木制包装是指以木材制品和人造木材板材(如胶合板、纤维板)制成的包装的统称。其主要木制容器有:木箱、木桶、木匣、木夹板、纤维板箱、胶合板箱,以及木制托盘等。木制包装一般适用于大型的或较笨重的机械、五金交电、自行车,以及怕压、怕摔的仪器、仪表等商品的外包装。包装木材的种类繁多,其用途也各不相同,概分为天然木材和人造木材两大类。
木材作为包装材料具有悠久的历史,现在虽然出现了许多优质的材料但由于木材具有很多优点,如分布广,可以就地取材,质轻且强度高,有一定的弹性,能承受冲击和震动的优点,容易加工,具有很高的耐久性且价格低廉等,因此在现今的包装工业中仍然占有很重要的地位。
木材也有一定的缺点,如组织结构不匀,备向异性,易受环境温度、湿度的影响而变形、开裂、翘曲和降低强度,易于腐朽、易燃、易被白蚁蛀蚀等多种毛病。不过这些缺点,经过适当的处理可以消除或减轻。为了更好地使用和利用木材,充分发挥其优点,就必须对木材的结构与性质有一个基本的了解。
一、木材的构造
木材的构造是决定木材性能的重要因素,为了掌握木材的性能,必须了解木材的构造。因此研究木材的构造是决定木材的合理使用的重要手段。
用肉眼或放大镜来观察木材的构造是不均匀的,必须从不同方向进行观察其特征,才能了解木材的性能。一般采用的横切面、径切面、弦切面等三个基本切面来观察和研究。
横切面是垂直于树轴的剖面。在横切面上可以看到树皮、形成层、木质部、年轮、导管、脂道、髓心、髓线、心材、边材等。
与树轴平行的剖面为纵切面。通过树轴的纵切面为径切面,又称辐射面。不通过树轴的纵切面称为弦切面。
二、木材的物理性质
木材的使用质量,主要决定于它的物理、力学、化学和工艺等性质。这些性质中起主要作用的是物理性质,尤其是它的吸湿性。几乎木材的所有性能,都受到木材含水量的影响。
木材的主要物理性质有外观、吸湿性、变形、含水量、重量等。
1.外观
各种树木的木质都具有一定的颜色、纹理、声音和气味。如受到年龄、生长环境、虫害、外伤等的影响,虽会改变木材的原有特征,但仍可由木材的外观粗略地鉴别木材的树种和品质,也对包装设计有一定的影响。
(1)颜色。每种树木具有特定的颜色,从它的颜色可以识别木材的树种和品种。一般木材的颜色,心材比边材深,夏材比春材深。所以木材的颜色在一定程度上可以反映木材的密度、强度和耐久性。
(2)纹理。针叶木材具有均匀而简单的纹理,阔叶树木材则随着树种而具特有的纹理,所以纹理是选用木材的条件和作为识别木材树种的方法之一。例如松、杉、水曲柳、麻栎等树种的统切面和械、山毛榉等树种的径切面都有美观的纹理,最适于做精致的包装木箱。
(3)声音。木材传声性很强,干燥的木材和沿木材的顺纹方向传声性更好。敲击木材时,如声音清晰、响亮的多是干燥而坚实的木树。木材含水量增加或木材密度减小,其声音都要减弱。腐朽的木材只能发出暗哑的声音。
(4)气味。木材是由天然有机化合物组成的,其中某些化合物,如树脂、油脂、丹宁等挥发性的化合物,都能发出特有气味。备树种所含的化合物并非相同,因而从木材的气味可以区别其树种。新伐木材的气味最大,随木材干燥和储存时间长而减弱。当木材丧失改变了固有的气味时,即说明木材已经变质,如发出霉腐气味,则木材早已腐朽。
2.变形
水分在木材中的传播速度在不同方向上是不一致的,顺纤维方向最快径向次之,弦向最慢。此外,水分还随着木材的致密度降低而增高。从木材的构造上看,边材中的水分常比心材中的变动得快。这样木材在干燥过程中,备部分干燥速度就不同,而且木材细胞的体积又随着含水量的增减而胀缩,从而木材备部分体积的变动很不一致,因此极易引起木材的变形,甚至由于应力的增长而开裂。这一点对包装设计来说是应该注意的。
三、木材的力学质量
木材的主要力学性质是抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、硬度、弹性模量等。
(1)抗压强度。根据受力方向与木纹的关系,可将木材的抗压强度分为顺纹和横纹抗压强度。横纹抗压强度又分为径向和弦向抗压强度。
木材顺纹抗压强度极限大且较稳定是木材使用的主要形式,其抗压强度极限为30-70MPa。顺纹抗压件的破坏,主要由于细胞壁被压,失去稳定性而弯曲,使木质纤维挠曲甚至折断。木材横纹抗压强度极限远小于顺纹抗压强度极限。
