戶外飲水囊的密封和耐壓性能分析

　　摘要：戶外飲水囊的應(yīng)用范圍日漸擴大，相應(yīng)的，質(zhì)量也參差不齊。目前，該領(lǐng)域缺乏一個完善的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對戶外飲水囊各項性能進(jìn)行控制。本文從密封性、耐壓性兩方面對當(dāng)前兩大類飲水囊——TPU飲水囊和EVA飲水囊進(jìn)行了測試并簡要分析，發(fā)現(xiàn)熱合工藝、密封工藝和材質(zhì)因素是導(dǎo)致飲水囊性能差異的主要原因。

　　關(guān)鍵詞：戶外飲水囊、密封性、耐壓性、TPU、EVA

　　在健康生活態(tài)度的引領(lǐng)下，戶外運動越來越受到人們的青睞，因而推動了戶外運動的專業(yè)化發(fā)展，尤以運動裝備的專業(yè)化最為突出。其中，戶外飲水系統(tǒng)在便利性和輕量化需求的推動下不斷更新，催生了以“戶外飲水囊”為代表的現(xiàn)代飲水系統(tǒng)。

戶外飲水囊的誕生背景

　　早期，戶外飲水裝置一般為簡單的獸皮袋，后逐漸發(fā)展為金屬或塑料制容器。作為飲水系統(tǒng)應(yīng)用于戶外運動中，金屬/塑料容器的缺陷顯而易見：一、自重較大，容量有限。一般來說，金屬/塑料容器的普遍水容量為0.5L~2L，在滿足中、長途運動或高強度運動的水分補充方面稍顯不足。自重方面，以1.5L的不銹鋼水壺為例，其凈重約為500g左右（不含水的質(zhì)量），將會給運動者帶來額外的負(fù)重。塑料容器雖自重較輕，但塑料材質(zhì)自身的安全性和耐穿刺強度方面存在隱患，不利于在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中使用。二、不利于攜行。金屬/塑料容器多自帶單肩背帶用于肩部或腰部攜挎，易造成行動不便。且其受力部位集中于一點，也易造成疲勞累加。三，也是最重要的一點，就是飲水不便。金屬/塑料容器多設(shè)計為螺旋蓋開啟，對于某些無法或不便使用雙手開瓶飲水的戶外運動種類，如騎行、攀巖、越野跑等，適用性不佳。

　　金屬/塑料容器的上述缺陷為戶外飲水囊的發(fā)展提供了空間。戶外飲水囊，基本配置包括囊體、注水口及密封蓋、帶有自鎖裝置的出水座、帶有自鎖裝置的水嘴及出水管，如圖1。目前市場上除了基礎(chǔ)配置的水囊，還有背包式水囊，是在水囊外部配以背包式的包裹系統(tǒng)，既易攜帶又多一重防護(hù)。戶外飲水囊優(yōu)勢明顯：自重較輕容量大，2.5L的TPU材質(zhì)水囊自重范圍在140~180g，較1.5L不銹鋼水壺減輕了50%以上；背包式設(shè)計使水囊貼于人體負(fù)重能力ｚｕｉ強的背部，受力分散，不易產(chǎn)生疲勞感，同時還具有傳統(tǒng)水壺不具備的降溫功效；此外，飲水方式發(fā)生了重要變化，通過含咬出水管的水嘴即能飲水，不妨礙雙手工作，對于騎行、攀巖等特殊運動正當(dāng)其用?；谏鲜鰞?yōu)勢，飲水囊除了在戶外領(lǐng)域風(fēng)靡一時，還擴展到軍用領(lǐng)域，集飲水、枕墊、背包多功用于一體，成為現(xiàn)代作戰(zhàn)裝備的重要組成部分。

戶外飲水囊密封和耐壓性檢驗

　　理想的飲水囊應(yīng)密封ｊｉ佳、耐壓并具有較高的力學(xué)強度。但現(xiàn)狀是，戶外飲水囊發(fā)展速度過快導(dǎo)致了質(zhì)量的參差不齊，多表現(xiàn)在連接部位漏水、重壓下囊體薄弱處破裂以及少量的刺破問題。由于目前尚未出臺針對戶外飲水囊的國家標(biāo)準(zhǔn)，筆者參考包裝膜及包裝容器的相關(guān)國標(biāo)，對兩種材質(zhì)的戶外飲水囊進(jìn)行了密封性和耐壓性的檢驗。

　　密封性：參照GB/T 15171-94《軟包裝件密封性能試驗方法》進(jìn)行測試，試驗儀器為MFY-01密封試驗儀。

　　耐壓性：參照GB/T 4857.4-2008《包裝 運輸包裝件基本試驗 第4部分：采用壓力試驗機進(jìn)行的抗壓和堆碼試驗方法》進(jìn)行測試，試驗儀器為i-Boxtek 1700紙箱抗壓試驗儀。

1、密封性

　　根據(jù)GB/T 15171-94的規(guī)定，將10個試樣（兩種材質(zhì)各5個）依次置入儀器充滿水的真空室中，關(guān)閉真空室的密封蓋對內(nèi)抽真空，真空室的最大真空度應(yīng)不低于90kPa。觀察期間試樣的泄漏情況，無連續(xù)的氣泡產(chǎn)生及開封檢查時無水滲入，則該試樣合格，否則為不合格。測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明，TPU材質(zhì)的試樣3#和4#，及EVA材質(zhì)的試樣10#均發(fā)生了漏氣，而漏氣部位分別為注水口封蓋和封邊處?？梢钥闯?，相對于囊體表面，水囊封邊處和配件連接處更易發(fā)生漏氣，其原因可歸咎于兩點：

