漫談瓦楞紙箱: 防破裂強度 (Bursting Strength), 抗壓強度（BCT, Box Compression Strength）, 邊壓強度( ECT, Edge Crush Strength)

from 工作狂人。  漫談瓦楞紙箱 記得工作熊第一次被瓦楞紙箱吸引目光，是第一次在電子組裝廠當工程師的時候，那時一般業界都還在使用保麗龍來包裝產品，但我們公司已經開始使用瓦楞紙板來當作包材及內襯緩衝物了。 工作熊之所以被吸引，是因為印象中那麼柔弱的紙張竟然可以撐起一片天，而且可以設計出各種千奇百怪的形狀來符合包裝產品的需求，舉凡固定、耐壓、耐震、耐撞、耐摔都可以達到一定的要求，現在有些廠商還發展出紙棧板。 後來與紙箱設計工程師及紙板廠商接觸多了，自己也會拿些厚紙板來自己剪剪裝裝，不懂的地方就向人討教，因此也發現了更多關於紙箱、紙板的秘密。 比如說紙外箱，通常都是雙層的瓦楞紙板設計，一般來說不是 AB flute 就是 BC flute (點這裡可以更進一步瞭解何謂 AB 或 BC flute) ，你知道 B flute 一定會被放在紙箱的外層嗎？ 這是因為 B flute 的楞條比 A 及 C flute 多要來得密且實，放在外層可以防撞擊及穿破，而內層放 A 或 C flute，其楞條密度比較鬆散，可以在產品摔落時起緩衝作用。 另外，在內包裝的紙板楞條方向也是很重要的，最好要定在圖面上，在有需要用到支撐力的地方必須與楞條的方向平行，如果是多重需求，就要作整體考慮。 還有，內/外裱面紙的規格也很重要，如果有防破烈強度(bursting strength)需求時，應特別定義內/外裱面紙的重量(紙張的厚度是用重量來定義的)，也可以詢問廠商提供何種內/外裱面紙的重量才可以符合要求的「防破烈強度」。 最後關於紙箱的耐壓能力，一般會計算「邊壓強度」(ECT, Edge rush Strength) 及 「抗壓強度」( BCT, Box Compression Strength)。ECT就要請紙箱的供應商提供數據，然後再計算相關的紙箱損失的參數後，得出真正需要的 BCT。會在找時間整理 BCT 的計算。  瓦楞紙板的製作及分類 我們隨處都可見到【瓦楞紙板】，我們用它來當作外帶咖啡的杯套以避免燙傷，用它來包裝物品寄送，甚至用它來妝點我們的家，但你知道它是怎麼做出來的嗎？另外，你知道以結構來區分的話，它可以分成四種基本的構造：單面、單層、雙層、和三層瓦愣紙板。 瓦愣紙板可以使用再生紙漿(recycle)或是原生處女紙漿(virgin)來製造，一般是由【裱面紙/襯紙(Liners)】以及已經加工成波浪型的單面【瓦楞芯紙(fluting)】黏合而成，其製作程序基本如下圖。 瓦楞紙的分類 (依結構來分)可大致分成下列四種： 1. 單面瓦楞紙 單面瓦楞紙板一般用於商品包裝的貼襯保護層，如裝熱咖啡的的防燙護套。 2. 單層雙面瓦楞紙 (single wall) 單層雙面的瓦楞紙一般用在內包裝紙盒/禮盒上，也有拿來做成包裝內襯當作結構支撐用的。 3. 雙層瓦楞紙 (double wall) 雙層瓦愣紙一般採用 [AB flute] 或 [BC flute] ，通常作為包裝外紙箱，可以防撞，保護內盒不受損害。 4. 三層瓦楞紙 (triple wall) 另外，更多層的瓦楞紙有漸漸取代木頭包裝或是木頭棧板的趨勢。 瓦楞紙板是非常好的包裝材料，因為它具有良好的防撞、防摔、吸震能力；如果善用它的楞型方向，還可以有效達到支撐結構的強度，而且經過處理後，還可以達到初步的防水效果。  