包装工艺学课件2-第一章概要.ppt

1 第一篇包装工艺理论基础 第一章包装工艺的物理基础 2 第一节产品的物理机械性质特性分析一 产品的物理性质物理性质如 聚集状态 密度 粘度 沸点 熔点 蒸气压 电导率等 化学性质 在其分子或晶体发生化学反应时才显现出来 生理生化性质 由生命或新陈代谢现象引起 3 二 产品的机械性质机械性质 产品在机械运动过程中引起其性质改变的特性 它是物理性的一部分 主要包括产品的材料属性 力学性质 结构 形状等特性 如 尺寸 质量 硬度 刚度 弹性 韧性 固有频率 脆值 机械损伤等 包括表面粗糙度 尺寸精度 装配精度 光泽度 硬度及产品内在的抗压力强度 抗振动强度 抗冲击强度 4 三 影响产品物理性质的因素影响产品特理性质的内因与外因主要有 1 产品的成分与结构 1 产品成分 2 产品结构2 环境与保护 5 第二节产品在流通过程中的物理变化物理变化 三态变化 渗漏与渗透等 如水的蒸发和凝固 糖的溶解 受热变形或被磁化 机械性变化 如玻璃 陶瓷产品的破碎等 6 一 三态变化物质的外表形状在一定的温度 湿度 压力 时间条件下会发生气态 液态 固态之间相互转化 表现为挥发 干缩 风化 溶解 熔化 凝固等 1 挥发与干缩 1 定义液态气态液态 液化的气态或固态物质 如汽油 石油液化气 樟脑等在常温常压下转变为气态的现象 7 2 不良后果会使其质量减轻 严重时会产生干缩 如油漆挥发 品质发生变化或丧失使用性能 有些挥发出来气体具有毒性 或与空气混合而易燃易爆 3 措施密封包装 在储运 装卸过程中防止渗透 泄漏和溢出 8 2 溶化与风化 1 定义固态液态溶解 某种物质 溶质 分散于另一物质 溶剂 中成为溶液的过程 溶化 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 区别 水解 物质与水发生了化学反应 它属于化学变化 2 溶化因素吸湿性能 水溶性能及吸湿点 9 3 熔化与凝固 1 熔化 固态液态易熔物品 冰淇淋 奶油巧克力 蜡烛 沥青 松香等 措施 采用密封性 隔热性能好的包装工艺方法 2 凝固 液态固态新鲜果蔬类食品 药用生物制剂 化工产品措施 采用防冻结或防凝固技术与包装工艺措施 10 二 渗漏与渗透1 渗漏气态 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的渗出 泄漏现象 1 渗漏实质 2 渗漏原因包装品加工质量差 如有砂眼 气泡 微孔 裂纹 微小间隙或焊锡不匀 接口处和封盖处密封不牢固 不严密 材质原因 如耐蚀性差 受潮锈蚀或机械强度不高 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 导致膨胀或气化 液态产品在低温或冻结时发生体积膨胀 11 2 渗透气体或蒸气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 3 两者的区别渗漏 宏观作用渗透 微观作用 不易用肉眼发觉 4 措施采用防渗漏防渗透包装 特别是对易燃 易爆 有毒产品 12 三 机械性质变化产品机械性能变化的后果如下 不影响使用性能和质量 外表发生局部或微小损伤 如表面擦伤 划痕 表皮脱落或在局部小范围处留有凸凹不平等机械损伤 如金属罐或软包装产品 影响产品的外形美观 机械 仪器仪表 电子产品 五金产品会使联接件之间产生松动 需重新紧固才可正常使用 外表无损伤 但对产品发生内在影响 如使用寿命降低 完全无使用价值 13 四 其它变化1 导热与耐热性变化金属材料 其导热性 耐热性良好 可露天存放 粮食 橡胶制品 其导热性 耐热性差 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 否则导致变粘 变质或加速老化与霉变 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 不能采用遇冷体积收缩 且延伸率极低或无延伸率的玻璃 陶瓷等容器作包装品 否则包装品受张力而产生破损 14 2 场强变化 1 定义指电场 磁场 电磁场 静电场 辐射场等强度的变化 危险品 精密电子产品 军用品以及高技术产品等 对场强有物殊要求 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 15 3 光学性质变化影响因素 光的强度 材料的透明度 透明度是指材质透过光线的能力 分为三个等级 透明 半透明和不透明 一部分产品需要高透明度的包装品 可使消费者清晰看到产品 增强促销能力 采用具有高度均匀的透光性的玻璃 塑料容器或纸张与薄膜等包装品 某些药品 化工制品 生物制品使用不透明 