Тесты на прочность

Хорошо известно, что повышенная влажность окружающего воздуха и влажность упакованных продуктов отрицательно сказывается на прочностных свойствах гофроящиков. При всей актуальности вопросов использования гофротары в условиях повышенной влажности в данной области проведено не так много исследований. Кроме того, в 2014 г. на «ПЦБК» появились и производятся влагопрочные марки гофрокартона, которые показали преимущества при хранении продуктов в условиях повышенной влажности. 

В связи с этим были организованы и проведены исследования, цель которых – дать российским производителям и потребителям больше информации о поведении гофротары в условиях повышенной влажности и при упаковке влажных продуктов.

Исследования свойств традиционного и влагопрочного гофрокартона, выпускаемых на ГП «ПЦБК», были проведены совместно с лабораторией ООО «Технобум-2».

Модельные испытания коробок гофрокартона при упаковке влажного продукта
​​​​​​​
Для моделирования процесса хранения влажных продуктов в коробках из гофрокартона в ООО «Технобум-2» была разработана специальная методика. Суть методики в следующем. В качестве модели влажного продукта (овощи, фрукты и др.) использовался влажный песок, а модельные коробки из гофрокартона изготавливали небольшого размера в основании – 50х50 мм² – и высотой 25 мм. Влажность песка после предварительных исследований была выбрана на уровне 9,1%. Для приготовления такого влажного песка предварительно вымытый и высушенный речной песок смешивали с дистиллированной водой в соотношении 10:1.

Для исследований использовали гофрокартон четырех видов: макулатурные Т-24 и Т-25, влагопрочный Т-24В, выпускаемые на ГП «ПЦБК». У макулатурных и влагопрочного гофрокартона плоские слои состояли на 100% из макулатуры, флютинг по ГОСТ 53206-2008. Влагопрочный гофрированный картон изготавливался в соответствии с патентом ПМ №143131.  

Методика испытаний:
​​​​​​​
1. Из гофрокартона вырезают полоски размером 200х25 мм и формируют модельные квадратные коробки (без дна и крышки) со стороной 50 мм и высотой 25 мм (высота вдоль гофров). Стыковочные концы коробки склеивают с наружной стороны узкой полоской липкой ленты. Изготовленные коробки предварительно взвешивают.

2. Изготовленную модельную коробку ставят на дно чашки Петри подходящего размера. Далее в коробку помещают предварительно взвешенную порцию песка, смешанного с водой, влажностью 9,1%. Порция песка (всегда одинаковая) должна наполнить коробку до верха при легком выравнивании, без усилий. Коробку с влажным песком прикрывают сверху второй чашкой Петри. Всю конструкцию помещают в полиэтиленовый пакет, чтобы создать замкнутую среду с высокой влажностью и исключить высыхание песка.

3. Модельную коробку с песком выдерживают 30 мин. или другое время при 22-24 0С. После чего коробку достают, удаляют песок (остатки песка удаляются мягкой кисточкой), взвешивают коробку для расчета влажности гофрокартона и сразу после взвешивания испытывают коробку из гофрокартона на сжатие вдоль гофров. 

В результате эксперимента получают два основных показателя – сорбция влаги и сопротивление торцевому сжатию гофрокартона вдоль гофров.

Для наглядности результаты, представленные в таблице 1, на рис. 1 и 2 показаны в графическом виде.

Из графиков рис. 1 видно, как меняется влажность (сорбция влаги) разных видов гофрокартона в зависимости от времени хранения модельных коробок с влажным песком. А именно видна огромная разница в сорбции влаги разными образцами гофрокартона. Так, образец гофрокартона Т-24 серийный за 45 мин хранения сорбировал значительно больше других влаги до влажности 61%. Два других образца Т-25 и Т-24 Усил. сорбировали значительно меньше влаги – до 36-37%.  При увеличении времени хранения до 2 часов значительный рост влажности у этих образцов продолжается до очень высокого уровня 61-72%. И лишь влагопрочный гофрокартон сорбировал сравнительно не много  влаги до 21% за 45 мин. и до 28% за 2 часа.

На рис. 2 показано влияние времени выдержки коробок гофрокартона с влажным песком на показатель сопротивления торцевому сжатию.

Здесь также видна значительная разница между разными образцами. Наиболее слабые результаты показал тот же гофрокартон Т-24, который сорбировал максимум влаги. Через 30 мин. хранения с влажным песком прочность гофрокартона Т-24 серийный снизилась с 4,89 до 1,51 кН/м, то есть в 3,2 раза. У трех других образцов за 30 мин. это снижение составило 2,2-2,5 раза.  При дальнейшем хранении можно видеть значительное преимущество влагопрочного гофрокартона, который через 60 мин. хранения имел показатель торцевого сжатия примерно в 2 раза более высокий, чем другие образцы гофрокартона.

Такую динамику изменения прочности разных образцов гофрокартона можно объяснить тем, что в первые 30 мин. поверхность плоского слоя картона, контактирующая с влажным песком, сохраняет определенные барьерные свойства для влаги, поскольку именно поверхностный слой любого картона для плоских слоев проклеивается наиболее существенно. Однако далее более слабо проклеенные внутренние слои не выдерживают смачивающей способности воды, и она, преодолев поверхностный слой, достаточно быстро распространяется в объем плоского слоя картона и слабо проклеенной бумаги для гофрирования.

Метод испытания структурной жесткости гофрокартона.

На рис. 3 показан типичный механизм разрушения гофроящика при хранении в стеллажах в стопе.

Из рис. 3 видно, что ящики нижнего слоя при разрушении раздуваются по ширине наружу и ломаются  на изгиб. Это типичный механизм разрушения гофроящиков.

