集裝箱底板替代材料的研究

集裝箱地板是服裝的重要組成部分和主要支撐。傳統(tǒng)底板通常為28mm厚的19層膠合板,主要采用印尼、馬來西亞等地產(chǎn)的大花龍腦香,如阿必通、克隆等熱帶硬闊葉樹材制造。然而,由于世界熱帶闊葉木材資源的減少和環(huán)保措施的實施,使得制備集裝箱底板的木材原料來源受到限制。對此,筆者對新型底板及其替代材料的可用性等進(jìn)行了分析,以期為我國開發(fā)高附加值的集裝箱底板產(chǎn)品,提供參考和借鑒。1目前，中國云杉板行業(yè)1.1世界三大集裝箱生產(chǎn)基地集裝箱是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物,20世紀(jì)50年代開始得到應(yīng)用。集裝箱制造業(yè)始于60年代初期的美國,到70年代,國際貨運(yùn)集裝箱化迅速發(fā)展。我國的集裝箱工業(yè)始于70年代末,最初僅有4家生產(chǎn)廠,年生產(chǎn)能力不足4萬個TEU(長度為20英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱)。而到2007年底,集裝箱生產(chǎn)商已發(fā)展到58家,年生產(chǎn)能力達(dá)580萬個TEU,增長了144倍,占世界集裝箱生產(chǎn)能力的96%以上,集裝箱生產(chǎn)能力、種類、規(guī)格和產(chǎn)銷量均達(dá)到世界第一(圖1、2)。集裝箱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需要集裝箱底板制造業(yè)的支撐。據(jù)統(tǒng)計,20英尺的標(biāo)準(zhǔn)箱,其底板需要0.38m3木材。按照2007年世界集裝箱產(chǎn)量392萬個計,共使用木材約149萬m3,相當(dāng)于300萬株樹齡約50年的熱帶樹木。但是,目前生產(chǎn)集裝箱底板的優(yōu)質(zhì)木材和后備森林資源,遠(yuǎn)不能滿足市場需求,使得供需矛盾日益凸顯,制約了集裝箱底板的生產(chǎn)和發(fā)展。1.2實木底板加工集裝箱底板屬結(jié)構(gòu)用板材,生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求均很高。通常要求木材的氣干密度為0.62~0.82g/cm3,抗彎強(qiáng)度92.1~133.3MPa,彈性模量10.3×103~15.1×103MPa,抗剪強(qiáng)度11.6~16.5MPa。其制造工藝最初是采用單一樹種的實木底板,后改進(jìn)為使用多層膠合板作為底板。自1993年馬來西亞率先頒布了限制砍伐熱帶雨林的政策后,在世界范圍內(nèi),掀起了研發(fā)集裝箱底板替代材料的熱潮,出現(xiàn)了不同材料制備的集裝箱底板。1.2.1鋼底板抗壓強(qiáng)度成型鋼板底板具有足夠的抗壓強(qiáng)度和剛性,加工性能優(yōu)異,但在相同的抗壓強(qiáng)度時,鋼底板會增加集裝箱的自重,使船舶載貨運(yùn)輸能力下降。另外,鋼底板的最大不便之處,是系固貨物困難,且成本較高。1.2.2集裝箱底板用神經(jīng)皮非傳統(tǒng)硬闊葉樹材的木材底板開發(fā),主要以落葉松、樺木、桉樹等國產(chǎn)人工林木材為原料,制備集裝箱底板用膠合板。該類產(chǎn)品各方面性能均較優(yōu)良,但目前還未能大批量推廣使用。其原因除了傳統(tǒng)底板的性能更優(yōu)良,以及使用習(xí)慣等因素外,主要還是此類底板的成本偏高。1箱底板用人工材料注意事項三層等厚樺木單板與表板紋理同向排列,構(gòu)成三層復(fù)合表板,芯板和中長板采用落葉松單板,制備的集裝箱底板用膠合板,其強(qiáng)度、韌性、加工性、尺寸穩(wěn)定性和吸潮性等性能,均達(dá)到GB/T19356-2004《集裝箱底板用膠合板》要求。但采用國產(chǎn)材單板組坯時,因使用的是松木、樺木薄單板,通常為21或23層,多于使用進(jìn)口熱帶闊葉樹材常用的19層,導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。目前該產(chǎn)品還在改進(jìn)中。