缓冲
7.0章节目标
本章节主要描述缓冲材料保护产品免受干扰环境的动态危害的方法，并且阐述了缓冲材料吸收能量的机理。提出了缓冲系统的分类，并对其性能特点进行了比较。最后叙述了保护方案的设计过程，给出了各种保护方案的实例。
7.1缓冲基础
缓冲物是填充在整个产品的物理完整空间和各级别干扰环境的危害之间的，在振动的冲击或动态振动的力作用下，通过振动吸收能量。
式子（7.1）定义了冲击加速度引起的缓冲系统的饶度。
D=2h/G
其中
D：挠度，缓冲物县唯一长度（mm）。
H：跌落高度（mm）。
G：重力（g`s）。
当撞击发生时，缓冲垫偏移，由此吸收能量，使能量消失，与第三章中讨论的阻尼机制非常相像。缓冲设计的目的在于不改变缓冲材料性能特性的情况下，开发一种能使弯曲所要求的偏移距离的缓冲系统。如果缓冲垫过于坚硬，它就不会有足够的弯曲度去吸收撞击产生的能量，从而导致这个能量传递给产品。如果缓冲垫不够坚硬，它就会触底反弹，然后振动的能量依旧会传递给产品。
一个缓冲垫能够承受并保持其性能特性的挠度称为工作长度，典型的缓冲材料偏转约50%的总厚度而不触底，并随后影响其性能。挠度范围，或者说工作长度，在所有常用的包装缓冲材料中大约为25%到75%。（《青年》，2005）
例如，如果一个产品的易碎性为20g，并且必须在600毫米（24英寸）的跌落过程中受到保护，则可以使用式（7.1）来确定缓冲垫的工作长度。
D=2times;600mm/20G=60mm
得到工作长度为60mm（2.4英寸）。由此可以在下式关系基础上，确定缓冲垫的总厚度。
工作长度（WL）=偏差百分比times;总厚度（TT）
如果上述例子中的缓冲材料的工作长度为其总厚度的50%，为了适当地保护产品，60mm（2.4英寸）的缓冲有效厚度需要乘两倍到120mm（4.8英寸）。
如第二章所述，垫层的弹性常数可以表示为负载曲线/挠度曲线的斜率。由于缓冲材料通常被认为是线状的，所以最后的斜率曲线也是一条直线。这在前面的第二章、图2.10中已经介绍过了。图7.1所示为初始弹簧常数k的缓冲垫的载荷-挠度曲线。值得注意的是，在（b）点，该曲线在最低点突然增大，材料的弹性常数被改变了。在一个经典包装缓冲性能的讨论中，Mindlin定义这种响应为双线性，压缩力增加了缓冲垫的密度，并且使缓冲材料的硬度更大了。新的弹簧常数从点（b）变成了点（c）的k`（Mindlin，1945）。
图 7.1载荷-挠度曲线
图 7.2非线性弹簧载荷-挠度曲线
Mindlin还提出了非线性缓冲系统，以供参考。图7.2比较了两种系统，其力-位移曲线分别代表了垂向力和双曲正切力。结果表明：垂直最大响应的强度随着缓冲应力增大而增大，而弯曲的偏移度随着缓冲应力的增大而减小。双曲正切曲线证明了缓冲垫的软化程度，以及力增加导致的偏移量（Mindlin，1945）。一般来说，缓冲垫的特点是刚度，刚度取决于材料的类型和密度，缓冲垫的面积决定了产品的负载和缓冲垫的厚度。
7.2缓冲材料
现在用于产品包装保护设计的缓冲垫形式多种多样，最常见的可用于缓冲的材料包括松散充填材料和衬垫材料，如聚苯乙烯碎纸或揉皱纸、成型纸板片和其他类似材料，这些材料都被设计用来填充产品周围的空隙。它们可以通过与集装箱壁隔离来防止产品表面损坏。虽然这些材料通常不会很贵，但是它们的运行方式却不一致，容易位移，难以填充，并且环境中水分的含量也会影响到它们缓冲性能的表现。
另一种形式的减震是采用瓦楞纸板材料，瓦楞纸板用时也被用作装运集装箱的主要材料。这意味着航运集装箱实际上有助于包装产品的动态缓冲，同样的材料也可用于模切建和折叠式插页盒的形式中，以帮助固定产品在集装箱中的位置或增加堆码强度。硬质纤维板价格低廉、可再生、可生物降解、是一种良好的减震材料，然而其缓冲性能会随着撞击次数增加和空气中湿度的增加而减小。
除了由复合材料提供的固有的减震性能以外，还可通过将复合材料层压成块状，然后施加压力，使材料发生剧烈的变形，从而将瓦楞纸板包装箱加工成缓冲系统。这些多孔砌块可以被加工成适合产品轮廓的形状，保证产品在容器内的安全，并防止冲击和振动的动态扩散。
预压力的大小决定了多层缓冲垫在受到冲击时的性能，缓冲预压力在95%的情况下，可以看到最大加速度在35次冲击后增加了20%。当预压力变成80%时，35次试验后最大加速度增加了三倍。研究结果表明，在一定的应力分布范围内，最佳应力以预设应力值为基础。
