传统缓冲材料与切削型纸质材料缓冲性能对比研究

邓志航，吕颖慧，何宣江，肖楚桓，刘武，滑广军

（1.湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007；2.厦门合兴包装印刷股份有限公司，福建 厦门 361000）

随着全球经济的快速发展和人们生活水平的提高，社会对产品包装的需求日益增加。在包装领域，缓冲材料作为一种重要的包装材料，对于保护产品免受运输过程中的撞击、振动和压力等外力影响具有重要作用。在传统缓冲材料中，如EPE、EPS、EVA 等传统缓冲材料以其良好的缓冲性能和具有成本效益而在各种产品的包装中广泛应用[1]。此外，这些材料重量轻、易于加工和回收等优点也使它们在包装行业中备受推崇[2]。这些材料可以有效地保护包装物品，避免在运输过程中造成损坏，并且能够提供良好的隔热和防潮效果，保持产品的质量和新鲜度[3]。几种常用塑料缓冲包装材料的性能比较如表1 所示[4-6]。

表1 几种常用塑料缓冲包装材料的性能比较

近年来，切削型纸质材料作为一种新型的环保缓冲材料，因其可再生、可降解的特点而受到广泛关注。然而，尚未有足够的研究对传统缓冲材料与切削型纸质材料在缓冲性能方面进行深入的对比分析。因此，本论文利用办公用费纸为原料，将其裁切成不同尺度规格、不同形状的碎纸，然后将碎纸集装在集装桶中，利用万用材料试验机对碎纸进行静态压缩试验，得到相应的应力-应变曲线及缓冲系数曲线。并与典型缓冲材料EPE（图1）、EPS（图2）、EVA、蜂窝纸板的缓冲性能进行了对比分析，为切削型缓冲材料的合理应用提供依据。

图1 EPE（发泡聚乙烯）

图2 EPS（发泡聚苯乙烯）

1 试验

1.1 材料与设备

试验材料为办公用A4 纸，EPE、EPS、EVA、蜂窝纸板材料。其中蜂窝纸板试样规格为100mm×100mm×50mm，其他试样规格如表1 和表2 所示，表3 中所有试样的碎纸量均为3 张办公用A4 纸。

表2 泡沫试样规格

表3 切削型纸质试样规格

试验设备为微机控制电子万能试验机，CMT 6104 型，精度为0.5 级；碎纸机，碎纸规格为297mm×7mm、5mm×7mm、297mm×7mm 和23mm×4mm；游标卡尺，精度为0.02mm，I 型；预压板，重160g，3D 打印成型；集装桶，内径100mm，壁厚0.8mm，为3D 打印成型，填充度均为70%（图3）；恒温恒湿箱，设置温度为23℃，湿度为50%。

图3 集装筒结构示意图

1.2 实验过程

试验方法为静态压缩试验。试验环境设置为23℃，湿度为50%。试验前如表1 和表2 中准备试样，并将表2 中的试样分别放入集装袋中，进行温湿度调节处理，预处理温度为(23±2)℃，湿度为(50±5)%，处理时间为48h。预处理后，将试样分别放入集装桶中，用预压板进行预压，对切削型纸质试样进行初步密实化处理，便于试样后续压缩。采用微机控制电子万能试验机，以10mm/min 的速度进行加载，采样触发载荷为0.5N，采集力-变形数据。

2 实验结果

2.1 应力-应变曲线

参照GB 8166-87《缓冲包装设计方法》中的数据处理方式，对测试得到的力-变形数据按照式(1)(2)计算，得到应力-应变数据，并对每组应力-应变数据求平均值。

式中：σ 为应力，单位MPa；ε 为应变；F 为载荷，单位N；A 为抗压试验机压头的横截面积；x 为压缩位移，单位mm；L 为试样厚度，单位mm。

利用Matlab 软件处理数据生成曲线，各组的等效应力-应变曲线如图4 至6 所示。由图4 分析可知，切削型纸质材料的应力-应变曲线在EPE、EPS 的应力-应变曲线的下方，说明切削型纸质缓冲材料的刚度小于传统缓冲材料，即更易弯曲和变形，能够更好地吸收轻型产品在运输过程中的冲击和震动。因此比较适合轻型产品的缓冲包装。

