Włodzimierz Szewczyk
Politechnika Łódzka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii
W ramach prac prowadzonych w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódz-kiej wykonano badania mające na celu określenie wpływu zamrażania na nośność tektury falistej i wykonanych z niej pudeł oraz kątowników z tektury litej. Przeanali-zowano zmiany wilgotności i wybranych właściwości wytrzymałościowych badanych wyrobów papierowych w procesie ich rozmrażania. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że podczas rozmrażania materiałów włóknistych występuje istotny spadek ich wytrzymałości mechanicznej, który należy uwzględniać przy określaniu wytrzymałości wykonanych z nich opakowań.
Wprowadzenie
Właściwości wytrzymałościowe wyrobów papierowych w dużym stopniu są uzależnione od ich wilgotności. Zagadnienie to było analizowane w różnych pracach badawczych [1- 5]. Na ich podstawie stwierdzono między innymi, że wpływ wilgotności ma szczególnie duże znaczenie dla wyrobów wykonanych z włókien wtórnych [5], gdyż w takich przypadkach wzrost wilgotności materiału włóknistego powoduje bardzo duży spadek jego właściwości wytrzymałościowych. Przy obecnej tendencji wykorzystywania do produkcji opakowań papierów i tektur wykonanych z udziałem surowców makulaturowych, rozważane zagadnienia nabierają szczególnego znaczenia. Na ogół są one rozpatrywane przy przechowywaniu bądź transporcie opakowanych wyrobów w warunkach podwyższonej wilgotności powietrza, jednak w praktyce występują też inne przypadki, w których przy określaniu wytrzymałości mechanicznej opakowań papierowych należy uwzględniać wpływ wilgoci. Do takich przypadków należy przechowywanie zapakowanych wyrobów w zamrażarkach.
Wielu producentów i użytkowników opakowań z tektury spotyka się z problemem niedostatecznej wytrzymałości pudeł, w których składowane są produkty poddawane zamrażaniu i rozmrażaniu wraz z opakowaniem. Jednym z czynników decydujących o nośności opakowań z tektury podczas ich rozmrażania jest wysoka wilgotność materiału włóknistego, jednak w omawianym przypadku o jego wytrzymałości decyduje nie tylko zawartość wilgoci, ale również temperatura. W ujemnych temperaturach zamarznięta woda usztywnia włóknistą strukturę tektur i papierów, powodując wzrost ich właściwości wytrzymałościowych. Podczas rozmrażania wzmocnienie to zanika, co skutkuje obniżeniem mechanicznej wytrzymałości i sztywności materiału. Jednocześnie, podczas rozmrażania, na skutek wymiany wilgoci z otoczeniem może następować schnięcie lub nawilżanie materiału, powodujące zmiany jego wytrzymałości. Wspomniane procesy – łącznie ze zmianami struktury włóknistej, które mogą nastąpić w ich trakcie – decydują o wytrzymałości papierów i tektur. Właściwości mechaniczne materiału zmieniają się w omawianym procesie aż do chwili, gdy osiągnie on stan, w którym nie będzie wymiany wilgoci materiału z otoczeniem.
Cel i zakres pracy
Celem badań przeprowadzonych w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii było określenie zmian wilgotności i wytrzymałości mechanicznej materiałów opakowaniowych i wykonanych z nich opakowań podczas ich rozmrażania.
Z praktycznego punktu widzenia istotne znaczenie ma: dynamika zmian wytrzymałości i wilgotności struktury włóknistej, wartość maksymalnego spadku wytrzymałości oraz czas, po jakim jest on osiągnięty.
W ramach pracy zbadano zmiany maksymalnego momentu gnącego przenoszonego przez kątowniki oraz zmiany ich odporności na zgniatanie kolumnowe w czasie rozmrażania.
Dla tektury falistej określono zmiany odporności na zgniatanie krawędziowe, a w przypadku pudeł zmierzono zmiany ich odporności na nacisk statyczny w funkcji czasu rozmrażania.
Metodyka badań
Głównym surowcem użytym do produkcji zbadanych w ramach pracy wyrobów były włókna wtórne. Wszystkie warstwy kątowników oraz warstwy pofalowane tektury falistej poddanej badaniom i użytej do produkcji pudeł wykonano w całości z włókien makulaturowych. Na warstwy płaskie tektury falistej zastosowano papiery dwuwarstwowe, których górna warstwa wykonana została z masy celulozowej iglastej, a warstwa dolna wyłącznie z masy makulaturowej.