如何看懂瓦楞紙板的規格 一般的瓦楞紙板規格通常會這樣規定： outer liner / fluting / inner liner (外裱面紙/瓦愣芯紙/內裱面紙) 比如說 125K/B/125T， 表示其內裱面紙要使用125GSM重的原生處女牛皮紙；而外裱面紙則使用125GSM重的回收裱紙；而瓦楞芯紙則採用[B-flute]的楞型。 詳細的規格定義可以參考下面的說明。 瓦愣紙板的愣條規格及厚度： 楞的種類 瓦楞紙厚度(inch ) 瓦楞紙厚度(mm ) 每公尺的楞條數 A flute (A 愣) 3/16" 4.8mm 108+/-10 B flute (B 愣) 1/8" 3.2mm 154+/-10 C flute (C 愣) 5/32" 4.0mm 128+/-10 E flute (E 愣) 1/16" 1.6mm 295+/-13 F flute (F 愣) 1/32" 0.8mm 420+/-13 另外還有複合種的瓦楞紙，如 BC flute (BC楞紙)：為一層 B flute 加上一層 C flute，其總厚度大約為 7mm。 AB flute (AB楞紙) 則為一層 A flute 加上一層 B flute，其總厚度大約為 8mm。 兩層 flute 的複合瓦楞紙通常用在外箱，最外層紙箱用 B flute 楞條數比較密可以防外力撞擊，內層則是用 A flute 或 C flute 楞條比較鬆散可以當作內裝產品的緩衝。 瓦楞紙的專有名詞： (K) KRAFT：Virgin Kraft paper (原生處女牛皮紙) (T2) TEST 2：Partly recycled liner paper (半回收裱面紙) (T) TEST 3：Fully recycled liner (全回收裱面紙) (C) CHIP：Waste based liners (廢紙底裱面紙) (BW) FULLY BLEACHED WHITE：Fully bleached Kraft liner (漂白牛皮紙) (WT) WHITE TOP：White coated recycled liner (回收裱面紙做全白印刷) (MK) MOTTLED KRAFT：Mottled white Kraft (斑白牛皮紙) (OY) OYSTER：Mottled test liner (斑白測試裱面紙) (GSM) Grams per square meter (紙的重量或磅數，這裡是用每平方米幾克重來計算) (WBF) Waste Based Fluting Medium (廢紙底楞心紙) 另外，一般瓦楞紙的規格會要求『防破裂強度 (Bursting Strength)』 的最小值為 26 lb/1,000 ft2 (12.7 Kg/cm2 或 1245 KPa) ─ 僅供參考，防破裂強度 (Bursting Strength)基本上越高越好。  如何計算瓦楞紙箱的抗壓強度(BCT) 瓦楞紙箱的抗壓強度（BCT, Box Compression Strength）是指將瓦楞紙成形為立體空箱，並用封箱膠帶將其上、下開口封牢，放入紙箱抗壓強度測試機的上、下壓板中間位置，開機使上壓板接近空箱箱體，然後啟動加壓標準速度，直至將紙箱壓潰，讀取其實測值，即為紙箱的抗壓強度，同一批次紙箱的試驗數據之間的偏差越小，就表示抗壓性能越穩定。 另外，我們也可以根據簡化的 Mckee Formla (馬基公式) 用【邊壓強度】( ECT, Edge Crush Strength) 來計算出 BCT。 