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包装工艺的理论基础第一章包装工艺的物理学基础第一节产品的物理机械性质特征分析一、产品的材料构成第一章包装工艺的物理学基础1、产品的成分与结构（1）产品成分产品成分是指构成产品原材料的分子或原子的各种元素、化合物、聚合物、混合物等的名称与数量。显然产品成分是影响产品物理性质的主要原因之一。（2）产品结构A产品的微观结构，产品的微观结构是指产品原材料成分的结构，即分子、原子结构。B产品的宏观结构，即外观结构和表面形状。二、产品物理特征物品在某种性质改变时，不涉及到物质分子或晶体化学组成的改变，该性质为物理性质。产品在机械运动过程中引起其性质改变的特性，实际上是物理性质的一部分。机械运动是指物体之间或物体内各部分之间相对位置发生变化的过程，它是最简单、最普遍的运动形式。而各种复杂运动如化学运动、生命现象中所包含的相对位置变化，不能简单地归结为机械运动。产品的机械性质主要包括产品的材料属性、力学性质、结构、形状等特性。例如尺寸、质量、硬度、韧性、固有频率等都属于机械性质。产品的物理特征分为：1物理易损性（1）表面粗糙度（2）冲击与振动脆值（易损度）：G许用脆值[G]（3）外界场强冲击与产品脆值脆值：产品不发生物理的和功能的损伤所能承受的最大加速度值，以G表示。（1）包装件的质量与跌落高度包装件质量(kg)跌落高度（cm）108010~256026~504551~753576~10030(电子工业部、上海仪表电讯工业局)脆值标准脆值产品举例15～24导弹导航系统、精密校验仪器、惯性导航平台、陀螺25～39机械振动测试仪表、真空管、电子仪表、雷达40～59航空附属仪表、电子记录装置、示波器、精密机械零件60～84电视机、航空仪表、某些固体电器85~110电冰箱、机电设备110以上机器、飞机零件、控制台、液压传动装置2强度与易碎性易碎品,精密品,坚固品3材料相容性4结构特征及可拆卸性5载荷类型易装载荷品,难装载荷品,中等载荷品6产品成本三态变化挥发与干缩、溶解与风化、熔化与凝固渗透与渗漏机械性质机械损伤、尺寸精度、形状位置精度、装配精度、光泽度、抗震强度、脆值等导热性与耐热性场强变化电场、磁场、辐射场对特殊产品的影响光学性质透明度、透光度、感光度三、产品在流通过程中的物理变化1挥发与干缩（1）挥发的定义与机理。挥发是指液态、液化的气态或固态物质，如汽油、石油液化气、樟脑等，在常温下转变为气态的现象。它是由于物质表面分子比较活跃，引起表面蒸汽压大于相邻气体压力，从而造成了物质表面分子不断地散发到相邻气体中去的结果。（2）挥发速度。挥发速度与物质表面蒸汽压的大小有关，而蒸汽压又与物质本身的沸点、环境温度、湿度、相邻气体的流动速度以及相互接触面积等因素有关。总之，表面蒸汽压与相邻气体压力差越大、环境温度越高、相对湿度越小、相邻气体流动速度越快、接触面积越大，则挥发速度就越快。产品的挥发一方面会使其质量减轻，严重时会产生干缩（如油漆挥发），这样会造成品质发生变化或丧失使用性能；另一方面某些挥发出来的气体具有毒性，或与空气混合而易燃易爆。这类产品需要密封包装以防止挥发，同时在储运、装卸过程中也要防止由于容器机械性质原因造成破损而引起渗透、泄漏和溢出等事故。2溶解与风化（1）溶解与溶化。溶解是指某种物质分散于另一种物质中成为溶液的过程。溶质溶解在水或潮湿空气的水分中，即固体物质溶成为水溶液的过程，通常称为溶化。溶化与水解不同，水解是指物质与水发生了化学反映。水解属于化学变化。（2）溶化因素产品溶化现象与产品的吸湿性能、水溶性能及吸湿点有关，吸湿性表征产品吸收和放出水分的性质，它影响着产品的隔绝性、卷曲性和产生气泡等物理性能。水溶性表征产品溶解于所吸收水分而成为液体的性质，吸湿点是指产品在一定的温度和压力下开始吸湿的相对湿度值。若压力恒定，随着环境温度升高，吸湿点会逐渐下降，使产品易于吸湿溶化。