STRESZCZENIE: Tektury faliste i komórkowe należą do najpopularniejszych materiałów używanych do produkcji opakowań jednostkowych i zbiorczych. Do podstawowych wskaźników wytrzymałościowych pozwalających ocenić przydatność tektur do produkcji pudeł oraz przekładek należą sztywność zginania BS i odporność na zgniatanie płaskie FCT. W artykule porównano wyniki pomiarów wyżej wymienionych właściwości dla różnych tektur falistych oraz komórkowych i na tej podstawie dokonano analizy ich przydatności do różnych zastosowań. IN ENGLISH: Comparison of mechanical properties of corrugated board and board with a core of honeycomb structure; ABSTRACT: Corrugated and honeycomb boards belong to the most popular materials used in the production of consumer packages and multipacks. Basic strength indicators that permit to evaluate the suitability of the boards to the manufacture of boxes and layer dividers include bending stiffness (BS) and flat crush resistance (FCT). The measurement results for above-mentioned properties of various corrugated and honeycomb boards have been compared and on this basis an analysis of their suitability for different applications has been carried out.
Wprowadzenie
Do wytwarzania opakowań od dawna powszechnie stosowane są tektury lite i faliste, a w ostatnim czasie coraz częściej tektury komórkowe z rdzeniem o strukturze plastra miodu. Pomimo że wszystkie tektury są wykonane z podobnych materiałów włóknistych, to ze względu na różną budowę posiadają różne właściwości mechaniczne. Jako materiał opakowaniowy najczęściej używane są do produkcji pudeł i przekładek. Tektury lite w porównaniu z pozostałymi dwoma rodzajami tektur charakteryzują się dużą gęstością, małą grubością oraz niską sztywnością zginania i najczęściej są stosowane na opakowania jednostkowe o małych gabarytach, od których nie jest wymagana wysoka wytrzymałość na obciążenia mechaniczne. W niniejszym opracowaniu zostaną porównane właściwości pozostałych dwóch rodzajów tektur, które najczęściej stosowane są do produkcji opakowań zbiorczych i jednostkowych o wysokiej odporności na obciążenia mechaniczne.
Istnieje wiele rodzajów tektur falistych różniących się od siebie liczbą warstw, kształtem i parametrami fal oraz ich wzajemnym ułożeniem. Do podstawowych rodzajów tektur falistych zaliczamy tektury: dwuwarstwowe, trójwarstwowe, pięciowarstwowe, siedmiowarstwowe pokazane na rysunkach od 1a do 1d.
Oprócz tradycyjnych tektur falistych stosuje się też wiele specjalnych rozwiązań o nietypowej konstrukcji. Wśród nich można wyodrębnić grupę tektur czterowarstwowych (rys. 1e-g), tektury sześciowarstwowe (rys. 1h), tektury z falą skrzyżowaną (rys. 1i) oraz z falą wężową (rys. 1j) [6].
Podstawowe parametry geometryczne fal (rys. 2) to:
n wysokość, h – odległości wewnętrznych powierzchni warstw pokryciowych przylegających do fali;
n podziałka, t – odległość pomiędzy dwoma sąsiednimi
wierzchołkami fal przylegającymi do jednej warstwy
pokryciowej.
Do opisu fal stosuje się także współczynnik pofalowania λ, który wyraża stosunek długości warstwy pofalowanej przed pofalowaniem do długości po pofalowaniu.
W celu ogólnego rozróżnienia poszczególnych typów fal są one oznaczane symbolami literowymi, którym przyporządkowane są zakresy wysokości, podziałek i wartości współczynników pofalowania.
Budowa tektury komórkowej z rdzeniem o strukturze plastra miodu jest przedstawiona na rys. 3. Tektura składa się z rdzenia B oraz dwóch warstw zewnętrznych A.
Najczęściej stosowane są komórki o kształcie heksagonalnym (rys. 4a), ale można również spotkać komórki o innym kształcie jak np. prostokątne (rys. 4b) czy kwadratowe (rys. 4c).
Rdzenie tektur o strukturze plastra miodu z komórkami heksagonalnymi opisywane są następującymi parametrami geometrycznymi (rys. 5):
n D – wielkość oczka definiowana jako średnica
okręgu wpisanego w komórkę;
n h – wysokość komórek [2, 3].
Ze względu na wysokości fal rzędu kilku mm, typowe grubości tektur falistych zawierają się w granicach do kilkunastu milimetrów. Grubości tektur komórkowych zależą od wysokości rdzenia, która osiąga wartość do 150 mm. Do produkcji opakowań stosuje się na ogół tektury o grubościach kilku bądź kilkunastu mm i z tego powodu w opracowaniu analizowano właściwości tektur komórkowych o grubościach nieprzekraczających 45 mm.
