Wstęp
Według szacunkowych danych z 2010 roku, każdy obywatel Unii Europejskiej wykorzystał średnio około 200 toreb wykonanych z tworzyw sztucznych, z czego 90% z nich stanowiły lekkie torby (o grubości poniżej 50 mikrometrów). Jako ich zalety dla użytkowników najczęściej wymienia się niską masę jednostkowej torby oraz stosunkowo wysoką wytrzymałość mechaniczną. Niestety ze względu na bardzo niską grubość, recykling lekkich toreb pozostaje właściwie na zerowym poziomie. Przyczyniają się one do zanieczyszczenia środowiska, w tym szczególnie niebezpiecznego zanieczyszczenia zbiorników i ekosystemów wodnych [1, 2].
Dane szacunkowe pokazują także, iż każdy obywatel Polski zużywa średnio około 466 toreb rocznie. Jest to o ponad 50% więcej, niż wynosi średnia europejska. Tak wysokie zużycie toreb foliowych dotyczy nie tylko Polski, w niechlubnym gronie są również takie kraje jak Portugalia czy Słowacja. Istnieją jednak również takie kraje europejskie jak chociażby Dania i Finlandia, w których zużycie jest bardzo niskie, poniżej 10 toreb na obywatela.
Komisja Europejska przewiduje ograniczenie zużycia toreb foliowych w kolejnych latach. W 2017 roku ma to być 90 toreb na mieszkańca, a 2025 roku już tylko 50 toreb. Instrumentami obniżającymi zużycie toreb mają być między innymi wprowadzenie odpłatności za torby w sklepach oraz kampania edukacyjna na rzecz zwiększenia ich powtórnego wykorzystania przy kolejnych zakupach.
Zalecenie dłuższego użytkowania toreb foliowych wymusza optymalizację parametrów wytrzymałościowych, zwiększenie ich trwałości i jakości. Aby spełnić te warunki, konieczne staje się sprawdzanie większej liczby istotnych parametrów w cyklu ich życia. Ważne jest zwiększenie nacisku na badania odzwierciedlające rzeczywiste narażenia, jakim poddawana jest torba po zapakowaniu do niej zakupionych produktów.
Specyfikacja techniczna materiału dla różnego typu toreb obok podstawowych parametrów takich jak: grubość folii, wymiary liniowe, wytrzymałość połączeń zgrzewanych, naprężenie zrywające, wydłużenie względne przy zerwaniu, wytrzymałość na rozdzieranie oraz skład surowca, z jakiego są wykonane, nie zawiera informacji dotyczących testów dynamicznych. W COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań do tej pory wykonywane były jedynie badania statyczne dla różnych rodzajów toreb. Metoda badania polega na doborze odpowiedniej masy obciążenia zastępczego do konkretnego typu torby i zawieszeniu torby za uchwyty na metalowym ramieniu na określony czas. Jako obciążenie zastępcze stosuje się najczęściej piasek. Wynik badania jest zero-jedynkowy: jeśli chociaż jedna z toreb ulegnie uszkodzeniu, wynik badania jest negatywny [3].
Opisane powyżej parametry charakteryzujące torebki foliowe nie do końca odzwierciedlają narażenia, jakim są one poddawane w cyklu ich życia (użytkowania). Test statyczny służy jedynie sprawdzeniu wytrzymałości uchwytów torby z obciążeniem zastępczym, nie uwzględnia natomiast obciążeń dynamicznych w czasie użytkowania. Trzeba brać pod uwagę fakt, iż torby wielokrotnego użytku (o grubości od 15 do 50 mikrometrów) w czasie całego użytkowania są wielokrotnie poddawane takim narażeniom. Dodatkowy czynnik, który ma wpływ na trwałość i wytrzymałość toreb, stanowią produkty o różnym kształcie z ostrymi krawędziami, mogącym zainicjować uszkodzenie folii torby.
