1. 缓冲

7.0概述

在本章中，详述了在流通环境中缓冲材料是如何对产品进行保护的。阐明了缓冲衬垫吸收能量的机理。同时介绍了多种缓冲系统，并对它们的性能特点进行了对比。最后简单描述了缓冲衬垫的设计过程，并给出了关于各种产品保护方案的实例。

7.1关于缓冲的基础知识

缓冲衬垫在震动或冲击的作用下发生形变从而吸收冲击能量，进而达到保护产品的目的。

式（7.1）阐明了缓冲系统的型变量与跌落冲击加速度的关系。

D=2h/G

式中：

D=型变量或缓冲衬垫的有效厚度（mm）

h=跌落高度（mm）

G=冲击加速度（g`s）

当冲击发生时，缓冲衬垫发生形变吸收能量，这与第3章中介绍的阻尼机制十分相似。缓冲设计的目的是在不改变缓冲材料性能的情况下，设计出在受到冲击时能产生一定型变来吸收冲击能量从而保护产品的缓冲衬垫。如果缓冲衬垫刚度较强，在受到冲击时，无法产生形变吸收冲击能量，就会使产品受到冲击；如果缓冲衬垫刚度较差，无法吸收全部的冲击能量，也会使产品受到冲击。

在保持自身性能不变的前提下，缓冲衬垫型变量的大小代表其承受冲击的能力，型变量也叫作有效厚度。在保持自身性能的前提下典型的缓冲材料能产生大约自身厚度50%的形变，同时不会触及缓冲衬垫底部。现有的包装用缓冲材料的型变量范围可从25%到75%不等(Young,2005)。

例：一个脆值为20g的产品从600mm（24in）处跌落，缓冲衬垫的有效厚度可以通过式（7.1）算出。如下所示：

D=2times;600mm/20G=60mm

由上式可知有效厚度为60mm（2.4in），则可以通过下式来确定缓冲衬垫的总厚度。

有效厚度=形变百分比times;总厚度

如果上述例子中缓冲材料的有效厚度为60mm（2.4in），是缓冲衬垫总厚度的50%，那么为了保护产品不受破坏就需要有120mm（4.8in）厚的缓冲材料来保护产品。

如第2章所述，缓冲材料的弹性系数可以表示为载荷/型变量曲线的斜率，大多数情况下缓冲材料的力学特性被看作是线性的，即载荷/型变量曲线为一条直线。图7.1表示具有初始弹性系数k的缓冲材料的载荷/型变量曲线。在b点，缓冲材料压缩至最低点，同时直线斜率变大即弹性系数突然变大。在经典包装缓冲性能讨论中Mindlin将这种现象定义为双线性现象。出现这种现象的原因是在压力作用下缓冲材料的密度增加，同时缓冲材料刚度变强。增大后的弹性系数用k`表示(Mindlin,1945)。

图7.1 线性缓冲材料型变量--载荷曲线

Mindlin同时还提出了对非线性缓冲材料的研究。在图7.2中便是两种非线性缓冲材料的载荷/型变量曲线，其中一条与水平线相切，另一条与竖直直线相切。从图中可以看出载荷/型变量曲线与竖直线相切的缓冲材料，随着载荷增加缓冲材料的型变量逐渐增加最后趋近于定值，缓冲材料逐渐硬化；载荷/型变量曲线与水平线相切的缓冲材料，随着载荷增加缓冲材料的型变量同时增加，且增加速度不断加快，缓冲材料逐渐软化。一般来说，缓冲材料的性能与它的刚度有关，而刚度又取决于缓冲材料的本身特性与密度以及与产品的接触面积与缓冲衬垫的厚度。

图7.2 非线性缓冲材料型变量--载荷曲线

7.2缓冲材料

在防护包装设计中所采用的缓冲方式有很多。松散型衬垫缓冲是一种常见的缓冲方式，常使用的缓冲材料有聚苯乙烯颗粒、碎纸屑、纸团、纸板以及其他相似材料，这些材料都可以用来填充产品与包装容器之间的空隙从而达到缓冲的目的，除此之外还可以保护产品表面不受破坏。尽管这种方法成本很低，但在由于松散材料无法完全填充包装容器的拐角处，所以在包装容器拐角处性能较差，而且在流通环境中湿度对这类材料的性能影响很大。

另一种缓冲形式是瓦楞纸板。瓦楞纸板经常用于海运集装箱运输，在使用船运集装箱时瓦楞纸板以及与其相似的材料可以采用模切或折叠插入的形式来固定产品，同时增加堆叠强度。瓦楞纸板成本低、可回收、绿色环保并且具有良好的缓冲性能。但在承受多次冲击后或在潮湿环境中，瓦楞纸板的性能会大幅度的下降。

除了波纹型集装箱所提供的固有机械阻尼外，还可以将瓦楞纸板板层层叠成能抵抗永久变形的砌块来制成缓冲系统。这些多层砌块可以切割成型，以适应产品的轮廓从而保证产品在包装容器内的安全，并且可以在有效防止产品受到冲击与震动。

