摘要：空氣墊是一種應(yīng)用廣泛的緩沖包裝材料，集經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益于一體。承載性，是其緩沖效果重要決定因素，通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)該性能的數(shù)據(jù)化表征。通過分析發(fā)現(xiàn)，空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數(shù)和流通環(huán)境，如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質(zhì)量、充氣壓力等，都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果，建議相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)對上述因素的試驗(yàn)監(jiān)測和研究。
關(guān)鍵詞：空氣墊緩沖包裝、承載性、薄膜拉伸、密封質(zhì)量、充氣壓力
前言
近年，電商經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，極大促進(jìn)了商品的地域流通，同時(shí)，運(yùn)輸野蠻裝卸的問題也越發(fā)突出，使得包裝內(nèi)容物的損壞率逐年上升。流通中，引起商品損壞的原因主要來自于裝卸和運(yùn)輸環(huán)境的外力沖擊，雖速度變化不大但作用時(shí)間短促，因而在瞬間對內(nèi)容物產(chǎn)生較大的沖擊力，造成損壞。因此，具有合適緩沖效果的緩沖材料在包裝過程中是極為必要的。
緩沖材料的歷史悠久，早可追溯到稻草、刨花、紙屑等。隨著商品交易的范圍和速度增大，緩沖材料的品類被極大的擴(kuò)充，如今，已經(jīng)形成了以泡沫塑料為主，氣泡薄膜、紙襯墊、紙張模塑為輔的緩沖材料體系。泡沫塑料質(zhì)輕、吸濕性強(qiáng)、價(jià)廉物美，具有良好緩沖效果和吸振性能，但降解和環(huán)境污染問題仍有待解決。紙類緩沖材料是一種可降解的環(huán)保材料，溫度適應(yīng)范圍比泡沫塑料更寬，但耐潮性不佳，且價(jià)格頗高。在這一背景下，尋求經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的相統(tǒng)一的新型緩沖材料迫在眉睫，“空氣墊緩沖包裝”應(yīng)運(yùn)而生。
空氣墊緩沖包裝的承載性及驗(yàn)證方法
空氣墊緩沖包裝是將一定可壓縮氣體密封在塑料薄膜袋內(nèi)實(shí)現(xiàn)緩沖作用，具有體積小、質(zhì)量輕、彈性大、包裝方便、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，兼具經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益?？諝鈮|緩沖包裝的緩沖效果是氣體和薄膜袋共同作用的結(jié)果。氣體自身具有擴(kuò)散性，當(dāng)其填充于塑料薄膜袋后，能迅速充滿整個(gè)容器，遇到外界壓迫時(shí)，氣體體積縮小借此吸收沖擊能量。薄膜袋約束著氣體的體積變化，同時(shí)保障氣體的密封，是空氣墊緩沖包裝材料的重要承載容器。
目前，空氣墊緩沖包裝材料的承載性并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要通過試驗(yàn)的方式獲得緩沖曲線，包括壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線、大加速度曲線等，來驗(yàn)證被測材料的緩沖承載性能。這些試驗(yàn)包括靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)，分別依據(jù)國標(biāo)GB/T 8168-2008包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗(yàn)方法和GB/T 8167-2008包裝用緩沖材料動態(tài)壓縮試驗(yàn)方法。所謂靜態(tài)，是指在壓縮機(jī)上對試樣加壓的速度很慢，如12mm/min，接近于靜態(tài)載荷。借助靜態(tài)壓縮試驗(yàn)?zāi)塬@得靜態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線、緩沖系數(shù)曲線等，從而了解材料的靜態(tài)緩沖承載性。
靜態(tài)壓縮試驗(yàn)過程簡單易行，費(fèi)用低、耗時(shí)短，利用壓縮儀器，如i-Boxtek 1700紙箱抗壓試驗(yàn)儀器，參考GB/T8168方法A進(jìn)行檢測。試驗(yàn)前，對空氣墊樣品進(jìn)行厚度測量，作為原始厚度。將上壓板以12.7mm/min的速度沿厚度方向?qū)υ囼?yàn)樣品逐漸增加載荷。壓縮過程中，儀器系統(tǒng)自動記錄壓縮力和相應(yīng)的變形量，繪制“力值-變形量曲線”、“力值-時(shí)間曲線”和“變形量-時(shí)間曲線”三條曲線。當(dāng)壓縮載荷急劇增加時(shí)停止試驗(yàn)，卸去載荷3min后測量試驗(yàn)后樣品的厚度。根據(jù)公式1和公式2計(jì)算壓縮應(yīng)力和壓縮應(yīng)變。
式中，α—— 壓縮應(yīng)力（Pa）；P —— 壓縮載荷（N）；A —— 試驗(yàn)樣品承載面積（mm2）; εa —— 方法A試驗(yàn)時(shí)壓縮應(yīng)變（%）；T —— 試驗(yàn)樣品原始厚度（mm）；Tj —— 試驗(yàn)樣品試驗(yàn)后的厚度（mm）。
相較于靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，動態(tài)壓縮試驗(yàn)條件更加接近實(shí)際情況。它是利用沖擊試驗(yàn)機(jī)上的重錘以一定的沖擊能量沖擊試樣，獲得大沖擊加速度。通過改變重錘的跌落高度和重量，求得一系列的大加速度，從而可以得到緩沖材料的緩沖性能曲線。根據(jù)GB/T 8167的要求，需要測試多次獲得不同高度、不同厚度條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此動態(tài)壓縮試驗(yàn)具有耗時(shí)長、成本高、過程復(fù)雜等缺點(diǎn)。