Celem pracy było zbudowanie urządzenia do badań różnego typu toreb, worków oraz opakowań zbiorczych, odzwierciedlających obciążenia dynamiczne w warunkach ich użytkowania a konkretnie podnoszenie i opuszczanie. Urządzenie zbudowane jest na bazie siłownika pneumatycznego z elementem imitującym chwyt dłonią rączek torby. Pozwoli to na określenie ilości cykli podnoszenia i opuszczania, jakie wytrzyma badana torba z obciążeniem zastępczym.
Obok standardowych toreb z uchwytami w postaci rączek, będzie również istniała możliwość badania worków na odpady z taśmami ściągającymi o różnej pojemności: począwszy od 35 litrów, a skończywszy na 120 litrach. Przy użyciu tego urządzenia możliwe będzie sprawdzanie wytrzymałości dynamicznej różnego rodzaju innych opakowań posiadających uchwyt np. opakowań proszków do prania o różnej masie, opakowań z karmą dla zwierząt. Najczęściej opakowania te wykonywane są w postaci worków z fałdą boczną. Powyżej zgrzewu górnego (zamykającego) znajdują się wysztancowane zazwyczaj 3 otwory w kształcie koła, które służą jako uchwyt. Jako materiał opakowaniowy stosuje się zazwyczaj laminaty dwóch folii polietylenowych z nadrukiem międzywarstwowym. W przypadku takiego układu warstw wytrzymałość prawidłowo wysztancowanych uchwytów zwykle jest odpowiednia. Problemy z uchwytami występują częściej w przypadku użycia laminatów z udziałem folii orientowanych. Niski opór przedarcia połączony z niedokładnym wysztancowaniem otworów jest przyczyną powstawania uszkodzeń uchwytu toreb.
1. Metody badawcze oznaczenia wytrzymałości toreb/worków z uchwytem
1.1. Metody statyczne
Podstawową metodą stosowaną w Laboratorium Badań Materiałów i Opakowań Jednostkowych COBRO – Instytutu Badawczego Opakowań do określenia wytrzymałości toreb jest procedura PBw/DOJ/04.24. wyd. 1 Oznaczanie wytrzymałości torby przy statycznym obciążeniu [3]. Jest to metoda statyczna, polegająca na obciążeniu badanej torby obciążeniem zastępczym (piaskiem), a następnie zawieszeniu jej za uchwyty na metalowym ramieniu tak, aby dno nie miało kontaktu z podłożem. Najczęściej jest to około 30 cm nad powierzchnią podłoża. Czas badania zależy od masy zastosowanego obciążenia zastępczego i rodzaju torby. W przypadku toreb reklamówek T-shirt/white wykonanych zwykle z mieszaniny polietylenów (HD-PE i LLD-PE) z kilkuprocentowym dodatkiem wypełniacza mineralnego (węglan wapnia CaCO3), który jest jednocześnie środkiem antyblokingowym, najczęściej stosuje się obciążenia o masie 10 lub 15 kg. Czas badania dla podanych mas obciążenia wynosi odpowiednio 4 i 2 godziny. Im większa masa zastosowanego obciążenia zastępczego, tym krótszy czas badania. Badanie wykonuje się na trzech losowo wybranych torbach z dostarczonej do badań partii. Za wynik pozytywny uznaje się sytuację, gdy żadna z badanych toreb nie ulegnie uszkodzeniu, natomiast jeśli chociażby jedna ulegnie zerwaniu/uszkodzeniu lub wysypie się jej zawartość, wynik badania jest negatywny. Zdarzają się przypadki, gdy materiał uchwytów, z którego wykonana jest torba, ulega znacznemu wydłużeniu pod wpływem zastosowanego obciążenia, jednak nie następuje ich uszkodzenie. W takiej sytuacji wynik testu uznaje się za pozytywny [3].
