鲜食葡萄电商悬固包装薄膜的力学性能分析与优化设计研究

张涵涵，梁欣，魏婧怡，赵通，姚刚，阎瑞香*

鲜食葡萄电商悬固包装薄膜的力学性能分析与优化设计研究

张涵涵1，梁欣2，魏婧怡1，赵通1，姚刚2，阎瑞香1*

（1.天津科技大学 轻工科学与工程学院，天津 300457； 2.深圳顺丰泰森控股（集团）有限公司，广东 深圳 518000）

针对电商物流包装存在操作繁琐、透气透湿不足、寄递中暴力分拣的问题以及葡萄易落粒损伤的特点，设计一种针对鲜食葡萄的透气透湿性适宜的简便化包装。采用激光打孔调整TPU薄膜透气透湿性，通过力学性能测试选出适宜厚度与孔隙排列方式，根据跌落试验确认TPU薄膜包裹葡萄的最佳凹陷程度，并验证悬固包装的有效性。厚度为0.08 mm、孔隙排列方式为Z形的TPU薄膜有优良的力学性能与透气透湿性，打孔后薄膜水蒸气透过率极显著提高（0.01），并且0.08 mm的Z形TPU薄膜凹陷3 cm的悬固包装在610 mm的高度跌落不触底，对葡萄的保护效果良好。纸浆模塑盒可承受400 N以上的力，循环压缩20次后仍有很好的支撑性，通过跌落测试可得悬固包装葡萄的表面损伤指数比袋中袋更小。综合来看，该悬固包装操作方便，打孔后透气透湿性显著提高，与包装箱匹配使用能满足堆码与运输要求，是一种符合包装运输要求的鲜食葡萄电商包装方式，本研究为果蔬类产品的电商包装结构设计提供了新思路。

鲜食葡萄；电商包装；悬固结构；激光打孔；热塑性聚氨酯；纸浆模塑

葡萄（L.）酸甜可口，味美汁鲜，深受消费者喜爱[1]。“互联网+农业”产业的兴起使鲜食葡萄通过电商寄递至全国各地[2]，但其多在高温高湿季节成熟，采后有大量田间热与呼吸热，且具有果肉软、果穗散的特点，寄递过程中暴力分拣、包装透气透湿性不足均易导致葡萄品质劣变[3]。葡萄采后损失率高达20%～30%[4]，严重影响其电商发展。

选择合适的包装材料和包装结构能降低葡萄在贮运中由于挤压、冲击和振动等引起的损坏[5]。目前在葡萄贮运中效果较好的包装为袋中袋，所用材料为聚乙烯（Polyethylene，PE），但其需要工具辅助充气[6]。悬固包装是常见的包装形式之一[7]，其使用高弹性的薄膜定位产品，能有效减缓冲击和振动[8]。悬固包装的材料通常为热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethanes，TPU）和瓦楞纸板。其中，TPU的拉伸强度大、回弹范围广[9]；瓦楞纸板轻便、缓冲性能好。近年来，纸浆模塑制品发展迅速，具有强度大、缓冲性能好的特点[10]。梁奕昆等[11]利用TPU和瓦楞纸板设计出针对轻小型电子产品的悬固包装。孟子涵等[8]则将悬固包装作为红酒内衬，使红酒在正常的储运条件下完好无损。通过模拟运输试验发现，悬固包装能减轻葡萄[12]、桃子和李子[13]等水果在运输中受到的机械损伤。但关于悬固包装由于薄膜透气透湿性不足造成产品腐烂变质的情况还鲜有报道。因此，研究出操作简单、透气透湿性适宜的电商包装是促进葡萄电商物流产业发展的关键。

本研究设计一种由TPU与纸浆模塑组成的悬固包装，筛选出力学性能优良的TPU薄膜厚度，然后对其激光打孔提高透气透湿性，再筛选出较好的孔隙排列方式，确认TPU薄膜的最佳凹陷程度，通过跌落试验验证悬固包装的有效性，优化适用于鲜食葡萄的悬固包装设计方案，以期降低鲜食葡萄在电商物流过程中的腐烂损失，保持物流品质。

