瓦楞紙箱的抗壓強度

瓦楞紙箱的製程

瓦楞紙板是用於製作瓦楞紙箱[1]的原料, 其依據商品內容物的尺寸和重量, 包裝設計人員會規劃出合適的設計圖紙以安排紙箱加工作業, 包括: 開槽/軋形-壓線, 圖文印刷 以及 糊-釘合的製作程序. 

如圖1所示為瓦楞紙板加工至瓦楞紙箱[2]成形的示意圖, 圖1(a)為瓦楞紙板原料經過裁切以及壓線處理, 如灰色虛線所標示為壓線區域, 主要用途是便於紙箱摺合, 圖1(b)是經過開槽後的瓦楞紙板, 如紅色實線所示為開槽區域, 主要是用於瓦楞紙箱的摺合而成形為對應的長-寬-高的外徑/內徑尺寸, 圖1(c)是由釘板車/糊盒機將紙箱封裝成形的示意圖, 圖1(d)則是用於標示瓦楞紙箱的規格圖示, 如: 紙板結構, 破裂強度(Bursting strength, BS), 承載重量和紙箱尺寸的數值. 

(a)	(b)
(c)	(d)
圖1. 瓦楞紙箱的設計與製作. (a) 裁切-壓線的瓦楞紙板 (b) 開槽的瓦楞紙板 (c) 摺合的瓦楞紙箱 以及(d) 圖文標誌.

瓦楞紙箱[3]的承載重量和強度, 除了需要考量瓦楞紙板的結構組合之外, 同時也要取得 瓦楞裱紙 和 瓦楞芯紙 的材質[4], 而國際間常用的驗證方式主要包含: 繆倫耐破度(Mullen Burst test) [5]以及 邊壓強度(Edge Crush test, ECT) [6]的測試, 如圖2所示是瓦楞紙板在不同方向的受力測試圖. 

以繆倫耐破度測試[7]作為驗證時, 主要以 破裂強度 作為評量參數, 其會將瓦楞紙張平放如圖2(a), 再模擬錐狀/球狀/平面的外力進行加壓使其破裂以驗證破裂強度值; 以邊壓強度測試[8]作為驗證時, 主要是以瓦楞紙箱的堆疊強度作為考量, 其會將瓦楞紙板豎起使波浪狀的瓦楞方向呈現為縱向如圖2(b)所示, 接著再施作紅色箭頭方向的垂直壓力使其壓潰以進行邊壓強度值的驗證. 圖2(c)則是將波浪狀的瓦楞方向置於橫向, 並施作紅色箭頭方向的水平壓力作為平行強度值的驗證.

(a)	(b)	(c)
圖2. 瓦楞紙板的強度測試. (a)破裂強度 (b)邊壓強度 與(c)平行強度.

瓦楞裱紙(Liner board)

瓦楞裱紙[9]可區分為 外層的面紙, 中層的中紙, 以及 內層的底紙, 常見的材料是以再生紙和原生紙漿作為原料製作而成, 常用的基重範圍是130 ~ 310 GSM(=Grams/Sqaure Meter), 並依據原料可區分為4個等級. 如表1所示為常用的瓦楞裱紙材質.

• 種類: 原生牛皮紙(Kraft liner), 次級裱面紙(Jute liner), 漂白牛皮紙, 白色裱面紙以及回收裱面紙…等等, 如表2所示為各種瓦楞裱面紙板的加工製程[10]和包裝用途[11].
• 等級: 特A級, A級, B級與C級; 而亞洲地區常用的分類為: 特A級, A級, B1級, B2級和B4級.
• 基重: 130, 160, 175, 180, 220, 260, 280, 310, 340 GSM. 基重越高-紙板強度越高, 基種越低-紙板強度越低. 常用的牛皮紙板分別有: A級-180 GSM (BS: 6.3)和 -310 GSM (BS: 6.3), B2級-160 GSM (BS: 4.0)和-280 GSM (BS: 6.2), 以及 B4級-130 GSM (BS: 2.1)和-160 GSM (BS: 2.6).

表1. 各種裱面紙板的製程與用途

而上述分類中, 用於決定瓦楞紙板強度值的一項重要指標參數為 「基重」, 其依據國家標準規範CNS 1455中所定義的等級與強度可參考如表2所列, 內文包含各種瓦楞紙板等級的 基種 和 強度數值, 這將可用於計算瓦楞紙板的承載重量和強度理論值, 藉以確保成形後的瓦楞紙箱具有足夠的抗壓強度可保護商品內容物. 

表2. 各種瓦楞裱紙等級對應的基種與強度

瓦楞芯紙(Corrugating medium)

瓦楞芯紙[12]是由具波浪狀的結構組成而成, 其常用的形狀又可分為 U形楞 以及 V形楞, 而普遍使用的是介於二者之間的 U-V形楞組合, 這將可兼具兩種楞形的特性用以提供高強度的平面抗壓和緩衝特性. 

瓦楞芯紙的波浪狀方向具有不同的抗壓特性, 當瓦楞芯紙豎起且波浪狀結構呈現縱向時, 其結構有利於支撐重物並提供高強度的垂直抗壓; 而當瓦楞芯紙平放且波浪狀結構呈橫向時, 其結構較有利於緩衝重物並提供高強度的平面壓縮, 相關的評量參數為: 環壓強度 以及 平面壓縮強度如表3所示. 

