+ dodaj ogłoszenie | promocje | kontakt

Aktualności > Technologie > Badanie dynamicznych właściwości pianek opakowaniowych
« poprzednie | następne »

Technologie

Opanowanie w latach 50. XX wieku technologii wytwarzania tworzyw sztucznych w postaci spienionej spowodowało radykalne zmiany w wielu gałęziach przemysłu (np. przemysł meblowy, budownictwo, przemysł samochodowy). Pianki okazały się szczególnie atrakcyjne dla przemysłu opakowań z uwagi na ich liczne zalety, takie jak: mała gęstość pozorna (lekkość), niskie koszty produkcji, łatwość modelowania złożonych kształtów geometrycznych, dobre izolacyjne właściwości termiczne i elektryczne, odporność chemiczna, trudnopalność, wodoodporność, izotropowość tych właściwości – a przede wszystkim zdolność absorbowania energii kinetycznej.

Najbardziej rozpowszechnione są trzy rodzaje pianek, oznaczane skrótem anglojęzycznym danego polimeru z dodaną na początku literą E (od słów: expanded plastic = tworzywo sztuczne porowate [spienione] o porach zamkniętych): EPE – spieniony poliuretan, EPP – spieniony polipropylen oraz EPS – spieniony polistyren, przy czym ten ostatni ma najlepsze właściwości opakowalnicze.

Do produkcji tworzyw spienionych potrzebna jest ropa naftowa i gaz ziemny, które drożeją; mimo to produkcja opakowań z pianek stale wzrasta. Ponadto zużyte pianki nie są biodegradowalne i stanowią znaczący składnik zanieczyszczenia środowiska; dlatego poszukuje się sposobów poprawy tego stanu rzeczy. Po pierwsze, w ramach recyklingu do mniej odpowiedzialnych zadań opakowalniczych stosuje się pianki z domieszką do 30% pianek z odzysku; po drugie, trwają intensywne prace nad wytwarzaniem pianek biodegradowalnych na bazie polimerów naturalnych, głównie skrobi otrzymywanej z tapioki, kukurydzy lub pszenicy. Ponieważ o ilości zużytej pianki decyduje zdolność zaprojektowanego opakowania do ochrony jego zawartości przed uszkodzeniem, w celu minimalizacji niezbędnej ilości zużytego materiału opakowaniowego prowadzone są badania właściwości dynamicznych zarówno materiałów wyjściowych, jak i gotowych opakowań, pod kątem ich optymalizacji.

Właściwości dynamiczne pianek

Właściwości mechaniczne – a więc także dynamiczne – pianek opakowaniowych wynikają z ich budowy strukturalnej. Jest to budowa komórkowa, przy czym pory są zamknięte, a ścianki komórek – sztywne (lub półsztywne). Do teoretycznych rozważań nad mechaniką pianek często przyjmuje się model komórki złożony ze ścianek czworo- i sześciokątnych (ang. Tetrakaidecahedral closed cell – rys.). Nawet przy możliwościach współczesnej techniki komputerowej analityczne wyznaczenie równań np. charakterystyki ściskania statycznego jest trudne, ponieważ dla struktury komórek z rys. 1 należy obliczyć odkształcenia związane ze zginaniem, wyboczeniem i pękaniem krawędzi między ściankami (jako prętów) oraz ścianek (jako płyt), a także uwzględnić sprężystość gazu wewnątrz komórek. Ponadto nigdy nie jest zamknięte 100% porów. Dlatego podstawę rozważań praktycznych stanowią krzywe doświadczalne.

Na krzywej odkształcenia statycznego jednoosiowego dla pianki sztywnej o porach zamkniętych wyróżnia się trzy charakterystyczne obszary. Dla niewielkich odkształceń, ε poniżej 5%, pianka wykazuje właściwości liniowo sprężyste (nachylenie jest proporcjonalne do modułu Younga) dzięki sprężystym odkształceniom ścianek komórek. Dla wartości ε pomiędzy ok. 5% i ok. 60% występuje tzw. Obszar plateau, w którym przy nieznacznym wzroście naprężeń σ zachodzi znaczne ściśnięcie warstwy pianki wskutek albo wykrzywiania ścianek (pianki elastyczne), albo też ich pękania lub deformacji plastycznej (pianki sztywne). Skoro odkształcenia ε staną się tak znaczne (ok. 60%), że w komórkach pianki nastąpi stykanie się przeciwległych ścianek, dalsze ściskanie pianki wymaga gwałtownego wzrostu naprężeń σ (obszar zagęszczania). Podczas odciążania pianka wykazuje ograniczony i silnie nieliniowy obszar rozprężania.

Powyższa charakterystyka pośrednio wiąże się z właściwościami dynamicznymi pianek, gdyż pole pod krzywą ε-σ, dla danego naprężenia σ, odpowiada energii zaabsorbowanej przez jednostkową objętość pianki podczas jej ściskania. Idealny materiał przeciwwstrząsowy powinien wykazywać charakterystykę typu plateau w całym zakresie odkształceń.

