EPP緩沖材料性能分析及其在家電包裝上的應用

韓沖 常雪松 張朋格 劉釗揚 任大偉 白晴

1. 海信家電集團股份有限公司 山東青島 266100；

2. 海信冰箱有限公司 山東青島 266000；

3. 海信容聲（廣東）冰箱有限公司 廣東佛山 528303

0 引言

“十四五”時期，國家大力推行雙碳政策，中國首個碳交易市場正式啟動，節(jié)能降碳大行其道。循環(huán)經(jīng)濟受到社會的廣泛關(guān)注，可循環(huán)包裝材料能夠保證資源充分利用，有利于環(huán)境保護，有助于降低全社會碳排放，符合綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是緩沖材料發(fā)展的趨勢。近年來，包裝材料朝著更輕量、更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展，許多學者對各類包裝材料進行了深入的研究。吳麗娟等研究EPE（發(fā)泡聚乙烯）和EPS動態(tài)壓縮緩沖性能，在相同沖擊作用下，EPS吸收能量小于EPE，即EPS緩沖性能不如EPE[1]；孫德強等研究了EPP的動態(tài)緩沖特性，建立了EPP密度和厚度與材料緩沖效率的影響，為EPP緩沖包裝材料應用提供了參考和評價標準[2]；曾克儉等研究了蜂窩紙板緩沖性能的影響因素[3]；劉炫池等通過材料性能分析和仿真校驗，驗證了緩沖材料的運輸保護性能，提供了緩沖材料性能驗證的系統(tǒng)方案[4]。

目前包裝材料主要有EPS、EPO、紙漿模塑等，家電行業(yè)內(nèi)主要采用EPS保護產(chǎn)品，但是EPS耐沖擊性差，受外力后易產(chǎn)生碎屑，容易造成白色污染并且無法循環(huán)使用；EPO材料由70%的聚苯乙烯和30%的聚乙烯共聚而成，耐沖擊性比EPS高，但是成本較高，并且因為EPO是共混材料，不易回收處理，不符合低碳政策要求；紙漿模塑材料來源廣泛，易回收，成本低廉，但是材料本身具有質(zhì)量不穩(wěn)定、表面粗糙、易吸潮腐爛等缺點，不適用于大型家電產(chǎn)品包裝防護。EPP材料作為一種高性能的緩沖材料，具有良好的強度、韌性、撓性強度性能，主要應用于精密儀器包裝、汽車行業(yè)、兒童玩具等領(lǐng)域，由于其成本和加工成本均高于EPS，所以EPP材料尚未在家電包裝行業(yè)大規(guī)模應用。本文研究EPP材料的力學性能和回復性能，并且通過模擬產(chǎn)品實際運輸和裝卸過程，驗證EPP材料的循環(huán)使用性能。本研究能夠指導EPP材料應用于家電產(chǎn)業(yè)循環(huán)包裝，降低碳排放，對于家電行業(yè)包裝材料領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗與方法

1.1 材料

EPS和EPP試樣密度分別取20 kg/m3、25 kg/m3、30 kg/m3、35 kg/m3，均由工廠內(nèi)部供方提供。包裝模擬試驗選擇某型號冰箱為產(chǎn)品，EPS底墊為EPS珠粒模塑成型；EPP底墊為手板件，是激光雕刻EPP空白板材成型。

1.2 試驗儀器

掃描電子顯微鏡，S4800，日立公司；電子萬能試驗機，E44.304，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；零跌落試驗機，JG-0429，青島實藝科技有限公司；變頻式模擬振動臺，HG-DL，東麟日盛儀器設(shè)備有限公司；斜面沖擊試驗機，SY-03，青島實藝科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 拉伸強度

依據(jù)GB/T 6344-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 拉伸強度和斷裂伸長率的測定》，試樣模塑成型制成1A型標準樣條，長120 mm，寬25 mm，厚10 mm，標距40 mm，將試樣夾在拉力試驗機夾具上，施加0.1 kPa的預應力后，清零伸長測量系統(tǒng)，啟動測試，拉伸速度為500 mm/min，記錄試樣最大載荷F1（單位為N），試樣平均橫截面積為A1（單位為mm2），試樣拉伸強度TS（單位為kPa）按照公式（1）進行計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料拉伸強度：

1.3.2 壓縮強度

依據(jù)GB/T 8813-2020《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》，將材料制成50 mm×50 mm×50 mm的試樣，將試樣放置在試驗機平行板之間的中心，測試速度5 mm/min，測定EPP相對形變50%時的抗壓強度F2（單位為N），試樣的受壓面積為A2，試樣壓縮強度P（單位為kPa）按照公式（2）進行計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料壓縮強度：

