发泡(聚氨酯）缓冲材料的性能测试与评价

在产品实际流通或实验室里的仿真实验中，我们一直习惯从宏观角度去评价一个完整包装件的优劣。所谓宏观角度评价，反映的是包括包装材料、包装方式、包装结构以及内装产品自身特性等各种因素的综合影响结果，简单且直观。然而，宏观角度评价难以考察某一种因素在整个包装件中所发挥的功用。因此，在评价某一包装件的综合保护水平时，需要根据内装物的特性，确定一个完整包装件中包装材料、设计结构、包装方式等因素的单独保护作用。　　在整个包装系统中，重点是对包装件中担任重要角色的缓冲类材料实施科学的检测和深入的分析。包装用缓冲材料广泛应用于电子产品、家用电器、仪器仪表、玻璃陶瓷等各种易损易碎物品。缓冲材料主要有泡沫类、弹簧类、纤维类等，而发泡塑料类应用最多最广。常用的发泡塑料有发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚苯乙烯（EPS）、发泡聚氨酯（PU）等。发泡塑料是一种气体与塑料共混而成的材料，具有较大的可压缩性、缓冲性，在防震、防破碎包装中起着重要的作用。发泡缓冲材料可以根据不同的被包装产品，制成多种多样的形状和结构，置于产品的适当部位发挥缓冲效用。与其它材料相比，发泡材料的用料少、质量轻、便于加工、易于机械化生产，因此越来越多地受到使用和生产厂家的青睐。发泡类缓冲材料可粗略地分为硬质发泡材料和软质发泡材料、开孔发泡材料和闭孔发泡材料、物理发泡材料和化学发泡材料以及高密度材料和低密度材料等。同一类的塑料原料由于发泡倍率不同、熟化程度不同，所生成的发泡材料在性能和用途上具有很大的差异，如：发泡材料的外观、阻尼特性、弹性等都会有所不同。在实际应用中，通常根据产品的保护要求，通过测试的方法比较发泡缓冲材料的各项理化性能，挑选出相关参数最恰当、最经济的材料加以应用。研究发泡缓冲材料的目的就是力图做到用最低的包装成本满足产品最必要的保护要求。
　　我们常见到的是成型的缓冲材料。测试成型缓冲材料的物理性能，重点是考察其缓冲性能。检测缓冲材料的方法很多，不同类型的缓冲材料有其相应的试验方法和试验项目。检测缓冲材料的各项性能指标，我们经常采用中国国家标准、美国ASTM 标准、ISO 国际标准和日本JIS 标准等。测试项目常见的有：缓冲材料的外观、表观密度、尺寸稳定性、静态压缩特性、动态压缩特性、蠕变特性、压力保持以及振动传递特性等。
　　观察发泡缓冲材料的外观，我们可以辨别出发泡缓冲材料的原料类型，如EPE、EPS、PU 等；同时也能判断出发泡缓冲材料的发泡类型，如开孔或闭孔；以及发泡缓冲材料的熟化程度。
　　表观密度是决定同类发泡缓冲材料缓冲性能的一项主要物理特性，它是评价发泡缓冲材料最直观的途径。通常同类材料中密度较高的刚性较大，密度较低的弹性较好。发泡缓冲材料的泡孔成型不同，分成开孔和闭孔。针对不同的泡孔成型表观密度有其对应的测定方法。根据选用不同模制材料的位置，分别可以测量表观总密度、表观芯密度、体积密度。测量表观密度低于30kg/m3 的闭孔泡沫材料时，要将加工过程中混入的气体质量包含在内。气体质量要以测定时状态调节的环境温度作为计算依据。发泡缓冲材料表观密度所决定的缓冲特性在其它物理性能指标中也会有所体现，如静态压缩特性曲线中，表观密度较高的材料所呈现的曲线斜率会大于表观密度较低的材料；在动态压缩特性、蠕变特性及压力保持试验中，表观密度较低的材料形变回复性比较好。
　　发泡缓冲材料的尺寸稳定性是考察发泡缓冲材料的耐候能力，它与发泡缓冲材料的加工原料和加工工艺息息相关。“结构紧凑”是缓冲包装设计的关键，发泡缓冲材料在交变的温湿度环境下进行流通，包装件所受到的冲击、振动、堆码都会使发泡缓冲材料受到应力挤压产生形变，随着变形在时间上的不断积累，造成发泡缓冲材料以及整个包装出现一定的永久形变，并产生空隙，使包装件结构发生改变，从而降低了包装件的自身保护能力。在实际流通过程中，缓冲衬垫上发生的微小尺寸变化，会对包装结构造成很大影响。在GB/T8811-1988中，规定尺寸稳定性试验的温度为70℃± 2℃，在此环境中将试样连续放置48h后比较尺寸变化率。试验温度应该根据包装件的流通环境全过程进行综合考虑。一般应将包装件流通过程中所遭受的极限温湿度作为试验的测试目标，才能准确且有针对性的考察发泡缓冲材料的耐候性能。
