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發泡塑料緩沖設計中材料的密度選擇
聚合物泡沫塑料的力學性能主要由基體聚合物性質、聚合物體積比(或者泡沫塑料密度)和泡體結構的幾何性質決定。也就是說，泡沫塑料的密度也是一個很重要的因素。而泡沫塑料的密度與發泡倍數有直接的關系。筆者通過幾種不同密度EPS材料的靜、動態壓縮試驗數據，運用發泡塑料的能量吸收理論研究成果，討論了這些材料的單向壓縮性能以及密度選擇在緩沖包裝設計中的應用。這一研究將為合理選擇包裝材料的密度提供一定的理論依據。 1 泡沫塑料緩沖性能及其能量吸收性 泡沫塑料的緩沖性質，最早由Woolam進行了研究，他提出了用無量綱參數確定能量吸收的方法，Miltz等由準靜態壓縮實驗曲線來預測泡沫塑料的緩沖性質。他們提出用有效性參數來代表壓縮泡沫塑料的能量吸收率，Yossifon等基于量綱相似參數提出的簡單數學模型，描述了軟泡沫在沖擊條件下的性質。 泡沫塑料的能量吸收問題，Rusch較早進行了研究，并提出可以用3個無量綱量來描述材料的吸能特性。Schwaber提出了如下見解：泡沫塑料變形過程中的能量損耗包括由基體變形產生的能量損耗、基體單元間(比如支柱)的摩擦產生的能量損耗、開孔泡沫塑料中流體的粘性流動產生的能量損耗(氣動阻尼)閉孔結構中氣體的不可逆壓縮產生的能量損耗。 Kurauchi等研究了硬質聚氨酯泡沫塑料在壓縮下的能量吸收問題，Maiti等還提出了構造能量吸收圖的方法，能量吸收圖表示了某一密度范圍內單位體積泡沫塑料吸收的能量與峰值應力的關系。如果選擇了臨界損傷應力，那么能量吸收圖將給出不超過峰值應力而吸收最大能量的泡沫塑料密度Avalle和Belingardi等討論了EPP、PUR、EPS等泡沫塑料的能量吸收性，并繪出了相應的能量-應力圖。 綜上所述，目前對于工程用泡沫塑料，特別是高密度聚氨酯泡沫塑料和包裝用泡沫塑料的研究大都集中在對其應力-應變關系的描述和沖擊黏彈性能的分析。很少專門考慮材料密度對其性能的影響以及這種影響對于包裝緩沖材料選擇的意義。本文從試驗角度考察不同密度材料的能量吸收性，同時以此為依據指導材料密度的選擇。 2 泡沫塑料的單向壓縮試驗及其分析 分別通過靜態、動態壓縮試驗測得不同密度材料的應力-應變曲線或加速度-時間曲線，據此分析材料的壓縮性能以及材料對壓縮、沖擊能量的吸收性能。 2.1 試驗樣品制備與處理 實驗選取新航(蘇州)發泡塑料有限公司生產的四種不同密度(0，020g/cm3、0．022g/cm3、0．027g/cm3和0．050g/cm3)的EPS發泡塑料作為實驗材料，試樣的尺寸規格統一為100mm X l00mm X 35mm。 考慮實際流通環境情況，在23℃，相對溫度50％的條件下對所有樣品進行24 h溫濕度預處理。分別在標準環境中進行準靜態壓縮與垂直沖擊壓縮試驗。 2.2 材料的壓縮試驗及分析 采用國家輕工業包裝制品質量監督檢測中心的LRXPlus電于材料試驗機及其數據分析系統，在標準試驗環境中，對材料進行最大應變量為90％的準靜態單向壓縮試驗，得到材料應力-應變曲線見圖1。 圖 1: 不同密度EPS得靜態壓縮曲線采用DY-2型跌落試驗機，在標準環境條件下，以60cm的跌落高度對試樣進行沖擊壓縮試驗，得到材料的壓縮加速度-時間關系曲線(見圖2)。從圖1可以看出：1)EPS泡沫塑料屬于雙曲正切型彈塑性材料。在小應變情況下，材料表現出較好的彈性；隨著載荷的增加材料發生了彈性屈曲，隨后曲線呈現出較長的平滑階段，說明材料發生了較大的塑性變形，應力隨應變的增加增長緩慢，大部分壓縮能量被材料吸收或耗散。正是材料在此階段的大變形吸收了外界給予的能量(壓縮、振動或沖擊)。隨著應變量的增加，材料結構被破壞，對能量的吸收減小，材料傳遞的應力也開始急劇上升。2)不同密度的試樣有著不同的壓縮性能，通常密度高的材料在彈性變形階段有著較大的彈性系數，同時屈服應力也較大，材料的壓實強化階段也來得較早。反映出由密度決定的材料結構對整體壓縮性能的影響。 