2葉樹底板的處理在原有松/樺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在底板表面復(fù)合了一層高強(qiáng)度保護(hù)膜。這種設(shè)計不僅將落葉松的彈性和樺木的硬度有機(jī)結(jié)合,提高了底板的承載強(qiáng)度和使用壽命,而且賦予底板外型美觀、表面耐磨、耐酸堿、易清洗等優(yōu)點。松木貼面底板成本與傳統(tǒng)底板相當(dāng),但由于使用者習(xí)慣等因素,尚未得到廣泛應(yīng)用。3桉樹木材底板結(jié)構(gòu)桉樹木材密度較高(0.6~0.9g/cm3),強(qiáng)度大,材質(zhì)優(yōu)良,資源豐富。桉樹木材中礦物質(zhì)如鈣離子含量高,使木材具有天然耐久性,因此,桉木底板的耐候性,優(yōu)于傳統(tǒng)硬闊葉樹材底板。但該底板仍采用21層的組坯結(jié)構(gòu),成本略高。上述3種底板的性能指標(biāo)列于表1。1.2.3合成材料地板合成材料底板是以塑料為主要原料,性能優(yōu)越,但原料來源有限,成本較高,尚未實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。1增強(qiáng)樹脂材料由IndustriaLegnoPascttis.r.l.(ILPA)公司研制,采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂木板作芯層,聚丙烯材料作表層。產(chǎn)品密度為0.6g/cm3,抗彎強(qiáng)度為85MPa,彈性模量為12797MPa。據(jù)法國船級社(BureauVeritas,BV)裝載測試,底板7260kg的滾剪殘余變形為1.5mm,低于國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3mm。2高密度聚乙烯底板結(jié)構(gòu)英國Envirodek公司研發(fā)的HDPE底板(HighDensityPolyethylene),是一種空心結(jié)構(gòu)的高密度聚乙烯底板。經(jīng)檢測,該產(chǎn)品滾剪殘余變形為2mm,且產(chǎn)品質(zhì)量輕,僅相當(dāng)于熱帶硬闊葉樹材底板的2/3。3葉樹材層的組成1994年,由美國通用電器公司塑料分公司推出,采用一種熱塑性材料為表層,用針葉樹材層壓板(LaminatedSoftwood)、波形鋼板(CorrugatedSteal),以及由聚丙醚聚丙烯發(fā)泡而成的隔熱材料(CARIL)等作為芯層。該底板產(chǎn)品熱塑性好,維修方便,并具有抗化學(xué)腐蝕、防滲透、隔熱等優(yōu)點。1.2.4竹材的研究和試驗20世紀(jì)90年代,我國集裝箱生產(chǎn)企業(yè)和科研院所合作,進(jìn)行竹子替代熱帶硬闊葉樹材的研究和試驗。目前,已在安徽建立了竹材集裝箱底板生產(chǎn)線。但竹材底板的成本較高、檢疫問題復(fù)雜,對不同竹種的材料厚度,防腐處理方法和適用范圍均有不同的要求,工藝控制較復(fù)雜。1竹材的壓膠合加工全竹材底板采用竹片、竹簾、竹席、竹篾,經(jīng)人工組坯成對稱性層狀結(jié)構(gòu)板坯,熱壓膠合而成。該產(chǎn)品的彈性模量、靜曲強(qiáng)度、質(zhì)量和外觀,均優(yōu)于熱帶硬闊葉樹材底板。但是,由于竹子本身徑小中空、不易加工,竹材利用率僅約40%。另外,在底板生產(chǎn)中,竹材需剖篾、刨片、旋切等,工序復(fù)雜,導(dǎo)致全竹材底板成本升高。2新型集裝箱底板材料以竹材作為面層材料,人工林木材單板為芯層材料,經(jīng)過組坯、熱壓等工藝制成的底板。與進(jìn)口底板相比,竹/木復(fù)合集裝箱底板,除擁有木材底板的特性外,還具有強(qiáng)度高、物理力學(xué)性能均勻、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨等優(yōu)勢。自1993年以來,已進(jìn)行了一系列新型集裝箱底板替代材料的研發(fā),陸續(xù)開發(fā)了毛竹/落葉松、竹材/樺木和毛竹/馬尾松等集裝箱底板。研究發(fā)現(xiàn),采用合理的組合結(jié)構(gòu)和制備工藝,竹/木復(fù)合集裝箱底板的綜合性能,可與阿必通膠合板底板相媲美,是傳統(tǒng)硬闊葉樹材底板的理想替代產(chǎn)品。幾種竹/木復(fù)合底板的性能對比列于表2。