机电产品包装节材代木领域的关键技术研究

马爱玉 苏世伟

【摘 要】木材节约与代用是缓解我国木材供需矛盾的有效途径，由于机电产品包装是木材消耗大户，推进机电产品包装节材代木工作，对于节约优质木材、保护森林资源和生态环境具有重要意义。本文针对目前我国机电产品包装节材代木面临的替代材料、制造设备、工艺流程及标准化等方面的问题，对机电产品包装节材代木领域的关键技术展开了研究。

【关键词】机电产品；包装；节材代木；关键技术

0.引言

我国已成为世界上最大的机电产品加工、制造基地。机电产品的行业的发展离不开包装，而包装的最大消耗材料是木材，我国每年机电产品包装所消耗的优质原木达1000多万立方米，约占全国商品木材年使用量的1/6。推进机电产品包装节材代木工作，对于节约优质木材，保护森林资源和生态环境，具有重要意义。这既是建设资源节约型、环境友好型社会的要求，更是促进我国机电产品包装升级，加快与国际接轨的现实需要。

1.大型机电产品包装行业面临的问题

随着国际国内市场对木质包装的要求越来越严，我国机电产品的包装的材料制造及运用研究显得尤为迫切。诸如，复杂运输条件与极端环境下代木材料与型材的环境适应性研究，代木材料制造与应用全过程低碳化研究，代木材料结构与其材料力学性能研究，大型重载包装箱的个性结构化软件设计，代木材料快速高效成型设备的研制与工程化，代木材料质量在线无损检测技术等均未深入涉足。木质包装的材料制造及运用领域普遍存在包装不规范、过度使用材料、防湿与阻燃性能差、包装档次低、无法回收使用等问题，这些技术的缺失与包装质量上的缺陷直接影响了机电产品的安全保护与出口竞争能力。

2.推广机电产品包装节材代木的技术影响因素

随着国家发展绿色经济，节能减排政策的出台和企业社会责任感的增强，我国在机电产品包装节材代木方面进行了积极探索。如单板层积材、农作物秸秆板、竹胶板、重型瓦楞纸板、蜂窝纸板、钢木混合结构，其性能与木材接近，价格适当，原材料来源丰富，特别适合在机电产品包装中推广。但这些材料的生产企业档次参差不齐，生产设备能力相差较大，工艺流程不够统一，缺乏相应的检测手段，因此，生产出的成品质量差别较大，性能也不够稳定，影响了节材代木项目的广泛推广。

大型机电产品的包装不同于一般产品包装，是技术含量较高的功能性产品包装，需满足大型机电产品在储存、吊装、运输过程的功能性要求。机电产品包装是装备制造业生产全过程的重要环节，是包装工业的重要组成部分，特别是与国民经济和国防建设关系较为密切的重大装备的产品包装，即大型、精密、贵重、单件、小批量，其包装性能要求很高。

我国机电产品木质包装存在着包装不规范、过度使用材料、防潮防湿阻燃性能差、包装档次低、回收使用困难、循环利用率低等问题，直接影响了机电产品出口的竞争力。目前只能根据产品尺寸，选用包装箱尺寸与构件尺寸，不能对包装结构的受力状态与响应做出准确预估，包装箱要么浪费材料，要么存在安全隐患。

3.行业发展亟待解决的共性关键技术问题

鉴于我国机电产品包装代木材料发展尚处于初级阶段，企业规模小，生产技术水平落后，创新能力差，急需及早在制造与应用的全过程推行低碳化，以期真正实现既节约木材又保护环境、减耗能源。

当前需从循环经济的减量化（Reduce）、重复利用（Reuse）和循环再生（Recycle）三大原则入手，进行代木材料制造与应用低碳化加工技术研究。根据减量化原则，重点推进节约化生产加工技术，实现高性价比。积极开发代木材料新型结构材、组合式型材与优化通用结构材，大幅度降低代木材使用量；根据再利用原则，重点开发代木材料加工工艺及其技术（如竹木复合、木塑复合材料加工及其工艺等）的研究，以期提高新型代木材料的综合机械性能，延长包装代木材料的使用周期，逐步减少包装代木材料的一次性用品；根据再循环原则，针对机电产品的结构特点，从代木包装材料板材及型材的系列化、标准化入手，重点研究机电产品包装材的模块化与组合化技术，并按照行业要求制定全国统一规范，以便优化和综合利用包装材料，并使包装制品制造方便、组装简捷、应用可靠、便于回收利用，应最大限度减少包装过程中的螺钉的使用（量），有利于包装板材及型材的循环利用。