另一种基于乙醚纤维的缓冲材料可以从模制用浆中提取出来，对可持续发展的包装系统的需要的关注使人们产生了从回收纸张中提取纸浆的想法，这种材料被普遍认为具有不连续性的特点。人们已经开始研究模制用浆在保护电子产品中的使用，一个实验表明最新模制工艺可以生产一种具有更加可重复使用的性能属性的缓冲结构。另一项实验也证明了模制用浆缓冲垫可以应用于加强结构筋的设计。在整个材料的性能表现中，结构筋的面积和形状是其中最重要的影响因素。
7.2.1开孔泡沫
这是一种非常常见的固体缓冲材料，这些缓冲材料通常是用树脂材料制成的，可以分为开孔结构和无孔结构。
这种开孔结构的缓冲材料是在一个让它形成细胞状网格结构的环境中产生的。在冲击过程中，缓冲垫经过挤压，空气从开孔中穿过完整的细胞壁结构，这种流动的粘性性质将为动态压缩提供阻力，并决定材料的缓冲能力。如果开孔泡沫是采用更小直径的孔径，缓冲垫就不能在压力下触底，这是由于从材料中排出的空气较少。更小的孔径同时也会增加缓冲垫的体积，使其密度变大，在受到冲击时不易压缩。孔径较小的开孔泡沫会更加接近无孔泡沫的。
7.2.2无孔泡沫
无孔泡沫的制作工艺，允许充气被困在材料的结构中，从而在撞击时，通过压缩被困在的空气来吸收能量。具有小孔径细胞结构的材料密度更大，弹簧常数更高。无孔细胞结构比开孔细胞结构可以提供更大的热保护性能。
7.3缓冲曲线
缓冲材料的性能通常以缓冲曲线的形式表现出来，这些曲线展示出缓冲材料在冲击中吸收能量的能力。
7.3.1减震保护缓冲
减震保护的缓冲曲线是通过将被切割成块状的缓冲材料从高处丢下得到的，得到的曲线结果只和实验高度有关，所以必须为每个测试高度创造新的曲线。通过记录冲击的峰值加速，就有可能将峰值g与负载材料的静应力联系起来。
式(7.2)定义了加载的静应力。
St=weight/area（7.2）
其中
St：静应力（kPa）
Weight：缓冲垫重量（kg）
Area：缓冲垫承载面积（cm2）
静应力的国际单位为千帕（kPa），英文单位中的转换为1psi=6.9kPa。。假设1 kg/cm2 = 98.1 kPa，一个重量为5 kg(11磅)的产品放在一个承载面积为100 cm2 (15.5 in2)的垫子上，其静应力将为0.05 kg/cm2 (0.71 psi)，或相当于4.9 kPa。
因此，静应力是由放置在缓冲垫上的重量所决定的，它将比在冲击过程中所经历的动载荷小得多。图7.3显示了2英寸厚的材料从上到下典型的缓冲曲线(以英文单位绘制)
图 7.3 第二次到第五次的平均缓冲曲线
缓冲效果最好（传递最小的冲击加速度）是缓冲垫经历它们第一次冲击的时候，当材料被冲击后，性能会有所改变。在绘制缓冲曲线的过程中，首次冲击试验得到的曲线通常会被舍弃或单独显示。图7.4展示了一组缓冲曲线，这些曲面了描述了在一定范围内的静应力荷载下的最大加速度，因此，冲击时的动载荷被视为一个衡量加速度的指标。值得注意的是，这些曲线代表了在一定的静载荷范围内加速度从5下降至1，可以明显看出，第一次传送给产品的加速度是最低的。从第二次撞击到第五次撞击传递的加速度都是递增的，因此，绘制的缓冲性能曲线通常将第一次试验的加速度单独显示，并显示第二次到第五次冲击的平均图像，这也从另一个角度表示包装产品在分销过程中遭受多次冲击的可能性（Schueneman, 1996）。
图 4第一次到第五次冲击的加速度和静应力
从图中，我们还可以注意到，典型的缓冲曲线确定了在平降过程中的加速度发展水平，通常都是使用这些数据进行设计的，因为它反映了动态冲击的最坏情况。当包装的边角受到冲击影响时，通常是由瓦楞纸板构成的集装箱，将粉碎和吸收整个系统的能量，包装的旋转也会消耗相当大一部分的撞击能量。
同时我们也要意识到这种可能性，缓冲垫在负载下会发生蠕变，或者是缓慢压缩，随着时间的推移会失去原有的厚度。正如本章前面所提到的，缓冲材料的工作长度是根据在性能因素改变之前允许的挠度百分比来确定的。ASTM D 2221(2009)提供了一种测试缓冲材料蠕变性能的方法。
图7.5给出了一个2英寸厚的材料的缓冲曲线，该材料受到了24英寸的冲击影响，这条曲线表现出第二次冲击到第五次冲击的平均加速度。
