EPP缓冲材料性能分析及其在家电包装上的应用

2022-08-20韩冲常雪松张朋格刘钊扬任大伟白晴

家电科技 2022年4期

关键词：试样密度强度

韩冲常雪松张朋格刘钊扬任大伟白晴

1. 海信家电集团股份有限公司山东青岛 266100；

2. 海信冰箱有限公司山东青岛 266000；

3. 海信容声（广东）冰箱有限公司广东佛山 528303

0 引言

“十四五”时期，国家大力推行双碳政策，中国首个碳交易市场正式启动，节能降碳大行其道。循环经济受到社会的广泛关注，可循环包装材料能够保证资源充分利用，有利于环境保护，有助于降低全社会碳排放，符合绿色可持续发展战略，是缓冲材料发展的趋势。近年来，包装材料朝着更轻量、更高效、更环保的方向发展，许多学者对各类包装材料进行了深入的研究。吴丽娟等研究EPE（发泡聚乙烯）和EPS动态压缩缓冲性能，在相同冲击作用下，EPS吸收能量小于EPE，即EPS缓冲性能不如EPE[1]；孙德强等研究了EPP的动态缓冲特性，建立了EPP密度和厚度与材料缓冲效率的影响，为EPP缓冲包装材料应用提供了参考和评价标准[2]；曾克俭等研究了蜂窝纸板缓冲性能的影响因素[3]；刘炫池等通过材料性能分析和仿真校验，验证了缓冲材料的运输保护性能，提供了缓冲材料性能验证的系统方案[4]。

目前包装材料主要有EPS、EPO、纸浆模塑等，家电行业内主要采用EPS保护产品，但是EPS耐冲击性差，受外力后易产生碎屑，容易造成白色污染并且无法循环使用；EPO材料由70%的聚苯乙烯和30%的聚乙烯共聚而成，耐冲击性比EPS高，但是成本较高，并且因为EPO是共混材料，不易回收处理，不符合低碳政策要求；纸浆模塑材料来源广泛，易回收，成本低廉，但是材料本身具有质量不稳定、表面粗糙、易吸潮腐烂等缺点，不适用于大型家电产品包装防护。EPP材料作为一种高性能的缓冲材料，具有良好的强度、韧性、挠性强度性能，主要应用于精密仪器包装、汽车行业、儿童玩具等领域，由于其成本和加工成本均高于EPS，所以EPP材料尚未在家电包装行业大规模应用。本文研究EPP材料的力学性能和回复性能，并且通过模拟产品实际运输和装卸过程，验证EPP材料的循环使用性能。本研究能够指导EPP材料应用于家电产业循环包装，降低碳排放，对于家电行业包装材料领域的发展具有重要意义。

1 试验与方法

1.1 材料

EPS和EPP试样密度分别取20 kg/m3、25 kg/m3、30 kg/m3、35 kg/m3，均由工厂内部供方提供。包装模拟试验选择某型号冰箱为产品，EPS底垫为EPS珠粒模塑成型；EPP底垫为手板件，是激光雕刻EPP空白板材成型。

1.2 试验仪器

扫描电子显微镜，S4800，日立公司；电子万能试验机，E44.304，美斯特工业系统（中国）有限公司；零跌落试验机，JG-0429，青岛实艺科技有限公司；变频式模拟振动台，HG-DL，东麟日盛仪器设备有限公司；斜面冲击试验机，SY-03，青岛实艺科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 拉伸强度

依据GB/T 6344-2008《软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂伸长率的测定》，试样模塑成型制成1A型标准样条，长120 mm，宽25 mm，厚10 mm，标距40 mm，将试样夹在拉力试验机夹具上，施加0.1 kPa的预应力后，清零伸长测量系统，启动测试，拉伸速度为500 mm/min，记录试样最大载荷F1（单位为N），试样平均横截面积为A1（单位为mm2），试样拉伸强度TS（单位为kPa）按照公式（1）进行计算，取5个有效数据计算平均值得到材料拉伸强度：

1.3.2 压缩强度

依据GB/T 8813-2020《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》，将材料制成50 mm×50 mm×50 mm的试样，将试样放置在试验机平行板之间的中心，测试速度5 mm/min，测定EPP相对形变50%时的抗压强度F2（单位为N），试样的受压面积为A2，试样压缩强度P（单位为kPa）按照公式（2）进行计算，取5个有效数据计算平均值得到材料压缩强度：

1.3.3 永久压缩强度

依据GB/T 6669-2008《软质泡沫聚合材料压缩永久变形的测定》，将材料制成50 mm×50 mm×50 mm的试样，将试样放置在试验机平行板之间的中心，试样厚度d0压缩至25 mm厚（压缩量为50%），测试速度5 mm/min，保持压缩状态22 h，然后室温下静置30 min，测量最终厚度dr。永久压缩强度Pz（单位为%）按照公式（3）计算，取5个有效数据计算平均值得到材料永久压缩强度：

1.3.4 微孔形貌分析

利用SEM表征发泡珠粒截面孔形貌，加速电压为10 kV，以M-LAO为信号源，其中截面形貌通过液氮冷冻淬断获得。

1.3.5 循环使用模拟试验

选取某型号冰箱作为试验产品，产品毛重120 kg，以EPS和EPP材料分别作为产品防护底垫进行打包，进行包装跌落试验、斜面冲击试验、运输试验和压力堆码试验，具体试验方法和合格标准如表1所示。

