一种替代木托盘的纸滑板特性与应用寿命的研究

■文/张惠忠，范 唯，刘 杨

（1.达成包装制品（苏州）有限公司，江苏 苏州 215155；2.连工业大学 轻工与化学工程学院，辽宁 大连 116034）

0 引 言

纸滑板又称纸滑托盘，是近年来在西方国家工业领域兴起的一项创新技术。它以纸代木，绿色减排，体积小，成本低，是很有潜力的传统木托盘的替代品。其核心技术应具备以下要素：纸滑板可与安装在普通叉车上的专用推拉器（见图1，目前国内已有专业生产厂）配合使用；纸滑板的拉边要有足够的抗撕裂强度（涉及使用寿命与成本）；纸滑板须经模切加工，使其拉边定型，始终呈30°翘起（见图2），以便叉车正常操作；纸滑板的下面（与地面接触的面）应有防水功能（见图2）；纸滑板的上面（与货物接触的面）必须要有防滑功能，以防推拉时货物与纸滑板发生移动错位（见图3）。

图1 标准型推拉器

图2 纸滑板示意图

图3 货物与纸滑板移动错位

纸滑板的工作原理如下：

（1）装有推拉器的叉车两脚前行到纸滑板的拉边下方（见图4）；

（2）推拉器上的压板下移，将拉边压紧（见图5）；

（3）推拉器收缩后退，将整托货物全部移至叉车叉脚上（见图6）；

（4）叉车上提后即可正常搬运货物；

（5）卸货时，其作业与上述流程相反。

图4 推拉器至拉边下方

图5 压紧拉边

图6 货物移至叉车上

常用纸滑板均由高克重牛皮纸复合而成，本文研制的纸滑板由进口全木浆（440 g/m2＋440 g/m2）复合，总厚度为0.9 mm；实施防滑、防潮等特殊工序处理，以提高其表面摩擦系数，以及抗湿性和抗撕裂性。该纸滑板非常适合于集装箱、货车运输以及仓库内周转，可广泛应用在各个领域与行业[1]。这种环保材料可100%回收再利用[2]。

纸滑板的品种较多（见图7），但生产上常用的是C型，一般拉边宽度为100 mm（B型是宽体型）。

一般来说，纸滑板的耐用性由其在实际应用中的使用次数所决定，而影响纸滑板使用次数的因素有很多，最主要是拉边破损和撕裂失效，其次是纸滑板的表面防水性能、防滑层的涂布量、箱纸板复合的纤维方向、实际搬运中的载重量，以及使用场合地面的粗糙度即摩擦系数等。目前纸滑板无实际周转中的耐用性数据，企业对纸滑板用于出口的一次性使用皆无疑义，但能否像传统木托盘和塑料托盘一样反复使用则广泛存有怀疑。为此，本文针对纸滑板的耐用性及其影响因素进行了重复实验和分析。

图7 纸滑板的品种

1 实 验

1.1 对 象

托盘的使用尺寸在欧洲、美洲和亚洲各不相同。根据GB/T 2934－2007《联运通用平托盘 主要尺寸及公差》的相关规定，本实验选用载面尺寸为1 100 mm×1 100 mm的纸滑板。根据GB/T 4892－2008《硬质直方体运输包装尺寸系列》和GB/T 15233－2008《包装 单元货物尺寸》的规定，选用尺寸为366 mm×366 mm×366 mm的纸箱，用于纸滑板上堆码装拟载重物；选择底面3×3的堆码方式，堆码层数视载重量而定。

1.2 方 法

1.2.1 涂布量

为了适应潮湿的地面，继而提高纸滑板在周转中的耐用性能，可在纸滑板与地面接触的一面涂布防水涂料。为了增加纸滑板表面的摩擦系数，从而提高包装件与纸滑板间的摩擦力，使包装件在搬运途中不易错位、更加稳定，可在纸滑板与包装件接触的一面涂布防滑涂料。

纸滑板与地面的摩擦力越小，纸滑板的磨损就越小，也就更耐用。纸滑板与包装件的摩擦力越大，包装件的相对滑动就越小，纸滑板也就更耐用。通过分析在不同涂布量情况下不同摩擦副的摩擦系数，可以确定不同摩擦副的最佳涂布量。实验中防水涂布量分别设定为0 g/m2、42 g/m2和76 g/m2，防滑涂布量分别设定为0 g/m2、26 g/m2和64 g/m2。其测试原理如下。

