摘 要：为了研究三种不同宽度规格充气垫缓冲材料的耐压爆破强度,通过利用耐压试验机对不同规格的充气垫进行爆破损坏实验，记录破损时充气垫压强、破损位置，研究充气垫的爆破损坏过程，分析不同规格充气垫爆破压强之间的关系；同时选择两种厚度的充气垫薄膜材料，对其相同规格耐压性能进行对比。实验结果表明,充气垫破损过程分为三个阶段，充气饱满阶段——稳定阶段——鼓包破损阶段.对于不同规格的充气垫，宽度越小的充气垫破损压强较大，宽度越大的充气垫破损压强较小；薄膜厚度较薄的充气垫，其破损压强较小.因此,充气垫稳定阶段的压强范围是应用时压强的适用范围.在实际应用时，宽度规格较小的充气垫初始内压较大，宽度规格较大的充气垫初始内压较小，薄膜厚度较厚的充气垫，其初始内压范围较大.
关键词：充气垫； 耐压强度； 爆破压强
0 引言
充气垫缓冲包装材料是一种新型环保材料[1]，它是由PE/PA共挤薄膜材料经结构设计后预制而成,通过逆止阀将压缩空气充入结构腔室.在受到外界冲击及振动时，腔室内的空气产生变形，吸收外界能量降低冲击加速度，从而达到对被包装产品的缓冲保护功能[2].目前，对充气垫缓冲材料研究内容主要包括充气垫充气量[3]、充气垫蠕变特性[4,5]、结构尺寸对充气垫承载能力的影响[6]；通过实验对充气垫的静态承载能力[7]、静态刚度特性[8]进行了研究；对某一特定跌落高度下充气垫动态冲击特性[9]及动态刚度[10]进行了研究；研究其几何模型表明圆柱模型适合表征尺寸规格较小的充气垫[11,12]，而较大尺寸需要用改进模型进行表征[13]；此外，在应用方面的研究主要通过使用充气垫对洗衣机、小型家电等产品进行包装评价后与原有包装进行对比分析[14,15].
研究表明充气垫初始内压的选择直接影响缓冲材料的静态、动态缓冲性能.初始内压大的充气垫可承受的静态承载力较大，而初始内压小的充气垫可承受的最大动应力大.因此如何确定既满足静态承载能力，又满足产品在运输中的冲击振动的初始充气内压是关键.若选择的初始内压过大，运输过程中遇到冲击瞬间会导致充气垫内部压强加大，甚至导致充气垫的爆破，影响充气垫整体的缓冲效果.
基于上述原因，本文主要研究充气垫缓冲包装材料的耐压性能，通过耐压试验机来观察充气垫爆破损坏的过程及充气垫的破损位置，确定充气垫的爆破强度，比较不同宽度充气垫爆破强度,同时对不同薄膜厚度、相同规格的充气垫爆破压强进行对比等，为充气垫缓冲包装材料初始内压的选择提供设计依据.
1 实验部分
1.1 实验仪器
宝大仪器耐压试验机，型号：PT-5070.
PT-5070耐压试验机依据GB 18454《液体食品无菌包装用复合袋》相关规定设计制造.由压力气源、空气清洁过滤、减压、节流、充气(保压、卸压)控制、常开电磁阀、测量显示等部分组成，其中压力测量系统由MSP400型压力传感器和LA-808采集、显示器等组成，原理图如图1所示.
图1 耐压试验机原理图
1.2 实验材料
实验材料为单个气柱，根据充气垫未充气前单个气柱宽度分为3种(30，40，60 mm)，充气垫薄膜材料为PA/PE 7层共挤膜，薄膜厚度分别为60 μm、70 μm，其中60 μm薄膜材料纵向拉伸强度34.82 Mpa，横向拉伸强度30.01 Mpa，纵向断裂伸长率476.91%,横向断裂伸长率475.58%；70 μm 薄膜材料纵向拉伸强度31.4 Mpa，横向拉伸强度30.68 Mpa，纵向断裂伸长率507.52%,横向断裂伸长率507.48%.实验样品每组8个，样品具体参数如表1所示.
表1 充气垫缓冲材料各规格参数
规格表示：充气前宽度(mm)-薄膜厚度(μm)
1.3 实验方法
此实验设备根据GB 18454-2001相关规定设计，适用于复合袋及类似材料的耐压性能实验.实验过程中利用充气阀向充气垫中充气，耐压试验机显示充气垫腔室内的压强，在不断增压的过程中充气垫会不断充气并产生变形.选择220 KPa作为保持压强，等充气垫到达此设定值时，停止充气并保持内部压强2 min不变，观察充气垫形状变化；继续充气直到充气垫爆破，记录爆破瞬间的压强值，此数值即充气垫薄膜材料的破损最大值.爆破时的破损压力可以反映充气垫的失效极限值.
