1、包裝緩沖材料詳解運輸運輸包裝包裝學院學院 劉洋劉洋第二章第二章 緩沖包裝材料及其緩沖特性緩沖包裝材料及其緩沖特性第一節第一節 常用緩沖材料常用緩沖材料1第二節第二節 緩沖材料的力學特性緩沖材料的力學特性2第三節第三節 組合材料的力學特性組合材料的力學特性3第四節第四節 緩沖效率和緩沖系數緩沖效率和緩沖系數4第五節第五節 緩沖特性曲線緩沖特性曲線5第六節第六節 緩沖材料的全面評價緩沖材料的全面評價6第一節第一節 常用緩沖包裝材料常用緩沖包裝材料1 1 塑料緩沖材料塑料緩沖材料1.1 1.1 分類分類按結構分按結構分 泡沫塑料（還可按發泡方法細分，表泡沫塑料（還可按發泡方法細分，表6-56-5）

2、氣墊塑料薄膜。氣墊塑料薄膜。按塑料樹脂分按塑料樹脂分 熱塑性泡沫塑料（熱塑性泡沫塑料（PE,PP,PS,PVCPE,PP,PS,PVC等）等） 熱固性泡沫塑料（熱固性泡沫塑料（PU,PU,酚醛泡沫等）酚醛泡沫等）按發泡方法和工藝不同形成的孔結構分按發泡方法和工藝不同形成的孔結構分 開孔開孔 閉孔閉孔 混合型混合型按泡孔現狀分按泡孔現狀分 球形球形 橢球形（橢球長度方向的壓縮強度和彈性模量橢球形（橢球長度方向的壓縮強度和彈性模量 比短軸方向大比短軸方向大2 2倍）倍） 按孔徑分按孔徑分 大泡孔（直徑大于大泡孔（直徑大于0.5mm) 0.5mm) 小泡孔（直徑大于小泡孔（直徑大于0.25mm)0.

3、25mm)按泡沫密度分按泡沫密度分 低發泡（密度低發泡（密度0.4g/cm ,0.4g/cm ,氣體與固體之比氣體與固體之比1.51.5） 中發泡（密度中發泡（密度=0.1-0.4g/cm , =0.1-0.4g/cm , 氣體與固體之比氣體與固體之比 為為1.5-9 1.5-9 ） 高發泡（密度高發泡（密度0.1g/cm 99）按泡沫體的硬度分按泡沫體的硬度分 硬質泡沫塑料（彈性模量硬質泡沫塑料（彈性模量700kPa)700kPa) 半硬質泡沫塑料（彈性模量在半硬質泡沫塑料（彈性模量在70-700kPa70-700kPa之間之間) ) 軟質泡沫塑料（彈性模量軟質泡沫塑料（彈性模量70kPa)

4、E2E1E2，由上式，由上式 即即 EE2EE2 即即 EE1 EE1 E2EE1E2EE2E1E2，E E E E E E2 2EEEE1 1 2.2.非線彈性材料。非線彈性材料。曲線（曲線（1 1）和曲線（）和曲線（2 2）分別為兩種材料的應力）分別為兩種材料的應力應變曲線，應變曲線，并列組合的應力并列組合的應力應變曲線可按如下方法求得。聯接同一應應變曲線可按如下方法求得。聯接同一應變坐標下曲線（變坐標下曲線（1 1）和曲線（）和曲線（2 2）上的對應點；得線段）上的對應點；得線段aaaa，bbbb，cccc，依據（，依據（5-185-18）式，將各線段按）式，將各線段按：的比的比例分割，

5、把各分割點聯結成平滑的曲線，這就得到了組合后例分割，把各分割點聯結成平滑的曲線，這就得到了組合后的應力的應力應變曲線。應變曲線。結論：結論：組合設計的緩沖效果，其對應的等效彈性模量組合設計的緩沖效果，其對應的等效彈性模量與兩種原始材料的彈性模量有關，數值大小介與兩種原始材料的彈性模量有關，數值大小介于兩者之間。于兩者之間。組合后的應力組合后的應力應變曲線介于兩應變曲線介于兩種原始材料的應力種原始材料的應力應變曲線之間。應變曲線之間。等效彈性模量的大小與兩種原始材料的結構尺等效彈性模量的大小與兩種原始材料的結構尺寸有關，通過改變原始材料的結構尺寸有關，寸有關，通過改變原始材料的結構尺寸有關，可以

