发泡聚苯乙烯缓冲性能分析方法包装工程.docx

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发泡聚苯乙烯缓冲性能分析方法包装工程

xx理工学院

毕业设计（论文）开题报告

（含文献综述、外文翻译）

题目发泡聚苯乙烯缓冲性能分析方法

姓名xx

学号3120614033　

专业班级12包装工程1班

指导教师xx

学院机电与能源工程学院

完成日期2016年3月5日

文献综述

发泡聚苯乙烯缓冲性能分析方法

1.引言

聚苯乙烯泡沫是一种轻型高分子聚合物。

它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂，同时加热进行软化，产生气体，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。

EPS泡沫是一种热塑性材料，白色珠状颗粒，每立方米体积内含有300-600万个独立密闭气泡，内含空气的体积为98%以上,相对密度1.05，由于空气的热传导性很小，且又被封闭于泡沫塑料中而不能对流，所以EPS是一种隔热保温性能非常优良的材料。

这种均匀封闭的空腔结构，同时也使EPS泡沫具有吸水性小，质量轻及较高的机械强度等特点。

EPS是当前最轻的包装材料，在冰箱、冷柜、冷藏库等方面广为应用，土木建筑中也用它来作保温隔热材料。

2.聚苯乙烯泡沫（EPS）的定义、性能

2.1聚苯乙烯泡沫（EPS）的定义

聚苯乙烯（英文polystyrene，简称PS）是由含有不饱和键的苯乙烯（英文styrene）单体在引发剂（或催化剂）存在下进行聚合反应生成。

化学反应方程式如下:

聚苯乙烯泡沫（英文Expandedpolystyrene，简称EPS）是由聚苯乙烯（PS）经加热发泡后形成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料[1]。

2.2聚苯乙烯泡沫（EPS）的性能

EPS由聚苯乙烯颗粒发泡而成，根据发泡的方式分为:

模型中发泡和挤出法发泡，在EPS成型过程中，聚苯乙烯颗粒中的戊烷受热汽化，在颗粒中膨胀形成许多封闭的空腔，正是这种均匀的封闭空腔结构决定了EPS具有许多材料所没有的特性。

2.2.1聚苯乙烯泡沫的化学性能

EPS的化学特性从其本质上说与聚苯乙烯树脂相同，对于一般的酸、碱、动植物油、盐类等有较好的抗化学性，而对于芳香族碳化氢、卤族碳化氢、酮类等矿油系药品具有易溶解的性质。

因此，要注意防止与这些物质接触。

另外，EPS具有耐久性，在自然环境下具有耐霉变、不受白蚁的影响[2]。

2.2.2聚苯乙烯泡沫的物理性能

（1）密度。

EPS的密度由成型阶段聚苯乙烯颗粒的膨胀倍数决定，一般介于10～45kg/m3之间，作为工程中使用的EPS其表观密度一般在15～30kg/m3。

密度是EPS的一个重要指标，其各项力学性能几乎与它的密度成正比关系[3]。

（2）保温隔热性能。

EPS具有良好的保温性能是因为它由完全封闭的多面体形蜂窝构成，蜂窝的直径0.08～0.15mm，蜂窝壁厚为0.001mm。

EPS由约98%的空气和2%的聚苯乙烯组成。

截留在蜂窝内的空气是一种热的不良导体，因而对EPS的热绝缘（保温）性能起决定性的作用。

与含有其他气体的泡沫塑料不同，空气长期留在蜂窝内，所以保温效果稳定不变。

（3）力学性能。

EPS泡沫塑料的变形量是随负载时间的增大而加大。

只有在生产两天后才能达到它的承载能力。

刚刚出模的制件对压力很敏感，因为泡孔中蒸汽和残留发泡剂的冷凝会导致部分真空，这要等到泡孔吸入空气后才能达到压力平衡。

EPS泡沫塑料属于硬性泡沫塑料类。

在荷载情况下，它呈现粘弹性，这是一种脆硬性材料所具有的特性。

弯曲强度、压缩强度和抗拉强度都与EPS泡沫塑料的表观密度成正比。

（4）吸水性能。

与其他许多泡沫塑料不一样，EPS泡沫塑料是不吸湿的，即使将它浸没在水中，也仅仅吸很少量的水，由于蜂窝壁是不透水的，水仅能从熔融的蜂窝之间微小通道透入泡沫塑料，不言而喻，吸收的水量（透入的水量）取决于EPS泡沫塑料原材料在加工时的性能和加工条件（特别在发泡时）。

