瓦楞纸板边压强度测试原理、方法及影响因素
纸制品包装属于包装的一种,是指用纸和纸板等原材料,进一步加工制成纸制品的生产活动,利用加工制造出来的瓦楞纸、纸板、纸箱、纸盒等进行相关行业产品包装服务的一系列活动,随着电商快递物流的发展,瓦楞纸箱的市场越来越大。
纸包装市场按照利润率和规模体量呈现金字塔状:金字塔最底层的是工业包装及低端商业包装,规模体量最大,原材料以箱板、瓦楞为主,结构简单个性化程度低,多用于低客单价的日用品、快消品、快递包装以及部分高客单价但体积较大的商品(如家电),净利润水平约在2%~5%。中高端商业包装主要以白卡纸、白板纸等材料为主,印刷精美、结构复杂、设计附加值高,主要用于高客单价、小体积的商品,如消费电子、高端白酒、精品烟盒、高端礼品,其中消费电子包装净利率多在5%~15%,烟酒包装净利润率可达20%~30%(1)。
2020年,我国纸和纸板容器行业规模以上企业(年营业收入2000万元及以上全部工业法人企业)2510家。纸和纸板容器制造行业规模以上企业累计完成营业收入2884.74亿元,占中国包装行业总收入的28.66%(2)。
我国纸包装行业中小企业占比超60%,CR5市场份额不足10%,竞争格局分散主因:行业人力密集,印刷设备虽具备一定的资本壁垒,但中小厂商凭借低廉的人工成本仍可存活,行业进入门槛仍然较低,同时瓦楞纸箱对运输成本敏感,存在100~200公里运输半径问题,导致中小厂家区域割据。同时下游需求来自消费电子、烟、酒、化妆品、保健品等多个行业,需求分散导致行业发展初期集中度难以提高。如何在这种激烈竞争和市场细分环境下能够掌控纸箱的物理性能特别是瓦楞板的边压强度变化,对行业日常工作的开展至关重要。
在美国,有美国制浆造纸工业技术协会(TAPPI)组织制定的如下多项边压强度测试标准,有TAPPI T811《瓦楞纸板边压强度的测定(短柱法)》和TAPPI T823《瓦楞纸板边压强度的测定(刚性支撑法)》等四五种方法, 而TAPPI测试方法是全球公认的纸浆、造纸、纸箱行业国际标准。
在我国,瓦楞纸板边压强度测定有两个方法标准:一个是GB/T 6546-2021《瓦楞纸板 边压强度的测定》,该标准等同采用ISO3037:2013《瓦楞纸板一边缘耐压强度的测定》;另一个是GB/T2679.17-1997《瓦楞纸板边压强度的测定(边缘补强法)》。本文主要按国内使用最广泛的边压测试方法GB/T 6546-2021《瓦楞纸板 边压强度的测定》进行研究讨论,边压强度压缩示意图见图1。

图1:边压强度压缩示意图
目前我们国内最常用的边压强度测试方法为GB/T 6546,2021年有最新的版本推出。GB/T 6544-2008《瓦楞纸板》产品标准中有规定,对瓦楞纸板的边压强度测定应该按照GB/T 6546进行。其测试描述如下:矩形的瓦楞纸板试样置于压缩试验仪的两压板之间,并使试样的瓦楞方向垂直于压缩试验仪的两压板,然后对试样施加压力,直至试样压溃为止。测定每一试样所能承受的最大压力(3)。
本试验仪器包括电脑压缩强度测定仪、边压取样器具和边压测试导块三部分。
2.2 边压强度测试设备要求
整个试验的步聚如下:
R=`Fmax/L
R— 边压强度,kN/m ;`Fmax— 最大压力平均值,N; L— 试样长边尺寸,mm
3.1 湿度及水分对边压强度的影响
因为纸纤维特性的原因,环境相对湿度增大或减小对瓦楞纸箱的力学性能有很大影响,所以瓦楞纸板或者纸箱所处环境的湿度或者本身的含水率,是一个重要的影响因素和日常设计、生产、交付等环节必须重点考量点。
有研究人员对瓦楞纸板进行了各种湿度的环境试验,通过试验结测定其主要力学性能,以探索环境相对湿度对其力学性能的影响。其中对边压测试的结果显示:环境相对湿度越大,瓦楞纸板的吸湿越大,因而瓦楞纸箱抗压强度越低;瓦楞纸板的水分含量越高,边压强度值随越低(4)。