6、使等效彈性模量的數值在取值范圍內連續可以使等效彈性模量的數值在取值范圍內連續變化。變化。第四節第四節 緩沖效率和緩沖系數緩沖效率和緩沖系數一、緩沖效率一、緩沖效率緩沖包裝材料非線性變形曲線緩沖包裝材料非線性變形曲線 假設緩沖材料是立方體，受力面垂直于外力假設緩沖材料是立方體，受力面垂直于外力F F，原始厚度為，原始厚度為T T。緩沖材料在力緩沖材料在力F F作用下的變形能作用下的變形能E E為：為： 緩沖效率緩沖效率：壓縮狀態下單位厚度的緩沖包裝材料所吸收的：壓縮狀態下單位厚度的緩沖包裝材料所吸收的能量（能量（E/T)E/T)與壓縮載荷之比。與壓縮載荷之比。理想緩沖效率理想緩沖效率：壓縮變形極

7、限時，緩沖包裝材料單位變：壓縮變形極限時，緩沖包裝材料單位變形量所吸收的能量形量所吸收的能量(E/db)(E/db)與壓縮載荷之比。與壓縮載荷之比。 緩沖材料的結構需要滿足：緩沖材料的結構需要滿足：u 單位體積的吸收能要大單位體積的吸收能要大u 材料給予內裝產品的作用力要小材料給予內裝產品的作用力要小因此，要求緩沖效率要大。因此，要求緩沖效率要大。 二、緩沖系數二、緩沖系數 緩沖緩沖系數是表示緩沖材料特性的一個重要系數是表示緩沖材料特性的一個重要參數，對參數，對于于非線性緩沖材料，在設計其非線性緩沖材料，在設計其使用尺寸使用尺寸時，廣泛時，廣泛利用利用材料材料的緩沖系數進行。的緩沖系數進行。緩

8、沖系數與緩沖效率互為倒數關系緩沖系數與緩沖效率互為倒數關系緩沖系數的物理意義緩沖系數的物理意義：緩沖材料的應力與該應力：緩沖材料的應力與該應力下下單位體積緩沖材料吸收的能量單位體積緩沖材料吸收的能量之比。之比。材料應力應變曲線下的曲邊三角形的面積材料應力應變曲線下的曲邊三角形的面積第五節第五節 緩沖特性曲線緩沖特性曲線靜態緩沖特性曲線靜態緩沖特性曲線一一動態緩沖特性曲線動態緩沖特性曲線二二 材料的緩沖系數是通過試驗測得的，通常材料的緩沖系數是通過試驗測得的，通常使用的方法有使用的方法有靜態壓縮試驗靜態壓縮試驗方法和方法和動態壓縮動態壓縮試驗試驗方法。得到的曲線分別為方法。得到的曲線分別為靜態緩

9、沖特性靜態緩沖特性曲線曲線和和動態緩沖特性曲線動態緩沖特性曲線。緩沖系數緩沖系數應力曲線應力曲線應力應力應變應變曲線曲線力力變形變形曲線曲線緩沖系數緩沖系數變形能變形能曲線曲線緩沖系數緩沖系數應變應變曲線曲線一、靜態緩沖特性曲線 在材料的應力在材料的應力- -應變曲線取不同應變曲線取不同的點，有不同的最大應力，不同的的點，有不同的最大應力，不同的最大應力又有不同的緩沖系數。因最大應力又有不同的緩沖系數。因此，緩沖系數不是常數，而是最大此，緩沖系數不是常數，而是最大應力的函數，這個函數的曲線稱為應力的函數，這個函數的曲線稱為緩沖系數最大應力曲線緩沖系數最大應力曲線。（一）靜態壓縮試驗（一）靜態壓

