一種替代木托盤的紙滑板特性與應用壽命的研究

■文/張惠忠，范 唯，劉 楊

（1.達成包裝制品（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215155；2.連工業大學 輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

紙滑板又稱紙滑托盤，是近年來在西方國家工業領域興起的一項創新技術。它以紙代木，綠色減排，體積小，成本低，是很有潛力的傳統木托盤的替代品。其核心技術應具備以下要素：紙滑板可與安裝在普通叉車上的專用推拉器（見圖1，目前國內已有專業生產廠）配合使用；紙滑板的拉邊要有足夠的抗撕裂強度（涉及使用壽命與成本）；紙滑板須經模切加工，使其拉邊定型，始終呈30°翹起（見圖2），以便叉車正常操作；紙滑板的下面（與地面接觸的面）應有防水功能（見圖2）；紙滑板的上面（與貨物接觸的面）必須要有防滑功能，以防推拉時貨物與紙滑板發生移動錯位（見圖3）。

圖1 標準型推拉器

圖2 紙滑板示意圖

圖3 貨物與紙滑板移動錯位

紙滑板的工作原理如下：

（1）裝有推拉器的叉車兩腳前行到紙滑板的拉邊下方（見圖4）；

（2）推拉器上的壓板下移，將拉邊壓緊（見圖5）；

（3）推拉器收縮后退，將整托貨物全部移至叉車叉腳上（見圖6）；

（4）叉車上提后即可正常搬運貨物；

（5）卸貨時，其作業與上述流程相反。

圖4 推拉器至拉邊下方

圖5 壓緊拉邊

圖6 貨物移至叉車上

常用紙滑板均由高克重牛皮紙復合而成，本文研制的紙滑板由進口全木漿（440 g/m2＋440 g/m2）復合，總厚度為0.9 mm；實施防滑、防潮等特殊工序處理，以提高其表面摩擦系數，以及抗濕性和抗撕裂性。該紙滑板非常適合于集裝箱、貨車運輸以及倉庫內周轉，可廣泛應用在各個領域與行業[1]。這種環保材料可100%回收再利用[2]。

紙滑板的品種較多（見圖7），但生產上常用的是C型，一般拉邊寬度為100 mm（B型是寬體型）。

一般來說，紙滑板的耐用性由其在實際應用中的使用次數所決定，而影響紙滑板使用次數的因素有很多，最主要是拉邊破損和撕裂失效，其次是紙滑板的表面防水性能、防滑層的涂布量、箱紙板復合的纖維方向、實際搬運中的載重量，以及使用場合地面的粗糙度即摩擦系數等。目前紙滑板無實際周轉中的耐用性數據，企業對紙滑板用于出口的一次性使用皆無疑義，但能否像傳統木托盤和塑料托盤一樣反復使用則廣泛存有懷疑。為此，本文針對紙滑板的耐用性及其影響因素進行了重復實驗和分析。

圖7 紙滑板的品種

1 實 驗

1.1 對 象

托盤的使用尺寸在歐洲、美洲和亞洲各不相同。根據GB/T 2934－2007《聯運通用平托盤 主要尺寸及公差》的相關規定，本實驗選用載面尺寸為1 100 mm×1 100 mm的紙滑板。根據GB/T 4892－2008《硬質直方體運輸包裝尺寸系列》和GB/T 15233－2008《包裝 單元貨物尺寸》的規定，選用尺寸為366 mm×366 mm×366 mm的紙箱，用于紙滑板上堆碼裝擬載重物；選擇底面3×3的堆碼方式，堆碼層數視載重量而定。

1.2 方 法

1.2.1 涂布量

為了適應潮濕的地面，繼而提高紙滑板在周轉中的耐用性能，可在紙滑板與地面接觸的一面涂布防水涂料。為了增加紙滑板表面的摩擦系數，從而提高包裝件與紙滑板間的摩擦力，使包裝件在搬運途中不易錯位、更加穩定，可在紙滑板與包裝件接觸的一面涂布防滑涂料。

紙滑板與地面的摩擦力越小，紙滑板的磨損就越小，也就更耐用。紙滑板與包裝件的摩擦力越大，包裝件的相對滑動就越小，紙滑板也就更耐用。通過分析在不同涂布量情況下不同摩擦副的摩擦系數，可以確定不同摩擦副的最佳涂布量。實驗中防水涂布量分別設定為0 g/m2、42 g/m2和76 g/m2，防滑涂布量分別設定為0 g/m2、26 g/m2和64 g/m2。其測試原理如下。

兩實驗體表面平放在一起，在一定接觸壓力的作用下，兩者相對移動，記錄所需的力[3]。

（1）靜摩擦力：兩接觸體表面在相對移動開始時的最大阻力，記為fs，按式（1）計算。

式中：fs表示靜摩擦力，μs表示靜摩擦系數，Fp表示法向力。

（2）動摩擦力：兩接觸體表面以一定速度相對移動時的阻力，記為Fd，按式（2）計算。

式中：Fd表示動摩擦力，μd表示動摩擦系數，Fp表示法向力。

假設防水涂布面與地面間的摩擦副簡稱為A組，防滑涂布面與包裝件間的摩擦副簡稱為B組，參考JTG D 40－2011《公路水泥混凝土路面設計規范》和GBJ 97－1987《水泥混凝土路面施工及驗收規范》，將水泥、砂和水按照1∶3∶0.6的比例混合，制成的面積大于8 cm×20 cm的水泥路面樣本。

