Badania i rozwój: Właściwości wytrzymałościowe opakowań na jaja – odporność na nacisk statyczny
19 Apr 2019 13:03

STRESZCZENIE: Zaprezentowano wyniki badań odporności na nacisk statyczny wytłaczanek wypełnionych jajami. Badania przeprowadzono w celu sprawdzenia, czy w przypadku wytłaczanek przeznaczonych do pakowania jaj można przyjąć kryterium oceny ich wytrzymałości polegające na wyznaczeniu maksymalnej siły przenoszonej przez puste opakowanie, bez konieczności uwzględniania jego odkształceń. Badania wykonano po klimatyzowaniu opakowań w różnych warunkach, aby określić, jaki wpływ na wartość odporności na nacisk statyczny i odkształcenia wytłaczanek wywiera zwiększenie wilgotności materiału włóknistego.

ABSTRACT: The article presents the results of tests on resistance to static pressure of molded fiber packagings. The tests were carried out to check whether in the case of molded packagings for eggs, the criterion for assessing their strength, based on determining the maximum force transferred by empty packaging, without taking into account its deformations, can be accepted. The tests were carried out after conditioning the packages in various conditions to determine the effect on the value of resistance to static pressure and deformation caused by the moisture content of the fiber material.

Wprowadzenie

Stosowane są różne sposoby pakowania jaj: opakowania jednostkowe np. na 4, 6, 10, 12 czy 15 jaj (rys. 1a), a także większe opakowania na 20 lub 30 jaj (rys. 1b).

W niektórych przypadkach tacki z jajami układane są w stosy (rys. 2a, 2b), w innych opakowania jednostkowe wkładane są w opakowania zbiorcze (rys. 2c).

Podobnie jak w przypadku innych opakowań układanych piętrowo na paletach, jedną z podstawowych właściwości wytrzymałościowych opakowań stosowanych do transportu i przechowywania jaj jest odporność na nacisk statyczny. Najczęściej do pakowania jaj stosowane są wytłaczanki wykonywane z masy włóknistej metodą spilśniania, a głównym surowcem stosowanym do produkcji tych opakowań są masy makulaturowe. Pomimo że są to tanie opakowania jednorazowego użytku, muszą posiadać odpowiednią odporność na nacisk statyczny. Dolne opakowanie, poddane naciskowi całego stosu w warunkach obciążenia statycznego musi przenieść obciążenie wynikające z ciężaru spoczywających na nim opakowań z zawartością, które przy sposobie układania wytłaczanek pokazanym na rys. 2a zawiera się w granicach 300-400 N w zależności od wielkości jaj.

W warunkach rzeczywistego użytkowania należy uwzględnić spadek odporności na nacisk statyczny wywołany czasem działania obciążenia oraz zmianami wilgotności. Jeżeli dodatkowo zostaną uwzględnione nierównomierny rozkład nacisku i możliwość wystąpienia obciążeń dynamicznych przy przeładunkach oraz w transporcie, to opakowanie badane w warunkach laboratoryjnych musi mieć wytrzymałość wielokrotnie większą od działającego na nie obciążenia statycznego. 

Badania wpływu czasu działania obciążenia na odporność opakowań na nacisk statyczny są bardzo czasochłonne i nie zostały wykonane w ramach opisywanych badań. Do oceny wpływu czasu na nośność wytłaczanek można użyć znanych od dawna zależności opracowanych dla opakowań z tektur falistych [5, 6, 7, 8], gdyż w obydwu przypadkach materiały opakowań mają podobną strukturę włóknistą i z tego powodu ich zachowanie pod działaniem obciążeń jest podobne.

Przy określaniu odporności na nacisk statyczny istotne znaczenie ma sposób przyłożenia obciążenia, a w szczególności jego rozkład na powierzchni opakowania. Zastosowanie przegubowego zamocowania płyty dociskającej dobrze odzwierciedla obciążenie pojedynczego stosu opakowań lub kilku stosów o zróżnicowanej wytrzymałości. Aby uzyskać powtarzalność warunków pomiarów, a tym samym porównywalność uzyskiwanych wyników przy przegubowym zamocowaniu płyty, należy zapewnić stały punkt przyłożenia siły skupionej, obciążającej opakowanie w środku pola powierzchni styku z płytami. 

