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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