第二章 緩沖材料及其緩沖特性(運輸包裝)

1、運 輸 包 裝 食品科技學院(xuyun) 劉冰共六十四頁第二章 緩沖(hunchng)包裝材料及其緩沖(hunchng)特性第一節(jié) 常用緩沖材料1第二節(jié) 緩沖材料的力學特性2第三節(jié) 組合材料的力學特性3第四節(jié) 緩沖效率和緩沖系數(shù)4第五節(jié) 緩沖特性曲線5第六節(jié) 緩沖材料的全面評價6共六十四頁第一節(jié) 常用(chn yn)緩沖包裝材料1 塑料緩沖(hunchng)材料1.1 分類按結構分 泡沫塑料（還可按發(fā)泡方法細分，表6-5） 氣墊塑料薄膜。按塑料樹脂分 熱塑性泡沫塑料（PE,PP,PS,PVC等） 熱固性泡沫塑料（PU,酚醛泡沫等）按發(fā)泡方法和工藝不同形成的孔結構分 開孔 閉孔 混合型按泡孔現(xiàn)

2、狀分 球形 橢球形（橢球長度方向的壓縮強度和彈性模量 比短軸方向大2倍） 共六十四頁按孔徑分 大泡孔（直徑(zhjng)大于0.5mm) 小泡孔（直徑大于0.25mm)按泡沫密度分 低發(fā)泡（密度0.4g/cm ,氣體與固體之比1.5） 中發(fā)泡（密度=0.1-0.4g/cm , 氣體與固體之比 為1.5-9 ） 高發(fā)泡（密度9）按泡沫體的硬度分 硬質(zhì)泡沫塑料（彈性模量700kPa) 半硬質(zhì)泡沫塑料（彈性模量在70-700kPa之間) 軟質(zhì)泡沫塑料（彈性模量E2，由上式 即 EE2 即 EE1 E2EE2，E E E2EE1 共六十四頁2.非線彈性材料。曲線（1）和曲線（2）分別(fnbi)為兩種

3、材料的應力應變曲線，并列組合的應力應變曲線可按如下方法求得。聯(lián)接同一應變坐標下曲線（1）和曲線（2）上的對應點；得線段aa，bb，cc，依據(jù)（5-18）式，將各線段按：的比例分割，把各分割點聯(lián)結成平滑的曲線，這就得到了組合后的應力應變曲線。共六十四頁結論：組合設計的緩沖效果，其對應的等效彈性模量與兩種原始材料的彈性模量有關，數(shù)值大小介于兩者之間。組合后的應力應變曲線介于兩種原始材料的應力應變曲線之間。等效彈性模量的大小與兩種原始材料的結構尺寸有關，通過改變原始材料的結構尺寸有關，可以使等效彈性模量的數(shù)值在取值范圍(fnwi)內(nèi)連續(xù)變化。共六十四頁第四節(jié) 緩沖效率(xio l)和緩沖系數(shù)一、緩沖

4、(hunchng)效率緩沖包裝材料非線性變形曲線共六十四頁 假設(jish)緩沖材料是立方體，受力面垂直于外力F，原始厚度為T。緩沖材料在力F作用下的變形能E為： 緩沖效率(xio l)：壓縮狀態(tài)下單位厚度的緩沖包裝材料所吸收的能量（E/T)與壓縮載荷之比。理想緩沖效率：壓縮變形極限時，緩沖包裝材料單位變形量所吸收的能量(E/db)與壓縮載荷之比。共六十四頁 緩沖(hunchng)材料的結構需要滿足： 單位體積的吸收能要大 材料給予內(nèi)裝產(chǎn)品的作用力要小因此，要求緩沖效率要大。 共六十四頁二、緩沖(hunchng)系數(shù) 緩沖系數(shù)是表示緩沖材料特性的一個重要參數(shù)，對于非線性緩沖材料，在設計(shj

5、)其使用尺寸時，廣泛利用材料的緩沖系數(shù)進行。緩沖系數(shù)與緩沖效率互為倒數(shù)關系共六十四頁共六十四頁緩沖系數(shù)的物理意義：緩沖材料的應力與該應力下單位體積(tj)緩沖材料吸收的能量之比。材料應力應變(yngbin)曲線下的曲邊三角形的面積共六十四頁第五節(jié) 緩沖(hunchng)特性曲線靜態(tài)緩沖特性曲線一動態(tài)緩沖特性曲線二 材料的緩沖系數(shù)是通過(tnggu)試驗測得的，通常使用的方法有靜態(tài)壓縮試驗方法和動態(tài)壓縮試驗方法。得到的曲線分別為靜態(tài)緩沖特性曲線和動態(tài)緩沖特性曲線。共六十四頁評價(pngji)緩沖包裝材料的靜態(tài)緩 沖特性緩沖系數(shù)應力(yngl)曲線應力應變曲線力變形曲線緩沖系數(shù)變形能曲線緩沖系數(shù)應

