Wprowadzenie
W wielu przypadkach opakowania wykonane z tektur falistych są w trakcie użytkowania obciążane w taki sposób, że tektura jest ściskana siłami działającymi w jej płaszczyźnie. Wytrzymałość tektury na takie obciążenia można wyznaczyć w próbie zgniatania kolumnowego. Ze względu na ułożenie wykrojów w stosunku do głównych kierunków w płaszczyźnie tektury, istotne znaczenie ma wytrzymałość tektury na zgniatanie w kierunkach głównych, tzn. dla typowych tektur w kierunku maszynowym MD i poprzecznym CD. Do tego typu badań najczęściej wykorzystuje się próbki o kształcie prostokątów, których boki są równoległe do kierunków głównych w płaszczyźnie tektury. Jednakże samo badanie może być przeprowadzane w różny sposób, tzn. do pomiarów mogą być użyte próbki o różnych wymiarach, proporcjach i długości boków.
Dawniej stosowany sposób badania odporności tektur falistych na ściskanie, opisany w normie PN-P-50070:1975, przewiduje badanie próbek umieszczanych w przyrządzie w sposób pokazany na rys. 1.
Zgodnie z wyżej wymienioną normą, oznaczenie odporności na zginanie kolumnowe polega na określeniu siły działającej równolegle do warstw płaskich tektury falistej, która powoduje jej załamanie. Próbki o wymiarach 101,6×63,5 mm, po uprzednim klimatyzowaniu, mocuje się w sposób pokazany na rys. 1 tak, że krótszy bok skierowany jest prostopadle do podstawy urządzenia. Badania dokonuje się przykładając obciążenie w dwóch kierunkach (maszynowym i poprzecznym), a wynik podaje jako wartość średnią pomiarów w obu kierunkach.
Obecnie najpopularniejszym rodzajem pomiaru odporności tektur falistych na zgniatanie jest tak zwany. pomiar odporności na zgniatanie krawędziowe ECT. Zgodnie z normą PN-EN ISO 3037:2007-03, próbka jest ściskana pomiędzy dwiema płaskimi równoległymi płytami, a obciążenie jest przyłożone w kierunku CD (rys. 2).
Próbka w postaci prostokąta o wymiarach 100×25 mm jest obciążana siłami przyłożonymi do dłuższych krawędzi, które są prostopadłe do grzbietów fal. W ten sposób określana jest odporność tektury na ściskanie w kierunku CD, w którym najczęściej przenoszone są obciążenia podczas zgniatania najpopularniejszych opakowań takich jak np. pudła klapowe. Aby uzyskać poprawny wynik oznaczenia, bardzo ważne jest zachowanie równoległości krawędzi, do których przykładane jest obciążenie. Z tego powodu próbki są wycinane za pomocą przyrządów, a w przypadkach, gdy są wycinane ręcznie, nierównomierność obciążenia będąca następstwem nierównego kształtu krawędzi może spowodować spadek wyniku pomiaru ECT nawet o 25% wartości rzeczywistej. Powodami popularności tej metody badania tektur falistych są łatwość wykonania pomiaru ECT oraz powtarzalność wyników. Ze względu na małą wysokość próbki stosowanej do badań, w praktyce nie ulega ona wyboczeniu globalnemu.
W zależności od wymiarów badanych próbek, właściwości materiałów użytych do produkcji tektury oraz parametrów jej przekroju poprzecznego utrata nośności badanej tektury może nastąpić na skutek wyboczenia globalnego, wyboczenia lokalnego lub zgniecenia. Zagadnienie to w odniesieniu do tektur trójwarstwowych zostało opisane w [1]. W przypadku fal o dużych podziałkach i wysokościach bardzo prawdopodobną przyczyną utraty nośności jest wyboczenie lokalne, występujące najczęściej w warstwach pokryciowych. Próbki o dużych wysokościach w stosunku do grubości tektury ulegają najczęściej wyboczeniu globalnemu. Jeżeli próbki mają małą wysokość, tak jak w przypadku próby ECT, to najbardziej prawdopodobną przyczyną zniszczenia tektury jest przekroczenie obciążenia na ściskanie materiału, z którego została ona wykonana.
Wskaźnik ECT jest używany do obliczania nośności opakowań, w szczególności pudeł poddanych działaniu obciążeń ściskających, czego najlepszym przykładem są wzory Mc’Kee [2]. Zastosowanie tego wskaźnika jest jednak ograniczone, nie tylko ze względu na określony kierunek działania obciążenia. Zarówno krótka, jak i długa formuła Mc’Kee może być stosowana do obliczania odporności na zgniatanie pudel o określonych proporcjach i nie daje dobrych wyników np. w przypadku pudeł o dużej wysokości w porównaniu do wymiarów podstawy.