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 增加保护性 延长货架寿命 使用不透明的薄膜或纸张可提高包装装潢效果 使用深褐色的半透明包装品可防止紫外线辐射的阻隔层 使其内装食品或药品保持新鲜 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以提高光泽度 16 第三节机械性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 机械损坏主要分为装卸 运输和仓储三方面的损伤 17 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冲击是造成包装件破损的主要因素之一 垂直冲击 主要由搬运 装卸 起吊时包装件的意外跌落引起 水平冲击 主要发生于运输车辆在凸凹不平路面上行驶 车辆突然启动或制动 货车的编组溜放和转轨 飞机着陆 船舶靠岸等 18 1 装卸作业人工装卸质量在10kg以内的包装件可能被抛掷 其跌落高度会超过1m 当质量在20 30kg时 容易实现轻拿轻放 质量在60kg时 需要较强的劳动力搬运 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 人工装卸时产生的冲击加速度通常在10g左右 有时超过100g 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 19 机械装卸质量超过90kg时一般用机械装卸 因为机械设备作业时发生跌落的高度低于人工装卸作业的高度 因此冲击加速度较小 20 2 运输过程 汽车运输影响因素 路面状况 车辆缓冲性能 车速 载重量和载货方式 包装件在车厢内无固定 受到颠簸后会产生连续冲击 即跳超式振动 加速度为1g以上 路面特别不平 加速度可达3 g 货物散包时加速度高达5 20g左右 21 汽车运输随机振动情况 振动加速度功率谱密度值竖向 上下 最大 横向 左右 次之 纵向 前后 最小 振动能量绝大部分在0 200Hz的频带内 其中0 0Hz能量最集中 振动功率谱密度在频率2Hz左右和10Hz左右有一个较大的峰值 这是由国产汽车悬挂系统的结构特性决定的 应避开这两个频率值 最好选用固有频率f012Hz的包装件 车厢中部振动和冲击较轻 车尾最严重 22 火车运输振动原因 路基和铁轨接头等作用产生周期振动 振动加速度的影响因素 行驶速度 货车支承处的缓冲器 在垂直 横向和纵向三个方向都有振动 振动频率 主要在2 50Hz之间 冲击原因 货车的编组连挂 加速 减速 刹车等引起 23 影响火车连挂作业水平冲击的主要因素有四方面a 车辆连挂时的速度越大 冲击力越大 b 车辆牵引装置的缓冲性能 缓冲性能好的牵引器可以吸收部分冲击能量 c 包装件的质量 包装件越重 与车厢底板的摩擦力越大 越不易滑动 冲击力越小 d 包装件在车厢内的堆码状态和满载程度 包装件堆码松散或间隙过大 会增加倒塌和反复相撞的可能性 堆码越高 最上层包装件所承受的冲击值越大 包装件和被在车厢内的破损通常是由反复碰撞造成的 24 飞机运输包装件的破坏主要因素 发动机引起的高频振动着陆时与地面的冲击或空中气流的冲击和振动高空飞行时因低温低压 且飞机货舱内无加温加压装置 如瓶中或喷雾罐中的液体发生泄漏 25 船舶运输冲击与船舶类型 水域情况 满载程度和气候条件密切相关 冲击加速度相对较小 铲车运输包装件主要承受垂直冲击的影响 铲车的垂直冲击加速度约0 7g 26 2 振动对包装件的影响 1 汽车运输汽车运输时振动加速度的大小与路面状况 行驶速度 车型和载重量有关 但主要因素是路面状况 如公路的起伏和不平度 2 火车运输火车振动与汽车振动相比有明显区别 火车驶过钢轨接缝时车轮受到冲击而引起运行车辆的周期性强迫振动 在火车正常运行 进出站 过岔道 车体摇晃 过钢轨接缝 过桥梁等运行中 以过钢轨接缝所引起的振动最为强烈 火车运输的振动特性也可用图1 2所示的频率谱来描述 其频率范围通常为20 100HZ 27 3 飞机运输飞机运输时的振动受气流的影响不大 主要取决于飞机发动机的振动 呈现出单振动 高频率的特点 振动加速度较小 且比较稳定 在起飞和滑行阶段 其频率通常为15 100HZ 在稳定飞行阶段 频率为100 1000HZ 28 4 船舶运输船舶运输的振动特性也可用图1 4所示的频率谱来描述 通常表现为两个不同级别的振动 即在平静的海面上 出现低强度的振动 振动加速度较小 遇到大的风浪或紧急操作航行时的高强度振动 振动加速度较大 海浪引起的低频振动为0 03 0 2HZ 对被包装产品的共振影响不大 29 综上所述 被包装产品在汽车 火车 飞机 船舶运输过程中的振动 