缓冲气柱袋在运输包装中的应用设计及研究现状

徐健+刘晓玉+王保升

缓冲包装是电子产品、家用电器、仪器仪表、玻璃陶瓷等各种易损易碎物品运输过程中不可缺少的一部分，对产品运输安全起着重要的作用。目前，常用的缓冲包装材料主要有发泡塑料、纸板等。随着绿色包装的兴起和“限塑令”的实施，发泡塑料由于无法自然分解且燃烧时具有毒性等劣势，成为实现绿色包装的巨大阻碍。而纸板虽然比发泡塑料的后期处理更具优势，但在前期需耗费大量资源，生产过程中也具有一定的污染性，并且其在作为缓冲结构时需要进行多次折叠，这无疑会造成人力资源的浪费，不利于智能制造在包装行业的推进。

在这种情况下，一种自然空气填充的新型包装系统—缓冲气柱袋，受到了行业人士的重视，如今其已成为最具环保概念的缓冲包装材料之一，且表现出极大的发展潜力。

缓冲气柱袋的优势与应用

1.优势

与泡沫塑料、蜂窝纸板等缓冲材料相比，缓冲气柱袋具有较为突出的优势，主要表现在如下几个方面。

（1）结构简单

对于质量较轻的产品，只需根据产品的外形尺寸合理选择缓冲气柱袋的尺寸，并将其充入气体，裹包在产品周围，放入纸箱以供运输和销售即可。

（2）应用范围广

缓冲气柱袋具有良好的回弹性、温湿度稳定性、吸湿性、防震性，可广泛应用于电子、食品、文物和仪器仪表等产品的运输过程。

（3）优良的社会和经济效益

缓冲气柱袋的优良缓冲性有效避免了产品（尤其是精密仪器、易碎品及军工产品等产品）在储运过程中的损坏，减小了经济损失，而且缓冲气柱袋的原料便宜，加工设备简单，既降低了包装成本，又提高了产品利润。

（4）良好的环保效益

相比泡沫塑料，缓冲气柱使用量少，而且，废弃的缓冲气柱袋薄膜可以回收再利用，减小了对环境的污染，具有良好的环保效益。

2.应用功能

缓冲气柱袋最早出现于法国，主要应用于红酒包装（如图1所示），可避免红酒在运输途中发生碰撞损害。如今，缓冲气柱袋的应用领域已经非常广泛，凡是运输过程中需要缓冲保护的产品几乎都能使用，归纳起来主要有以下几种应用功能。

（1）缓冲和防震功能

缓冲气柱袋的刚性会随着压缩量的变大而增大，因此其承载能力范围较大，具有良好的缓冲性能。在流通过程中容易损坏的商品均可采用缓冲气柱袋，如显示器、手机、摄像机、空调、冰箱、洗衣机等电子产品，茶具、玻璃瓶、瓷器等陶瓷和玻璃制品，打印机、扫描仪、钟表、汽车零部件等精密仪器。

（2）防护功能

缓冲气柱袋的防护功能主要体现在防潮和防表面摩擦刮擦等方面。对于电子产品和精密仪器来说，储运过程中的防潮也是基本要求之一，采用缓冲气柱袋包装，在为这些产品提供良好缓冲的同时还能有效防潮。而对于木制家具等在搬运中容易因磕碰和摩擦而掉漆的商品来说，使用缓冲气柱袋则能有效防止产品在包装内的移动，贴体保护产品，使其免于磕碰和摩擦，对产品表面起到很好的防护作用。

（3）快捷功能

缓冲气柱袋在充气前大约为几张纸的厚度，卷料放置不会占用过多的仓储空间。使用时只需通过充气口充入空气便可直接使用（如图2所示），操作简单、快捷，质量轻，可显著减轻包装人员和快递人员的负担。

