韓沖 常雪松 張朋格 劉釗揚(yáng) 任大偉 白晴

1. 海信家電集團(tuán)股份有限公司 山東青島 266100；

2. 海信冰箱有限公司 山東青島 266000；

3. 海信容聲（廣東）冰箱有限公司 廣東佛山 528303

0 引言

“十四五”時期，國家大力推行雙碳政策，中國首個碳交易市場正式啟動，節(jié)能降碳大行其道。循環(huán)經(jīng)濟(jì)受到社會的廣泛關(guān)注，可循環(huán)包裝材料能夠保證資源充分利用，有利于環(huán)境保護(hù)，有助于降低全社會碳排放，符合綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是緩沖材料發(fā)展的趨勢。近年來，包裝材料朝著更輕量、更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，許多學(xué)者對各類包裝材料進(jìn)行了深入的研究。吳麗娟等研究EPE（發(fā)泡聚乙烯）和EPS動態(tài)壓縮緩沖性能，在相同沖擊作用下，EPS吸收能量小于EPE，即EPS緩沖性能不如EPE[1]；孫德強(qiáng)等研究了EPP的動態(tài)緩沖特性，建立了EPP密度和厚度與材料緩沖效率的影響，為EPP緩沖包裝材料應(yīng)用提供了參考和評價標(biāo)準(zhǔn)[2]；曾克儉等研究了蜂窩紙板緩沖性能的影響因素[3]；劉炫池等通過材料性能分析和仿真校驗，驗證了緩沖材料的運(yùn)輸保護(hù)性能，提供了緩沖材料性能驗證的系統(tǒng)方案[4]。

目前包裝材料主要有EPS、EPO、紙漿模塑等，家電行業(yè)內(nèi)主要采用EPS保護(hù)產(chǎn)品，但是EPS耐沖擊性差，受外力后易產(chǎn)生碎屑，容易造成白色污染并且無法循環(huán)使用；EPO材料由70%的聚苯乙烯和30%的聚乙烯共聚而成，耐沖擊性比EPS高，但是成本較高，并且因為EPO是共混材料，不易回收處理，不符合低碳政策要求；紙漿模塑材料來源廣泛，易回收，成本低廉，但是材料本身具有質(zhì)量不穩(wěn)定、表面粗糙、易吸潮腐爛等缺點(diǎn)，不適用于大型家電產(chǎn)品包裝防護(hù)。EPP材料作為一種高性能的緩沖材料，具有良好的強(qiáng)度、韌性、撓性強(qiáng)度性能，主要應(yīng)用于精密儀器包裝、汽車行業(yè)、兒童玩具等領(lǐng)域，由于其成本和加工成本均高于EPS，所以EPP材料尚未在家電包裝行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。本文研究EPP材料的力學(xué)性能和回復(fù)性能，并且通過模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)輸和裝卸過程，驗證EPP材料的循環(huán)使用性能。本研究能夠指導(dǎo)EPP材料應(yīng)用于家電產(chǎn)業(yè)循環(huán)包裝，降低碳排放，對于家電行業(yè)包裝材料領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗與方法

1.1 材料

EPS和EPP試樣密度分別取20 kg/m3、25 kg/m3、30 kg/m3、35 kg/m3，均由工廠內(nèi)部供方提供。包裝模擬試驗選擇某型號冰箱為產(chǎn)品，EPS底墊為EPS珠粒模塑成型；EPP底墊為手板件，是激光雕刻EPP空白板材成型。