3.1专门用于机电产品包装高强代木材料的研究与开发

专门用于机电产品包装的代木材料的工艺性能、结构优化、绿色制造技术主要包括以下几个方面：

（1）利用速生树种木材（杨树、桉树）制造高强度包装结构材的关键技术。

攻关技术有：小径级木材高出材率旋切技术，3-5mm厚单板均匀旋切技术；快速单板接长技术和设备；高强度单板层积材热压技术。

（2）利用农作物秸秆制造包装箱用材的关键技术。

攻关技术有：农作物秸秆的收集和贮存技术；农作物秸秆的新型胶粘剂技术；麦秸/稻草秸秆的纤维制备技术；秸秆板防潮和防霉技术等。

（3）利用竹木复合材料、木塑复合材料制造包装箱的关键技术。

攻关技术有：竹片与木材单板界面调控技术；竹片的施胶技术；增强竹片在板坯结构中的合理配置技术；复合板坯的铺装和热压技术等。

（4）循环利用废弃木质材料制造包装箱用材的关键技术。

攻关技术有：废旧木材的破碎技术与设备；废旧木材的清洁技术与设备（去除金属、砂石、泥土以及混入其中的塑料、油漆及贴面材料等）。

（5）提高蜂窝纸板防潮、强度等性能的原纸生产关键技术。

攻关技术有：专用高强、防水、防潮瓦楞原纸制浆造纸技术；废纸浆高浓高效纤维分级、筛分技术开发与产业化；不同状态废纸筛浆设备筛（孔）缝特征对不同浓度的非牛顿型纸浆纤维悬浮液筛分的阻力特性研究与工程验证；蜂窝纸板的缓冲动力学性能研究。

3.2大型包装箱结构设计理论研究与设计软件开发

机电产品的主要运输方式为陆运与水运。陆运的紧急刹车和道路崎岖与水运的风浪撞击和颠簸都会产生剧烈冲击与振动。冲击是一种破坏性很强的瞬态载荷，历时短、能量高度集中，会产生严重、甚至是破坏性的影响；振动引起的通常为随机载荷，对包装箱影响是累积损伤。它们对结构的破坏与损伤既与载荷强度频率有关，又与结构本身的刚度与动态性能密切相关。然而，关于代木材料包装箱在冲击与振动情况下的动态性能的适应性，目前全行业尚无系统的针对性研究。

目前，我国通用及大型重载机电产品包装箱的设计基本上仍停留在放大设计、类比设计、测绘设计等经验设计阶段，我国大型重载机械设备快速发展，与运输包装技术可靠性设计水平极不相称，急需根据广义振动有限元法和避免共振可靠性分析方法，提供基于载荷、强度、重心位置、运输条件（温度、湿度、路面状况）及相互作用完整信息的系统级的可靠建模路径，规范组合式、通用化可靠性设计方法，建立能反映包装“共因失效”的表决系统参数化模型，疲劳可靠性应力-寿命模型及可靠性寿命计算的当量模型，解决我国大型重载机电产品包装箱可靠性设计的关键技术。同时应开展对通用包装制品材料和包装制品力学性能分析、结构优化与工程化研究。重点研究不同代木材料的力学性能、包装制品结构与结构件、联接件、结构联接件等的力学性能，为包装制品的设计和结构优化提供科学的理论依据，在此基础上提出规范严格的不同承重结构材的尺寸界定、并制定相应标准，包括：

（1）包装材料力学性能研究（生物质材料物理力学性能指标、材料本构关系、材料等级）。

（2）大型包装箱安全等级（包装箱的重要性分级、可靠度设计）。

（3）包装箱载荷规范化、标准化（静力荷载、各种运载条件下动力作用、温度应力、施工荷载等）。

（4）包装箱结构分析方法（力学模型、结构计算的一般规定、静力与动力分析方法）。

（5）复杂运输条件下大型包装结构构造设计（节点设计、连接、节点承载力与变形验算方法），突破的关键是充分利用仿真技术，以包装箱结构与构件的动态性能研究为切入点，剖析其结构与材料的固有动态性能，解决动态载荷作用下的响应性差的问题。并由此为基础，通过调整结构布局、采用合理的结构型式，选取匹配的构件材料等并进行实物化试验研究与工程化。

（6）极端气候环境下包装箱耐候性研究（风吹、日晒、雨淋、温度变化等条件的耐候性研究与设计），针对重载包装箱，重点开发利用运输过程中的风能、太阳能等自然条件，实施箱内环境的温度、湿度等自动调节技术。

