淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料動態(tài)沖擊性能研究

高文華，壽夢偉，陶連豪，宋海燕，王立軍

裝備防護

淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料動態(tài)沖擊性能研究

高文華1,2，壽夢偉1，陶連豪1，宋海燕1,2，王立軍1,2

（1.天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津 300457；2.中國輕工業(yè)食品包裝材料與技術重點實驗室，天津 300457）

研究不同初始應變率和濕度條件下，淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料的動態(tài)沖擊性能，并構建基于濕度及應變率的動態(tài)本構模型。應用沖擊試驗機對淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料進行不同初始應變率及相對濕度下的動態(tài)沖擊實驗，得到其應力–應變曲線，并構建動態(tài)本構模型。動態(tài)沖擊下，材料的應變率效應較為明顯，該材料的應力和能量吸收隨著初始應變率的增加而增加。在相對濕度為50%的條件下，當應變?yōu)?.6時，隨著初始應變率由30 s?1分別增加至34.6、38.6 s?1，材料的應力分別增加了36.1%和50.4%，能量吸收分別增加了25.8%、36.4%。該材料對環(huán)境濕度較為敏感，該材料動態(tài)沖擊力學性能隨著相對濕度的增加顯著降低，在初始應變率為38.6 s?1條件下，當應變?yōu)?.6時，隨著相對濕度由50%增加到70%、90%，該材料的應力分別下降了9.7%和11.3%。另外，構建了基于初始應變率和濕度的淀粉/PP基發(fā)泡材料的動態(tài)沖擊本構模型。初始應變率與濕度對材料的緩沖性能有一定的影響?；诔跏紤兟屎拖鄬穸鹊膭討B(tài)沖擊本構模型，通過實驗進行了驗證，實驗數據和本構模型一致性較好，該本構模型可用于預測該材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線。

緩沖包裝材料；應力–應變曲線；初始應變率；相對濕度；本構模型

隨著限塑令的持續(xù)推行，石油基發(fā)泡緩沖包裝材料將逐漸被限制使用，開發(fā)綠色環(huán)?？山到饩彌_包裝材料成為了運輸包裝領域研究的熱點[1-2]。淀粉基發(fā)泡材料可完全降解，成本較低，在運輸包裝領域具有較好的應用前景[3]。純淀粉基發(fā)泡材料彈性及緩沖性能較差，添加聚丙烯（PP）成分能有效提高其回彈性和力學性能。淀粉/PP基發(fā)泡材料可部分降解，在一定程度上減少了對環(huán)境的污染。淀粉基發(fā)泡粒適用性廣，對異性產品也具有很好的適用性，可實現快速包裝成型，目前被廣泛應用在日化用品、電子產品、藥品等產品的運輸包裝上[4]，具有廣闊的應用前景。

目前，國內外學者對淀粉基發(fā)泡緩沖材料的制備及其性能表征進行了研究[5-10]。通過加入少量熱塑性高分子來改善淀粉的回彈性和吸水性，獲得了最佳配比，研究了發(fā)泡倍率、甘油添加量等生產工藝對淀粉基發(fā)泡材料性能的影響。Meng等[11]通過研究表明聚乙烯亞胺可有效改善淀粉基發(fā)泡材料的性能。研究表明環(huán)境濕度對淀粉基緩沖包裝材料的力學性能具有一定的影響，Lamb等[12]對淀粉基發(fā)泡緩沖包裝材料的力學性能進行了研究，分析了極端溫度和極端濕度對其緩沖性能的影響，對淀粉基發(fā)泡緩沖包裝材料的研發(fā)以及包裝設計具有較大的指導價值。盧子興等[13]研究了聚氨酯發(fā)泡粒的動態(tài)沖擊性能，得到了高應變率下的應力–應變曲線。緩沖包裝材料的本構模型可用以預測其性能，目前關于本構模型[14]學者們進行了較為深入的研究。其中，鄭夢晨等[15]采用正弦正切函數組合構建瓦楞紙板本構方程，高德等[16]基于植物秸稈纖維聚氨酯復合緩沖包裝材料的靜態(tài)壓縮試驗，考慮了材料密度及應變率影響因素，建立了該材料的靜態(tài)壓縮本構關系模型，用數值計算方法識別了模型參數。

