鞏桂芬， 劉萌沛

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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充氣墊緩沖材料破損強(qiáng)度研究

鞏桂芬， 劉萌沛

(陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710021)

為了研究三種不同寬度規(guī)格充氣墊緩沖材料的耐壓爆破強(qiáng)度,通過(guò)利用耐壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同規(guī)格的充氣墊進(jìn)行爆破損壞實(shí)驗(yàn)，記錄破損時(shí)充氣墊壓強(qiáng)、破損位置，研究充氣墊的爆破損壞過(guò)程，分析不同規(guī)格充氣墊爆破壓強(qiáng)之間的關(guān)系；同時(shí)選擇兩種厚度的充氣墊薄膜材料，對(duì)其相同規(guī)格耐壓性能進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,充氣墊破損過(guò)程分為三個(gè)階段，充氣飽滿階段——穩(wěn)定階段——鼓包破損階段.對(duì)于不同規(guī)格的充氣墊，寬度越小的充氣墊破損壓強(qiáng)較大，寬度越大的充氣墊破損壓強(qiáng)較??；薄膜厚度較薄的充氣墊，其破損壓強(qiáng)較小.因此,充氣墊穩(wěn)定階段的壓強(qiáng)范圍是應(yīng)用時(shí)壓強(qiáng)的適用范圍.在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，寬度規(guī)格較小的充氣墊初始內(nèi)壓較大，寬度規(guī)格較大的充氣墊初始內(nèi)壓較小，薄膜厚度較厚的充氣墊，其初始內(nèi)壓范圍較大.

充氣墊； 耐壓強(qiáng)度； 爆破壓強(qiáng)

0 引言

充氣墊緩沖包裝材料是一種新型環(huán)保材料[1]，它是由PE/PA共擠薄膜材料經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后預(yù)制而成,通過(guò)逆止閥將壓縮空氣充入結(jié)構(gòu)腔室.在受到外界沖擊及振動(dòng)時(shí)，腔室內(nèi)的空氣產(chǎn)生變形，吸收外界能量降低沖擊加速度，從而達(dá)到對(duì)被包裝產(chǎn)品的緩沖保護(hù)功能[2].目前，對(duì)充氣墊緩沖材料研究?jī)?nèi)容主要包括充氣墊充氣量[3]、充氣墊蠕變特性[4,5]、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)充氣墊承載能力的影響[6]；通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)充氣墊的靜態(tài)承載能力[7]、靜態(tài)剛度特性[8]進(jìn)行了研究；對(duì)某一特定跌落高度下充氣墊動(dòng)態(tài)沖擊特性[9]及動(dòng)態(tài)剛度[10]進(jìn)行了研究；研究其幾何模型表明圓柱模型適合表征尺寸規(guī)格較小的充氣墊[11,12]，而較大尺寸需要用改進(jìn)模型進(jìn)行表征[13]；此外，在應(yīng)用方面的研究主要通過(guò)使用充氣墊對(duì)洗衣機(jī)、小型家電等產(chǎn)品進(jìn)行包裝評(píng)價(jià)后與原有包裝進(jìn)行對(duì)比分析[14,15].

研究表明充氣墊初始內(nèi)壓的選擇直接影響緩沖材料的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)緩沖性能.初始內(nèi)壓大的充氣墊可承受的靜態(tài)承載力較大，而初始內(nèi)壓小的充氣墊可承受的最大動(dòng)應(yīng)力大.因此如何確定既滿足靜態(tài)承載能力，又滿足產(chǎn)品在運(yùn)輸中的沖擊振動(dòng)的初始充氣內(nèi)壓是關(guān)鍵.若選擇的初始內(nèi)壓過(guò)大，運(yùn)輸過(guò)程中遇到?jīng)_擊瞬間會(huì)導(dǎo)致充氣墊內(nèi)部壓強(qiáng)加大，甚至導(dǎo)致充氣墊的爆破，影響充氣墊整體的緩沖效果.

基于上述原因，本文主要研究充氣墊緩沖包裝材料的耐壓性能，通過(guò)耐壓試驗(yàn)機(jī)來(lái)觀察充氣墊爆破損壞的過(guò)程及充氣墊的破損位置，確定充氣墊的爆破強(qiáng)度，比較不同寬度充氣墊爆破強(qiáng)度,同時(shí)對(duì)不同薄膜厚度、相同規(guī)格的充氣墊爆破壓強(qiáng)進(jìn)行對(duì)比等，為充氣墊緩沖包裝材料初始內(nèi)壓的選擇提供設(shè)計(jì)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

寶大儀器耐壓試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)：PT-5070.

PT-5070耐壓試驗(yàn)機(jī)依據(jù)GB 18454《液體食品無(wú)菌包裝用復(fù)合袋》相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)制造.由壓力氣源、空氣清潔過(guò)濾、減壓、節(jié)流、充氣(保壓、卸壓)控制、常開(kāi)電磁閥、測(cè)量顯示等部分組成，其中壓力測(cè)量系統(tǒng)由MSP400型壓力傳感器和LA-808采集、顯示器等組成，原理圖如圖1所示.

