Испытание на прочность

Упаковка из гофрированного картона в настоящее время широко используется при транспортировке, хранении и реализации различных товаров и благодаря целому ряду своих преимуществ занимает ведущее место в упаковочной и целлюлозно-бумажной отраслях. Наиболее массовой продукцией для транспортной тары являются ящики из гофрированного картона, высокие эксплуатационные характеристики которых во многом обусловлены достаточным уровнем жесткости при изгибе и жесткости при сжатии гофрокартона и его компонентов. Упаковка из гофрокартона имеет хорошие противоударные свойства, является относительно крепкой и более легкой, чем многослойная картонная упаковка. Благодаря активному развитию пищевой, химической промышленности, производства вычислительной и бытовой техники спрос на упаковку из гофрированного картона неизменно повышается [1].

В связи с этим появляется необходимость в достоверной оценке и прогнозировании эксплуатационных характеристик выпускаемых ящиков из гофрированного картона для возможности гарантировать потребителю прочностные свойства ящиков.

В Российской Федерации качество гофроящиков регламентируется стандартом ГОСТ 9140-90 [2]. В зависимости от способности упаковываемой продукции воспринимать нагрузку при штабелировании предусматриваются следующие показатели механической прочности: сопротивление сжатию, сопротивление ударам при свободном падении, сопротивление горизонтальному удару, прочность при штабелировании.

При оценке потребительских свойств тары из гофрированного картона в основном речь идет о сопротивлении сжатию ящика – ВСТ (Box Compression Test). Определение сопротивления сжатию гофроящиков производится согласно ISO 12048 (ГОСТ 18211, TAPPI T804, FEFCO No.50) на испытательных прессах. Выполняется измерение нагрузки, при которой тара разрушается, теряет свою устойчивость или при которой деформация тары превышает предельное значение. Образец тары без продукции устанавливается по одной из трех осей между плитами пресса, скорость сближения которых – 10 мм/мин. Началом отсчета деформации является достижение нагрузки 200 Н. За результат принимается максимальное значение сжимающей нагрузки, регистрируемое датчиком пресса, и смещение при максимальной нагрузке [3]. 

Современные испытательные прессы позволяют дать оценку не только максимального значения прочности при сжатии гофроящиков (при которых происходит разрушение гофроящика), но и деформационного поведения гофроящика:

• провести испытание на сжатие с постоянной скоростью и получить кривую зависимости «нагрузка-смещение», которая позволяет оценить поведение гофроящика в процессе испытания;
• провести испытание в режиме релаксации напряжения при постоянном заданном смещении траверсы и получить зависимость изменения регистрируемой датчиком нагрузки от времени;
• провести испытание в режиме ползучести (штабелирование) при постоянной заданной нагрузке и получить зависимость изменения смещения траверсы пресса от времени;
• выполнить тесты циклического нагружения до заданной нагрузки или деформации, то есть моделировать реально действующие нагрузки, воздействующие на гофроящик при его транспортировке и хранении;
• с помощью специализированного программного обеспечения выполнить расчет ряда деформационных характеристик гофроящика и дать прогноз поведения гофроящика при долговременном действии сжимающей нагрузки.

В Инновационно-технологическом центре «Современные технологии переработки биоресурсов Севера», функционирующем в Северном (Арктическом) федеральном университете [4], для испытания упаковки из гофрированного картона на прочность при сжатии в соответствии с требованиями российских и международных стандартов установлен пресс TLSValidator™, позволяющий проводить все эти испытания (рис. 1). Силоизмерительный датчик пресса (максимальная нагрузка 30 кН), большие размеры плит (1000x1000 мм) и ход подвижной плиты 1000 мм дают возможность проводить испытания гофроящиков с большими размерами. Управление прессом осуществляется через компьютер, а все результаты хранятся в базе данных, что обеспечивает широкие возможности для статистической обработки и графического представления результатов за заданные периоды времени. 