Pudła i tekturę poddano zamrażaniu w temperaturze -20°C przez 48 godzin, a kątowniki w temperaturze -25°C przez 72 godziny. Przed zamrażaniem wszystkie próbki klimatyzowano w powietrzu o temperaturze 23°C i różnych wilgotnościach względnych w zakresie od 32 do 98%.
Wszystkie próbki rozmrażano w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 50%.
Zmiany wilgotności rozmrażanych próbek badano metodą wagową, mierząc ich masę w określonych odstępach czasu. W przypadku pudeł i tektur, przed zamrażaniem klimatyzowano je w powietrzu o wilgotności względnej 32, 50 i 92%, a kątowniki w powietrzu o wilgotności względnej 98%. Taki zakres warunków klimatyzowania wynikał z założenia, że w ramach pracy badane będą przypadki, w których zmiany wilgotności zamrażanych materiałów włóknistych wywołane są zmianami wilgotności powietrza, a nie z bezpośredniego kontaktu z wodą.
Odporność pudeł na nacisk statyczny określano zgodnie z PN ISO 12048, a odporność tektury falistej na zgniatanie krawędziowe badano zgodnie z normą PN-EN ISO 3037. Jedynym odstępstwem od ww. norm było to, że próbki badano podczas ich rozmrażania i z tego powodu przed badaniem nie zostały one poddane klimatyzowaniu w warunkach przewidzianych przez normy.
Do pomiarów odporności kątowników na zginanie użyto przyrządu pokazanego na rys. 1, zainstalowanego w uniwersalnej maszynie do badań wytrzymałościowych.
Przyrząd umożliwia zginanie kątowników metodą trzypunktową przy różnych rozstawach podpór. Za pomocą przyrządu przy rozstawie podpór równym 700 mm określano maksymalny moment gnący, przenoszony przez kątownik podczas zginania.
Odporność kątowników na zgniatanie kolumnowe badano przy użyciu uchwytów pokazanych na rys. 2. Badania przeprowadzano na próbkach o długości 400 mm.
Wyniki badań
Próbki tektury falistej po klimatyzowaniu w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 32, 50 oraz 92% osiągnęły odpowiednio wilgotności 5,9, 6,9, 11,8%. Kątowniki z tektury litej po klimatyzowaniu w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 50 oraz 98% osiągnęły odpowiednio wilgotności 7 i 13%.
Wyniki pomiarów wilgotności rozmrażanych tektur i pudeł przedstawiono na rys. 3, a wyniki zmian wilgotności rozmrażanych kątowników na rys. 4. Wyniki pomiarów odporności tektury na zgniatanie krawędziowe (ECT) oraz odporności pudeł na nacisk statyczny (BCT) zostały zilustrowane rys. 5 i 6.
Analiza wyników badań
We wszystkich zbadanych przypadkach, w chwili rozpoczęcia rozmrażania wilgotność wyrobów różniła się nieznacznie od tej, którą miały w chwili zamrażania, co związane jest z sublimacją i resublimacją wody zawartej w zamrożonym papierze.
Zgodnie ze znanym zjawiskiem histerezy suszarniczej [6], krzywe uzyskane w procesie suszenia i nawilżania tektur oraz pudeł podczas ich rozmrażania, pokazane na rys. 3, nie osiągnęły punktów wspólnych, a krzywa obrazująca suszenie rozmrażanych kątowników (rys. 4) nie osiąga poziomu wilgotności, jaki uzyskują kątowniki klimatyzowane w warunkach normalnych, tzn. w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 50%.
Analizując wykresy pokazane na rys. 3 i 4 łatwo można zauważyć, że ze zbadanych wyrobów wilgotność równowagową najszybciej uzyskuje tektura falista, a najwolniej kątowniki z tektury litej, dla których wymiana wilgoci z otoczeniem jest najbardziej utrudniona, ze względu na dużą grubość materiału włóknistego.