Metodyka badań
Aby określić, jak w przypadku tektur falistych o dużej liczbie warstw zmiany wysokości ściskanych kolumnowo płyt tektury wpływają na ich nośność, przeprowadzono badania tektur sześciowarstwowych powstałych przez sklejenie ze sobą tektur trójwarstwowych w ten sposób, że utworzono dwa rodzaje tektur: jedna z falami równoległymi (oznaczona jako TR6), druga z falami skrzyżowanymi (oznaczona jako TS6). Parametry geometryczne przekrojów tektury trójwarstwowej oraz właściwości mechaniczne (moduł Younga E) i odporność na zgniatanie przy
krótkim wpięciu SCT jej warstw przedstawiono w tab. 1.
Pomiary wykonano na próbkach o czterech różnych wysokościach: 25 mm, 100 mm, 200 mm oraz 400 mm. Tektura z falami równoległymi została zbadana w kierunkach maszynowym i poprzecznym.
Próbki o wysokości 25 mm były wycinane za pomocą przyrządu używanego do przygotowywania próbek do pomiaru ECT, składającego się z dwóch pił tarczowych, a pozostałe próbki wycinano ręcznie.
Aby zmniejszyć wpływ zamocowania tektury w przyrządzie pomiarowym na powtarzalność wyników badań, zastosowano uchwyty w postaci obrotowo zamocowanych walców z wyciętymi szczelinami, które stwarzały warunki zamocowania zbliżone do zamocowania przegubowego (rys. 3).
Wartości teoretyczne nośności poszczególnych próbek wyliczono na podstawie właściwości mechanicznych materiałów użytych do produkcji tektur oraz parametrów geometrycznych ich przekrojów. Do obliczeń zastosowano metodykę opisaną w pozycji literatury [1], adaptując ją do potrzeb tektur sześciowarstwowych. Metodyka ta w przypadku, gdy o nośności ściskanej tektury decyduje wyboczenie lokalne lub przekroczenie wytrzymałości na ściskanie którejś z warstw, pozwala na określenie przedziału, w jakim znajduje się wartość rzeczywista. Jeżeli o nośności ściskanej tektury decyduje wyboczenie globalne, możliwe jest wyliczenie wartości poszukiwanej odporności na ściskanie kolumnowe.
W przypadku tektur z falami skrzyżowanymi oraz tektur z falami równoległymi obciążanych w kierunku MD rozpatrzono dodatkowo możliwość wyboczenia lokalnego warstw płaskich na końcach próbki zakładając, że mogą one przyjąć postać belek podlegających wyboczeniu (rys. 4), dla których siłę krytyczną przy wyboczeniu Pkr można wyliczyć z zależności
gdzie:
E – moduł Younga materiału rozpatrywanej warstwy płaskiej w kierunku działania obciążenia ściskającego,
J – moment bezwładności przekroju rozpatrywanej warstwy płaskiej,
l – wysokość ściskanego odcinka warstwy płaskiej (rys. 4),
µ – współczynnik wysokości wyboczeniowej.
Przy obliczaniu minimalnej wartości Pkr przyjmowano µ = 4, a przy obliczaniu wartości maksymalnej µ = 0,25 [3].

Wyniki badań
Porównanie wyników pomiarów i obliczeń odporności na zgniatanie kolumnowe uzyskanych dla próbek o wysokości 25 mm przedstawiono na rys. 5.
We wszystkich zbadanych przypadkach wartości zmierzone są zbliżone do wartości minimalnej obliczonej teoretycznie. W przypadku tektury z falą skrzyżowaną wartość rzeczywista jest nieco mniejsza od wyliczonej teoretycznie wartości minimalnej. Można to wytłumaczyć tak, że obciążenie na krawędziach grubych sześciowarstwowych tektur może znacznie odbiegać od równomiernego, założonego w teoretycznych obliczeniach, co zaniża wartości sił przenoszonych w praktyce.
Powodem utraty nośności próbek o wysokości 25 mm zarówno dla tektury z falami skrzyżowanymi, jak i tektury z falami równoległymi było wyboczenie lokalne warstwy pokryciowej. Potwierdzają to widoczne na zgniecionych próbkach ślady zniszczeń (rys
. 6).