При проведении ВСТ-теста на данном прессе регистрируется кривая зависимости «нагрузка-смещение», которая позволяет оценить поведение гофро-ящика в процессе испытания [5]. На рис. 2 приведены примеры такой диаграммы для серий испытаний ящиков из 3-слойного и 5-слойного гофрокартона. Сама кривая деформирования гофроящика при сжатии имеет сложный характер и состоит из нескольких участков (рис. 3). На начальном участке (I) происходит закрытие клапанов гофроящика и сжатие верхнего и нижнего дна за счет гофрослоя. На втором участке (II) сжимающую нагрузку воспринимают непосредственно вертикальные стенки гофроящика, и зависимость имеет линейный характер, что свидетельствует об обратимых деформациях. При нагрузках в пределах участка (II) гофроящик сохраняет и форму, и устойчивость, то есть не теряет потребительских свойств. На третьем участке (III) ящик еще не разрушен, но уже начинает терять форму, загиб кривой свидетельствует о необратимых деформациях, при нагрузках в этой области гофро-ящик, потеряв форму, не способен ее восстановить, а при длительном действии этой нагрузки (например, в штабеле) неизбежно разрушится. Последний участок кривой (IV) после точки максимальной нагрузки характеризует разрушение гофроящика.

Таким образом, использование испытательного пресса и получение кривой зависимости «нагрузка-смещение» позволяют сделать заключение, что предельная величина нагрузки, выражаемая через ВСТ, не подходит для оценки нагрузки, выдерживаемой гофроящиком при штабелировании. Гофроящик выдержит долговременную нагрузку, если она будет не выше, чем на границе зоны II [7].

Целлюлозно-бумажным материалам присуща неоднородность структуры и свойств, связанная с природой волокнистого материала и существующей многостадийной и многофакторной технологии изготовления [6]. Гофроящики, изготовляемые из лайнеров и флютинга, обладающих неоднородностью свойств, неизбежно различаются по механическим характеристикам, и ящики даже из одной партии с учетом различий в качестве сгиба ребер имеют разную способность к сопротивлению сжатию. Поэтому кривые сопротивления сжатию и величины BCT ящиков из одной партии могут различаться. 

Нами разработана компьютерная программа, которая выполняет математическую обработку кривых «нагрузка-смещение», получаемых при испытании на сжатие на лабораторном прессе Validator™. Данная программа, в отличие от программы, входящей в комплект пресса, позволяет получить среднюю кривую «нагрузка-смещение» (рис. 4), которая является интегральной характеристикой поведения гофроящика при сжатии; определить «точку штабелирования» (точку с максимальным углом наклона касательной, рис. 5); вычислить ряд характеристик в этой точке – нагрузку F, Н, смещение ?l, мм; жесткость гофроящика Cmax; модуль упругости Emax; работу до точки штабелирования Ашт и до разрушения Ар; и др. 

На рис. 6 приведены зависимости «нагрузка-смещение» для гофроящиков различных размеров из трехслойного и пятислойного гофрокартона различной композиции. Каждая кривая представляет собой среднюю кривую из пяти экспериментальных кривых. Результаты показывают, что ящики обладают не только различным уровнем прочности (ВСТ), но и различной способностью к деформированию, которая выражается в различном ходе кривых «нагрузка-смещение». У каждой кривой свои угол максимального наклона, точка перехода к упругой работе, точка перегиба на кривой, после которой в ящике развиваются необратимые деформации, длина кривой по оси смещения, своя относительная величина зон I, II, III кривой деформирования.

Данные, представленные на рис. 6, позволяют получить представление о степени варьирования механического поведения при сжатии гофроящиков различных размеров, формы, из гофрокартона различных марок, с белым или бурым наружным слоем.

Жесткость ящика при сжатии характеризует максимальный угол наклона касательной в зоне II (рис. 3). 

Данные эксперимента показывают, что жесткость ящика варьируется в более сильной степени (коэффициент вариации v для у ящиков из трехслойного и пятислойного гофрокартона Сmax составляет 23% и 33% соответственно), чем максимальная прочность BCT, для которой v составляет 18% и 31%. 

Расчетная величина нагрузки, которую гофро-ящик выдержит при штабелировании, составляет в среднем для ящиков из 3-слойного гофрокартона 65% от ВСТ (51...73 %), для 5-слойного – 61% от ВСТ (48...71%).

Надежный результат, обеспечивающий сохранение формы гофроящика при штабелировании в стабильных условиях влажности воздуха и температуры, составляет величину нагрузки 54% от BCT.