经研究发现，一种预压瓦楞型材具有与发泡聚乙烯（EPS）相似的缓冲性能。经反复加压过后，这种预压瓦楞型材缓冲衬垫与EPS缓冲衬垫的性能相同，而且在载荷作用下还具有较好的防滑性。虽然在制造这种瓦楞型材时，施加在这种材料上的载荷会使瓦楞变形从而使减震能力减弱，但是在受到额外载荷时会使瓦楞结构更稳定，实验表明这种材料在应用中有较为稳定的保护性能。还有人从这种结构中得到启发设计了通过让气流从预制凹槽中流出从而来减缓冲击的缓冲方法，Minett指出这种方法预制凹槽越长冲击最大加速度就会越小，这与凹槽尺寸、大气压力与摩擦之间存在一定关系(Minett and Sek,2002)。

后来，通过研究发现在缓冲衬垫中加入皱褶镶块可以增强缓冲衬垫的缓冲性能，因为将未经压缩处理的镶块加入到多层结构中可以预防运输过程中的较大的冲击。Sek发现皱褶镶块可以减小冲击震动幅度，从而增加了多层缓冲结构的静态载荷承载能力，并显著提高了包装件的最大可跌落高度(Sek,2005)。

在经受多次冲击的情况下，预压应变的大小将会影响多层缓冲衬垫的缓冲性能。预压应变在95%时，缓冲衬垫在经过35次冲击后，最大加速度增加了20%；预压应变在80%时，缓冲衬垫在经过35次冲击后，最大加速度增加了300%。研究表明，在相同的流通环境中，最优静应力是由预期冲击的大小来确定的（Garcia-Romeu-Martinez，Sek，and Cloquell-Ballester，2009）。

利用纸浆可以制作一种纤维型缓冲材料，这为可持续包装系统的发展提供了一大助力，同时使人们重新产生了对可再生纸浆模压衬垫的兴趣。但实验表明上述纤维型材料的各项性能参差不齐，在研究利用纸浆模压衬垫作为电子产品的缓冲保护中发现：1.在利用新的成型技术生产缓冲衬垫的同时也会产生许多重复性性能能。2.纸浆模压缓冲衬垫的缓冲性能与加强筋的选择有很大关系，加强筋的形状与面积是衬垫整体缓冲性能的决定性因素（Yonggang，Keqin，and Liyan，1997；Marcondes，1997）。

蜂窝纸板一种由纸板制成的结构材料，蜂窝纸板的结构类似于三明治，由两层薄的牛皮纸和一层厚且轻的纤维基芯组成。利用蜂窝纸板制作的缓冲衬垫具有很高的强度-重量比与刚度-重量比。由于其重量较轻，铝制蜂窝板自1940年以来一直用于航空航海事业。蜂窝纸板吸声、隔热因为蜂窝夹层结构内部为封闭的小室，其中充满空气，因此具有很好的隔声保温性能。随着可持续包装系统的发展，人们开始研究将蜂窝纸板应用于包装行业，通过大量实验人们将蜂窝纸板的性能数据用缓冲曲线的形式表示出来（Guo and Zhang，2004）。

7.2.1开孔泡沫

泡沫树脂是一种常见的固体缓冲材料，由泡沫树脂制成的缓冲衬垫按结构可以分为开孔结构与闭孔结构。

开孔式泡沫缓冲衬垫的生产过程其实就是通过发泡技术产生蜂窝网络结构的过程。通常利用聚氨酯来制作开孔泡沫。当受到冲击时，缓冲衬垫压缩同时空气从相互连接的蜂窝结构中流出，通过流动空气的粘滞性可以有效地预防动态压缩。如果开孔泡沫的泡孔较小，在受到压缩时排出的空气就会更少，在不触底的情况下衬垫的可压缩量也会较小。两个相同体积的开孔泡沫缓冲衬垫，如果其中一个的泡孔较小，那它的质量更大同时密度也较大，在受到冲击时不易被压缩。与闭孔泡沫相比较，开孔泡沫对水和湿气有更高的吸收能力，对气体和蒸汽有更高的渗透性，对热或电有更低的绝缘性，还有更好的吸收和阻尼声音的能力。小孔开孔泡沫的性能与闭孔泡沫相似（Burgess，1944）。

7.2.2闭孔泡沫

闭孔泡沫就是将空气留在泡孔中同时泡孔之间互不相同，在受到冲击时通过泡孔中的空气来吸收能量从而达到缓冲的目的。闭孔泡沫的泡孔越小，泡孔就会越密集同时具有更高的弹性系数。闭孔泡沫板密度小，回复率高，具有独立的气泡结构，其表面吸水率低，防渗透性能好且耐酸、耐碱、盐、油等有机溶剂腐蚀，耐老化性能优良。闭孔结构比开孔结构具有更好的保温性能。在日常生产中通常用聚乙烯（PE）与发泡聚苯乙烯（EPS）来制作闭孔泡沫，闭孔泡沫的闭孔率与很多因素相关，不仅与基体聚合物类型有关，也与物料配方、发泡方法、工艺过程控制等密切相关。（Burgess，1994）。