(2)抗拉强度。木材顺纹抗拉强度较抗压强度大2~3倍,通常可达100-500MPa。由于抗拉制品端部接合处受到拉力时,常先破坏于横纹受压或剪切,因而目前尚无法充分利用木材的顺纹抗拉强度。
横纹抗拉强度极小,约为顺纹抗拉强度的1/4-1/2,横纹木材通常不能用来制作承担横纹受拉的包装制品。
(3)静力抗弯强度。木材具有优良的静力抗弯强度。一般木材的静力抗弯强度极限为50-110MPa,为顺纹抗压强度极限为1.5-2.0倍。当木质制品承受抗弯静力时,由于其抗拉强度极限大于抗压强度极限,制品的受压区域首先发生皱折,然后在拉力区折裂。
(4)冲击弯曲强度。木材是很好的抗冲击弯曲的材料,常用于承受横向冲击载荷的制品。凡舂材与夏材区别明显的树种,其径向冲击弯曲强度比弦向高。阔叶树中的散孔材,其两个方向的冲击弯曲强度无甚差别。
(5)抗剪强度。木纹对木材的抗剪强度有极大的影响,顺纹抗剪强度受年轮方向影响不大,而具有粗大髓线的树木,则弦向的抗剪强度较径向的大10%-30%。顺纹抗剪强度极限一般为4-15MPa为抗压强度极限的15%-25%。
(6)硬度。木材的硬度也是随纹而不同,如针叶树横切面的硬度较纵切面硬度约大35%,阔叶树约大25%。一般树种径切面和弦切面的强度大致相同,但具有粗大髓线的树种其弦切面的硬度大5%-10%。
四、木材的工艺设计性能
木材在采伐和造材方面较其他材料要方便得多,而且木材容易切削加工,只需要使用简单工具,即可制成精细的制品。一般木材具有以下主要工艺性质特点。
(1)握钉力。握钉力或称持钉力和裹钉力,是木材优良的工艺性质因此常用钉、粘等方法连接成木制品。木材握钉力是因木材纤维为了钉子所挤压或切断,使木材对钉子产生压力的结果。
木材纤维的方向对握钉力有重要的作用,平行纤维方向的握钉力约小于垂直方面的25%,弦向和径向的握钉力则相差不大。此外,握钉力还随树种、容重和容水率而变。通常阔叶树比针叶树的握钉力大,紧密、干燥和容重较大的木材比较软、潮湿和容重小的握钉力高。钉子尺寸、种类也影响木材的握钉力,如木材对大钉的握钉力大于小钉,方钉大于圆钉,螺丝钉大于普通钉。
(2)抗劈裂性。木材顺纹容易劈裂,是木材的特性,衡量木材的抗劈裂性,通常是以单位长度能承担的最大静力劈裂载荷为依据。木材的抗劈裂性,对握钉力有较大的影响,还对木材砍劈加工带来困难。
(3)弯曲能力。木材的弯曲能力是制造弯曲和弧形木质制品的主要依据。木材弯曲能力主要决定于木材的塑性,以阔叶树的环孔材塑性最好,如柳、榆、水曲柳等树种的弯曲能力最高;散子材次之;针叶树最差,如红松、白松的弯曲能力最差。
五、人造板材
为了节约和综合利用木材,人造板材是一条重要途径。人造板材除胶合板外,所使用的原料均系木材采伐过程中的剩余物,使树枝、截头、板皮、碎片、刨花、锯木等废料都得到利用。
1.胶合板
胶合板由原来旋切成薄木片,经选切、干燥、涂胶后,按木材纹理纵横交锚重叠通过热压机加压而成。层数均系奇数,有三层、五层、七层乃至更多的层次。
由于胶合板各层按木纹方向相互垂直使各层的收缩与强度可相互弥补,避免了木材的顺纹和横纹方向的差异影响,使胶合板不会发生翘曲与开裂等变化。
包装轻工、化工类商品的胶合板,多用酚醛树脂或脉醛树脂作粘合剂,具有耐久性、耐热和抗菌等性能。包装食品的胶合板,多用谷胶和血胶作粘合剂,具有无臭、无味等特性。
2.纤维板
纤维板的原料有木质和非木质之分,前者是指木材加工后的下脚料与森林采伐剩余物,后者是指蔗渣、竹、稻草、麦秆等。这些原料经过制浆、成型、热压等工序制成的人造板,叫纤维板。
纤维板板面宽平,不易裂缝、不易腐朽虫蛀,有一定的抗压、抗弯曲强度和耐水性能,但抗冲击强度不如木板与胶合板,适宜于做包装木箱挡板和纤维板桶等。纤维板有硬质与软质两种,包装纤维板为硬质纤维板,分一、二、三等,软质纤维板结构疏松,具有保温、隔热、吸音等性能,一般做包装防震衬板等用。
3.刨花板
刨花板又称碎木板或木屑板。原木加工成包装箱时,木材的利用率仅为38%左右,尚有62%不能充分使用,其中锯末占15%,刨花占17%,边角碎木占29%。刨花板就是利用碎木、刨花经过切碎加工后与胶粘剂(各种胶料、人工树脂等)拌合,再经加热压制而成的。它的板面宽、花纹美丽没有木材的天然缺陷,但易吸潮,吸水后膨胀率较大,且强度不高,一般可以作为小型包装容器,也可以作大型包装容器的非受力壁板。