Przed procesem pakowania jaja są sortowane ze względu na ich masę. W tab. 1 zostały podane masy jaj w poszczególnych przedziałach [9].

Sortowanie ułatwia wybór opakowań o właściwych wymiarach dobranych tak, aby wymiary gniazd, w które wkładane są jaja, były dopasowane do ich rozmiarów, co zwiększa prawdopodobieństwo, że obciążenia zewnętrzne nie będą przenoszone przez pakowany wyrób. 

Podczas badania odporności opakowań na nacisk statyczny należy brać pod uwagę zarówno siłę, jaką jest w stanie przenieść opakowanie, jak i jego odkształcenie. Określenie odkształceń ma istotne znaczenie, gdyż może zaistnieć sytuacja, w której przed osiągnięciem maksymalnej siły przenoszonej przez opakowanie jego odkształcenie spowoduje, że obciążenie zacznie przenosić pakowany towar. Jeżeli przed osiągnięciem maksymalnej siły przenoszonej przez opakowanie jajka nie ulegają zniszczeniu, to za odporność opakowania na nacisk statyczny można przyjąć maksymalną wartość siły uzyskaną podczas badania pustego opakowania. Jeżeli jajka ulegają wcześniejszemu zniszczeniu, to za odporność opakowania na nacisk statyczny należy przyjąć maksymalną siłę, jaką opakowanie przeniesie do chwili zniszczenia zapakowanego towaru.

Cel i zakres badań

Badania zaprezentowane w niniejszym opracowaniu stanowią kontynuację badań przedstawionych w artykule [10].

Aby sprawdzić, czy w przypadku wytłaczanek przeznaczonych do pakowania jaj można przyjąć kryterium polegające na wyznaczeniu maksymalnej siły przenoszonej przez puste opakowanie, przeprowadzono badania odporności na nacisk statyczny opakowań z zawartością. 

Badania przeprowadzano przy wykorzystaniu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej Zwick wyposażonej w jedną płytę sztywno zamocowaną do ramy, a drugą zamocowaną przegubowo. Taki sposób zamocowania umożliwia dopasowanie się płyty do odkształceń badanego opakowania, tak jak ma to miejsce przy składowaniu wytłaczanek w stosach. 

Pomiary przeprowadzano przy prędkości ściskania 12,5 mm/min. Aby zapewnić odpowiednie ułożenie wytłaczanek na początku badania, przyleganie na całej powierzchni styku, zastosowano siłę wstępną 20 N. Badania wykonano po klimatyzowaniu opakowań w trzech różnych warunkach: tzw. normalnych, tzn. w temperaturze 23ᵒC i wilgotności względnej 50% oraz w warunkach podwyższonej wilgotności w temperaturze 23ᵒC i wilgotnościach względnych powietrza 75% oraz 95%.

Po zakończeniu każdego pomiaru sprawdzano, czy zapakowane jajka nie uległy uszkodzeniu.

Do badań użyto dwóch rodzajów wytłaczanek oznaczonych jako WA oraz WB przeznaczonych do pakowania jaj odpowiednio w rozmiarach M i L.

Do wytłaczanek WA zastosowano jaja o rozmiarze M i masie mieszczącej się w granicach 63-53 g, zaś dla wytłaczanek WB jaja o rozmiarze L i masie w granicach 73-63 g. Próbki przygotowane do badań pokazano na rys. 3.

Wyniki badań 

Na rys. 4 przedstawiono odkształcenia opakowania w trakcie badania odporności na nacisk statyczny.

Na rys. 4a widoczne jest nieobciążone opakowanie. Powierzchnie zewnętrzne górnej i dolnej wytłaczanki, na których występują duże odchyłki płaskości, stykają się punktowo i widoczne są przerwy pomiędzy wierzchołkami górnej i dolnej wytłaczanki. 

Opakowanie poddane działaniu siły wstępnej przedstawiono na rys. 4b. Wskutek działania obciążenia wstępnego poprawie ulega płaskość leżenia wytłaczanek, dzięki czemu wierzchołki górnej i dolnej wytłaczanki uzyskują kontakt na całej powierzchni styku.