3.2 取样正确对边压强度的影响
边压强度压缩变形过程为塑性变形,可以真实地反应其垂直边的抗压缩能力。日常测试过程因为样品裁切刀具老化不锐利,造成切品不平整,有纸屑毛边;或者因为刀具制造安装不垂直,造成检测样品切口长边有斜切等情况。这类不合格的样品,在实际测试过程会过早地被压溃,测试结果往往会偏低,从而造成检测结果没有真实地反应该瓦楞纸板的边压值。
基于同样的原因,瓦楞纸板样品受过挤压、冲击,较大的印刷面,因为破坏了样本本身的机械强度,均会降低边压强度的结果值。
3.3 检测仪器测控系统对边压强度的影响
因为智能电子压缩强度测定仪在对峰值判断机理的原因,有时候不正确的软件设计或者力学峰值下降比例的错误设置,均会让测试仪器提前退出测试,给出一个较的测试结果,而这一结果未能反应该样品的真实边压强度。
瓦楞纸板在进行边压强度测试过程中,其压缩变形过程标准曲线见图5,测试开始,力值上升,达到50N时,拿开边压导块(防止影响测试结果或者样品无法压溃动压板压到金属导块),力值继续上升,当瓦楞纸板被压溃后,压力值会越逐渐越小,相当于最大的抗压峰值已过去了,若继续向下压缩,纸板边压强度压缩变形过程为塑性变形,已失去了继续检测的意思也浪费了测试时间;检测仪器会根据设定一个下降比例,当力值下降到最大值的设定下降比例时(常规设置为85-90%),测试完成,力值-变形量曲线为标准的抛物线图。

但是我们在实际测试工作中,会发现图6这样的测试曲线,其压缩变形过程解析如下:当压板开始压缩样品,随着变形过程的推进,压力值越来越大;在力值上升的过程中,可能是样品本身性能原因或者外部干扰,有一个瞬间的下降突变,若此事设定的下降比例偏高或者检测仪器软件程序处理不当,仪器误判断此值为样品最大值而提前退出。若出现这种情况后,可把刚测试过的样品再次进行压缩测试,第二次的测试结果会高于第一次的测试值,说明第一次测试有问题。
另外,检测仪器本身的好坏,也直接影响测量值。电脑压缩强度测定仪本身为高精密电子产品,使用一段时间后,因为电子元器件及传感器具的性能变化,测试准确度有一定要漂移,从而会影响测试结果,要定期对仪器进行力值校准。同时,上下压板的平行度、平整度、测试速度均是会影响到检测结果,所以定期对仪器进行维护保养和调校是一个重要的工作。
本论于2021年7月发表于《纸箱世界》杂志

纸包装市场按照利润率和规模体量呈现金字塔状:金字塔最底层的是工业包装及低端商业包装,规模体量最大,原材料以箱板、瓦楞为主,结构简单个性化程度低,多用于低客单价的日用品、快消品、快递包装以及部分高客单价但体积较大的商品(如家电),净利润水平约在2%~5%。中高端商业包装主要以白卡纸、白板纸等材料为主,印刷精美、结构复杂、设计附加值高,主要用于高客单价、小体积的商品,如消费电子、高端白酒、精品烟盒、高端礼品,其中消费电子包装净利率多在5%~15%,烟酒包装净利润率可达20%~30%(1)。

我国纸包装行业中小企业占比超60%,CR5市场份额不足10%,竞争格局分散主因:行业人力密集,印刷设备虽具备一定的资本壁垒,但中小厂商凭借低廉的人工成本仍可存活,行业进入门槛仍然较低,同时瓦楞纸箱对运输成本敏感,存在100~200公里运输半径问题,导致中小厂家区域割据。同时下游需求来自消费电子、烟、酒、化妆品、保健品等多个行业,需求分散导致行业发展初期集中度难以提高。如何在这种激烈竞争和市场细分环境下能够掌控纸箱的物理性能特别是瓦楞板的边压强度变化,对行业日常工作的开展至关重要。
- 边压强度ECT的测试原理及方法分类
在美国,有美国制浆造纸工业技术协会(TAPPI)组织制定的如下多项边压强度测试标准,有TAPPI T811《瓦楞纸板边压强度的测定(短柱法)》和TAPPI T823《瓦楞纸板边压强度的测定(刚性支撑法)》等四五种方法, 而TAPPI测试方法是全球公认的纸浆、造纸、纸箱行业国际标准。
在我国,瓦楞纸板边压强度测定有两个方法标准:一个是GB/T 6546-2021《瓦楞纸板 边压强度的测定》,该标准等同采用ISO3037:2013《瓦楞纸板一边缘耐压强度的测定》;另一个是GB/T2679.17-1997《瓦楞纸板边压强度的测定(边缘补强法)》。本文主要按国内使用最广泛的边压测试方法GB/T 6546-2021《瓦楞纸板 边压强度的测定》进行研究讨论,边压强度压缩示意图见图1。

图1:边压强度压缩示意图
- 边压强度ECT的测试方法
目前我们国内最常用的边压强度测试方法为GB/T 6546,2021年有最新的版本推出。GB/T 6544-2008《瓦楞纸板》产品标准中有规定,对瓦楞纸板的边压强度测定应该按照GB/T 6546进行。其测试描述如下:矩形的瓦楞纸板试样置于压缩试验仪的两压板之间,并使试样的瓦楞方向垂直于压缩试验仪的两压板,然后对试样施加压力,直至试样压溃为止。测定每一试样所能承受的最大压力(3)。
本试验仪器包括电脑压缩强度测定仪、边压取样器具和边压测试导块三部分。