1 试验

1.1 材料与仪器

主要材料：巨峰葡萄（'Kyoho'），产于天津市滨海新区；TPU薄膜（厚度为0.05、0.08、0.10、0.15、0.20 mm），购于东莞市特普优环保新材料有限公司；纸浆模塑盒（规格为33 cm×21 cm×7.5 cm），购于中山市三秦包装材料有限公司。

主要仪器：3369电子万能试验机，美国Instron公司；TA.XT Plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司；ECLIPSE LV100ND POL/DS偏光显微镜，尼康精机（上海）有限公司；UV-3C紫外激光打标机，大族激光科技产业集团股份有限公司；W-B-121F水蒸气透过率测试仪，广州西唐机电科技有限公司；BSG-33F气体透过率测试仪，广州西唐机电科技有限公司；DY-2跌落试验机，美国Lansmont corporation公司。

1.2 方法

1.2.1 薄膜力学性能测试

1）拉伸性能。根据GB/T 1040.3—2006，裁取尺寸为150 mm×15 mm的TPU样品，夹距设为50 mm，拉伸速率为450 mm/min。每组5个平行试样，取平均值。

2）弹性回复率。参照梁飞飞等[14]的方法并稍作修改，TPU样品尺寸为60 mm×5 mm，夹距0为20 mm，在常温（23±3）℃下将夹距拉至0的3倍，保持1 min停留再撤去外力并等待1 min，测出TPU恢复后的长度，根据式（1）得到TPU在常温下的弹性回复率。

式中：为弹性回复率；为原长度，mm；0为夹距长度，mm。

3）穿刺强度。根据GB/T 10004—2008，将直径为100 mm的试片安装在样膜固定夹环上，然后用P/2N钢针，以55 mm/min的速度穿刺，读取钢针穿透试片的最大负荷。

4）压缩强度。根据GB/T 1041—2008，试样尺寸为350 mm×250 mm，压缩速度为10 mm/min，每组5个平行试样，取平均值。

1.2.2 薄膜阻隔性能测试

1）打孔参数确定。经多次测试，最终确定紫外激光打孔参数为：激光速度=200 mm/s，脉冲重复频率PR=15 kHz，电流=7 A，打标次数=28次。

2）水蒸气透过性。参照马清华等[15]的方法，测试温度为38 ℃，相对湿度为90%。由于每组薄膜的激光参数与打孔数量都一致，所以选择条形打孔组作为水蒸气透过量的测试组。

3）氧气透过性。参照王洋样等[16]的方法并稍作修改，裁取直径为100 mm的圆形TPU样品，测试温度为23 ℃、相对湿度为50%。每组3个平行试样，取平均值。

1.2.3 纸浆模塑力学性能测试

1）压缩性能。将组装后的纸浆模塑盒压缩葡萄最大直径的距离，即可得到最小支撑强度。根据GB/T 4857.4—2008，试验速度为10 mm/min，每组5个平行试样，取平均值。

2）循环加载性能。根据国家标准，公路运输的堆码高度最高为2.5 m，通过循环压缩试验对纸浆模塑盒循环加载性能进行测试，循环压缩试验速度采用10 mm/min。

1.2.4 悬固包装效果验证

1）触底测试。在TPU与葡萄接触面的背面涂抹不易干白胶，将粘有TPU薄膜的纸浆模塑盒组装，放入500 g葡萄，调整跌落高度，跌落后盒体内侧底面粘有白胶即为触底。

2）跌落测试。根据ASTM D4169-16，利用重力作用做方向向下的自由落体，模拟实际运输中包装件装卸搬运过程中的跌落冲击，每组3个平行试样，取平均值。

3）葡萄落粒率。以固定高度对整穗葡萄进行跌落试验，根据式（2）计算落粒率：

式中：为落粒率，%；0为落粒果实质量，g；为果实总质量，g。

4）葡萄表面损伤指数。参照肖越等[17]的方法，按损伤的面积大小将果实划分为4级，根据式（3）计算表面损伤指数。

式中：为表面损伤指数，%；为损伤级别，mm；为该级果实数，mm；为最高损伤级别；为总果实数。

1.3 数据处理

数据采用3个或3个以上样本平均值，通过Origin 64软件对数据进行绘图，利用Microsoft Excel 2021和IBM SPSS Statistics 26软件处理数据。使用邓肯试验确定不同组之间的显著性，以＜0.05判断结果差异是否显著。