圖1 耐壓試驗(yàn)機(jī)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為單個(gè)氣柱，根據(jù)充氣墊未充氣前單個(gè)氣柱寬度分為3種(30，40，60 mm)，充氣墊薄膜材料為PA/PE 7層共擠膜，薄膜厚度分別為60μm、70μm，其中60μm薄膜材料縱向拉伸強(qiáng)度34.82 Mpa，橫向拉伸強(qiáng)度30.01 Mpa，縱向斷裂伸長(zhǎng)率476.91%,橫向斷裂伸長(zhǎng)率475.58%；70μm 薄膜材料縱向拉伸強(qiáng)度31.4 Mpa，橫向拉伸強(qiáng)度30.68 Mpa，縱向斷裂伸長(zhǎng)率507.52%,橫向斷裂伸長(zhǎng)率507.48%.實(shí)驗(yàn)樣品每組8個(gè)，樣品具體參數(shù)如表1所示.

表1 充氣墊緩沖材料各規(guī)格參數(shù)

規(guī)格表示：充氣前寬度(mm)-薄膜厚度(μm)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

此實(shí)驗(yàn)設(shè)備根據(jù)GB 18454-2001相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)，適用于復(fù)合袋及類似材料的耐壓性能實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用充氣閥向充氣墊中充氣，耐壓試驗(yàn)機(jī)顯示充氣墊腔室內(nèi)的壓強(qiáng)，在不斷增壓的過(guò)程中充氣墊會(huì)不斷充氣并產(chǎn)生變形.選擇220 KPa作為保持壓強(qiáng)，等充氣墊到達(dá)此設(shè)定值時(shí)，停止充氣并保持內(nèi)部壓強(qiáng)2 min不變，觀察充氣墊形狀變化；繼續(xù)充氣直到充氣墊爆破，記錄爆破瞬間的壓強(qiáng)值，此數(shù)值即充氣墊薄膜材料的破損最大值.爆破時(shí)的破損壓力可以反映充氣墊的失效極限值.

2 結(jié)果與討論

2.1 充氣墊爆破失效過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，充氣墊爆破失效的過(guò)程分為三個(gè)階段.第一階段是充氣墊充氣飽滿階段，此階段隨著充氣墊內(nèi)部壓強(qiáng)的緩慢增大，氣柱形狀不斷飽滿，直到氣柱達(dá)到穩(wěn)定的厚度尺寸.第二階段是充氣墊飽滿穩(wěn)定階段，此階段充氣墊飽滿后，充氣壓強(qiáng)在一定范圍內(nèi)的增大，使充氣墊硬度不斷增加，在保持壓強(qiáng)操作過(guò)程中，觀察到充氣墊并不發(fā)生變形，處于穩(wěn)定階段.第三階段繼續(xù)向充氣墊加壓，隨著壓強(qiáng)的增大充氣墊氣柱局部鼓起，并隨壓強(qiáng)的增大而變大，直到最后充氣墊薄膜無(wú)法承受內(nèi)部的壓力而爆破.其過(guò)程如圖2～圖5所示.

圖2 充氣墊未變形時(shí)

圖3 充氣墊出現(xiàn)局部鼓包

圖4 充氣墊鼓包脹大

圖5 充氣墊破損臨界時(shí)

充氣墊爆破的過(guò)程表明，在充氣墊應(yīng)用時(shí)應(yīng)首先確定穩(wěn)定階段的壓強(qiáng)范圍，再根據(jù)不同質(zhì)量、產(chǎn)品脆值、運(yùn)輸環(huán)境等要求，在壓強(qiáng)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇.超出此范圍的壓強(qiáng)，過(guò)小則不能達(dá)到穩(wěn)定的緩沖厚度，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致充氣墊破損，穩(wěn)定階段其緩沖效果穩(wěn)定.

2.2 充氣墊破損位置的分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)后充氣墊破損位置進(jìn)行測(cè)量，規(guī)定充氣閥處為原點(diǎn)位置，破損位置在帶有充氣閥表面為“+”，非充氣閥表面為“-”，測(cè)量并記錄得到破損位置范圍如表2所示.

表2 不同規(guī)格充氣墊破損位置統(tǒng)計(jì)表

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，充氣墊的破損位置主要出現(xiàn)在充氣墊的薄膜表面上，充氣閥部位及封合位置均不發(fā)生破損.此結(jié)果反映出充氣墊緩沖材料使用過(guò)程中，發(fā)生漏氣現(xiàn)象的可能較小，緩沖失效的主要方式是充氣墊內(nèi)部壓強(qiáng)過(guò)大導(dǎo)致充氣墊薄膜破損.從薄膜破損的表面位置看，充氣閥表面和非充氣閥表面均有破損，隨著充氣墊規(guī)格不同，破損的位置會(huì)發(fā)生變化，但對(duì)于確定規(guī)格的充氣墊其破損位置比較集中.

2.3 充氣墊尺寸對(duì)破損強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)不同規(guī)格的充氣墊的爆破實(shí)驗(yàn)，記錄破損時(shí)壓強(qiáng)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 不同規(guī)格充氣墊爆破壓強(qiáng)統(tǒng)計(jì)表

(1)充氣墊寬度對(duì)耐壓強(qiáng)度的影響

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較長(zhǎng)度均為255 mm的三種寬度規(guī)格的破損平均壓強(qiáng)如圖6所示.