图 7.5缓冲曲线特性
如下图所示，可将缓冲曲线分为几个区域来描述它们的性能。在区域1中，曲线的左侧，由于缓冲垫太硬(具有较高的k值相对于负载)，而且在较轻的负载下不会偏转，所以加速度较高。在区域2中，曲线的中心区域，U形线的最低点代表了最佳的载荷。在这条曲线上，最佳的载荷是在大约1.1 psi，相应的加速度大小大约是42g，这就是缓冲效果最好的地方。。在区域3中，加速度再次上升。没有足够的材料厚度，缓冲垫层就会下陷。在后面的介绍中会提到，缓冲设计师们如何利用缓冲曲线找到最佳的设计方式。
图7.6根据性能数据确定了选择适当缓冲厚度的方式，给定材料的五种不同厚度，记录其从30英寸的高度跌落时第二次到第五次的缓冲曲线。如果加速度的目标水平是在30克或更低，只有4英寸和5英寸厚的软垫将提供足够的保护。通常的做法是选择最严格限制加速度水平的厚度，作为最经济有效的包装设计，因此4英寸厚的缓冲垫是最佳选择。
图 6缓冲垫设计的静载荷范围
物流环境的危害
8.0章节目标
本章回顾了分销环境中可能对产品和包装造成损害的力量、事件和条件的来源及特征。
8.1振动、跌落和冲击
配送由仓储事件和搬运事件以及连接它们的运输事件组成。从手动到全自动，这些操作都可能会对安全运输造成威胁。包装件在运输和搬运过程中所经历的冲击是非周期性的，相对较少发生，而且往往是高强度的。
8.1.1来源
正常的搬运在很大程度上是无事故的，并且可以很大程度上实现将包裹和单元货物从配送系统中的车辆、储存地点和其他地点搬运到配送系统中的目标，严重的，高强度的操作，如意外跌落，是非常罕见的。但往往这些小错误是所有事故的源头，比如一名工人将包裹从齐腰高的地方滑落或误操作；输送系统失去调节或部件故障，导致包装件掉落。一些存在潜在危险的操作是人为失误的，手动托盘化的操作也增加来了包裹跌落的危险，打包槽也使包裹可能会在它们到达尾端时跌落。许多严重的火灾事件都与人类的错误作用有关，因此很难确定和预防。然而另一些严重的事件是系统的，更容易发现和解决。
8.2振动
与冲击输入不同，分布在包装上的振动输入是长时间的，而且往往强度是比较低的，运动是一个关键的因素，任何运输工具的分配系统可以预期产生一些不同种类的振动输入。
8.2.1来源
在配送系统中从一个点移动到另一个点的车辆，从传送带到卡车、飞机和远洋船舶，在这些过程中都将产生振动并将其传递给正在运输的包裹，柔性结构，如车辆弹簧和悬架，基础设施，路面和轨道，也有助于振动特性，一些振动频率被放大，另一些频率被减弱(见第3章)。
公路车辆的振动一般是最严重的，虽然都有一定程度的振动输入。车辆的振动从本质上来说是随机的，振动的频率和张力随时间而变化，表现为光谱形状(Singh, Antle, ano Burgess, 1992)，车辆振动光谱形状而已因车辆类型和特性而异(Young, Gordon, and Cook, 1998)。例如，空气悬架系统，在相似的频率范围内，气流倾向于表现出较低的整体强度，垂直振动的强度最大，这也是顶部加载发生的方向，会增加车辆振动的潜在破坏效果。
8.3压缩负荷
仓库和车辆的顶部负荷会产生压缩力，压碎包装并损坏产品。负载的数量和应用的时间是关键变量。
8.3.1来源
仓库需要有效利用现有空间，以降低成本，如有可能，满载车辆可提高运输效率。这两个原则都意味着包装件负载相互堆叠。
8.4大气条件
包装件在运输过程中会暴露在由当地天气和气候条件以及车辆和存储地点的特征驱动的大气条件下。
8.4.1温度
运输地的天气有可能会上升到1009华氏度以上或者低于200华氏度(38到29摄氏度)，包装不会达到低于当地条件的温度，但它们可能达到更高的水平，车辆和储存设备会增加这些地区的热量积聚。
8.4.2湿度
包装件周围环境空气的相对湿度会影响吸湿材料的含水量，通常会降低它们的强度，在全球许多的配送地点，外部存储条件会使包装件受到当地天气的影响。如果当地有下雨，未被覆盖的包裹就会被淋湿，相对湿度在常会下就会接近饱和水平（100%），10%-15%范围内的相对湿度是较低的。
8.4.3压力
海平面上的正常大气压约为每平方英寸14.7磅(7
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