第二章 缓冲材料及其缓冲特性(运输包装)

1、运运 输输 包包 装装 食品科技学院食品科技学院 刘冰刘冰运输运输包装包装第二章第二章 缓冲包装材料及其缓冲特性缓冲包装材料及其缓冲特性第一节第一节 常用缓冲材料常用缓冲材料1第二节第二节 缓冲材料的力学特性缓冲材料的力学特性2第三节第三节 组合材料的力学特性组合材料的力学特性3第四节第四节 缓冲效率和缓冲系数缓冲效率和缓冲系数4第五节第五节 缓冲特性曲线缓冲特性曲线5第六节第六节 缓冲材料的全面评价缓冲材料的全面评价6运输运输包装包装第一节第一节 常用缓冲包装材料常用缓冲包装材料1 1 塑料缓冲材料塑料缓冲材料1.1 1.1 分类分类按结构分按结构分 泡沫塑料（还可按发泡方法细分，表泡沫塑料

2、（还可按发泡方法细分，表6-56-5） 气垫塑料薄膜。气垫塑料薄膜。按塑料树脂分按塑料树脂分 热塑性泡沫塑料（热塑性泡沫塑料（PE,PP,PS,PVCPE,PP,PS,PVC等）等） 热固性泡沫塑料（热固性泡沫塑料（PU,PU,酚醛泡沫等）酚醛泡沫等）按发泡方法和工艺不同形成的孔结构分按发泡方法和工艺不同形成的孔结构分 开孔开孔 闭孔闭孔 混合型混合型按泡孔现状分按泡孔现状分 球形球形 椭球形（椭球长度方向的压缩强度和弹性模量椭球形（椭球长度方向的压缩强度和弹性模量 比短轴方向大比短轴方向大2 2倍）倍） 运输运输包装包装按孔径分按孔径分 大泡孔（直径大于大泡孔（直径大于0.5mm) 0.5m

3、m) 小泡孔（直径大于小泡孔（直径大于0.25mm)0.25mm)按泡沫密度分按泡沫密度分 低发泡（密度低发泡（密度0.4g/cm ,0.4g/cm ,气体与固体之比气体与固体之比1.51.5） 中发泡（密度中发泡（密度=0.1-0.4g/cm , =0.1-0.4g/cm , 气体与固体之比气体与固体之比 为为1.5-9 1.5-9 ） 高发泡（密度高发泡（密度0.1g/cm 99）按泡沫体的硬度分按泡沫体的硬度分 硬质泡沫塑料（弹性模量硬质泡沫塑料（弹性模量700kPa)700kPa) 半硬质泡沫塑料（弹性模量在半硬质泡沫塑料（弹性模量在70-700kPa70-700kPa之间之间) )

4、软质泡沫塑料（弹性模量软质泡沫塑料（弹性模量70kPa)E2E1E2，由上式，由上式 即即 EE2EE2 即即 EE1 EE1 E2EE1E2EE2E1E2，E E E E E E2 2EEEE1 1 运输运输包装包装2.2.非线弹性材料。非线弹性材料。曲线（曲线（1 1）和曲线（）和曲线（2 2）分别为两种材料的应力）分别为两种材料的应力应变曲线，应变曲线，并列组合的应力并列组合的应力应变曲线可按如下方法求得。联接同一应应变曲线可按如下方法求得。联接同一应变坐标下曲线（变坐标下曲线（1 1）和曲线（）和曲线（2 2）上的对应点；得线段）上的对应点；得线段aaaa，bbbb，cccc，依据（，

5、依据（5-185-18）式，将各线段按）式，将各线段按：的比的比例分割，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的应力应变曲线。应变曲线。运输运输包装包装结论：结论：组合设计的缓冲效果，其对应的等效弹性模量与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，数值大小介于两两种原始材料的弹性模量有关，数值大小介于两者之间。者之间。组合后的应力组合后的应力应变曲线介于两种原始应变曲线介于两种原始材料的应力材料的应力应变曲线之间。应变曲线之间。等效弹性模量的大小与两种原始材料的结构尺寸等效弹性模量的大小与两种原始材料的

6、结构尺寸有关，通过改变原始材料的结构尺寸有关，可以有关，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。使等效弹性模量的数值在取值范围内连续变化。运输运输包装包装第四节第四节 缓冲效率和缓冲系数缓冲效率和缓冲系数一、缓冲效率一、缓冲效率缓冲包装材料非线性变形曲线缓冲包装材料非线性变形曲线运输运输包装包装 假设缓冲材料是立方体，受力面垂直于外力假设缓冲材料是立方体，受力面垂直于外力F F，原始厚度为，原始厚度为T T。缓冲材料在力缓冲材料在力F F作用下的变形能作用下的变形能E E为：为： 缓冲效率缓冲效率：压缩状态下单位厚度的缓冲包装材料所吸收的：压缩状态下单位厚