2 结果与讨论
2.1 充气垫爆破失效过程
实验过程中发现，充气垫爆破失效的过程分为三个阶段.第一阶段是充气垫充气饱满阶段，此阶段随着充气垫内部压强的缓慢增大，气柱形状不断饱满，直到气柱达到稳定的厚度尺寸.第二阶段是充气垫饱满稳定阶段，此阶段充气垫饱满后，充气压强在一定范围内的增大，使充气垫硬度不断增加，在保持压强操作过程中，观察到充气垫并不发生变形，处于稳定阶段.第三阶段继续向充气垫加压，随着压强的增大充气垫气柱局部鼓起，并随压强的增大而变大，直到最后充气垫薄膜无法承受内部的压力而爆破.其过程如图2～图5所示.
图2 充气垫未变形时
图3 充气垫出现局部鼓包
图4 充气垫鼓包胀大
图5 充气垫破损临界时
充气垫爆破的过程表明，在充气垫应用时应首先确定稳定阶段的压强范围，再根据不同质量、产品脆值、运输环境等要求，在压强范围内进行选择.超出此范围的压强，过小则不能达到稳定的缓冲厚度，过大则会导致充气垫破损，稳定阶段其缓冲效果稳定.
2.2 充气垫破损位置的分析
对实验后充气垫破损位置进行测量，规定充气阀处为原点位置，破损位置在带有充气阀表面为“+”，非充气阀表面为“-”，测量并记录得到破损位置范围如表2所示.
表2 不同规格充气垫破损位置统计表
以上实验结果表明，充气垫的破损位置主要出现在充气垫的薄膜表面上，充气阀部位及封合位置均不发生破损.此结果反映出充气垫缓冲材料使用过程中，发生漏气现象的可能较小，缓冲失效的主要方式是充气垫内部压强过大导致充气垫薄膜破损.从薄膜破损的表面位置看，充气阀表面和非充气阀表面均有破损，随着充气垫规格不同，破损的位置会发生变化，但对于确定规格的充气垫其破损位置比较集中.
2.3 充气垫尺寸对破损强度的影响
通过对不同规格的充气垫的爆破实验，记录破损时压强得到实验数据如表3所示.
表3 不同规格充气垫爆破压强统计表
(1)充气垫宽度对耐压强度的影响
由实验数据，比较长度均为255 mm的三种宽度规格的破损平均压强如图6所示.
图6 不同宽度气柱爆破压强比较
图6表明，在空气垫长度相同的情况下，随着空气垫宽度规格的增大，其爆破压强变小.即厚度尺寸越小的空气垫耐压强度越高，可承受的爆破压强较大；厚度越大的空气垫耐压强度越低，可承载的爆破压强较小.因此在应用时若选择厚度尺寸较小的空气垫，应增大其初始压力，而选择宽度尺寸大的空气垫时应降低初始充气压力.
(2)充气垫长度对破损强度的影响
由实验数据，对比不同长度的30-70规格的空气垫破损平均压强如图7所示.
图7 相同宽度、不同长度充气垫爆破压强比较
图7表明，在宽度规格相同时，随着长度的增加其爆破内压变大，即长度较大的气柱其耐压强度较高.导致这一结果的原因是其耐压强度与充气垫的几个尺寸有关.
2.4 充气垫薄膜厚度对破损强度的影响
薄膜厚度作为影响充气垫材料耐压性能的重要因素，在应用时会影响充气垫的缓冲性能.由实验数据，比较相同规格不同薄膜厚度的破损平均压强如图8 所示.
图8 不同薄膜厚度、相同规格气柱爆破压强比较
图8表明，在充气垫尺寸相同的情况下，薄膜厚度越薄，其爆破压强越小；薄膜厚度越厚，其爆破压强越大.在实际应用中，薄膜厚度小的充气垫初始内压的范围较小，其可承载性能低，更易破损.
3 结束语
充气垫缓冲材料爆破损坏过程主要经历三个阶段，其中稳定阶段的压强范围是在应用时的初始内压范围.充气垫爆破时其充气阀并未发生破损，破损位置主要发生在薄膜表面，上下两层薄膜均可能发生破损；随着充气垫宽度规格的增大，其爆破内压变小；随着薄膜厚度的变薄，充气垫爆破内压变小.因此，在应用时宽度规格较大的充气垫需要较小的初始内压，而宽度规格较小的充气垫需要较大的初始内压；充气垫的长度增加，充气垫的耐压性能提高；充气垫的薄膜厚度增加，其初始内压范围增大，承载性能提高.充气垫的宽度、长度、薄膜厚度对充气垫破损均有影响，在应用时可根据不同的爆破压强，结合产品的脆值、流通环境等合理选择充气垫的初始内压，以保证充气垫在应用中不会发生爆破，为产品提供稳定的缓冲效果.
