2.3 包裝材料

    包裝材料指的是用于制造包裝容器和構(gòu)成產(chǎn)品包裝的材料的總稱，它的種類包括木材、紙與紙板、玻璃、陶瓷、金屬、塑料、纖維織物、復(fù)合材料以及諸如粘合劑、涂覆材料等各種輔助包裝材料，其中紙與紙板、塑料、金屬、玻璃成為包裝工業(yè)的四大材料支柱。

    包裝材料學(xué)研究用于包裝的各種原材料的種類、性能、應(yīng)用范圍及加工工藝過(guò)程。在包裝材料的研制、開(kāi)發(fā)和加工工藝過(guò)程中，包含著許多復(fù)雜而又深刻的力學(xué)問(wèn)題。例如，雙向拉伸塑料薄膜加工過(guò)程中，拉伸工藝選擇、熱處理定型及溫度、雙向張力、拉伸速度等控制對(duì)薄膜的機(jī)械力學(xué)性能、阻隔性及透明性等均具有決定性的影響。

    各類包裝材料加工工藝中的力學(xué)問(wèn)題可參見(jiàn)有關(guān)材料科學(xué)著作，這里不作詳述。

     緩沖包裝材料是包裝材料中應(yīng)用最為廣泛的一類材料，主要有發(fā)泡塑料、瓦楞紙板、蜂窩紙板、模塑制品、氣泡薄膜、纖維、碎屑狀材料、橡膠等。這類材料主要用于運(yùn)輸包裝，緩沖特性是其最為重要的性能，它一方面減弱產(chǎn)品對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)，另一方面又耗散外界激勵(lì)的能量。表征材料的緩沖特性最經(jīng)典的方法是采用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)材料本構(gòu)關(guān)系。1952年Jansen提出基于變形能的緩沖系數(shù)概念來(lái)表征緩沖包裝材料的性能，后來(lái)又?jǐn)U展為動(dòng)態(tài)緩沖系數(shù)概念。1961年Franklin和Hatae提出了最大加速度———靜應(yīng)力曲線。緩沖系數(shù)在緩沖包裝設(shè)計(jì)方面有著重要應(yīng)用，但要測(cè)取這些曲線，試驗(yàn)工作量十分巨大。McDaniel和Oykide,Cost率先對(duì)緩沖包裝材料的性能進(jìn)行了理論分析，胡強(qiáng)等對(duì)泡沫塑料襯墊提出了29個(gè)參數(shù)的非線性粘彈性模型，高德考慮溫度、多次沖擊、層數(shù)、變形種類等因素，提出了瓦楞紙板緩沖的理論模型，并進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別。梁艷春將結(jié)構(gòu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊自適應(yīng)控制技術(shù)以及進(jìn)化計(jì)算應(yīng)用于具有三次非線性和雙曲正切非線性的緩沖包裝材料模型識(shí)別問(wèn)題，較好地獲得了其非線性特征。

    緩沖材料過(guò)去一直以發(fā)泡塑料為主，隨著環(huán)境保護(hù)要求的發(fā)展，一批環(huán)保型緩沖材料已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝，如植物纖維材料、蜂窩紙板、多層瓦楞紙板和紙漿模塑制品等。這類新型緩沖材料的研制開(kāi)發(fā)和緩沖特征的表征正在成為包裝力學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

2.4 包裝容器

     包裝容器可分為各類紙盒、瓦楞紙箱、塑料容器、玻璃容器、金屬容器和木容器等。瓦楞紙箱由于其重量輕、成本低、易加工印刷、易折疊、無(wú)公害等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已成為最為重要的運(yùn)輸包裝容器，廣泛應(yīng)用于食品、飲料、水果、家電、日用百貨、玻璃及陶瓷制品等的包裝。瓦楞紙箱的抗壓性能是評(píng)價(jià)瓦楞紙箱的重要指標(biāo)。試驗(yàn)研究表明，瓦楞紙箱的抗壓強(qiáng)度與紙箱周長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、高度、原紙環(huán)壓強(qiáng)度、瓦楞楞型、瓦楞紙板種類、堆碼時(shí)間、溫濕度等有著較為復(fù)雜的關(guān)系，同時(shí)與開(kāi)孔位置、印刷面積、制造技術(shù)等也有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)而得到的瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式很多,，如Kellicutt公式、Maltenfort公式、Wolf公式、Makee公式、APM公司計(jì)算方法等，其中Kellicutt公式最為人們重視。基于這些公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)還存在著較大差距。目前還沒(méi)有理論公式來(lái)預(yù)測(cè)紙箱的抗壓強(qiáng)度。玻璃瓶罐是又一類廣泛使用的包裝容器。對(duì)影響玻璃瓶罐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（抗張強(qiáng)度、內(nèi)壓強(qiáng)度、熱沖擊強(qiáng)度、機(jī)械沖擊強(qiáng)度、倒轉(zhuǎn)強(qiáng)度、垂直載荷強(qiáng)度、水沖強(qiáng)度、跌落強(qiáng)度等）的因素前人已作過(guò)廣泛的試驗(yàn)研究與理論分析。我們知道，瓶重、大、易破碎是玻璃瓶罐的一致命弱點(diǎn)。降低壁厚、減輕瓶重、提高強(qiáng)度是當(dāng)前玻璃容器生產(chǎn)中引人注目的重要技術(shù)改革，是現(xiàn)代輕量瓶研制和生產(chǎn)的主要課題。為了提高玻璃瓶罐的強(qiáng)度和防止玻璃瓶罐由于表面劃傷而降低強(qiáng)度，一方面玻璃瓶罐要有正確的造型設(shè)計(jì)，另一方面要對(duì)瓶罐表面進(jìn)行增強(qiáng)處理。雖然目前有許多種玻璃瓶罐表面強(qiáng)化方法，但對(duì)這類強(qiáng)化的細(xì)微觀力學(xué)機(jī)理研究幾乎還是空白。

