充气垫缓冲材料破损强度研究

巩桂芬， 刘萌沛

(陕西科技大学 设计与艺术学院， 陕西 西安 710021)



充气垫缓冲材料破损强度研究

巩桂芬， 刘萌沛

(陕西科技大学 设计与艺术学院， 陕西 西安 710021)

为了研究三种不同宽度规格充气垫缓冲材料的耐压爆破强度,通过利用耐压试验机对不同规格的充气垫进行爆破损坏实验，记录破损时充气垫压强、破损位置，研究充气垫的爆破损坏过程，分析不同规格充气垫爆破压强之间的关系；同时选择两种厚度的充气垫薄膜材料，对其相同规格耐压性能进行对比。实验结果表明,充气垫破损过程分为三个阶段，充气饱满阶段——稳定阶段——鼓包破损阶段.对于不同规格的充气垫，宽度越小的充气垫破损压强较大，宽度越大的充气垫破损压强较小；薄膜厚度较薄的充气垫，其破损压强较小.因此,充气垫稳定阶段的压强范围是应用时压强的适用范围.在实际应用时，宽度规格较小的充气垫初始内压较大，宽度规格较大的充气垫初始内压较小，薄膜厚度较厚的充气垫，其初始内压范围较大.

充气垫； 耐压强度； 爆破压强

0 引言

充气垫缓冲包装材料是一种新型环保材料[1]，它是由PE/PA共挤薄膜材料经结构设计后预制而成,通过逆止阀将压缩空气充入结构腔室.在受到外界冲击及振动时，腔室内的空气产生变形，吸收外界能量降低冲击加速度，从而达到对被包装产品的缓冲保护功能[2].目前，对充气垫缓冲材料研究内容主要包括充气垫充气量[3]、充气垫蠕变特性[4,5]、结构尺寸对充气垫承载能力的影响[6]；通过实验对充气垫的静态承载能力[7]、静态刚度特性[8]进行了研究；对某一特定跌落高度下充气垫动态冲击特性[9]及动态刚度[10]进行了研究；研究其几何模型表明圆柱模型适合表征尺寸规格较小的充气垫[11,12]，而较大尺寸需要用改进模型进行表征[13]；此外，在应用方面的研究主要通过使用充气垫对洗衣机、小型家电等产品进行包装评价后与原有包装进行对比分析[14,15].

研究表明充气垫初始内压的选择直接影响缓冲材料的静态、动态缓冲性能.初始内压大的充气垫可承受的静态承载力较大，而初始内压小的充气垫可承受的最大动应力大.因此如何确定既满足静态承载能力，又满足产品在运输中的冲击振动的初始充气内压是关键.若选择的初始内压过大，运输过程中遇到冲击瞬间会导致充气垫内部压强加大，甚至导致充气垫的爆破，影响充气垫整体的缓冲效果.

基于上述原因，本文主要研究充气垫缓冲包装材料的耐压性能，通过耐压试验机来观察充气垫爆破损坏的过程及充气垫的破损位置，确定充气垫的爆破强度，比较不同宽度充气垫爆破强度,同时对不同薄膜厚度、相同规格的充气垫爆破压强进行对比等，为充气垫缓冲包装材料初始内压的选择提供设计依据.

1 实验部分

1.1 实验仪器

宝大仪器耐压试验机，型号：PT-5070.

PT-5070耐压试验机依据GB 18454《液体食品无菌包装用复合袋》相关规定设计制造.由压力气源、空气清洁过滤、减压、节流、充气(保压、卸压)控制、常开电磁阀、测量显示等部分组成，其中压力测量系统由MSP400型压力传感器和LA-808采集、显示器等组成，原理图如图1所示.

图1 耐压试验机原理图

1.2 实验材料

实验材料为单个气柱，根据充气垫未充气前单个气柱宽度分为3种(30，40，60 mm)，充气垫薄膜材料为PA/PE 7层共挤膜，薄膜厚度分别为60μm、70μm，其中60μm薄膜材料纵向拉伸强度34.82 Mpa，横向拉伸强度30.01 Mpa，纵向断裂伸长率476.91%,横向断裂伸长率475.58%；70μm 薄膜材料纵向拉伸强度31.4 Mpa，横向拉伸强度30.68 Mpa，纵向断裂伸长率507.52%,横向断裂伸长率507.48%.实验样品每组8个，样品具体参数如表1所示.

表1 充气垫缓冲材料各规格参数

规格表示：充气前宽度(mm)-薄膜厚度(μm)

1.3 实验方法

此实验设备根据GB 18454-2001相关规定设计，适用于复合袋及类似材料的耐压性能实验.实验过程中利用充气阀向充气垫中充气，耐压试验机显示充气垫腔室内的压强，在不断增压的过程中充气垫会不断充气并产生变形.选择220 KPa作为保持压强，等充气垫到达此设定值时，停止充气并保持内部压强2 min不变，观察充气垫形状变化；继续充气直到充气垫爆破，记录爆破瞬间的压强值，此数值即充气垫薄膜材料的破损最大值.爆破时的破损压力可以反映充气垫的失效极限值.

