缓冲材料发泡技术

发泡塑料缓冲设计中材料的密度选择
霍银磊，张新昌
江南大学机械工程学院
聚合物泡沫塑料的力学性能主要由基体聚合物性质、聚合物体积比(或者泡沫塑料密度)和泡体结构的几何性质决定。

也就是说，泡沫塑料的密度也是一个很重要的因素。

而泡沫塑料的密度与发泡倍数有直接的关系。

笔者通过几种不同密度EPS材料的静、动态压缩试验数据，运用发泡塑料的能量吸收理论研究成果，讨论了这些材料的单向压缩性能以及密度选择在缓冲包装设计中的应用。

这一研究将为合理选择包装材料的密度提供一定的理论依据。

1 泡沫塑料缓冲性能及其能量吸收性
泡沫塑料的缓冲性质，最早由Woolam进行了研究，他提出了用无量纲参数确定能量吸收的方法，Miltz等由准静态压缩实验曲线来预测泡沫塑料的缓冲性质。

他们提出用有效性参数来代表压缩泡沫塑料的能量吸收率，Yossifon等基于量纲相似参数提出的简单数学模型，描述了软泡沫在冲击条件下的性质。

泡沫塑料的能量吸收问题，Rusch较早进行了研究，并提出可以用3个无量纲量来描述材料的吸能特性。

Schwaber提出了如下见解：泡沫塑料变形过程中的能量损耗包括由基体变形产生的能量损耗、基体单元间(比如支柱)的摩擦产生的能量损耗、开孔泡沫塑料中流体的粘性流动产生的能量损耗(气动阻尼)闭孔结构中气体的不可逆压缩产生的能量损耗。

Kurauchi等研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在压缩下的能量吸收问题，Maiti等还提出了构造能量吸收图的方法，能量吸收图表示了某一密度范围内单位体积泡沫塑料吸收的能量与峰值应力的关系。

如果选择了临界损伤应力，那么能量吸收图将给出不超过峰值应力而吸收最大能量的泡沫塑料密度Avalle和Belingardi等讨论了EPP、PUR、EPS等泡沫塑料的能量吸收性，并绘出了相应的能量-应力图。

综上所述，目前对于工程用泡沫塑料，特别是高密度聚氨酯泡沫塑料和包装用泡沫塑料的研究大都集中在对其应力-应变关系的描述和冲击黏弹性能的分析。

很少专门考虑材料密度对其性能的影响以及这种影响对于包装缓冲材料选择的意义。

本文从试验角度考察不同密度材料的能量吸收性，同时以此为依据指导材料密度的选择。

2 泡沫塑料的单向压缩试验及其分析
分别通过静态、动态压缩试验测得不同密度材料的应力-应变曲线或加速度-时间曲线，据此分析材料的压缩性能以及材料对压缩、冲击能量的吸收性能。

2.1 试验样品制备与处理
实验选取新航(苏州)发泡塑料有限公司生产的四种不同密度(0，020g/cm3、0．022g/cm3、0．027g/cm3和0．050g/cm3)的EPS发泡塑料作为实验材料，试样的尺寸规格统一为100mm X l00mm X 35mm。

考虑实际流通环境情况，在23℃，相对温度50％的条件下对所有样品进行24 h温湿度预处理。

分别在标准环境中进行准静态压缩与垂直冲击压缩试验。

2.2 材料的压缩试验及分析
采用国家轻工业包装制品质量监督检测中心的LRXPlus电于材料试验机及其数据分析系统，在标准试验环境中，对材料进行最大应变量为90％的准静态单向压缩试验，得到材料应力-应变曲线见图1。

图 1: 不同密度EPS得静态压缩曲线
采用DY-2型跌落试验机，在标准环境条件下，以60cm的跌落高度对试样进行冲击压缩试验，得到材料的压缩加速度-时间关系曲线(见图2)。

从图1可以看出：1)EPS泡沫塑料属于双曲正切型弹塑性材料。

在小应变情况下，材料表现出较好的弹性；随着载荷的增加材料发生了弹性屈曲，随后曲线呈现出较长的平滑阶段，说明材料发生了较大的塑性变形，应力随应变的增加增长缓慢，大部分压缩能量被材料吸收或耗散。

