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空氣墊緩沖包裝承載性驗證及影響分析

點擊次數:6145 發布時間:2019/11/18

  摘要:空氣墊是一種應用廣泛的緩沖包裝材料,集經濟環保效益于一體。承載性,是其緩沖效果重要決定因素,通過靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗能實現該性能的數據化表征。通過分析發現,空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數和流通環境,如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質量、充氣壓力等,都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果,建議相關企業加強對上述因素的試驗監測和研究。
 

  關鍵詞:空氣墊緩沖包裝、承載性、薄膜拉伸、密封質量、充氣壓力
 
  前言
 
  近年,電商經濟迅速發展,極大促進了商品的地域流通,同時,運輸野蠻裝卸的問題也越發突出,使得包裝內容物的損壞率逐年上升。流通中,引起商品損壞的原因主要來自于裝卸和運輸環境的外力沖擊,雖速度變化不大但作用時間短促,因而在瞬間對內容物產生較大的沖擊力,造成損壞。因此,具有合適緩沖效果的緩沖材料在包裝過程中是極為必要的。
 
  緩沖材料的歷史悠久,早可追溯到稻草、刨花、紙屑等。隨著商品交易的范圍和速度增大,緩沖材料的品類被極大的擴充,如今,已經形成了以泡沫塑料為主,氣泡薄膜、紙襯墊、紙張模塑為輔的緩沖材料體系。泡沫塑料質輕、吸濕性強、價廉物美,具有良好緩沖效果和吸振性能,但降解和環境污染問題仍有待解決。紙類緩沖材料是一種可降解的環保材料,溫度適應范圍比泡沫塑料更寬,但耐潮性不佳,且價格頗高。在這一背景下,尋求經濟效益和環保效益的相統一的新型緩沖材料迫在眉睫,“空氣墊緩沖包裝”應運而生。
 
  空氣墊緩沖包裝的承載性及驗證方法
 
  空氣墊緩沖包裝是將一定可壓縮氣體密封在塑料薄膜袋內實現緩沖作用,具有體積小、質量輕、彈性大、包裝方便、可重復使用的特點,兼具經濟、社會和環保效益。空氣墊緩沖包裝的緩沖效果是氣體和薄膜袋共同作用的結果。氣體自身具有擴散性,當其填充于塑料薄膜袋后,能迅速充滿整個容器,遇到外界壓迫時,氣體體積縮小借此吸收沖擊能量。薄膜袋約束著氣體的體積變化,同時保障氣體的密封,是空氣墊緩沖包裝材料的重要承載容器。
 
  目前,空氣墊緩沖包裝材料的承載性并沒有統一的標準,主要通過試驗的方式獲得緩沖曲線,包括壓縮應力應變曲線、大加速度曲線等,來驗證被測材料的緩沖承載性能。這些試驗包括靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗,分別依據國標GB/T 8168-2008包裝用緩沖材料靜態壓縮試驗方法和GB/T 8167-2008包裝用緩沖材料動態壓縮試驗方法。所謂靜態,是指在壓縮機上對試樣加壓的速度很慢,如12mm/min,接近于靜態載荷。借助靜態壓縮試驗能獲得靜態壓縮應力應變曲線、緩沖系數曲線等,從而了解材料的靜態緩沖承載性。
 
  靜態壓縮試驗過程簡單易行,費用低、耗時短,利用壓縮儀器,如i-Boxtek 1700紙箱抗壓試驗儀器,參考GB/T8168方法A進行檢測。試驗前,對空氣墊樣品進行厚度測量,作為原始厚度。將上壓板以12.7mm/min的速度沿厚度方向對試驗樣品逐漸增加載荷。壓縮過程中,儀器系統自動記錄壓縮力和相應的變形量,繪制“力值-變形量曲線”、“力值-時間曲線”和“變形量-時間曲線”三條曲線。當壓縮載荷急劇增加時停止試驗,卸去載荷3min后測量試驗后樣品的厚度。根據公式1和公式2計算壓縮應力和壓縮應變。
 
  α = P/A ×106       ------------------------------ 1
 
  εa = (T-T_j)/T           ------------------ 2
 
  式中,α—— 壓縮應力(Pa);P —— 壓縮載荷(N);A —— 試驗樣品承載面積(mm2); εa  —— 方法A試驗時壓縮應變(%);T —— 試驗樣品原始厚度(mm);Tj —— 試驗樣品試驗后的厚度(mm)。
 
  相較于靜態壓縮試驗,動態壓縮試驗條件更加接近實際情況。它是利用沖擊試驗機上的重錘以一定的沖擊能量沖擊試樣,獲得大沖擊加速度。通過改變重錘的跌落高度和重量,求得一系列的大加速度,從而可以得到緩沖材料的緩沖性能曲線。根據GB/T 8167的要求,需要測試多次獲得不同高度、不同厚度條件下的試驗數據,因此動態壓縮試驗具有耗時長、成本高、過程復雜等缺點。
 