6、變曲線一、靜態(tài)緩沖特性曲線 在材料的應力-應變曲線取不同的點，有不同的最大應力，不同的最大應力又有不同的緩沖系數(shù)。因此，緩沖系數(shù)不是常數(shù)，而是最大應力的函數(shù)，這個函數(shù)的曲線稱為緩沖系數(shù)最大應力曲線。共六十四頁（一）靜態(tài)(jngti)壓縮試驗壓力(yl)試驗機采用在緩沖包裝材料上低速施加壓縮載荷的方法而求得緩沖包裝材料的靜態(tài)壓縮特性及其曲線。 試驗原理1、試驗原理共六十四頁試樣的制作與處理 試驗前24h以上的溫濕度調(diào)節(jié)處理 抽取試樣每組不小于5個 試樣的大小直方體形狀，面積(min j)不小于10cm*10cm，厚度不小于2.5cm2、試驗(shyn)方法共六十四頁 在電子萬能材料試驗機上以（1

7、23）mm/min的速度(sd)沿厚度方向?qū)υ嚇又饾u增加載荷。靜態(tài)(jngti)壓縮測試方法共六十四頁測量并記錄(jl)壓縮應變及其增量測量并記錄與應變對應的壓縮應力(yngl)及增量計算變形能增量e及壓縮應力對應的變形能e計算 /e，得到緩沖系數(shù)CC曲線、Ce曲線、C曲線3、繪制曲線共六十四頁（二）靜態(tài)(jngti)緩沖特性曲線緩沖系數(shù)(xsh)C最大應力m曲線共六十四頁二、動態(tài)(dngti)緩沖特性曲線動態(tài)試驗過程(guchng)中，機械能守恒，則：緩沖系數(shù)： 其中：共六十四頁 在H和h取定后，Gm和 都只是 的函數(shù)，上面這個參數(shù)方程建立了Gm和 之間的函數(shù)關系，方程的曲線稱為最大加速度靜

8、應力曲線。 在繪制(huzh)最大加速度靜應力曲線時，先要固定跌落高度，取不同的襯墊厚度建立參數(shù)方程，每取一個襯墊厚度，就有一個對應的曲線，在同一跌落高度下，曲線是一個曲線族。取不同的跌落高度繪出的曲線族是不同的。 共六十四頁 已知材料的緩沖系數(shù)最大應力曲線，就可以繪出最大加速度靜應力曲線，反之亦然。兩者可以互相變換。 一種(y zhn)材料只有一條緩沖系數(shù)最大應力曲線，而最大加速度靜應力曲線是一個跌落高度一張圖，一張圖上一個厚度一條曲線。共六十四頁（一）動態(tài)緩沖(hunchng)測試 動態(tài)(dngti)壓縮試驗原理圖測試原理用自由跌落的重錘對緩沖包裝材料施加沖擊載荷，模擬裝卸、運輸過程中緩沖

9、包裝材料受到的沖擊作用，求得緩沖包裝材料的動態(tài)緩沖特性及曲線共六十四頁動態(tài)(dngti)壓縮特性測試-測試系統(tǒng)底 座試樣M電荷放大器模擬低通濾波器A/D轉(zhuǎn)換器計算機測速裝置計數(shù)器采集指令數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)緩沖試驗機重錘導柱加速度傳感器共六十四頁動態(tài)(dngti)壓縮特性測試-試驗設備共六十四頁動態(tài)壓縮特性(txng)測試測試方法試樣的制作(zhzu)與處理 試驗前24h以上的溫濕度調(diào)節(jié)處理 抽取試樣每組不小于5個 試樣的大小直方體形狀，厚度不小于2.5cm 試樣尺寸的測量共六十四頁動態(tài)(dngti)壓縮特性測試測試方法試驗(shyn)步驟將試樣放置在緩沖試驗機的底座中心1使預定載荷的沖擊臺從預

10、定等效跌落高度落下，沖擊試樣，連續(xù)沖擊五次，記錄每次沖擊的加速度時間曲線，取后4次的最大加速度平均值為該試樣的最大沖擊加速度。每個載荷至少取五個試樣。2改變砝碼質(zhì)量，至少選擇5種以上的重錘重量進行試驗。13共六十四頁動態(tài)(dngti)壓縮特性測試緩沖特性曲線 發(fā)泡聚乙烯的Gm-st曲線(qxin) 返回共六十四頁三、影響緩沖(hunchng)系數(shù)的因素1 壓縮速度 動態(tài)壓縮加載速率大，材料形變速率是靜態(tài)壓縮的1.7萬倍，材料內(nèi)部阻尼增大，得到的緩沖系數(shù)有一定差異。 動態(tài)與靜態(tài)(jngti)緩沖系數(shù)的差別共六十四頁影響緩沖(hunchng)系數(shù)的因素2 溫 度 緩沖包裝材料的應力-應變曲線與溫度