均具有随机性 而且振动频率范围很宽 船舶运输时频率较低 飞机运输时较高 与一般产品共振的可能性较小 而汽车运输和火车运输 特别是汽车运输的振动频率与大多数被包装产品的固有频率比较接近 产生共振的可能性大 应在产品的缓冲包装设计中充分考虑 第一次课 30 3 压缩对包装件的影响流通过程中压缩对包装件的影响有两种 即静压力和动压力 1 静压力在静载荷作用下 包装容器 缓冲材料或结构发生变形 蠕变 会影响被包装产品的动态特性 而且静载荷过大 会导致被包装产品损坏 包装件在堆码储存和运输时 最底层包装件所承受的静压力最大 要求包装箱或外包装容器满足堆码强度条件 即 31 式中 P是包装箱或外包装容器的抗压强度 PS是最底层包装件所承受的堆码强度 W是单个包装件质量 k是安全系数 Nmax表示最大堆码层数 32 安全系数取决于堆码时间 堆码尺寸 温湿度条件 商品价值 装卸与搬运次数等因素 安全系数过小 导致包装件的抗压强度低 不能保护产品 若安全系数过大 则浪费包装材料 增加包装成本 一般情况下 取k l 2 堆码高度一般取300 400cm 汽车运输中小于250cm 火车运输中小于300cm 轮船运输中小于700cm 33 2 动压力在运输过程中 包装件除了受到来自上层包装件的静压力之外 还受到来自运输工具底板传递的动压力 以及发生水平位移时的摩擦力 而且动压力比静压力对包装件的危害更大 因此 包装件在运输车辆上必须可靠地固定 以防止其在车辆底板上跳动或移动 减少动压力对包装件和被包装产品的危害 34 4 机械性环境条件参数 了解 35 二 被包装产品破损分析方法破损是指产品物理的或功能的破损 包装件的破损 即包括包装箱破损 缓冲材料或机构失去包装防护功能 还包括被包装产品破损 描述被包装产品破损的方法 破损特性因素图法 定性分析方法 帕里特曲线法 定量分析方法 36 1 破损特性因素图法 37 2 帕里特曲线法采用帕里特曲线法可定量描述被包装产品的破损 及其程度 且能够提供有效的减损措施 图1 9是某纸箱包装产品破损的帕里特曲线 缓冲包装不当所造成的产品破损率是55 搬运操作不当所造成的产品破损率是25 若采取有效措施克服这两个破损破损特性因素所造成的破损问题 则可减少80 的破损率 38 39 3 破损分类从力学角度分析 被包装产品破损大体上可分为三大类 1 结构完整性破损 包括产品零部件的强度降低 断裂破坏 疲劳和摩擦损伤等 2 结构功能性破损 包括结构及其元器件 部件的性能失效 失灵等 3 产品工艺性破损 包括连接件松动 脱离 部件相互撞击 短路或磁化等 还有寿命退化 如一些机电产品 电子电工产品在一定振动环境下引起工作寿命的缩短等 40 在缓冲包装动力学领域 按产品破损的性质和程度分类 被包装产品的破损形式分为三大类 1 失效或严重破损 指产品已经丧失使用功能 且不可恢复 2 失灵或轻微破损 指产品功能虽己丧失 但可恢复 3 商业性破损 指不影响产品使用功能而仅在外观上造成的破损 产品虽可以使用 但己经降低了商品价值 41 三 被包装产品破损准则与模型1 破损准则振动和冲击是造成产品或易损件破损的两个重要的动态载荷 评价被包装产品破损的准则主要 1 最大应力准则当产品受到外部动态载荷作用时 由于应力或应变超过允许值而造成产品破裂或永久变形 导致产品破损 对于含有易损件的产品 特别是电子电工类产品 在产品或易损件发生谐振时 其内部应力将逐渐增大 而这些易损脆件所承受的应力将变得非常大或很大 很容易造成产品破损 42 2 最大位移准则它是由产品中某元器件或部件的位移超过最大许可位移所导致的破损 例如 当印刷电路板在振动时有足够大的位移响应 则会导致固定在其上的电子元器件或焊点与相邻部分的电子元器件或结构壁壳接触短路或碰撞损伤 从而导致产品故障或损坏 43 3 疲劳破损准则工程上的疲劳破损一般是指产生了某一可检长度的裂纹 即包括成核阶段与扩展阶段 这种疲劳破损的实际物理过程还与材料特性 应力大小 循环次数 温度 产品结构 环境条件等因素密切相关 当被包装产品处于周期性或准周期性载荷作用下 在产品的结构元件中若产生的应力足够大 这种循环作用也将导致产品破损 44 2 破损模型 1 机械冲击破损模型 传统的脆值理论美国贝尔实验室R D Midlmn研究了被包装产品的破损特性及其评价方法等问题 包括缓冲存在使产品受到振动 冲击时可能出现多大的加速度响应值 加速度随时间的变化规律 以及产品结构元件的强度 固有频率和阻尼系数 1945年 他发表了著茗论文 缓冲包装动力学 首次提出产品脆值 或冲击易损度 概念和理论 该理论是基于产品的破坏性跌落试验而提出的 属于机械冲击脆值 用产品的最大加速度值来评价其机械破损特性 缓冲包装的要求是产品在流通过程中所承受的冲击强度必须