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户外饮水囊密封和耐压性能解析

发布日期:2016-07-04 15:38

  在健康生活态度的引领下,户外运动越来越受到人们的青睐,因而推动了户外运动的专业化发展,尤以运动装备的专业化最为突出。其中,户外饮水系统在便利性和轻量化需求的推动下不断更新,催生了以“户外饮水囊”为代表的现代饮水系统。

  户外饮水囊,基本配置包括囊体、注水口及密封盖、带有自锁装置的出水座、带有自锁装置的水嘴及出水管,如图1。目前市场上除了基础配置的水囊,还有背包式水囊,是在水囊外部配以背包式的包裹系统,既易携带又多一重防护。户外饮水囊优势明显:自重较轻容量大,2.5L的TPU材质水囊自重范围在140~180g,较1.5L不锈钢水壶减轻了50%以上;背包式设计使水囊贴于人体负重能力最强的背部,受力分散,不易产生疲劳感,同时还具有传统水壶不具备的降温功效;此外,饮水方式发生了重要变化,通过含咬出水管的水嘴即能饮水,不妨碍双手工作,对于骑行、攀岩等特殊运动正当其用。基于上述优势,饮水囊除了在户外领域风靡一时,还扩展到军用领域,集饮水、枕垫、背包多功用于一体,成为现代作战装备的重要组成部分。

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  图1户外饮水囊

  户外饮水囊密封和耐压性检验

  理想的饮水囊应密封极佳、耐压并具有较高的力学强度。但现状是,户外饮水囊发展速度过快导致了质量的参差不齐,多表现在连接部位漏水、重压下囊体薄弱处破裂以及少量的刺破问题。由于目前尚未出台针对户外饮水囊的国家标准,笔者参考包装膜及包装容器的相关国标,对两种材质的户外饮水囊进行了密封性和耐压性的检验。

  密封性:参照GB/T15171-94《软包装件密封性能试验方法》进行测试,试验仪器为qinsun密封试验仪。

  耐压性:参照GB/T4857.4-2008《包装运输包装件基本试验第4部分:采用压力试验机进行的抗压和堆码试验方法》进行测试,试验仪器为纸箱抗压试验仪。

  1、密封性

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  表1户外饮水囊密封性测试结果

  根据GB/T15171-94的规定,将10个试样(两种材质各5个)依次置入仪器充满水的真空室中,关闭真空室的密封盖对内抽真空,真空室的最大真空度应不低于90kPa。观察期间试样的泄漏情况,无连续的气泡产生及开封检查时无水渗入,则该试样合格,否则为不合格。测试结果见表1。结果表明,TPU材质的试样3#和4#,及EVA材质的试样10#均发生了漏气,而漏气部位分别为注水口封盖和封边处。可以看出,相对于囊体表面,水囊封边处和配件连接处更易发生漏气,其原因可归咎于两点:

  (1)水囊封边一般采用全热合工艺,借助高频塑胶熔接机的高频电子管震荡使材料内部分子振荡及共振,促使分子重新排列产生热能,在一定压力下重新熔合。这种工艺不使用胶水,安全环保,但需注意合理的把握热合的压力和时间。压力过大,时间过长,容易造成封边处材料被压制过薄,强度减弱;反之,则封合不实,同样也达不到理想的封合强度。这两种情况都易发生强压泄漏。

  (2)注水盖与注水口连接处密封不良。饮水囊的注水盖结构如图2,其密封效果由螺纹啮合和硅胶圈决定。螺纹啮合指螺旋盖的螺纹起点与瓶口螺纹起点之间的第一啮合点到瓶口密封面与内衬接触的那一点所转过的螺纹圈数。螺纹啮合的区域越大,注水盖的定位越好,则保持瓶盖在原位的固定扭矩的作用越大,密封越好。硅胶圈起到密合注水口密封面细微凹凸不平之处的作用,因此应具有足够的弹性和刚性,并持续保持。注水盖与注水口连接处出现泄漏,多由于螺纹设计缺陷和硅胶圈老化两方面的问题。

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  图2饮水囊注水盖结构图

  2、耐压性。

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  表2户外饮水囊耐压性测试结果

  根据GB/T4857.4-2008对抗压试验的方法规定,选择仪器中“压溃力试验”。将试样放置于试验机的下压板中心,上压板以10mm/min的速度向下对试样施加载荷,直至试样压溃测得的最大力值即为试验结果,见表2。通过对比,TPU材质饮水囊的平均压溃力为7.079KN,EVA材质饮水囊的平均压溃力为5.064KN,前者的耐压性普遍高于后者。试验后,观察10个试样的溃裂位置,以封边破裂和囊体破裂为主。这反映了两方面问题:

  (1)TPU材质的力学强度,如抗拉强度、断裂伸长率、穿刺强度等,优于EVA材质,在受到外力压迫下,TPU的耐压性更佳。TPU即热塑性聚氨酯弹性体,是由聚醚/聚酯二元醇、有机二异氰酸酯化合物和扩链剂等通过逐步加成聚合反应制成的高分子材料。TPU的分子链是由软链段和硬链段组成,聚醚/聚酯二元醇构成软链段,异氰酸酯和扩链剂、交联剂等构成硬链段。其中,聚酯型多元醇聚合而成的弹性体,聚酯多元醇分子中因含有较多的极性酯基,内聚能较大,可形成较强的分子内氢键,因此具有较高的抗拉强度、撕裂强度和穿刺强度。随着扩链剂的加入,硬链段比例也随之增加,氢键密度增大,物理性交联密度增大,加强了刚性链段间的聚集作用,提高了TPU的抗拉强度等一系列力学性能。EVA指的是乙烯-醋酸乙烯共聚物,是由乙烯(E)和乙酸乙烯(VA)共聚而成,其性能受到VA含量的影响,当VA含量增加,如超过30%时,EVA的弹性、抗拉强度、抗冲击性能都会提升,反之上述性能则会弱化。

  以抗拉强度这一性能为例,笔者从两种材质共10个饮水囊袋体分别裁取了10条哑铃状试样,按照GB/T528-1998《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》中拉伸强度(等同上文“抗拉强度”的意义)的试验方法对其进行了测试,结果如表3。可见,TPU材质的拉伸强度均优于EVA材质。

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  表3户外饮水囊材质拉伸强度测试结果

  (2)压溃破裂部位位于封边的试样,说明其封边质量存在问题,可以从上文分析的热合工艺着手进行改善。