11、有關，溫度不同，得到的緩沖系數(shù)-最大應力曲線也不同。溫度對緩沖系數(shù)(xsh)的影響共六十四頁影響緩沖(hunchng)系數(shù)的因素3 預處理 試樣在試驗前的預處理處理，對緩沖包裝材料的尺寸以及應力-應變曲線，緩沖特性曲線都有影響。預處理對緩沖(hunchng)系數(shù)的影響共六十四頁第六節(jié) 緩沖(hunchng)材料的全面評價1 沖擊能量的吸收性有效地減少傳遞到內(nèi)裝產(chǎn)品上的沖擊。 并非吸能大的材料就一定滿足緩沖要求(yoqi)綜合考慮材料、體積、產(chǎn)品重量、沖擊力的大小吸收能量與沖擊能量相適應。 彈性大的硬性材料，吸能多產(chǎn)品重量大、受沖擊力大的場合。 彈性小的軟性材料，吸能少產(chǎn)品比重小、受沖擊力小的場

12、合。 2 振動能量的吸收性避免共振緩沖材料的傳遞率Tr 材料的成分、密度、工藝條件、溫度 阻尼將材料的振動能量轉(zhuǎn)化為熱能和塑性形變 能,形成對振動的衰減 。 緩沖材料名稱 阻尼比 聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料 0.08-0.20 聚氨酯泡沫塑料 0.10-0.50 橡膠 0.02-0.16 硅橡膠 0.11-0.23 鋼質(zhì)螺旋彈簧 0.008-0.016 共六十四頁3 回彈性 定義緩沖(hunchng)材料在受沖擊和振動的情況下,具備的恢復原來尺寸和形狀的能力,稱為回彈性。 回彈性差的材料 幾次沖擊后結構(jigu)尺寸變化較大影響緩沖性能破損； 幾次沖擊后材料尺寸變小,空隙加大二次沖擊破損。 吸

13、收能量大而回彈性能差的材料,一般不宜作緩沖材料。 回彈性差的材料可用于僅發(fā)生一次大沖擊的場合,利用塑性變形吸收沖擊能量。 共六十四頁4 蠕變(r bin)性 定義指緩沖材料在受到靜外力作用下,隨著時間的延長使變形相應增大的一種現(xiàn)象。 包裝件長期貯存緩沖材料產(chǎn)生蠕變結構尺寸變小,產(chǎn)生空隙產(chǎn)品破損率上升。 要求良好的抗蠕變性能。 蠕變率：C=( - )/ 蠕變影響因素：材料性能 外力的大小、作用時間 環(huán)境溫度； 溫度升高(shn o)、外力增大,蠕變速率也相應加快。 壓縮前的原始厚度；壓縮后的厚度； 共六十四頁5 溫度(wnd)穩(wěn)定性 緩沖材料的物理性能與環(huán)境溫度密切相關； 熱塑性材料 低溫，很硬

14、的玻璃態(tài)，彈性模量很大 高溫，較軟的高彈態(tài)。 選擇的緩沖材料應在較大的使用溫度范圍內(nèi)，保持其緩沖性能不變。 常見緩沖材料的最低使用溫度： 緩沖材料 最低使用溫度（）聚氨酯泡沫(pom)材料 -30聚苯乙烯泡沫材料 -20聚乙烯泡沫材料 -50動物纖維 -40泡沫橡膠 -20共六十四頁6 濕度(shd)穩(wěn)定性 許多緩沖材料是易于吸濕的。吸收的水量決定于環(huán)境的相對濕度； 緩沖材料吸水后，緩沖性能會受到很大影響。金屬制品生銹，瓦楞紙箱強度降低。 防潮處理(chl)。7 耐破損性 緩沖材料在沖擊和振動作用下破損； 緩沖材料在受到反復的沖擊與振動時與內(nèi)裝物經(jīng)常接觸并摩擦，會產(chǎn)生碎片和灰塵表面破壞，粉塵等；要求一定的強度、耐破損和耐磨性。8 化學穩(wěn)定性影響化學穩(wěn)定性的因素材料的性能化學結構和成分使用溫度緩沖材料應有： 較好的化學穩(wěn)定性； 耐油、耐酸、耐堿和抗微生物的侵蝕； 與內(nèi)裝物的化學成分相適應。 PH值應在6.0-8.0范圍內(nèi)共六十四頁9 物理(wl)相容性 緩沖材料(cilio)與內(nèi)裝產(chǎn)品是直接接觸，二者的物理性質(zhì)應相適應，避免發(fā)生有害的物理作用。 表面摩擦； 摩擦產(chǎn)生靜電； 吸附灰塵或其它物質(zhì)等。共六十四頁內(nèi)容摘要運 輸 包 裝。1.8 氣墊塑料薄膜（兩塊塑料薄膜中