馬基公式的計算式如下： The McKee formula is (馬基公式) : 預估 BCT = 2.028 × ECT0.746 × (D×Dy)0.127 × P0.492 • ECT：邊壓強度(lbf/in2 ) • (D×Dy)：紙板的平均撓曲剛度 (lbf-inch) • P：紙箱周長 (inches) 經初步簡化後的公式如下： 預估 BCT = 5.87 × ECT × Caliper0.508 × P0.492 • ECT：邊壓強度(lbf/in2 ) • Caliper：紙板的厚度 (inches) • P：紙箱周長 (inches) 【馬基公式】最終簡化後的 BCT計算公式如下： BCT = 5.87 × ECT x (外箱週長 x 紙板厚度)1/2 下面以一些實例來說明，其實工作熊個人也不是很清楚這樣算完的結果與實際差異多少？ <範例 1> 假設 BC flute 的 ECT 為 55 lbf/in2， 紙箱的【長】為 20.5in，【寬】為17.0in，實測【厚度】為 0.24in 則 BCT = 5.87 x 55 x [(20.5+17) x 2 x 0.24]1/2 = 5.87 x 55 x (75 x 0.24)1/2 = 1369.7 lbs = (621.30 Kg) <範例 2> 假設 AB flute 的 ECT 為 60 lbf/in2， 紙箱的【長】為 20.5in，【寬】為17.0in，實測【厚度】為 0.30in 則 BCT = 5.87 x 60 x [(20.5+17) x 2 x 0.30]1/2 = 5.87 x 60 x (75 x 0.30)1/2 = 1670.6 lbs = (757.78 Kg) 比較以上兩種不同楞型但相同尺寸的紙箱，可以發現 AB flute 的紙箱抗壓強度要比 BC flute 來得好。 其實最主要的還是ECT的大小，ECT越大則BCT就可以越大。 如果是要計算 BCT 是否符合設計需求，除了計算出紙箱的 BCT 之外，還得計算紙箱所必須承受的真正重量及安全係數。關於「安全係數」的計算，一般會包括下列這些可能影響到紙板強度的因素，可以參考 Richmond corrugated Box 公司的說明。 紙板強度損失 損失係數 包裝紙箱有負重時的儲存時間 10天 37% 損失 0.63 30天 40% 損失 0.60 90天 45% 損失 0.55 120天 50% 損失 0.50 紙箱有負重時儲存時濕度 (％RH) 50％RH以下 – 0%損失 1.00 50％RH～60％RH – 10%損失 0.90 60％RH～70％RH – 20%損失 0.80 70％RH～80％RH – 32%損失 0.68 80％RH～90％RH – 52%損失 0.48 90％RH～100％RH – 85%損失 0.15 紙箱堆疊於棧板上的排列方式 完全對齊疊放 (aligned) 0%損失 1.0 稍有不對齊疊放 (misaligned) 10～15％損失 0.85～0.90 交錯疊放(interlock) 40～60％損失 0.40～0.60 紙箱超出棧板 (overhand) 20～40％損失 0.60～0.80 棧板材質間隙影響 (pallet deck-board gap) 10～25％損失 0.75～0.90 過度搬運 (Excessive Handing) 10～40％損失 0.60～0.90 裝櫃後距貨櫃上方空隙 (head space in container) 