На рис. 4 показан механизм разрушения образца гофрокартона по методу ЕСТ – сопротивление торцевому сжатию  вдоль гофров, который, как считается, определяет прочность гофрокартона и, следовательно, прочность гофроящиков.

Из рис. 4 видно, что механизм разрушения гофрокартона по методу ЕСТ – равномерное сжатие, без изгиба в поперечной (горизонтальной) плоскости. То есть в реальности, как показано на рис. 3 и рис. 4, мы видим разные механизмы разрушения – в случае испытания гофрокартона по   стандартному методу ЕСТ (рис. 4) – идет деформация на сжатие в вертикальной плоскости (без изгиба и без деформации в горизонтальной плоскости), а в случае реального разрушения гофроящика происходит изгиб гофрокартона с деформацией в горизонтальной плоскости.

Показатель прочности гофрокартона на изгиб мало используется, но он все же известен как метод структурной жесткости гофрокартона и описан в очень авторитетной книге «The Corrugated Container Manufacturing process». Ed. By Fred Kling, authors S. Perkins, Ph. Schnell. [1]

Для того чтобы лучше понять механизм разрушения гофроящиков и производить  конструктивно более прочные ящики (влагопрочные и серийные), был разработан практический метод определения структурной жесткости гофрокартона (основанный на зарубежных рекомендациях).

Суть метода определения структурной жесткости – Flexural Stiffness – (FS) гофрокартона заключается в определении разрушающей нагрузки, которую выдерживает образец гофрокартона при приложении перпендикулярной нагрузки к образцу гофрокартона, установленному горизонтально на двух опорах, то есть определении нагрузки на излом.

Проведение испытаний

Для проведения испытаний используют набор вспомогательных средств – опоры для гофрокартона, расположенные на расстоянии 90 мм друг от друга (шириной 60 мм) и валик диаметром 20 мм, который передает нагрузку на гофрокартон. Набор испытательных средств показан на рис. 6.

Образец гофрокартона устанавливают на опоры (расстояние между опорами 90 мм), как показано на рис. 7. 

Сверху на середину образца кладут валик (диаметром 20 мм), который будет передавать нагрузку пресса. 

Гофрокартон на опорах устанавливают под пресс, как показано на рис. 8, и прилагают нагрузку.

В процессе приложения нагрузки образец гофрокартона изгибается и ломается. Прибор фиксирует максимальную нагрузку при приложении изгибающего усилия.

Обработка результатов
​​​​​​​
Испытанию подвергают не менее 3-х образцов гофрокартона, соответствующих данному гофроящику.  Рассчитывают среднее значение для трех образцов. Результат заносят в таблицу.
По результатам таблицы приводятся некоторые графические зависимости.

На рис. 10 и 11 показано, как влияет масса гофрокартона на структурную жесткость СЖ и на сопротивление сжатию вдоль гофров ЕСТ. На графиках приводятся линии трендов, которые рассчитываются программой в виде линейной зависимости.

Из рис. 10  видно, что с увеличением массы гофрокартона показатель СЖ растет как для гофры «С», так и для гофры «В». При этом при одинаковой массе гофрокартона показатель СЖ у гофрокартона с гофрой «С» выше примерно на 20-25%. Это важный результат и согласуется с общеизвестным фактом, что гофра «С» обеспечивает большую прочность гофроящиков.

Из рис. 11. видно, что с увеличением массы гофрокартона показатель ЕСТ также растет как для гофры «С», так и для гофры «В». 

Однако при одинаковой массе гофрокартона показатель ЕСТ у гофрокартона с гофрой «С» ниже, с гофрой «В» примерно на 5-10%. Из этого следует, что показатель ЕСТ мало зависит от типа гофры. Но прочность гофроящиков, как известно, зависит от типа гофры.По результатам лабораторных испытаний сделаны следующие выводы:

1.    Предложен модельный метод испытания коробок гофрокартона при упаковке влажных продуктов, который позволяет моделировать упаковку и хранение продуктов различной влажности при различной температуре. Метод позволяет в ускоренном режиме анализировать динамику сорбции влаги гофротарой, а также анализировать снижение прочности гофротары при упаковке влажных продуктов. 

2.    В модельных условиях контактного хранения влажных продуктов, как показали результаты исследований, наиболее важную роль играет степень проклейки гофрокартона и наличия в нем проклеивающих и влагопрочных химикатов. Именно такие химикаты предопределяют впитывание гофрокартоном влаги, а также сохранение прочностных свойств при контакте с влажными продуктами или в условиях конденсации влаги, где также образуется свободная влага.

3.    Проведены испытания нового метода структурной жесткости (СЖ) гофрокартона на образцах различных видов гофрокартона от Т-23 до Т-27. Методика СЖ разработана на основе известных международных рекомендаций и рекомендована для факультативных испытаний гофрокартона на производстве, поскольку механизм разрушения  гофрокартона по методу СЖ, как представляется, лучше отражает механизм разрушения гофроящика, чем метод ЕСТ. 

Список литературы:
1. S. Perkins, Ph. Schnell.“The Corrugated Container Manufacturing Process”.TAPPI Press 2000.

Максим Рябов
ООО «Прикамский картон», 
инженер-технолог технического отдела
E-mail: Maksim.Ryabov@pcbk.perm.ru

Виталий Житнюк
ООО «Прикамский Картон», главный технолог
E-mail: Vitaly.Zhitnyuk@pcbk.perm.ru

Иван Рябов
ООО «Прикамский Картон», руководитель службы качества
E-mail: Ivan.Ryabov@pcbk.perm.ru

Анвар Идиатуллин
ООО «Технобум-2», директор