Metodyka badań
Do oceny przydatności tektur falistych i komórkowych jako materiałów na opakowania wybrano dwie właściwości mechaniczne: odporność na zgniatanie płaskie FCT i sztywność zginania BS. Mają one istotne znaczenie dla właściwości mechanicznych opakowań, gdyż zgniatanie tektur siłami działającymi prostopadle do ich powierzchni oraz wyginanie ścian opakowań to najczęściej spotykane w praktyce przypadki obciążeń.
Pomiary odporności na zgniatanie płaskie FCT tektur falistych wykonano zgodnie z normą PN-EN ISO 3035:2011 [4].
W przypadku tektur komórkowych zgniataniu poddano próbki w kształcie kwadratów o powierzchni 100 cm2. Do ścis-kania próbek użyto przyrządu do badania FCT tektur falistych. W trakcie ściskania próbek płyta ruchoma przemieszczała się z prędkością 12,5 mm/min.
Pomiary sztywności przy zginaniu BS tektur przeprowadzono zgodnie z normą PN-ISO 5628 [5]. W przypadku tektur falistych pomiary wykonano metodą obciążania czteropunktowego, a do badania tektur komórkowych zastosowano metodę obciążenia trzypunktowego.
Badaniom poddano tektury faliste trójwarstwowe, pięciowarstwowe, sześciowarstwowe oraz tektury komórkowe o dwóch wielkościach oczek i różnych wysokościach. Oznaczenia i podstawowe właściwości poszczególnych tektur użytych do badań przedstawiono w tabelach 1 i 2.
Wyniki badań i ich analiza
Na rys. 6 zilustrowano wyniki pomiarów odporności tektur na zgniatanie płaskie, a na rys. 7 i 8 wskaźniki opisujące stosunek wartości FCT do gęstości tektury ρ i do gramatury tektury g.
Na podstawie wyników pomiarów przedstawionych na rys. 6 można stwierdzić, że w zbadanych przypadkach typowe tektury faliste o falach B oraz C mają nieco lepszą odporność na zgniatanie płaskie niż tektury komórkowe i znacznie wyższą niż tektury z falą D. Wszystkie tektury komórkowe użyte do badań FCT miały rdzenie o tej samej wielkości oczka, wykonane z takich samych papierów, jednak ze względu na deformacje kształtu oczek poszczególnych tektur, powstające w procesie produkcyjnym, oraz różnice właściwości mechanicznych poszczególnych partii papierów użytych do produkcji rdzeni, widoczne są znaczne różnice wartości FCT uzyskiwanych dla poszczególnych tektur komórkowych.
Ze względu na różną budowę i różne wartości parametrów geometrycznych warstw wewnętrznych poszczególne tektury mają także różną gęstość. Z tego powodu porównanie ich przydatności do zastosowań, w których np. potrzebny jest materiał o dużej objętości i dobrej odporności na zgniatanie, wymaga wprowadzenia innego wskaźnika, np. odniesienia odporności na zgniatanie płaskie FCT do gęstości tektury ρ. Wartości FCT/ρ poszczególnych tektur zostały przedstawione na rys. 7. Jak widać, najwyższe wartości tego wskaźnika mają tektury komórkowe, a najniższe tektury z falą D. Wynika to z bardzo małej odporności tektur z falą D na zgniatanie płaskie, która znacznie zaniża wartość wskaźnika pomimo małej gęstości tych tektur.
Najczęściej dla użytkowników tektur istotny jest stosunek ich właściwości mechanicznych do gramatury. Im wyższy jest ten stosunek, tym mniejsze jest zużycie materiału potrzebnego do wyprodukowania wyrobu z tektury i mniejszy jego koszt. Wartości wskaźnika przedstawiającego stosunek FCT do gramatur tektury g zostały przedstawione na rys. 8. Jak łatwo zauważyć, wskaźnik ten w przypadku tektur komórkowych maleje wraz ze wzrostem ich grubości. Dla tektur komórkowych o grubości rzędu kilku mm FCT/g jest na poziomie podobnym jak dla tektur z falami B oraz C, a dla tektur komórkowych o grubości rzędu 40 mm wartość wskaźnika jest podobna jak dla tektury z falą D. Oznacza to, że w przypadku, gdy odporność na zgniatanie płaskie tektury nie ma znaczenia, w celu zmniejszenia masy zużywanego materiału można stosować tektury o bardzo dużych falach lub tektury komórkowe o dużych grubościach. Natomiast gdy wymagana jest duża wartość FCT, korzystne jest stosowanie tektur o małych falach lub z rdzeniami komórkowymi o małej wysokości.
Wartości sztywności zginania tektur są zależne od kierunku działania momentu w materiale, np. w typowych tekturach falistych wytworzonych w tekturnicach sztywność zginania w kierunku maszy-
nowym BSMD jest znacznie większa od sztywności zginania w kierunku poprzecznym BSCD. Różnice wartości sztywności zginania w różnych kierunkach wynikają z anizotropii właściwości mechanicznych papierów użytych do produkcji tektur oraz wzajemnej orientacji poszczególnych warstw w tekturze. Z tego powodu poza typowymi tekturami falistymi do badań wykorzystano także tektury z falami skrzyżowanymi.