7、度的缓冲包装材料所吸收的能量（能量（E/T)E/T)与压缩载荷之比。与压缩载荷之比。理想缓冲效率理想缓冲效率：压缩变形极限时，缓冲包装材料单位变：压缩变形极限时，缓冲包装材料单位变形量所吸收的能量形量所吸收的能量(E/db)(E/db)与压缩载荷之比。与压缩载荷之比。运输运输包装包装 缓冲材料的结构需要满足：缓冲材料的结构需要满足：u 单位体积的吸收能要大单位体积的吸收能要大u 材料给予内装产品的作用力要小材料给予内装产品的作用力要小因此，要求缓冲效率要大。因此，要求缓冲效率要大。 运输运输包装包装二、缓冲系数二、缓冲系数 缓冲系数是表示缓冲材料特性的一个重要参数，对缓冲系数是表示缓冲材料特性

8、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。材料的缓冲系数进行。缓冲系数与缓冲效率互为倒数关系缓冲系数与缓冲效率互为倒数关系运输运输包装包装运输运输包装包装缓冲系数的物理意义缓冲系数的物理意义：缓冲材料的应力与该应力：缓冲材料的应力与该应力下下单位体积缓冲材料吸收的能量单位体积缓冲材料吸收的能量之比。之比。材料应力应变曲线下的曲边三角形的面积材料应力应变曲线下的曲边三角形的面积运输运输包装包装第五节第五节 缓冲特性曲线缓冲特性曲线静态缓冲特性曲线静态缓冲特性曲线一一动态缓冲特性曲线动态缓冲特性曲线二二 材料的

9、缓冲系数是通过试验测得的，通常材料的缓冲系数是通过试验测得的，通常使用的方法有使用的方法有静态压缩试验静态压缩试验方法和方法和动态压缩动态压缩试验试验方法。得到的曲线分别为方法。得到的曲线分别为静态缓冲特性静态缓冲特性曲线曲线和和动态缓冲特性曲线动态缓冲特性曲线。运输运输包装包装缓冲系数缓冲系数应力曲线应力曲线应力应力应变应变曲线曲线力力变形变形曲线曲线缓冲系数缓冲系数变形能变形能曲线曲线缓冲系数缓冲系数应变应变曲线曲线一、静态缓冲特性曲线 在材料的应力在材料的应力- -应变曲线取不同应变曲线取不同的点，有不同的最大应力，不同的的点，有不同的最大应力，不同的最大应力又有不同的缓冲系数。因最大应

10、力又有不同的缓冲系数。因此，缓冲系数不是常数，而是最大此，缓冲系数不是常数，而是最大应力的函数，这个函数的曲线称为应力的函数，这个函数的曲线称为缓冲系数最大应力曲线缓冲系数最大应力曲线。运输运输包装包装（一）静态压缩试验（一）静态压缩试验压力试验机压力试验机采用在缓冲包装采用在缓冲包装材料上低速施加材料上低速施加压缩载荷的方法压缩载荷的方法而求得缓冲包装而求得缓冲包装材料的静态压缩材料的静态压缩特性及其曲线。特性及其曲线。 试验原理试验原理1、试验原理运输运输包装包装v试样的制作与处理试样的制作与处理 试验前试验前24h24h以上的温湿度调节处理以上的温湿度调节处理 抽取试样抽取试样每组不小于

11、每组不小于5 5个个 试样的大小试样的大小直方体形状，面积不小于直方体形状，面积不小于10cm10cm* *10cm10cm，厚度不小于，厚度不小于2.5cm2.5cm2、试验方法运输运输包装包装 在电子万能材料试在电子万能材料试验机上以（验机上以（12123 3）mm/minmm/min的速度沿厚度的速度沿厚度方向对试样逐渐增加方向对试样逐渐增加载荷。载荷。静态压缩静态压缩测试方法测试方法运输运输包装包装测量并记录压缩应变测量并记录压缩应变及其增量及其增量测量并记录与应变对应的压缩应力测量并记录与应变对应的压缩应力及增量及增量计算变形能增量计算变形能增量e e及压缩应力对应的及压缩应力对应的

