第二章 缓冲材料及其缓冲特性(运输包装)

运输包装食品科技学院刘冰运输包装第二章缓冲包装材料及其缓冲特性第一节常用缓冲材料1第二节缓冲材料的力学特性2第三节组合材料的力学特性3第四节缓冲效率和缓冲系数4第五节缓冲特性曲线5第六节缓冲材料的全面评价6运输包装第一节常用缓冲包装材料1塑料缓冲材料1.1分类按结构分泡沫塑料（还可按发泡方法细分，表6-5）气垫塑料薄膜。按塑料树脂分热塑性泡沫塑料（PE,PP,PS,PVC等）热固性泡沫塑料（PU,酚醛泡沫等）按发泡方法和工艺不同形成的孔结构分开孔闭孔混合型按泡孔现状分球形椭球形（椭球长度方向的压缩强度和弹性模量比短轴方向大2倍）运输包装按孔径分大泡孔（直径大于0.5mm)小泡孔（直径大于0.25mm)按泡沫密度分低发泡（密度0.4g/cm,气体与固体之比1.5）中发泡（密度=0.1-0.4g/cm,气体与固体之比为1.5-9）高发泡（密度0.1g/cm，气体与固体之比9）按泡沫体的硬度分硬质泡沫塑料（弹性模量700kPa)半硬质泡沫塑料（弹性模量在70-700kPa之间)软质泡沫塑料（弹性模量70kPa)33323⁰和50%RH条件下的弹性模量运输包装1.2EPS(发泡聚苯乙烯)优点：•抗压强度大，成本低，加工性能好（可制成带肋的复杂形状，节约成本）；•光滑的略带弹性的模塑表面不会磨损内装物；•振动阻尼大，即抗振性能好；•不吸水；耐腐蚀、耐油、耐老化；•隔热和绝缘性好；•可接触食品；•热敏感性低，2秒内可自熄；•抗蠕变性能极好；•重载下的缓冲性能好；缺点：•不耐冲击；性脆，拉伸强度低。•EPS无法自然分解，体积大，不易回收；焚烧时易烧坏焚烧炉部件，而且产生黑烟和一氧化碳等。欧盟禁用EPS寻求性价比与EPS相当的环保型缓冲出来是一大世界难题！运输包装1.3EPE(发泡聚乙烯)俗称珍珠棉，是一种低密度、半硬质的、闭孔结构的、耐候性好的、无毒的、耐腐蚀、阻水的和易回收的聚乙烯聚合物。优点：•缓冲性能好，能耐多次冲击，动态变形小；•抗拉强度高；•抗静电性能好；缺点：•比EPS贵；•不能模塑。应用场合：•较贵重和易碎产品的缓冲包装。运输包装1.4PU(发泡聚氨基甲酸脂）——简称聚氨脂，俗称人造海绵)优点：•极好的缓冲性能好，耐多次冲击，振动阻尼性能良好；•成型简单，可制成复杂形状，改变密度容易；•耐水、耐油、耐腐蚀；•复原性好；•回收容易。应用场合：•现场发泡，适合包装机械部件、仪器仪表、陶瓷器皿、玻璃制品等。运输包装1.5EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚橡胶制品)PEF(聚乙烯化学交联高发泡材料)优点：新型环保材料，具有良好的缓冲隔振性能、回弹性与抗张力高、韧性强、隔热、防潮、耐腐蚀、无毒、不吸水、成型加工容易；应用场合：•要求长期使用的包装。冷库保温材料、机器设备密封缓冲件、各种精密仪器、医疗刀具、量具的包装内衬等。EVA缓冲垫PEF内衬运输包装1.6EPDM(三元乙丙烯人造橡胶，俗称多孔橡胶)CR(氯丁橡胶)EPDM：具有卓越的耐侯型，耐臭氧，可在130⁰C下长期使用；能耐强酸、强碱、醇、氧化剂、洗涤剂、油、酮、酯和肼等化学药品的腐蚀；具有优异的耐水、过热和水蒸气的性能。CR：高档缓冲材料，防震、减震、耐候性、耐酸碱、阻燃性等性能较好。EPDMCR用于精密仪器、医疗设备的运输包装，电子产品的防汽防水包装。在机械建筑、电器、防水、防腐蚀、防震配件也被大量使用。运输包装1.7EPP(发泡聚丙烯，俗称拿普龙)优点：性能优于EPE和EPS，但价格高。●环保型（可回收利用、可自然降解）抗压缓冲隔热材料。●具有十分优异的抗震吸能性能、形变后回复率高、很好的耐热性、耐化学药品、耐油性和隔热性。●质量轻，可大幅减轻物品重量。●易成型（可选用模具成型、裁切成型、刀模冲压成型、粘贴成型）适用场合：运输包装1.8气垫塑料薄膜（两块塑料薄膜中间夹入空气热合而成）优点：●具有耐腐蚀、耐霉变、化学稳定性好、不易破碎、无尘、防潮、不吸水、透明、柔软而不磨损内装物、缓冲性能优良。