纸质隔热杯套隔热效果的研究

◎ 刘常盛

（星巴克企业管理（中国）有限公司，上海 200233）

咖啡作为当今世界三大饮品之一，其消费量越来越多。为了消费者方便握持盛有热咖啡的杯子，商家会提供一个重要的包装材料——隔热杯套。各种各样的隔热杯套不仅能起到隔热防烫的作用，也具有点缀饮品和提升品牌影响力的作用。隔热杯套最早由美国奥里根州杰伊·索伦森所研发设计，杰伊使用一个斜切口设计，使其相互对插，然后根据面巾纸印花纹路的启发，在纸上印出凹凸纹路来解决隔热问题。隔热主要依据导热原理进行，物体各部分未发生相对位移时，依靠物体的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为传导性传热，简称导热[1]。导热可以分为热传导、热对流和热辐射3种方式进行。

热传导主要是固体的传热方式，物体不同部分或不同物体间的温度差是热传导的必要条件。从微观角度来看，物体中存在大量的分子，高温度部分分子热运动动能大，低温度部分分子热运动动能较小，不同动能的分子在彼此大量碰撞的过程中，将热能从动能高的部分传至动能低的部分，实现热传导，从而物体不同部分或物体间温度差异逐渐减小[2]。根据材料的热传导性能不同，将容易传热的一类物质称为热的良导体，如金属材料；将那些不容易进行传热的物质称为热的不良导体，例如陶瓷、木质材料等，液体（除水银）均不善于传热，而气体比液体更不善于传热[3]。

热对流是指不同温度的液体或气体相遇时，相互间会由于热运动产生相对流动，从而使温度逐渐趋于平衡的过程。从是否有外界其他因素干扰方面区分，热对流可分为自然对流和强迫对流两种形式。本文中测试在标准室内实验环境下进行，均为自然对流方式。

热辐射相关定义如下，任意物体当其温度高于绝对零度时，会向其周围发出辐射（电磁波）来发射能量，从而进行热量传递，这种辐射叫热辐射。热辐射不需要依靠介质进行热量的传递，但较难穿透固体和液体材料。

普通的一次性隔热杯套发展演变至今，常见制作材质是卡纸、 瓦楞纸等。其隔热原料主要是通过在热杯外增加一层热传递慢的材料，降低消费者握持时表面温度，起到防止烫伤的作用。随着咖啡消费量和外带数量的增加，隔热杯套的用量也越来越大，研究不同结构、材料对隔热效果的影响，不仅有助于更合理的使用材料，更有利于减少隔热杯套全生命周期对环境产生的影响，符合可持续性发展的需求。本文重点对纸张克重和瓦楞厚度对杯套样品隔热效果的影响进行研究。

1 材料与方法

1.1 实验原料

具体样品用纸规格详见表1。

表1 设计样品参数表

1.2 实验设备

热电偶温度计（EXTECH SDL200）、计时器、可控温加热壶。

1.3 实验方法

（1）20 oz容量的纸杯，加热饮至杯口下6 mm处，盖上盖子。

（2）饮品温度≥87.8 ℃（起始温度），隔热杯套正常套在杯子上，杯套的接缝处于杯子接缝的上方。

（3）温度传感器一组伸入杯内液面下76 mm中心位置（不碰到杯壁），另一组贴在隔热杯套外表面。

（4）开始后，持续测试记录温度5 min，每5 s记录一次杯内和杯套表面温度数据，记录杯内和杯套表面最高温度。

2 结果与分析

为便于理解，构建本文研究的导热模型主要由热饮料、杯子、隔热杯套组成。隔热杯套是由底层瓦楞纸和表层面纸组合而成。结构示意图1可见，热量从杯子外表面向隔热杯套外表面传递，同样适用于热传导、热对流和热辐射3种形式。

热传导部分，主要是杯子表面热量从杯子外表面经过热传导至瓦楞纸与杯子接触部分，再传导到杯套外表面纸，主要影响因素为热量传导的路径，即经过瓦楞高度方向所经过的路线。

热对流部分，主要是通过杯子表面至杯套表面的空气进行对流传递，影响因素是杯套外表面与杯子外表面之间的空气层，不同瓦楞厚度造成对流层距离有所变化。本测试中结合纸是热的不良导体，热传导至瓦楞纸，再次由瓦楞纸表面引起的热对流效应可简化 忽略[4]。

热辐射部分，主要是杯子外表面的辐射对瓦楞和外表面的辐射传递，本文中杯子中热饮温度及测试环境差异较小，中间的瓦楞层为纸质材料，导热系数小，热辐射较难穿透瓦楞材料辐射到杯套表面，因此热辐射在测试中的变化较小[5]。

图1 导热模型图

2.1 不同克重纸张样品对隔热效果的影响

为便于对比，在相同瓦楞厚度的基础上，测定不同克重纸张制作的样品的隔热效果样品1（110+90）、样品2（110+100）、样品3（120+100）。实验测得隔热杯套外表面的数据如图2所示。不同克重用纸所制作的杯套，经测试表面温度差异在0.1～0.2 ℃，并且未能得出杯套表面温度与用纸克重关联性的结果。

分析上述结果，由于纸质材料其自身的多孔隙结构，纸质材料的导热系数较低，为0.06～0.14 W/mK， 分析认为虽然采用了不同纸张克重杯套样品，但不同克重瓦楞纸和面纸在相同瓦楞结构情况下，所形成的热传导路径、热对流及热辐射路径相同，所以在所测试样品范围内，杯套外表面温度不会随着用纸克重变化而产生显著改变。

图2 不同克重纸张样品对隔热效 果的影响图

2.2 瓦楞厚度的影响

为验证不同瓦楞厚度对杯套表面温度的影响，增加了瓦楞成型厚度，即杯子表面与杯套表面的距离增加，对样品4（110+90）和样品5（120+90）瓦楞杯套进行测试，主要数据如图3所示。样品4与样品1相比，在增加了瓦楞成型厚度后，表面温度降低了3.1 ℃，导热显著减少。样品5的表面测试温度为59.9 ℃，相较于样品3降低了2.5 ℃。样品4和样品5未能观察到纸克重增加与隔热效果有显著的相关性。这主要是因为虽然纸的规格不变，但是通过选取不同的瓦楞成型辊，增加了成型后的瓦楞厚度，从而杯子表面至杯套表面的距离增加，造成热传导、热对流的路径增加。结合纸质和空气的导热系数较低（纸 0.06～0.14 W/mk，空气0.01～0.04 W/mK），所以杯套表面温度降低明显。

图3 厚度1.38 mm样品隔热效果图

3 结论与讨论

通过上述实验测试，在测试范围内变更隔热杯套用纸的克重，对于杯套表面温度影响较小；变更瓦楞成型厚度对于杯套表面温度的影响更大。在测试范围内，通过调整瓦楞成型厚度，在减少原材料使用的基础上，可以达到更好的杯套隔热效果。根据理论计算，调整结构和材料之后的隔热杯套综合节约用纸量10%。

随着可持续发展战略的持续深入以及对于生态环境保护认知的进一步提升，节能减排已经成为环保领域的热门研究课题。降低10%的克重可以为包装生产/终端用户企业双方带来更强的竞争力，减少原材料的消耗，进而能进一步减少生产，运输等制品生命周期内的温室气体排放及用水等。在实现经济价值的基础上，减少生产，使用等环节对环境产生的影响。包装企业投入资源与精力进行优化设计，能有效实现环境保护与经济增长互利共赢。