12、变形能变形能e e计算计算 /e/e，得到缓冲系数，得到缓冲系数C CC C曲线、曲线、C Ce e曲线、曲线、C C曲线曲线3、绘制曲线运输运输包装包装（二）静态缓冲特性曲线（二）静态缓冲特性曲线缓冲系数缓冲系数C最大应力最大应力m m曲线曲线运输运输包装包装二、动态缓冲特性曲线二、动态缓冲特性曲线动态试验过程中，机械能守恒，则：动态试验过程中，机械能守恒，则：缓冲系数：缓冲系数： 其中：其中：运输运输包装包装 在在H H和和h h取定后，取定后，GmGm和和 都只是都只是 的函数，上面这的函数，上面这个参数方程建立了个参数方程建立了GmGm和和 之间的函数关系，方程的曲线之间的函数关系，方

13、程的曲线称为称为最大加速度静应力曲线。最大加速度静应力曲线。 在绘制最大加速度静应力曲线时，先要固定跌落高度，在绘制最大加速度静应力曲线时，先要固定跌落高度，取不同的衬垫厚度建立参数方程，每取一个衬垫厚度，就取不同的衬垫厚度建立参数方程，每取一个衬垫厚度，就有一个对应的曲线，在同一跌落高度下，曲线是一个曲线有一个对应的曲线，在同一跌落高度下，曲线是一个曲线族。取不同的跌落高度绘出的曲线族是不同的。族。取不同的跌落高度绘出的曲线族是不同的。 运输运输包装包装 已知材料的缓冲系数最大应力曲线，就可以已知材料的缓冲系数最大应力曲线，就可以绘出最大加速度静应力曲线，反之亦然。两者可绘出最大加速度静应力

14、曲线，反之亦然。两者可以互相变换。以互相变换。 一种材料只有一条缓冲系数最大应力曲线，一种材料只有一条缓冲系数最大应力曲线，而最大加速度静应力曲线是一个跌落高度一张图，而最大加速度静应力曲线是一个跌落高度一张图，一张图上一个厚度一条曲线。一张图上一个厚度一条曲线。运输运输包装包装（一）动态缓冲测试（一）动态缓冲测试 动态压缩试验原理图动态压缩试验原理图测试原理测试原理用自由跌落的重锤用自由跌落的重锤对缓冲包装材料施对缓冲包装材料施加冲击载荷，模拟加冲击载荷，模拟装卸、运输过程中装卸、运输过程中缓冲包装材料受到缓冲包装材料受到的冲击作用，求得的冲击作用，求得缓冲包装材料的动缓冲包装材料的动态缓冲

15、特性及曲线态缓冲特性及曲线运输运输包装包装动态压缩特性测试动态压缩特性测试- -测试系统测试系统底底 座座试样M电荷放电荷放大器大器模拟低通模拟低通滤波器滤波器A/D 转转换器换器计计算算机机测速装置测速装置计数器计数器采集指令数据采集与处理系统数据采集与处理系统缓冲试验机缓冲试验机重锤重锤导柱导柱加速度传感器加速度传感器运输运输包装包装动态压缩特性测试动态压缩特性测试- -试验设备试验设备运输运输包装包装动态压缩特性测试动态压缩特性测试测试方法测试方法v试样的制作与处理试样的制作与处理 试验前试验前24h24h以上的温湿度调节处理以上的温湿度调节处理 抽取试样抽取试样每组不小于每组不小于5

16、5个个 试样的大小试样的大小直方体形状，厚度不小于直方体形状，厚度不小于2.5cm2.5cm 试样尺寸的测量试样尺寸的测量运输运输包装包装动态压缩特性测试动态压缩特性测试测试方法测试方法v试验步骤试验步骤将试样放置在缓冲试验机的底座中心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，记录每落下，冲击试样，连续冲击五次，记录每次冲击的加速度次冲击的加速度时间曲线，取后时间曲线，取后4次的最次的最大加速度平均值为该试样的最大冲击加速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。度。每个载荷至少

17、取五个试样。2改变砝码质量，至少选择改变砝码质量，至少选择5种以上的重锤种以上的重锤重量进行试验。重量进行试验。1 3运输运输包装包装动态压缩特性测试动态压缩特性测试缓冲特性曲线缓冲特性曲线 发泡聚乙烯的发泡聚乙烯的Gm-stst曲线曲线 返回返回运输运输包装包装三、影响缓冲系数的因素三、影响缓冲系数的因素1 压缩速度压缩速度 动态压缩加载速率动态压缩加载速率大，材料形变速率是大，材料形变速率是静态压缩的静态压缩的1.7万倍，万倍，材料内部阻尼增大，材料内部阻尼增大，得到的缓冲系数有一得到的缓冲系数有一定差异。定差异。 动态与静态缓冲系数的差别动态与静态缓冲系数的差别运输运输包装包装影响缓冲系