    塑料瓶因具有許多優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于液體食品和藥品包裝上，大有取代普通玻璃瓶的趨勢(shì)。目前包裝上應(yīng)用的塑料瓶品種PE,PP,PVC,PET,PS和PC等。通過(guò)改進(jìn)材料和制瓶成型工藝提高其阻隔性，通過(guò)提高拉伸倍率在提高瓶體強(qiáng)度和氣密性的同時(shí)降低瓶體重量，是塑料瓶發(fā)展的方向.

    有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于制瓶成型工藝過(guò)程，對(duì)于提高塑料瓶的設(shè)計(jì)和制造水平、改進(jìn)工藝參數(shù)和過(guò)程有著十分重要的作用。

2.5 緩沖包裝設(shè)計(jì)方法

    緩沖包裝設(shè)計(jì)指根據(jù)產(chǎn)品脆值、運(yùn)輸環(huán)境條件和緩沖材料的特性等，運(yùn)用緩沖包裝理論設(shè)計(jì)防震緩沖結(jié)構(gòu).80年代提出的緩沖包裝設(shè)計(jì)的五步法和六步法至今仍廣為應(yīng)用，這一方法屬定值設(shè)計(jì)范疇。實(shí)際上，流通環(huán)境條件、產(chǎn)品脆值、緩沖材料性能、緩沖結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等都具有隨機(jī)特征，用概率描述緩沖包裝保護(hù)產(chǎn)品的能力更科學(xué)也更合理。為此，1977年王志偉在引入緩沖包裝失效概率、可靠指標(biāo)、狀態(tài)函數(shù)等概念后，提出了基于概率理論的緩沖包裝概率設(shè)計(jì)方法，并提出了最適度緩沖包裝的概念，為進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)、最適度緩沖包裝設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)］。吳為漢等探討了物流過(guò)程中的包裝可靠性問(wèn)題?，F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于緩沖包裝設(shè)計(jì)有著廣闊的前景。利用計(jì)算機(jī)，我們可以對(duì)緩沖包裝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析和仿真實(shí)驗(yàn)，使緩沖包裝設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化。目前，國(guó)內(nèi)外在這方面的工作不多，大量的文獻(xiàn)還僅停留在包裝容器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

    綜上所述，包裝力學(xué)作為包裝工程學(xué)科的一個(gè)重要分支學(xué)科，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，其研究領(lǐng)域不斷拓廣，研究?jī)?nèi)容不斷深入，現(xiàn)已初步形成了自己獨(dú)特的體系，它主要研究以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

（1） 包裝件的流通環(huán)境條件。對(duì)包裝件在裝卸搬運(yùn)、運(yùn)輸、貯存等流通基本環(huán)節(jié)中可能遇到的環(huán)境條件（包括運(yùn)輸條件、氣候條件、生物化學(xué)條件等）作出調(diào)研、測(cè)試、評(píng)價(jià)、描述與標(biāo)準(zhǔn)化；

（2） 包裝動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。對(duì)各類包裝系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)展各種數(shù)值求解方法和相關(guān)理論；

（3） 脆值及其評(píng)價(jià)方法。理論和試驗(yàn)研究各類包裝產(chǎn)品在不同環(huán)境激勵(lì)下的脆值確定方法和邊界破損理論；

（4） 包裝材料的力學(xué)特性。理論和試驗(yàn)研究各類包裝材料的靜動(dòng)力特性、本構(gòu)關(guān)系，發(fā)展緩沖材料緩沖特性的表征方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)；

（5） 各類運(yùn)輸包裝容器。研究運(yùn)輸包裝容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其制造工藝中的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題；

（6） 緩沖包裝設(shè)計(jì)。研究緩沖包裝設(shè)計(jì)方法，發(fā)展產(chǎn)品緩沖包裝設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

    包裝工業(yè)正在由傳統(tǒng)向現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，新的包裝材料、技術(shù)、裝備的涌現(xiàn)，豐富了現(xiàn)代包裝力學(xué)的研究?jī)?nèi)容，現(xiàn)代力學(xué)的發(fā)展也為解決包裝工程中的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題提供了條件?？傮w而言，現(xiàn)代包裝力學(xué)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，研究領(lǐng)域有待進(jìn)一步擴(kuò)展，研究?jī)?nèi)容也有待深化，現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)、分析技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)在包裝工程中的應(yīng)用還處于起步階段。我國(guó)包裝工業(yè)的現(xiàn)代化需要力學(xué)學(xué)科的參與，同時(shí)也為力學(xué)學(xué)科自身的發(fā)展提供了更為廣闊的天地。希望更多的力學(xué)工作者介入有關(guān)領(lǐng)域的研究，為我國(guó)包裝工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。