Клеевые соединения

• Краткий обзор

Предпосылки

Благодаря малому весу, хорошей стабильности и полному соответствию экологическим требованиям и нормам гофроупаковка, в частности транспортная тара, настолько же популярна, насколько и эффективна. Имея долю в две третьих рынка, гофрокартон является основным материалом для производства транспортной тары в Германии. Среди основных потребителей гофротары можно выделить производителей напитков, продуктов питания, а также табачных изделий, совокупная доля которых в общем объеме продаж составляет 35,5%, за ними следует сектор химпроизводства с долей 9,9%.

Кроме собственно производства гофрокартона, ключевую роль в создании транспортной тары играет его переработка: гофрокартон необходимо обрезать, сфальцевать и склеить, чтобы на выходе получился ящик или коробка. Качество клеевых соединений имеет в этом процессе первостепенное значение, так как клеевое соединение обеспечивает стабильность упаковки. Некачественная склейка может привести к разрушению коробки, а соответственно – к повреждению товара. Поэтому во избежание жалоб на свою продукцию производителям гофротары необходимо проверять и оценивать качество клеевых соединений.

Существующие сегодня методы испытаний не в полной мере способны оценить качество склейки, поскольку они, с одной стороны, измеряют сдвигающую силу, а с другой – чрезмерное внимание при измерении уделяют сортам гофрокартона.

Цель проекта

Целью проекта была разработка нового, объективного и физически правильного метода измерения качества и прочности клеевых соединений в гофроупаковке.

Результаты

Прибор для теста был разработан и испытан для определения прочности клеевого соединения различных сортов гофрокартона с помощью объективных измеренных значений, с учетом влияния отслаивания и поперечного сдвига на клеевое соединение.

Во время процесса верификации прибора использовался метод измерения, который не оказывал существенного влияния на результаты. Тем не менее для обеспечения оптимальной сопоставимости рекомендуется определить прочность клеевого соединения с помощью стандартизованной процедуры.

2    Введение и цели исследования

Типы продукции из гофрокартона

Надежность гофрокартона очень часто зависит от флютинга, к которому приклеиваются верхний и нижний лайнеры. Структура гофрокартона может быть специально изменена для улучшения его механических свойств, например, соединением нескольких слоев флютинга, разделенных вкладкой. Это важно, если основным предназначением гофроупаковки является защита продукции от высоких нагрузок. Производители часто комбинируют разные типы флютинга, отличающиеся как по длине (1,8–8,8 мм), так и по высоте (0,55–4,75 мм). Это, конечно же, влияет на профиль гофрокартона.

Типы соединений гофроупаковки

Для получения желаемой крепости соединения и надежности упаковки важно не только правильно выбрать профиль гофрокартона, но и подобрать соответствующий метод его последующей переработки. Для достижения желаемой надежности в гофрокоробах используются разные типы соединений. В зависимости от нужд есть три основных их вида.

Наиболее часто используемым при производстве гофротары соединением является клеевое соединение, часто называемое просто «склейка» (рис. 1). Дисперсионные или термоплавные клеи наносят на закрывающийся клапан при помощи клеевого колеса или сопла. После испарения растворителя на водной основе соединение становится в некоторой степени водонепроницаемым. Время застывания дисперсионных адгезивов может быть снижено путем модификации их состава, что позволяет оборудованию работать на скорости вплоть 
до 300 м/мин. ^[4].

Второй по популярности метод соединения – при помощи клейкой ленты, показан на рис. 2. Лента подается с рулона, гуммированная лента должна быть увлажнена, а плавкие ленты должны быть нагреты до необходимой температуры. В любом случае соединение создается на внешней стороне коробки с использованием давления и наложения ленты на соседние заготовки. При этом клей на заготовку не наносится. Тип используемой ленты, ее ширина, прочность бумаги-основы, стеклянные или синтетические армирующие волокна и цвет зависят от области применения и возможных нагрузок упаковки.

Еще один тип соединения – при помощи проволочной сшивки (рис. 3). Клапан соединяется с краем другой заготовки при помощи проволочных скоб. Этот способ отличается от соединения при помощи клейкой ленты лишь силой крепления. Также скобы упаковки могут повредить находящуюся в ней продукцию, что исключено при использовании клейкой ленты. Однако скобы часто используются в производстве крупногабаритной гофроупаковки и гофроупаковки из 5-, 7-, 9-слойного гофрокартона.

Тем не менее в большинстве случаев продольные края соединяются при помощи клея, благодаря тому, что этот способ гарантирует более высокую скорость работы и сравнительно низкую стоимость. Клейкую ленту и скобы используют только для транспортной упаковки, которая должна соответствовать требованиям высокой прочности ^[4].

