STRESZCZENIE: Wytłaczane wyroby spilśniane, których produkcja w Polsce rozwinęła się w okresie II wojny światowej, znajdują różnorodne zastosowania dzięki wysokiej wytrzymałości w stosunku do masy, możliwości wytwarzania skomplikowanych kształtów i niskiej cenie. Głównie wykorzystywane są jako opakowania artykułów spożywczych, ale w związku z dynamicznym rozwojem elektroniki użytkowej przewiduje się, że w przyszłości ich popularność będzie jeszcze wzrastać i będą najczęściej stosowane jako opakowania tych właśnie wyrobów. W artykule przedstawiono wyniki badań odporności na nacisk statyczny opakowań przeznaczonych do transportu jaj, w których uwzględniono wpływ wilgotności na właściwości wytrzymałościowe materiału włóknistego.
ABSTRACT: Production of molded fiber packagings in Poland began during Second World War. Since beginning, several different applications have been found for this type of products. Their growing popularity comes from high strength properties comapring to mass unit, low price and the ability to produce complex shapes. Nowadays it is used for protective packaging or for food service trays, electronics and beverage carriers. Other typical uses are end caps, trays, plates, bowls and clamshell containers. It is expected that in the near future, molded packagings will be even more popular. The paper presents the results of resistance on the static load of paper pulp casting products used as egg containers. Moreover the influence of humidity on the strength properties of fiber pulp was taken into account.
Wprowadzenie
Wyroby spilśniane potocznie nazywane wytłaczankami, dawniej wykonywane z mas pierwotnych i ścieru, obecnie głównie z makulatury, znajdują bardzo szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, a w szczególności w produkcji opakowań transportowych. Początki ich produkcji datuje się na koniec XVII w., gdy zaczęto wytwarzać papier z masy powstałej w wyniku pierwszego przerobu makulatury. Rozwój produkcji wyrobów spilśnianych w Polsce rozpoczął się w czasach II wojny światowej i wynikał z deficytu innych materiałów, jak np. blacha.
Opakowania wytłaczane to ogólna nazwa grupy opakowań wytwarzanych przy użyciu specjalnej formy nadającej odpowiedni kształt. Pierwsze patenty dotyczące tego typu opakowań pojawiły się w Stanach Zjednoczonych już na początku XX wieku [1,2]. Ponieważ produkuje się je z materiałów odnawialnych i biodegradowalnych, są łatwe w recyklingu bądź utylizacji – tym samym można je zakwalifikować do produktów ekologicznych. Opakowania wytłaczane z mas włóknistych posiadają wiele innych zalet, m.in.:
– wysoką wytrzymałość w stosunku do masy opakowania,
– możliwość dokładnego dopasowania kształtu opakowania do skomplikowanych kształtów produktu,
– niską cenę.
Wyroby spilśniane, w szczególności opakowania, są stosowane na całym świecie i tworzą dużą grupę różnorodnych produktów, a ich popularność cały czas rośnie. Przykłady różnych zastosowań wyrobów spilśnianych przedstawiono na rys 1.
Analizy przeprowadzone przez FMI (Future Market Insights) i opublikowane w obszernym raporcie [7] wykazały, że jednym z głównych powodów wzrostu popularności opakowań wytłaczanych z mas włóknistych jest wprowadzanie przez firmy rozwiązań proekologicznych oraz zasad zrównoważonego rozwoju [8,9]. Przewidywany wzrost popularności wynika także z wprowadzania na rynek nowych rodzajów mas włóknistych opartych na takich roślinach jak np. trzcina cukrowa, bambus czy włókna palmowe. Prognozy oparte na analizie wskaźnika wzrostu CAGR (Cumulative Average Growth Rate) wskazują, że do
roku 2026 wartość światowego rynku opakowań wytłaczanych będzie przyrastała rocznie średnio o ok. 5,8%.
