1、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0.25m
2、m),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
3、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
4、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
5、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
6、的耐厚型，耐臭氧，可在130C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
7、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
8、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
9、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
10、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x0时的斜
11、率，称初始弹性系数；db为材料的形变极限，在xdb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、FF0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,
12、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
13、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E1E2，由上式 即 EE2 即 EE1,E2EE1,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
14、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
15、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E1E2，,E,E,E2EE1,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
16、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
17、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+0.32 x23 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：
18、 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
19、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
20、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（12 3）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065%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、Ce 曲线、 C 曲线,静态缓冲特性曲线,缓
21、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
22、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
23、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
24、-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
25、。 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范围内，保持其缓冲性能不变。 常见缓冲材料的最低使用温度：缓冲材料 最低使用温度（） 聚氨酯泡沫材料 -30 聚苯乙烯泡沫材料 -20 聚乙烯泡沫材料 -50 动物纤维 -40 泡沫橡胶 -20,缓冲材料的全面评价,6 湿度稳定性, 许多缓冲材料是易于吸湿
26、的。吸收的水量决定于环境的相对湿度； 缓冲材料吸水后，缓冲性能会受到很大影响。金属制品生锈，瓦楞纸箱强度降低。 防潮处理。 7 耐破损性 缓冲材料在冲击和振动作用下破损； 缓冲材料在受到反复的冲击与振动时与内装物经常接触并摩擦，会产生碎片和灰尘表面破坏，粉尘等；,要求一定的强度、耐破损和耐磨性。,8 化学稳定性,影响化学稳定性的因素,材料的性能 化学结构和成分 使用温度,缓冲材料应有： 较好的化学稳定性； 耐油、耐酸、耐碱和抗微生物的侵蚀； 与内装物的化学成分相适应。, PH值应在6.0-8.0范围内,缓冲材料的全面评价,9 物理相容性,缓冲材料与内装产品是直接接触，二者的物理性质应相适应，避
27、免发生有害的物理作用。表面摩擦；摩擦产生静电；吸附灰尘或其它物质等。,缓冲材料的全面评价,思考题,1根据力-形变曲线，常用的缓冲材料可分为哪几种？ 2线弹性缓冲材料叠置和并列后的弹性有何变化？ 3同一种弹性材料的应力-应变曲线的形状是否受结构尺寸变化的影响？组合后的应力-应变曲线的形状是否受结构尺寸变化的影响？ 4已知受力面积为10平方厘米，厚度为3厘米的两种方形缓冲材料，其力-形变表达式分别为： （1） 设计这两种材料并列放置，其中材料1的受力面积为7平方厘米，材料2的受力面积为3平方厘米，总的受力面积为10平方厘米，求组合后的力-形变表达式。 （2） 设计这两种材料叠置，其中材料1的受力面积和材料2的受力面积均为10平方厘米，材料1厚度1cm,材料2厚度2cm,求组合后的力-形变表达式。 5缓冲效率与哪些参数有关？静态缓冲系数与动态缓冲系统有何区别？ 6可用哪些参数来评价缓冲材料的性能？,