10、縮試驗壓力試驗機壓力試驗機采用在緩沖包裝采用在緩沖包裝材料上低速施加材料上低速施加壓縮載荷的方法壓縮載荷的方法而求得緩沖包裝而求得緩沖包裝材料的靜態壓縮材料的靜態壓縮特性及其曲線。特性及其曲線。 試驗原理試驗原理1、試驗原理 試樣的制作與處理試樣的制作與處理 試驗前試驗前24h24h以上的溫濕度調節處理以上的溫濕度調節處理 抽取試樣抽取試樣每組不小于每組不小于5 5個個 試樣的大小試樣的大小直方體形狀，面積不小于直方體形狀，面積不小于10cm10cm* *10cm10cm，厚度不小于，厚度不小于2.5cm2.5cm2、試驗方法 在電子萬能材料試在電子萬能材料試驗機上以（驗機上以（12123 3

11、）mm/minmm/min的速度沿厚度的速度沿厚度方向對試樣逐漸增加方向對試樣逐漸增加載荷。載荷。靜態壓縮靜態壓縮測試方法測試方法測量并記錄壓縮應變測量并記錄壓縮應變及其增量及其增量測量并記錄與應變對應的壓縮應力測量并記錄與應變對應的壓縮應力及增量及增量計算變形能增量計算變形能增量e e及壓縮應力對應的及壓縮應力對應的變形能變形能e e計算計算 /e/e，得到緩沖系數，得到緩沖系數C CC C曲線、曲線、C Ce e曲線、曲線、C C曲線曲線3、繪制曲線（二）靜態緩沖特性曲線（二）靜態緩沖特性曲線緩沖系數緩沖系數C最大應力最大應力m m曲線曲線二、動態緩沖特性曲線二、動態緩沖特性曲線動態試驗過

12、程中，機械能守恒，則：動態試驗過程中，機械能守恒，則：緩沖系數：緩沖系數： 其中：其中： 在在H H和和h h取定后，取定后，GmGm和和 都只是都只是 的函數，上面這的函數，上面這個參數方程建立了個參數方程建立了GmGm和和 之間的函數關系，方程的曲線之間的函數關系，方程的曲線稱為稱為最大加速度靜應力曲線。最大加速度靜應力曲線。 在繪制最大加速度靜應力曲線時，先要固定跌落高度，在繪制最大加速度靜應力曲線時，先要固定跌落高度，取不同的襯墊厚度建立參數方程，每取一個襯墊厚度，就取不同的襯墊厚度建立參數方程，每取一個襯墊厚度，就有一個對應的曲線，在同一跌落高度下，曲線是一個曲線有一個對應的曲線，在

13、同一跌落高度下，曲線是一個曲線族。取不同的跌落高度繪出的曲線族是不同的。族。取不同的跌落高度繪出的曲線族是不同的。 已知材料的緩沖系數最大應力曲線，就可以已知材料的緩沖系數最大應力曲線，就可以繪出最大加速度靜應力曲線，反之亦然。兩者可繪出最大加速度靜應力曲線，反之亦然。兩者可以互相變換。以互相變換。 一種材料只有一條緩沖系數最大應力曲線，一種材料只有一條緩沖系數最大應力曲線，而最大加速度靜應力曲線是一個跌落高度一張圖，而最大加速度靜應力曲線是一個跌落高度一張圖，一張圖上一個厚度一條曲線。一張圖上一個厚度一條曲線。（一）動態緩沖測試（一）動態緩沖測試 動態壓縮試驗原理圖動態壓縮試驗原理圖測試原理