1.2 試驗儀器

掃描電子顯微鏡，S4800，日立公司；電子萬能試驗機(jī)，E44.304，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；零跌落試驗機(jī)，JG-0429，青島實(shí)藝科技有限公司；變頻式模擬振動臺，HG-DL，東麟日盛儀器設(shè)備有限公司；斜面沖擊試驗機(jī)，SY-03，青島實(shí)藝科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 拉伸強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 6344-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定》，試樣模塑成型制成1A型標(biāo)準(zhǔn)樣條，長120 mm，寬25 mm，厚10 mm，標(biāo)距40 mm，將試樣夾在拉力試驗機(jī)夾具上，施加0.1 kPa的預(yù)應(yīng)力后，清零伸長測量系統(tǒng)，啟動測試，拉伸速度為500 mm/min，記錄試樣最大載荷F1（單位為N），試樣平均橫截面積為A1（單位為mm2），試樣拉伸強(qiáng)度TS（單位為kPa）按照公式（1）進(jìn)行計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料拉伸強(qiáng)度：

1.3.2 壓縮強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 8813-2020《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》，將材料制成50 mm×50 mm×50 mm的試樣，將試樣放置在試驗機(jī)平行板之間的中心，測試速度5 mm/min，測定EPP相對形變50%時的抗壓強(qiáng)度F2（單位為N），試樣的受壓面積為A2，試樣壓縮強(qiáng)度P（單位為kPa）按照公式（2）進(jìn)行計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料壓縮強(qiáng)度：

1.3.3 永久壓縮強(qiáng)度

依據(jù)GB/T 6669-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 壓縮永久變形的測定》，將材料制成50 mm×50 mm×50 mm的試樣，將試樣放置在試驗機(jī)平行板之間的中心，試樣厚度d0壓縮至25 mm厚（壓縮量為50%），測試速度5 mm/min，保持壓縮狀態(tài)22 h，然后室溫下靜置30 min，測量最終厚度dr。永久壓縮強(qiáng)度Pz（單位為%）按照公式（3）計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料永久壓縮強(qiáng)度：

1.3.4 微孔形貌分析

利用SEM表征發(fā)泡珠粒截面孔形貌，加速電壓為10 kV，以M-LAO為信號源，其中截面形貌通過液氮冷凍淬斷獲得。

1.3.5 循環(huán)使用模擬試驗

選取某型號冰箱作為試驗產(chǎn)品，產(chǎn)品毛重120 kg，以EPS和EPP材料分別作為產(chǎn)品防護(hù)底墊進(jìn)行打包，進(jìn)行包裝跌落試驗、斜面沖擊試驗、運(yùn)輸試驗和壓力堆碼試驗，具體試驗方法和合格標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 包裝模擬試驗方法及合格標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品經(jīng)過運(yùn)輸模擬試驗后，拆除包裝后將產(chǎn)品從底墊卸下，觀察底墊是否有破損、裂紋，若無損壞，將該底墊重新打包，重復(fù)上述操作，直至底墊損壞無法使用為止。

2 緩沖材料性能分析

2.1 材料拉伸強(qiáng)度對比分析

拉伸強(qiáng)度反映了緩沖材料發(fā)泡珠粒相互間的粘合強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度越高，珠粒之間相互作用力越大，材料能夠承受的動態(tài)沖擊強(qiáng)化和頻率也越高。緩沖材料的拉伸強(qiáng)度能夠側(cè)面反映緩沖材料的可循環(huán)性。對不同密度的EPS和EPP進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，拉伸強(qiáng)度變化趨勢如圖1所示。結(jié)果顯示，隨著密度上升，兩種材料的拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)線性增加，并且同等密度條件下，EPP材料的拉伸強(qiáng)度均高于EPS材料，說明EPP材料能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的運(yùn)輸場景，給予產(chǎn)品更全面的防護(hù)。

