Wprowadzenie
Tektura falista wytworzona w wyniku sklejenia ze sobą płaskich i pofalowanych warstw papierów lub tektur litych stanowi wyrób o szczególnych właściwościach mechanicznych, które w dużym stopniu zależą od parametrów geometrycznych fal. Dobrze znane i sprawdzone w zastosowaniach praktycznych są powszechnie produkowane tektury np. z falami B i C. Znacznie mniej informacji można znaleźć na temat tektur z bardzo dużymi falami. Na rys. 1 przedstawiono trzy tektury faliste – jedna z nich posiada standardową falę B, druga C, a trzecia bardzo wysoką falę o wysokości ok. 9 mm.
W literaturze fachowej można spotkać różne oznaczenia poszczególnych rodzajów fal – szczególnie nietypowych. Jeden z przykładów oznaczeń tektur falistych podano w tab. 1.
Oznaczenia literowe przypisane poszczególnym falom służą ogólnemu ich rozróżnianiu i nie określają w sposób ścisły ich parametrów, a wskazują przedziały, w których powinny się one znaleźć. W wielu przypadkach spotykanych w literaturze przedziały parametrów podane dla różnych rodzajów fal zazębiają się, czego przykładem mogą być fale N oraz G z tab. 1. Z tego powodu najlepszym sposobem opisania fali jest podanie jej parametrów.
W niniejszym artykule szczególną uwagę poświęcono tekturom z bardzo wysokimi falami, które – jak łatwo się domyślić – posiadają odmienne właściwości mechaniczne od typowych, powszechnie stosowanych fal. Według różnych standardów [1, 3] fale takie oznaczane są różnymi symbolami. Na potrzeby niniejszego opracowania tektury z wysokimi falami określono jako falę D – należy jednak zauważyć, że na przykład według amerykańskich standardów tektury z falami D są tekturami o średniej wysokości fali [2, 6].
Metodyka badań
Badaniom poddano 11 różnych tektur falistych. Aby przeanalizować wpływ parametrów geometrycznych fali na właściwości mechaniczne tektur falistych, pomiary wykonano przy użyciu tektur z trzema falami o różnych parametrach, których warstwy składowe były wykonane z takich samych papierów. Próbki z falami B i C wytworzone były w tekturnicach.
Próbki tektury z falą bardzo wysoką, określaną dalej jako D, przygotowano za pomocą specjalnie zaprojektowanego przyrządu składającego się z dwóch płaskowników z odpowiednio nawierconymi przelotowo otworami, w których umieszczano aluminiowe pręty (rys. 2).
Do umieszczonego pomiędzy prętami papieru, tworzącego pofalowaną warstwę tektury, z obu stron doklejano warstwy płaskie.
Podstawowe parametry fizyczne zbadanych tektur przedstawione są w tab. 2.
Wskaźniki wytrzymałościowe tektur oznaczone w ramach badań to: odporność na zgniatanie płaskie FCT, odporność na zgniatanie krawędziowe ECT i sztywność zginania w kierunku maszynowym BSMD.
Pomiar sztywności zginania przeprowadzono zgodnie z normą PN-ISO 5628 przy zastosowaniu metody czteropunktowej, stosując próbki o wymiarach 400x100 mm.
Do badania odporności na zgniatanie płaskie zastosowano metodykę opisaną w normie PN-EN 23035:1999. Badaniu poddano próbki w kształcie koła o powierzchni 50 cm2, które zgniatano pomiędzy dwiema płaskimi i równoległymi płytami.
Pomiary odporności na zgniatanie krawędziowe zostały przeprowadzone zgodnie z normą PN-EN ISO 3037:2007-03, przy
użyciu próbek o wymiarach 100x25 mm i przyrządu pokazanego na rys. 3.
Wartości teoretyczne BS, FCT i ECT poszczególnych próbek wyliczono na podstawie właściwości mechanicznych materiałów użytych do produkcji tektur oraz parametrów geometrycznych ich przekrojów.
W tym celu oznaczono moduł Younga E oraz odporność na zgniatanie przy krótkim wpięciu SCT papierów użytych na poszczególne warstwy składowe tektur.
