TPU樣品，測試溫度為23 ℃、相對濕度為50%。每組3個平行試樣，取平均值。

1.2.3 紙漿模塑力學性能測試

1）壓縮性能。將組裝后的紙漿模塑盒壓縮葡萄最大直徑的距離，即可得到最小支撐強度。根據GB/T 4857.4—2008，試驗速度為10 mm/min，每組5個平行試樣，取平均值。

2）循環加載性能。根據國家標準，公路運輸的堆碼高度最高為2.5 m，通過循環壓縮試驗對紙漿模塑盒循環加載性能進行測試，循環壓縮試驗速度采用10 mm/min。

1.2.4 懸固包裝效果驗證

1）觸底測試。在TPU與葡萄接觸面的背面涂抹不易干白膠，將粘有TPU薄膜的紙漿模塑盒組裝，放入500 g葡萄，調整跌落高度，跌落后盒體內側底面粘有白膠即為觸底。

2）跌落測試。根據ASTM D4169-16，利用重力作用做方向向下的自由落體，模擬實際運輸中包裝件裝卸搬運過程中的跌落沖擊，每組3個平行試樣，取平均值。

3）葡萄落粒率。以固定高度對整穗葡萄進行跌落試驗，根據式（2）計算落粒率：

式中：為落粒率，%；0為落粒果實質量，g；為果實總質量，g。

4）葡萄表面損傷指數。參照肖越等[17]的方法，按損傷的面積大小將果實劃分為4級，根據式（3）計算表面損傷指數。

式中：為表面損傷指數，%；為損傷級別，mm；為該級果實數，mm；為最高損傷級別；為總果實數。

1.3 數據處理

數據采用3個或3個以上樣本平均值，通過Origin 64軟件對數據進行繪圖，利用Microsoft Excel 2021和IBM SPSS Statistics 26軟件處理數據。使用鄧肯試驗確定不同組之間的顯著性，以＜0.05判斷結果差異是否顯著。

2 結果與分析

2.1 TPU力學與阻隔性能

力學性能是包裝材料最主要的性能[18]。如表1所示，0.05 mm的TPU薄膜彈性模量最大，其余性能均顯著最小（<0.05）；0.08 mm的TPU薄膜拉伸強度最大；0.20 mm的TPU薄膜斷裂伸長率最大；除了0.05 mm的TPU彈性回復率在85.83%，其余均在92%以上；被修剪的果梗可能刺破薄膜，測試了穿刺強度，袋中袋的PE膜穿刺強度比TPU薄膜小68.4%～89.9%。由于懸固包裝主要通過薄膜將葡萄懸空緊固，所以薄膜的拉伸強度和彈性回復率尤為重要[11]，最終選擇拉伸強度最大、彈性回復性能良好的0.08 mm的TPU薄膜。

對0.08 mm的TPU薄膜進行靜態壓縮試驗以確定其承載能力。向下壓縮75 mm（紙漿模塑盒的高度）后，薄膜承受載荷為113 N，一串葡萄重約5 N，故其能滿足支撐葡萄的要求。放入葡萄后，薄膜位移在35～55 mm，此時葡萄受力大于21 N，受力過大將導致葡萄損傷，需要將薄膜進行凹陷以減少薄膜對葡萄的擠壓力。

果蔬包裝要防止水分大量散失導致果蔬萎蔫，避免水分大量積累出現結露從而加速果蔬腐敗[16, 19]。王洋樣等[16]對聚乳酸薄膜進行改性提高了其力學與透氣透濕性能，將葡萄的貨架期延長至30 d。如表2所示，0.08 mm的TPU薄膜氧氣與水蒸氣透過量分別比上述改性聚乳酸低4.3%和26.7%。為達到更好的保鮮效果，需要提高TPU薄膜的透氣透濕性。