環壓強度是將瓦楞裱紙/芯紙放置於環狀治具, 並施以垂直方向的壓力直至壓潰用以驗證垂直抗壓強度的數值. 

• 種類: 一般芯紙, 加強芯紙以及粗厚芯紙. 各家紙業廠商在表示瓦楞裱紙和瓦楞芯紙所使用基重的代號不同.
• 等級: 特A級, A級, B級. 不同等級芯紙的抗壓強度有區別, 其中以特A級的抗壓強度最高, 其次為A, 最後為B級.
• 基重: 90, 100, 115, 130, 160, 180, 215 GSM…等等, 依據等級有不同基重的規範. 常用的瓦楞芯紙之基重為: 100, 130(代號ML), 180(代號SL) 和 215(代號SA), 命名代號則由各個紙業廠商制訂而有所不同.

表3. 各種瓦楞芯紙等級對應的基重與強度.

瓦楞紙板(Corrugated board)

瓦楞紙板的構造主要可區分為單層(Single wall, S)和雙層(Double wall, D)的形式, 其各個種類的單層與雙層瓦楞紙板是由不同基重的瓦楞面紙, 瓦楞芯紙 以及瓦楞底紙所組合而成, 常用於瓦楞裱紙的基重部分約為: 180, 240, 360, 480, 而瓦楞芯紙的基重部分則是: 160~200, 可參考表4為單層和雙層瓦楞紙板的破裂強度, 衝孔強度 以及ECT的數值. ECT的組成除了需考量瓦楞紙板的單層/雙層組合之外, 瓦楞裱紙和瓦楞芯紙的基重 以及 破裂強度也是影響抗壓強度的關鍵因素, 常用於表示的單位為k•N/m, 其中N為牛頓.

表4. 各種瓦楞紙板結構對應的強度.

此外, 國際間常用的標準規範普遍採用32ECT (200#), 44ECT(275#)和48ECT(275#)作為包裝材料的規格需求, 在繆倫耐破度和邊壓強度可互相通用的關係下, 可依據 基重 和 破裂強度來計算瓦楞紙版的理論承重數值, 如表5所示為單層和雙層瓦楞紙板的各個ECT所對應的承載重量和破裂強度.

表5. 各種瓦楞紙版對應ECT的承載重量.

瓦楞紙箱(Corrugated carton)

在取得瓦楞紙板的基重與規格參數後, 可依據瓦楞紙箱[13]的總長度代入計算理論的承載重量和堆疊強度, 其相關數據如表6所示. 常用的評量參數為耐壓/堆疊強度(Box/Container Compression Strength, BCT), 此測試方法是依據ECT所換算得出, 考量瓦楞紙箱摺合成形為空箱時, 將其放置於加壓機直至紙箱壓潰以驗證堆疊強度數值. 國際間常用的評估方式是透過化簡的馬基公式(Simplified Mckee Formla)將瓦楞紙板的ECT代入計算耐壓強度值如下:

其中ECT表示瓦楞紙板的邊壓強度(lbs/in), U表示瓦楞紙板的厚度(in), P(=2L+2W, unit: in)表示瓦楞紙箱的總長, L為長度, W為寬度. 以雙層AB浪-瓦楞紙板的32 ECT之最大承載重量60 lbs為例, 當瓦楞紙箱的長L=50 cm和寬W=38 cm其所能達到的理論堆疊強度值約為877.5 lbs. 除此之外, 瓦楞紙板的高度也需要與長寬搭配, 而常見的瓦楞紙箱的高度和總長度之比例建議為1:7的條件下能使得堆疊強度最大化, 不過這樣的比例在國際間仍然存在著許多不同版本的數值.

表6. 各種瓦楞紙箱的規格和尺寸對應的承載重量.

參考文獻

1. G. A. Foster, “Boxes, Corrugated” In The Wiley Encyclopedia of Packaging, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, 1997, pp. 100-108.
2. J. Poutis, “Corrugated-Fiberboard Packaging” In M. J. Kerwin, ed., Paper and Paperboard Packaging Technology, Blackwell Publishing, Oxford, 2005.
3. K. L. Yam, “Carton” In The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology, 3rd edition, John Wiley & Sons, New York, 2009
4. 財政部中區國稅局 (2018，4月18日)。紙器紙箱業原物料耗用通常水準。財政部中區107年度製造業原物料耗用通常水準調查報告。
5. Y.-C. Su. (2008). Fundamentals of corrugated container and functional corrugated cottons. 漿紙技術, 12(3).
6. T. Ahmed, K. T. Islam and A. Mahamud (2022, November 7). Impact of Different Factors on Carton Strength Test. Department of Textile Engineering, Northern University Bangladesh.
7. Corrugated fiberboard. (2024, March 22). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved January 12, 2024, from https://en.wikipedia.org/wiki/Corrugated_fiberboard
8. Edge crush test. (2024, March 22). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved December 05, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/Edge_crush_test
9. Chinese National Standards. (2021) Liner board. Taiwan.
10. Chinese National Standards. (2018) Waterproof corrugated board. Taiwan.
11. Chinese National Standards. (2021) Corrugated board for outer packaging. Taiwan.
12. Chinese National Standards. (2021) Corrugating medium paper. Taiwan.
13. Chinese National Standards. (2018) Types of corrugated paperboard boxes. Taiwan.

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