Обширный тест

Специальные многофункциональные качества по доступной цене делают гофрокартон все более привлекательным на растущем рынке упаковочных решений. Существующие разработки в этой области относительно более низкого граммажа, новых видов флютинга и новой легковесной продукции обусловливают необходимость обеспечения достаточного уровня механических свойств, таких как жесткость и прочность при внешней нагрузке. Помимо широкого спектра традиционных измерительных приборов, компания PTS предлагает новые подходы и решения, направленные на особые потребности клиента, например возможность оценить влияние процессов переработки, транспортировки и хранения на механическую устойчивость упаковки с особым акцентом на материальный ущерб и последующее снижение загрузки мощностей. На практике критическим является не только полное прекращение работы при соответствующей максимальной рабочей нагрузке. Ухудшить удобство и простоту использования упаковки могут также и необратимые деформации, и снижение уровня жесткости при более низком уровне давления. В некоторых случаях обычные методы испытаний не подходят для оценки характеристик упаковки на практике. Например, проскальзывание не тестируют должным образом, а оно имеет решающее значение для долгосрочной механической устойчивости транспортной тары. Для решения таких проблем компания PTS проводит комплексные исследования. Один текущий проект направлен на предварительный расчет длительной устойчивости упаковки из гофрокартона. Широкий спектр современных измерительных приборов и методов показывает, что механические свойства материала являются основным вопросом в производстве, переработке и использовании гофрокаторна. Тем не менее, комплексный контроль качества должен охватывать намного больше аспектов, таких как оптические и поверхностные характеристики, печатные, защитные и барьерные свойства.

Обеспечение механической устойчивости гофрокартона и упаковочных материалов

Поскольку гофроупаковка штабелируется [1], требования к прочности гофрокартона являются самыми важными. Штабелирование – это возможность упаковки противостоять сжатию во время транспортировки и хранения, часто оценивается с помощью испытания на сжатие коробки между двумя плоскими параллельными пластинами под давлением. Для штабелирования необходимы хорошие прочностные характеристики и сопротивление изгибу. Сдерживаемость – это способность упаковки противостоять внешнему и внутреннему механическому напряжению. Для сдерживаемости важно сопротивление разрыву и пробиванию. Сопротивление упаковочного материала сжатию также имеет значение. Если говорить о бумажной основе, то необходимо принимать во внимание жесткость на растяжение при проведении испытания на сжатие. В таблице 1 представлены доступные испытания для определения механических характеристик упаковки, гофрокартона и бумаги-основы, используя стандартные методы. 

Как правило, для тестирования берутся новые идеальные образцы бумаги-основы и гофрокартона, в то время как гофрокартон подвергается влиянию многих факторов в процессе переработки и транспортировки. Эти процессы приводят к снижению механической прочности и жесткости. Часто критическим является не только полное прекращение работы при соответствующей максимальной рабочей нагрузке. Также ухудшить удобство и простоту использования упаковки могут и необратимые деформации, и снижение уровня жесткости при более низком уровне давления. Для последующего освещения этих эффектов необходимо более детально описать факторы, влияющие на материал, такие как деформация структуры флютинга (например, необратимое изменение в несинусоидальной кривой), изгиб, продольный изгиб (коробление), разрыв клеевых соединений и т. д. С этой целью стандартные методы тестирования должны быть дополнены соответствующими механическими испытаниями, например включать циклы загрузки/перезагрузки, чтобы оценить упругие и неупругие деформации, ухудшение качественных характеристик материала, а также его повреждение или разрушение. Перспективным подходом может стать анализ видимого поля деформаций вместе с механическими испытаниями, техника, которая уже применяется к различным задачам, касающимся характеристик материала, а также для определения характерных параметров материала [2] (см. рис. 1).

Новый подход к описанию долгосрочных механических характеристик упаковки из гофрокартона основан на скорости, контролируемой экспресс-тестами.

Долгосрочные механические характеристики, особенно те, что касаются деформаций, являются одним из важнейших факторов, когда речь идет о транспортной упаковке из гофрокартона. Некоторые факторы, которые на них влияют, такие как условия загрузки и климатические условия, очень важны и должны приниматься во внимание. При стандартном испытании образцы загружаются таким образом, что повреждение происходит практически моментально или спустя несколько секунд после начала испытания. На самом же деле большое количество упаковки претерпевает постоянную нагрузку на протяжении длительного времени, и в этом случае вязкоупругие характеристики играют важную роль. Следовательно, долгосрочные технические характеристики едва ли могут быть протестированы с помощью стандартных методов испытаний. С другой стороны, используемые в настоящее время испытания на прочность требуют определенных денежных и временных затрат и поэтому не могут быть проведены в большом количестве и в случаях, когда решение необходимо принимать быстро.

