常用密度EPE的静态压缩缓冲特性试验研究

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【摘 要】本试验通过研究比较包装设计中几种常用密度（18kg/m3、22 kg/m3、25 kg/m3、28 kg/m3、35 kg/m3）的EPE静态缓冲特性，分析了一体成型与多层复合EPE性能差异、不同厂家同密度EPE性能差别、同厂家不同密度EPE性能差别，为包装设计者在进行包装缓冲设计时提供材料特性依据。以Cmin点设计衬垫厚度，一次成型相对于多层复合EPE可降低13%厚度；密度为25kg/m3的EPE相对于18 kg/m3可降低约9%厚度，密度为28kg/m3的EPE相对于22kg/m3可降低约4%厚度；不同厂家间生产的同密度EPE性能无明显差异性，所得数据有普遍参考价值。

【关键词】EPE 密度 静态压缩缓冲特性 缓冲系数-最大应力曲线

聚乙烯泡沫塑料（EPE），是以低密度聚乙烯（LDPE）为主要原料积压生成的高泡沫聚乙烯制品。EPE俗称珍珠棉，是一种具有高强缓冲、抗震能力的新型环保发泡材料，具有质轻、防潮、保温、隔音、防摩擦、耐腐蚀等一系列优越的使用特性，同时具有良好的加工性能及可回收再利用，是目前包装设计中使用最为广泛的缓冲材料之一。不论是缓冲材料的静态压缩还是动态压缩特性试验，有大量学者[1-4]进行了不同角度研究，其中还包括能量法等理论运用[5-6]。

缓冲系数-最大应力曲线是包装缓冲设计中的重要参考指标，而目前正式发布的缓冲材料C-σm 曲线[7]中关于EPE材料的参考较少，缺乏对包装设计人员的足够指导意义。有研究表明低密度（低于3.0lb/ft3，即48 kg/m3）EPE材料的缓冲性能随着材料密度的下降而降低[8]，而几种常用密度的EPE间到底性能差异如何是本文讨论的重点。本试验通过静态压缩缓冲性能测试，比较了一次成型与多层复合EPE性能差异、同厂家的不同密度EPE性能差别以及不同厂家的同密度EPE性能差别。

1 试验

1.1 样品

本次试验选择了广东地区8家EPE生产厂家提供的5种常用密度EPE材料进行分析，包含密度为18kg/m3、22kg/m3、25kg/m3、2kg/m3、35kg/m3的材料，基本囊括了目前市场常用的EPE密度。其中22kg/m3、28kg/m3、35kg/m3三种密度材料涵盖一次成型（1#厂家提供）及多层复合两类，其余密度材料为多层复合型。所有提供的EPE样品标称尺寸均为200mm×200mm×50mm，其中多层复合型EPE的复合层数由5至8层不等，每层厚度由6.2mm-10mm不等。

每个厂家的每种密度EPE为一组试验样品，共分为17组，如代号1-22代表1#生产厂家提供的密度为22kg/m3的EPE样品，每组包含3个试样。

1.2 预处理环境与试验环境

依据GB/T 4857.2-2005[9]的要求，所有样品统一在（23±2）℃，（50±5）%RH的环境下进行了24h以上预处理，并在同样的环境条件下进行试验。

1.3 试验标准方法

依据GB/T 8168-2008[10] 对样品进行静态压缩试验，有研究表明对于EPE这种高弹泡沫材料，按A 法、B 法进行静态压缩试验，其静态压缩特性比较接近[11]，故本次试验采用较为方便的方法A即样品未经预压缩的方式进行试验。试验采用WDT-I-20型微机控制电子万能试验机进行并自动生成样品的应力-应变曲线。

2 试验结果

每组试验3个样品，以3条曲线中的中位数作为该组样品的试验结果。取应变为10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%，各组样品的对应应力结果参见表1。

3 数据处理

3.1 应力应变曲线

对比一次成型材料（1#厂家）与多层复合材料（2#、4#厂家），试验组1-22与2-22、1-28与4-28、1-35与2-35的样品应力-应变曲线对比分别如图1-图3。从图中可以看出EPE的应力-应变曲线分为3段，印证了“一般的发泡缓冲材料处于弹性、塑性和黏滞阻尼3种性能相交汇的流变状态，从而表现出非线性的力学特征[12]”这一理论。