Крепость соединения гофрокартона при помощи склейки

Согласно стандарту DIN  169301 склейкой называется соединение материалов при помощи клея или другого клеящего вещества. Клей представляет собой неметаллический материал, способный соединять детали (например, листы гофрокартона) путем поверхностного прикрепления (адгезии) и внутренних связей (сцепления). Таким образом, склеивание происходит благодаря связям «вещество-к-веществу» ^[5]. Это определение отличает склейку от других методов соединения, таких как сварка или пайка. Говоря в общем, прочность клеевого соединения – это его сопротивление, измеренное в точно определенных условиях, растягивающим нагрузкам, действующим вертикально в его продольном направлении.

На процесс склейки действуют адгезионная (внешняя склеивающая способность) и когезионная (сцепление между частицами) силы. Когезия возникает в объемной фазе адгезионной пленки, представляющей собой гомогенную смесь очень сходных взаимодействующих молекул адгезива, которые притягиваются друг к другу. Когезионная сила зависит от различных параметров, наиболее важными из которых являются средняя молярная масса и молекулярно-массовое распределение молекул полимерных адгезивов.

Адгезия представляет собой силы взаимодействия полимерных адгезивных молекул на границе между подлежащей склеиванию поверхностью (адгерент) и адгезионным (клеевым) слоем. Эти силы вызваны межмолекулярным взаимодействием между адгезивом и склеиваемой поверхностью, в данном случае гофрокартоном. Две поверхности соединены не химическими связями, как было бы в случае когезии, а вторичными связями – Ван-дер-Ваальсовыми, водородными, силы которых находятся в сильной зависимости от расстояния между поверхностями (см. теорию DLVO ^[6]) и эффективны только на очень малых расстояниях. Это означает, что клей может обеспечивать достаточную прочность только в том случае, если он прилегает достаточно близко к поверхности, подлежащей соединению.

Из этого следуют несколько основных требований к клеям: они должны быть достаточно жидкими для того, чтобы подойти достаточно близко к поверхности, которая должна быть соединена, и иметь необходимые смачивающие свойства. Смачиваемость или увлажняемость может быть просчитана при помощи параметра поверхностного натяжения: для увлажнения поверхности клей должен иметь более низкое поверхностное натяжение, чем сама поверхность (уравнение Дюпре-Юнга ^[7]). Бумага и картон обычно являются материалами с высокой полярностью, со сравнительно высоким поверхностным натяжением. Соответствующую адгезию между клеем и поверхностью бумаги можно обеспечить при помощи полимерных составов клея с функциональными группами с высоким дипольным моментом ^[8].

Условия адгезии и когезии схематически изображены на рис. 4. Когезия является результатом сил притяжения между подобными молекулами адгезива, в то время как адгезия обусловлена близкодействующими силами, такими как водородные связи, связи Ван-дер-Ваальса, и диполь-дипольными взаимодействиями между поверхностью бумаги (см. красные точки на рис. 4). Общая сила склейки представляет собой сумму всех точек прилипания на единице площади.

Нагрузки на растяжение в клеевых соединениях

Одной из задач клеевых соединений является сопротивление натяжению и поперечной нагрузке. А при воздействии других типов нагрузки, особенно сил отслаивания, клеевые соединения имеют тенденцию разрываться. Это явление обычно называют разрушением клеевого соединения, как показано на рис. 5. Ситуация A показывает эластично деформируемый полимерный клеевой слой (оранжевый) между двумя склеиваемыми поверхностями. Ситуация В показывает, как клеевой слой упруго деформируется растягивающим усилием, которое растягивает его в направлении, отмеченном двумя стрелками. Адгезионные силы в слое могут все еще выдерживать нагрузки на растяжение, но начинают уступать локально при увеличении нагрузок, и это становится заметным в виде макроскопических полостей. В некоторых из оставшихся точек соединения упругая деформация изменяется на обратную (ситуация C). Последующее увеличение нагрузки растяжения приводит к тому, что полости увеличиваются до тех пор, пока адгезионная пленка не разделится на одиночные высоко растянутые полимерные нити и последние несколько связей окончательно не разорвутся. Клеевой слой возвращается к своей первоначальной форме (ситуация E), а клеевой шов разрушен.

Если же адгезионная сила превышает когезионную силу клеевого соединения, то вышеописанные пустоты будут образовываться не на адгезивной/склеиваемой поверхности, а в объемной фазе самого клея. Клеевое соединение разрушает сам слой клея, что является когезионным разрушением.

Оба случая показывают, что важно проанализировать конкретную модель разрушения в каждом случае, чтобы определить причину разрушения и предпринять соответствующие контрмеры.

