傳統(tǒng)緩沖材料與切削型紙質材料緩沖性能對比研究

鄧志航，呂穎慧，何宣江，肖楚桓，劉武，滑廣軍

（1.湖南工業(yè)大學包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2.廈門合興包裝印刷股份有限公司，福建 廈門 361000）

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，社會對產品包裝的需求日益增加。在包裝領域，緩沖材料作為一種重要的包裝材料，對于保護產品免受運輸過程中的撞擊、振動和壓力等外力影響具有重要作用。在傳統(tǒng)緩沖材料中，如EPE、EPS、EVA 等傳統(tǒng)緩沖材料以其良好的緩沖性能和具有成本效益而在各種產品的包裝中廣泛應用[1]。此外，這些材料重量輕、易于加工和回收等優(yōu)點也使它們在包裝行業(yè)中備受推崇[2]。這些材料可以有效地保護包裝物品，避免在運輸過程中造成損壞，并且能夠提供良好的隔熱和防潮效果，保持產品的質量和新鮮度[3]。幾種常用塑料緩沖包裝材料的性能比較如表1 所示[4-6]。

表1 幾種常用塑料緩沖包裝材料的性能比較

近年來，切削型紙質材料作為一種新型的環(huán)保緩沖材料，因其可再生、可降解的特點而受到廣泛關注。然而，尚未有足夠的研究對傳統(tǒng)緩沖材料與切削型紙質材料在緩沖性能方面進行深入的對比分析。因此，本論文利用辦公用費紙為原料，將其裁切成不同尺度規(guī)格、不同形狀的碎紙，然后將碎紙集裝在集裝桶中，利用萬用材料試驗機對碎紙進行靜態(tài)壓縮試驗，得到相應的應力-應變曲線及緩沖系數(shù)曲線。并與典型緩沖材料EPE（圖1）、EPS（圖2）、EVA、蜂窩紙板的緩沖性能進行了對比分析，為切削型緩沖材料的合理應用提供依據(jù)。

圖1 EPE（發(fā)泡聚乙烯）

圖2 EPS（發(fā)泡聚苯乙烯）

1 試驗

1.1 材料與設備

試驗材料為辦公用A4 紙，EPE、EPS、EVA、蜂窩紙板材料。其中蜂窩紙板試樣規(guī)格為100mm×100mm×50mm，其他試樣規(guī)格如表1 和表2 所示，表3 中所有試樣的碎紙量均為3 張辦公用A4 紙。

表2 泡沫試樣規(guī)格

表3 切削型紙質試樣規(guī)格

試驗設備為微機控制電子萬能試驗機，CMT 6104 型，精度為0.5 級；碎紙機，碎紙規(guī)格為297mm×7mm、5mm×7mm、297mm×7mm 和23mm×4mm；游標卡尺，精度為0.02mm，I 型；預壓板，重160g，3D 打印成型；集裝桶，內徑100mm，壁厚0.8mm，為3D 打印成型，填充度均為70%（圖3）；恒溫恒濕箱，設置溫度為23℃，濕度為50%。

圖3 集裝筒結構示意圖

1.2 實驗過程

試驗方法為靜態(tài)壓縮試驗。試驗環(huán)境設置為23℃，濕度為50%。試驗前如表1 和表2 中準備試樣，并將表2 中的試樣分別放入集裝袋中，進行溫濕度調節(jié)處理，預處理溫度為(23±2)℃，濕度為(50±5)%，處理時間為48h。預處理后，將試樣分別放入集裝桶中，用預壓板進行預壓，對切削型紙質試樣進行初步密實化處理，便于試樣后續(xù)壓縮。采用微機控制電子萬能試驗機，以10mm/min 的速度進行加載，采樣觸發(fā)載荷為0.5N，采集力-變形數(shù)據(jù)。

2 實驗結果

2.1 應力-應變曲線

參照GB 8166-87《緩沖包裝設計方法》中的數(shù)據(jù)處理方式，對測試得到的力-變形數(shù)據(jù)按照式(1)(2)計算，得到應力-應變數(shù)據(jù)，并對每組應力-應變數(shù)據(jù)求平均值。

式中：σ 為應力，單位MPa；ε 為應變；F 為載荷，單位N；A 為抗壓試驗機壓頭的橫截面積；x 為壓縮位移，單位mm；L 為試樣厚度，單位mm。

利用Matlab 軟件處理數(shù)據(jù)生成曲線，各組的等效應力-應變曲線如圖4 至6 所示。由圖4 分析可知，切削型紙質材料的應力-應變曲線在EPE、EPS 的應力-應變曲線的下方，說明切削型紙質緩沖材料的剛度小于傳統(tǒng)緩沖材料，即更易彎曲和變形，能夠更好地吸收輕型產品在運輸過程中的沖擊和震動。因此比較適合輕型產品的緩沖包裝。