（7）大型重载机电产品包装箱动态可靠性设计软件开发。

3.3机电产品包装代木材料制造专用设备研究与开发

（1）基于高频、微波与靶向喷蒸热压技术的快速高效成型设备研究与工程化。

国内单板层积材的成型大多采用常规接触式热压法，板材芯层温升是由板面逐层传导。由于木材的导热系数小，传热慢，压制厚度为30cm的单板层积材需6-8小时。对较厚的层积材，因传导途经长，层芯温升慢，往往表层胶粘剂已固化过度，而芯层固化温度尚不足，不仅影响质量，而且效率低，又耗能，加之单板旋切厚度不均，生产工艺规范的非可控因素影响较大。同批次的产品质量差异，给推行组合化、标准化、通用化制造包装箱形成极大障碍。

微波与高频技术这两种加热方法皆为场能作用于介质分子，选择性强，加热迅速均匀，效率高，耗能低，将显著提高层积材的质量。因此，基于高频与微波技术的快速高效成型设备的研制与工程化乃当务之急。

同样，带有靶向喷蒸装置的大吨位热压系统的制造技术、板坯芯层温度与含水率控制技术，是重型机电产品包装用单板层积材快速热压成型技术的关键突破口，有待开发并工程化。

（2）基于计算机视觉、X射线与超声波的无损检测技术。

重点研究型材质量检测设备及仪器仪表，层积材流水生产线等生产状况的在线检测与监控，需要突破的关键技术是：承载梁材料的主要缺陷识别及剔除等无损检测技术与装备，以及层积材加工刀具与材料切削性能的研究。

（3）是针对高强度秸杆板、竹木复合板、竹木复合梁等产品流水生产线的关键技术装备的填平补齐；针对高强度秸杆板、竹木复合板、竹木复合梁等产品流水生产线自动控制系统的研究与开发。

（4）代木包装材料成型模具研究、开发及工程化，开展包装产品的代木材料高温热压模具（包括包装用标准化托盘、包装内衬、包装用人造板圆桶以及各种异型包装容器等产品的代木材料高温热压模具）设计研究与工程化。

3.4机电产品包装代木标准化与产业化研究

3.4.1机电产品包装专用层积材目标性能代表值的确定

按照国家单板层积材标准GB/T20241-2006的规定，以多层整幅（或经拼接）单板按顺纹为主组坯胶合而成的板材均称为单板层积材。机电包装用单板层积材属于结构用单板层积材，应具有良好的耐水性、耐候性和力学性能。但是，以不同树种原料、不同厚度单板、不同种类胶粘剂、不同接长单板和组坯方式以及不同压缩率制造的单板层积材的物理力学性能往往相差甚远。机电产品种类繁多，承载重则达几十吨，上百吨，轻则几十公斤或几百公斤。因此，其包装对单板层积材的性能要求也不尽相同。当前国内层积材制造厂尚无统一的有关实现目标性能代表值的工艺参数选定体系。

全行业急需根据机电产品特点确定采用单板层积材的等级（长度和厚度模数、强度指标和耐候性指标等），然后根据不同的等级研究制定单板层积材制造技术规范，包括原料树种、胶粘剂种类、单板接长方式、板坯压缩率以及强度指标等。

3.4.2建立包装节材代木模块化、组合化设计标准体系

为了使包装材料制品制造方便、组装简捷、应用可靠，便于回收利用，需开展节材代木包装制品的组合化、模块化，组合式型材研究设计，并按照行业要求制定全国统一规范，以便优化和综合利用包装材料。

3.4.3建立包装节材代木专业检验机构、评价体系和成果推广应用体系

研究制定机电产品包装节材代木评价办法，建立或授权经过资质认定的专业检测机构，对节材代木产品和企业进行评估，以确认其是否符合节材代木包装的要求；在已有试点企业的基础上，更大规模地进行节材代木包装材料的推广应用，以期大部分取代现在广泛使用的木材包装，在全国机电行业中推广应用；研究制定机电产品包装节材代木产业化的制度激励机制、产业发展的外部支撑环境以及相关的经济政策和法规；机电产品包装节材代木的技术创新、成果转化应着重于向现实生产力转化，着力于科技成果的工程化和系统集成，加快成果推广与应用。

4.结束语

在环境保护和资源约束的政策背景下，加上我国丰富人工速生林和农作物秸秆的再生资源保障，机电产品包装已经成为木材节约工作的重点行业，中国将建成集国内机电产品包装材料与设备研发、包装箱结构设计、性能测试和评价、相关标准制订、技术与信息服务、人才引进与培训为一体的综合性平台及具有可持续发展和国际竞争力的研发与工程化基地，机电产品包装节材代木也一定会成为我国木材节约代用工程的重要突破口。

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