W roku 2015 wartość tego rynku wynosiła ponad 6 mld dolarów. Obecnie ponad 69% opakowań wytłaczanych stosuje się do przechowywania i transportu produktów żywnościowych. Utrzymujący się dynamiczny rozwój elektroniki użytkowej prawdopodobnie spowoduje, że proporcje te mogą do roku 2026 ulec zmianie na korzyść opakowań artykułów trwałych. Prognozy wskazują również, że ponad 56% produkcji opakowań wytłaczanych będzie oparte na technologii wytłaczania transferowego.
Surowce
Do produkcji opakowań wytłaczanych można stosować różne rodzaje roślinnych surowców włóknistych. Podstawowym, najpowszechniej stosowanym i najtańszym surowcem jest masa wtórna (makulaturowa). Zwykle stosuje się mieszaninę makulatury mocniejszej (OCC) z makulaturą gazetową i/lub biurową. Ujemną cechą opakowań z makulatury jest ich nieatrakcyjny, szary kolor. Może on być w pewnym stopniu skorygowany przez zastosowanie dodatkowych metod oczyszczania surowca włóknistego (podbielanie, flotacja, dyspersja). Spotykane są również wytłaczanki wytwarzane z mas barwionych i/lub zawierających takie dodatki jak np. źdźbła traw, słoma. Tego typu zabiegi pozwalają nie tylko na uatrakcyjnienie opakowania, ale często też mają na celu wytworzenie w świadomości konsumenta ekologicznego pochodzenia materiału użytego do produkcji opakowania. Niską wytrzymałość opakowań formowanych z najgorszych rodzajów mas makulaturowych można w pewnym stopniu poprawić przez zastosowanie środków chemicznych poprawiających wytrzymałość na sucho.
Coraz częściej wyroby spilśniane są stosowane jako opakowania drogich produktów takich jak elektronika czy biżuteria. W takim przypadku wymagane jest podkreślenie wartości produktów i z tego powodu do wytwarzania ich opakowań stosuje się celulozowe masy pierwotne, bielone, często także odpowiednio barwione. W przypadku wszystkich opakowań, które mogą być użytkowane w podwyższonej wilgotności lub być narażone na kontakt z wodą, stosuje się dodatkowo środki zaklejające lub impregnujące w celu zmniejszenia chłonności wilgoci przez wytłaczanki.
Metody wytwarzania
Wyroby grubościenne są wytwarzane za pomocą jednej formy. Produkty tego typu charakteryzują się grubością ścianki do 12 mm. Jedna strona wytłaczanki jest gładka, druga posiada szorstką powierzchnię. Stosuje się je do pakowania towarów ciężkich i odpornych na uszkodzenia.
Wytłaczanki o grubości ścian 3-6 mm są wytwarzane tzw. metodą transferową. Wykorzystuje się w niej dwie formy: sitową, na której odbywa się formowanie, oraz transferową, umożliwiającą przeniesienie uformowanej wytłaczanki do suszenia. Tak wyprodukowane wyroby służą do pakowania niewielkich produktów (np. jaja, owoce).
Cienkościenne wytłaczanki o grubości ściany od 1,5 mm do około 4 mm są wytwarzane przy użyciu wielu podgrzewanych form. Opakowanie ma obie strony gładkie, dobrze widoczne są drobne szczegóły formy (znaki firmowe, napisy itp.).
Ze względu na strukturę materiału i właściwości wyroby spilśniane można podzielić na miękkie o niskiej gęstości i małej wytrzymałości mechanicznej oraz twarde charakteryzujące się wysoką gęstością, dużą wytrzymałością. Twarde wyroby spilśniane mogą być poddawane prasowaniu, impregnacji lub wulkanizacji.
