常用密度EPE的靜態(tài)壓縮緩沖特性試驗(yàn)研究

肖雯娟?郝陽(yáng)

【摘 要】本試驗(yàn)通過研究比較包裝設(shè)計(jì)中幾種常用密度（18kg/m3、22 kg/m3、25 kg/m3、28 kg/m3、35 kg/m3）的EPE靜態(tài)緩沖特性，分析了一體成型與多層復(fù)合EPE性能差異、不同廠家同密度EPE性能差別、同廠家不同密度EPE性能差別，為包裝設(shè)計(jì)者在進(jìn)行包裝緩沖設(shè)計(jì)時(shí)提供材料特性依據(jù)。以Cmin點(diǎn)設(shè)計(jì)襯墊厚度，一次成型相對(duì)于多層復(fù)合EPE可降低13%厚度；密度為25kg/m3的EPE相對(duì)于18 kg/m3可降低約9%厚度，密度為28kg/m3的EPE相對(duì)于22kg/m3可降低約4%厚度；不同廠家間生產(chǎn)的同密度EPE性能無(wú)明顯差異性，所得數(shù)據(jù)有普遍參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】EPE 密度 靜態(tài)壓縮緩沖特性 緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力曲線

聚乙烯泡沫塑料（EPE），是以低密度聚乙烯（LDPE）為主要原料積壓生成的高泡沫聚乙烯制品。EPE俗稱珍珠棉，是一種具有高強(qiáng)緩沖、抗震能力的新型環(huán)保發(fā)泡材料，具有質(zhì)輕、防潮、保溫、隔音、防摩擦、耐腐蝕等一系列優(yōu)越的使用特性，同時(shí)具有良好的加工性能及可回收再利用，是目前包裝設(shè)計(jì)中使用最為廣泛的緩沖材料之一。不論是緩沖材料的靜態(tài)壓縮還是動(dòng)態(tài)壓縮特性試驗(yàn)，有大量學(xué)者[1-4]進(jìn)行了不同角度研究，其中還包括能量法等理論運(yùn)用[5-6]。

緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力曲線是包裝緩沖設(shè)計(jì)中的重要參考指標(biāo)，而目前正式發(fā)布的緩沖材料C-σm 曲線[7]中關(guān)于EPE材料的參考較少，缺乏對(duì)包裝設(shè)計(jì)人員的足夠指導(dǎo)意義。有研究表明低密度（低于3.0lb/ft3，即48 kg/m3）EPE材料的緩沖性能隨著材料密度的下降而降低[8]，而幾種常用密度的EPE間到底性能差異如何是本文討論的重點(diǎn)。本試驗(yàn)通過靜態(tài)壓縮緩沖性能測(cè)試，比較了一次成型與多層復(fù)合EPE性能差異、同廠家的不同密度EPE性能差別以及不同廠家的同密度EPE性能差別。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品

本次試驗(yàn)選擇了廣東地區(qū)8家EPE生產(chǎn)廠家提供的5種常用密度EPE材料進(jìn)行分析，包含密度為18kg/m3、22kg/m3、25kg/m3、2kg/m3、35kg/m3的材料，基本囊括了目前市場(chǎng)常用的EPE密度。其中22kg/m3、28kg/m3、35kg/m3三種密度材料涵蓋一次成型（1#廠家提供）及多層復(fù)合兩類，其余密度材料為多層復(fù)合型。所有提供的EPE樣品標(biāo)稱尺寸均為200mm×200mm×50mm，其中多層復(fù)合型EPE的復(fù)合層數(shù)由5至8層不等，每層厚度由6.2mm-10mm不等。

每個(gè)廠家的每種密度EPE為一組試驗(yàn)樣品，共分為17組，如代號(hào)1-22代表1#生產(chǎn)廠家提供的密度為22kg/m3的EPE樣品，每組包含3個(gè)試樣。

1.2 預(yù)處理環(huán)境與試驗(yàn)環(huán)境

依據(jù)GB/T 4857.2-2005[9]的要求，所有樣品統(tǒng)一在（23±2）℃，（50±5）%RH的環(huán)境下進(jìn)行了24h以上預(yù)處理，并在同樣的環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法

依據(jù)GB/T 8168-2008[10] 對(duì)樣品進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，有研究表明對(duì)于EPE這種高彈泡沫材料，按A 法、B 法進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，其靜態(tài)壓縮特性比較接近[11]，故本次試驗(yàn)采用較為方便的方法A即樣品未經(jīng)預(yù)壓縮的方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用WDT-I-20型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行并自動(dòng)生成樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

每組試驗(yàn)3個(gè)樣品，以3條曲線中的中位數(shù)作為該組樣品的試驗(yàn)結(jié)果。取應(yīng)變?yōu)?0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，各組樣品的對(duì)應(yīng)應(yīng)力結(jié)果參見表1。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

對(duì)比一次成型材料（1#廠家）與多層復(fù)合材料（2#、4#廠家），試驗(yàn)組1-22與2-22、1-28與4-28、1-35與2-35的樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比分別如圖1-圖3。從圖中可以看出EPE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為3段，印證了“一般的發(fā)泡緩沖材料處于彈性、塑性和黏滯阻尼3種性能相交匯的流變狀態(tài)，從而表現(xiàn)出非線性的力學(xué)特征[12]”這一理論。