Поэтому один из текущих научно-исследовательских проектов, направленный на диагностику длительной стабильности гофроупаковки, основывается на скорости, контролируемой экспресс-тестами. Новый подход подразумевает экспресс-тесты на сопротивление разрыву, уровень изгиба от продольного сжатия и тестирование в условиях разрушающей нагрузки. Испытания на основании применения различных уровней скоростей позволяют определить наличие механической константы материала.

Рисунок 2 показывает зависимость от скорости показателя зависимости между напряжениями и деформацией во время испытания 3-слойного гофрокартона на торцевое сжатие (деформация показана на отрезках от 0,0001/с до 0,1/с).

Вязкоупругая характеристика материала испытывается с помощью множественной модели Максвелла, которая состоит из последовательно соединенных пружин и демпферов – поршней, передвигающихся в цилиндре с вязкой жидкостью (элемент, представляющий необратимую деформацию) (см. рис. 3,1). Непосредственно для каждого из них определяется  скорость пружин и константа демпфера (рис. 3,2). В последующем существует возможность разработать соответствующую модель уменьшения напряжения с помощью так называемого метода Прони. Исследование зависящего от времени поведения коэффициента упругости позволяет предугадать вязкоупругие характеристики (деформации) гофрокартона, а в дальнейшем и упаковки из него (рис. 4).

В настоящее время метод должен быть расширен и подтвержден путем проведения дополнительных долгосрочных исследований в определенных климатических условиях, которые позволяют определить общие вязкопластические характеристики материала и установить уровень содержания влаги в зависимости от изменяющихся погодных условий, используя так называемое смещение.

Улучшенный метод моделирования позволяет соотнести данные экспресс-тестов с ожидаемой долгосрочной деформацией гофроупаковки и тем самым поддержать быструю, надежную и экономически эффективную разработку новой упаковки.

Тщательный контроль качества бумажных и картонных упаковочных материалов в производстве и разработке

В предыдущих главах подчеркиваются сложные механические характеристики материала, и оптимизация рассматривается как основная проблема в производстве, переработке и транспортировке гофрокартона. Тем не менее для того, чтобы добиться тщательного экономически эффективного контроля качества, необходимо учитывать больше аспектов, таких как оптические свойства, поверхностные характеристики, печатные свойства, защитные и барьерные характеристики и другие. Для того чтобы выявить специфические различия в эксплуатационных характеристиках продукта или определить возможные причины различий в качестве, необходимо систематически анализировать множество различных свойств и факторов воздействия. Компания PTS опирается на опыт, приобретенный в результате многочисленных консультационных проектов для известных клиентов, и постоянно разрабатывает новые методы для поддержания своего конкурентного преимущества.

Примеры различных составляющих, которые необходимо принимать во внимание:

Химический состав и структура продукта:

• компоненты бумаги и древесной массы, например состав волокна, золы, влаги, покрытие связующего вещества и т. д.;
• определение бумаги для гофрирования, например полуцеллюлозный флютинг, крафт- и тест-лайнер или флютинг;
• определение пятен, осадков и примесей;
• химическое картирование* в диапазоне микрометров.

Поверхностные и оптические свойства:

• микроскопический и топографический анализ;
• оптические свойства, такие как яркость, прозрачность, блеск; светостойкость и светоиндуцированное старение**.
• увлажнение и плотность, пористость;

Качества печати и переработки:

• печатные свойства при использовании цифровых или аналоговых печатных технологий;
• оценка и оптимизация процессов переработки, например биговка, фальцовка и высечка.

Соответствие требованиям безопасности пищевых продуктов:

• анализ содержания опасных веществ, таких как минеральные масла и фталаты;
• разработка барьерных покрытий;
• экологичность;
• перемещение антибактериальных составляющих.

Услуги по проведению испытаний:

• обеспечение безопасности;
• услуги по проведению испытаний, сопоставимые с CEPI.  

*    Хим. анализ с разрешением в микрометр проводится в разных областях, покрывая, таким образом, локальные различия.
**    Светостойкость относится (в основном) к оптическому отклику образца, который подвергался определенному типу излучения в течение определенного периода времени, в то время как старение под действием света охватывает такие аспекты, как структурная, химическая и механическая деградации.

^1. Kainulainen, M.; Soderhjelm, L.: End use properties of packaging papers and boards. In: Papermaking Science and Technology – Book 17 Pulp and Paper Testing. Helsinki: Fapet Oy, 1999, p 222 et sqq.
^2. Kuhnol, K.; Kuntzsch, T: Bestimmung werkstoffmechanischer Kennwerte an faserbasierten Werkstoffen aus optisch ermittelten Dehnungsfeldern. PTS Forschungsvorhaben IK-VF 130044