圖6 不同寬度氣柱爆破壓強(qiáng)比較

圖6表明，在空氣墊長(zhǎng)度相同的情況下，隨著空氣墊寬度規(guī)格的增大，其爆破壓強(qiáng)變小.即厚度尺寸越小的空氣墊耐壓強(qiáng)度越高，可承受的爆破壓強(qiáng)較大；厚度越大的空氣墊耐壓強(qiáng)度越低，可承載的爆破壓強(qiáng)較小.因此在應(yīng)用時(shí)若選擇厚度尺寸較小的空氣墊，應(yīng)增大其初始?jí)毫?，而選擇寬度尺寸大的空氣墊時(shí)應(yīng)降低初始充氣壓力.

(2)充氣墊長(zhǎng)度對(duì)破損強(qiáng)度的影響

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比不同長(zhǎng)度的30-70規(guī)格的空氣墊破損平均壓強(qiáng)如圖7所示.

圖7 相同寬度、不同長(zhǎng)度充氣墊爆破壓強(qiáng)比較

圖7表明，在寬度規(guī)格相同時(shí)，隨著長(zhǎng)度的增加其爆破內(nèi)壓變大，即長(zhǎng)度較大的氣柱其耐壓強(qiáng)度較高.導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是其耐壓強(qiáng)度與充氣墊的幾個(gè)尺寸有關(guān).

2.4 充氣墊薄膜厚度對(duì)破損強(qiáng)度的影響

薄膜厚度作為影響充氣墊材料耐壓性能的重要因素，在應(yīng)用時(shí)會(huì)影響充氣墊的緩沖性能.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，比較相同規(guī)格不同薄膜厚度的破損平均壓強(qiáng)如圖8 所示.

圖8 不同薄膜厚度、相同規(guī)格氣柱爆破壓強(qiáng)比較

圖8表明，在充氣墊尺寸相同的情況下，薄膜厚度越薄，其爆破壓強(qiáng)越小；薄膜厚度越厚，其爆破壓強(qiáng)越大.在實(shí)際應(yīng)用中，薄膜厚度小的充氣墊初始內(nèi)壓的范圍較小，其可承載性能低，更易破損.

3 結(jié)束語(yǔ)

充氣墊緩沖材料爆破損壞過(guò)程主要經(jīng)歷三個(gè)階段，其中穩(wěn)定階段的壓強(qiáng)范圍是在應(yīng)用時(shí)的初始內(nèi)壓范圍.充氣墊爆破時(shí)其充氣閥并未發(fā)生破損，破損位置主要發(fā)生在薄膜表面，上下兩層薄膜均可能發(fā)生破損；隨著充氣墊寬度規(guī)格的增大，其爆破內(nèi)壓變?。浑S著薄膜厚度的變薄，充氣墊爆破內(nèi)壓變小.因此，在應(yīng)用時(shí)寬度規(guī)格較大的充氣墊需要較小的初始內(nèi)壓，而寬度規(guī)格較小的充氣墊需要較大的初始內(nèi)壓；充氣墊的長(zhǎng)度增加，充氣墊的耐壓性能提高；充氣墊的薄膜厚度增加，其初始內(nèi)壓范圍增大，承載性能提高.充氣墊的寬度、長(zhǎng)度、薄膜厚度對(duì)充氣墊破損均有影響，在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同的爆破壓強(qiáng)，結(jié)合產(chǎn)品的脆值、流通環(huán)境等合理選擇充氣墊的初始內(nèi)壓，以保證充氣墊在應(yīng)用中不會(huì)發(fā)生爆破，為產(chǎn)品提供穩(wěn)定的緩沖效果.

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Study on the compressive strength of air filled cushions

GONG Gui-fen, LIU Meng-pei

(College of Art and Design, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Study on the pressure blasting strength of air filled cushion with three different widths.For different widths of air filled cushion,the blasting damage experiment were carried out using pressure testing machine,the damaged pressure and damage location were recorded,research the blasting damage process,and analysis the relationship of the blasting pressure between different air filled cushion.At the same time choose two kinds of thickness film material,compared to the blasting pressure with the same specifications.The experiment results show that the air filled cushion damage process is divided into three stages,inflatable full stage——stable stage——bulge breakage stage.For different widths of air filled cushion, the smaller width has bigger damaged pressure,the greater width has less pressure.For the same specifications of air filled cushion, the thinner film material has lower damaged pressure.Conclusion,The pressure range stable stage of air filled cushion is the compatible pressure in application;Initial pressure of small width air filled cushion is bigger,the width of the larger air filled cushion is small.The thicker film material of air filled cushion,its initial internal pressure range is larger.

air filled cushion; compressive strength; blasting

2015-02-23

陜西省科技廳工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2014K07-19)

鞏桂芬(1974-)，女，河北故城人,副教授，碩士，研究方向:運(yùn)輸包裝機(jī)械

1000-5811(2015)03-0149-05

TB485.1

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