10～20％損失 0.80～0.90 <範例 > 假設一個紙箱的重量為 50lbs，假設最高總可以堆疊六層紙箱，則最底層紙箱全荷重為 50 x (6-1) = 250 (lbs) = 113.4(Kg) 又假設根據上表得到損失係數為 0.218 = 0.55 x 0.68 x 1.0 x 0.80 x 0.90 x 0.90 x 0.90 ，則安全係數 = 1/損失係數 = 1/0.218 = 4.587，所以「BCT設計值」應為 250 x 4.587 = 1146.75 (lbs) = 520.17 (Kg) 0.55(儲存時間) 0.68(濕度) 1.0(紙相對齊) 0.80(紙箱未超出棧板) 0.90(棧板材質間隙影響) 0.90(過度搬運 ) 0.90(裝櫃後距貨櫃上方空隙) 使用 Richmond corrugated Box 公司的試算結果 Target Compression Results Load: 250 lbs. Total Loss Variable: 0.2181 Recommended Safety Factor: 4.5847 Target Compression: 1146.1749 lbs 所以如果『實際 BCT 量測值』大於計算出來的『BCT設計值』（520.17Kg=1146.1749lbs），那就表示紙箱符合設計需求；如果不行，就要斟酌衡量。 老實說，計算值當作參考就好了，最好還是以實測為準，而且安全係數最好要多抓一點，紙板廠交樣品與實際量產應用時又會有些不一樣，吸潮與儲存環境是最主要的因素。 ________________________________________ 後註： 紙箱的堆疊模式︰紙箱堆碼模式對紙箱的抗壓強度會產生一定影響。紙箱豎楞方向可承受的壓力要遠遠超過橫楞方向，紙箱堆疊時應保持讓豎楞方向受壓。在紙箱的整個承壓過程中主要是四個角受力，約占整個受力總重量的三分之二，箱角部位承受的壓力最高，離箱角越遠，承受壓力越低，因此應盡量減少對紙箱四個角周遭瓦楞的破壞，在堆疊時應盡量保持箱角與箱角對齊疊放。瓦楞紙箱堆疊試驗常用的試驗模式是使用瓦楞紙箱堆疊試驗機進行抗壓測試。 常見的紙箱堆疊模式有三種︰交錯式、上下平行對齊及不對齊。此三種模式中，上下平行堆疊對齊方式最有利於保持箱角充分受壓，因而最為合理。其他的堆疊方式則較不建議。 紙箱的堆疊時間︰ 紙箱的抗壓強度隨著裝載時間的延長而降低，這種現象稱為疲勞現象。試驗結果證明，在長期負載的作用下，只要經歷一個月的時間，紙箱的抗壓強度就會下降30%，在經歷一年後，其抗壓強度就只有初始值的50%。在設計紙箱材質時，對流通時間較長的紙箱應提升其安全系數。  簡介瓦楞紙板的邊壓強度(ECT)與各種紙板楞形的影響 瓦楞紙板的邊壓強度（ECT, Edge Crush Strength）又叫垂直抗壓強度，其測試方法是對瓦楞紙板試樣施以垂直方向壓力，施壓過程中紙板所能承受的最大壓力即為紙板的邊壓強度。 ECT 的單位一般為：N/m 或 lbs/in (2012/5/9更正) 我們一般包裝紙箱抗壓強度的強弱主要取決於紙板的邊壓強度，而邊壓強度又取決於組成瓦楞紙板的各層原紙的橫向環壓強度、紙板的楞型組合與紙板的黏合強度。 測定邊壓強度時可使用小型壓力試驗機台。其上、下各有一塊面積個100mm x 100mm的壓板，其餘要求與測定平壓強度的要求相同。另需要兩塊夾持試樣的矩形金屬導板，長100mm，橫截面為20mm x 20mm。 紙板樣品一般為 25mm x 100mm，待加壓到一定壓力後（約50N）需移開兩塊矩形金屬導板。