　　缓冲材料的静态压缩是模拟在静态载荷下包装件中缓冲衬垫所表现出的形变和力学特性。包装件在运输和仓储过程中都会遇到不同的堆码方式，不论何种堆码方式，在此过程中都会对包装件产生静态压力。这种静态载荷同时可由外包装纸箱、缓冲衬垫以及内装产品自身共同承担支撑作用。在静态载荷的作用下，发泡缓冲材料受到压缩，产生变形，改变了包装件整体结构，影响了缓冲效果。发泡缓冲材料自身所产生的应力、应变取决于材料本身的特性，它与材料类型、材料质量、发泡方式、发泡倍率、混合密度、成型工艺等有着直接的关系。静态压缩试验是对发泡缓冲材料试样以100 ± 20mm/min 的加载速度压缩试样厚度的70%，反复三次预压缩，第四次通过计算机采集系统记录下发泡缓冲材料试样所承受的载荷和压缩变化量，即得到负荷——形变曲线，可以进一步转化为应力——应变曲线和缓冲系数——静应力曲线。利用缓冲系数——静应力曲线可以作为包装中缓冲衬垫尺寸的设计基础。我们可以通过理论计算得到缓冲衬垫的厚度和缓冲衬垫与所包装产品的接触面积。
　　发泡缓冲材料的静态压缩特性，依据不同标准，有着不同的方法。中国国家标准和日本JIS标准规定，在试验前试样要在一定压力下保持30秒后再测量其厚度，作为试样的原始厚度。中国国家标准要求对缓冲材料的加载速度为12±3mm/min；日本JIS标准要求对试样以相同程度反复压缩10次后，以预压缩的厚度作为初始厚度进行压缩试验并记录下曲线。预压缩的压缩量在中国国家标准中规定为原始厚度的0%～65%，而日本JIS 标准则要求是原厚度的20%。ISO 国际标准对发泡缓冲材料的静态压缩性能试验的要求有高密度材料和低密度材料之分，密度范围不同，试验方法也有所不同。低密度发泡缓冲材料的静态压缩试验是以100 ± 20mm/min 的速度压缩试样原始厚度的EMBED Equation.3 或压缩到预定的应变值，然后撤去压力。重复这样的预压缩三次，在第四次压缩时记录载荷——形变曲线。这种方法适合材料质地较软、易变形、变形量显著且容易恢复形变的低密度发泡缓冲材料。该试验方法更接近发泡缓冲材料的实际使用情况。高密度发泡缓冲材料的试验方法与低密度的不同之处在于对试样的加载速度降低到5 ± 1mm/min。由于高密度发泡缓冲材料的刚性大，不易变形，容易产生永久形变，实际应用中适于包装质量较大的产品，其耐反复压缩性能较差。
　　冲击是检验某种规格的缓冲材料传递加速度的能力，缓冲材料依靠自身形变吸收冲击能量来减少传递到产品上的加速度。冲击是包装件在储运环境中所考核的重点项目，因为它关系到产品是否能够最终以完好的状态呈现在使用者面前。包装件在流通过程中无法避免会受到冲击的危害，如人工装卸、机械搬运、运输工具的起动、停车、列车连挂、路面不平坦等都会引起对包装件不同程度的冲击。冲击是造成包装件损坏的主要原因之一。冲击是一种现象，是一个物体的位置、速度或加速度在外力作用下发生的突然变化；是在一个很短的时间内使加速度迅速增加，然后又急剧减少。当冲击对包装件内装产品产生的加速度达到或超过产品的脆值时，产品就会遭到致命损坏。研究发泡缓冲材料承受冲击的能力，就是要找出它在冲击中发挥作用的规律，选择恰当的发泡缓冲材料，从而削弱冲击对内装产品的影响，降低产品的破损率。发泡缓冲材料动态冲击试验就是模拟包装件中的缓冲衬垫在受到冲击时所表现出的缓冲性能。
　　发泡缓冲材料动态冲击试验是在规定的冲击高度下，以一系列不同的载荷来冲击缓冲材料试样，记录下最大冲击加速度、冲击时间和速度变化以及被冲击试样的厚度变化。通过动态冲击试验我们可以得到冲击加速度——静应力曲线，进而转化成冲击加速度——最大静应力曲线和缓冲系数——最大静应力曲线以及厚度变化——静应力曲线和冲击加速度——静态位移曲线。