适用场合：轻型复杂形状易碎产品的缓冲包装。运输包装1.9塑料薄膜悬挂缓冲包装采用高强度、高弹性、不易滑动的薄膜来定位产品，防止产品受到冲击和震动而发生损坏。优点：●适用于各种形状的产品包装。●包装可以折叠，减少储存空间，也无需专门的设备配合。●可重复使用，减少包装废弃物；●含有30%的可回收物料，可再生利用。适用场合：即可用于运输包装，又可用于销售包装。运输包装SealedAirCo.Korrvu悬挂式(suspension)缓冲包装用高强度、高弹性、高韧性、低滑动塑料薄膜，粘结在瓦楞纸板框架上，产品被夹在两个薄膜框架内。适合电子零部件包装的高性能保护技术。运输包装2纸制品缓冲材料2.1瓦楞纸板优点：环保、易裁切、易模切、易黏合、成本低、与瓦楞纸箱好协调、使用范围比泡沫塑料宽缺点：对产品表面有磨损，难形成三维曲面、湿度影响大、过载复原性差，多次跌落后缓冲能力下降1/3。适用场合：机电产品的缓冲包装很多香水、化妆品等都用微细瓦楞纸板做内衬运输包装2.2蜂窝纸板优点：具有环保、易黏合、与蜂窝纸箱好协调、使用范围宽。缺点：●对产品表面有磨损，难形成三维曲面、湿度影响大、过载复原性较差；●加工较难，不好模切；比瓦楞纸板贵。适用场合：运输包装2.3纸浆模优点：●废纸来源广泛、质轻、储运方便、成本低。●有一定的强度、刚度和缓冲性能。●可模塑成与产品轮廓一样的形状、集缓冲、定位、防撞于一身。●有良好的透气性和吸潮性；易于回收、环保。缺点：纸浆模制作受干燥、能耗等因素的影响，厚度受限制，不能用于重型产品。纸浆与泡沫塑料混合！适用场合：运输包装2.4纸浆发泡块利用粉碎后的废纸和淀粉混合、发泡、成型为具有多孔的小块作缓冲材料，缓冲性能优于EPS。优点：●缓冲性能极好。●环保、节约资源。缺点：运输成本高，适合就近生产适用场合：电子、仪器和敏感材料的缓冲包装运输包装2.5纸纤维成型材料（Pillowpack）利用废纸浆、渣浆等为原料，不经脱水和干燥辊而直接热风干燥制成的一种弹性好的缓冲材料。优点：●复原性好，纸面压花或制成瓦楞状其复原性更好。●环保、节约资源。缺点：运输成本高，适合就近生产运输包装第二节缓冲材料的力学特性在包装力学模型中，一般都把缓冲材料视为理想的弹性体，也就是在长时间反复振动和多次冲击下，它的弹性仍然均匀、无变化。实际缓冲材料的弹性，从它们的力—形变曲线来看是相当复杂的。1．线弹性材料。这类缓冲材料的力—形变曲线呈直线性。如果用F表示作用在材料上的力，以x表示在力F作用下引起的形变，则F与x的关系可用下式表示：式中k是缓冲材料的弹性系数。运输包装如果以A表示垂直于外力F的材料截面积。T表示材料未受力的起始厚度，则线弹性材料的弹性特性也可表示为：式中E是缓冲材料的弹性模量。从上式可以看出，k或E越大，则要使材料发生同样的x或ε所需的F或σ也越大。这种情况对应的缓冲材料呈刚硬态。反之，k或E越小，表明材料容易形变，在很小的F或σ下可以产生很大的x或ε，这种情况对应的缓冲材料呈流体态。实际上严格说具有线弹性性质的材料是极少的，线弹性材料意味着在使用范围内力-形变关系遵守虎克定律，也就是使用范围未超出线弹性，或者说是线弹性范围较大的材料。运输包装2．正切型弹性材料。这类缓冲材料的力-形变曲线呈正切函数型，如图所示。力F与形变x的函数关系可用下式表示：式中k0为曲线在x→0时的斜率，称初始弹性系数；db为材料的形变极限，在x→db时F→∞。具有正切函数型性质的缓冲材料很多，如泡沫橡胶、棉花、乳胶海绵、碎纸、涂胶纤维以及预压后的聚苯乙烯泡沫塑料等等。运输包装3．双曲正切型弹性材料。这类缓冲材料的力-形变曲线呈双曲正切型。力F与形变x的函数关系可用下式表示：式中k0为曲线的初始弹性系数；F0为x→∞、F→F0时，力F的极限值。从上式可知，在形变x允许的范围内，不论x怎么增大，F或σ始终被限制在规定范围内。如果选用这种材料作缓冲包装材料，在冲击过程中，传递到内装产品上的力可被限制到小于产品本身的承受能力，起到保护产品的目的。