空氣墊緩沖包裝的承載性影響分析和檢驗(yàn)方法
空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數(shù)和流通環(huán)境，如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質(zhì)量、充氣壓力等，都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果。
空氣墊緩沖包裝薄膜拉伸性能
空氣墊受沖擊發(fā)生形變的過程，也是空氣墊薄膜材料拉伸的過程。薄膜拉伸至斷裂，可以視為兩個(gè)階段：線彈性區(qū)和塑性區(qū)。起初，試樣由自由狀態(tài)逐漸變?yōu)榭嚲o狀態(tài)，進(jìn)入線彈性區(qū)，超出彈性形變極限后進(jìn)入塑性變形區(qū)。薄膜沿外力作用方向進(jìn)行分子取向、重排、滑移，發(fā)生屈服，原組態(tài)被破壞，整個(gè)結(jié)晶模式發(fā)生重排，晶區(qū)和非晶區(qū)出現(xiàn)較大范圍的相對移動。第二個(gè)塑性變形階段，薄膜分子不僅沿外力作用方向進(jìn)行分子取向、重排和滑移，而且分子主鏈之間部分發(fā)生斷裂。薄膜的拉伸性能是通過薄膜材料在拉斷前承受的大應(yīng)力值來表征，通常采用拉力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸性能越好意味著薄膜材料在承載壓力方面更具優(yōu)勢，為空氣墊的緩沖作用提供了更加可靠的保障。
空氣墊緩沖包裝袋密封質(zhì)量
密封，是空氣墊各項(xiàng)性能發(fā)揮的前提和基礎(chǔ)。包裝的密封性能主要表現(xiàn)在包裝袋的完整性和封邊的封合質(zhì)量兩方面。封邊在熱封操作時(shí)，高溫處理會影響到封邊周圍材料的機(jī)械強(qiáng)度，如拉伸性能，所以熱封邊及其周圍部位常常會成為空氣墊緩沖薄膜袋密封性的薄弱點(diǎn)。當(dāng)沖擊作用于空氣墊時(shí)，薄膜袋的封邊受到強(qiáng)大且分布不均勻的空氣壓力，承壓強(qiáng)度低的部分ｚｕｉ先出現(xiàn)破裂和氣體泄漏，從而導(dǎo)致空氣墊緩沖作用的失效。因此，評判空氣墊緩沖包裝的密封質(zhì)量，一方面是薄膜袋的耐壓強(qiáng)度，另一方面則是封邊的熱合強(qiáng)度。
薄膜袋的耐壓強(qiáng)度是通過內(nèi)加壓試驗(yàn)獲得的，業(yè)內(nèi)也稱作爆破試驗(yàn)。通過向薄膜袋內(nèi)充入一定壓力的氣體直至破裂，即能測定薄膜袋的大承壓力。就空氣墊緩沖包裝材料而言，所使用的薄膜多為柔軟高彈材料，具有優(yōu)異的拉伸性和變形率，會隨著充入氣體的增加出現(xiàn)明顯的形變，使得大承壓力的測試變的困難。在實(shí)際應(yīng)用中，空氣墊緩沖薄膜袋被填塞在商品和外包裝之間，受到二者的擠壓，受力情況有別于一般的自由膨脹。基于上述情況，建議內(nèi)加壓試驗(yàn)中引入約束板試驗(yàn)裝置，如圖1，將待測樣品置于約束板上下夾板之間，實(shí)現(xiàn)對薄膜袋的加壓膨脹及材料的拉伸變形的有效控制，將壓力轉(zhuǎn)移至熱封邊處，從而極大提高了耐壓施力的均勻性，也更貼近實(shí)際情況。
圖1. 約束板裝置
封邊熱合強(qiáng)度是使用拉力機(jī)測得的，材料在受力方向一致、力值均勻的情況下（例如剝離），熱封邊抵抗分離的能力。上述耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)直觀的暴露了薄膜袋封邊承壓薄弱部位，于此同時(shí)，熱封強(qiáng)度參數(shù)亦能對封邊各部位的牢固度給出具體的數(shù)據(jù)評價(jià)，二者相輔相成，有利于從根源解決影響空氣墊緩沖包裝密封質(zhì)量的問題。
空氣墊內(nèi)部初始?xì)鈮?/span>
空氣墊緩沖包裝的初始充氣壓力目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但不同的充氣壓力對于同規(guī)格空氣墊的緩沖承載效果多有不同。筆者對一款具有7個(gè)承載氣室的空氣墊分別充入40kPa、60 kPa和90 kPa，氣室厚10mm，采用方法A進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。根據(jù)公式1和公式2對測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，見表1。
從上表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著充氣壓力的增大，空氣墊緩沖包裝的承載能力有所提高。這一結(jié)論對提高空氣墊的緩沖性能有所助益，同時(shí)也對空氣墊薄膜袋的密封質(zhì)量和抗壓性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。但也要注意的是，充氣壓力的增加需適度，如果太大，空氣墊過硬，起不到緩沖作用，反之，則緩沖效果不明顯。合適的壓力需經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來獲得。
總結(jié)
空氣墊是一種應(yīng)用廣泛的緩沖包裝材料，集經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益于一體。承載性，是其緩沖效果重要決定因素，通過靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)該性能的數(shù)據(jù)化表征。通過分析發(fā)現(xiàn)，空氣墊緩沖包裝的諸多工藝參數(shù)和流通環(huán)境，如薄膜材料的拉伸性、包裝整體的密封質(zhì)量、充氣壓力等，都會在一定程度上影響其承載性和緩沖效果，建議相關(guān)企業(yè)加強(qiáng)對上述因素的試驗(yàn)監(jiān)測和研究。