表1 包装模拟试验方法及合格标准

产品经过运输模拟试验后，拆除包装后将产品从底垫卸下，观察底垫是否有破损、裂纹，若无损坏，将该底垫重新打包，重复上述操作，直至底垫损坏无法使用为止。

2 缓冲材料性能分析

2.1 材料拉伸强度对比分析

拉伸强度反映了缓冲材料发泡珠粒相互间的粘合强度，拉伸强度越高，珠粒之间相互作用力越大，材料能够承受的动态冲击强化和频率也越高。缓冲材料的拉伸强度能够侧面反映缓冲材料的可循环性。对不同密度的EPS和EPP进行拉伸强度测试，拉伸强度变化趋势如图1所示。结果显示，随着密度上升，两种材料的拉伸强度均呈现线性增加，并且同等密度条件下，EPP材料的拉伸强度均高于EPS材料，说明EPP材料能够适应更加复杂的运输场景，给予产品更全面的防护。

图1 不同密度的EPS和EPP材料拉伸强度变化趋势

2.2 材料压缩强度对比分析

材料的压缩强度一定程度上反映了材料受到外部冲击时吸收的冲击能量。因为缓冲材料内部有大量的气泡孔，当材料受到外力压缩时，内部气泡孔发生大规模形变，将外界的冲击能转换成形变所需的能量，并将大部分能量储存起来，只会向另一侧传递少量冲击能，从而实现防护效果。对不同密度的EPS和EPP进行静态压缩强度测试，压缩强度变化趋势如图2所示，同等密度条件下，EPS和EPP材料的压缩强度相差不大，表明两种材料的能量吸收值接近，均能满足包装防护要求。EPS的压缩强度略高于EPP材料，表明在同等压缩量作用下，EPP材料对产品的冲击能小于EPS材料。产品包装运输过程中，由于产品自身重量，产品对包装材料有很大的压强，EPP材料反作用于产品的冲击力小于EPS材料。

图2 不同密度的EPS和EPP材料压缩强度变化趋势

2.3 材料压缩形变对比分析

EPP材料受到冲击时，当动态冲击应力较小，材料表现为线弹性，然后材料进入屈服阶段，出现类似于屈服平台的平台区，随着压缩持续进行，材料进入密实化变形阶段，材料内部泡孔结构严重变形，泡孔相互挤压，材料的包装防护效果变得十分有限[5]。包装底垫密度的选择原则是在保证防护性能的基础上，尽量使用密度更低的材料以降低材料成本。家电行业内使用的EPS底垫密度为25～33 kg/m3，根据拉伸强度和压缩强度分析，EPP性能略高于EPS，结合经济性原则，本文选择密度为25 kg/m3和30 kg/m3的EPS和EPP材料进行永久压缩变形分析。

对密度为25 kg/m3和30 kg/m3的EPS材料和EPP材料分别进行重复压缩试验，如图3和图4所示，经过三次重复压缩试验，EPP材料仍然恢复至初始形态，并且尺寸稳定，说明EPP材料韧性好，泡孔结构刚强，能够经受多次冲击后仍然具有防护效果；而EPS材料经过一次压缩后，内部泡孔结构遭到破坏，无法起到防护的作用，说明在家电产品运输过程中，EPS材料受到冲击后会形成凹陷无法复原，无法保护产品不受冲击进而影响产品质量，充分说明了EPS材料无法循环使用。除此之外，25 kg/m3的EPP材料经过三次压缩试验后，材料厚度降低18.4%，而30 kg/m3的EPP材料厚度降低3.6%，说明密度为30 kg/m3的EPP材料回复效果远好于25 kg/m3的EPP。同时，该试验也证明EPP受到多次冲击后，仍然能够快速复原至原始形态，能够循环使用，为产品提供全方位的长效保护。

图3 密度为25 kg/m3的EPS和EPP材料重复压缩试验变化趋势

图4 密度为30 kg/m3的EPS和EPP材料重复压缩试验变化趋势

2.4 材料微观形貌分析

如图5所示，对密度为30 kg/m3的EPP和EPS材料的截面进行微观形貌分析，发现EPP材料发泡珠粒之间的空隙结合密实，无明显空洞，而EPS材料发泡珠粒之间存在明显空隙，珠粒之间结合力小，通过两种材料对比分析得知，EPP材料珠粒之间结合力大于EPS，宏观上表现为EPP材料拉伸强度更高，EPP部件更加坚固耐用。并且EPP的泡孔结构更加规整，泡孔间隙更小，泡孔孔径分布更加集中，宏观上表现为同等压缩量下，EPP材料的回弹性更好，不会轻易发生泡孔坍塌而导致防护失效。

图5 密度为30 kg/m3的EPS和EPP材料微观形貌对比

2.5 底垫循环使用模拟试验对比分析

结合上述理化性能试验结果，选择30 kg/m3的缓冲材料进行使用模拟试验。将EPS模塑底垫和EPP手板底垫分别与产品组合后打包完毕，然后进行包装跌落试验、斜面冲击试验、运输振动试验和压力堆码试验，结果表明，两种材料底垫的防护效果均能满足要求，拆开包装后检验产品均完好，外观无损伤，防护性能满足运输要求。然而产品抵达用户住处后，产品的装卸过程中包装材料的磨损最为严重，因此，能否抵抗产品装卸过程中的拉扯力是作为循环包装材料的关键因素。

将产品从底垫上搬卸，观察底垫磨损情况，表2所示为两种材料运输模拟试验方法的底垫状态。如图6 a)所示，EPS底垫发生严重破损，无法重复使用，说明EPS底垫属于一次性防护产品，如图6 b)至图6 f)所示，相同操作下EPP底垫基本没有损坏，与产品组合重新打包，再次进行运输模拟试验，防护效果仍能满足要求。直至循环5次后，EPP材料的边缘出现脱落现象，判定影响产品防护，无法再次使用。本次测试EPP材料为手板件，强度低于模塑成型件，因此EPP模塑底垫能够提供更好的防护性能，本次试验结果可以表明EPP底垫的耐久性是EPS底垫的5倍以上。