抗振缓冲材料的选用原则及设计要点

当塑料制品需承受冲击脉冲的动态载荷时，为防止冲击破坏，需选用抗振、减振性能好的塑料作制品，使制品具有吸收和消耗冲击变形、冲击加速度和冲击能量的能力。如车辆中的座椅、坐垫商品的抗振缓冲包装制品，当商品在装卸、运输过程中翻滚、碰撞、抛掷、跌落或交通工具起动、制动、晃动时都会发生冲击导致商品破坏，因此需选用有抗振缓冲性能的材料作商品的外包装以吸收冲击负荷，从而保证商品承受一定的冲击而不受损。

●当塑料制品在振动系统中工作时，如按装在交通工具电子设备中的印制电路板，在普通公路上行驶时它会受到20～70Hz的脉冲激振，在高速公路上会受到70～200Hz频率的脉冲激振，此时电路板必须选择具有抗振阻尼特性的材料，利用塑料的粘滞效应对脉冲激振产生的较高的阻尼能力及振动能量进行消耗和吸收，以保证电路板及与其组装的电子元件不会因振动振幅过大或发生共振而导致变形、焊点开裂、导线断路、元器件损坏或电路板发生疲劳开裂等弊端。

表19-101 一些工程塑料及青铜材料与不同表面粗糙度的钢对磨时的磨损情况

表19-102 一些工程塑料螺母的破坏强度和安全系数

由此可见，对于承受不同振动形式的制品，要选用适当的抗振材料。

1.抗振缓冲包装制品用料

抗振缓冲制品用的材料要具有较高的压缩强度及吸收和消耗冲击能量的性能，在动态冲击压缩、堆放和静态压缩下都不会产生塑性变形和脆性断裂。

缓冲包装的形式可分为线性防冲保护法和非线性防冲保护法两种形式，前者是将被保护商品用线性弹簧或橡胶垫隔离支撑，当商品受到冲击载荷时产生很大的动态位移，弹簧和橡胶隔离垫会发生相应的位移变形，缓冲和吸收冲击能量，从而保护商品不受冲击破坏，而且当冲击负载消失后，弹簧与缓冲垫自动回复变形，仍具有承受再次冲击保护的功能。

非线性缓冲保护法是用PS、PU、PE、PVC等泡沫塑料或自然胶乳泡沫料、发泡聚乙烯纤维素软填料等低密度材料作缓冲包装支撑，将商品全部包裹于其中，利用材料的抗冲击特性和经设计计算的包装料厚度和面积来承受和吸收冲击能量，从而保护商品不受损害。

缓冲包装选料与结构设计形式有关，可分为整体缓冲包装和部分缓冲包装。

（1）整体缓冲包装 它是指将缓冲包装材料填满商品与外箱之间的全部空隙都可靠包装，对大中型商品，这种形式耗料多，成本高。包装前用聚乙烯或聚丙烯薄膜将商品包裹，避免商品表面擦伤。商品周围包装填料应分布均匀、密度合理；要有足够的缓冲厚度，且不会有过大的蠕动或蠕变。常见的整体包装方法有如下一些：

1）用细条、片状或颗粒状的聚乙烯泡沫塑料或聚苯乙烯泡沫塑料充填在外箱与商品之间。适用于小批量和临时性的缓冲包装。

2）包装现场用发泡填满全部空隙。二异氰酸酯与含羟聚酯及交联剂的两种液体的化学反应，在包装空间生成聚氨酯泡沫塑料。这种包装有良好的缓冲作用，但成本较高，适用于精密贵重商品的包装。

3）直接按商品外形和外包装箱，模塑成型发泡聚苯乙烯、发泡聚乙烯或发泡聚氨酯的包装块，需设计制造模具，成型两个或多个包装块，拼合成整体包装，适用于大批量小型体积的商品的缓冲包装。

（2）部分缓冲包装 在商品与外箱壳之间的棱角和棱边的局部用缓冲衬垫包装。这些衬垫常用发泡聚苯乙烯、发泡聚乙烯和发泡聚氨酯模塑成型，也有将这些材料的成型板条，切割成所需衬垫粘接在瓦楞纸或木板上的，也有直接粘接在包装箱内的。如图19-81a所示，包角或圆柱角衬垫用于商品的八角或四角、“L”形或框式衬垫用于商品的侧衬。对于不规则外形的商品，倘若整体包装，反而使商品的凸起部分遭受冲击，如图19-81b所示，凸起部分让其架空。有的商品可以拆开包装，如电扇和缝纫机的包装等。(www.xing528.com)

