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发泡塑料缓冲设计中材料的密度选择 |
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作者：江南大学机械工程学院 霍银磊 张新昌 来源：PT现代塑料 |
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聚合物泡沫塑料的力学性能主要由基体聚合物性质、聚合物体积比(或者泡沫塑料密度)和泡体结构的几何性质决定。也就是说，泡沫塑料的密度也是一个很重要的因素。而泡沫塑料的密度与发泡倍数有直接的关系。笔者通过几种不同密度EPS材料的静、动态压缩试验数据，运用发泡塑料的能量吸收理论研究成果，讨论了这些材料的单向压缩性能以及密度选择在缓冲包装设计中的应用。这一研究将为合理选择包装材料的密度提供一定的理论依据。
1 泡沫塑料缓冲性能及其能量吸收性
泡沫塑料的缓冲性质，最早由Woolam进行了研究，他提出了用无量纲参数确定能量吸收的方法，Miltz等由准静态压缩实验曲线来预测泡沫塑料的缓冲性质。他们提出用有效性参数来代表压缩泡沫塑料的能量吸收率，Yossifon等基于量纲相似参数提出的简单数学模型，描述了软泡沫在冲击条件下的性质。
泡沫塑料的能量吸收问题，Rusch较早进行了研究，并提出可以用3个无量纲量来描述材料的吸能特性。Schwaber提出了如下见解：泡沫塑料变形过程中的能量损耗包括由基体变形产生的能量损耗、基体单元间(比如支柱)的摩擦产生的能量损耗、开孔泡沫塑料中流体的粘性流动产生的能量损耗(气动阻尼)闭孔结构中气体的不可逆压缩产生的能量损耗。
Kurauchi等研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在压缩下的能量吸收问题，Maiti等还提出了构造能量吸收图的方法，能量吸收图表示了某一密度范围内单位体积泡沫塑料吸收的能量与峰值应力的关系。如果选择了临界损伤应力，那么能量吸收图将给出不超过峰值应力而吸收最大能量的泡沫塑料密度Avalle和Belingardi等讨论了EPP、PUR、EPS等泡沫塑料的能量吸收性，并绘出了相应的能量-应力图。
综上所述，目前对于工程用泡沫塑料，特别是高密度聚氨酯泡沫塑料和包装用泡沫塑料的研究大都集中在对其应力-应变关系的描述和冲击黏弹性能的分析。很少专门考虑材料密度对其性能的影响以及这种影响对于包装缓冲材料选择的意义。本文从试验角度考察不同密度材料的能量吸收性，同时以此为依据指导材料密度的选择。
2 泡沫塑料的单向压缩试验及其分析
分别通过静态、动态压缩试验测得不同密度材料的应力-应变曲线或加速度-时间曲线，据此分析材料的压缩性能以及材料对压缩、冲击能量的吸收性能。
2.1 试验样品制备与处理
实验选取新航(苏州)发泡塑料有限公司生产的四种不同密度(0，020g/cm3、0．022g/cm3、0．027g/cm3和0．050g/cm3)的EPS发泡塑料作为实验材料，试样的尺寸规格统一为100mm X l00mm X 35mm。
考虑实际流通环境情况，在23℃，相对温度50％的条件下对所有样品进行24 h温湿度预处理。分别在标准环境中进行准静态压缩与垂直冲击压缩试验。
2.2 材料的压缩试验及分析
采用国家轻工业包装制品质量监督检测中心的LRXPlus电于材料试验机及其数据分析系统，在标准试验环境中，对材料进行最大应变量为90％的准静态单向压缩试验，得到材料应力-应变曲线见图1。
图 1: 不同密度EPS得静态压缩曲线
采用DY-2型跌落试验机，在标准环境条件下，以60cm的跌落高度对试样进行冲击压缩试验，得到材料的压缩加速度-时间关系曲线(见图2)。从图1可以看出：1)EPS泡沫塑料属于双曲正切型弹塑性材料。在小应变情况下，材料表现出较好的弹性；随着载荷的增加材料发生了弹性屈曲，随后曲线呈现出较长的平滑阶段，说明材料发生了较大的塑性变形，应力随应变的增加增长缓慢，大部分压缩能量被材料吸收或耗散。正是材料在此阶段的大变形吸收了外界给予的能量(压缩、振动或冲击)。随着应变量的增加，材料结构被破坏，对能量的吸收减小，材料传递的应力也开始急剧上升。2)不同密度的试样有着不同的压缩性能，通常密度高的材料在弹性变形阶段有着较大的弹性系数，同时屈服应力也较大，材料的压实强化阶段也来得较早。反映出由密度决定的材料结构对整体压缩性能的影响。