Schemat ciągu przeznaczonego do formowania i suszenia wytłoczek miękkich ilustruje rys. 2. Z instalacji przygotowania masy jest ona podawana do części maszyny formującej wytłaczanki. Masę doprowadza się do wanny maszyny formującej (A). Nadmiar masy z wanny jest kierowany do kadzi pod maszyną, skąd przetłacza się ją do kadzi maszynowej. Układ formujący posiada dwa zespoły obrotowe – górny i dolny. Na dolnym zainstalowane są formy ssące w kilku rzędach na szerokości zespołu. Podczas obrotu następuje zanurzenie form dolnych w masie papierniczej znajdującej się w wannie maszyny (1) i osadzanie masy papierniczej na sicie formy (2). Osadzanie włókien następuje wskutek działania podciśnienia powodującego równomierne rozłożenie i podtrzymywanie masy na formie. W czasie gdy dolny zespół wraz z masą osiadłą na formach obraca się, następuje wstępne odwodnienie. Po zdjęciu wytłaczanki za pomocą natrysków wykonywane jest mycie form. Na górnym zespole osadzone są formy odbierające (3). W momencie styku form górnych i dolnych do wewnątrz form dolnych wtłaczane jest sprężone powietrze, natomiast wewnątrz form górnych panuje podciśnienie o wartości ok. 500 mm Hg. Następują docisk i zdjęcie przez górną formę ukształtowanych wytłaczanek. Do wewnątrz form wprowadzane jest sprężone powietrze, które powoduje zrzucenie wytłaczanek z form na płytki siatkowe transportera łańcuchowego (4), który przenosi je do suszarni (B). Przez suszarnię wytłaczanki przechodzą wielokrotnie na kilku poziomach. Suszenie odbywa się w temperaturze ok. 120°C. Z suszarni wytłaczanki podawane są mechanicznie na transportery taśmowe do urządzenia liczącego i układającego gotowe wyroby w stosy. Maszyna do pakowania wytłaczanek wkłada stosy do worków papierowych lub owija je folią. Po zaklejeniu worków są one przewożone do magazynu.
Wytłaczanki twarde są produkowane przy zastosowaniu różnych technologii. Pierwszy sposób polega na uformowaniu kształtki technologią analogiczną jak przy wyrobach miękkich. Twardość jest uzyskiwana w wyniku prasowania na gorąco w zestawie podgrzewanych matryc.
Inny sposób polega na bezpośrednim tłoczeniu i prasowaniu na gorąco kształtki z arkusza uformowanego na maszynie płaskositowej. W ciągu technologicznym pracującym według tego sposobu obok maszyny formującej instaluje się wielopółkową prasę gorącą ogrzewaną parą o wysokim ciśnieniu.
W przypadku wyrobów o skomplikowanych kształtach poddaje się je prasowaniu w urządzeniu pokazanym na rys. 3.
Wytłoczka jest prasowana w formie, do której zostaje dociśnięta przez ciśnienie oleju działającego na elastyczny płaszcz. W celu poprawy właściwości wytrzymałościowych i uodpornienia na działanie wilgoci wyroby spilśniane mogą być poddawane impregnacji.
Wymagania stawiane wyrobom spilśnianym
Wyrobom spilśnianym stawianych jest wiele wymagań jakościowych. Wytłoczki miękkie, o gorszych właściwościach wytrzymałościowych, stosowane są głównie jako opakowania. Wytłoczki twarde charakteryzujące się wyższymi właściwościami wytrzymałościowymi są wykorzystywane na przykład jako elementy tapicerki samochodowej. Istotną cechą w przypadku wielu tego typu produktów jest odporność na pochłanianie wilgoci – wzrost zawartości wilgoci znacząco wpływa na obniżenie właściwości wytrzymałościowych produktu.
Jednym z najczęściej spotykanych wyrobów spilśnianych są opakowania transportowe do jaj. Stanowią one typowy przykład wytłoczek miękkich i obecnie są wytwarzane z masy makulaturowej. Pomimo że są to produkty jednorazowego użytku, nie bez znaczenia pozostaje jakość masy, z której zostały wykonane. W przypadku opakowań istotne znaczenie ma wytrzymałość mechaniczna, która powinna zapewnić zabezpieczenie zapakowanego towaru w trakcie magazynowania i transportu. Ocenie poddaje się również wygląd opakowania, np. jakość wykończenia brzegów, a w przypadku opakowań na 6 czy 10 jaj trwałość zamków, które muszą zapewnić możliwość wielokrotnego otwierania i zamykania. Konstrukcja opakowania ma sprawić, że produkt odpowiednio się w nim prezentuje. Opakowania te powinny być atrakcyjne wizualnie i posiadać dużą powierzchnię reklamową umożliwiającą umieszczenie etykiety produktu.