18、数的因素影响缓冲系数的因素2 温温 度度 缓冲包装材料的缓冲包装材料的应力应力-应变曲线与温应变曲线与温度有关，温度不同，度有关，温度不同，得到的缓冲系数得到的缓冲系数-最最大应力曲线也不同。大应力曲线也不同。温度对缓冲系数的影响温度对缓冲系数的影响运输运输包装包装影响缓冲系数的因素影响缓冲系数的因素3 预处理预处理 试样在试验前的试样在试验前的预处理处理，对缓冲预处理处理，对缓冲包装材料的尺寸以及包装材料的尺寸以及应力应力- -应变曲线，缓应变曲线，缓冲特性曲线都有影响。冲特性曲线都有影响。预处理对缓冲系数的影响预处理对缓冲系数的影响运输运输包装包装第六节第六节 缓冲材料的全面评价缓冲材料的

19、全面评价1 1 冲击能量的吸收性冲击能量的吸收性有效地减少传递到内装产品上的冲击。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、冲综合考虑材料、体积、产品重量、冲击力的大小击力的大小吸收能量与冲击能量相适应。吸收能量与冲击能量相适应。 弹性大的硬性材料，吸能多弹性大的硬性材料，吸能多产品重量大、受冲击力大的场合。产品重量大、受冲击力大的场合。 弹性小的软性材料，吸能少弹性小的软性材料，吸能少产品比重小、受冲击力小的场合。产品比重小、受冲击力小的场合。 2 2 振动能量的吸收性振动能量的吸收性避免共振避免共振

20、缓冲材料的传递率缓冲材料的传递率Tr Tr 材料的成分、密度、工艺条件、温度材料的成分、密度、工艺条件、温度 阻尼阻尼将材料的振动能量转化为热能和塑性形变将材料的振动能量转化为热能和塑性形变 能能, ,形成对振动的衰减形成对振动的衰减 。 缓冲材料名称缓冲材料名称 阻尼比阻尼比 聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料 0.08-0.200.08-0.20 聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料 0.10-0.500.10-0.50 橡胶橡胶 0.02-0.160.02-0.16 硅橡胶硅橡胶 0.11-0.230.11-0.23 钢质螺旋弹簧钢质螺旋弹簧 0.008-0.0160.008-0.

21、016 运输运输包装包装3 3 回弹性回弹性 定义定义缓冲材料在受冲击和振动的情况下缓冲材料在受冲击和振动的情况下, ,具备的恢复原来具备的恢复原来尺寸和形状的能力尺寸和形状的能力, ,称为回弹性。称为回弹性。 回弹性差的材料回弹性差的材料 几次冲击后几次冲击后结构尺寸变化较大结构尺寸变化较大影响缓冲影响缓冲性能性能破损；破损； 几次冲击后几次冲击后材料尺寸变小材料尺寸变小, ,空隙加大空隙加大二次二次冲击冲击破损。破损。 吸收能量大而回弹性能差的材料吸收能量大而回弹性能差的材料, ,一般不宜作缓冲材料。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回弹性差的材料可用于仅发生

22、一次大冲击的场合, ,利用塑性变利用塑性变形吸收冲击能量。形吸收冲击能量。 运输运输包装包装4 4 蠕变性蠕变性 定义定义指缓冲材料在受到静外力作用下指缓冲材料在受到静外力作用下, ,随着随着时间的延长时间的延长使使变形相应增大变形相应增大的一种现象。的一种现象。 包装件长期贮存包装件长期贮存缓冲材料产生蠕变缓冲材料产生蠕变结构尺寸变小结构尺寸变小, ,产产生空隙生空隙产品破损率上升。产品破损率上升。 要求良好的抗蠕变性能。要求良好的抗蠕变性能。 蠕变率：蠕变率：C=( - )/C=( - )/ 蠕变影响因素：材料性能蠕变影响因素：材料性能 外力的大小、作用时间外力的大小、作用时间 环境温度；

23、环境温度； 温度升高、外力增大温度升高、外力增大, ,蠕变速率也相应加快。蠕变速率也相应加快。 压缩前的原始厚度；压缩前的原始厚度；压缩后的厚度；压缩后的厚度； 0TuT0T0TuT运输运输包装包装5 5 温度稳定性温度稳定性 缓冲材料的物理性能与环境温度密切相关；缓冲材料的物理性能与环境温度密切相关； 热塑性材料热塑性材料 低温，很硬的玻璃态，弹性模量很大低温，很硬的玻璃态，弹性模量很大 高温，较软的高弹态。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。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：常见缓冲材料的最低使用温度： 缓冲材料缓冲材料 最低使用温度（最低使用温度（