基于物流運輸背景，產品包裝件跌落現象時有發(fā)生，并且環(huán)境濕度隨地區(qū)在不斷地發(fā)生變化。本文以淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料為研究對象，旨在探究不同中等應變率和濕度對其動態(tài)緩沖性能的影響規(guī)律，并構建該材料的動態(tài)本構模型。本研究對淀粉/PP基緩沖發(fā)泡材料的緩沖包裝設計具有一定的指導價值。

1 實驗

1.1 材料與設備

實驗樣品由廣州市天乙合成材料有限公司提供，其中PP質量分數為17%，密度為0.057 g/cm3，如圖1所示。散狀發(fā)泡粒可實現快速包裝，對異型產品具有較好的適用性。

研究中所用恒溫恒濕箱型號為ETH–408–40– CP–AR，由巨貿儀器（北京）有限公司生產。沖擊實驗所用設備為DY–3沖擊試驗機。

圖1 實驗材料

1.2 方法

首先，參照GB/T4857.2－2005《包裝－運輸包裝件基本試驗第—2部分：溫濕度調節(jié)》[17]。對實驗樣品進行溫濕度預處理。溫度為23 ℃，相對濕度分別為50%、70%、90%，處理時間為24 h。

然后，參照GB/T 8167—2008《包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗方法》[18]對經溫濕度處理后的實驗樣品進行不同高度下的動態(tài)沖擊實驗，探究初始應變率和相對濕度對材料動態(tài)緩沖性能的影響。具體方法：將實驗樣品均勻分層碼放在一個直徑為15 cm的剛性容器中，實驗樣品總厚度約為10 cm。跌落高度分別設置為46、61、76 cm，對應的初始應變率分別為30.0、34.6、38.6 s?1，重錘質量為10 kg。實驗在樣品從恒溫恒濕箱取出后5 min內完成。通過實驗獲得材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線，進而通過計算得到材料的能量吸收，見式（1）。設置3次平行實驗，取3次實驗結果的平均值進行分析。

式中：0為當前積分點的應變值；為材料的吸能；為應力；為應變。

2 結果與分析

2.1 淀粉/PP基發(fā)泡材料應變率效應

圖2為淀粉/PP基發(fā)泡包裝緩沖材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線。相同濕度下，材料的應力隨著初始應變率的增加而增加，表明該材料具有較為明顯的應變率效應。當應變?yōu)?.6時，隨著初始應變率由30.0 s?1分別增加至34.6、38.6 s?1，在相對濕度為50%條件下，應力分別增加了36.1%和50.4%；在相對濕度為70%的條件下應力分別增加了23.7%和26.5%；在相對濕度為90%條件下應力分別增加了25.2%和43.9%。由分析可知，初始應變率對材料的動態(tài)沖擊性能有一定的影響。

圖2 淀粉/PP基發(fā)泡材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線

在相對濕度為50%的條件下，淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料在不同初始應變率的能量吸收曲線如圖3所示?？芍敐穸纫欢〞r，隨著初始應變率的增大，材料的吸能也逐漸增強。當應變?yōu)?.6時，隨著初始應變率由30.0 s?1分別增加到34.6、38.6 s?1，材料吸收的能量分別增加了25.8%、36.4%。