Porównanie wyników pomiarów i obliczeń odporności na zgniatanie kolumnowe uzyskanych dla próbek o wysokości 100 mm przedstawiono na rys. 7.
Podobnie jak w przypadku próbek o wysokości 25 mm, wyniki pomiarów są zbliżone do minimalnych wartości wyliczonych na drodze teoretycznej, a w przypadkach, gdy wartość rzeczywista jest mniejsza od wyliczonej teoretycznie, może to wynikać z nierównomiernego rozkładu obciążenia krawędzi tektur. W przypadku próbek o wysokości 100 mm zjawisko to może być spotęgowane nierównością krawędzi spowodowaną ręcznym ich wycinaniem.
Powodem utraty nośności próbek o wysokości 100 mm zarówno dla tektury z falami skrzyżowanymi, jak i tektury z falami równoległymi było wyboczenie lokalne warstwy pokryciowej. Potwierdzają to widoczne na zgniecionych próbkach ślady zniszczeń (rys. 8).
Porównanie wyników pomiarów i obliczeń odporności na zgniatanie kolumnowe uzyskanych dla próbek o wysokości 200 mm przedstawiono na rys. 9.
Powodem utraty nośności próbek o wysokości 200 mm zarówno dla tektury z falami skrzyżowanymi, jak i tektury z falami równoległymi w kierunku CD było wyboczenie globalne. W przypadku tektury z falami równoległymi w kierunku MD dolna granica odporności na zgniatanie kolumnowe została wyznaczona przez wyboczenie lokalne, a górna przez wyboczenie globalne. Potwierdzają to widoczne na zgniecionych próbkach ślady zniszczeń (rys. 10a) oraz sposób odkształcania próbki podczas zgniatania (rys. 10b).
Porównanie wyników pomiarów i obliczeń odporności na zgniatanie kolumnowe uzyskanych dla próbek o wysokości 400 mm przedstawiono na rys. 11.
Powodem dużej rozbieżności pomiędzy wynikami pomiarów i obliczeń w przypadku tektury z falami skrzyżowanymi było wstępne wygięcie próbek, wywołane różnym skurczem warstw po kaszerowaniu (rys. 12a). Przy próbkach o dużej wysokości całkowite wyeliminowanie ich wygięcia nie było możliwe.
Powodem utraty nośności próbek o wysokości 400 mm – zarówno dla tektury z falami skrzyżowanymi, jak i tektury z falami równoległymi – było wyboczenie globalne. Potwierdza to kształt próbki uzyskiwany w próbie zgniatania kolumnowego (rys. 12b).
Wnioski
Podczas zgniatania kolumnowego próbek o dużych wysokościach tektury sześciowarstwowe, podobnie jak opisane w literaturze cieńsze tektury trójwarstwowe, tracą nośność wskutek wyboczenia globalnego. Próbki o małych wysokościach ulegają zniszczeniu wskutek zgniecenia lub wyboczenia lokalnego warstw.
W większości przypadków wartości zmierzone są zbliżone, a niekiedy nawet nieco niższe od dolnego oszacowania uzyskanego na drodze teoretycznej. Jest to związane z nierównomiernością obciążenia przyłożonego do krawędzi zgniatanych próbek, co wynika z dużej liczby warstw i grubości tektury, a w przypadku próbek wycinanych ręcznie z niedokładności kształtu obciążanych krawędzi.
Podczas zgniatania kolumnowego tektury w kierunku prostopadłym do grzbietów fal krawędzie, do których przykładane jest obciążenie, mogą się znaleźć w różnych miejscach na długości podziałki fali. Powoduje to, że nie można zachować jednakowych warunków pomiaru dla poszczególnych próbek, a tym samym prowadzi do spadku odporności próbek na zgniatanie kolumnowe i znacznych rozrzutów wyników. Z tego powodu próba zgniatania kolumnowego, a w szczególności próba ECT nie jest najlepszym wskaźnikiem do porównywania właściwości tektur z falami równoległymi i tektur z falami skrzyżowanymi, pomimo że ECT jest powszechnie stosowanym wskaźnikiem przy ocenie tektur trójwarstwowych.
Literatura
[1] W. Szewczyk: Odporność tektury falistej na zgniatanie kolumnowe; Przegląd Papierniczy 1/2008
[2] Mc’Kee R. C., Ganger J. W., Watchuta J. R.: Compression Strength Formula for Corrugated Boxes; Paperboard Packaging, 1963
[3] R. Kurowski, M. E. Niezgodziński: Wytrzymałość materiałów, 1970