2 结果与分析

2.1 TPU力学与阻隔性能

力学性能是包装材料最主要的性能[18]。如表1所示，0.05 mm的TPU薄膜弹性模量最大，其余性能均显著最小（<0.05）；0.08 mm的TPU薄膜拉伸强度最大；0.20 mm的TPU薄膜断裂伸长率最大；除了0.05 mm的TPU弹性回复率在85.83%，其余均在92%以上；被修剪的果梗可能刺破薄膜，测试了穿刺强度，袋中袋的PE膜穿刺强度比TPU薄膜小68.4%～89.9%。由于悬固包装主要通过薄膜将葡萄悬空紧固，所以薄膜的拉伸强度和弹性回复率尤为重要[11]，最终选择拉伸强度最大、弹性回复性能良好的0.08 mm的TPU薄膜。

对0.08 mm的TPU薄膜进行静态压缩试验以确定其承载能力。向下压缩75 mm（纸浆模塑盒的高度）后，薄膜承受载荷为113 N，一串葡萄重约5 N，故其能满足支撑葡萄的要求。放入葡萄后，薄膜位移在35～55 mm，此时葡萄受力大于21 N，受力过大将导致葡萄损伤，需要将薄膜进行凹陷以减少薄膜对葡萄的挤压力。

果蔬包装要防止水分大量散失导致果蔬萎蔫，避免水分大量积累出现结露从而加速果蔬腐败[16, 19]。王洋样等[16]对聚乳酸薄膜进行改性提高了其力学与透气透湿性能，将葡萄的货架期延长至30 d。如表2所示，0.08 mm的TPU薄膜氧气与水蒸气透过量分别比上述改性聚乳酸低4.3%和26.7%。为达到更好的保鲜效果，需要提高TPU薄膜的透气透湿性。

表1 不同厚度TPU薄膜的力学性能

Tab.1 Mechanical properties of TPU films of different thickness

注：上标不同小写字母表示在同一列中显示出显著差异（<0.05）。

表2 薄膜的透气透湿性

Tab.2 Air and moisture permeability of film

2.2 TPU阻隔性优化筛选

为增加薄膜的透气透湿性，扩散田间热和呼吸热，采用紫外激光对0.08 mm的TPU薄膜打孔[20]。如图1a，孔隙边缘整齐，周围的熔融层使其不易开裂[21]。打孔后TPU薄膜的水蒸气透过量提高，更接近目前效果较好的改性聚乳酸薄膜的水蒸气透过量（图1b）。

在薄膜透气透湿性能一致的情况下，孔隙排列方式可能会对薄膜的力学性能造成影响。根据线条“横、竖、斜、曲”的类型，设计了4种孔隙排列方式，分别为条形、Z形、工形和圆形，打孔数量均为30个，孔隙直径平均为45 μm[22]。由于取样尺寸的限制，无法整体对打孔部分进行力学性能测试，于是测试了打孔TPU薄膜中间和边缘部位的拉伸性能。在相同应变下，打孔TPU薄膜承受应力均大于未打孔TPU薄膜；打孔后TPU薄膜的拉伸强度下降了14.5%～30.7%；中间部位圆形孔TPU薄膜的拉伸强度与断裂伸长率在打孔TPU薄膜中最大，其次为Z形孔TPU薄膜；边缘部位Z形孔TPU薄膜的拉伸强度与断裂伸长率在打孔TPU薄膜中均最大（图2）。综上所述，孔隙排列方式会对TPU薄膜的力学性能产生影响，但仍有优良的力学性能，其中力学性能综合较好的打孔排列方式为Z形。

