緩沖包裝對甜瓜靜載損傷影響的分析

呼英俊，劉宏偉

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

緩沖包裝對甜瓜靜載損傷影響的分析

呼英俊，劉宏偉

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

通過對甜瓜在不同條件下采用緩沖材料包裝前后的靜載壓縮實驗以及緩沖材料的拉伸實驗，分別獲得了甜瓜裸果和緩沖包裝后的壓縮特性及緩沖材料的拉伸特性．結(jié)果表明：采用緩沖材料能明顯改善甜瓜果實受壓過程中的變形情況；緩沖材料EPS的縱向拉伸強度高于EPE，在相同加載速率下，使用EPS薄膜作為緩沖包裝材料時，果實受壓的最大屈服極限比使用EPE時增加了20%，且果實的受損情況明顯減?。畬嶒灧治隹蔀榉乐购蜏p輕甜瓜在儲運中由于擠壓等機械脅迫造成的損傷而進行的緩沖包裝設(shè)計提供一定的理論依據(jù)．

緩沖包裝；甜瓜；壓縮；拉伸

甜瓜受地區(qū)氣候影響嚴重且極不耐儲運，瓜農(nóng)承受著自然與市場的雙重風(fēng)險．針對此問題國內(nèi)外在解決實際儲運中所遇到的品質(zhì)改變、機械損傷問題已有詳細報道，但在具體解決措施上沒有做進一步定量的研究．借鑒前人對緩沖材料的強度、剛性、韌性和彈性的研究[1–6]，采用緩沖材料對甜瓜進行包裝，是減輕儲運中由于擠壓、沖擊而造成甜瓜損傷的有效措施之一．

本文旨在通過對甜瓜在不同條件下進行靜載壓縮實驗，分析采用緩沖材料包裝前后甜瓜的壓縮特性，對防止和減輕甜瓜在儲藏、運輸和銷售中由于擠壓等機械脅迫而造成的損傷有一定指導(dǎo)意義，同時為緩沖包裝設(shè)計提供一定的理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與儀器

甜瓜樣品為“伊麗莎白”，屬于非網(wǎng)紋狀的厚皮甜瓜品種．選擇個體完整、外形勻稱、直徑為130～140 mm、質(zhì)量為0.85～0.95,kg、無損傷、無病蟲害的成熟果實．

緩沖材料為發(fā)泡聚乙烯(EPE)和發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)，厚度分別為0.23,mm和0.24,mm．

用5層瓦楞紙自制高約150,mm的正方形瓦楞紙箱，其性能測定結(jié)果見表1．

表1 自制瓦楞紙箱的性能參數(shù)Tab.1 Property index of self-made corrugated box

實驗儀器：WSM–10K計算機控制的萬能試驗機，長春智能儀器設(shè)備有限公司；GY–1型果實硬度計，牡丹江市機械研究所．

1.2 方法

根據(jù)甜瓜的果肉脆嫩具有明顯黏彈性以及實際儲運等情況，選擇果實硬度、受壓部位等作為實驗因素，果實硬度根據(jù)實際測得值劃分為硬(＞11.6×105～12.6×105,Pa)、中硬(＞10.6×105～11.6×105,Pa)、軟(9.6×105～10.6×105,Pa)．壓縮實驗采用平板壓頭型式，實驗在通風(fēng)良好的室溫環(huán)境下進行．為了減少實驗誤差，同一實驗重復(fù)6次．對擇優(yōu)甜瓜樣品采用EPE、EPS包裝后，裝入自制的高約150,mm的正方形瓦楞紙箱中，用膠帶紙加封．對采用40,mm/min的加載速度所獲得的壓縮特性曲線進行對比，以完整形態(tài)果實受壓時的生物屈服極限Fy、變形能Uy、破壞極限Fb和破壞能Ub等方面進行機械特性的分析．生物屈服極限Fy為力-變形曲線中生物屈服點S對應(yīng)的載荷值，變形能Uy是描述物料受壓特性的參數(shù)，為確定物料允許變形和變形時吸收能量的大小提供依據(jù)，其數(shù)值為生物屈服點下方變形曲線與橫坐標圍成的面積．

采用WSM-10K計算機控制萬能試驗機測定EPS薄膜與EPE網(wǎng)套的縱向拉伸強度，拉伸速度為20,mm/min．

2 結(jié)果與分析

2.1 硬度對壓縮特性的影響

圖1為在果實大小、加載速度相同、且均為裸果的條件下，不同硬度甜瓜受壓后的力-變形曲線，曲線的斜率越大，變形隨力的變化越小，表明甜瓜的抗壓能力越強，反之，則抗壓能力越弱．由圖1可知，硬度較小的樣品受壓后的變形率較大，且較早出現(xiàn)生物屈服點，進入屈服狀態(tài)，但變形率差別不明顯．從破裂情況看，硬度最大的樣品破裂點出現(xiàn)最晚，對應(yīng)的破裂極限值最大．果實硬度可間接反映果實的成熟度，硬度值越小，表明果實的成熟度越高，其微觀組織越易發(fā)生表面破裂．

圖1 不同硬度壓縮特性的力–變形曲線Fig.1 Force-deformation curve of different hardness

2.2 不同部位對壓縮特性的影響

圖2為甜瓜不同部位受壓的壓縮特性曲線．在壓縮的過程中，加載的初始階段變形無任何規(guī)律，隨著加載的繼續(xù)，果梗橫向放置的試樣出現(xiàn)第一個拐點S3，即生物屈服點，依次為S2、S1，即生物屈服力最大的是果梗向上擺放的試樣，最后是果梗橫向擺放的試樣．繼續(xù)加載，出現(xiàn)了峰值點，即破裂點，依然是S3、S2、S1，且破裂力最大的還是果梗向上的甜瓜，而果梗橫向的甜瓜具有明顯的低破裂點．