Inną stosowaną metodą przeznaczoną wyłącznie do toreb rolowanych (tzw. zrywek – lekkie torby) jest metoda podobna do powyższej, różniąca się jednak w kilku podstawowych punktach. Torby zrywki wykonane są najczęściej polietylenu dużej gęstości (HD-PE) lub z mieszaniny tego polimeru z liniowym polietylenem małej gęstości (LLD-PE). Wykorzystuje się je najczęściej do pakowania produktów sprzedawanych na sztuki lub na wagę, do których należą głównie: świeże owoce, warzywa oraz pieczywo w działach sklepów wielkopowierzchniowych. Mają one za zadanie ułatwić ważenie i stanowią opakowanie dla produktów sprzedawanych luzem. Z tego też względu ich cechy fizykomechaniczne są inne niż w przypadku toreb na zakupy, tzw. kasowych. Ich wytrzymałość na obciążenia jest mniejsza (do 5 kg), powinna je cechować odpowiednia wytrzymałość na rozdzieranie oraz odporność na przebicie. Wynika to z faktu, iż w takie torby pakowane są różnorodne produkty, które mogą mieć ostre, wystające elementy. Grubość takich toreb jest zazwyczaj niższa niż toreb reklamówek kasowych typu T-shirt/white i wynosi poniżej 10 mikrometrów.
W przypadku tej metody stosuje się dwie różne masy obciążenia zastępczego, którym podobnie jak w p
rzypadku toreb T-shirt/white jest piasek. W zależności od tego, czy badane są dwa uchwyty/rączki jednocześnie, czy każdy oddzielnie, stosuje się inne obciążenie. Jeżeli badana jest wytrzymałość dwóch uchwytów jednocześnie, torba obciążana jest 5 kg piasku, zawieszana na metalowym ramieniu na czas 15 minut. Natomiast gdy badane są pojedyncze uchwyty, torba zawieszana jest na jednym uchwycie na czas 15 minut przy obciążeniu 3 kg – jeśli uchwyt nie ulegnie zerwaniu, przy tych samych parametrach badany jest drugi z uchwytów. Badania wykonywane są na 5 losowo pobranych torbach z dostarczonych próbek dla każdej masy zastosowanego obciążenia. Za wynik negatywny uznaje się uszkodzenie co najmniej jednego uchwytu torby lub wysypanie obciążenia zastępczego. Jeśli żadna z badanych toreb nie uległa uszkodzeniu, wynik jest pozytywny [4].
Powyższa metoda znajduje odzwierciedlenie w rzeczywistych warunkach użytkowania toreb typu zrywki. W praktyce bardzo często zdarza się, że użytkownicy tego typu toreb, chcąc coś zapakować, muszą tą czynność wykonywać w powietrzu – bez kontaktu torby z podłożem. Wówczas jedną ręką trzymany jest uchwyt torby, natomiast drugą ręką pakowany jest produkt. W takim przypadku całe obciążenie przenoszone jest przez jeden uchwyt, dlatego zasadne staje się sprawdzanie wytrzymałości pojedynczego uchwytu również pod pełnym obciążeniem 5 kg.
1.2. Metody badania wytrzymałości dynamicznej
Metodę oceny wytrzymałości dynamicznej opakowań obecnie stosuje się wyłącznie do badań worków na odpady z taśmą ściągającą. Obciążeniem zastępczym w przypadku opisywanej metody są worki jutowe wypełnione granulatem z LD-PE o masie 0,5 kg każdy. Masa zastosowanego obciążenia zastępczego jest uzależniona od pojemności badanego worka. Dla worków o pojemności 35 litrów masa stosowanego obciążenia zastępczego w postaci worków jutowych wynosi 5 kg, dla 60-litrowych – 8 kg, a dla 120-litrowych – 12 kg.
Procedura badawcza w przypadku tej metody składa się z dwóch etapów. Pierwszy z nich polega na tym, że do jednego worka, losowo pobranego z rolki zbiorczej, wkładane są worki jutowe o odpowiedniej masie. Przed włożeniem obciążenia zastępczego badany worek musi mieć kontakt z płaskim podłożem, tak aby w miarę wkładania kolejnych worków jutowych nie obciążać materiału worka. Następnie tak wypełniony otwarty worek chwytany jest rękoma na środku szerokości (w miejscu, gdzie znajduje się otwór do wyjęcia taśmy ściągającej) i podnoszony do góry przez osobę wykonującą badanie. Wynik testu jest pozytywny wówczas, gdy nie nastąpi uszkodzenie folii lub powstały otwór w materiale worka ma średnicę mniejszą niż 4 cm.