产品溶化性能除与气压、温度、湿度、贮存时间等外部环境条件有关外，还与自身的材质、成分、结构、形状和性质等内在因素有关。材质越疏松，表面越粗糙，且内部含有类似毛细孔状结构的产品，其吸湿性和溶化性能就越强，反之亦然。3熔化与凝固熔化:是指产品受热后从固态转变为液态的过程.凝固:当液态产品受冷由液态开始出现结晶，最终凝聚成固态产品的过程。溶化与凝固现象伴随着产品吸热与放热的过程。显然这种现象的发生与温度环境密不可分。此外这一现象还与产品的熔点有关。某些食品、药品或日用化工产品，如冰淇淋类等，这类产品熔化后再凝固能给生产、加工处理或回收利用等带来不方便，但作为产品在流通和存储过程中如果因环境影响而发生熔化而造成产品与产品之间，产品与包装品之间产生粘连，就会破坏产品外表形状、尺寸，使产品流失、损耗或造成对环境的污染。因此，这类产品应采用密封性、隔热性能好的包装工艺。另外，有些产品如新鲜果蔬类食品、药用生物制剂、化工产品等还需预防冻结和凝固现象的发生，这类产品应针对各自的特点采取防冻结或防凝固技术与包装工艺措施来保护产品。4、渗漏与渗透渗漏主要指气态、液态或粉粒状固态产品由于包装品材质或封口质量等原因造成在储运过程中的渗出、泄漏现象。（1）渗漏的实质。渗漏主要指气体和蒸汽通过材料的不连续点，例如裂缝、微孔及表面的微小间隙泄露出来，它是对流和扩散两种作用共同造成的结果。对流是指液体或气体各部分之间由于温度、压强或密度不均匀引起强制和循环流动并相互掺和，使其趋于均匀的过程。扩散是指气体、液体或固体物质由于浓度差、温度差或压力差引起的物质迁移现象。它可由一种或多种物质在气相、液相或固相内或不同相间进行。（2）渗漏原因。引起渗漏的主要原因是由于包装品加工质量差，另外有些产品由于材质原因，在流通和装卸过程中受到外力的作用产生破损、裂纹等。有时内装物是气体、液体或部分易挥发性固体产品时，因环境温度变化引起三态变化，从而导致产品体积膨胀或气化使包装品内部压强增大而损坏。有些液态产品在低温或冻结时发生体积膨胀造成包装品破裂等。2渗透是指气体或蒸汽直接溶进包装材料的一侧表面，通过向材料本体的扩散，并从另一侧表面解吸的过程。渗透现象是由分压梯度引起的。渗漏和渗透作用在所有包装中都存在，其中渗漏属于宏观作用，而渗透是微观作用，不容易用肉眼发觉。有时为了简化计算与设计可以忽略其中次要作用者。总之，无论是渗漏还是渗透现象，当超过一定程度时都会引起产品质量发生变化、重量流失或对环境造成污染与灾害。采用防渗漏防渗透包装对干易燃、易爆、有毒产品尤为重要。5、导热与耐热性变化导热性是指产品传递热能的性质。耐热性指产品在受热时，仍能保持其物理机械性能及使用性能的性质。影响导热性的主要因素是产品的材质成分、结构形式、加工方法、形状尺寸等。影响耐热性的主要因素除了产品自身的导热性因素和膨胀系数外，还有环境因素，如湿度、气压、通风条件等。一般讲产品导热性好而膨胀系数小，则耐热性好，抗温度变化能力强，反之则耐热性差、抗温度变化能力差。有些产品，例如金属材料，由于其导热性、耐热性良好，可以露天存放，而导热性和耐热性差的粮食、橡胶制品等就不能在烈日下暴晒，也不应在湿度和温度过高的环境中储存，否则会因受热受潮而变私、变质或加速老化与霉变。另外有些液体产品在低温或寒冷环境下会凝固或受冻结冰而产生体积膨胀，如果采用遇冷体积收缩、且延伸率极低或无延伸率的玻璃、陶瓷等容器作包装品时，双方作用的结果则使包装品受张力而产生破损。6、电磁性质变化场强变化一般指电场、磁场、电磁场、静电场、辐射场等强度的变化。由于产品的材质结构及性能不同，外界场强的变化超过一定限度时就会对某些特殊产品造成损坏或影响其使用功效。对于诸如危险品、精密电子产品、军用品以及高技术产品等，对场强有特殊要求的产品，包装设计人员必须检测出它们对外界场强的感度并采取有效的屏蔽或抗场强变化技术，以保护元器件或整机的可靠性能和使用寿命。静电放电(ESD)已成为电子工业的一个公认的问题，它能导致许多产品损坏。