圖4 所有試樣的應力-應變曲線

由圖5 和圖6 分析可知EPE、EPS 和EVA 三種材料的應力-應變曲線符合正切型應力-應變曲線，分為彈性形變、塑性形變和密實化三個階段。在應變約為0 到0.1 的范圍內，是小應變的彈性變形區(qū)，EPS 和EVA 的應力增速明顯較快，EPE 無此類現(xiàn)象，可能與其氣泡結構較 大有關。在0.1 到0.4 的應變范圍內，是一段塑性形變區(qū)（即屈服段），三種材料的應力變化曲線趨勢基本相同。蜂窩紙板的應力在應變?yōu)?.06 時達到第一個峰值，但受到破壞性沖擊后，其緩沖性能無法恢復，應變超過0.06 后，隨著紙張的壓縮與崩潰，應力開始隨之上下浮動，出現(xiàn)多個峰值，且均小于第一個峰值。可知，蜂窩紙板是一次性緩沖材料，不適用于復雜多變的運輸環(huán)境。由圖5 可知三種不同密度的EPE 緩沖材料具有不同的緩沖性能，隨著密度的增加，EPE 緩沖材料的緩沖性能逐漸提高。

圖5 傳統(tǒng)緩沖材料試樣的應力-應變曲線

圖6 不同密度EPE 的應力-應變曲線

2.2 緩沖系數(shù)-最大應力曲線

根據(jù)所得應力-應變數(shù)據(jù)，參照GB 8166-87 中的數(shù)據(jù)處理方式，將應力-應變曲線下的面積分割為若干三角形區(qū)域，利用式(3)至(5)進行處理，得到如圖5 所示的緩沖系數(shù)-最大應力曲線圖[7]。

式中e 為達到應力時材料的單位變形能，單位為N·m；C 為緩沖系數(shù)；i=1, 2, …, n, k=1, 2, …, i。

根據(jù)圖7 可知，切削型紙質材料對應的曲線處于坐標軸偏右的位置，處于較小的應力區(qū)間，且與最大應力曲線基本重合。而蜂窩紙板、EPE、EPS、EVA等傳統(tǒng)緩沖材料對應的曲線處于較大的應力區(qū)間。通過對緩沖系數(shù)-最大應力曲線的分析表明，與傳統(tǒng)的緩沖材料相比，切削型紙質緩沖材料在緩沖過程中，能夠提供較為均勻的應力分布，適用于小應力狀態(tài)下的輕型產品的緩沖包裝。而傳統(tǒng)的緩沖材料則更適合承受更大的沖擊力，適用于重型產品的緩沖包裝。

圖7 所有試樣的緩沖系數(shù)-最大應力曲線

根據(jù)圖8 可知，EPE、EPS 和EVA 三種材料的緩沖系數(shù)-最大應力曲線基本一致都具有一個明顯的峰值，對應著材料能夠吸收的最大沖擊能量。根據(jù)圖9 可知，密度最大的EPE 緩沖材料(EPE-1)對應的最小緩沖系數(shù)最小，而平均密度較小的EPE 緩沖材料(EPE-3)所對應的最小緩沖系數(shù)最大，最小緩沖系數(shù)隨著密度的增大而減小。

圖8 泡沫試樣的緩沖系數(shù)-最大應力曲線

圖9 不同密度EPE 的緩沖系數(shù)-最大應力曲線

3 結論

本文通過準靜態(tài)壓縮試驗對傳統(tǒng)緩沖材料EPE、EPS、EVA、蜂窩紙板等與不同尺度、不同形狀及不同處理形式的切削型紙質材料進行了實驗測試分析，利用MATLIB 軟件進行了處理，研究結果表明。

1）傳統(tǒng)緩沖材料具有良好的緩沖性能、同體積下質量較輕等優(yōu)點，適用于多種緩沖環(huán)境，與切削型紙質緩沖材料相比具有一定的優(yōu)勢。

2）密度對EPE 的緩沖性能有較大的影響，密度越大，單位體積變形能吸收的能量越多，緩沖性能越好。

3）蜂窩紙板受到破壞性沖擊后，其緩沖性能無法恢復，是一次性緩沖材料，不適用于復雜多變的運輸環(huán)境。

4）與傳統(tǒng)的緩沖材料相比，切削型紙質緩沖材料適用于小應力狀態(tài)下的輕型產品的緩沖包裝，如手機、相機等精密電子產品。且切削型紙質材料可以根據(jù)不同產品的形狀和尺寸進行定制，具有更好的適應性和靈活性，豐富了緩沖包裝設計的選材空間。