Drugi etap badania wykonywany jest na tym samym worku co pierwsza faza badania. Różnica polega na tym, że wszystkie operacje skupiają są na taśmie ściągającej badanego worka. Podnoszenie worka odbywa się w sumie 4 razy, z czego 2 pierwsze podnoszenia odbywają się, gdy taśma ściągająca nie jest zawiązana, a kolejne 2 przy już zawiązanej taśmie ściągającej. Za wynik pozytywny przyjmuje się rezultat, kiedy brak uszkodzenia worka lub powstały otwór w materiale worka ma średnicę nie większą niż 4 cm.
Jako ostateczny wynik badania zastosowanej metody badawczej uznaje się sytuację, kiedy w dwóch etapach otrzymano wyniki pozytywne [5].
Kolejna metoda badawcza stosowana w przypadku worków na odpady opisana jest w normie PN-EN 13592 Opakowania – Worki z tworzyw sztucznych na odpady z gospodarstwa domowego – Typy, wymagania i metody badań [6]. Jedną z metod opisywanych w powyższej normie jest wytrzymałość na spadki dla worków na odpady z taśmą ściągającą. Badania wykonuje się na urządzeniu zaopatrzonym w zapadkową płaską płytę o gładkiej powierzchni umieszczonej na wysokości 120 +/- 10 cm od płaskiego podłoża. Badane próbki zawieszane są na haku o znormalizowanych wymiarach, zainstalowanego do górnej części urządzenia (rys. 1A.). Jako obciążenie zastępcze w badanych workach z taśmą stosuje się worki jutowe lub bawełniane wypełnione granulatem polietylenowym (LD-PE) o znormalizowanych wymiarach. Masa jednego tak przygotowanego worka wynosi 500 +/- 10 g. Masa zastosowanego obciążenia zastępczego do badań worków w przypadku tego testu uzależniona jest od wymiarów badanego worka. Decydują one również o ilości badanych worków. W tab. 1. przedstawiono zależności zastosowanej masy obciążenia od wymiarów badanego worka.
Jako wynik pozytywny dla pojedynczego worka norma przewiduje tylko jedną sytuację. Worek z obciążeniem zastępczym po zwolnieniu płyty poziomej urządzenia nie ulega uszkodzeniu (rys. 1B.). Worek wisi na haku bez jakichkolwiek uszkodzeń zarówno taśmy ściągającej, jak i materiału worka na całej powierzchni.
W przypadku wyniku negatywnego w normie przewidywane są 3 konkretne sytuacje. Pierwszą możliwość stanowi zerwanie taśmy ściągającej na łączeniu z materiałem worka. Taśma ściągająca pozostaje zawieszona na haku, natomiast worek z obciążeniem zastępczym spada na podłoże (rys. 2A.). W przypadku drugiej sytuacji po zwolnieniu płyty poziomej urządzenia następuje zerwanie materiału taśm w miejscu jej kontaktu z metalowym hakiem urządzenia (rys. 2B.). Ostatnia możliwość to zerwanie tylko jednej z dwóch taśm ściągających badanego worka bez uszkodzenia jego materiału i kontaktu z podłożem (rys. 2C.) [6].
2. Charakterystyka urządzenia oraz metody badawczej do toreb z uchwytem w warunkach użytkowania
Urządzenie do badania toreb z uchwytem w warunkach ich użytkowania składa się z dwóch elementów. Jest to siłownik pneumatyczny oraz uchwyt wykonany z drutu metalowego, zamocowany do tłoczyska siłownika za pomocą nakrętek. Tak zmontowany układ przymocowany jest do stabilnego sztywnego metalowego elementu za pomocą ruchomego ramienia połączonego z górną częścią siłownika. Wysokość, na której występuje połączenie siłownika ze stabilnym metalowym elementem, wynosi około 1,8 m od podłoża. Podłoże jest płaskie oraz gładkie, aby kontakt badanej torby z podłożem nie powodował przypadkowych uszkodzeń. Jako obciążenie zastępcze stosowano piasek, odważony na wadze technicznej, a następnie aplikowany do badanych toreb.
