緩沖包裝材料的沖擊與振動測試研究

摘 要 對緩沖包裝的動態試驗越來越得到人們的重視，文章主要闡述了近年來發展的關于緩沖包裝材料的沖擊和振動測試方法，同時，也指出這兩種方法存在的一些問題。

關鍵詞 包裝材料；沖擊；振動；測試

中圖分類號：TB484 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0035-02

包裝設計專家在進行保護性包裝設計選材時面臨許多挑戰。選擇合適的包裝材料要求權衡搬運、儲存、緩沖特性、制造、客戶要求和費用等諸多因數。防震包裝設計的一個主要任務就是選擇合適的緩沖材料以降低流通環境中沖擊與振動對產品的危害，另外一個任務是在給定參數條件下實現最有效的包裝設計。防震包裝設計必須要有合理的緩沖材料數據。

緩沖包裝材料的測試有靜態壓縮和動態壓縮兩種，靜態試驗用于評價包裝件儲存、堆碼時，在靜壓力作用下緩沖材料的性能。動態測試用于評價包裝件在裝卸、搬運、運輸過程中，由于沖擊、振動等動載荷的作用下緩沖性能的變化。由于動態壓縮試驗更接近包裝件在流通過程中受到的損害，采用動態壓縮試驗所取得的資料比靜態壓縮試驗得到的資料更符合實際情況。因此，動態試驗越來越受到人們的重視。

1 沖擊測試

材料的緩沖特性是進行緩沖包裝結構設計的基礎，只有知道了材料的緩沖特性，才能進行好的緩沖包裝設計。沖擊測試在沖擊試驗機上進行。試驗機具有一個可自由跌落的重錘和一個大的質量底座。重錘具有平整的，且能夠完全覆蓋被試樣品的沖擊面，其質量可以調節。重錘應堅硬，并且有足夠的剛度，以保證在沖擊過程中不因重錘自身的振動而使被測試波形發生畸變。重錘的沖擊方向應與底座垂直，并以規定的速度沖擊試驗樣品，沖擊誤差不超過2%，同時，應變能以不小于1min的間隔進行連續沖擊。試驗機的底座應具有足夠的剛度，其質量至少應為最大重錘質量的50倍。

緩沖材料的沖擊衰減特性通常用緩沖曲線來表示。一條緩沖曲線對應于一種材料類型在不同靜態載荷和不同跌落高度的加速度值，在坐標圖上表現為峰值加速度G's對于靜態載荷的曲線。緩沖曲線可由ASTM D1596和MIL的相關試驗標準得到，或者按照GB8167-87《包裝用緩沖材料動態壓縮試驗方法》要求試驗。測試程序通常是引導一個預定質量的壓板從某一高度跌落到已知厚度和承載面積的緩沖襯墊上，加速度傳感器附著在壓板上，其值由示波器讀出。在同一靜態載荷和跌落高度下，重復進行5次試驗，取后四組試驗結果的平均值繪制坐標點。通過改變壓板重量，改變施加在試驗樣品上的靜態載荷繼續試驗，得到一系列的加速度值，再根據這些數值就可以描繪出一條緩沖曲線。繪制一條緩沖曲線，最少需要測試5組靜態載荷，每改變一次靜態載荷，需換用新的試驗樣品。

大多數材料的緩沖曲線形狀如圖1所示。曲線的左邊部分通常表現出較高的加速度傳遞率，在這個區域沖擊物體的重量很小，靜態應力相對較低，不能產生足夠的沖擊力壓縮緩沖材料，因此表現出剛性沖擊的特征，有點像將產品跌落到堅硬的表面上。

在曲線的中間部分，壓板產生的沖擊力增大，襯墊變形加大，加速度在一個較長的時間范圍內變化，因此產生的沖擊加速度最小。這也是緩沖包裝材料可利用的最有效區域。在曲線的右邊部分，壓板重量繼續增大，沖擊力增加，壓板繼續下落，導致物體與緩沖材料的支撐底部碰撞，產生過載現象。在這部分區域，材料沒有起到緩沖作用，因此加速度曲線繼續上升。理想的緩沖包裝設計是利用緩沖曲線的中間部份。

2 振動測試

對較大或易脆的產品來說，緩沖材料的振動特性比沖擊特性顯得更為重要。設計有效的振動衰減系統，包裝設計師必須首先知道產品和所選材料的振動特性。振動測試在振動試驗臺上進行。緩沖材料對振動的衰減可用它的傳遞率和傳遞率曲線來表示，此時，緩沖材料和質量塊構成一個彈簧質量系統，該系統能展示了產品的共振頻率特性。

目前還沒有緩沖包裝材料振動試驗的正式標準。ASTM D10委員會曾委派其小組委員會制定此類標準，但在80年代初至中期掙扎了一段時間之后，該委員會便宣告了它一個不可能的任務，原因是緩沖材料在承受不同載荷作用下得到的數據不一致。唯一廣泛公開的緩沖振動數據是出現在美國軍用標準手冊MIL 304 A和B2中，該手冊還包含了關于數據收集的完整程序。振動試驗也可按照GB8169-87“包裝用緩沖材料振動傳遞特性試驗方法”的要求進行。

振動測試又包含有正弦和隨機振動兩種。正弦振動是給定一個加速度等級，在一定的頻率范圍內輸入正弦激勵。隨機振動是給定功率譜密度曲線，在感興趣的頻率范圍內輸入隨機信號。采用隨機振動試驗能使得數據更容易收集，而且由于產品在實際環境受到的振動實際上都是隨機性質的，因而隨機試驗得到的數據也更為合理。