图1 紫外激光打孔典型显微镜图像（a）和TPU打孔前后水蒸气透过量（b）

注：**表示<0.01。

对打孔后的TPU薄膜进行压缩试验，以测试其承载能力。如图3所示，向下压缩75 mm后，打孔TPU薄膜的压缩强度比未打孔TPU薄膜低28%，但承受载荷大于葡萄重力5 N，仍能达到要求；位移为30～70 mm时，Z形孔和工形孔TPU薄膜承受载荷大于圆形孔和条形孔TPU薄膜；位移为70～80 mm时，Z形孔TPU薄膜压缩强度略微高于其他打孔TPU薄膜。综合拉伸性能结果，筛选出力学性能较好的Z形孔TPU薄膜。

图3 打孔TPU压缩性能

2.3 纸浆模塑力学性能

通过压缩试验得到最小支撑强度[23]。组装后的纸浆模塑盒承受的载荷下限为400 N，同样尺寸的瓦楞纸箱压缩同样位移后的支撑强度为248 N，比纸浆模塑盒低29%（图4a）。

对纸浆模塑盒进行循环加载以验证其缓冲性能[24]。根据公路堆码高度最高为2.5 m[25]和包装件高度可得出最大堆码层数为16层，进而可得包装最大受力78.4 N。在78.4 Ｎ的载荷下进行20次循环加载试验[24]，如图4b所示，循环加载20次后，纸浆模塑盒仍具有较好的支撑性与回弹性，循环加载重复度较好。

2.4 悬固包装结构设计与效果验证

悬固包装由TPU薄膜、纸浆模塑盒和气柱组成。原理是处于拉伸状态的薄膜将葡萄紧固在中间，薄膜的高弹性和气柱缓冲冲击和振动，而跌落冲击是果品机械损伤的主要因素[26]，故根据ASTM D4169-16，在610 mm的高度进行跌落测试。结果表明，袋中袋的葡萄落粒较少，损伤较大；加气柱的悬固包装的葡萄落粒和损伤明显改善，验证了气柱的有效性；Z形孔TPU凹陷2 cm时，葡萄损伤较大，说明葡萄受挤压力较大，加大凹陷至4 cm后葡萄损伤明显减小，但落粒较多，说明葡萄受束缚力较小，缩小凹陷至3 cm后葡萄落粒明显减少。综上可知，“Z形孔TPU凹陷3 cm＋气柱”的包装方式对葡萄保护效果较好。

图4 纸浆模塑盒与瓦楞纸箱压缩性能对比（a）和纸浆模塑盒的循环压缩性能（b）

运输过程中受到过大冲击力可能会导致葡萄触底，进而使其失去商品性[27]。如图5所示，选用效果较好的凹陷3 cm的Z形孔TPU薄膜进行测试。根据标准要求跌落高度为610 mm，0.08 mm的Z形孔TPU薄膜触底高度为750 mm，能达到要求。

图5 触底试验结果

3 结语

本研究设计了一种由TPU与纸浆模塑组成的悬固包装，通过对TPU薄膜优化设计使其对葡萄有更好的保护效果，验证了悬固包装应用于鲜食葡萄的有效性。结果表明，“0.08 mm的Z形孔TPU凹陷3 cm＋气柱”的悬固包装对葡萄具有最佳保护性能。打孔后，TPU薄膜的透湿性极显著提高（<0.01）。所选纸浆模塑盒能抵抗400 N以上压力，且循环压缩20次后仍有较好的回弹与支撑性。与袋中袋相比，悬固包装的葡萄的表面损伤更少，边缘放置气柱有更佳的保护效果。通过触底试验进一步验证凹陷3 cm的Z形孔TPU薄膜用于悬固包装的有效性。综合来看，相较于袋中袋，该悬固包装可显著降低果实损伤与落粒，满足运输中跌落冲击的防护要求，且操作方便，可循环使用，但该包装结构对葡萄实发寄递效果的影响还有待进一步优化验证。

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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

天津市产业技术体系项目（ITTVRS2023020）；顺丰横向合作项目（90202205240357）

通信作者