表1 不同厚度TPU薄膜的力學性能

Tab.1 Mechanical properties of TPU films of different thickness

注：上標不同小寫字母表示在同一列中顯示出顯著差異（<0.05）。

表2 薄膜的透氣透濕性

Tab.2 Air and moisture permeability of film

2.2 TPU阻隔性優化篩選

為增加薄膜的透氣透濕性，擴散田間熱和呼吸熱，采用紫外激光對0.08 mm的TPU薄膜打孔[20]。如圖1a，孔隙邊緣整齊，周圍的熔融層使其不易開裂[21]。打孔后TPU薄膜的水蒸氣透過量提高，更接近目前效果較好的改性聚乳酸薄膜的水蒸氣透過量（圖1b）。

在薄膜透氣透濕性能一致的情況下，孔隙排列方式可能會對薄膜的力學性能造成影響。根據線條“橫、豎、斜、曲”的類型，設計了4種孔隙排列方式，分別為條形、Z形、工形和圓形，打孔數量均為30個，孔隙直徑平均為45 μm[22]。由于取樣尺寸的限制，無法整體對打孔部分進行力學性能測試，于是測試了打孔TPU薄膜中間和邊緣部位的拉伸性能。在相同應變下，打孔TPU薄膜承受應力均大于未打孔TPU薄膜；打孔后TPU薄膜的拉伸強度下降了14.5%～30.7%；中間部位圓形孔TPU薄膜的拉伸強度與斷裂伸長率在打孔TPU薄膜中最大，其次為Z形孔TPU薄膜；邊緣部位Z形孔TPU薄膜的拉伸強度與斷裂伸長率在打孔TPU薄膜中均最大（圖2）。綜上所述，孔隙排列方式會對TPU薄膜的力學性能產生影響，但仍有優良的力學性能，其中力學性能綜合較好的打孔排列方式為Z形。

圖1 紫外激光打孔典型顯微鏡圖像（a）和TPU打孔前后水蒸氣透過量（b）

注：**表示<0.01。

對打孔后的TPU薄膜進行壓縮試驗，以測試其承載能力。如圖3所示，向下壓縮75 mm后，打孔TPU薄膜的壓縮強度比未打孔TPU薄膜低28%，但承受載荷大于葡萄重力5 N，仍能達到要求；位移為30～70 mm時，Z形孔和工形孔TPU薄膜承受載荷大于圓形孔和條形孔TPU薄膜；位移為70～80 mm時，Z形孔TPU薄膜壓縮強度略微高于其他打孔TPU薄膜。綜合拉伸性能結果，篩選出力學性能較好的Z形孔TPU薄膜。

圖3 打孔TPU壓縮性能

2.3 紙漿模塑力學性能

通過壓縮試驗得到最小支撐強度[23]。組裝后的紙漿模塑盒承受的載荷下限為400 N，同樣尺寸的瓦楞紙箱壓縮同樣位移后的支撐強度為248 N，比紙漿模塑盒低29%（圖4a）。

對紙漿模塑盒進行循環加載以驗證其緩沖性能[24]。根據公路堆碼高度最高為2.5 m[25]和包裝件高度可得出最大堆碼層數為16層，進而可得包裝最大受力78.4 N。在78.4 Ｎ的載荷下進行20次循環加載試驗[24]，如圖4b所示，循環加載20次后，紙漿模塑盒仍具有較好的支撐性與回彈性，循環加載重復度較好。

2.4 懸固包裝結構設計與效果驗證

懸固包裝由TPU薄膜、紙漿模塑盒和氣柱組成。原理是處于拉伸狀態的薄膜將葡萄緊固在中間，薄膜的高彈性和氣柱緩沖沖擊和振動，而跌落沖擊是果品機械損傷的主要因素[26]，故根據ASTM D4169-16，在610 mm的高度進行跌落測試。結果表明，袋中袋的葡萄落粒較少，損傷較大；加氣柱的懸固包裝的葡萄落粒和損傷明顯改善，驗證了氣柱的有效性；Z形孔TPU凹陷2 cm時，葡萄損傷較大，說明葡萄受擠壓力較大，加大凹陷至4 cm后葡萄損傷明顯減小，但落粒較多，說明葡萄受束縛力較小，縮小凹陷至3 cm后葡萄落粒明顯減少。綜上可知，“Z形孔TPU凹陷3 cm＋氣柱”的包裝方式對葡萄保護效果較好。

