包装缓冲材料详解.ppt

包装缓冲材料详解 运输包装学院刘洋 第二章缓冲包装材料及其缓冲特性 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 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 3 3 3 23 和50 RH条件下的弹性模量 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 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 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 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130 C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 EPDM CR 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 所需的F或 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 下可以产生很大的x或 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 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 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 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 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 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 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 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 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 假设两种线弹性材料的弹性模量不同 且有E1 E2 由上式 即E E2 即E E1 E2 E E1 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 1 2分别为两种材料各自的应变 分别为两种材料各自的厚度占总厚度的比值 故存在 1 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aa bb cc 将各线段按 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 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 EA E1A1 E2A2或假设两种线弹性材料的弹性模量不同 且E1 E2 E E E2 E E1 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 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 结论 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 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 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 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 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 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 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面积 第五节缓冲特性曲线 材料的缓冲系数是通过试验测得的 通常使用的方法有静态压缩试验方法和动态压缩试验方法 得到的曲线分别为静态缓冲特性曲线和动态缓冲特性曲线 评价缓冲包装材料的静态缓冲特性 缓冲系数 应力曲线 缓冲系数 应变曲线 一 静态缓冲特性曲线 在材料的应力 应变曲线取不同的点 有不同的最大应力 不同的最大应力又有不同的缓冲系数 因此 缓冲系数不是常数 而是最大应力的函数 这个函数的曲线称为缓冲系数最大应力曲线 一 静态压缩试验 压力试验机 试验原理 1 试验原理 试样的制作与处理试验前 24h以上的温湿度调节处理抽取试样 每组不小于5个试样的大小 直方体形状 面积不小于10cm 10cm 厚度不小于2 5cm 2 试验方法 在电子万能材料试验机上以 12 3 mm min的速度沿厚度方向对试样逐渐增加载荷 静态压缩测试方法 测量并记录压缩应变 及其增量 测量并记录与应变对应的压缩应力 及增量 计算变形能增量 e及压缩应力对应的变形能e 计算 e 得到缓冲系数C C 曲线 C e曲线 C 曲线 3 绘制曲线 二 静态缓冲特性曲线 缓冲系数C 最大应力 m曲线 二 动态缓冲特性曲线 动态试验过程中 机械能守恒 则 缓冲系数 其中 在H和h取定后 Gm和都只是的函数 上面这个参数方程建立了Gm和之间的函数关系 方程的曲线称为最大加速度静应力曲线 在绘制最大加速度静应力曲线时 先要固定跌落高度 取不同的衬垫厚度建立参数方程 每取一个衬垫厚度 就有一个对应的曲线 在同一跌落高度下 曲线是一个曲线族 取不同的跌落高度绘出的曲线族是不同的 已知材料的缓冲系数最大应力曲线 就可以绘出最大加速度静应力曲线 反之亦然 两者可以互相变换 一种材料只有一条缓冲系数最大应力曲线 而最大加速度静应力曲线是一个跌落高度一张图 一张图上一个厚度一条曲线 一 动态缓冲测试 动态压缩试验原理图 测试原理 用自由跌落的重锤对缓冲包装材料施加冲击载荷 模拟装卸 运输过程中缓冲包装材料受到的冲击作用 求得缓冲包装材料的动态缓冲特性及曲线 动态压缩特性测试 测试系统 动态压缩特性测试 试验设备 动态压缩特性测试 测试方法 试样的制作与处理试验前 24h以上的温湿度调节处理抽取试样 每组不小于5个试样的大小 直方体形状 厚度不小于2 5cm试样尺寸的测量 动态压缩特性测试 测试方法 试验步骤 将试样放置在缓冲试验机的底座中心 1 使预定载荷的冲击台从预定等效跌落高度落下 冲击试样 连续冲击五次 记录每次冲击的加速度 时间曲线 取后4次的最大加速度平均值为该试样的最大冲击加速度 每个载荷至少取五个试样 2 改变砝码质量 至少选择5种以上的重锤重量进行试验 1 3 动态压缩特性测试 缓冲特性曲线 发泡聚乙烯的Gm st曲线 返回 三 影响缓冲系数的因素 动态与静态缓冲系数的差别 影响缓冲系数的因素 温度对缓冲系数的影响 影响缓冲系数的因素 预处理对缓冲系数的影响 第六节缓冲材料的全面评价 1冲击能量的吸收性 有效地减少传递到内装产品上的冲击 并非吸能大的材料就一定满足缓冲要求 综合考虑材料 体积 产品重量 冲击力的大小 吸收能量与冲击能量相适应 弹性大的硬性材料 吸能多 产品重量大 受冲击力大的场合 弹性小的软性材料 吸能少 产品比重小 受冲击力小的场合 2振动能量的吸收性 避免共振缓冲材料的传递率Tr材料的成分 密度 工艺条件 温度阻尼 将材料的振动能量转化为热能和塑性形变能 形成对振动的衰减 缓冲材料名称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橡胶0 02 0 16硅橡胶0 11 0 23钢质螺旋弹簧0 008 0 016 3回弹性 定义 缓冲材料在受冲击和振动的情况下 具备的恢复原来尺寸和形状的能力 称为回弹性 回弹性差的材料几次冲击后 结构尺寸变化较大 影响缓冲性能 破损 几次冲击后 材料尺寸变小 空隙加大 二次冲击 破损 吸收能量大而回弹性能差的材料 一般不宜作缓冲材料 回弹性差的材料可用于仅发生一次