7.3缓冲特性曲线

缓冲材料的性能可以通过缓冲特性曲线来表示，通过缓冲曲线可以看出缓冲材料在流通过程中的防冲击与防震能力。

7.3.1减震缓冲

缓冲材料的冲击缓冲特性曲线可以通过实验求得，在实验中将带有一定质量的平板至于规定尺寸的缓冲材料上方给定距离处，然后松开平板，缓冲材料受到冲击同时逐渐增加平板质量进行多次实验。材料的缓冲特性曲线只与跌落高度有关，所以需要用相同规格的缓冲材料搭配不同的跌落高度进行多次实验。在实验过程中通过来记录跌落最大加速度值与缓冲材料受到的静应力值来得出缓冲特性曲线。

可通过式（7.2）来计算静应力值

St=Weight/Area

式中：St=静应力（kPa）

Weight=加载质量（kg）

Area=加载面积（cmsup2;）

静应力公制单位为千帕（kPa），英制单位换算：1psi=6.9kPa。1kg/cmsup2;=98.1kPa，将一件重5kg（11磅）的产品放在承载面积为100cmsup2;（15.5insup2;）的缓冲衬垫上，静应力应为：0.05kg/cmsup2;（0.71psi）或等效于4.9kPa。

静应力由缓冲衬垫上的静置物体的质量决定，而且静应力远远小于冲击过程中的动态载荷。图7.3显示了从24英寸高度下降的2英寸厚的缓冲材料的缓冲特性曲线。

图7.3

图7.4

缓冲衬垫在受到第一次冲击时所传递的冲击最小，在经过多次冲击后缓冲衬垫损坏同时缓冲性能发生改变。在绘制缓冲特性曲线时，第一次冲击数据通常不取或是单独表示。冲击过程中的动态载荷大小可以用加速度来表示。在图7.4中记录了在一定静应力范围中相应的最大加速度值。从图7.4中可以看出在给定静应力范围内，曲线1到5分别表示了不同的落体冲击加速度，从图中可以明显看出第一次冲击衬垫传递的冲击最小，而第2次到第5次的加速度几乎是增量增加的，所以在缓冲特性曲线图中第一次冲击数据通常不取或是单独表示，然后取第2次到第5次冲击的平均值来表示。这样就可以很方便的分析在流通过程中产品可能会受到的冲击（Schueneman，1996）。

传统的缓冲特性曲线通过平地跌落来得到冲击加速度，这样得到数据反映了动态冲击的最坏情况，因此在缓冲设计中经常采用以上数据。对于瓦楞纸箱，当边角处受到冲击时将会产生变形同时增加缓冲系统的冲击吸收能力。包装件的旋转也会增加缓冲系统的冲击吸收能力。

在长期负载下缓冲衬垫会发生蠕变现象，随着时间推移缓冲衬垫会逐渐变薄，3英寸厚得缓冲衬垫最易发生蠕变现象。正如上文所述缓冲材料的型变量会随着材料尺寸而改变。ASTM D 2221（2009）规定了测量材料蠕变特性的方法。

图7.5表示一2英寸厚的缓冲材料受到于离地面高24英寸处跌落的重物冲击的缓冲特性曲线，图中的加速度数值取得是第2次到第5次冲击的平均值。

图7.5

如图7.5所示，在区域1中由于缓冲衬垫刚度较高且此区域内冲击载荷较小所以区域1内冲击加速度较高。最小冲击加速度存在于区域2中，同时曲线最低点所对应的载荷表示最优载荷（1.1psi），此处对应的最大加速约为42g，此处该材料缓冲性能最好。在区域3中，最大加速度逐渐升高，这是由于材料厚度不足，缓冲衬垫无法吸收全部冲击。

对于缓冲特性曲线，需要有相对应的缓冲材料、式样厚度、重物冲击高度以及加载区间等信息，通常材料供应商会提供这信息。

图7.6

图7.6表示由同一材料制成但厚度不同的缓冲衬垫的缓冲特性曲线，如果一件产品的脆值（能承受的最大加速度）小于等于30g，该选择那种厚度的缓冲衬垫。如上图所示产品脆值小于等于30g，只有4英寸与5英寸厚度的缓冲衬垫才能提供足够的保护，此时通常选择厚度较小的缓冲衬垫来节约成本，所以选择4英寸厚的缓冲衬垫。加载范围如上图所示0.6到0.8psi，在曲线最低处取最优载荷1.1psi。为了取得最优性价比，设计者经常会取1.8psi，此处对应脆值为30g，这样设计使用的材料面积最小，最为经济。

缓冲特性曲线通常有两种数据采集方法，一种方法是使用缓冲试验机如图7.7所示，然后以标准ASTM D-1596（2009）为标准利用软件生成缓冲特性曲线。另一种方法是利用投射法测量包装内的冲击，这种方法以标准ASTM D-4168（2009）为标准，通常用于测试泡沫材料。在图7.8中让测试包装件从跌落测试仪上落下，并记录跌落高度与最大加速度。

图7.7 缓冲

资料编号：[4043]