圖4 紙漿模塑盒與瓦楞紙箱壓縮性能對比（a）和紙漿模塑盒的循環壓縮性能（b）

運輸過程中受到過大沖擊力可能會導致葡萄觸底，進而使其失去商品性[27]。如圖5所示，選用效果較好的凹陷3 cm的Z形孔TPU薄膜進行測試。根據標準要求跌落高度為610 mm，0.08 mm的Z形孔TPU薄膜觸底高度為750 mm，能達到要求。

圖5 觸底試驗結果

3 結語

本研究設計了一種由TPU與紙漿模塑組成的懸固包裝，通過對TPU薄膜優化設計使其對葡萄有更好的保護效果，驗證了懸固包裝應用于鮮食葡萄的有效性。結果表明，“0.08 mm的Z形孔TPU凹陷3 cm＋氣柱”的懸固包裝對葡萄具有最佳保護性能。打孔后，TPU薄膜的透濕性極顯著提高（<0.01）。所選紙漿模塑盒能抵抗400 N以上壓力，且循環壓縮20次后仍有較好的回彈與支撐性。與袋中袋相比，懸固包裝的葡萄的表面損傷更少，邊緣放置氣柱有更佳的保護效果。通過觸底試驗進一步驗證凹陷3 cm的Z形孔TPU薄膜用于懸固包裝的有效性。綜合來看，相較于袋中袋，該懸固包裝可顯著降低果實損傷與落粒，滿足運輸中跌落沖擊的防護要求，且操作方便，可循環使用，但該包裝結構對葡萄實發寄遞效果的影響還有待進一步優化驗證。

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Analysis and Optimization Design of Mechanical Properties for E-commerce Suspension Packaging Film of Table Grape

ZHANG Hanhan1, LIANG Xin2, WEI Jingyi1, ZHAO Tong1, YAO Gang2, YAN Ruixiang1*

(1. College of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China; 2. Shenzhen SF Taisen Holding (Group) Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518000, China)

In response to the complicated operation, insufficient air and moisture permeability, violent sorting during delivery and the characteristics that grapes are easy to fall and be damaged, the work aims to propose a simplified packaging with appropriate air and moisture permeability for the table grape. Laser drilling was used to adjust the air and moisture permeability of TPU film and mechanical test was adopted to select the thickness and pore arrangement. The depression degree of TPU film wrapping grapes was confirmed by drop experiment, and the effectiveness of suspension packaging was verified. TPU film with a thickness of 0.08 mm and a Z-shaped pore arrangement had excellent mechanical properties and air and moisture permeability. Drilling considerably increased the water vapor transmittance (<0.01) of the film. Furthermore, when dropped from 610 mm, the suspension packaging of the 0.08 mm Z-shaped TPU film with 3 cm depression did not contact the bottom, providing excellent protection. The pulp molded box could sustain a force over 400 N and still provided support after 20 compression cycles. Drop test revealed that the surface damage of grapes in suspension packaging was lower than that in bag. Overall, the suspension packaging is simple to use, with the air and moisture permeability greatly improved after laser drilling, which can meet the criteria of stacking and transportation and is an appropriate e-commerce logistics packaging method for table grapes that meets the packaging and transportation requirements. This study provides new ideas for the structural design of e-commerce packaging for fruit and vegetable products.

table grapes; e-commerce packaging; suspension; laser drilling; thermoplastic polyurethane; pulp molding

TB485.1

A

1001-3563(2024)07-0082-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.011

2024-01-03

天津市產業技術體系項目（ITTVRS2023020）；順豐橫向合作項目（90202205240357）

通信作者