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缓冲防振包装设计

一.缓冲材料

1、缓冲材料基本性能要求

所谓缓冲材料是指能吸收冲击和振动的机械能,并将其转化为变形能的材料。它能把施加于包装货物上的冲击和振动力缓和地传递于内部产品上，为此缓冲材料既要有弹性又要有粘滞性。为了应对各种恶劣工况和有利于环保,它还需要其他一些基本特性。总体而言,必备的基本特性有:

①对冲击能量的吸收性

缓冲材料对冲击能量应具有良好的吸收性能，从而有效地减小传递到内装产品上的冲击，这一点是选择缓冲材料首先应考虑的因素。

②对振动能量的吸收性

缓冲材料对振动的传递除与材料的成分、密度、工艺条件以及温度有关外，还与阻尼有关。阻尼将材料的振动能量转化为热能和塑性形变能，形成对振动的衰减。一般情况下，材料的阻尼越大，对振动的衰减也越大。在振动系统中，材料的阻尼特性常用阻尼比来描述，阻尼比是一个与阻尼成正比的物理量。下面是国外资料介绍的几种缓冲材料的阻尼比（见表1）：

③其他还有：回弹性：蠕变性、温度稳定性、湿度稳定性、耐破损性、；化学稳定性等。

表

表1缓冲材料名称

聚乙烯或聚苯乙烯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料

橡胶硅橡胶

钢质螺旋弹簧

常用缓冲材料的阻尼比

阻尼比

0.08~0.2

0.1~0.5

0.02~0.16

0.118~0.23

0.008~0.016

2、缓冲材料的变形特性

缓冲材料的变形特性,大致分为两大类:弹性型(resilienttype)和压溃型(collapsibletype),而弹性型又可分为两大类:线性型(lineartype)和非线性

型(non-lineartype)。目前工程上广泛使用的缓冲材料大多是非线性弹性材料。

线性弹性体(图1)

在反复压缩过程中不产生塑性变形,有如金属弹簧。载荷与变形成正比关系,刚度系数k为常数。其载荷—变形表达式为

双直线弹性体(图2)

又称分段线性材料，它具有两种不同的刚度系数值。当变形达到某一临界值

(d)时,材料变得坚硬(k),可避免产品受到大的冲击力时发生触底现象。其

s 1

载荷—变形表达式为

三次函数弹性体(图3)

通常无压缩极限，当受到相当高压力时还可测到其压缩变形的变化。其变形与载荷函数关系可近似表达为

这类材料多为纤维性材料,如木丝、干草、醋酸纤维丝、发泡塑料草等,组合拉伸吊装弹簧也属此类。

正切型弹性体(图4)

又称硬特性材料。当变形量较小时,变形图线近似于一直线（k）当载荷到

0

达某一特定点后，刚度突然急剧增大，需要极大的载荷才能产生很小的变形(d

b

为变形极限)，此时接近于一种坚固型材料。这种情况类似于材料受压硬化或触底现象。载荷-变形关系可近似表达为

此类材料多为高分子发泡材料、泡沫橡胶、海绵、纸条、棉花等。

双曲正切型弹性体(图5)

又称软特性材料。当在某一点前,压力呈直线上升(k),过了此点后,载荷增

0

加不大时变形量却增加很大,甚至载荷几乎可以不增加(载荷极限P

)。此时载荷

O

变形关系可近似用双曲线的切线函数来表达。这是一种最佳形式的缓冲材料。

此类材料如充气袋、压缩橡胶气枕、瓦楞纸板(未压垮时)。

不规则弹性体(图6)

这种材料的载荷变形关系很难用较确切的函数式来表达,但可用试验方法绘出材料弹性曲线。

实际上大多数高分子发泡材料皆属于不规则弹性体。

组合型材料的力学特性

常见的多种缓冲材料组合的方法有很多， 最基本的是叠置和并列两种方法。

缓冲材料的叠置——类似于弹簧的串联形式，其刚度组合系数：

1 1 1

? ?

kk

或 k?k12

k k k ?k

1 2 1 2

缓冲材料的并列——类似于弹簧的并联，其刚度组合系数：

k?k ?k 式中k、k 分别为两种线弹性材料的弹性系数

1 2 1 2

3、缓冲系数C

材料缓冲系数C，表征了衬垫材料吸收产品动能并转化为变形能的能力,其表达式为

式中

o 为对应于最大应变时的最大应力(MPa)

m

U为材料的单位体积应变能(N·cm/cm 3)m

P为作用载荷(N)t为材料厚度(m)

E为材料变形能（N·m或J）

显然,缓冲系数越小,表明在同样变形条件下应力越小,传递到产品上的力也越小。

在静态载荷作用下和在动态载荷作用下材料缓冲性能是不同的,故缓冲系数

示。C也有静态与动态之分(图7)。

示。

静态载荷是指材料压缩变形速度在12±3mm/min的情况,模拟仓储堆码中材料受到的静压力。

动态载荷是指材料压缩变形速度在3.4m/s的情况,模拟运输过程中受到的冲击力。

工程设计中用到的材料静态缓

冲系数C与最大应力σ 曲线,如图8所

m

工程设计中还常用到表示材料动态缓冲性能的最大应力σs与最大冲击加速度G曲线,如图9所示。

m

图8中各材料缓冲系数