Do zoptymalizowania metodyki badań wybrano próbki najczęściej są badane w Laboratorium Badań Materiałów i Opakowań Jednostkowych, o różnych wartościach kluczowych parametrów fizyko-mechanicznych folii. Do najważniejszych parametrów należą grubość folii oraz wytrzymałość połączeń zgrzewanych. Ponadto badane pary próbek tego samego typu dobrano w taki sposób, aby jedne były zgodne, a drugie niezgodne ze specyfikacją techniczną produktu.
Wstępne badania prowadzono na próbkach charakteryzujących się niższymi wartościami kluczowych parametrów fizyko-mechanicznych (niezgodnymi ze specyfikacją produktu). Sprawdzano, przy jakiej masie obciążenia występowało uszkodzenie toreb, przy równoczesnym uwzględnieniu liczby cykli. Następnie porównywano uzyskane wyniki z próbkami charakteryzującymi się zgodnymi z wymaganiami właściwościami fizyko-mechanicznymi, rejestrując masę oraz ilość cykli, przy których następuje uszkodzenie torby. Maksymalna stosowana ilość cykli góra – dół (podnoszenie – opuszczanie) wynosiła 50. Jeżeli dla 5 toreb przy danej zastosowanej masie obciążenia zastępczego i 50 cyklach nie występowało uszkodzenie, zwiększano masę o dodatkowy 1 kg obciążenia zastępczego do momentu wystąpienia uszkodzenia.
Przed przystąpieniem do badań wytypowanych próbek na urządzeniu odzwierciedlającym warunki użytkowania, wykonano pełną charakterystykę istotnych parametrów dotyczących właściwości fizyko-mechanicznych materiałów, z jakich wykonane są torby.
3. Charakterystyka badanych próbek
Do badań wytypowano 4 różne torby wykonane z mieszaniny polietylenów. Składają się z 2 uchwytów w postaci zgrzewów 4 folii, jednego połąc
zenia zgrzewalnego w dnie torby składającego się z połączenia 2 folii na środku torby oraz 4 folii dna zorientowanych po bokach zgrzewu dolnego.
Próbka 1 (tab. 2.) – torby reklamówki typu T-shirt/white koloru białego z nadrukiem w środkowej części torby. Torby sklepowe z przeznaczeniem do pakowania zakupów. Producent oznakowany jako K1. Torby niezgodne ze specyfikacją materiałową. Problematyczne parametry: grubość folii, z której wykonane są torby.
Próbka 2 (tab. 3.) – torby reklamówki typu T-shirt/white koloru białego z nadrukiem w środkowej części torby. Torby sklepowe z przeznaczeniem do pakowania zakupów. Mogą być stosowane wielokrotnie. Producent oznakowany jako K1. Są to takie same torby jak w przypadku próbki 1, różnicę stanowi zgodność ze specyfikacja produktową.
Próbka 3 (tab. 4.) – torby reklamówki typu T-shirt/white koloru białego bez nadruku. Torby sklepowe z przeznaczeniem do pakowania zakupów. Producent oznakowany jako K1. Torby niezgodne ze specyfikacja materiałową. Problematyczne parametry: grubość folii, wytrzymałość folii oraz połączeń zgrzewanych, wytrzymałość na rozdzieranie folii, z której wykonane są torby.
Próbka 4 (tab. 5.) – torby reklamówki typu T-shirt/white koloru białego z nadrukiem w środkowej części torby. Torby sklepowe z przeznaczeniem do pakowania zakupów. Mogą być stosowane wielokrotnie. Producent oznakowany jako K2. Takie same torby jak w przypadku próbki 3, jednak zgodne ze specyfikacją materiałową.