3.2 緩沖系數(shù)-最大靜應(yīng)力曲線繪制方法

緩沖包裝設(shè)計(jì)中常用公式h=CH/G[13]來(lái)計(jì)算緩沖襯墊的厚度，其中C是材料的緩沖系數(shù)，H是產(chǎn)品的跌落高度，G是被包裝產(chǎn)品的脆值。由公式可知，為了節(jié)省緩沖材料的用量，通常選擇材料緩沖系數(shù)的最低點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)包裝。將材料的σ-ε曲線分成若干曲邊三角形，使用origin軟件[14]計(jì)算各區(qū)域面積，求得材料相應(yīng)的彈性比能u，利用公式C=σm/u[15]可得出材料對(duì)應(yīng)不同應(yīng)力點(diǎn)的緩沖系數(shù)，再用origin繪制出材料的緩沖系數(shù)-最大靜應(yīng)力曲線（C-σm曲線）。

3.3 各組樣品的緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力（C-σm）曲線

（1）一次成型vs.多層復(fù)合EPE的C-σm曲線見圖4-6。

（2）同廠家的不同密度EPE的C-σm曲線見圖7-圖11，其中18kg/m3 vs.25kg/m3 EPE的曲線圖見圖7-圖8，22kg/m3 vs.28kg/m3 EPE的曲線圖見圖9-圖11。

3.4 常用密度EPE的C-σm曲線對(duì)比圖

對(duì)不同廠家同密度EPE靜態(tài)壓縮曲線中σ-ε值取平均，利用origin擬合成一條新的σ-ε曲線，并繪制成該密度EPE的C-σm曲線，由此得到幾種常用密度：18kg/m3、22kg/m3、25kg/m3、28kg/m3、35kg/m3EPE的C-σm曲線如圖16所示，曲線底部放大圖如圖17所示。由于一次成型與多層復(fù)合EPE性能存在明顯差異，對(duì)比圖中只采用多層復(fù)合樣品分析。

3.5 各組樣品的C-σm曲線最低點(diǎn)取值（如表2所示）。

4 分析

4.1 一次成型與多層復(fù)合EPE性能差異

聚乙烯發(fā)泡塑料是非交聯(lián)閉孔結(jié)構(gòu)，由低密度聚乙烯脂經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無(wú)數(shù)的獨(dú)立氣泡構(gòu)成。由表1中的數(shù)據(jù)可看出1#廠家的樣品（一次成型）與同密度的其他廠家的樣品（多層復(fù)合）對(duì)比，在低應(yīng)變范圍內(nèi)（應(yīng)變<50%），一次成型EPE所承受的應(yīng)力普遍要比多層復(fù)合EPE高（平均高20%左右），且應(yīng)變?cè)叫?，一次成型EPE的承壓優(yōu)勢(shì)越為明顯；而當(dāng)應(yīng)變>50%時(shí)，因材料中部分泡孔壁受壓破裂，氣體沖出獨(dú)立氣泡，材料被逐漸壓實(shí)，多層復(fù)合EPE承受的應(yīng)力逐漸接近甚至超過一次成型EPE，這在圖1、圖2、圖3中也能得到比較直觀的表現(xiàn)。從圖4、圖5、圖6可以看出，一次成型EPE的Cmin要比多層復(fù)合EPE小，以緩沖系數(shù)C的最低點(diǎn)設(shè)計(jì)襯墊厚度能節(jié)約10%～15%材料。

4.2 同廠家不同密度EPE性能差別

由圖7-圖11的18kg/m3 vs.25kg/m3、22kg/m3 vs.28kg/m3的C-σm曲線圖及表2中相應(yīng)試驗(yàn)組的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，同生產(chǎn)廠家的樣品，除去生產(chǎn)工藝及原材料問題的影響，密度25kg/m3 EPE的Cmin要比18kg/m3的材料平均低約9%，而密度28kg/m3與密度22kg/m3EPE相比曲線比較接近，Cmin差異約為4%，也即能節(jié)約的材料厚度用量。

結(jié)語(yǔ)

包裝材料的緩沖性能研究包括靜態(tài)壓縮及動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)法，由于包裝在流通過程中必然會(huì)進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)堆碼及搬運(yùn)沖擊，緩沖材料受到的外力影響同時(shí)包括靜態(tài)壓縮及瞬時(shí)沖擊，兩種研究方式都適用。但對(duì)于傳統(tǒng)的緩沖性能動(dòng)態(tài)研究法，需用到專業(yè)的重錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，價(jià)格比較高昂，且實(shí)驗(yàn)需要反復(fù)改變重錘的質(zhì)量、跌落高度及樣品厚度，操作過程繁瑣，工作量較大，在一般企業(yè)中難以實(shí)施。相對(duì)于動(dòng)態(tài)沖擊，靜態(tài)壓縮試驗(yàn)法較為簡(jiǎn)單，成本投入也更低，更適用于實(shí)際使用。

通過本實(shí)驗(yàn)研究，可見材料的密度對(duì)其緩沖性能有直接影響。在一定范圍內(nèi)，密度大的泡沫塑料由于材料彈性比能大，壓縮變形時(shí)能吸收的能量更多，也即材料的緩沖性能更好。隨著選擇的EPE密度增加，材料用量將下降。

另外通過橫向比較，不同廠家生產(chǎn)的同密度EPE靜態(tài)緩沖性能沒有很明顯的差異（最小C差異在10%以內(nèi)），可見廣東地區(qū)EPE廠家的產(chǎn)品性能相對(duì)穩(wěn)定。在企業(yè)無(wú)法針對(duì)每款材料進(jìn)行性能研究的前提下，本次緩沖特性研究數(shù)據(jù)有普遍參考價(jià)值。

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