两实验体表面平放在一起，在一定接触压力的作用下，两者相对移动，记录所需的力[3]。

（1）静摩擦力：两接触体表面在相对移动开始时的最大阻力，记为fs，按式（1）计算。

式中：fs表示静摩擦力，μs表示静摩擦系数，Fp表示法向力。

（2）动摩擦力：两接触体表面以一定速度相对移动时的阻力，记为Fd，按式（2）计算。

式中：Fd表示动摩擦力，μd表示动摩擦系数，Fp表示法向力。

假设防水涂布面与地面间的摩擦副简称为A组，防滑涂布面与包装件间的摩擦副简称为B组，参考JTG D 40－2011《公路水泥混凝土路面设计规范》和GBJ 97－1987《水泥混凝土路面施工及验收规范》，将水泥、砂和水按照1∶3∶0.6的比例混合，制成的面积大于8 cm×20 cm的水泥路面样本。

1.2.2 载重量

纸滑板在被推拉移动时所受力的情况如图8、图9所示。根据力学公式：

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

摩擦系数μ不变，g为定值，货物的质量m越大，推拉力F越大，摩擦力f也随之增加，推拉边就更容易被拉断，同时还会加剧纸滑板下表面的磨损。因此，货物的质量对纸滑板的使用次数产生重要影响。

纸滑板应用范围广泛。一般来说，电子、食品行业的包装件较轻，每只托盘质量约为500 kg；化工、汽车行业的包装件较重，每只托盘质量约为1 800 kg。因此，对于载重量的影响，主要是研究在托盘质量分别为500 kg和1 800 kg两种载重条件下，同向粘合、十字粘合的纸滑板在环氧地坪上的使用次数。

图8 0.5 t试验载重物示意图

图9 1.8 t试验载重物示意图

1.2.3 箱纸板的纤维方向

纸滑板是由两张高克重箱板纸复合而成。箱纸板中的纤维具有方向性（俗称“纸纹”），不同的复合方向造成了纸滑板不同的纤维方向。本文选择两种纤维方向的纸张，一种是同向粘合，另一种是十字粘合，在载重量为500 kg的情况下，分析比较两种结构的纸滑板在水泥地面和环氧地坪地面上的使用次数。

1.2.4 摩擦系数

纸滑板与地面形成一对摩擦副，地面材质不同，摩擦系数也就不同，客户仓库的地面材质各不相同，所形成的摩擦副也就具有不同的摩擦系数。仓库的地面材质主要是环氧地坪涂料和水泥，试验分析同向粘合的纸滑板在载重量为1 800 kg的情况下的磨损情况，旨在研究这两种材质的摩擦系数对纸滑板耐用性的影响。按照GB/T 10739－2002《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》的规定，测试前所有测试样本须在标准大气条件下，即在温度为23±1℃、相对湿度为50%±2%的条件下进行预处理。每组的测试样本数为4件。

1.3 测试指标

纸滑板的耐用性由其在实际周转过程中的使用次数所决定，因此可以用推拉器模拟的推拉次数来表征纸滑板的耐用性能。以使用次数作为指标可以分析探究不同影响因素对纸滑板耐用性能的影响。本项研究在计数上规定，推拉器对载有一定重量包装件的纸滑板完成一夹、一拉（装载）、一提、一推（卸载）动作视为1次。实验时纸滑板被放置在特定位置，其上堆码具有一定质量的模拟货物，装有推拉器的叉车停在纸滑板一侧，以4.91 cm/s的速度进行重复推拉实验。

2 结果与讨论

2.1 涂布量对耐用性能的影响

将防滑剂和防水剂按不同涂布量分别涂布在瓦楞纸箱表面和水泥地面，在相同载重量的情况下，测定两种摩擦副对应的摩擦系数，结果如图10、图11所示。

图10 防滑剂涂布量与摩擦系数的关系图

图11 防水剂涂布量与摩擦系数的关系图

如图10所示，涂布防滑剂的样品与实验用的瓦楞纸箱表面（以下简称“A组摩擦副”）的摩擦系数随着涂布量的增大而增大。如图11所示，涂布防水剂的样品与水泥地面（以下简称“B组摩擦副”）的摩擦系数随着涂布量的增大，呈现先降低后升高的趋势。

根据实际使用需求，纸滑板上表面的摩擦系数越大越好，下表面的摩擦系数越小越好。实验中发现，随着防滑剂用量的增加，A组摩擦系数的增长也变得缓慢，以美国进口麦可门防滑剂为例，其涂布量为24 g/m2，且涂布1层为最佳。实验中还发现，防水剂的用量过大，会导致涂层过厚，这不仅不利于涂料吸附在纸滑板的表面，而且使涂布后的表面凹凸不平；涂布量过多，还会使纸滑板变柔软。以美国进口麦可门防水剂为例，其涂布量为42 g/m2，且涂布1层为最佳。

2.2 载重量对耐用性能的影响

载重量为500 kg和1 800 kg，分别利用同向粘合的纸滑板和十字粘合的纸滑板在环氧地坪上进行模拟试验，使用次数的数据如图12、13所示。

实验结果表明，同向粘合纸滑板的使用寿命在载重量为500 kg情况下达到230次，在载重量为1 800 kg情况下约为38次；十字粘合纸滑板的使用寿命在载重量为500 kg情况下达到1 085次，在载重量为1 800 kg情况下约为57次。由此可见，载重量对纸滑板的寿命有很大影响，载重量为500 kg时纸滑板的使用寿命远高于载重量为1 800 kg时的寿命。