运输包装4．三次函数型弹性材料。这类缓冲材料的力-形变曲线呈三次函数型，如图5-4所示。力F与形变x之间的函数关系可用下式表示：式中k0为初始弹性系数，γ是弹性系数增加率。这类弹性材料的特性，从力-形变曲线可以看出，与线弹性材料相比，其不同处在于当变形增加时，随着弹性系数增加率γ的正负性不同，曲线方向成为向上或向下的。吊装弹簧结构、木屑、塑料丝、涂胶纤维等材料属于这一类弹性体运输包装5．不规则型弹性材料。这类缓冲材料不符合以上4种函数特性，其力-形变曲线很难用一个数学公式来表达，大部分高分子发泡材料属于这类弹性体，为了区别起见，把这类弹性体材料暂时归为一类，称作不规则型弹性材料。运输包装第三节组合材料的力学特性一、缓冲材料的叠置设两种材料组合后的结构是立方体，受力面面积均为A，原始厚度分别为T1、T2、T=T1+T2,材料受力方向垂直于受力表面。1．线弹性材料。设原始厚度分别为T1、T2的两种线弹性材料的弹性模量分别为E1、E2，在外力F作用下产生的变形分别为x1、x2，组合的等效弹性模量分别为E和x。注：两种材料受力相同运输包装假设两种线弹性材料的弹性模量不同，且有E1E2，由上式＞即EE2＜即EE1E2EE1运输包装2．非线弹性材料。在外力作用下，两种非线弹性材料同时变形，形变量x等于各自形变量之和，式中：ε1、ε2分别为两种材料各自的应变；α、β分别为两种材料各自的厚度占总厚度的比值，故存在α+β=1。运输包装曲线（1）和曲线（2）分别为两种非线弹性材料的应力—应变曲线，叠置组合的应力—应变曲线可按如下方法得到。首先在图线上连接同一应力坐标下曲线（1）和曲线（2）上的对应点，得线段aaˊ，bbˊ，ccˊ，……，将各线段按α：β的比例分割，把各分割点联成平滑的曲线，也就是组合后的应力—应变曲线。运输包装二、缓冲材料的并列设两种材料组合后的结构是立方体，原始厚度都为T，受力面积分别为A1、A2，A=A1+A2，材料受力方向垂直于受力表面。1.线弹性材料。设受力面积分别为A1、A2的两种线弹性材料的弹性模量分别为E1、E2，组合的等效弹性模量为E，在外力F作用下，两种材料受力分别为F1和F2，则注：受外力作用时，两种材料有相同的形变。运输包装EA=E1A1+E2A2或假设两种线弹性材料的弹性模量不同，且E1E2，E＞E＜E2EE1运输包装2.非线弹性材料。曲线（1）和曲线（2）分别为两种材料的应力—应变曲线，并列组合的应力—应变曲线可按如下方法求得。联接同一应变坐标下曲线（1）和曲线（2）上的对应点；得线段aa′，bb′，cc′……，依据（5-18）式，将各线段按β：α的比例分割，把各分割点联结成平滑的曲线，这就得到了组合后的应力—应变曲线。运输包装结论：⑴组合设计的缓冲效果，其对应的等效弹性模量与两种原始材料的弹性模量有关，数值大小介于两者之间。组合后的应力—应变曲线介于两种原始材料的应力—应变曲线之间。⑵等效弹性模量的大小与两种原始材料的结构尺寸有关，通过改变原始材料的结构尺寸有关，可以使等效弹性模量的数值在取值范围内连续变化。运输包装第四节缓冲效率和缓冲系数一、缓冲效率缓冲包装材料非线性变形曲线运输包装假设缓冲材料是立方体，受力面垂直于外力F，原始厚度为T。缓冲材料在力F作用下的变形能E为：缓冲效率：压缩状态下单位厚度的缓冲包装材料所吸收的能量（E/T)与压缩载荷之比。理想缓冲效率：压缩变形极限时，缓冲包装材料单位变形量所吸收的能量(E/db)与压缩载荷之比。运输包装缓冲材料的结构需要满足：单位体积的吸收能要大材料给予内装产品的作用力要小因此，要求缓冲效率要大。运输包装二、缓冲系数缓冲系数是表示缓冲材料特性的一个重要参数，对于非线性缓冲材料，在设计其使用尺寸时，广泛利用材料的缓冲系数进行。缓冲系数与缓冲效率互为倒数关系运输包装运输包装缓冲系数的物理意义：缓冲材料的应力与该应力下单位体积缓冲材料吸收的能量之比。材料应力应变曲线下的曲边三角形的