图 2: 不同密度EPS得冲击压缩G－t曲线
同样，冲击压缩图线也反映出了材料性能的差异，密度越大，材料结构越紧密，初始弹性也越大，传递到产品上的加速度(力)也增长较快，峰值越大，冲击持续的时间也相应的减少。
3 EPS材料的压缩能量吸收性
3.1 EPS准静态压缩情况下的能量吸收
衡量材料缓冲性能的一个重要指标是材料对冲击、压缩能量的吸收或耗散，一般以一定应力下材料吸收的最大能量或材料对能量的吸收效率来表示。
图 3: 不同密度EPS的静压能量吸收－应力曲线
图3反映了不同密度发泡聚苯乙烯在静态压缩条件下的能量吸收性，图3表示不同密度发泡聚苯乙烯在静态压缩条件下的能量吸收效率。可以看出不同密度材料具有不同的能量吸收效率，不同密度材料在不同应力下吸能效率的大小关系也会不同，如图3所示：在应力为δ1时，缓冲效率大小关系为E0.020>E0．022>E.027>E0.050；在应力为δ2时，缓冲效率大小关系为E0.027>E0.022>E0.020>E0.050；而在δ>δ2时，密度为0.050g／cm3的EPS的缓冲效率则会有持续的上升，因此材料选择的关键在于对特定应力条件下缓冲效率随密度变化趋势的把握。
图 4: EPS材料冲击过程中的受力－变形情况
由于冲击压缩时通常得到的是重锤的加速度-时间关系曲线，并不直接反映材料的压缩情况，因此需要对G―t曲线进行相应的数值计算与转换，得到材料在压缩时的受力、变形情况见图4。图5所示为密度为0.0202／cm3的EPS发泡塑料在5 kg、60cm高度跌落冲击G―t曲线转换计算结果。同样，可以得到材料在一定应力下的能量吸收曲线和能量吸收效率曲线。
图 5: 冲击压缩情况下EPS材料的能量吸收情况
4 讨论
在缓冲包装设计中，要求缓冲材料尽可能多地吸收冲击能量，也就是说，要求在产品所受应力值一定的情况下，缓冲材料吸收的能量越多越好，或者说材料对能量的吸收效率越高越好。可以利用不同密度材
料的能量吸收效率-应力曲线来指导材料的选择。
利用不同密度EPS的能量吸收效率E－δ曲线可以得到一定应力下密度与能量吸收效率的关系(见图6右)，该图反映了一定应力下不同密度材料对能量的吸收能力。可以发现材料的能量吸收性与材料密度大致是抛物线关系，在某一密度时材料的能量吸收效率达到最高，在缓冲包装设计中此密度值即为当前应力下所选材料的最佳密度值。从此值愈偏左，则材料密度愈低、承载能力愈弱，在压缩或冲击时越容易被压实，其能量吸收效率也越低；而右侧随着密度增大，材料的弹性模小、弹性屈服极限也增大、塑性变形减小，材料呈现出越来越强的刚性碰撞特征。由于冲击能量的耗散主要是由塑性变形引起的，因此对特定应力水平下特定材料的E－δ曲线，其曲线有且仅有唯一极值点。此值即为当前应力水平下材料的最佳密度值。
图 6: 能量吸收率E与材料密度的关系
例如当被包装产品的许用应力为a时，密度为0.023g／cm3的EPS具有最好的能量吸收性。因此根据吸能效率最高原则可知所用EPS最合理的密度值为0.023g／cm3。同样，若被包装产品的许用应力水平为δ1或δ2时也可以绘出其对应的E-t曲线图(类似于图7右)，相应曲线的最高点对应的密度值即为对应应力条件下材料的最佳密度值。
在产品应力水平确定以后(由产品质量、脆值、有效缓冲接触面积决定)，最佳材料密度由图8确定，同时还可得到此密度材料的能量吸收效率的确切数值，由此值可方便得到材料在此应力下的缓冲系数C（缓冲系数C二1／E），即可很方便计算出缓冲结构的最小厚度。从材料的密度与能量关系设计产品的缓冲较传统设计方法更方便、也更符合实际设计要求。
5 结束语
密度是发泡材料的一个重要的属性，它对材料缓冲性能有很大的影响。文中重点讨论了EPS材料的密度对其能小吸收效率的影响，提出了利用材料的E－t曲线设计产品缓冲包装的途径，有助于缓冲包装设计的科学化和精确化。同时，发泡材料的密度又与其发泡倍率紧密相关，从生产应用来讲，掌握材料密度与能量吸收效率的关系也有助于对材料性能进行评估，有目的地进行材料生产及其工艺过程调整。(end)
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(1/25/2008) |
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