2 结果与讨论

2.1 充气垫爆破失效过程

实验过程中发现，充气垫爆破失效的过程分为三个阶段.第一阶段是充气垫充气饱满阶段，此阶段随着充气垫内部压强的缓慢增大，气柱形状不断饱满，直到气柱达到稳定的厚度尺寸.第二阶段是充气垫饱满稳定阶段，此阶段充气垫饱满后，充气压强在一定范围内的增大，使充气垫硬度不断增加，在保持压强操作过程中，观察到充气垫并不发生变形，处于稳定阶段.第三阶段继续向充气垫加压，随着压强的增大充气垫气柱局部鼓起，并随压强的增大而变大，直到最后充气垫薄膜无法承受内部的压力而爆破.其过程如图2～图5所示.

图2 充气垫未变形时

图3 充气垫出现局部鼓包

图4 充气垫鼓包胀大

图5 充气垫破损临界时

充气垫爆破的过程表明，在充气垫应用时应首先确定稳定阶段的压强范围，再根据不同质量、产品脆值、运输环境等要求，在压强范围内进行选择.超出此范围的压强，过小则不能达到稳定的缓冲厚度，过大则会导致充气垫破损，稳定阶段其缓冲效果稳定.

2.2 充气垫破损位置的分析

对实验后充气垫破损位置进行测量，规定充气阀处为原点位置，破损位置在带有充气阀表面为“+”，非充气阀表面为“-”，测量并记录得到破损位置范围如表2所示.

表2 不同规格充气垫破损位置统计表

以上实验结果表明，充气垫的破损位置主要出现在充气垫的薄膜表面上，充气阀部位及封合位置均不发生破损.此结果反映出充气垫缓冲材料使用过程中，发生漏气现象的可能较小，缓冲失效的主要方式是充气垫内部压强过大导致充气垫薄膜破损.从薄膜破损的表面位置看，充气阀表面和非充气阀表面均有破损，随着充气垫规格不同，破损的位置会发生变化，但对于确定规格的充气垫其破损位置比较集中.

2.3 充气垫尺寸对破损强度的影响

通过对不同规格的充气垫的爆破实验，记录破损时压强得到实验数据如表3所示.

表3 不同规格充气垫爆破压强统计表

(1)充气垫宽度对耐压强度的影响

由实验数据，比较长度均为255 mm的三种宽度规格的破损平均压强如图6所示.

图6 不同宽度气柱爆破压强比较

图6表明，在空气垫长度相同的情况下，随着空气垫宽度规格的增大，其爆破压强变小.即厚度尺寸越小的空气垫耐压强度越高，可承受的爆破压强较大；厚度越大的空气垫耐压强度越低，可承载的爆破压强较小.因此在应用时若选择厚度尺寸较小的空气垫，应增大其初始压力，而选择宽度尺寸大的空气垫时应降低初始充气压力.

(2)充气垫长度对破损强度的影响

由实验数据，对比不同长度的30-70规格的空气垫破损平均压强如图7所示.

图7 相同宽度、不同长度充气垫爆破压强比较

图7表明，在宽度规格相同时，随着长度的增加其爆破内压变大，即长度较大的气柱其耐压强度较高.导致这一结果的原因是其耐压强度与充气垫的几个尺寸有关.

2.4 充气垫薄膜厚度对破损强度的影响

薄膜厚度作为影响充气垫材料耐压性能的重要因素，在应用时会影响充气垫的缓冲性能.由实验数据，比较相同规格不同薄膜厚度的破损平均压强如图8 所示.

图8 不同薄膜厚度、相同规格气柱爆破压强比较

图8表明，在充气垫尺寸相同的情况下，薄膜厚度越薄，其爆破压强越小；薄膜厚度越厚，其爆破压强越大.在实际应用中，薄膜厚度小的充气垫初始内压的范围较小，其可承载性能低，更易破损.

3 结束语

充气垫缓冲材料爆破损坏过程主要经历三个阶段，其中稳定阶段的压强范围是在应用时的初始内压范围.充气垫爆破时其充气阀并未发生破损，破损位置主要发生在薄膜表面，上下两层薄膜均可能发生破损；随着充气垫宽度规格的增大，其爆破内压变小；随着薄膜厚度的变薄，充气垫爆破内压变小.因此，在应用时宽度规格较大的充气垫需要较小的初始内压，而宽度规格较小的充气垫需要较大的初始内压；充气垫的长度增加，充气垫的耐压性能提高；充气垫的薄膜厚度增加，其初始内压范围增大，承载性能提高.充气垫的宽度、长度、薄膜厚度对充气垫破损均有影响，在应用时可根据不同的爆破压强，结合产品的脆值、流通环境等合理选择充气垫的初始内压，以保证充气垫在应用中不会发生爆破，为产品提供稳定的缓冲效果.

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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

陕西省科技厅工业科技攻关计划项目(2014K07-19)

巩桂芬(1974-)，女，河北故城人,副教授，硕士，研究方向:运输包装机械

1000-5811(2015)03-0149-05

TB485.1

A