　　测试步骤是将一个试样置于冲击台面中央，用胶带固定。将重锤提升至预先设置的高度，激活程序，记录下冲击加速度、冲击时间和速度变化。每个试样冲击5次后放置3min测量其厚度，该厚度与试样原始厚度的差值作为静态位移，静态位移与原始厚度的比值（百分比）为厚度变化。通过上述五种曲线，可以了解各种发泡缓冲材料的动态特性。分析、比较获得的曲线，在进行缓冲包装结构设计、缓冲材料选择时加以利用，挑选出一种既满足保护要求，又经济实惠的缓冲材料，得到优化设计的产品包装。
　　振动传递特性是检验某种规格的缓冲衬垫的吸振能力。振动所带来的危害无处不在，在建筑结构、机械结构、包装结构中都有着不可忽视的影响。在包装件的流通过程中，造成内装产品损坏的另一主要原因就是振动。震源来自运输工具本身的动力装置振动、公路路面高低不平、铁轨的接缝以及风浪引起的水面波动等。振动会使产品或外包装容器表面划伤、漆膜脱落；产品内部会因反复施加的作用力而使螺丝松动、部件变形、产生裂纹，甚至部件之间相互撞击；产品的致命危险是当外界激振频率与包装件或内装产品的某一元件的固有频率相同时，产生共振现象。尤其是电子产品和精密仪器，振动会直接影响到它们的使用性能。发泡缓冲材料除了要有优良的抵御冲击的性能以外，还应具备良好的吸振性能，减小运输工具向内装产品传递振动。发泡缓冲材料的吸振特性主要与这种材料的阻尼相关。阻尼的存在能够消耗一部分振动能量，使作用在内装产品上的振动减小。我们可以通过模拟试验分析包装件受到振动时所反应出的情况，找出包装件损坏的可能因素，有针对性地采取防护措施加以保护。吸振特性试验可在振动试验机上进行，将发泡缓冲材料置于模拟内装物的一系列质量载荷的上下表面，同时分别在振动台和内装物上安置传感器。以扫频方式得到各个质量系统的振动传递率——频率曲线和该质量系统下的共振点。从而可以获得该种材料的振动特性评价。
　　压力保持是考察缓冲材料的形变恢复能力，以此来确定缓冲材料的有效使用范围。发泡缓冲材料的压力保持试验是测试发泡材料回弹性的优劣。当包装件受到冲击时，发泡缓冲材料的回弹性是引起产品遭受二次冲击的重要因素。因此，应该对包装中的发泡缓冲材料进行预处理，如预压缩，使之发生塑性变形，然后再以这种状态作为包装使用基础，使其发挥缓冲作用。
　　压力保持试验是先测量试样的初始厚度，压缩试样使其变形量为原始厚度的50%，保持此状态放置24h，24h后卸载压力，分别在卸载压力后30min和24h后测量试样的厚度，作为试验后的试样厚度。试样的厚度变化与初始厚度的比值为该种发泡缓冲材料的厚度变化率（百分比）。
　　蠕变特性展现出缓冲材料在使用过程中的形变历程，我们可以通过它了解缓冲材料在形变上的使用极限。发泡缓冲材料的压缩蠕变特性是材料应力对于时间的效应，蠕变现象就是在长时间的静压负荷下，随时间的增长而变形加大的现象。包装件在流通过程中需要长期贮存，这样就会给包装材料产生蠕变提供了条件，特别是变形余地较大的发泡缓冲类材料。蠕变导致材料的塑性变形，加大了衬垫与内装产品之间的空隙，当产品受到冲击时更易造成二次冲击。贮存时间的长短、温湿度以及各项环境条件均会影响外包装和内部缓冲衬垫的抗压强度。随着贮存时间的延长，外包装和缓冲衬垫都会产生蠕变，使得强度下降，一旦载荷过大达到包装溃值，外包装会出现明显的变形，使内装物直接承受外部压力，长时间如此，将影响产品的使用性能，甚至造成产品的损坏。
　　蠕变的测试方法是先给予试样一定的预压缩之后加载适当配重，并在间隔不同时间后测量试样的厚度；加载72h后移去配重，分别在间隔不同时间后测量试样的厚度，最终绘制出发泡缓冲材料的蠕变——时间曲线。
　　随着发泡缓冲材料在各个领域的广泛应用，出现了一些新颖的应用方式。例如，由于生产工艺的制约，为达到低密度EPE通常是多层粘合而成。我们习惯使用其脱模平面作为使用的受力面，同时也有使用与其脱模平面相垂直的表面作为使用面。我们发现这样的使用方式会使发泡缓冲材料在使用中刚度增强，但粘合层在受力时会有分离现象，可能会影响发泡缓冲材料承受多次冲击的能力。
　　由于空气的热传导性很小，且又被封闭于塑料中不能对流，所以发泡缓冲材料是一种隔热、保温性能非常优良的材料。但发泡缓冲材料自身对温度和湿度的适应能力还有待进一步研究。
　　产品的缓冲包装要以一种综合的全面的角度去考核。希望上述介绍的检验评价经验能有助用户在实际工作中以最少量的包装材料达到最恰当的保护功能