浅谈纸护角在家电产品包装设计中的运用

汤志平

(珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)

纸护角是多层高强牛皮纸用黏合剂黏合压制而成,具有耐压强度大、抗载力大、坚韧性好、不易破裂、强度和刚度高等特点,用于保护产品边角、增加立体抗压、避免运输撞击等。然而我们对于纸护角的抗压性能研究还不够,目前使用时大多凭借经验来选择纸护角,这样在使用中会带来较大的盲目性,选用的纸护角性能过大,将直接增加包装成本；选用的纸护角抗压性能不足,起不到保护产品的作用。考虑到目前纸护角绝大部分使用在通底型包装箱设计中，且主要是在堆码过程中起到支撑作用，其压缩变形量在11mm左右时纸护角已经失效。因此，本次我们主要对纸护角高度、厚度、宽度与抗压强度在其一定变形范围内的相关性进行分析。

1 实验方案及过程

1.1 试验设计方案

试验原理：从纸护角的任意部位截取300、450、600mm长度的试样五根，样品的端面光滑平整、无磨损，且与侧面垂直，将试样垂直放置于压缩试验机两平板的中央，活动板以10mm／min±2 mm／min的速率压缩试样直至压溃，记录压溃时的抗压最大值，取五根样品的平均值。目前常用纸护角尺寸规格为：宽度×厚度×长度，单位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，我们选取以下规格进行试验，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。

图1

图2

图3

通过抗压试验测试，我们发现纸护角在抗压过程中，基本力学（载荷—位移）表现形式为两个性能阶段：第一阶段，线弹性变形阶段，主要在刚发生压缩的小范围位移内；第二阶段，屈服阶段即外载荷变化不大，而纸护角位移变形量却在逐渐增加。

1.2 纸护角高度与抗压强及相关性分析

以下为纸护角规格为5 0×5 0×4、50×50×5、50×50×7,高度与抗压强及相关性分析过程。

图4

图1、图2、图3、图4分别为纸护角规格为50×50×4、50×50×5、50×50×7、70×70×7,高度分别为300、450、600mm，载荷（单位kN）与压缩位移（单位mm）之间的曲线图。

图1对比分析结果：A.对于纸护角规格为50×50×4，压缩变形量在0～10mm范围内时，压缩载荷与纸护角变形量呈线性关系；B.纸护角高度（长度）对性能影响：当纸护角高度为300、450时，两者的抗压性能相当，高度基本无影响，但在高度上升到600时，纸护角的抗压性能下降比较明显，其斜率下降明显，在压缩变形量为1mm左右开始，高度为600mm的纸护角抗压性能开始明显变化。

图2对比分析结果：A.对于纸护角规格为50×50×5，压缩变形量在0～10mm范围内时，压缩载荷与纸护角变形量呈线性关系或近似线性关系；B.对于纸护角规格为50×50×5，纸护角高度不同导致的抗压性能差异较大。图3对比分析结果：A.对于纸护角规格为50×50×7，压缩变形量在0～11mm范围内时，压缩载荷与纸护角变形量呈线性关系或近似线性关系；B.对于纸护角规格为50×50×7，在高度为300、450mm时，抗压性能相近。

图6

图4 对比分析结果：对于纸护角规格为70×70×7，压缩变形量在0～2mm范围内时三种纸护角基本无变化，随着受压时间增加，高度为600mm的纸护角受高度影响出现屈服波动状态比较大。

1.3 纸护角厚度与抗压强及相关性分析

以下为纸护角规格为50×50，高度分别为3 0 0 m m、4 5 0 m m、6 0 0 m m，厚度分别为4 m m、5m m、7m m时，厚度与抗压强及相关性分析过程。

图5、图6、图7分别为纸护角规格为50×50,高度分别为300mm、450mm、600mm，厚度分别为4m m、5m m、7m m时压缩变形量在0～11m m范围内，载荷（单位kN）与压缩位移（单位mm）之间的曲线图。

图5对比分析结果：对于纸护角规格宽度为50×50，高度为300时，压缩变形量在0～10mm范围内时，在相同载荷作用条件下，总体来说，厚度为7mm时具有较强的抗压性能；5mm次之、4mm最差；可见，在0～300mm范围内纸护角厚度越厚其抗压性能会越强些。

图6对比分析结果：对于纸护角规格宽度为50×50，高度为450时，压缩变形量在0～7mm范围内时，在相同载荷作用条件下，厚度为4.7mm时具有相近的抗压性能，但在压缩变形量超过7mm后，厚度为7mm的纸护角抗压性能较好。