正是材料在此阶段的大变形吸收了外界给予的能量(压缩、振动或冲击)。

随着应变量的增加，材料结构被破坏，对能量的吸收减小，材料传递的应力也开始急剧上升。

2)不同密度的试样有着不同的压缩性能，通常密度高的材料在弹性变形阶段有着较大的弹性系数，同时屈服应力也较大，材料的压实强化阶段也来得较早。

反映出由密度决定的材料结构对整体压缩性能的影响。

图 2: 不同密度EPS得冲击压缩G－t曲线
同样，冲击压缩图线也反映出了材料性能的差异，密度越大，材料结构越紧密，初始弹性也越大，传递到产品上的加速度(力)也增长较快，峰值越大，冲击持续的时间也相应的减少。

3 EPS材料的压缩能量吸收性
3.1 EPS准静态压缩情况下的能量吸收
衡量材料缓冲性能的一个重要指标是材料对冲击、压缩能量的吸收或耗散，一般以一定应力下材料吸收的最大能量或材料对能量的吸收效率来表示。

图 3: 不同密度EPS的静压能量吸收－应力曲线
图3反映了不同密度发泡聚苯乙烯在静态压缩条件下的能量吸收性，图3表示不同密度发泡聚苯乙烯在静态压缩条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应力下吸能效率的大小关系也会不同，如图3所示：在应力为δ1时，缓冲效率大小关系为
E0.020>E0．022>E.027>E0.050；在应力为δ2时，缓冲效率大小关系为E0.027>E0.022>E0.020>E0.050；而在δ>δ2时，密度为0.050g／cm3的EPS的缓冲效率则会有持续的上升，因此材料选择的关键在于对特定应力条件下缓冲效率随密度变化趋势的把握。

图 4: EPS材料冲击过程中的受力－变形情况
由于冲击压缩时通常得到的是重锤的加速度-时间关系曲线，并不直接反映材料的压缩情况，因此需要对G―t曲线进行相应的数值计算与转换，得到材料在压缩时的受力、变形情况见图4。

图5所示为密度为0.0202／cm3的EPS发泡塑料在5 kg、60cm高度跌落冲击G―t曲线转换计算结果。

同样，可以得到材料在一定应力下的能量吸收曲线和能量吸收效率曲线。

图 5: 冲击压缩情况下EPS材料的能量吸收情况
4 讨论
在缓冲包装设计中，要求缓冲材料尽可能多地吸收冲击能量，也就是说，要求在产品所受应力值一定的情况下，缓冲材料吸收的能量越多越好，或者说材料对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-应力曲线来指导材料的选择。

利用不同密度EPS的能量吸收效率E－δ曲线可以得到一定应力下密度与能量吸收效率的关系(见图6右)，该图反映了一定应力下不同密度材料对能量的吸收能力。

可以发现材料的能量吸收性与材料密度大致是抛物线关系，在某一密度时材料的能量吸收效率达到最高，在缓冲包装设计中此密度值即为当前应力下所选材料的最佳密度值。

从此值愈偏左，则材料密度愈低、承载能力愈弱，在压缩或冲击时越容易被压实，其能量吸收效率也越低；而右侧随着密度增大，材料的弹性模小、弹性屈服极限也增大、塑性变形减小，材料呈现出越来越强的刚性碰撞特征。

由于冲击能量的耗散主要是由塑性变形引起的，因此对特定应力水平下特定材料的E－δ曲线，其曲线有且仅有唯一极值点。

此值即为当前应力水平下材料的最佳密度值。

图 6: 能量吸收率E与材料密度的关系
例如当被包装产品的许用应力为a时，密度为0.023g／cm3的EPS具有最好的能量吸收性。

因此根据吸能效率最高原则可知所用EPS最合理的密度值为0.023g／cm3。

同样，若被包装产品的许用应力水平为δ1
或δ2时也可以绘出其对应的E-t曲线图(类似于图7右)，相应曲线的最高点对应的密度值即为对应应力条件下材料的最佳密度值。

在产品应力水平确定以后(由产品质量、脆值、有效缓冲接触面积决定)，最佳材料密度由图8确定，同时还可得到此密度材料的能量吸收效率的确切数值，由此值可方便得到材料在此应力下的缓冲系数C（缓冲系数C二1／E），即可很方便计算出缓冲结构的最小厚度。