1.2.2 載重量

紙滑板在被推拉移動時所受力的情況如圖8、圖9所示。根據力學公式：

式中：F表示推拉力，f表示摩擦力，μ表示摩擦系數，G表示重量，m表示質量，g表示重力加速度。

摩擦系數μ不變，g為定值，貨物的質量m越大，推拉力F越大，摩擦力f也隨之增加，推拉邊就更容易被拉斷，同時還會加劇紙滑板下表面的磨損。因此，貨物的質量對紙滑板的使用次數產生重要影響。

紙滑板應用范圍廣泛。一般來說，電子、食品行業的包裝件較輕，每只托盤質量約為500 kg；化工、汽車行業的包裝件較重，每只托盤質量約為1 800 kg。因此，對于載重量的影響，主要是研究在托盤質量分別為500 kg和1 800 kg兩種載重條件下，同向粘合、十字粘合的紙滑板在環氧地坪上的使用次數。

圖8 0.5 t試驗載重物示意圖

圖9 1.8 t試驗載重物示意圖

1.2.3 箱紙板的纖維方向

紙滑板是由兩張高克重箱板紙復合而成。箱紙板中的纖維具有方向性（俗稱“紙紋”），不同的復合方向造成了紙滑板不同的纖維方向。本文選擇兩種纖維方向的紙張，一種是同向粘合，另一種是十字粘合，在載重量為500 kg的情況下，分析比較兩種結構的紙滑板在水泥地面和環氧地坪地面上的使用次數。

1.2.4 摩擦系數

紙滑板與地面形成一對摩擦副，地面材質不同，摩擦系數也就不同，客戶倉庫的地面材質各不相同，所形成的摩擦副也就具有不同的摩擦系數。倉庫的地面材質主要是環氧地坪涂料和水泥，試驗分析同向粘合的紙滑板在載重量為1 800 kg的情況下的磨損情況，旨在研究這兩種材質的摩擦系數對紙滑板耐用性的影響。按照GB/T 10739－2002《紙、紙板和紙漿試樣處理和試驗的標準大氣條件》的規定，測試前所有測試樣本須在標準大氣條件下，即在溫度為23±1℃、相對濕度為50%±2%的條件下進行預處理。每組的測試樣本數為4件。

1.3 測試指標

紙滑板的耐用性由其在實際周轉過程中的使用次數所決定，因此可以用推拉器模擬的推拉次數來表征紙滑板的耐用性能。以使用次數作為指標可以分析探究不同影響因素對紙滑板耐用性能的影響。本項研究在計數上規定，推拉器對載有一定重量包裝件的紙滑板完成一夾、一拉（裝載）、一提、一推（卸載）動作視為1次。實驗時紙滑板被放置在特定位置，其上堆碼具有一定質量的模擬貨物，裝有推拉器的叉車停在紙滑板一側，以4.91 cm/s的速度進行重復推拉實驗。

2 結果與討論

2.1 涂布量對耐用性能的影響

將防滑劑和防水劑按不同涂布量分別涂布在瓦楞紙箱表面和水泥地面，在相同載重量的情況下，測定兩種摩擦副對應的摩擦系數，結果如圖10、圖11所示。

圖10 防滑劑涂布量與摩擦系數的關系圖

圖11 防水劑涂布量與摩擦系數的關系圖

如圖10所示，涂布防滑劑的樣品與實驗用的瓦楞紙箱表面（以下簡稱“A組摩擦副”）的摩擦系數隨著涂布量的增大而增大。如圖11所示，涂布防水劑的樣品與水泥地面（以下簡稱“B組摩擦副”）的摩擦系數隨著涂布量的增大，呈現先降低后升高的趨勢。

根據實際使用需求，紙滑板上表面的摩擦系數越大越好，下表面的摩擦系數越小越好。實驗中發現，隨著防滑劑用量的增加，A組摩擦系數的增長也變得緩慢，以美國進口麥可門防滑劑為例，其涂布量為24 g/m2，且涂布1層為最佳。實驗中還發現，防水劑的用量過大，會導致涂層過厚，這不僅不利于涂料吸附在紙滑板的表面，而且使涂布后的表面凹凸不平；涂布量過多，還會使紙滑板變柔軟。以美國進口麥可門防水劑為例，其涂布量為42 g/m2，且涂布1層為最佳。