圖2 不同部位果實的壓縮特性曲線Fig.2 Force-deformation curve of different site

2.3 緩沖材料對甜瓜壓縮特性的影響

圖3是對甜瓜采用緩沖材料包裝前后的壓縮特性曲線．如圖所示，在相同的加載速度下，用緩沖材料的包裝箱比沒有緩沖材料的包裝箱要有優(yōu)勢，包裝箱內(nèi)裝有緩沖材料的果實與沒有緩沖材料的果實相比，前者受壓的最大屈服極限比后者提高了20%～40%，且在相同的載荷下，前者的變形量較后者要小得多．緩沖材料通過泡孔中的氣體滯流和壓縮作用來吸收逸散能量，具有優(yōu)異的抗壓吸能性能，從而起到了減振緩沖、保護甜瓜的作用．從圖中可以看出，在相同加載速度下，EPS和EPE薄膜分別作為緩沖包裝材料時，前者果實受壓的最大屈服極限比后者增加了約20%，且果實的受損情況明顯減?。f明EPS是具有較好抗壓和復(fù)原性能的彈性材料，可用作果蔬理想的緩沖包裝材料．

圖3 緩沖材料對壓縮特性的影響Fig.3 Force-deformation curve of different cushion pack-Fig.3 aging

2.4 緩沖材料拉伸性能分析

圖4為對兩種材料的拉伸性能測試結(jié)果．

圖4 縱向拉伸力-變形曲線Fig.4 Longitudinal tensile strength-deformation curve

由圖4可以看出，EPE和EPS縱向拉伸時，曲線明顯分為兩部分：線性變形區(qū)和塑性變形區(qū)．開始時試樣不受力，試樣由自由狀態(tài)逐漸變?yōu)榭嚲o狀態(tài)，此后進入線性變形階段，自A1、A2進入塑性變形區(qū)，在第一個塑性變形階段材料發(fā)生屈服，可以看出A1明顯高于A2．這說明EPS的縱向拉伸強度高于EPE．在拉伸的過程中，隨著夾具之間距離的增大，試樣標線之間的薄膜在寬度上逐漸變?。跇司€以內(nèi)不斷形成多個新的應(yīng)力集中場，不斷出現(xiàn)新的局部變形，出現(xiàn)新的損傷場，塑性變形直到斷裂．薄膜的變形位置及斷裂位置與損傷場面積的大小和形狀有關(guān)，在單位面積上承受最大拉力處首先變形．再者，這兩種材料的力學(xué)性能與材料本身的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成密切相關(guān)，EPS分子質(zhì)量大于EPE，其分子間內(nèi)聚力大，分子間的引力增強，宏觀表現(xiàn)為EPS薄膜的整體物理機械性能提高，拉伸強度提高、撕裂強度提高．

3 結(jié) 論

(1)甜瓜的硬度對壓縮實驗有較大影響，隨著硬度的增大，其抗壓能力增強，破裂極限值增大，不易較早地進入損傷狀態(tài)，對這樣的甜瓜進行緩沖包裝可延長其貨架期．

(2)當(dāng)甜瓜果梗向上承壓時，其抗壓能力最強，因此裝箱時適宜果梗向上擺放．

(3)果實在裝有緩沖材料的包裝中受壓時，與在沒有緩沖材料的包裝中相比，其最大屈服極限提高了20%～40%，明顯改善果實受壓過程中的變形情況；EPS薄膜包裝箱與EPE薄膜包裝箱中甜瓜果實受壓情況相比，前者的最大屈服極限比后者增加了約20%，且EPS薄膜的變形恢復(fù)率高．

(4)EPS的縱向拉伸強度高于EPE，這與材料本身的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，宏觀表現(xiàn)為物理機械性能、撕裂強度均較高，用作緩沖材料時在很大程度上可減輕果實在堆積、裝卸等流通環(huán)節(jié)中機械脅迫導(dǎo)致的損傷．

［1］楊曉清，王春光. 河套蜜瓜機械特性與靜載損傷關(guān)系的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(3)：31–37.

［2］徐樹來，張守勤. 高壓處理蒜薹力學(xué)特性的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18(5)：202–205.

［3］王榮，魏德強，焦群英. 葡萄果實在壓縮載荷作用下的力學(xué)模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(10)：26–30.

［4］于新，李競，張維一. 哈密瓜常溫保鮮貯運技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2002，18(5)：187–192.

［5］Zhu Xinhua，Melrose J R. Time-dependent aspects of the mechanical properties of plant and vegetative tissues [J]. Journal of Materials Science，2003，38(11)：2489–2498.

［6］劉進華，李大綱，張立芳. 加載速率對低密度聚乙烯薄膜拉伸性能的影響[J]. 包裝工程，2005，26(5)：91–93.

Analysis on the Effect of Cushion Packing on Anti-Pressing Properties of Muskmelon under Static Loading

HU Ying-jun，LIU Hong-wei
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

Both the pressing curves and the strength curves of cushion materials were obtained respectively through of muskmelon under loading. The results show that cushion material may obviously reduce the damage degree of muskmelon compressed；on the same loading condition，the longitudinal strength intensity of the EPS material is superior to that of the EPE material. The max yield-limit values of muskmelon fruits compressed with EPS material packing is 20% higher than that with EPE material. The analysis may provide theory basis for the cushion packing design to prevent and reduce the fruit’s damage during storage and transportation process.

cushion packaging；muskmelon；compression；strength

TQ437＋.2； TS801.41

：A

：1672-6510(2010)05-0038-03

2010-05-26；

2010-07-08

呼英俊（1965—），男，河北張北人，副教授，hyjun@tust.edu.cn.