随着EPS泡沫制件密度的提高，水的吸收和水蒸汽的透过率下降，水蒸汽的扩散阻力系数上升。

（5）导电性能。

由于EPS泡沫塑料具有较低的导电性能，因此它易产生自身带电现象，特别是其生产过程中难免要遇到不同程度的摩擦。

这样，带静电的珠粒会吸附在管道中，造成管道的堵塞；而制成的包装产品带上静电，既容易吸尘，又会对某些电器产品造成影响。

为此，完全有必要对一些EPS包装增添防静电保护剂，即增加EPS泡沫塑料自身的导电性能。

3.聚苯乙烯泡沫（EPS）的发展和应用

3.1聚苯乙烯泡沫（EPS）的发展

自上世纪50年代由德国BASF公司开发EPS珠粒生产工艺后，EPS泡沫塑料由于成型工艺简单及设备简易可行，并可制成各种形状、不同密度的产品，因而发展迅速。

现在EPS已成为苯乙烯树脂三大产品（GPPS、HIPS、EPS）中重要的产品之一。

我国EPS工业从1958年自行研制的悬浮聚苯乙烯塑料上市至21世纪的今天，EPS得到空前的发展，著名的厂家有龙王、兴达、台达等[4]。

3.2聚苯乙烯泡沫（EPS）的应用

EPS泡沫塑料为轻质半硬性多孔材料，它由无数闭孔组成，含97%以上的空气，具有导热系数低、冲击强度高、吸水性小、隔音和耐老化等特点。

改性后具有抗静电、阻燃等性能，可广泛应用于缓冲包装、漂浮器具、保温隔热和建筑材料等。

3.2.1聚苯乙烯泡沫（EPS）的具体应用

（1）房屋建筑、冷热管道、汽车、机车、船舶、冷藏库、电器、军用兵器、炮弹等的外包装，以达到保温、隔热、隔音、防震的目的。

（2）用于救生设备、浮标以及海上围油栏以减少油船卸油时对水域的污染，是优良的漂浮材料。

（3）代替铸造机械部件中木模，用于实型铸造和精密铸造。

（4）与其他多种材料进行复合，制成建筑物中内外墙体材料，代替红砖使用。

（5）用于美术艺术雕刻造型，舞台布景，电影、电视道具，制作动物标本及工艺美术品的内衬等。

（6）由于其微波穿透损耗率极低，可用作雷达和微波通讯部件。

（7）其泡沫珠粒还是一种新型的过滤材料，可用于种子发芽和水面育秧等。

3.2.2苯乙烯泡沫（EPS）产品废弃物的具体应用

（1）捣碎后作土壤改良剂，用于改进粘性太大的土壤。

还可与粘土混在一起用作制砖或直接与水泥等混合，浇成轻质水泥地面、屋顶或预制板。

这种材料具有阻燃性并能防霜。

（2）用作路基底层修筑路面，能使修建在承载能力很差的土壤上的道路具有优良的性能。

（3）常温下裂解制成PS树脂，可替代传统的醇酸漆、酚醛漆等产品。

（4）用解溶剂型解质法消泡工艺进行消泡回收处理，消泡后的物料运往有关塑料制品厂和粘合剂厂使用，效果良好。

（5）利用固体废弃物再生资源处理设备及技术将废EPS和废木屑混合，可生产木屑含量超过50%的超级木材，这种再生木材制成的器具具有天然林木的全部功能[5]。

4.聚苯乙烯泡沫（EPS）的国内外的研究现状

4.1聚苯乙烯泡沫（EPS）的国内研究现状

佟富强等[6]等通过对聚苯乙烯泡沫材料进行不同形变速率的压缩实验，经过数学处理得到不同形变速率条件下材料的缓冲系数—最大应力曲线，找出压缩速度对材料缓冲性能影响的变化规律，可用以指导实际应用。

阳以本[7]介绍了我国现阶段普遍采用的螺旋传动，蒸汽加热发泡工艺生产的可发性聚苯乙烯泡沫材料密度与压缩强度（压缩50%）的关系，分析成果应用的可行性给其摩托车生产工厂带来好的经济效益（EPS应用于摩托车成品包装）。

杜骋等[8]在《聚苯乙烯泡沫（EPS）的特性及应用分析》文中也指出聚苯乙烯泡沫是一种性能优良的路基轻质填料，具有轻质、高强、较强的化学稳定性和水稳定性、良好的力学性能且施工方便简单等优点，在国外道路工程中有较为广泛的应用。

我国对EPS的研究和应用较少，文章对EPS的物理化学性能、力学性能、EPS作为路基轻质填料的结构设计方法、EPS在道路工程中的应用等方而作了较为全而的介绍和分析，对我国使用EPS有借鉴作用。