Sztywność zginania w kierunku maszynowym obliczano z zależności (1)
BS = E1Md • I1 + E3Md • I3 (1)
gdzie:
E1Md , E3Md – moduły Younga warstw płaskich w kierunku maszynowym,
I1, I3 – momenty bezwładności przekrojów warstw płaskich tektury względem osi obojętnej tektury przy zginaniu.
Do obliczenia teoretycznych wartości odporności tektur na zgniatanie płaskie wykorzystano metodykę opisaną w pozycji literatury [4].
Do obliczeń teoretycznych wartości ECT zastosowano metodę oszacowania wartości zgniatania krawędziowego z góry (ECTmax) i z dołu (ECTmin) opisaną szerzej w pozycji literatury [5] oraz zależności (2, 3, 4), w których wykorzystywane są wyniki pomiarów odporności na ściskanie przy krótkim wpięciu, (SCT) poszczególnych warstw składowych danej tektury, współczynnik pofalowania oraz empirycznie dobierane współczynniki korelacyjne.
ECT1 = k • (SCT1 + l • SCT2 + SCT3) (2)
ECT2 = 0,45 • (SCT1 + l • SCT2 + SCT3) + 1,73 (3)
ECT3 = 0,53 • (SCT1 + l • SCT2 + SCT3) + 1,49 (4)
Wyniki badań
Sztywność zginania
Zmierzone i obliczone wartości sztywności zginania przedstawiono na rys. 4.
Jak widać na wykresie, wartości uzyskane na drodze pomiarów są podobne do wartości obliczonych teoretycznie, co pozwala łatwo wytłumaczyć zarówno zmiany sztywności zginania związane ze zmianą parametrów geometrycznych przekroju tektury, jak i zmiany spowodowane przez różnice związane z gramaturami warstw płaskich. Obserwując zmiany BS tektur z taką samą falą można zauważyć, że wraz ze wzrostem gramatury warstw pokryciowych rośnie sztywność zginania. Wzrost sztywności zginania w funkcji grubości (rodzaj fali) jest znacznie wyraźniejszy, co łatwo wytłumaczyć wzrostem momentu bezwładności przekroju, który jest w przybliżeniu proporcjonalny do trzeciej potęgi grubości tektury.
Pomimo że tektura z falą D ma bardzo dużą sztywność zginania, która jest określana w zakresie odkształceń „sprężystych” (rys. 5a), to moment potrzebny do jej złamania przy zginaniu w kierunku maszynowym jest bardzo mały. Jest to związane z dużą podziałką, która powoduje, że odcinek warstwy pokryciowej pomiędzy liniami sklejenia z sąsiednimi wierzchołkami fal jest znacznie dłuższy, przez co łatwiej ulega ona złamaniu (rys. 5b).
Analizę zmian wartości momentu powodującego złamanie oraz sztywności zginania, w zależności od grubości tektury, można przeprowadzić porównując wykresy zginania tektury pięciowarstwowej oraz trójwarstwowej z falą D i trójwarstwowej z falą C (rys. 6), wykonane przy takim samym rozstawie podpór.
Sztywność zginania jest zależna od pierwszej, prostoliniowej części wykresu, na podstawie której określa się stosunek wartości przyrostu obciążenia do przyrostu ugięcia, które jak widać są w przedstawionym przypadku podobne dla tektury pięciowarstwowej i trójwarstwowej z falą D, a jednocześnie są większe niż dla tektury trójwarstwowej.
Natomiast wartość momentu powodującego złamanie zależy od maksymalnej siły przeniesionej przez próbkę w próbie zginania prowadzonej aż do zniszczenia tektury. Jak widać na wykresach (rys. 6), tektura z falą D wykazuje najniższą wartość siły powodującej złamanie podczas zginania.
Zgniatanie płaskie
Wyniki pomiarów i obliczeń FCT poszczególnych badanych tektur przedstawiono na rys. 7.