圖2是兩種（C-C和T-C）典型的振動試驗設備的安裝模式。第一份正式的振動數據文件，由70年代中期Lansmont公司采用設備對美國空軍包裝評估機構的多種材料進行試驗獲得。即是后來出版的MIL手冊304A以及其修訂版304 B2。

放大/衰減曲線圖是由垂直的頻率軸和水平的靜應力（負荷）軸包圍的一個區域。中間部分是材料對輸入激勵的放大區域，這也是包裝設計師最為關注的區域。

圖4中的曲線可以解釋如下：對于給定的頻率，低的靜態壓力產生相當于輸入激勵的加速度大小給產品。換句話說，加速度的響應/輸入比率大約為1。隨著靜態應力增加，輸入激勵將被放大，這時候加速度的響應/輸入比率大于1。在更高的應力情況下，緩沖材料將衰減振動輸入，這時候加速度的響應/輸入比率小于1。

3 一些補充說明

包裝設計師進行防震包裝設計時，不但應十分熟悉包裝材料緩沖曲線和放大/衰減曲線的數據，還應知道這些數據是通過何種方式獲得，這是非常重要的。比如說，同樣是沖擊試驗，用ASTM D1596方法得到的數據將可能不同于采用ASTM D4168方法測試得到的數據。endprint

盡管材料的緩沖數據對于包裝設計師來說非常重要，但是在使用過程我們也應該注意以下一些問題。

1）歷史上，沖擊衰減特性被認為是緩沖材料的唯一特性，而忽視了包裝中的其他變量，比如容器、磨擦和空氣動力學等的影響。這些因數能導致防震包裝設計達不到最優效果，甚至使其行為失效。

2）盡管材料特性測試數據適用于不同材料之間的比較，但未必確信它就如何適合于某一具體的包裝設計。主要的保護性包裝供應商之一Sealed Air公司曾提出了一種叫做“In-package”的測試方法，由于更接近包裝材料的實際工作狀況，此種方法獲得的數據相比于傳統方法獲得的數據更適用于設計師預測包裝系統的表現。

緩沖包裝材料的測試是一項永不停止的工作，完善的材料數據庫對于設計有效的包裝系統，對于節余時間是非常重要的。

參考文獻

[1]李沛生.我國運輸包裝工業現狀與發展趨勢[J].物流技術與應用，2004（08）：55-58.

[2]Dale Root. Lansmont Six-Step Method for cushioned package development[R]. October 1988， Revised February 1992， April 1997.

[3]Mindlin R.D. Dynamics of package cushioning. Bell system technical journal， 1945， 24： 353-467.

[4]Schell E.H. Evaluation of a fragility test method and some proposals for simplified method[J]. The Shock and Vibration Bull， 1969， 40（6）： 133-152.

[5]Xi Dechang， Chen Qinghua， Pen Nanling， Zheng Zhiyin. The Vibration and Shock Testing in China， （1） Vibration Isolation and Cushioning of Binary Stage Item Packaging，（2） Vibration Isolation and Cushioning of Packaged Articles Connected by an Elastic Element， 5th IAPRI Conference Papers， 1986， 1（2）.

[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者簡介

陳元龍（1979-），男，貴州遵義人，講師，碩士學位，研究方向：材料與建筑工程。

盡管材料的緩沖數據對于包裝設計師來說非常重要，但是在使用過程我們也應該注意以下一些問題。

1）歷史上，沖擊衰減特性被認為是緩沖材料的唯一特性，而忽視了包裝中的其他變量，比如容器、磨擦和空氣動力學等的影響。這些因數能導致防震包裝設計達不到最優效果，甚至使其行為失效。

2）盡管材料特性測試數據適用于不同材料之間的比較，但未必確信它就如何適合于某一具體的包裝設計。主要的保護性包裝供應商之一Sealed Air公司曾提出了一種叫做“In-package”的測試方法，由于更接近包裝材料的實際工作狀況，此種方法獲得的數據相比于傳統方法獲得的數據更適用于設計師預測包裝系統的表現。

緩沖包裝材料的測試是一項永不停止的工作，完善的材料數據庫對于設計有效的包裝系統，對于節余時間是非常重要的。

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[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者簡介

陳元龍（1979-），男，貴州遵義人，講師，碩士學位，研究方向：材料與建筑工程。

盡管材料的緩沖數據對于包裝設計師來說非常重要，但是在使用過程我們也應該注意以下一些問題。

1）歷史上，沖擊衰減特性被認為是緩沖材料的唯一特性，而忽視了包裝中的其他變量，比如容器、磨擦和空氣動力學等的影響。這些因數能導致防震包裝設計達不到最優效果，甚至使其行為失效。

2）盡管材料特性測試數據適用于不同材料之間的比較，但未必確信它就如何適合于某一具體的包裝設計。主要的保護性包裝供應商之一Sealed Air公司曾提出了一種叫做“In-package”的測試方法，由于更接近包裝材料的實際工作狀況，此種方法獲得的數據相比于傳統方法獲得的數據更適用于設計師預測包裝系統的表現。

緩沖包裝材料的測試是一項永不停止的工作，完善的材料數據庫對于設計有效的包裝系統，對于節余時間是非常重要的。

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[6]MIL-STD-810E， Environmental testing methods and engineering guidelines[S].US Military Standards，1989.

作者簡介

陳元龍（1979-），男，貴州遵義人，講師，碩士學位，研究方向：材料與建筑工程。