1.3.3 永久壓縮強度

依據(jù)GB/T 6669-2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 壓縮永久變形的測定》，將材料制成50 mm×50 mm×50 mm的試樣，將試樣放置在試驗機平行板之間的中心，試樣厚度d0壓縮至25 mm厚（壓縮量為50%），測試速度5 mm/min，保持壓縮狀態(tài)22 h，然后室溫下靜置30 min，測量最終厚度dr。永久壓縮強度Pz（單位為%）按照公式（3）計算，取5個有效數(shù)據(jù)計算平均值得到材料永久壓縮強度：

1.3.4 微孔形貌分析

利用SEM表征發(fā)泡珠粒截面孔形貌，加速電壓為10 kV，以M-LAO為信號源，其中截面形貌通過液氮冷凍淬斷獲得。

1.3.5 循環(huán)使用模擬試驗

選取某型號冰箱作為試驗產(chǎn)品，產(chǎn)品毛重120 kg，以EPS和EPP材料分別作為產(chǎn)品防護底墊進行打包，進行包裝跌落試驗、斜面沖擊試驗、運輸試驗和壓力堆碼試驗，具體試驗方法和合格標準如表1所示。

表1 包裝模擬試驗方法及合格標準

產(chǎn)品經(jīng)過運輸模擬試驗后，拆除包裝后將產(chǎn)品從底墊卸下，觀察底墊是否有破損、裂紋，若無損壞，將該底墊重新打包，重復上述操作，直至底墊損壞無法使用為止。

2 緩沖材料性能分析

2.1 材料拉伸強度對比分析

拉伸強度反映了緩沖材料發(fā)泡珠粒相互間的粘合強度，拉伸強度越高，珠粒之間相互作用力越大，材料能夠承受的動態(tài)沖擊強化和頻率也越高。緩沖材料的拉伸強度能夠側(cè)面反映緩沖材料的可循環(huán)性。對不同密度的EPS和EPP進行拉伸強度測試，拉伸強度變化趨勢如圖1所示。結(jié)果顯示，隨著密度上升，兩種材料的拉伸強度均呈現(xiàn)線性增加，并且同等密度條件下，EPP材料的拉伸強度均高于EPS材料，說明EPP材料能夠適應更加復雜的運輸場景，給予產(chǎn)品更全面的防護。

圖1 不同密度的EPS和EPP材料拉伸強度變化趨勢

2.2 材料壓縮強度對比分析

材料的壓縮強度一定程度上反映了材料受到外部沖擊時吸收的沖擊能量。因為緩沖材料內(nèi)部有大量的氣泡孔，當材料受到外力壓縮時，內(nèi)部氣泡孔發(fā)生大規(guī)模形變，將外界的沖擊能轉(zhuǎn)換成形變所需的能量，并將大部分能量儲存起來，只會向另一側(cè)傳遞少量沖擊能，從而實現(xiàn)防護效果。對不同密度的EPS和EPP進行靜態(tài)壓縮強度測試，壓縮強度變化趨勢如圖2所示，同等密度條件下，EPS和EPP材料的壓縮強度相差不大，表明兩種材料的能量吸收值接近，均能滿足包裝防護要求。EPS的壓縮強度略高于EPP材料，表明在同等壓縮量作用下，EPP材料對產(chǎn)品的沖擊能小于EPS材料。產(chǎn)品包裝運輸過程中，由于產(chǎn)品自身重量，產(chǎn)品對包裝材料有很大的壓強，EPP材料反作用于產(chǎn)品的沖擊力小于EPS材料。

圖2 不同密度的EPS和EPP材料壓縮強度變化趨勢

2.3 材料壓縮形變對比分析

EPP材料受到?jīng)_擊時，當動態(tài)沖擊應力較小，材料表現(xiàn)為線彈性，然后材料進入屈服階段，出現(xiàn)類似于屈服平臺的平臺區(qū)，隨著壓縮持續(xù)進行，材料進入密實化變形階段，材料內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)嚴重變形，泡孔相互擠壓，材料的包裝防護效果變得十分有限[5]。包裝底墊密度的選擇原則是在保證防護性能的基礎(chǔ)上，盡量使用密度更低的材料以降低材料成本。家電行業(yè)內(nèi)使用的EPS底墊密度為25～33 kg/m3，根據(jù)拉伸強度和壓縮強度分析，EPP性能略高于EPS，結(jié)合經(jīng)濟性原則，本文選擇密度為25 kg/m3和30 kg/m3的EPS和EPP材料進行永久壓縮變形分析。