紙板壓潰時的最大壓力值除以試樣的長度就是紙板的邊壓強度(ECT)。 ←圖片來自網路 ←圖片來自網路 紙張的防水性能也很重要，特別是冷藏箱對紙張的防水性能要求更高，有時雖然紙箱的抗壓強度很高，但由於紙張不防水，紙箱存放在冷庫中就容易吸潮，造成坍塌。 瓦楞紙板的波形分為U形、V形和UV形三種 瓦楞分類 特色 U形 U型的頂峰圓弧半徑較大，呈圓弧形，如B 楞、C楞。U形楞在受壓時，可以吸收較高 的能量，當壓力消除後，仍能恢復原狀，富有彈性，但耐壓強度不高 。 V形 V型的波峰半徑較小，且尖，如A楞。V形楞在受壓初期歪斜度較小，但超過最高點後，便遭到迅速地破壞。V形楞較節省瓦楞紙，黏合劑耗量較少，但加工時易出現高低楞，瓦楞輥磨損較快。 UV混合形 UV型介於兩者之間，如AB楞。UV形楞是結合U形和V形的特點，目前得到廣泛的採用。 瓦楞紙板的各種楞型及其組合，以下只就單層瓦紙板來說， • A瓦楞紙箱： 一般來說，A瓦楞紙箱抗壓強度最高，但也易受到損壞。 A瓦楞具有較好的防震緩沖性，另外垂直耐壓強度也較高。 • B瓦楞紙箱： B瓦楞強度較差，但穩定性較好。 B瓦楞的峰端較尖，黏合面較窄，其瓦楞高度較小，可以節省瓦楞原紙，其平面抗壓能力超過A型瓦楞，B瓦楞單位長度內瓦楞數較多，與面紙有較多的支承點，因而不易變形，且表面較平。在印刷時有較強抗壓能力，可得到良好印刷效果。 • C瓦楞紙箱： C瓦楞抗壓力及穩定性居中。 C瓦楞兼有A和B瓦楞的特點，它的防震性能與A瓦楞相近，平面抗壓能力接近B瓦楞。 • E瓦楞紙箱： E瓦楞是最細的一種瓦楞，單位長度內的瓦楞數目最多，能承受較大的平面壓力，可適應膠版印刷需要，能在包裝面上印出質量較高的圖文，這種瓦楞紙板和硬紙板強度差不多。 一般我們都會根據紙箱的大小來選擇紙箱的楞型，認為楞型越大，紙箱的抗壓強度越高，反而容易忽視楞型對變形量的影響。其實楞型越大，紙箱的抗壓強度越大，變形量也越大；楞型越小，紙箱的抗壓強度雖然越小，但變形量也越小。如果紙箱過大，楞型卻很小，紙箱在抗壓測試時就很容易被壓潰；紙箱過小，楞型卻很大，則抗壓測試時容易造成紙箱變形量過大，緩衝過長，有效力值與最終力值偏差過大。所以，一般的外紙箱都會綜合選用UV混和楞條來擷取兩者的優點，然後把U型楞條放在外表面，而V型楞條放在內表面。 三種瓦楞型的強度比較表 瓦楞種類 平面壓力 垂直壓力 平行壓力 A 強 弱 強 B 弱 強 弱 C 中 中 中 備註︰ 1. 平面壓力是指垂直於瓦楞紙板平面的壓力。 2. 垂直壓力是指與瓦楞方向一致的壓力，平行壓力是指垂直於瓦楞方向的壓力。 根據上述不同類型瓦楞的不同特點，單瓦楞紙箱用A型和C型為宜；雙瓦楞紙箱用AB型，BC型相結合最為理想；接近表面的用B型，能起到抗衝擊力較強的作用；接近內層的用A型或C型彈性足、緩衝力強；採有用AB型或BC型結合，使紙箱的物理性能發揮兩個優越性。中包裝宜選用C型楞，E型瓦楞可代替厚紙板，用於小包裝。最近幾年，國外又發展有F楞比E楞更小的瓦楞。 紙箱【周長】對強度的影響︰ 紙箱的周長越長，抗壓強度越高，紙箱的周長與抗壓強度存在一定的換算關係。在用料和楞型相同的情況下，紙箱周長的增長與抗壓強度的增長會形成一種變化的曲線，也就是說，由於紙箱周長的加大，增加了紙箱的不穩定性，在紙箱周長達到一定階段後，所能承受的抗壓強度會呈現按一定比例的遞減。 紙箱【高度】對強度的影響︰ 紙箱高度在100~350mm時，抗壓強度隨著紙箱的高度增加而稍有下降；高度在350~650mm之間時，紙箱的抗壓強度幾乎不變；高度大於650mm時，紙箱的抗壓強度會隨著高度增加而降低。