14、測試原理用自由跌落的重錘用自由跌落的重錘對緩沖包裝材料施對緩沖包裝材料施加沖擊載荷，模擬加沖擊載荷，模擬裝卸、運輸過程中裝卸、運輸過程中緩沖包裝材料受到緩沖包裝材料受到的沖擊作用，求得的沖擊作用，求得緩沖包裝材料的動緩沖包裝材料的動態緩沖特性及曲線態緩沖特性及曲線動態壓縮特性測試動態壓縮特性測試- -測試系統測試系統底底 座座試樣M電荷放電荷放大器大器模擬低通模擬低通濾波器濾波器A/D 轉轉換器換器計計算算機機測速裝置測速裝置計數器計數器采集指令數據采集與處理系統數據采集與處理系統緩沖試驗機緩沖試驗機重錘重錘導柱導柱加速度傳感器加速度傳感器動態壓縮特性測試動態壓縮特性測試- -試驗設備試驗設備

15、動態壓縮特性測試動態壓縮特性測試測試方法測試方法 試樣的制作與處理試樣的制作與處理 試驗前試驗前24h24h以上的溫濕度調節處理以上的溫濕度調節處理 抽取試樣抽取試樣每組不小于每組不小于5 5個個 試樣的大小試樣的大小直方體形狀，厚度不小于直方體形狀，厚度不小于2.5cm2.5cm 試樣尺寸的測量試樣尺寸的測量動態壓縮特性測試動態壓縮特性測試測試方法測試方法 試驗步驟試驗步驟將試樣放置在緩沖試驗機的底座中心將試樣放置在緩沖試驗機的底座中心1使預定載荷的沖擊臺從預定等效跌落高度使預定載荷的沖擊臺從預定等效跌落高度落下，沖擊試樣，連續沖擊五次，記錄每落下，沖擊試樣，連續沖擊五次，記錄每次沖擊的加速

16、度次沖擊的加速度時間曲線，取后時間曲線，取后4次的最次的最大加速度平均值為該試樣的最大沖擊加速大加速度平均值為該試樣的最大沖擊加速度。每個載荷至少取五個試樣。度。每個載荷至少取五個試樣。2改變砝碼質量，至少選擇改變砝碼質量，至少選擇5種以上的重錘種以上的重錘重量進行試驗。重量進行試驗。1 3動態壓縮特性測試動態壓縮特性測試緩沖特性曲線緩沖特性曲線 發泡聚乙烯的發泡聚乙烯的Gm-stst曲線曲線 返回返回三、影響緩沖系數的因素三、影響緩沖系數的因素1 壓縮速度壓縮速度 動態壓縮加載速率動態壓縮加載速率大，材料形變速率是大，材料形變速率是靜態壓縮的靜態壓縮的1.7萬倍，萬倍，材料內部阻尼增大，材料

17、內部阻尼增大，得到的緩沖系數有一得到的緩沖系數有一定差異。定差異。 動態與靜態緩沖系數的差別動態與靜態緩沖系數的差別影響緩沖系數的因素影響緩沖系數的因素2 溫溫 度度 緩沖包裝材料的緩沖包裝材料的應力應力-應變曲線與溫應變曲線與溫度有關，溫度不同，度有關，溫度不同，得到的緩沖系數得到的緩沖系數-最最大應力曲線也不同。大應力曲線也不同。溫度對緩沖系數的影響溫度對緩沖系數的影響影響緩沖系數的因素影響緩沖系數的因素3 預處理預處理 試樣在試驗前的試樣在試驗前的預處理處理，對緩沖預處理處理，對緩沖包裝材料的尺寸以及包裝材料的尺寸以及應力應力- -應變曲線，緩應變曲線，緩沖特性曲線都有影響。沖特性曲線都

18、有影響。預處理對緩沖系數的影響預處理對緩沖系數的影響第六節第六節 緩沖材料的全面評價緩沖材料的全面評價1 1 沖擊能量的吸收性沖擊能量的吸收性有效地減少傳遞到內裝產品上的沖擊。有效地減少傳遞到內裝產品上的沖擊。 并非吸能大的材料就一定滿足緩沖要求并非吸能大的材料就一定滿足緩沖要求綜合考慮材料、體積、產品重量、沖綜合考慮材料、體積、產品重量、沖擊力的大小擊力的大小吸收能量與沖擊能量相適應。吸收能量與沖擊能量相適應。 彈性大的硬性材料，吸能多彈性大的硬性材料，吸能多產品重量大、受沖擊力大的場合。產品重量大、受沖擊力大的場合。 彈性小的軟性材料，吸能少彈性小的軟性材料，吸能少產品比重小、受沖擊力小的