圖1 不同密度的EPS和EPP材料拉伸強(qiáng)度變化趨勢

2.2 材料壓縮強(qiáng)度對比分析

材料的壓縮強(qiáng)度一定程度上反映了材料受到外部沖擊時吸收的沖擊能量。因為緩沖材料內(nèi)部有大量的氣泡孔，當(dāng)材料受到外力壓縮時，內(nèi)部氣泡孔發(fā)生大規(guī)模形變，將外界的沖擊能轉(zhuǎn)換成形變所需的能量，并將大部分能量儲存起來，只會向另一側(cè)傳遞少量沖擊能，從而實(shí)現(xiàn)防護(hù)效果。對不同密度的EPS和EPP進(jìn)行靜態(tài)壓縮強(qiáng)度測試，壓縮強(qiáng)度變化趨勢如圖2所示，同等密度條件下，EPS和EPP材料的壓縮強(qiáng)度相差不大，表明兩種材料的能量吸收值接近，均能滿足包裝防護(hù)要求。EPS的壓縮強(qiáng)度略高于EPP材料，表明在同等壓縮量作用下，EPP材料對產(chǎn)品的沖擊能小于EPS材料。產(chǎn)品包裝運(yùn)輸過程中，由于產(chǎn)品自身重量，產(chǎn)品對包裝材料有很大的壓強(qiáng)，EPP材料反作用于產(chǎn)品的沖擊力小于EPS材料。

圖2 不同密度的EPS和EPP材料壓縮強(qiáng)度變化趨勢

2.3 材料壓縮形變對比分析

EPP材料受到?jīng)_擊時，當(dāng)動態(tài)沖擊應(yīng)力較小，材料表現(xiàn)為線彈性，然后材料進(jìn)入屈服階段，出現(xiàn)類似于屈服平臺的平臺區(qū)，隨著壓縮持續(xù)進(jìn)行，材料進(jìn)入密實(shí)化變形階段，材料內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，泡孔相互擠壓，材料的包裝防護(hù)效果變得十分有限[5]。包裝底墊密度的選擇原則是在保證防護(hù)性能的基礎(chǔ)上，盡量使用密度更低的材料以降低材料成本。家電行業(yè)內(nèi)使用的EPS底墊密度為25～33 kg/m3，根據(jù)拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分析，EPP性能略高于EPS，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性原則，本文選擇密度為25 kg/m3和30 kg/m3的EPS和EPP材料進(jìn)行永久壓縮變形分析。

對密度為25 kg/m3和30 kg/m3的EPS材料和EPP材料分別進(jìn)行重復(fù)壓縮試驗，如圖3和圖4所示，經(jīng)過三次重復(fù)壓縮試驗，EPP材料仍然恢復(fù)至初始形態(tài)，并且尺寸穩(wěn)定，說明EPP材料韌性好，泡孔結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)，能夠經(jīng)受多次沖擊后仍然具有防護(hù)效果；而EPS材料經(jīng)過一次壓縮后，內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，無法起到防護(hù)的作用，說明在家電產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，EPS材料受到?jīng)_擊后會形成凹陷無法復(fù)原，無法保護(hù)產(chǎn)品不受沖擊進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，充分說明了EPS材料無法循環(huán)使用。除此之外，25 kg/m3的EPP材料經(jīng)過三次壓縮試驗后，材料厚度降低18.4%，而30 kg/m3的EPP材料厚度降低3.6%，說明密度為30 kg/m3的EPP材料回復(fù)效果遠(yuǎn)好于25 kg/m3的EPP。同時，該試驗也證明EPP受到多次沖擊后，仍然能夠快速復(fù)原至原始形態(tài)，能夠循環(huán)使用，為產(chǎn)品提供全方位的長效保護(hù)。

圖3 密度為25 kg/m3的EPS和EPP材料重復(fù)壓縮試驗變化趨勢

圖4 密度為30 kg/m3的EPS和EPP材料重復(fù)壓縮試驗變化趨勢

2.4 材料微觀形貌分析

如圖5所示，對密度為30 kg/m3的EPP和EPS材料的截面進(jìn)行微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)EPP材料發(fā)泡珠粒之間的空隙結(jié)合密實(shí)，無明顯空洞，而EPS材料發(fā)泡珠粒之間存在明顯空隙，珠粒之間結(jié)合力小，通過兩種材料對比分析得知，EPP材料珠粒之間結(jié)合力大于EPS，宏觀上表現(xiàn)為EPP材料拉伸強(qiáng)度更高，EPP部件更加堅固耐用。并且EPP的泡孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，泡孔間隙更小，泡孔孔徑分布更加集中，宏觀上表現(xiàn)為同等壓縮量下，EPP材料的回彈性更好，不會輕易發(fā)生泡孔坍塌而導(dǎo)致防護(hù)失效。