图7对比分析结果：对于纸护角规格宽度为50×50，高度为600时，压缩变形量在0～9mm范围内时，纸护角表现为线性特性；在相同载荷作用条件下，且压缩变形量在0～2.5mm小范围内时，三种厚度的纸护角性能相当，但在压缩变形量超过7mm后，厚度为7mm的纸护角抗压性能较好,5mm厚次之。

1.4 纸护角宽度与抗压强及相关性分析

由于目前使用最多的是50×50、70×70宽度的纸护角，而当规格为70×70宽度的纸护角一般使用厚度为7mm，因此，我们本次对该厚度为7mm、高度分别为300、450、600条件下的性能变化情况进行分析。

图8对比分析结果：从上述图片可以看出除50×50×7-600规格的纸护角外，50×50、70×70宽度，厚度均为7mm的纸护角在压缩变形量0～15mm内抗压性能相当。可见，在纸护角高度为600mm时，宽度值对纸护角强度的影响并不大，在同等条件下为节省成本建议优先50×50mm规格的纸护角。

2 分析结论

2.1 实验测试意义与检验标准对比分析

实测值意义：检验标准要求将试样垂直放置于压缩试验机两平板的中央，记录压溃时的抗压最大值，再取其平均值，通过实地测试我们发现纸护角在抗压实验过程中压溃阶段会出现载荷上升的情况，如文中曲线图，但压溃阶段时纸护角的抗压性能对包装设计来说已基本失效了，因此，分析和研究纸护角在0～11mm压缩变形内的弹性阶段更有实际意义和价值。

误差分析：理想的实验样品要求端面光滑平整、无磨损，且与侧面垂直，而实际上来料时纸护角的两端面无法达到平整。

图7

2.2 纸护角宽度对抗压强度的影响

通过1.4我们可以得知，对于50×50、70×70宽度的纸护角其宽度值并不是最关键的影响因素。

2.3 纸护角高度对抗压强度的影响

对于纸护角规格为50×50，厚度分别为4 m m、5m m、7m m的纸护角，随着高度不断增加，存在以下变化规律：A.不论厚度是4mm，还是5mm、7mm，随着纸护角高度不断增加，同一种规格的纸护角其抗压强度基本层下降趋势，特别是纸护角高度达到600mm后，下降趋势较明显；B.随着纸护角高度不断增加，对于厚度是7mm的纸护角50×50，其抗压强度变化值小于厚度是4、5mm的纸护角50×50。

2.4 纸护角厚度对抗压强度的影响

对于纸护角规格为5 0×5 0，厚度分别为4 m m、5 m m、7 m m 的纸护角，随着厚度不断增加，存在以下规律：A.在0～30 0 m m高度范围内，优先厚度为5 m m的纸护角；B.在300～450m m范围内，厚度为5m m、4m m的纸护角抗压强度相当；C.在450～600mm范围内，厚度为7mm的纸护角抗压强度表现较明显；在0～3mm位移变形范围内厚度为4、5mm的纸护角抗压强度相当。

2.5 小结

综上对比分析，我们可知在纸护角设计高度一定的条件下，通过厚度、宽度的不同组合可达到抗压性能稳定且又能适当降低成本的纸护角。

2.6 实际压缩试验测试情况

从实际压缩试验测试情况来看，纸护角首先在两端处发生压缩失效再扩展至其他区域。可见，我们可以改变思路即对纸护角的两端处提高其刚度值，这样整体抗压强度会有提升。

图8

3 总结沉淀

为了平衡纸护角设计成本与设计强度之间的关系，结合本次实地抗压测试，针对家电包装产品在仓储堆码过程中承载一定时，我们应从以下顺序进行考虑，第一步：计算包装产品在堆码过程中的总载荷,再转化为单根纸护角的承载；第二步：明确堆码过程中最底层包装产品的压缩变形设计预留量；第三步：根据第二步中压缩变形设计预留量或者第一步中计算的单根纸护角承载载荷大小，结合测试曲线图，找出最适合的纸护角规格，先核对纸护角厚度（厚度对强度影响最大，宽度一般先选用50×50mm作为基准），再核对纸护角长度。

本次我们主要研究纸护角在弹性变形阶段、变形量约在0～11mm范围内的性能特性，主要涉及纸护角高度、厚度、宽度与抗压强度的相关性分析，希望能够对纸护角合理选用提供一种有效的设计思路和参考。