Wyniki przedstawione na wykresie pokazują, że wartości policzone teoretycznie są zbliżone do wartości uzyskanych podczas pomiarów laboratoryjnych. Bardzo duży wpływ na wartość FCT mają parametry fali. Wraz ze wzrostem wartości wysokości i podziałki fali spada odporność tektury na zgniatanie płaskie (rys. 8).
Odwrotnie jest w przypadku gramatury warstwy pofalowanej, której wzrost powoduje zwiększenie FCT.
Ze względu na dużą różnicę parametrów geometrycznych fali D i pozostałych dwóch fal, wartości FCT tektur z falą D są znacznie niższe niż wartości FCT pozostałych tektur. Jednak jak widać na wykresie rys. 8, podczas zgniatania tektury z falą D doznają znacznie większych odkształceń niż tektury z małymi falami.
Powoduje to, że praca wykonywana przez siły zgniatające jest duża i w efekcie tektura z falą D ma dobre właściwości amortyzacyjne. Na obu wykresach pokazanych na rys. 9 zauważyć można ekstrema lokalne, oznaczone numerami 1, 2, 3, odpowiadające poszczególnym fazom zgniatania tektur z nieuszkodzonymi falami, których ścianki początkowo prostują się, następnie ustawiają prostopadle do warstw płaskich i na koniec ulegają załamaniu.
Zgniatanie krawędziowe
Z porównania zmierzonych i obliczonych wartości odporności na zgniatanie krawędziowe próbek tektury wynika, że w zależności od wielkości fal różne metody obliczeń dają dobre wyniki dla różnych fal o różnej wielkości. Ilustrują to wykresy pokazane na rys. 10.
Metoda analityczna pozwala na dobre określenie przedziału, w którym znajdują się wartości ECT typowych tektur z falami B oraz C. Natomiast dla tektur z falami D lepsze wyniki dają zależności empiryczne. Może to być spowodowane wykonywaniem próbek tektur z falą D w warunkach laboratoryjnych, w których stosowane były większa gramatura kleju i większe promienie zaokrąglenia, co mogło spowodować usztywnienie tektury.
Z porównania wartości ECT uzyskanych na drodze pomiarów widać, że tektury z falą D mają mniejszą odporność na zgniatanie krawędziowe, co jest związane z większą podatnością ich ścianek na wyboczenia lokalne.
Wnioski
Tektury z bardzo wysokimi falami posiadają właściwości mechaniczne znacznie różniące się od właściwości mechanicznych tektur ze standardowymi falami B i C. Tektury z falą D charakteryzują się znacznie większą sztywnością zginania, ale znacznie mniejszą odpornością na złamanie. Mają mniejszą odporność na zgniatanie płaskie, ale ulegają znacznie większym odkształceniom i przez to posiadają lepsze właściwości amortyzacyjne. Przy zastosowaniu takich samych materiałów na poszczególne warstwy składowe, tektury z bardzo dużymi falami mają nieco niższą odporność na zgniatanie krawędziowe niż typowe tektury z falami B oraz C, pomimo że gramatura tektur z falą D jest nieco wyższa.
Literatura
[1] Bielecki M., Chmielewska-Wurch A., Damięcki T., Patalan B., Słoma M., Ździebło S. 2011. Zagadnienia ogólne oraz rekomendowane standardy dotyczące tektury falistej i opakowań z tektury falistej. SPP. Łódź
[2] Kit L. Yam. 2009. Encyclopedia of packaging technology. Third edition. The Wiley. John Wiley & Sons, Inc.
[3] Praca zbiorowa. 2000. Papermaking science and technology. Part 12. Paper and Paperboard. Fapet Oy. Helsinki
[4] Szewczyk W. 2008. Nowe metody oceny nośności wielowarstwowych laminatów z papierów i tektur, Zeszyty naukowe nr 1027, Politechnika Łódzka. Łódź
[5] Szewczyk W. 2008. Odporność tektury falistej na zgniatanie krawędziowe. Przegląd Papierniczy 64, 02, 93-96
[6] Twede D., Selke S. E. M., Shires D., Cartons, Crates and Corrugated Board: Handbook of Paper and Wood Packaging Technology, Second Edition. DEStech Publications, Inc. 2015