對密度為25 kg/m3和30 kg/m3的EPS材料和EPP材料分別進行重復壓縮試驗，如圖3和圖4所示，經(jīng)過三次重復壓縮試驗，EPP材料仍然恢復至初始形態(tài)，并且尺寸穩(wěn)定，說明EPP材料韌性好，泡孔結(jié)構(gòu)剛強，能夠經(jīng)受多次沖擊后仍然具有防護效果；而EPS材料經(jīng)過一次壓縮后，內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，無法起到防護的作用，說明在家電產(chǎn)品運輸過程中，EPS材料受到?jīng)_擊后會形成凹陷無法復原，無法保護產(chǎn)品不受沖擊進而影響產(chǎn)品質(zhì)量，充分說明了EPS材料無法循環(huán)使用。除此之外，25 kg/m3的EPP材料經(jīng)過三次壓縮試驗后，材料厚度降低18.4%，而30 kg/m3的EPP材料厚度降低3.6%，說明密度為30 kg/m3的EPP材料回復效果遠好于25 kg/m3的EPP。同時，該試驗也證明EPP受到多次沖擊后，仍然能夠快速復原至原始形態(tài)，能夠循環(huán)使用，為產(chǎn)品提供全方位的長效保護。

圖3 密度為25 kg/m3的EPS和EPP材料重復壓縮試驗變化趨勢

圖4 密度為30 kg/m3的EPS和EPP材料重復壓縮試驗變化趨勢

2.4 材料微觀形貌分析

如圖5所示，對密度為30 kg/m3的EPP和EPS材料的截面進行微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)EPP材料發(fā)泡珠粒之間的空隙結(jié)合密實，無明顯空洞，而EPS材料發(fā)泡珠粒之間存在明顯空隙，珠粒之間結(jié)合力小，通過兩種材料對比分析得知，EPP材料珠粒之間結(jié)合力大于EPS，宏觀上表現(xiàn)為EPP材料拉伸強度更高，EPP部件更加堅固耐用。并且EPP的泡孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，泡孔間隙更小，泡孔孔徑分布更加集中，宏觀上表現(xiàn)為同等壓縮量下，EPP材料的回彈性更好，不會輕易發(fā)生泡孔坍塌而導致防護失效。

圖5 密度為30 kg/m3的EPS和EPP材料微觀形貌對比

2.5 底墊循環(huán)使用模擬試驗對比分析

結(jié)合上述理化性能試驗結(jié)果，選擇30 kg/m3的緩沖材料進行使用模擬試驗。將EPS模塑底墊和EPP手板底墊分別與產(chǎn)品組合后打包完畢，然后進行包裝跌落試驗、斜面沖擊試驗、運輸振動試驗和壓力堆碼試驗，結(jié)果表明，兩種材料底墊的防護效果均能滿足要求，拆開包裝后檢驗產(chǎn)品均完好，外觀無損傷，防護性能滿足運輸要求。然而產(chǎn)品抵達用戶住處后，產(chǎn)品的裝卸過程中包裝材料的磨損最為嚴重，因此，能否抵抗產(chǎn)品裝卸過程中的拉扯力是作為循環(huán)包裝材料的關(guān)鍵因素。

將產(chǎn)品從底墊上搬卸，觀察底墊磨損情況，表2所示為兩種材料運輸模擬試驗方法的底墊狀態(tài)。如圖6 a)所示，EPS底墊發(fā)生嚴重破損，無法重復使用，說明EPS底墊屬于一次性防護產(chǎn)品，如圖6 b)至圖6 f)所示，相同操作下EPP底墊基本沒有損壞，與產(chǎn)品組合重新打包，再次進行運輸模擬試驗，防護效果仍能滿足要求。直至循環(huán)5次后，EPP材料的邊緣出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，判定影響產(chǎn)品防護，無法再次使用。本次測試EPP材料為手板件，強度低于模塑成型件，因此EPP模塑底墊能夠提供更好的防護性能，本次試驗結(jié)果可以表明EPP底墊的耐久性是EPS底墊的5倍以上。

表2 運輸模擬試驗方法底墊狀態(tài)分析

圖6 底墊使用后狀態(tài)圖

3 結(jié)論

本文通過對比EPP材料和EPS的拉伸性能、壓縮性能和回復性能，并模擬產(chǎn)品實際運輸和裝卸過程，驗證了EPP緩沖材料的綜合性能以及在大型家電循環(huán)包裝上的應用。得出如下結(jié)論：

（1）同等密度下，EPP材料的拉伸強度優(yōu)于EPS材料，壓縮強度與EPS接近，十分適用于冰箱等大型家電的包裝防護，并且具有循環(huán)使用的基礎(chǔ)；

（2）大型家電運輸過程中，容易造成應力集中，EPP壓縮回復性能遠優(yōu)于EPS，回彈性更好，不會輕易發(fā)生泡孔坍塌而導致防護失效，證明EPP材料能夠為家電產(chǎn)品提供長效的防護效果；

（3）隨著雙碳政策推進，材料循環(huán)應用是節(jié)能降碳的必經(jīng)之路，經(jīng)過運輸模擬試驗證明EPP材料能夠循環(huán)使用5次以上，耐久性遠高于EPS材料，證明EPP材料在包裝行業(yè)上具有廣泛應用前景和巨大的潛力。