Wyroby spilśniane przeznaczone do transportu i przechowywania jaj są układane w stosy i z tego powodu istotna jest ich wytrzymałość na nacisk statyczny.
Wyniki pomiarów
W celu oceny wytrzymałości na ściskanie dostępnych na rynku opakowań poddano badaniu wytłoczki od różnych dostawców wykonane z różnych mas i przy wykorzystaniu różnych form (rys. 4).
Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej 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. Badania przeprowadzono po klimatyzowaniu opakowań w tzw. warunkach normalnych, tzn. w powietrzu o temperaturze 23°C i wilgotności względnej 50% oraz w powietrzu o wilgotności 95%.
Produkt umieszczano pomiędzy płytami (rys. 5) i poddawa-no ściskaniu z prędkością 12,5 mm/min. Zarówno wytłoczki na 30 jaj, jak i opakowania na 10 jaj badano układając je w taki sposób, w jaki są wykorzystywane podczas transportu. Aby zapewnić wyrównanie obciążenia na całej powierzchni opakowań, zastosowano siłę wstępną 5 N.
Na rys. 6 przedstawiono przykładowe wykresy ściskania wytłoczek na 10 jaj, a na rys. 7 opakowań na 30 jaj po ich klimatyzowaniu w różnych warunkach.
Na rys. 8 przedstawiono zestawienie wyników pomiarów odporności na nacisk statyczny wytłoczek na 10 jaj pochodzących od różnych producentów i oznaczonych symbolami od 10A do 10F.
Na rys. 9 przedstawiono zestawienie wyników pomiarów odporności na nacisk statyczny wytłoczek na 30 jaj pochodzących od różnych producentów i oznaczonych symbolami od 30A do 30G.
Podsumowanie
We wszystkich zbadanych przypadkach zaobserwowano prawie dwukrotny spadek siły niszczącej opakowań klimatyzowanych w warunkach podwyższonej wilgotności.
Odporność na nacisk statyczny w tzw. normalnych warunkach klimatycznych opakowań na 30 jaj zawierała się w granicach od ok. 1700 N do ok. 3000 N, a odporność opakowań na 10 jaj zawierała się w granicach od ok. 400 N do ok. 650 N.
Odporność na nacisk statyczny wytłaczanek, które osiągnęły wilgotność równowagową z powietrzem o wilgotności względnej 95%, w przypadku opakowań na 30 jaj zawierała się w granicach od ok. 900 N do ok. 1700 N, a odporność opakowań na 10 jaj zawierała się w granicach od ok. 200 N do ok. 290 N.
Przy wykorzystywaniu wyników pomiarów wykonanych w warunkach laboratoryjnych należy pamiętać, że badania przeprowadzone są w bardzo krótkim czasie, co sprawia, że w warunkach długotrwałego składowania ich wytrzymałość będzie znacznie niższa.
Literatura
1. US 740,023 Keyes, M. L. (1903) Apparatus for making pulp articles
2. US 1,413,047 Mann, L. and Koppelman, M. (1922) Egg Packaging
3. www.opakowania.com.pl (wejście 20.11. 2017 r.)
4. www.matopat24.pl (wejście 20.11. 2017 r.)
5. www.woda-scieki.com (wejście 20.11. 2017 r.)
6. www.tomeco-systems.pl (wejście 20.11. 2017 r.)
7. „Moulded Fibre Pulp Packaging Market: Global Industry Analysis and Opportunity Assessment, 2016-2026”
8. https://www.futuremarketinsights.com/reports/moulded-fibre-pulp-packaging-market (wejście 24.11. 2017 r.)
9. Future Market Insights, PaperAge, February (2017)
10. Materiały reklamowe firmy Hartmann Moulded Pulp Packaging Machinery, Hartmann Brothers Limited – 2800 Lyngby – Denmark
Włodzimierz Szewczyk, Konrad Olejnik, Maria Bieńkowska
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