Istotny wpływ na sztywność zginania tektury mają moduły Younga warstw zewnętrznych, ale o wartości BS przede wszystkim decyduje grubość tektury. Jeżeli tektury posiadają warstwy zewnętrzne o takich samych lub bardzo zbliżonych modułach Younga, to ich sztywność zginania zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do grubości tektury podniesionej do trzeciej potęgi. Powoduje to znaczne różnice wartości BS poszczególnych tektur.
Na rys. 9 i 10 zilustrowano wyniki pomiarów sztywności zginania tektur w kierunku maszynowym MD i poprzecznym CD.
Na wykresach (rys. 9 i 10) ilustrujących sztywność zginania tektur widoczne jest bardzo duże zróżnicowanie wartości BS. Zarówno w kierunku maszynowym, jak i poprzecznym wyraźna jest zależność BS od grubości tektur. Przy interpretacji zaprezentowanych wyników należy pamiętać, że nie można utożsamiać sztywności zginania z maksymalnym momentem gnącym uzyskiwanym w chwili złamania zginanej tektury. Jako przykład można podać tekturę trójwarstwową z falą D, która w kierunku maszynowym ma sztywność zginania większą od tektur pięciowarstwowych (rys. 9), ale – ze względu na bardzo dużą podziałkę – podczas zginania jej warstwy płaskie ulegają lokalnemu wyboczeniu pomiędzy wierzchołkami fal, co powoduje, że wartość momentu w chwili złamania tektury jest bardzo mała w porównaniu z pozostałymi tekturami.
Podobnie jak w przypadku odporności na zgniatanie płaskie określono wartości wskaźnika opisującego stosunek wartości sztywności zginania do gęstości tektury BS/ρ, a wyniki obliczeń zilustrowano na rys. 11 i 12.
W obydwu przypadkach: zarówno dla kierunku maszynowego, jak i dla kierunku poprzecznego widoczna jest zależność wskaźnika BS/ρ od grubości tektury. Ze względu na małą gęstość tektur z falą D uzyskują one wysokie wartości wskaźnika BS/ρ, znacznie większe niż wartości uzyskiwane dla innych tektur falistych oraz tektur komórkowych o podobnych grubościach (rys. 11).
Wyniki obliczeń wskaźnika opisującego stosunek wartości sztywności zginania do gramatury tektury BS/g zilustrowano na rys. 13 i 14.
Podobnie jak we wcześniej opisanych przypadkach zarówno w kierunku ma-szynowym, jak i poprzecznym wartość wskaźnika rośnie wraz ze wzrostem grubości tektury. Oznacza to, że zmniejszenie materiałochłonności wyrobów tekturowych, dla których decydującą rolę odgrywa sztywność zginania, można uzyskać przez zwiększanie grubości tektury i zmniejszanie jej gramatury.
Podsumowanie
Z porównania zbadanych tektur wynika, że typowe tektury faliste z falami B oraz C mają nieco lepszą odporność na zgniatanie płaskie niż tektury komórkowe z rdzeniem o strukturze plastra miodu. Podobnie jest w przypadku, gdy wymagany jest wysoki stosunek wartości FCT do gramatury. Wówczas najlepsze wyniki daje stosowanie tektur z falami B oraz C lub cienkich tektur komórkowych o grubości kilku mm. Kiedy wymagane są duża objętość właściwa materiału i odporność na zgniatanie płaskie, korzystniej jest stosować tektury komórkowe. Sztywność zginania tektur falistych i komórkowych zależy głównie od ich grubości.
Należy pamiętać, że w ramach badań testowano tektury komórkowe o najczęściej stosowanych parametrach oczka rdzenia oraz grubościach do 45 mm. Zastosowanie tektur o innych parametrach geometrycznych komórek umożliwia rozszerzenie zakresu zmienności wartości analizowanych w opracowaniu wskaźników.
Literatura
[1] Bitzer T.: „Honeycomb Technology
– Materials, design, manufacturing, applications and testing”, London, Chapman & Hall, (1997)
[2] Kmita-Fudalej G., Szewczyk W.: „Tekturowe wyroby o strukturze plastra miodu Cz. I. Zastosowanie i wytwarzanie”, Przegląd Papierniczy 71, s. 443-449, sierpień 2015
[3] Kmita-Fudalej G., Szewczyk W.: „Sztywność zginania tektur o strukturze plastra miodu”, Przegląd Papierniczy 72, s. 173-177, marzec 2016
[4] PN-ISO 5628 „Papier i tektura – Oznaczanie sztywności przy zginaniu metodami statycznymi – Zasady ogólne”
[5] PN-EN ISO 3035: 2011 „Tektura falista Oznaczanie odporności na zgniatanie płaskie”
[6] Szewczyk W.: „Maszyny do produkcji tektury falistej”, Politechnika Łódzka, 2014
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