　?。?）水囊封邊一般采用全熱合工藝，借助高頻塑膠熔接機的高頻電子管震蕩使材料內(nèi)部分子振蕩及共振，促使分子重新排列產(chǎn)生熱能，在一定壓力下重新熔合。這種工藝不使用膠水，安全環(huán)保，但需注意合理的把握熱合的壓力和時間。壓力過大，時間過長，容易造成封邊處材料被壓制過薄，強度減弱；反之，則封合不實，同樣也達(dá)不到理想的封合強度。這兩種情況都易發(fā)生強壓泄漏。

　?。?）注水蓋與注水口連接處密封不良。飲水囊的注水蓋結(jié)構(gòu)如圖2，其密封效果由螺紋嚙合和硅膠圈決定。螺紋嚙合指螺旋蓋的螺紋起點與瓶口螺紋起點之間的第一嚙合點到瓶口密封面與內(nèi)襯接觸的那一點所轉(zhuǎn)過的螺紋圈數(shù)。螺紋嚙合的區(qū)域越大，注水蓋的定位越好，則保持瓶蓋在原位的固定扭矩的作用越大，密封越好。硅膠圈起到密合注水口密封面細(xì)微凹凸不平之處的作用，因此應(yīng)具有足夠的彈性和剛性，并持續(xù)保持。注水蓋與注水口連接處出現(xiàn)泄漏，多由于螺紋設(shè)計缺陷和硅膠圈老化兩方面的問題。

圖2 飲水囊注水蓋結(jié)構(gòu)圖

2、耐壓性。

　　根據(jù)GB/T 4857.4-2008對抗壓試驗的方法規(guī)定，選擇儀器中“壓潰力試驗”。將試樣放置于試驗機的下壓板中心，上壓板以10mm/min的速度向下對試樣施加載荷，直至試樣壓潰測得的最大力值即為試驗結(jié)果，見表2。通過對比，TPU材質(zhì)飲水囊的平均壓潰力為7.079KN，EVA材質(zhì)飲水囊的平均壓潰力為5.064KN，前者的耐壓性普遍高于后者。試驗后，觀察10個試樣的潰裂位置，以封邊破裂和囊體破裂為主。這反映了兩方面問題：

　?。?）TPU材質(zhì)的力學(xué)強度，如抗拉強度、斷裂伸長率、穿刺強度等，優(yōu)于EVA材質(zhì)，在受到外力壓迫下，TPU的耐壓性更佳。TPU即熱塑性聚氨酯彈性體，是由聚醚/聚酯二元醇、有機二異氰酸酯化合物和擴鏈劑等通過逐步加成聚合反應(yīng)制成的高分子材料。TPU的分子鏈?zhǔn)怯绍涙湺魏陀叉湺谓M成，聚醚/聚酯二元醇構(gòu)成軟鏈段，異氰酸酯和擴鏈劑、交聯(lián)劑等構(gòu)成硬鏈段^[1]。其中，聚酯型多元醇聚合而成的彈性體，聚酯多元醇分子中因含有較多的極性酯基，內(nèi)聚能較大，可形成較強的分子內(nèi)氫鍵，因此具有較高的抗拉強度、撕裂強度和穿刺強度^[2]。隨著擴鏈劑的加入，硬鏈段比例也隨之增加，氫鍵密度增大，物理性交聯(lián)密度增大，加強了剛性鏈段間的聚集作用，提高了TPU的抗拉強度等一系列力學(xué)性能^[3]。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含量的影響，當(dāng)VA含量增加，如超過30%時，EVA的彈性、抗拉強度、抗沖擊性能都會提升，反之上述性能則會弱化。

　　以抗拉強度這一性能為例，筆者從兩種材質(zhì)共10個飲水囊袋體分別裁取了10條啞鈴狀試樣，按照GB/T 528-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》中拉伸強度（等同上文“抗拉強度”的意義）的試驗方法對其進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3?？梢姡琓PU材質(zhì)的拉伸強度均優(yōu)于EVA材質(zhì)。

　?。?）壓潰破裂部位位于封邊的試樣，說明其封邊質(zhì)量存在問題，可以從上文分析的熱合工藝著手進(jìn)行改善。

總結(jié)

　　戶外飲水囊的應(yīng)用范圍日漸擴大，相應(yīng)的，質(zhì)量也參差不齊。目前，該領(lǐng)域缺乏一個完善的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對戶外飲水囊各項性能進(jìn)行控制。本文從密封性、耐壓性兩方面對當(dāng)前兩大類飲水囊——TPU飲水囊和EVA飲水囊進(jìn)行了測試并簡要分析了影響因素，希望對相關(guān)企業(yè)有所助益。

參考文獻(xiàn)

[1]詹中賢,赫軍令.熱塑性聚氨酯彈性體力學(xué)性能和結(jié)晶性能的研究[J].彈性體,2007,17(4):31-35.

[2]詹中賢,朱長春.影響熱塑性聚氨酯彈性體力學(xué)性能的因素[J].聚氨酯工業(yè),2005,20(1):17-20.

[3]韓海軍,丁雪佳,張麗娟.熱塑性聚氨酯彈性體力學(xué)性能和流變性能的研究[J].塑料工業(yè),2010,38(4):109-112.