3.2 缓冲系数-最大静应力曲线绘制方法

缓冲包装设计中常用公式h=CH/G[13]来计算缓冲衬垫的厚度，其中C是材料的缓冲系数，H是产品的跌落高度，G是被包装产品的脆值。由公式可知，为了节省缓冲材料的用量，通常选择材料缓冲系数的最低点来设计包装。将材料的σ-ε曲线分成若干曲边三角形，使用origin软件[14]计算各区域面积，求得材料相应的弹性比能u，利用公式C=σm/u[15]可得出材料对应不同应力点的缓冲系数，再用origin绘制出材料的缓冲系数-最大静应力曲线（C-σm曲线）。

3.3 各组样品的缓冲系数-最大应力（C-σm）曲线

（1）一次成型vs.多层复合EPE的C-σm曲线见图4-6。

（2）同厂家的不同密度EPE的C-σm曲线见图7-图11，其中18kg/m3 vs.25kg/m3 EPE的曲线图见图7-图8，22kg/m3 vs.28kg/m3 EPE的曲线图见图9-图11。

3.4 常用密度EPE的C-σm曲线对比图

对不同厂家同密度EPE静态压缩曲线中σ-ε值取平均，利用origin拟合成一条新的σ-ε曲线，并绘制成该密度EPE的C-σm曲线，由此得到几种常用密度：18kg/m3、22kg/m3、25kg/m3、28kg/m3、35kg/m3EPE的C-σm曲线如图16所示，曲线底部放大图如图17所示。由于一次成型与多层复合EPE性能存在明显差异，对比图中只采用多层复合样品分析。

3.5 各组样品的C-σm曲线最低点取值（如表2所示）。

4 分析

4.1 一次成型与多层复合EPE性能差异

聚乙烯发泡塑料是非交联闭孔结构，由低密度聚乙烯脂经物理发泡产生无数的独立气泡构成。由表1中的数据可看出1#厂家的样品（一次成型）与同密度的其他厂家的样品（多层复合）对比，在低应变范围内（应变<50%），一次成型EPE所承受的应力普遍要比多层复合EPE高（平均高20%左右），且应变越小，一次成型EPE的承压优势越为明显；而当应变>50%时，因材料中部分泡孔壁受压破裂，气体冲出独立气泡，材料被逐渐压实，多层复合EPE承受的应力逐渐接近甚至超过一次成型EPE，这在图1、图2、图3中也能得到比较直观的表现。从图4、图5、图6可以看出，一次成型EPE的Cmin要比多层复合EPE小，以缓冲系数C的最低点设计衬垫厚度能节约10%～15%材料。

4.2 同厂家不同密度EPE性能差别

由图7-图11的18kg/m3 vs.25kg/m3、22kg/m3 vs.28kg/m3的C-σm曲线图及表2中相应试验组的数据对比可知，同生产厂家的样品，除去生产工艺及原材料问题的影响，密度25kg/m3 EPE的Cmin要比18kg/m3的材料平均低约9%，而密度28kg/m3与密度22kg/m3EPE相比曲线比较接近，Cmin差异约为4%，也即能节约的材料厚度用量。

结语

包装材料的缓冲性能研究包括静态压缩及动态冲击试验法，由于包装在流通过程中必然会进行仓储堆码及搬运冲击，缓冲材料受到的外力影响同时包括静态压缩及瞬时冲击，两种研究方式都适用。但对于传统的缓冲性能动态研究法，需用到专业的重锤冲击试验机，价格比较高昂，且实验需要反复改变重锤的质量、跌落高度及样品厚度，操作过程繁琐，工作量较大，在一般企业中难以实施。相对于动态冲击，静态压缩试验法较为简单，成本投入也更低，更适用于实际使用。

通过本实验研究，可见材料的密度对其缓冲性能有直接影响。在一定范围内，密度大的泡沫塑料由于材料弹性比能大，压缩变形时能吸收的能量更多，也即材料的缓冲性能更好。随着选择的EPE密度增加，材料用量将下降。

另外通过横向比较，不同厂家生产的同密度EPE静态缓冲性能没有很明显的差异（最小C差异在10%以内），可见广东地区EPE厂家的产品性能相对稳定。在企业无法针对每款材料进行性能研究的前提下，本次缓冲特性研究数据有普遍参考价值。

参考文献

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