2家具包的標(biāo)準(zhǔn)化和發(fā)展趨勢2.1集裝箱底板的性能要求長期以來,國際上尚無集裝箱底板的制作和使用標(biāo)準(zhǔn),生產(chǎn)中通常遵循以下原則:1)在靜載條件下,底板要按照最大裝載量的均布載荷進(jìn)行設(shè)計,并考慮5%裝載偏心的可能性;2)底板要與箱體的有關(guān)桿件連成整體,使整箱具有足夠的強(qiáng)度和剛度;3)底板具有韌性,能夠在一定程度上吸收震動和沖擊力等。2004年6月,GB/T19536-2004《集裝箱底板用膠合板》發(fā)布,并于2004年9月正式實施。標(biāo)準(zhǔn)中明確了集裝箱底板用膠合板的定義,規(guī)定了制作技術(shù)要求、試驗和檢測方法,規(guī)范了產(chǎn)品的標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等。為保證產(chǎn)品質(zhì)量、規(guī)范底板的生產(chǎn)和應(yīng)用,提供了依據(jù)。但是該標(biāo)準(zhǔn)僅針對木材膠合板為主的底板,能否適用于其他材料和結(jié)構(gòu)的底板,尚待進(jìn)一步驗證。2.2竹材是替代資源,其加工利用目前國內(nèi)一般特征我國是世界竹材資源最豐富的國家,與木材相比,竹子生長周期短,若能科學(xué)經(jīng)營管理和合理利用,竹材資源將是一種重要的替代資源。此外,我國在竹材加工利用方面的研究,處于世界領(lǐng)先地位。因此,竹材集裝箱底板的開發(fā)和推廣,將是我國和世界集裝箱底板發(fā)展的重要方向。但如何依據(jù)竹材特性,生產(chǎn)出性能優(yōu)良的集裝箱底板,并推廣應(yīng)用,筆者認(rèn)為還需在以下幾方面加強(qiáng)研發(fā)。2.2.1設(shè)計和研究方法現(xiàn)有的竹材集裝箱底板的研究,主要集中在制造工藝對產(chǎn)品性能的影響等方面,很少從復(fù)合材料力學(xué)的角度,對其進(jìn)行設(shè)計和研究。建議利用復(fù)合材料力學(xué)經(jīng)典層板理論、細(xì)觀力學(xué),復(fù)合材料粘彈性力學(xué)、損傷力學(xué)的研究方法,系統(tǒng)研究產(chǎn)品承受外載類型、破壞過程和破壞模式,與其承載能力之間的關(guān)系,為準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品的真實特性,預(yù)測產(chǎn)品的變化規(guī)律和使用壽命,提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和優(yōu)化產(chǎn)品,提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。2.2.2龍門山子料的自身密度減少箱體自身質(zhì)量,以增加貨運(yùn)量,是對集裝箱制造業(yè)提出的特殊要求。充分利用竹子自身密度高(0.7~1.2g/cm3)、強(qiáng)度高、耐磨性和韌性好的特點,結(jié)合木材或其他材料,制備既能滿足集裝箱底板的強(qiáng)度要求,又具有比傳統(tǒng)底板密度低或相當(dāng)?shù)牡装?是今后的重要研究方向。2.2.3竹材集裝箱底板的防腐為了防止集裝箱在流動過程中,裸露的底板傳播病蟲害,故必須對其進(jìn)行嚴(yán)格的防蟲、防腐等處理。底板防腐處理所用防腐劑,必須獲得澳大利亞檢疫檢驗局(AustralianQuarantineInspectionService,AQIS)的認(rèn)證。而一些防腐劑對人畜健康和生態(tài)環(huán)境會帶來不利的影響,甚至?xí)廴舅休d的貨物,因此,國際上對集裝箱底板用防腐劑提出了愈來愈嚴(yán)格的要求。目前,集裝箱底板的防腐處理,主要采用Tailieum400和Meganium2000等木材防腐劑。與木材相比,竹材含有更多的營養(yǎng)物質(zhì),如蛋白質(zhì)含量1.5%~6.0%,可溶性糖類約2%,淀粉類2.0%~5.2%,比木材更易腐朽、霉變和蟲蛀。因此,竹材集裝箱底板的防腐處理尤為重要。由于竹材和木材解剖構(gòu)造,以及竹材底板和木材底板結(jié)構(gòu)上的差異,木材底板防腐工藝不完全適用于竹材底板。因此,研發(fā)竹材底板