图2: 边压强度测试所需要仪器
电脑压缩强度测定仪是采用一块固定压板和另一块直接驱动刚性压板组成测试主要部件,动压板的向上移动速度为(12.5士2.5)mm/min。压板尺寸应满足试样的尺寸,使试样不致超出压板之外。压缩强度测定仪主要技术指标要求如下:- 电 源: AC220V±10% 2A 50Hz;
- 分 辨 率: 0.1N;
- 测量范围:5N~5000N;
- 平 行 度:≤ 0.05 mm;
- 工作行程:1~60mm;
- 测试速度:12.5±2.5 mm/min;
- 取 样 尺 寸 : 25mm×100mm;
- 取 样 误 差 :±0.5 mm;
- 最大取样长度:300mm;
- 最大取样厚度:12mm。
2.2 边压强度测试设备要求
整个试验的步聚如下:
- 按GB/T 450和GB/T 10739标准准备试样。
- 用边压取样器切取瓦楞方向为短边的矩形试样,其尺寸为25mm×100mm。试样上不得有压痕、印刷痕迹和损坏,至少需切取10个试样。
- 将试样置于下压板的正中,使试样的短边垂直于两压板,再用导块支持试样,使之端面与两压板之间垂直,两导块彼此平行且垂直于试样的表面。
- 选择边压模式,以12.5mm/min的速度对试样施加压力。当加压力接近50N时移开导块,直至试样压溃。记录试样所能承受的最大压力,精确至0.1N。
- 按上述步骤测试其余的试样。
- 测试结果表示,
R=`Fmax/L
R— 边压强度,kN/m ;`Fmax— 最大压力平均值,N; L— 试样长边尺寸,mm
- 边压强度ECT的主要影响因素
3.1 湿度及水分对边压强度的影响
因为纸纤维特性的原因,环境相对湿度增大或减小对瓦楞纸箱的力学性能有很大影响,所以瓦楞纸板或者纸箱所处环境的湿度或者本身的含水率,是一个重要的影响因素和日常设计、生产、交付等环节必须重点考量点。
有研究人员对瓦楞纸板进行了各种湿度的环境试验,通过试验结测定其主要力学性能,以探索环境相对湿度对其力学性能的影响。其中对边压测试的结果显示:环境相对湿度越大,瓦楞纸板的吸湿越大,因而瓦楞纸箱抗压强度越低;瓦楞纸板的水分含量越高,边压强度值随越低(4)。

3.2 取样正确对边压强度的影响
边压强度压缩变形过程为塑性变形,可以真实地反应其垂直边的抗压缩能力。日常测试过程因为样品裁切刀具老化不锐利,造成切品不平整,有纸屑毛边;或者因为刀具制造安装不垂直,造成检测样品切口长边有斜切等情况。这类不合格的样品,在实际测试过程会过早地被压溃,测试结果往往会偏低,从而造成检测结果没有真实地反应该瓦楞纸板的边压值。
基于同样的原因,瓦楞纸板样品受过挤压、冲击,较大的印刷面,因为破坏了样本本身的机械强度,均会降低边压强度的结果值。
3.3 检测仪器测控系统对边压强度的影响
因为智能电子压缩强度测定仪在对峰值判断机理的原因,有时候不正确的软件设计或者力学峰值下降比例的错误设置,均会让测试仪器提前退出测试,给出一个较的测试结果,而这一结果未能反应该样品的真实边压强度。
瓦楞纸板在进行边压强度测试过程中,其压缩变形过程标准曲线见图5,测试开始,力值上升,达到50N时,拿开边压导块(防止影响测试结果或者样品无法压溃动压板压到金属导块),力值继续上升,当瓦楞纸板被压溃后,压力值会越逐渐越小,相当于最大的抗压峰值已过去了,若继续向下压缩,纸板边压强度压缩变形过程为塑性变形,已失去了继续检测的意思也浪费了测试时间;检测仪器会根据设定一个下降比例,当力值下降到最大值的设定下降比例时(常规设置为85-90%),测试完成,力值-变形量曲线为标准的抛物线图。

但是我们在实际测试工作中,会发现图6这样的测试曲线,其压缩变形过程解析如下:当压板开始压缩样品,随着变形过程的推进,压力值越来越大;在力值上升的过程中,可能是样品本身性能原因或者外部干扰,有一个瞬间的下降突变,若此事设定的下降比例偏高或者检测仪器软件程序处理不当,仪器误判断此值为样品最大值而提前退出。若出现这种情况后,可把刚测试过的样品再次进行压缩测试,第二次的测试结果会高于第一次的测试值,说明第一次测试有问题。
另外,检测仪器本身的好坏,也直接影响测量值。电脑压缩强度测定仪本身为高精密电子产品,使用一段时间后,因为电子元器件及传感器具的性能变化,测试准确度有一定要漂移,从而会影响测试结果,要定期对仪器进行力值校准。同时,上下压板的平行度、平整度、测试速度均是会影响到检测结果,所以定期对仪器进行维护保养和调校是一个重要的工作。
- 总结
本论于2021年7月发表于《纸箱世界》杂志