图4 所有试样的应力-应变曲线

由图5 和图6 分析可知EPE、EPS 和EVA 三种材料的应力-应变曲线符合正切型应力-应变曲线，分为弹性形变、塑性形变和密实化三个阶段。在应变约为0 到0.1 的范围内，是小应变的弹性变形区，EPS 和EVA 的应力增速明显较快，EPE 无此类现象，可能与其气泡结构较 大有关。在0.1 到0.4 的应变范围内，是一段塑性形变区（即屈服段），三种材料的应力变化曲线趋势基本相同。蜂窝纸板的应力在应变为0.06 时达到第一个峰值，但受到破坏性冲击后，其缓冲性能无法恢复，应变超过0.06 后，随着纸张的压缩与崩溃，应力开始随之上下浮动，出现多个峰值，且均小于第一个峰值。可知，蜂窝纸板是一次性缓冲材料，不适用于复杂多变的运输环境。由图5 可知三种不同密度的EPE 缓冲材料具有不同的缓冲性能，随着密度的增加，EPE 缓冲材料的缓冲性能逐渐提高。

图5 传统缓冲材料试样的应力-应变曲线

图6 不同密度EPE 的应力-应变曲线

2.2 缓冲系数-最大应力曲线

根据所得应力-应变数据，参照GB 8166-87 中的数据处理方式，将应力-应变曲线下的面积分割为若干三角形区域，利用式(3)至(5)进行处理，得到如图5 所示的缓冲系数-最大应力曲线图[7]。

式中e 为达到应力时材料的单位变形能，单位为N·m；C 为缓冲系数；i=1, 2, …, n, k=1, 2, …, i。

根据图7 可知，切削型纸质材料对应的曲线处于坐标轴偏右的位置，处于较小的应力区间，且与最大应力曲线基本重合。而蜂窝纸板、EPE、EPS、EVA等传统缓冲材料对应的曲线处于较大的应力区间。通过对缓冲系数-最大应力曲线的分析表明，与传统的缓冲材料相比，切削型纸质缓冲材料在缓冲过程中，能够提供较为均匀的应力分布，适用于小应力状态下的轻型产品的缓冲包装。而传统的缓冲材料则更适合承受更大的冲击力，适用于重型产品的缓冲包装。

图7 所有试样的缓冲系数-最大应力曲线

根据图8 可知，EPE、EPS 和EVA 三种材料的缓冲系数-最大应力曲线基本一致都具有一个明显的峰值，对应着材料能够吸收的最大冲击能量。根据图9 可知，密度最大的EPE 缓冲材料(EPE-1)对应的最小缓冲系数最小，而平均密度较小的EPE 缓冲材料(EPE-3)所对应的最小缓冲系数最大，最小缓冲系数随着密度的增大而减小。

图8 泡沫试样的缓冲系数-最大应力曲线

图9 不同密度EPE 的缓冲系数-最大应力曲线

3 结论

本文通过准静态压缩试验对传统缓冲材料EPE、EPS、EVA、蜂窝纸板等与不同尺度、不同形状及不同处理形式的切削型纸质材料进行了实验测试分析，利用MATLIB 软件进行了处理，研究结果表明。

1）传统缓冲材料具有良好的缓冲性能、同体积下质量较轻等优点，适用于多种缓冲环境，与切削型纸质缓冲材料相比具有一定的优势。

2）密度对EPE 的缓冲性能有较大的影响，密度越大，单位体积变形能吸收的能量越多，缓冲性能越好。

3）蜂窝纸板受到破坏性冲击后，其缓冲性能无法恢复，是一次性缓冲材料，不适用于复杂多变的运输环境。

4）与传统的缓冲材料相比，切削型纸质缓冲材料适用于小应力状态下的轻型产品的缓冲包装，如手机、相机等精密电子产品。且切削型纸质材料可以根据不同产品的形状和尺寸进行定制，具有更好的适应性和灵活性，丰富了缓冲包装设计的选材空间。