弹性大的硬性材料

运输包装 机电学院卢杰 第五章缓冲包装材料 缓冲包装材料的分类 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 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 1 2泡沫塑料 泡沫塑料 多孔塑料 是以合成树脂为基体 加入发泡剂及其他添加剂 经发泡作用形成的一种内部具有无数微孔的塑料 按发泡方法和工艺不同形成的孔结构分开孔 连通气泡 闭孔 独立气泡 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 孔径分大泡孔 直径大于0 5mm 小泡孔 直径按大于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 泡沫塑料的特性密度很小具有良好的冲击吸收性 防震效果好机械性能好 具有较好的抗压强度和回弹性能化学稳定性好加工性能优良很好的耐水性和很低的吸湿性对温度的变化有相当好的稳定性绝热性能优良 可作绝热材料 1 EPS 发泡聚苯乙烯 保丽龙 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 采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂 在一定温度工况下制成的发泡树脂 2 EPE 发泡聚乙烯 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 无尘 无毒环保型化合物 易回收利用缺点 比EPS贵 不能模塑 应用场合 较贵重和易碎产品的缓冲包装 3 EPP 发泡聚丙烯 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 4 PU 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 5 EVA 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 6 EPDM 三元乙丙烯人造橡胶 俗称多孔橡胶 CR 氯丁橡胶 EPDM 具有卓越的耐厚型 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 3气泡薄膜 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 1 4气垫缓冲材料 缓冲效果良好减低材料成本环保简单操作经济 1 5纸制品缓冲材料 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 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 3 纸浆模塑 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 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 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 缓冲包装材料的力学性质 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 或者说k或E越大 要产生很小的x或 所需的F或 却越大 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 弹性系数增加率的绝对值越大 曲线偏离线弹性直线的速度越大 与之对应的材料也会变的越硬 0 或越软 0 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 则考虑了在受外力作用时 两种材料有相同的形变 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 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 缓冲包装材料的缓冲特性 2 非线弹性材料 依据线弹性材料的基本假设 在外力F作用下 分别为两种材料各自的受力面积占总受力面积的比值 存在 1 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 通过以上对非线弹性材料的叠置和并列两种组合方法的讨论 可以清楚的认识到 对于同一种弹性材料的应力 应变曲线是相同的 其形状不受结构尺寸变化的影响 组合后的应力 应变曲线 不仅与原始材料的应力 应变曲线有关 还与原始材料的结构尺寸有关 通过改变原始材料的结构尺寸 可以使组合后的应力 应变曲线的形状改变 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 缓冲包装材料的缓冲特性 例 已知受力面积为5cm2 厚度为4cm的两种方形缓冲材料 其力 形变表达式分别为F1 2x1 0 12x13 F2 3x2 0 32x23设计这两种材料的并列放置 其中材料1的受力面积为3cm2 材料2的受力面积为2cm2 总的受力面积为5cm2 求组合后的力 形变表达式 解 首先 根据已知条件 先求两种非线弹性材料的应力 应变表达式 1 F1 A 2 F2 A 1 式中A 5cm2 缓冲包装材料的缓冲特性 考虑到应力 应变性质与材料的结构尺寸无关 在组合前后材料的应力 应变表达式不变 组合后的应力为 2 式中A1 3cm2 A2 2cm2 将 1 分别代入 2 得 3 缓冲包装材料的缓冲特性 由 3 式 组合后的力表达式为 4 将已知条件分别代入 4 式 并且考虑到并列放置后 两种材料的形变相同 即x1 x2 x 可得 缓冲包装材料的缓冲特性 缓冲效率 缓冲包装材料非线性变形曲线 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲包装材料的缓冲特性 因此 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 缓冲包装材料的缓冲特性 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 缓冲系数的测试方法 静态压缩特性测试 静态缓冲系数缓冲材料的变形能 静态压缩特性测试 静态压缩特性测试 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 静态压缩特性测试 测试方法 压力试验机 试验原理 静态压缩特性测试 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 静态压缩特性测试 测试方法 A法试验以 123 mm min的速度沿厚度方向对试验逐渐增加载荷 静态压缩测试方法 B法试验试验前以试样厚度0 65 之间的某一变形量反复压缩试样10次 静态压缩特性测试 绘制曲线 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 静态缓冲特性曲线 缓冲系数C 最大应力 m曲线 动态压缩特性测试 动态缓冲系数从预定高度自由跌落的重锤对缓冲包装材料施加冲击载荷时重锤所承受的最大加速度 一般采用重力加速度的倍数Gm来表示 动态压缩试验原理图 动态缓冲特性 动态压缩特性测试 动态试验过程中 机械能守恒 则 缓冲系数 其中 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 动态压缩特性测试 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 试验原理 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 动态压缩特性测试 缓冲特性曲线 C m曲线 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 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大冲击的场合 利用塑性变形吸收冲击能量 缓冲材料的全面评价 4蠕变性 定义 指缓冲材料在受到静外力作用下 随着时间的延长使变形相应增大的一种现象 包装件长期贮存 缓冲材料产生蠕变 结构尺寸变小 产生空隙 产品破损率上升 要求良好的抗蠕变性能 蠕变率 蠕变影响因素 材料性能外力的大小 作用时间环境温度 温度升高 外力增大 蠕变速率也相应加快 压缩前的原始厚度 压缩后的厚度 缓冲材料的全面评价 5温度稳定性 缓冲材料的物理性能与环境温度密切相关 热塑性材料低温 很硬的玻璃态 弹性模量很大高温 较软的高弹态 选择的缓冲材料应在较大的使用温度