  空氣墊緩沖包裝的承載性影響分析和檢驗方法
 
  空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數和流通環境,如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質量、充氣壓力等,都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果。
 
  空氣墊緩沖包裝薄膜拉伸性能
 
  空氣墊受沖擊發生形變的過程,也是空氣墊薄膜材料拉伸的過程。薄膜拉伸至斷裂,可以視為兩個階段:線彈性區和塑性區。起初,試樣由自由狀態逐漸變為繃緊狀態,進入線彈性區,超出彈性形變極限后進入塑性變形區。薄膜沿外力作用方向進行分子取向、重排、滑移,發生屈服,原組態被破壞,整個結晶模式發生重排,晶區和非晶區出現較大范圍的相對移動。第二個塑性變形階段,薄膜分子不僅沿外力作用方向進行分子取向、重排和滑移,而且分子主鏈之間部分發生斷裂。薄膜的拉伸性能是通過薄膜材料在拉斷前承受的大應力值來表征,通常采用拉力機進行試驗。拉伸性能越好意味著薄膜材料在承載壓力方面更具優勢,為空氣墊的緩沖作用提供了更加可靠的保障。
 
  空氣墊緩沖包裝袋密封質量
 
  密封,是空氣墊各項性能發揮的前提和基礎。包裝的密封性能主要表現在包裝袋的完整性和封邊的封合質量兩方面。封邊在熱封操作時,高溫處理會影響到封邊周圍材料的機械強度,如拉伸性能,所以熱封邊及其周圍部位常常會成為空氣墊緩沖薄膜袋密封性的薄弱點。當沖擊作用于空氣墊時,薄膜袋的封邊受到強大且分布不均勻的空氣壓力,承壓強度低的部分zui先出現破裂和氣體泄漏,從而導致空氣墊緩沖作用的失效。因此,評判空氣墊緩沖包裝的密封質量,一方面是薄膜袋的耐壓強度,另一方面則是封邊的熱合強度。
 
  薄膜袋的耐壓強度是通過內加壓試驗獲得的,業內也稱作爆破試驗。通過向薄膜袋內充入一定壓力的氣體直至破裂,即能測定薄膜袋的大承壓力。就空氣墊緩沖包裝材料而言,所使用的薄膜多為柔軟高彈材料,具有優異的拉伸性和變形率,會隨著充入氣體的增加出現明顯的形變,使得大承壓力的測試變的困難。在實際應用中,空氣墊緩沖薄膜袋被填塞在商品和外包裝之間,受到二者的擠壓,受力情況有別于一般的自由膨脹。基于上述情況,建議內加壓試驗中引入約束板試驗裝置,如圖1,將待測樣品置于約束板上下夾板之間,實現對薄膜袋的加壓膨脹及材料的拉伸變形的有效控制,將壓力轉移至熱封邊處,從而極大提高了耐壓施力的均勻性,也更貼近實際情況。
 
圖1. 約束板裝置
 
  封邊熱合強度是使用拉力機測得的,材料在受力方向一致、力值均勻的情況下(例如剝離),熱封邊抵抗分離的能力。上述耐壓強度試驗直觀的暴露了薄膜袋封邊承壓薄弱部位,于此同時,熱封強度參數亦能對封邊各部位的牢固度給出具體的數據評價,二者相輔相成,有利于從根源解決影響空氣墊緩沖包裝密封質量的問題。
 
  空氣墊內部初始氣壓
 
  空氣墊緩沖包裝的初始充氣壓力目前沒有統一的標準,但不同的充氣壓力對于同規格空氣墊的緩沖承載效果多有不同。筆者對一款具有7個承載氣室的空氣墊分別充入40kPa、60 kPa和90 kPa,氣室厚10mm,采用方法A進行靜態壓縮試驗。根據公式1和公式2對測試結果進行計算,見表1。
 
  從上表中可以發現,隨著充氣壓力的增大,空氣墊緩沖包裝的承載能力有所提高。這一結論對提高空氣墊的緩沖性能有所助益,同時也對空氣墊薄膜袋的密封質量和抗壓性能提出了更加嚴苛的要求。但也要注意的是,充氣壓力的增加需適度,如果太大,空氣墊過硬,起不到緩沖作用,反之,則緩沖效果不明顯。合適的壓力需經過反復的試驗數據來獲得。
 
  總結
 
  空氣墊是一種應用廣泛的緩沖包裝材料,集經濟環保效益于一體。承載性,是其緩沖效果重要決定因素,通過靜態壓縮試驗和動態壓縮試驗能實現該性能的數據化表征。通過分析發現,空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數和流通環境,如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質量、充氣壓力等,都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果,建議相關企業加強對上述因素的試驗監測和研究。

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