4. Wyniki badań
Wyniki badań przedstawiono w postaci tab. 6. i 7., w których porównano je parami dla próbek 1 i 2 oraz próbek 3 i 4. Dla każdej próbki badano po 5 toreb, przy konkretnym obciążeniu. Badanie rozpoczęto dla obciążenia 10 kg, stopniowo zwiększając ciężar o 1 kg po każdych 50 cyklach z wynikiem pozytywnym. Jest to taka sama masa jak w przypadku masy zastosowanej przy próbie statycznej.
Z przeprowadzonych badań dla próbek 1 i 2 wynika, iż dopiero zastosowanie obciążenia zastępczego o masie 14 kg powoduje powstawanie uszkodzeń badanych toreb. Przy masach od 10 do 13 kg i 50 cyklach wykonywanych dla 5 losowo pobranych toreb uszkodzenia nie wystąpiły. Różnica w grubościach oraz wytrzymałościowych połączeń zgrzewalnych uwidoczniła dla próbki 2 większą wytrzymałość w badaniach dynamicznych. Obraz uszkodzeń dla obu próbek był podobny, z tą różnicą że dla próbki 1 częściej ulegała uszkodzeniu folia tylko po jednej stronie torby w porównaniu z próbką 2, gdzie ulegała uszkodzeniu folia poniżej połączenia zgrzewanego oraz zerwanie folii połączenia zgrzewanego (rys. 3. i 4.). Może to wynikać z faktu, że próbka 1 cechuje się różną wytrzymałością połączeń zgrzewanych w zależności od strony uchwytu.
W przypadku próbek 3 i 4 dopiero zastosowanie masy obciążenia równej 18 kg uwidoczniło niewielką różnicę w ilości cykli bez uszkodzeń torby. Może to wynikać z faktu, iż różnica parametrów takich jak grubość oraz wytrzymałość połączenia zgrzewanego dla 4 folii uchwytu między próbami jest mniejsza niż dla próbek 1 i 2.
Podsumowanie i wnioski
Stworzona metoda badania toreb z uchwytem na specjalnie zbudowanym do tego celu urządzeniu pozwala na wychwycenie różnic w uzyskanych wynikach dla próbek, których kluczowe parametry wykazywały różnice. Ponadto pozwala wychwytywać różnice w wytrzymałości połączeń zgrzewalnych uchwytów toreb w zależności od strony.
Na podstawie opracowanego badania dynamicznego, nie mając danych dotyczących podstawowych właściwości fizyko-mechanicznych, można stwierdzić różnice w próbkach tego samego typu odnośnie potencjalnie odmiennych wartości wydłużenia względnego przy zerwaniu, wytrzymałości połączeń zgrzewalnych czy nawet wytrzymałości na rozdzieranie dla folii torby.
Sama obserwacja zachowania próbek w trakcie badania również daje wiele cennych informacji. Chodzi tu głównie o znaczne wydłużenie uchwytów w trakcie badania, które może powodować w rzeczywistym użytkowaniu brak możliwość powtórnego wykorzystania torby. W takiej jednak sytuacji wskazany byłby odbiór danej torby przez sieć sklepową w zamian za nową. Praktyka taka pozwoliłaby na zwiększenie selektywnej zbiorki takich materiałów, która pozostaje niestety na bardzo niskim poziomie.
Literatura
[1] Żakowska H. 2014. Nowa dyrektywa dotycząca cienkich tworzywowych toreb handlowych wprowadzi zmiany dyrektywy 94/62/WE. „Opakowanie” nr 6. s. 76-80.
[2] Żakowska H. 2015. Prawne ograniczenia w zużyciu lekkich toreb handlowych z tworzyw polimerowych w Unii Europejskiej. „Opakowanie” nr 11. s. 69-71
[3] Procedura PBw/DOJ/04.24 Oznaczenie wytrzymałości toreb po napełnieniu produktem zastępczym. Warszawa: COBRO.
[4] Metodyka Producenta toreb, numer raportu DOJ-531-430/14.
[5] Metodyka Producenta worków, numer raportu DOJ-531-253/12.
[6] Norma PN-EN 13592 Opakowania – Worki z tworzyw sztucznych na odpady z gospodarstwa domowego – Typy, wymagania i metody badań.