圖5 密度為30 kg/m3的EPS和EPP材料微觀形貌對比

2.5 底墊循環(huán)使用模擬試驗對比分析

結(jié)合上述理化性能試驗結(jié)果，選擇30 kg/m3的緩沖材料進(jìn)行使用模擬試驗。將EPS模塑底墊和EPP手板底墊分別與產(chǎn)品組合后打包完畢，然后進(jìn)行包裝跌落試驗、斜面沖擊試驗、運(yùn)輸振動試驗和壓力堆碼試驗，結(jié)果表明，兩種材料底墊的防護(hù)效果均能滿足要求，拆開包裝后檢驗產(chǎn)品均完好，外觀無損傷，防護(hù)性能滿足運(yùn)輸要求。然而產(chǎn)品抵達(dá)用戶住處后，產(chǎn)品的裝卸過程中包裝材料的磨損最為嚴(yán)重，因此，能否抵抗產(chǎn)品裝卸過程中的拉扯力是作為循環(huán)包裝材料的關(guān)鍵因素。

將產(chǎn)品從底墊上搬卸，觀察底墊磨損情況，表2所示為兩種材料運(yùn)輸模擬試驗方法的底墊狀態(tài)。如圖6 a)所示，EPS底墊發(fā)生嚴(yán)重破損，無法重復(fù)使用，說明EPS底墊屬于一次性防護(hù)產(chǎn)品，如圖6 b)至圖6 f)所示，相同操作下EPP底墊基本沒有損壞，與產(chǎn)品組合重新打包，再次進(jìn)行運(yùn)輸模擬試驗，防護(hù)效果仍能滿足要求。直至循環(huán)5次后，EPP材料的邊緣出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，判定影響產(chǎn)品防護(hù)，無法再次使用。本次測試EPP材料為手板件，強(qiáng)度低于模塑成型件，因此EPP模塑底墊能夠提供更好的防護(hù)性能，本次試驗結(jié)果可以表明EPP底墊的耐久性是EPS底墊的5倍以上。

表2 運(yùn)輸模擬試驗方法底墊狀態(tài)分析

圖6 底墊使用后狀態(tài)圖

3 結(jié)論

本文通過對比EPP材料和EPS的拉伸性能、壓縮性能和回復(fù)性能，并模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)輸和裝卸過程，驗證了EPP緩沖材料的綜合性能以及在大型家電循環(huán)包裝上的應(yīng)用。得出如下結(jié)論：

（1）同等密度下，EPP材料的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于EPS材料，壓縮強(qiáng)度與EPS接近，十分適用于冰箱等大型家電的包裝防護(hù)，并且具有循環(huán)使用的基礎(chǔ)；

（2）大型家電運(yùn)輸過程中，容易造成應(yīng)力集中，EPP壓縮回復(fù)性能遠(yuǎn)優(yōu)于EPS，回彈性更好，不會輕易發(fā)生泡孔坍塌而導(dǎo)致防護(hù)失效，證明EPP材料能夠為家電產(chǎn)品提供長效的防護(hù)效果；

（3）隨著雙碳政策推進(jìn)，材料循環(huán)應(yīng)用是節(jié)能降碳的必經(jīng)之路，經(jīng)過運(yùn)輸模擬試驗證明EPP材料能夠循環(huán)使用5次以上，耐久性遠(yuǎn)高于EPS材料，證明EPP材料在包裝行業(yè)上具有廣泛應(yīng)用前景和巨大的潛力。