2.3 纤维方向对耐用性能的影响

图12 同向粘合样品的使用次数

图13 十字粘合样品的使用次数

对于同向粘合的纸滑板而言，纵向拉伸会降低其纤维本身的强度，而横向拉伸主要削弱纤维间的结合强度。对于十字粘合的纸滑板而言，拉伸会同时破坏这两种强度且占比一样，因而抗张强度介于纵向和横向之间。在拉伸过程中，与受力方向平行的纤维的数目：同向粘合纸滑板的纵向方向>十字粘合纸滑板>同向粘合纸滑板横向方向。

由图14、图15可知，在水泥地面上，同向粘合纸滑板的寿命（57次）要高于十字粘合纸滑板（50次），但数值比较接近；在环氧地坪上，十字粘合纸滑板的寿命（1 085次）要远高于同向粘合纸滑板（230次），接近于5倍。究其原因：一是水泥地面粗糙，导致纸滑板表面磨损严重，纸滑板使用次数较少，通常一侧推拉边损坏时纸滑板就已经完全报废，另一侧的推拉边还没来得及使用，这相当于用同向粘合纸滑板的纵向与十字粘合纸滑板比较；二是环氧地坪地面光滑，纸滑板的使用次数取决于两侧推拉边的牢度。总之，十字粘合样品两侧推拉边拉伸次数之和>同向粘合样品的纵向推拉边的拉伸次数＋横向推拉边的拉伸次数。

图14 纸滑板在水泥地面的使用次数

图15 纸滑板在环氧地坪的使用次数

2.4 摩擦系数对耐用性能的影响

在相同载重量（1 800 kg）和最佳涂布量的情况下，样品在水泥地面和环氧地坪进行试验，结果如图16所示。

图16 不同摩擦副的使用次数

从图16中可以明显看出，样品在环氧地坪上的使用寿命为38次，而在水泥地面上的使用寿命仅为3次，使用场地对纸滑板的使用寿命产生很大影响，在其他条件不变的情况下，纸滑板的使用寿命在环氧地坪上远高于在水泥地面上。

2.5 经济性分析

木托盘与塑料托盘的费用如表1所示[4]。自1998年起，美国和欧盟相继对中国出口用木制托盘发出禁令：木托盘须经熏蒸等方法处理后方可出口，使用后的出口托盘须由承运商负责运走或作销毁处理[5-6]。熏蒸一般需要48 h，费用约为成本的20%，且所用药剂（如溴化钾醇等）为有害制剂。纸滑板的成本为90美分～2美元/张，是木托盘的10%，塑料托盘的5%。

表1 各种托盘单个产品比较

从投资上看，使用纸滑板只需购买一台推拉器（市场价约为8万元）并安装在现有叉车上即可，且为一次性投资。假设公司托盘的采购量为500片/月，换成纸滑板，可每月最低节省4万元，2个月后即可收回添置推拉器的成本，并且以后每年都可以节约48万元。

从空间占用率上看，纸滑板厚度约1 mm，1 000张纸滑板约占1 m3，仓储空间占用率小，为木托盘的1%，可节约大量仓储和周转资金。目前国内已有少部分企业用纸滑板替代木托盘进行装卸，如图17所示。

图17 国内实际物流中的应用

3 结 论

涂布最佳定量的防水涂料可明显减少纸滑板与地面的摩擦力，涂布防滑涂料可有效提高纸滑板与包装件的摩擦力，从而提高使用次数。在环氧地坪上，同向粘合纸滑板在载重量为500 kg的情况下可使用230次，在载重量为1 800 kg的情况下只能使用38次；十字粘合纸滑板在载重量为500 kg的情况下可使用1 085次，在载重量为1 800 kg的情况下只能使用57次。在相同条件下，同向粘合纸滑板在水泥地面上最多可使用3次。

同向粘合纸滑板在环氧地坪上载重500 kg货物的耐用性是载重1 800 kg货物的6倍，十字粘合纸滑板在环氧地坪上载重500 kg货物的耐用性是载重1 800 kg货物的18倍。同向粘合纸滑板载重1 800 kg货物在环氧地面上的耐用性是在水泥地面上的12倍。因此，在环氧地面的仓库内，载重500 kg货物，选用十字粘合纸滑板可达到最佳耐用性能。

本文通过一系列实验深入研究纸滑板的耐用性能和成本优势，以及其在货物运输和企业内部周转等方面的应用特点。本项研究不仅为相关企业节约成本、提高经济效益提供解决方案，还有助于纸滑板在国内取得更多的市场份额。