有些电子元器件很容易受静电场的影响，还有一些电子元器件易被电磁干扰和射频千扰所损坏。静电敏感类产品使用塑料包装品包装时，静电消散可采取静电屏蔽的方法。为了避免静电场对电或非电设备的影响，或为了避免电器设备的静电场对外界的影响，需要把这些设备放在接地的封闭或近乎封闭的金属罩壳里。所采用的这种措施叫静电屏蔽。电磁屏蔽就是为了避免外界电磁场对电或非电设备的影响，或为了避免电器设备的电磁场对外界的影响，把这些设备放在封闭或近乎封闭的软磁金属材料制成的外壳内。软磁金属是磁性合金或金属的一类，它具有高导磁率和低矫顽力与磁滞损耗。7、光学性质变化光对产品的影响主要取决于光的强度以及材料的透明度等。透明度是指材质透过光线的能力。根据产品的透光程度大致可分为三个等级:透明、半透明和不透明。产品的透明度除与材质的透光系数有关外还与材质的结构形状、吸光、反射、折射及色散程度有关。在实际包装应用中，一部分产品需要高透明度的包装品，因为这样可使消费者清晰地看到产品，增强促销能力。包装这类产品的玻璃、塑料容器或纸张与薄膜等则要求具有高度均匀的透光性。某些药品、化工制品、生物制品等为了增加保护性、延长货架寿命则需要使用不透明，半透明或具有一定折射率和色散率并具有高度均匀性和在一定波长范围内具有透光选择性的包装品进行包装。有时为了提高包装装满效果也使用不透明的薄膜或纸张，例如深褐色的半透明包装品可作为防止紫外线辐射的阻隔层，使其内装食品或药品保持新鲜;也可以在某些材质的纸张或薄膜中加入二氧化钛等颜料制成不透明的包装品以提高光泽度。第三节机械环境条件与被包装产品破损产品储运即产品流通。流通中产品的损坏是包装业中长期存在的问题之一，也是包装业发展的主要动力之一。产品在经由公路、铁路、水路和空中运达销售地的过程中大都几经周折，并反复进行吊运、装卸和变换运输工具，其中有机械化操作，也可能有人工帮助完成。在这些复杂的装卸、存储与运输环节中，产品或包装件受到的力学方面作用是多种多样的。人们很难或不可能堆确地预计产品或包装件将会发生什么样的机械性损伤。通过大量的调查研究，归纳起来流通中产品的机械损坏如表1-1所示。表中所列情况主要分为装卸、运输和仓储三方面的损伤。统计结果表明引起产品和包装件在流通中产生损坏的力学因素中，最主要的因素是冲击和振动所造成的损坏。表1-1一、机械性环境条件对包装件的影响1冲击对被包装件的影响装卸损坏主要包括包装件之间的碰撞以及包装件与非包装件(如地面、厢壁等)之间的碰撞，其中垂直向下的碰撞称为跌落。力学上把跌落或碰撞引起的作用叫冲击。它会使物体在极短的时间发生极大的速度变化或瞬态的能量变换，导致加速度急速增加。(1)装卸：人工装卸。人工装卸时，质量在l0kg以内的包装件可能被抛掷，其跌落高度会超过lm.当包装件质量在24-30kg时，容易实现轻拿轻放。当质量超过60kg时，需要较强的劳动力才能搬运，往往会产生翻滚，棱、角、面跌落或碰撞，也可能从工人肩上、手中跌落。据测定，人工装卸时产生的冲击加速度通常在l0g(g为重力加速度，g=9.81m/s2，下同)左右，有时超过l00g。冲击加速度的大小与跌落高度、缓冲性能及地面的弹性程度有关。机械装卸。包装件质量超过90kg时一般用机械装卸。正常情况下机械设备如叉车、吊车等作业时发生跌落的高度低于人工装卸作业的高度，因此冲击加速度也较小。装卸损坏形式：碰撞、跌落、冲击、翻滚、抛掷等主要影响因素：包装件质量、作业方式及设备、包装件尺寸作业内容加速度垂直左右前后上升起动1.7－－下降起动0.2－0.3下降结束0.4～1.00.1～0.20.4～0.8叉车装卸冲击加速度（2）运输运输损坏指包装件在运输期间所遇到的损坏。实际上无论使用何种运输工具，包装件损坏主要是由于振动和冲击造成的。铁路运输铁路货车运输过程中由干路基和铁轨接头等的作用会产生周期振动。振动中产生的加速度与行驶速度以及货车支承处的缓冲器有关。振动频率主要在2-50Hz之间，并且存在谐振峰。铁路运输中的冲击主要由货车的编组连挂、加速、减速、刹车或急刹车等引