毛快[9]主要研究了EPS的压缩蠕变性能。

EPS材料作为一种热塑性材料，其特点决定其在使用过程中与其他黏弹性材料一样会发生蠕变和松弛现象，因此要考虑EPS材料的性能随时间的变化规律。

因为EPS作承重构件时通常受压，长期蠕变则需要几天或更长的时间，且发现仅当应力超过阀值水平时才产生。

针对不同密度的EPS进行了短期压缩蠕变实验研究，讨论应力水平和密度对蠕变的影响。

朱向荣[10]采用三轴试验研究EPS在不同加载频率、不同循环次数和不同围压的下强度和模量等的变化规律，为EPS工程应用提供了一些理论依据。

xx等[11]针对泡沫结构的压缩性能，介绍了泡沫结构的试验压缩响应与数值模拟方面的研究进展。

结果表明：

相对密度、环境温度、压缩应变率及微观结构等参数对泡沫的缓冲性能影响显著。

相对密度越大，泡沫结构的屈服应力越大，吸收能量的能力越大；泡沫的吸收能量能力一般随环境温度的增加而减小；由于泡沫的基体材料表现率相关性，应变率增加导致吸收能量能力的增加；当微观结构不同时，泡沫的细胞分布导致结构的缓冲性能差异显著。

高德等[12]根据植物秸秆纤维聚苯乙烯缓冲材料静态压缩实验数据，研究了材料的缓冲性能，并考虑植物秸秆纤维的影响，对Sherwood-Frost本构关系框架进行了扩充，建立了非线性本构关系模型，并利用实验数据成功识别模型参数此种描述植物纤维类材料非线性力学行为的方法，为进一步研究和开发植物纤维聚苯乙烯材料提供了理论基础。

都学飞等[13]比较分析了４种厚度EPS缓冲包装材料的压缩变形回复性、外力－位移曲线等性能。

结果表明，EPS缓冲材料的回复性、永久变形与材料的厚度有很大关系，而它的外力－位移曲线的走向大致相同，厚度越大吸收的能量越多，缓冲性能越好。

龙志坚[14]制备了发泡量相同的微发泡聚苯乙烯,采用扫描电镜（SEM）和Image-pro图像处理软件对微发泡聚苯乙烯的微孔尺寸进行了观察和统计;建立微球模型,分析了微孔尺寸大小对微发泡聚苯乙烯力学性能的影响。

结果表明:

细小而均匀的泡孔对微发泡聚苯乙烯力学性能的提高有较明显的促进作用,微球模型的计算结果与宏观力学性能的影响规律有很好的重现性。

4.2聚苯乙烯泡沫（EPS）的国外研究现状

Horvath[15]用边长为5cm的EPS立方体试件在应变速率10mm/min的条件下，采用应变控制形式进行了无侧限单轴压缩试验，得到压缩应力-应变曲线并对该曲线进行了分析。

但没有对多种密度与多种加载速率的情况进行试验比较和分析。

Duskov[16]采用直径为10cm、高为20cm的圆柱体EPS试件在20kPa的作用下进行蠕变研究，得出蠕变曲线，从蠕变曲线的分析中可以看出：

EPS材料的蠕变主要发生在加载初期，随着加载时间的增长，蠕变的速率趋于稳定，在加载1年以后蠕变的速率几乎接近常数。

KwangYoungJeong[17]研究了聚氨酯泡沫塑料的应变率相关行为并制定了新的本构模型，以提高在各种应变速率中实验数据的拟合性。

该模型的七个参数被两种应变速率下进行的准静态压缩试验所决定。

压缩试验两种应变速率。

高、低密度聚氨酯泡沫塑料的两种模型显示在了不同的应变率下应力-应变的关系。

所进行的动态压缩试验得出了在高应变率下应力-应变的数据并且将此结果同本构模型进行了比较。

QunliLiu[18]认为泡沫在受到大的变形的情况下，加压力负载时，可在五参数模型完全确定应力-应变响应的三个基本特征，即线性、可塑性状应力平台和致密化的阶段。

此外，根据不同的屈服强度和硬化状或软化的约束条件，该模型的参数可以系统变化，以确定泡沫的初始密度。

JamesM.Gibert[19]探讨了压盘影响开孔泡沫缓冲材料动力学的定性认识。

一个超弹性材料模型是用来描述阻尼和滞回特性为线性粘弹性的非线性泡沫的应力–应变关系。

使用一个简单的非线性不连续模型的跌落试验以及数值模拟，研究探讨对其的物理影响。

数值研究表明，该模型能够提供预测的冲击脉冲的形状、持续时间和幅度，在不同的静态应力和下降高度。

模型所产生的动态缓冲曲线保留凹向上的“槽”的实验曲线的