从材料的密度与能量关系设计产品的缓冲较传统设计方法更方便、也更符合实际设计要求。

5 结束语
密度是发泡材料的一个重要的属性，它对材料缓冲性能有很大的影响。

文中重点讨论了EPS材料的密度对其能小吸收效率的影响，提出了利用材料的E－t曲线设计产品缓冲包装的途径，有助于缓冲包装设计的科学化和精确化。

同时，发泡材料的密度又与其发泡倍率紧密相关，从生产应用来讲，掌握材料密度与能量吸收效率的关系也有助于对材料性能进行评估，有目的地进行材料生产及其工艺过程调整。

增塑剂对以天然填料的发泡缓冲材性能影响(上)
［摘要］研究了在不同增塑剂用量的情况下，试验样品的密度、动态缓冲曲线和静态缓冲曲线。

通过对增塑剂用量与试验样品密度、动态缓冲系数及静态缓冲系数的关系的分析，得出了增塑剂对缓冲材料影响的
规律。

选择了最佳的增塑剂用量。

关键词：增塑剂；天然植物纤维；缓冲材料
为了缓解白色污染对环境所造成的压力，人们将目光转向了可降解又能缓解资源短缺的植物纤维类缓冲材料。

在缓冲材料中，不管何种填料，它们都有一定的补强以及降低成本的作用，为了更多的增加填料的填充量，必须增强材料基质的柔韧性和黏结性。

文中讨论了增塑剂在缓冲材料中对缓冲材料性能的影响。

1 实验
1）实验设计。

通过改变增塑剂在材料中所占的比例，得出增塑剂对材料影响的规律，找出对材料性能影
响最好的添加量。

2）实验材料与设备。

（1）实验材料：材料基质、天然纤维类填料、增塑剂、软化剂、脱模剂。

（2）实验设备：天平、开放式炼塑剂、平板硫化机、Y02—2 /ZF 型动态压缩实验机（西北机械厂）；
微机控制电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司）。

3）实验的工艺路线，如图1 所示。

4）实验配方。

增塑剂（采用的是邻苯类增塑剂）的用量
5）增塑剂的用量与试验样品密度的关系见图2。

2 实验结论与分析
随着增塑剂用量的增加，开始其密度没有大的变化，但随着增塑剂用量的继续增加，试验样品的密度反而增加，当密度达到最大值后，随着增塑剂用量的继续增加，然后试验样品的密度反而减小。

出现此种现象的原因是：当增塑剂相对较小时，表现为试验样品的密度没有太大的变化。

随着增塑剂的增加，试验样品的密度上升，但是增塑剂的用量相对材料基质来说，其用量还是相对较小的，其增塑作用较小，从材料的本身上表现为没有太大的反应，相反增塑剂具有一定的质量，在此种情况下，反而增塑剂本身质量对材料的密度的影响占了主导地位。

当密度达到最大值后，随着增塑剂用量的继续增加，然后试验样品的密度反而减小，出现此种现象的原因是；增塑剂充分发挥了其增塑的作用，降低了材料基质分子间次价键［1］，使材料基质变的柔软并且容易发泡，从而致使材料的密度下降。

泡沫塑料
泡沫塑料
由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料，具有质轻、隔热、吸音、减震等特性，且介电性能优于基体树脂，用途很广。

几乎各种塑料均可作成泡沫塑料，发泡成型已成为塑料加工中一个重要领域。

20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料，以芯层发泡、皮层不发泡为特征，外硬内韧，比强度（以单位质量计的强度）高，耗料省，日益广泛地代替木材用于建筑和家具工业中。

聚烯烃的化学或辐射交联发泡技术取得成功，使泡沫塑料的产量大幅度增加。

经共混、填充、增强等改性塑料制得的泡沫塑料，具有更优良的综合性能，能满足各种特殊用途的需要。

例如用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料，已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件；而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料，质轻而耐高温，已用于航天器中。

分类微孔间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。

泡沫塑料有硬质、软质两种。

按美国试验和材料学会标准，在18～29℃温度下，在时间为5s内,绕直径2.5cm的圆棒一周,如不断裂,测试样属于软质泡沫塑料；反之则属硬质泡沫塑料。

泡沫塑料还可分为低发泡和高发泡两类。

通常将发泡倍率（发泡后比发泡前体积增大的倍数）小于5的称为低发泡,大于5的称为高发泡。

发泡方法无论采用什么方法发泡，其基本过程都是：①在液态或熔态塑料中引入气体，产生微孔；②使微孔增长到一定体积；③通过物理或化学方法固定微孔结构。

按照引入气体的方式，发泡方法有机械法、物理法和化学法。

机械法借助强烈搅拌，把大量空气或其他气体引入液态塑料中。

工业上主要用此法生产脲醛泡沫塑料，可用作隔热保温材料或影剧中布景材料（如人造雪花）。

物理法常将低沸点烃类或卤代烃类溶入塑料中，受热时塑料软化，同时溶入的液体挥发膨胀发泡。

如聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯悬浮聚合时，先把戊烷溶入单体中，或在加热加压下把已聚合成珠状的聚苯乙烯树脂用戊烷处理。