Цель

Поскольку имеющиеся методы испытаний либо не подходят для гофроупаковок, либо учитывают только сдвигающую силу (в поперечном направлении) ^{[9, 10, 11]}, проект был направлен на разработку нового объективного и физически корректного метода испытаний для оценки качества и прочности клеевого соединения в гофротаре.

• Измерительный прибор

Конструкция

Прототип, созданный производителем оборудования (рис. 6), в ходе работы над проектом был значительно оптимизирован и доработан, и готовая версия (prufbau XT 3) была представлена на DRUPA 2016 ^[12].

Преимущества нового метода

Отличительной особенностью новой техники является влияние как отслаивания, так и поперечного сдвига на клеевое соединение. Кроме того, прибор очень прост в использовании. На следующем рисунке показана тест-полоска до и после тестирования.

Влияние конструкции и геометрии на измерения

На рис. 8 показана ситуация на обходном ролике прямо перед разрывом тестовой полоски с соблюдением масштаба. Как видно, нагрузка натяжения создает влияние на клеевое соединение как отслаивания, так и поперечного сдвига. Наложенная сила отрыва возникает из-за отклонения тест-полоски на ролике, в то время как нагрузка натяжения приводит к возникновению силы поперечного сдвига.

Более того, рисунок демонстрирует, какие позиции клеевого соединения были исследованы в проекте (посредством соответственной установки образцов в разные позиции). Измерения направлялись в центр клеевого соединения. Передача возникающих сил от ролика к клеящему соединению в основном определяется следующими параметрами:

• шириной тестовой полоски;
• диаметром ролика (радиусом);
• позицией клеевого соединения (угла);
• скоростью измерения (вязкоупругие свойства клея и флютинга).

Проверка достоверности не выявила значительного влияния конструкции теста на измерения. Однако для обеспечения оптимальной сопоставимости рекомендуется определить прочность клеевого соединения с помощью стандартизованной процедуры.

Испытательное устройство позволяет легко и быстро определить прочность клеевых соединений. В дополнение к измерению прочности клеевого соединения необходимо в каждом случае документировать шаблон разрыва.

Для получения информации о качестве клеев или клеевых соединений в плане измерения прочности в самом клеевом соединении должен произойти разрыв. В остальных случаях значения характеризуют прочность всей системы (гофрокартон + клей). Однако это именно то, что необходимо для оценки эксплуатационных свойств гофроупаковки – общая система определяет упругость и прочность упаковки.

• Практические испытания

Вступление

Действенность нового метода теста была проверена на практике. Этот метод может быть использован для оценки, среди прочего, таких влияний на гофроупаковку и ее клеевые соединения, как:

• тип сырья;
• направление волокон / машинное направление;
• термоплавные и термоплавно-дисперсионные клеи;
• количество клея;
• затвердение клеевых соединений;
• тип клея.

Отдельные результаты нового прибора представлены в следующих секциях.

Тип сырья

Более высокая стойкость к расслаиванию картона для складных коробок (UD2) обеспечивает значительно более высокую прочность клеевого соединения, чем, например, серого картона, то есть обеспечивает большую прочность в качестве субстрата или склеиваемой поверхности.

Наивысшие показатели были замерены при применении комбинации тест-лайнера с крафт-лайнером с профилем Е. Комбинации разных крафт-лайнеров дают более низкие показатели. Комбинации чистых тест-лайнеров – имеют самые низкие значения. Прочность клеевого соединения в основном определяется прочностью лайнера. Во всех комбинациях профиль Е показал лучшие результаты, чем профиль В.

Направление волокон / машинное направление

Измерения нижнего клапана, когда силы действуют параллельно машинному направлению во время измерения, дают более высокие значения прочности клеевого соединения из-за ковалентных связей. Измерения в центре клеевого соединения, где силы действуют вертикально машинному направлению, показывают меньшие значения, поскольку сопротивление здесь обеспечивается только водородными связями между бумажными волокнами (рис. 10).

Термоплавные и термоплавно-дисперсионные клеи

По сравнению с чисто термоплавными клеевыми соединениями (НМ) вторая линия клея, состоящая из дисперсионного клея (D), увеличивает прочность клеевого соединения различных комбинаций картонов и гофрокартонов на 12,4% максимум (рис. 11).

Количество дисперсионного клея

При нанесении в малых и обычных количествах дисперсионный клей не вызывал существенных различий в прочности. Для достижения явно более высоких значений прочности соединения необходимо было использовать гораздо больше клея (+50%) (рис. 12).

Затвердение клеевых соединений

Тесты не показали какого-либо влияния времени затвердения клея на прочность клеевых соединений.  

Авторы: Кристиан Бенерт, Роберт Метц

¹    DIN – это технические нормы, которые разрабатываются, принимаются и публикуются Немецким институтом по стандартизации.