圖3 相對濕度為50%時材料的能量吸收曲線

相關研究表明軟質聚氨酯發(fā)泡塑料、硬質聚氨酯發(fā)泡塑料、蜂窩紙板等胞壁類緩沖包裝材料也具有明顯的應變率效應[19-21]，與本文實驗結果一致。對胞壁類材料來說，當材料被壓縮時，胞元內的流體被擠壓。要克服流體與胞壁之間的摩擦，需要施加更多的外力。應變率越高，這種外力所做的功也就越大，從而導致應力及能量吸收增加。

2.2 濕度對材料動態(tài)緩沖性能的影響

圖4為不同濕度下材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線，初始應變率為38.6 s?1。由4圖可知，隨著相對濕度的增加，應力–應變曲線呈向下移動的趨勢。當應變相同時，濕度越大對應的應力越小。應變?yōu)?.6時，當相對濕度由50%分別增加至70%、90%時，對應的應力分別降低了9.7%和11.3%。

3 動態(tài)沖擊本構模型構建

3.1 本構模型中形狀函數構建

本文以溫度為23 ℃、相對濕度為50%、應變率為30.0 s?1的條件下的數據為參考值，建立該材料關于應變率的本構方程。首先建立本構方程的形狀函數。根據應力–應變曲線特征用e指數函數來構建形狀函數，如式（2）所示。

圖4 不同相對濕度下應力–應變曲線

=e(2)

式中，、為常數。

以初始應變率30.0 s?1曲線為基準，基于最小二乘法對形狀函數進行參數擬合，結果圖5所示。由圖5可知，擬合度為98.81%，擬合效果較好，參數和分別為0.007 54和3.81。

圖5 實驗數據與模型結果對比

3.2 本構模型中應變率項構建

結合形狀函數，引入應變率影響項，如式（3）所示。

相對濕度為50%、應變率為0.05 s?1的應力–應變曲線采用最小二乘法對應變率函數進行參數擬合，可得參數和分別為3.71和?0.095 221。

相對濕度為50%條件下關于應變率的本構方程如式（4）所示：

在相對濕度為50%條件下，用建立的本構模型（4）對初始應變率為34.6 s?1和38.6 s?1下材料的應力–應變曲線實驗數據進行擬合，來對所建立的應變率項公式進行驗證。擬合結果如圖6所示，效果較好，圖6a和圖6b的擬合度分別為99.38%和99.61%。結果驗證了所建立的應變率項公式的正確性。

3.3 本構模型中濕度項構建

探究濕度對淀粉/PP基發(fā)泡材料力學性能的影響。在同一應變條件下，觀察不同濕度下的應力值變化趨勢，并將30.0 s?1應變率下，相對濕度為50%的應力分別與相對濕度為70%、90%的應力相比，得到在不同濕度條件下應力降低倍數，結果如圖7所示。

圖7 應力降低倍數與應變關系

由圖7可以發(fā)現在同一濕度條件下，應力降低倍數并未發(fā)生較大的波動。相對濕度為50%、70%和90%下的應力降低倍數平均值分別為1.0、1.1和1.1。采用不同應變下應力降低倍數的平均值來描述同一濕度下力學性能降低的變化趨勢。選用指數函數作為該材料本構模型的濕度影響項，表達式如式（5）所示。

式中：為需要擬合的參數；為相對濕度；0為參考濕度（50%）。

基于最小二乘法對參數進行擬合，最終結果為=0.141 9，濕度項的擬合結果和實驗數據的對比如圖8所示，擬合度為92.86%。表明擬合結果和試驗數據具有較好的一致性，驗證了所構建濕度項的正確性。

圖8 濕度項擬合結果和試驗數據對比

以淀粉基緩沖材料的應力–應變曲線為參考，計算較高濕度條件下應力–應變數據，最終的本構模型為濕度項的倒數，如式（6）所示。

3.4 本構模型驗證

根據構建的本構方程（6）分別對初始應變率為34.6 s?1、相對濕度為50%，初始應變率為38.6 s?1、相對濕度為70%，初始應變率為38.6 s?1、相對濕度為90%條件下的應力–應變曲線進行擬合，取得了較好的擬合效果，結果如圖9所示。其中圖9a、圖9b、圖9c的擬合度分別達到了99.38%，99.67%，99.81%。結果說明構建的本構模型可用于淀粉基/PP發(fā)泡材料在不同相對濕度和初始應變率下的動態(tài)沖擊應力–應變曲線的預測，所構建本構模型的正確性得到了驗證。