图19-81 部分缓冲包装的形式

a）衬垫包装 b）不规则商品包装

2.坐垫与垫材用料

泡沫塑料作为交通工具内旅客座位的垫材，其基本要求是应具有良好的弹性和变形回复性。交通工具行使中的颠簸振动越大，坐垫材料的弹性和变形回复性应越好，越柔软，使旅客有舒适感。此外，坐垫材料应具有尽可能小的压缩永久变形，且抗蠕变、透气性和透湿性良好。为了满足这些要求，开孔结构的泡沫较适宜。

汽车坐垫内的弹性软垫材料，曾在很长时间内一直是橡胶胶乳泡沫，现已大部分由聚氨酯泡沫所代替。软垫用泡沫塑料应是密度为25～30kg/m³的软泡沫。柔性较大，具有中等稳固性（压入变形25%左右，可承受载荷4～6kPa）。火车、飞机、游艇上的旅客坐垫，可采用半硬质泡沫，应比汽车坐垫的柔性小，稳固性高（压入变形小，承载能力大），因为它们基本上不存在颠簸振动。所有坐垫包皮都采用开孔结构的聚氯乙烯泡沫革，具有良好的弹性和耐磨性，不易脏污，透湿性良好，炎夏季节易透汗。

作为垫材，压缩性能是一重要指标。泡孔的开闭将影响泡体的性能，通过针刺泡孔可以得到不同要求的开孔率，PE泡体开孔率与压缩性能的关系如图19-82所示。

3.振动系统中塑料制品的选料

这类制品是处于动态应力和疲劳负载作用之下的，如在振动环境中工作的结构件，在交通工具上的货架、挂物件，以及电子和电气设备中的印制电路板组件等制品都承受脉冲振动的负载，会激发共振和过大的振幅，致使这些制品发生疲劳破坏、振动、噪声等各类弊端，降低设备使用性能，甚至失效。因此，对这类制品需进行抗振设计并选用抗振阻尼材料来制作。这类材料应具有耐动态应力、抗疲劳、耐热、阻尼性好、产生疲劳热少等性能。传统的减振材料有空气、液体、金属弹簧、橡胶等。塑料的阻尼能力比金属大得多，其粘滞效应可将振动的能量转化为热能并消化和传递振动，因此塑料是良好的阻尼材料。

图19-82 PE泡体开孔率对压缩性能的影响

制品的结构设计及选用的材料必须适应整体振动系统的振动特性，需进行抗振设计及计算，故选料与制品结构设计有关。仅就材料本身而言，选用具有刚性和粘滞性兼备的材料最为理想。

材料的刚性和粘滞性与温度及频率有关，温度高及低频时刚性低而阻尼性强，反之则刚性高阻尼性弱。换言之，在高温、高频时材料刚性下降，阻尼性增加；低温、低频时材料刚性增大，阻尼性减弱。因此，应在不同条件下根据系统计算结果酌情选料，有时需要增加刚性，而有时又要求提高阻尼性。

对塑料材料而言，在玻璃化温度区域材料的刚性大（弹性模量高），而阻尼性低；当进入高弹态时，则反之。也就是说，当振动系统的工作温度高于制品塑料的玻璃化温度时，制品的刚性及弹性下降，阻尼性增强，有较好的抗振性，但此时强度及刚性会下降，可能会产生动态应力破坏，因此选料要按工作温度、频率综合考虑选用兼有弹性和粘性的粘弹性阻尼材料，通常采用玻璃纤维增强的PC、PA、POM、PBT、PET、EP等材料，或用粘弹性强的有机硅弹性体、SPVC、聚氨酯等薄片与刚性材料组成的多层复合材料，如多层印制电路板这类材料。另外，在这类制品上应尽量避免开槽、设缺口和尖角等易产生应力集中的结构，否则在强烈的振动下会发生疲劳破坏和脆性断裂。

在减振结构设计中还会遇到结构件的减振性能不理想的情况，需要采取附加的阻尼措施，如在结构件上增设加强筋或减振垫等，以提高结构件的抗振和减振性能。加强筋材料可用带钢、黄铜、铝合金板片材等贴在结构件上，以提高固有频率，防止发生共振，如果要考虑电绝缘性，则可采用PA、GFEP等塑料片。减振垫可采用热塑性弹性体、聚氨酯、软PVC、硬橡胶、PA或GFEP等材料。此外，还可在改变制品尺寸、形状、结构等方面采取措施来提高抗振性。