2.2 載重量對耐用性能的影響

載重量為500 kg和1 800 kg，分別利用同向粘合的紙滑板和十字粘合的紙滑板在環氧地坪上進行模擬試驗，使用次數的數據如圖12、13所示。

實驗結果表明，同向粘合紙滑板的使用壽命在載重量為500 kg情況下達到230次，在載重量為1 800 kg情況下約為38次；十字粘合紙滑板的使用壽命在載重量為500 kg情況下達到1 085次，在載重量為1 800 kg情況下約為57次。由此可見，載重量對紙滑板的壽命有很大影響，載重量為500 kg時紙滑板的使用壽命遠高于載重量為1 800 kg時的壽命。

2.3 纖維方向對耐用性能的影響

圖12 同向粘合樣品的使用次數

圖13 十字粘合樣品的使用次數

對于同向粘合的紙滑板而言，縱向拉伸會降低其纖維本身的強度，而橫向拉伸主要削弱纖維間的結合強度。對于十字粘合的紙滑板而言，拉伸會同時破壞這兩種強度且占比一樣，因而抗張強度介于縱向和橫向之間。在拉伸過程中，與受力方向平行的纖維的數目：同向粘合紙滑板的縱向方向>十字粘合紙滑板>同向粘合紙滑板橫向方向。

由圖14、圖15可知，在水泥地面上，同向粘合紙滑板的壽命（57次）要高于十字粘合紙滑板（50次），但數值比較接近；在環氧地坪上，十字粘合紙滑板的壽命（1 085次）要遠高于同向粘合紙滑板（230次），接近于5倍。究其原因：一是水泥地面粗糙，導致紙滑板表面磨損嚴重，紙滑板使用次數較少，通常一側推拉邊損壞時紙滑板就已經完全報廢，另一側的推拉邊還沒來得及使用，這相當于用同向粘合紙滑板的縱向與十字粘合紙滑板比較；二是環氧地坪地面光滑，紙滑板的使用次數取決于兩側推拉邊的牢度?？傊?，十字粘合樣品兩側推拉邊拉伸次數之和>同向粘合樣品的縱向推拉邊的拉伸次數＋橫向推拉邊的拉伸次數。

圖14 紙滑板在水泥地面的使用次數

圖15 紙滑板在環氧地坪的使用次數

2.4 摩擦系數對耐用性能的影響

在相同載重量（1 800 kg）和最佳涂布量的情況下，樣品在水泥地面和環氧地坪進行試驗，結果如圖16所示。

圖16 不同摩擦副的使用次數

從圖16中可以明顯看出，樣品在環氧地坪上的使用壽命為38次，而在水泥地面上的使用壽命僅為3次，使用場地對紙滑板的使用壽命產生很大影響，在其他條件不變的情況下，紙滑板的使用壽命在環氧地坪上遠高于在水泥地面上。

2.5 經濟性分析

木托盤與塑料托盤的費用如表1所示[4]。自1998年起，美國和歐盟相繼對中國出口用木制托盤發出禁令：木托盤須經熏蒸等方法處理后方可出口，使用后的出口托盤須由承運商負責運走或作銷毀處理[5-6]。熏蒸一般需要48 h，費用約為成本的20%，且所用藥劑（如溴化鉀醇等）為有害制劑。紙滑板的成本為90美分～2美元/張，是木托盤的10%，塑料托盤的5%。

表1 各種托盤單個產品比較

從投資上看，使用紙滑板只需購買一臺推拉器（市場價約為8萬元）并安裝在現有叉車上即可，且為一次性投資。假設公司托盤的采購量為500片/月，換成紙滑板，可每月最低節省4萬元，2個月后即可收回添置推拉器的成本，并且以后每年都可以節約48萬元。

從空間占用率上看，紙滑板厚度約1 mm，1 000張紙滑板約占1 m3，倉儲空間占用率小，為木托盤的1%，可節約大量倉儲和周轉資金。目前國內已有少部分企業用紙滑板替代木托盤進行裝卸，如圖17所示。

圖17 國內實際物流中的應用

3 結 論

涂布最佳定量的防水涂料可明顯減少紙滑板與地面的摩擦力，涂布防滑涂料可有效提高紙滑板與包裝件的摩擦力，從而提高使用次數。在環氧地坪上，同向粘合紙滑板在載重量為500 kg的情況下可使用230次，在載重量為1 800 kg的情況下只能使用38次；十字粘合紙滑板在載重量為500 kg的情況下可使用1 085次，在載重量為1 800 kg的情況下只能使用57次。在相同條件下，同向粘合紙滑板在水泥地面上最多可使用3次。

同向粘合紙滑板在環氧地坪上載重500 kg貨物的耐用性是載重1 800 kg貨物的6倍，十字粘合紙滑板在環氧地坪上載重500 kg貨物的耐用性是載重1 800 kg貨物的18倍。同向粘合紙滑板載重1 800 kg貨物在環氧地面上的耐用性是在水泥地面上的12倍。因此，在環氧地面的倉庫內，載重500 kg貨物，選用十字粘合紙滑板可達到最佳耐用性能。

本文通過一系列實驗深入研究紙滑板的耐用性能和成本優勢，以及其在貨物運輸和企業內部周轉等方面的應用特點。本項研究不僅為相關企業節約成本、提高經濟效益提供解決方案，還有助于紙滑板在國內取得更多的市場份額。