Odkształcenie spowodowane obciążeniem ok. 70% siły niszczącej zilustrowane jest na rys. 4c. Widoczne są znaczne odkształcenia powierzchni brzegowej oraz spłaszczenie wierzchołków wytłaczanek. Na rys. 4d pokazane jest odkształcenie opakowania w chwili osiągnięcia maksymalnej wartości obciążenia, gdzie możemy zaobserwować znaczne odkształcenie krawędzi wytłaczanki, jak również (w lewej tylnej części zdjęcia) załamanie narożnika.

Na rys. 5 i 6 przedstawiono przykładowe wykresy prób zgniatania poszczególnych wytłaczanek WA i WB po klimatyzowaniu w powietrzu o wilgotności 95%.

Na rys. 7 pokazano zestawienie obciążeń przenoszonych przez wytłaczanki, a na rys. 8 wyniki obliczeń wskaźnika odporności na nacisk statyczny (odporność na nacisk statyczny podzielona przez średnią masę wytłaczanki) po klimatyzowaniu opakowań w różnych warunkach.

Po zakończeniu badań sprawdzano zapakowane jaja i nie stwierdzono uszkodzeń mechanicznych (rys. 9). 

Podsumowanie

W warunkach podwyższonej wilgotności odporność na nacisk statyczny wytłaczanek ulega obniżeniu w stosunku do odporności uzyskanej po klimatyzowaniu w warunkach normalnych. W przypadku obydwu rodzajów wytłaczanek wzrost wilgotności powietrza, w którym je klimatyzowano, z 50% do 75% spowodował spadek odporności o 18% wartości uzyskanej po klimatyzowaniu w warunkach normalnych. Przy wzroście wilgotności powietrza do 95% spadek odporności wytłaczanek WA wyniósł 38%, a wytłaczanek WB 39% odporności uzyskanej po klimatyzowaniu opakowań w warunkach normalnych.

Po klimatyzowaniu w warunkach normalnych odporność na nacisk statyczny wytłaczanek WA wynosi 2084 N i jest niższa od wartości otrzymanej dla wytłaczanek WB, która jest równa 2920 N. Wynika to z różnicy mas wytłaczanek, co można stwierdzić porównując wskaźniki ich odporności na nacisk statyczny, które są takie same.

W obu modelach, WA i WB, odkształcenia przy maksymalnej sile przenoszonej przez zgniatane wytłaczanki nie są na tyle duże, aby uszkodzić zawartość, zarówno w przypadku wilgotności 50%, 75%, jak i 95%. Zapakowane jaja przy obciążeniu wytłaczanek maksymalną siłą we wszystkich zbadanych przypadkach można było swobodnie przemieszczać w gniazdach opakowań, co świadczy o tym, że zapakowany towar nie przenosi obciążeń.

Badania wykonano w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej dla firmy Handlowo-Produkcyjnej „DELTA” Tadeusz Mucha i Wspólnicy Sp. J. – Dębica.

Literatura:

[1] http://www.jaja-opakowania.pl/

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Egg_carton

[3] http://www.hurtowniajaj.pl/wytlaczanki-do-jaj.html

[4] http://www.jaja-czepizak.pl/?go=galeria

[5] Stott R. A.: APPITA 13, 2, 84, 1959

[6] Maltenford G.: FibreCont. 44, 9, 72, 1959

[7] Dage Y., Brynhildsen H. D.: Svensk. Pap. Tind. 62, 5, 77, 1959

[8] Kubat J.: „Badania wytrzymałości na zgniatanie pudeł z tektury falistej i litej”, Przegl. Papiern. 17, 370, 1961.

[9] Commission Regulation (EC) No 589/2008 of 23 June 2008 laying down detailed rules for implementing Council Regulation (EC) No 1234/2007

[10] W. Szewczyk, K. Olejnik, M. Bieńkowska: „Wyroby spilśniane jako opakowania i nie tylko”, Opakowanie, 1/2018, s. 52-56

Włodzimierz Szewczyk, Gabriela Kmita-Fudalej, Maria Bieńkowska

error: Kopiowanie zabronione!