圖9 不同條件下實驗數據與模型值對比

4 結語

本文研究了初始應變率和相對濕度對淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料動態(tài)沖擊性能的影響，基于此構建了淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料的動態(tài)沖擊本構模型，結論如下：

1）動態(tài)沖擊下淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料具有較為明顯的應變率效應，其應力和能量吸收隨著初始應變率的增加而增加。在相對濕度為50%條件下，當應變?yōu)?.6時，隨著初始應變率由30 s?1分別增加至34.6、38.6 s?1，材料的應力分別增加了36.1%和50.4%，能量吸收分別增加了25.8%、36.4%。

2）淀粉/PP基發(fā)泡緩沖包裝材料對環(huán)境濕度較為敏感，其動態(tài)沖擊的應力和能量吸收隨著相對濕度的增加而降低。在初始應變率為38.6 s?1條件下，當應變?yōu)?.6時，隨著相對濕度由50%增加到70%、90%，該材料的應力分別下降了9.7%和11.3%。

3）建立了基于初始應變率和相對濕度的動態(tài)沖擊本構模型，并通過實驗進行了驗證。實驗數據和本構模型一致性較好，該本構模型可用于預測不同初始應變率和濕度下該材料的動態(tài)沖擊應力–應變曲線。

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Dynamic Impact Properties of Starch/PP Foam Cushioning Packaging Materials

GAO Wen-hua1,2, SHOU Meng-wei1, TAO Lian-hao1, SONG Hai-yan1,2, WANG Li-jun1,2

(1. School of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. Key Laboratory of Food Packaging Materials and Technology of China Light Industry, Tianjin 300457, China)

The work aims to study the dynamic impact properties of starch/polypropylene (PP) foam cushioning packaging material under different initial strain rates and relative humidity and construct the dynamic constitutive model based on humidity and strain rate. The stress-strain curves were obtained through the dynamic impact experiments on starch/PP foam cushioning packaging material by impact test machine under different initial strain rates and relative humidity and the dynamic constitutive model was constructed. The effect of strain rate was significant under dynamic impact and the stress and energy absorption increased obviously as the initial strain rate increased. The material stress increased by 36.1% and 50.4% and the energy absorption increased by 25.8% and 36.4% as the initial strain rate increased from 30 s?1to 34.6 and 38.6 s?1when the strain was 0.6 under RH50%. The material was sensitive to humidity. The dynamic impact properties declined as the relative humidity increased. The stress decreased by 9.7% and 11.3% as the humidity increased from 50% to 70% and 90% when the strain was 0.6 under initial strain rate of 38.6 s?1. Based on the above analysis, the dynamic impact constitutive model of starch/PP foam cushioning packaging material was constructed based on initial strain rate and relative humidity. The initial strain rate and humidity have a certain impact on the cushioning performance of the material. The dynamic impact constitutive model based on the initial strain rate and relative humidity is verified by experiments. The experimental data are in good agreement with the constitutive model, and the constitutive model can be used to predict the dynamic impact stress-strain curve of the material.

cushioning packaging material; stress-strain curve; initial strain rate; relative humidity; constitutive model

TB484.9

A

1001-3563(2023)13-0261-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.031

2023?04?13

國家自然科學基金（32202116）；天津市科技計劃項目（21YDTPJC00480）

高文華（1979—），女，碩士，講師，主要研究方向為功能性紙包裝材料。

王立軍（1990—），女，博士，講師，主要研究方向為運輸包裝動力學。

責任編輯：曾鈺嬋