缓冲气柱袋研究现状

正是因为缓冲气柱带在包装领域表现出良好的应用前景，吸引了广大科研工作者的研究热情，并取得了显著成果。

在国外，美国德州大学的结构力学实验室早在1959年就对圆柱形气柱袋的性能进行了研究，通过跌落试验来模拟冲击过程，从而找出气囊与发泡塑料之间的差异，选出更优的缓冲材料，并在此基础上，对其他形状的空气袋进行了研究。之后他们分别通过振动试验和重复性跌落试验来验证温度和湿度对气柱袋静态性能和动态性能的影响。

在国内，一些研究者通过系列实验，验证了缓冲气柱袋的最大冲击载荷、最合适充气量，以及满足最佳缓冲功能时气柱袋的形状和尺寸等。其中，有许多研究结果具有重大的指导意义，比如研究不同宽度尺寸的缓冲气柱袋在不同跌落高度下的缓冲性能时，人们发现随着跌落高度的增加，同一宽度尺寸的缓冲气柱袋最大冲击加速度也会增加，其所能承载的最大静应力则会减小。同一跌落高度条件下，随着气柱宽度的增加，最大冲击加速度会减小，其所能承载的最大静应力则会逐渐增加。此外，在新材料的研发上也有一些新突破，湖南工业大学研究了由高强度牛皮纸和水溶性PVA薄膜复合材料制作的缓冲气柱袋，并对成品进行静态压缩试验、动态压缩试验以及包装货物试验，试验结果表明这两种缓冲材料均能满足运输过程中的缓冲要求。

缓冲气柱袋设计和应用时存在的问题

尽管，关于缓冲气柱袋的性能研究已经非常深入，但从其包装设计的科学视角和工程应用视角来看，还存在一些问题亟待解决。

1.缺少缓冲气柱袋设计的具体参考方法

目前，有关缓冲气柱袋性能的大部分研究均以试验法为主，缺乏定性分析充气气压、气室直径和气室长度等参数对缓冲性能的影响，难以真正用来指导缓冲设计和应用。即使提出了一些数学模型，也相当复杂，对于工程应用人员来说，公式太过晦涩，难以实现落地性的指导作用。

目前，缓冲气柱袋的充气压力仍是随意填充，根据经验粗略确定。这能够满足普通产品的基本要求，但对于高精密贵重电子仪器等产品来说，这种粗略的填充方法难以提供最优的缓冲效果，充气压力过大时，气柱袋极易在挤压下发生爆破，反而会对产品造成一定的冲击伤害。可见，充气压力对缓冲性能的影响非常显著，要使缓冲气柱袋对内装物提供最佳的缓冲效果，需要依据缓冲气柱袋材料的脆值等特性，通过较为严密的计算，合理确定充气气压。但截至目前，在包装行业内，尚未推出可供行业人士参考的关于缓冲气柱袋具体设计的统一方法和具体步骤。

2.气柱袋防震性能的研究不足

从目前的研究来看，人们对缓冲气柱袋振动特性的研究还明显不足，产品运输过程中，随着内装物对缓冲气柱袋的压缩，导致其刚性表现出时变性，即在受到不同载荷作用时，缓冲气柱袋具有不同的刚性，从而对包装系统的固有频率造成一定影响。缓冲气柱袋振动传递性能的影响因素较为复杂，且目前对这一特性的研究还有待进一步深入。

3.基于空气动力学理论的气柱袋缓冲性能尚待研究

在跌落冲击和振动作用下，缓冲气柱袋中的气体会发生高速流动，这种情况下，以静压缩过程分析气体缓冲包装的能量吸收性能和缓冲性能的结果会偏于保守，气柱袋的缓冲机理并未得到完全揭示。因此，还应该对缓冲气柱袋中密闭空气在高速冲击和振动作用下的动态力学性能进行研究，以获得其在冲击过程中的动应力和应变，建立缓冲气柱袋的本构模型，从而提高其缓冲性能表征的精准性。对此，可以利用空气动力学理论系统地研究气柱袋的缓冲性能，揭示缓冲性能与气柱袋参数的数学关系，探索利用气体进行缓冲保护的具体方案，这样才能使缓冲气柱袋的设计和应用更为科学，最大限度地发挥其功能。