圖 2: 不同密度EPS得沖擊壓縮G－t曲線同樣，沖擊壓縮圖線也反映出了材料性能的差異，密度越大，材料結構越緊密，初始彈性也越大，傳遞到產品上的加速度(力)也增長較快，峰值越大，沖擊持續的時間也相應的減少。 3 EPS材料的壓縮能量吸收性 3.1 EPS準靜態壓縮情況下的能量吸收 衡量材料緩沖性能的一個重要指標是材料對沖擊、壓縮能量的吸收或耗散，一般以一定應力下材料吸收的最大能量或材料對能量的吸收效率來表示。 圖 3: 不同密度EPS的靜壓能量吸收－應力曲線圖3反映了不同密度發泡聚苯乙烯在靜態壓縮條件下的能量吸收性，圖3表示不同密度發泡聚苯乙烯在靜態壓縮條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應力下吸能效率的大小關系也會不同，如圖3所示：在應力為δ1時，緩沖效率大小關系為E0.020>E0．022>E.027>E0.050；在應力為δ2時，緩沖效率大小關系為E0.027>E0.022>E0.020>E0.050；而在δ>δ2時，密度為0.050g／cm3的EPS的緩沖效率則會有持續的上升，因此材料選擇的關鍵在于對特定應力條件下緩沖效率隨密度變化趨勢的把握。 圖 4: EPS材料沖擊過程中的受力－變形情況由于沖擊壓縮時通常得到的是重錘的加速度-時間關系曲線，并不直接反映材料的壓縮情況，因此需要對G―t曲線進行相應的數值計算與轉換，得到材料在壓縮時的受力、變形情況見圖4。圖5所示為密度為0.0202／cm3的EPS發泡塑料在5 kg、60cm高度跌落沖擊G―t曲線轉換計算結果。同樣，可以得到材料在一定應力下的能量吸收曲線和能量吸收效率曲線。 圖 5: 沖擊壓縮情況下EPS材料的能量吸收情況4 討論 在緩沖包裝設計中，要求緩沖材料盡可能多地吸收沖擊能量，也就是說，要求在產品所受應力值一定的情況下，緩沖材料吸收的能量越多越好，或者說材料對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-應力曲線來指導材料的選擇。 利用不同密度EPS的能量吸收效率E－δ曲線可以得到一定應力下密度與能量吸收效率的關系(見圖6右)，該圖反映了一定應力下不同密度材料對能量的吸收能力。可以發現材料的能量吸收性與材料密度大致是拋物線關系，在某一密度時材料的能量吸收效率達到最高，在緩沖包裝設計中此密度值即為當前應力下所選材料的最佳密度值。從此值愈偏左，則材料密度愈低、承載能力愈弱，在壓縮或沖擊時越容易被壓實，其能量吸收效率也越低；而右側隨著密度增大，材料的彈性模小、彈性屈服極限也增大、塑性變形減小，材料呈現出越來越強的剛性碰撞特征。由于沖擊能量的耗散主要是由塑性變形引起的，因此對特定應力水平下特定材料的E－δ曲線，其曲線有且僅有唯一極值點。此值即為當前應力水平下材料的最佳密度值。 圖 6: 能量吸收率E與材料密度的關系例如當被包裝產品的許用應力為a時，密度為0.023g／cm3的EPS具有最好的能量吸收性。因此根據吸能效率最高原則可知所用EPS最合理的密度值為0.023g／cm3。同樣，若被包裝產品的許用應力水平為δ1或δ2時也可以繪出其對應的E-t曲線圖(類似于圖7右)，相應曲線的最高點對應的密度值即為對應應力條件下材料的最佳密度值。 在產品應力水平確定以后(由產品質量、脆值、有效緩沖接觸面積決定)，最佳材料密度由圖8確定，同時還可得到此密度材料的能量吸收效率的確切數值，由此值可方便得到材料在此應力下的緩沖系數C（緩沖系數C二1／E），即可很方便計算出緩沖結構的最小厚度。從材料的密度與能量關系設計產品的緩沖較傳統設計方法更方便、也更符合實際設計要求。 5 結束語 密度是發泡材料的一個重要的屬性，它對材料緩沖性能有很大的影響。文中重點討論了EPS材料的密度對其能小吸收效率的影響，提出了利用材料的E－t曲線設計產品緩沖包裝的途徑，有助于緩沖包裝設計的科學化和精確化。同時，發泡材料的密度又與其發泡倍率緊密相關，從生產應用來講，掌握材料密度與能量吸收效率的關系也有助于對材料性能進行評估，有目的地進行材料生產及其工藝過程調整。