19、場合。產品比重小、受沖擊力小的場合。 2 2 振動能量的吸收性振動能量的吸收性避免共振避免共振緩沖材料的傳遞率緩沖材料的傳遞率Tr Tr 材料的成分、密度、工藝條件、溫度材料的成分、密度、工藝條件、溫度 阻尼阻尼將材料的振動能量轉化為熱能和塑性形變將材料的振動能量轉化為熱能和塑性形變 能能, ,形成對振動的衰減形成對振動的衰減 。 緩沖材料名稱緩沖材料名稱 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 橡膠橡膠 0.02-0.160.02-0.16 硅橡膠硅橡膠 0.11

20、-0.230.11-0.23 鋼質螺旋彈簧鋼質螺旋彈簧 0.008-0.0160.008-0.016 3 3 回彈性回彈性 定義定義緩沖材料在受沖擊和振動的情況下緩沖材料在受沖擊和振動的情況下, ,具備的恢復原來具備的恢復原來尺寸和形狀的能力尺寸和形狀的能力, ,稱為回彈性。稱為回彈性。 回彈性差的材料回彈性差的材料 幾次沖擊后幾次沖擊后結構尺寸變化較大結構尺寸變化較大影響緩沖影響緩沖性能性能破損；破損； 幾次沖擊后幾次沖擊后材料尺寸變小材料尺寸變小, ,空隙加大空隙加大二次二次沖擊沖擊破損。破損。 吸收能量大而回彈性能差的材料吸收能量大而回彈性能差的材料, ,一般不宜作緩沖材料。一般不宜作緩

21、沖材料。 回彈性差的材料可用于僅發生一次大沖擊的場合回彈性差的材料可用于僅發生一次大沖擊的場合, ,利用塑性變利用塑性變形吸收沖擊能量。形吸收沖擊能量。 4 4 蠕變性蠕變性 定義定義指緩沖材料在受到靜外力作用下指緩沖材料在受到靜外力作用下, ,隨著隨著時間的延長時間的延長使使變形相應增大變形相應增大的一種現象。的一種現象。 包裝件長期貯存包裝件長期貯存緩沖材料產生蠕變緩沖材料產生蠕變結構尺寸變小結構尺寸變小, ,產生空隙產生空隙產產品破損率上升。品破損率上升。 要求良好的抗蠕變性能。要求良好的抗蠕變性能。 蠕變率：蠕變率：C=( - )/C=( - )/ 蠕變影響因素：材料性能蠕變影響因素：

22、材料性能 外力的大小、作用時間外力的大小、作用時間 環境溫度；環境溫度； 溫度升高、外力增大溫度升高、外力增大, ,蠕變速率也相應加快。蠕變速率也相應加快。 壓縮前的原始厚度；壓縮前的原始厚度；壓縮后的厚度；壓縮后的厚度； 0TuT0T0TuT5 5 溫度穩定性溫度穩定性 緩沖材料的物理性能與環境溫度密切相關；緩沖材料的物理性能與環境溫度密切相關； 熱塑性材料熱塑性材料 低溫，很硬的玻璃態，彈性模量很大低溫，很硬的玻璃態，彈性模量很大 高溫，較軟的高彈態。高溫，較軟的高彈態。 選擇的緩沖材料應在較大的使用溫度范圍內，保持其緩沖性能不變。選擇的緩沖材料應在較大的使用溫度范圍內，保持其緩沖性能不變。 常見緩沖材料的最低使用溫度：常見緩沖材料的最低使用溫度： 緩沖材料緩沖材料 最低使用溫度（最低使用溫度（）聚氨酯泡沫材料聚氨酯泡沫材