主要原因是隨著紙箱的高度增加，其穩定性也會相應地增加。 紙箱的【長寬比】對強度的影響︰ 一般情況下，紙箱的長寬比在1~1.8的範圍內，長寬比對抗壓強度的影響僅為±5%。其中紙箱的長寬比RL＝1.2~1.5時，紙箱的抗壓強度最高。紙箱的長寬比為2︰1時，其抗壓強度下降約20%，因此確定紙箱尺寸時，長寬比不宜超過2，否則會造成成本浪費。  瓦楞紙的【含水率】量測方法 ，含水率會影響品質？ 瓦愣紙版的含水率(Moisture Content) 含水率是指瓦楞紙的水分含量多寡，用百分比來表示，含水率對紙箱強度有很大的影響，含水率高的紙質會變軟，強度也會變差，壓楞的黏合品質也會變差；相反的，含水率過低時，也不好，因為瓦愣紙質會變脆，當瓦愣受到擠壓或碰撞時就容易破裂，耐彎折強度也會變差。 另外需特別注意的是，當黏合單面瓦愣芯紙的【裱面紙/襯紙(Liners)】與【瓦愣芯紙(fluting)】的含水率差異過大時，則會容易出現捲曲的現象。使用這種捲曲的單面瓦愣芯紙來製作成瓦楞紙板，就容易出現起泡及脫膠的缺失。 一般瓦楞紙的含水率規定為8～16%。測定瓦愣紙含水量時採用烘乾法，從待測的瓦楞紙板上取不同部位的樣品若干塊，秤重約為50g，然後將其撕成碎片後，放入烤箱，烘乾至恆重後再秤重計算其數值。 瓦愣紙含水率計算公式如下：  瓦楞方向影響紙箱抗壓強度 這兩天有同事問我紙箱的瓦楞方向該怎麼擺最好？瓦楞的方向當然得垂直於地板，而且最好是四面牆壁都是垂直的方向，如果條件不允許，至少也要兩個長邊的牆壁是垂直的，這樣才能得到最接的邊壓強度。因為瓦楞紙之所以可以承受極大的抗壓，有一大部分靠的是受力方向與瓦楞方向垂直達成的。 打個比方，這就好像是蓋竹屋，如果把竹子全部橫擺不加任何其它的固定物件，你覺得這竹屋蓋得起來否？就算蓋起來了，是否夠堅固？答案應該是否定的，各位可以試著利用Google查詢一下竹屋的圖片，一般看到竹屋的竹子排列方向應該都是垂直的，因為垂直的竹子才可以將竹屋的牆壁立起來，甚至撐起竹屋的整個屋頂。 所以如果你稍微留心手邊的任何外包裝紙箱，我講得是那種用來作長途運送貨品的外紙箱，它們的愣條方向一定都是垂直的，如果是內紙箱(由稱為『禮盒』)的話，可能就比較沒有那麼注重，因為有時候內紙箱擺放進外紙箱時不一定是正著放，有時候也可能是豎著或立著放，所以有時候我們也會看到有平行於箱底的瓦楞方向。 只是不論內紙箱怎樣擺放進外紙箱，建議還是盡量讓紙板的瓦楞方向垂直與箱底，就算不能每面都垂直，也盡量讓最多面積的方向垂直於箱底，因為 • 有時候內紙箱也會被拿來當作運送的包裝工具，還是要盡量考慮其邊壓強度。 • 內紙箱(禮盒)通常會設計有《卡扣》之類的機構，而這些卡扣通常設計在紙箱的最上面一個面，如果卡扣的瓦楞平行於箱低，則其結構通常較不牢靠，也較容易因為潮濕而失效；相反的，如果卡扣的瓦楞垂直於箱低，就比較能生成較結實的機構而增加強度。 下圖顯示瓦楞方向平行於箱底，卡扣地方的瓦楞也被設計成水平的方向，如果受潮或多使用幾次之後就容易折彎變形。 下圖顯示內紙箱的四個牆的瓦楞方向平行於箱底，瓦楞強度不易發揮，只有短邊折彎回來的地方有垂直的瓦楞。  (MXIC) 下圖顯示瓦楞的方向重植於箱底，卡扣地方的瓦楞也是垂直的方向，這樣的設計可以有效支撐反覆多次使用，也不易折彎變形。 下圖顯示內紙箱的四面牆的瓦楞方向都垂直於箱底，瓦楞強度可以發揮，雖然短邊折彎回來的地方有水平的瓦楞，但仍然可以取得較強壯的上下支撐力道。  (WEC)