Na wszystkich wykresach obrazujących wartości właściwości wytrzymałościowych badanych wyrobów (rys. 5- 8) widoczny jest podobny charakter zmian badanych właściwości. W początkowym okresie następuje spadek wytrzymałości materiału, a następnie – po osiągnięciu wartości minimalnej – wytrzymałość wzrasta. Na podstawie wyników badań tektury falistej i pudeł (rys. 5 i 6) można zauważyć, że wartość początkowa BCT i ECT uzyskiwana w chwili rozpoczęcia rozmrażania zależy od wilgotności zamrożonej próbki – im wyższa jest wilgotność zamrożonego materiału włóknistego, tym niższa jest jego wytrzymałość. Jednocześnie, przy wyższych wilgotnościach materiału podczas jego rozmrażania następuje większy spadek właściwości wytrzymałościowych w pierwszym okresie rozmrażania.
Podobnie jak w przypadku wilgotności, najszybciej stabilizują się właściwości wytrzymałościowe tektur, a najwolniej kątowników, których wytrzymałość na zginanie i zgniatanie kolumnowe ulega zmianom nawet po 24 godzinach od chwili rozpoczęcia procesu rozmrażania.
Przy interpretacji przedstawionych wyników pomiarów należy także brać pod uwagę, że przy zmianie wilgotności materiału włóknistego, o nośności wykonanych z niego wyrobów mogą decydować nie tylko zmiany właściwości wytrzymałościowych materiału, ale także zmiany mechanizmu niszczenia. Zmiany modułów Younga czy wytrzymałości na ściskanie lub rozciąganie materiałów użytych do produkcji poszczególnych warstw badanych laminatów mogą spowodować, że ulegną one wskutek działania obciążeń ściskających zgnieceniu, a nie np. wyboczeniu lub też o ich nośności zadecyduje inna forma wyboczenia.
W zależności od wilgotności i rodzaju rozmrażanych wyrobów, w zbadanych przypadkach osiągały one minimalną nośność w czasie kilku do kilkudziesięciu minut od chwili rozpoczęcia rozmrażania. Spadki nośności badanych wyrobów spowodowane ich rozmrażaniem nie przekraczały 50% wartości uzyskiwanych w warunkach laboratoryjnych, tzn. po klimatyzowaniu w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 50%.
Podsumowanie
Wyniki badań potwierdziły, że w trakcie rozmrażania opakowań z papierów i tektur może wystąpić znaczny spadek ich nośności, co należy uwzględniać przy przewidywaniu wytrzymałości opakowań w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Istotny wpływ na wytrzymałość materiałów włóknistych w procesie rozmrażania ma ich wilgotność, wraz ze wzrostem której obniża się ich wytrzymałość zarówno w stanie zamrożonym, jak i podczas rozmrażania.
Przeprowadzona w ramach pracy analiza wpływu rozmrażania na właściwości wytrzymałościowe wyrobów papierowych wykazała, że w zbadanych przypadkach spadek wytrzymałości nie przekraczał 50% wartości uzyskiwanych w warunkach laboratoryjnych, a czas po którym osiągana była minimalna wytrzymałość nie przekraczał jednej godziny. Należy jednak pamiętać, że badaniom poddane zostały materiały opakowaniowe i opakowania bez zawartości. W praktyce należy brać pod uwagę możliwość wykraplania wilgoci z zapakowanych towarów, co w konsekwencji może doprowadzić do bezpośredniego kontaktu materiału włóknistego z wodą i znacznie bardziej obniżyć właściwości wytrzymałościowe opakowania w stosunku do spadku występującego przy rozmrażaniu samego opakowania.
Literatura
[1] Chalmers I. R. „The effect of humidity on packaging grade paper
elastic modulus”. Appita Journal 51, nr 1, s. 25-28, 1998.
[2] Schröeder A., Bensarsa D. „The Young’s modulus of wet paper”.
Journal of Pulp & Paper Science 28, nr 12, s. 410-415, 2002.
[3] Zauscher S., Caulfield D. F., Nissan A. „The influence of water
on the elastic modulus of paper. Part 1: Extension of the H-bond theory”.
Tappi Journal, 12, s. 178-182, 1996.
[4] Zauscher S., Caulfield D. F., Nissan A. „The influence of water
on the elastic modulus of paper. Part 2: Verification of predictions
of the H-bond theory”. Tappi Journal, 1, s. 214-223, 1997.
[5] Baranek E., Janiga U. „Klimat a wytrzymałość opakowań papierowych”. Przegl. Papiern. 59, 8, 476-478, 2003.
[6] Strumiłło C., „Inżynieria chemiczna”. WNT, Warszawa, 58, 1983.