Dla materiałów opakowaniowych wyznacza się doświadczalne krzywe amortyzacji (ang. cushion curves), upuszczając swobodnie z wysokości h – na próbkę wyciętą z pianki – płytę płaską z wmontowanym sensorem przyspieszeń, tj. akcelerometrem. Zmieniając ciężar płyty przy zachowaniu niezmienionych pozostałych parametrów (h, wymiary próbki i jej gęstość), uzyskuje się zbiór danych do wykreślenia wspomnianych krzywych amortyzacji: G = f(σ s). Naprężenie statyczne σ s jest to iloraz ciężaru płyty przez pole powierzchni styku płyty z próbką; naprężenie takie wystąpiłoby w próbce pod statycznym naciskiem płyty położonej quasi-statycznie na próbce (a nie upuszczonej z wysokości h). Natomiast G jest to współczynnik przeciążenia (ang. Impast factor G lub G value) czyli stosunek maksymalnego przyspieszenia, jakie wystąpiło podczas uderzenia płyty w próbkę pianki (ang. peak acceleration), do wartości przyspieszenia ziemskiego (g = 9,81 m/s2). Należy zaznaczyć, że czas trwania uderzenia jest bardzo krótki: dla pianek sztywnych trwa ono kilka milisekund, dla pianek elastycznych – kilkanaście milisekund, lecz siły występujące w tym czasie, tzw. Siły chwilowe są bardzo znaczne; w szczytowym momencie zderzenia występuje pozorny wzrost ciężaru płyty G-krotnie.

Jak wynika z rys. 3, krzywe G = f(σ s) mają kształt zbliżony do paraboli, tym węższych, im większą wartość ma stosunek h do d (grubość próbki). Widoczne jest Zatem, że dla każdej z różnych grubości pianki występuje przy pewnym naprężeniu σ s minimalna wartość G, oznaczana jako G’. Krzywe G = f(σ s) stanowią podstawę optymalnego projektowania opakowań; ponieważ każdy produkt wymagający opakowania posiada pewną granicę kruchości (uszkadzalności) charakteryzowaną krytyczną wartością przyspieszenia akr, dlatego znając masę tego produktu, i przyjmując G’ ≈ akr/g, oraz standardową wysokość spadku swobodnego (np. podczas przenoszenia: h = 1,2 m) można wyznaczyć optymalną grubość warstwy materiału przeciwwstrząsowego dopt , i jego powierzchnię Aopt. W większości przypadków powierzchnia Aopt jest mniejsza niż powierzchnia produktu i dlatego w konstrukcji opakowań stosuje się żebra. W opakowaniu zarówno niedociążonym, jak i przeciążonym wystąpią współczynniki przeciążenia G większe od G’, co wiąże się z nieoptymalnym wykorzystaniem materiału i może skutkować uszkodzeniem produktu. W przypadku ograniczeń przestrzennych można optymalizować opakowanie, używając pianek o różnych grubościach.

Badania dynamicznych właściwości pianek

Ponieważ w badaniach właściwości dynamicznych dominują dane uzyskiwane empirycznie, opracowano szereg konstrukcji urządzeń do tych badań; część koncepcji takich urządzeń jest opisana w normach, a część została zbudowana dla własnych potrzeb przez firmy badające opakowania, w celu lepszej oceny ich właściwości (np. jeśli norma nie uwzględnia oporu powietrza lub tarcia w prowadnicach). Dotyczy to zwłaszcza badań dynamicznych materiałów przeciwwstrząsowych przeznaczonych do zwiększenia bezpieczeństwa, np. w samochodowych crash-testach lub przy konstruowaniu kasków motocyklowych, kiedy współczynnik przeciążenia G może osiągać wartość 300 g i więcej. Przykładową konstrukcję urządzenia do przeprowadzania badań metodą dynamiczną (ang. drop tests) przedstawia rys.

Chociaż czas trwania uderzenia w próbkę jest rzędu kilku milisekund, to współczesne sensory pozwalają rejestrować z dużą dokładnością nie tylko szczytowe wartości przyspieszeń, ale i ich chwilowe wartości, a także chwilowe wartości prędkości i przemieszczeń (deformacji próbki). Po dokonaniu filtracji zakłóceń sygnałów pomiarowych, można na podstawie otrzymanych widm częstotliwości wnioskować np. o przemieszczeniach produktów wewnątrz opakowań podczas ich upadków na naroża lub krawędzie (wymaganych przez normy). Można także analizować proces absorbowania energii nie tylko przy zderzeniu z płytą płaską, ale też z powierzchniami o różnych kształtach: stożkowych, kulistych itp. Znaczącą pomocą może być także wideofilmowanie o dużej szybkości przesuwu taśmy. Podczas badań należy zapewnić utrzymywanie standardowej temperatury otoczenia, gdyż wiele pianek zmienia swą sprężystość pod wpływem zmian temperatury.

Jako alternatywę badań z użyciem masy spadającej swobodnie, niektóre firmy wprowadziły badania na wstrząsarkach za pomocą pojedynczych półfalowych impulsów sinusoidalnych o częstotliwości co najmniej 6-krotnie większej niż częstotliwość własna układu próbka – obciążenie. Zaletą tej metody jest dokładne i powtarzalne ustawienie badanego opakowania na narożu lub krawędzi (statystycznie są to przypadki w praktyce najczęstsze) – jednak wyniki nie są jednoznacznie porównywalne z wynikami uzyskanymi metodą spadku swobodnego.

Podsumowanie

Uszkodzenia produktów wskutek upadku, uderzenia lub wibracji – np. w transporcie lotniczym – są przyczyną dodatkowych kosztów. Dlatego optymalnie zaprojektowane piankowe opakowanie przeciwwstrząsowe ma duże znaczenie dla producentów np. sprzętu RTV lub komputerowego. Optymalizacja opakowań piankowych pod względem ich właściwości dynamicznych jest tym bardziej istotna, że przewymiarowane elementy ze spienionych polimerów oznaczają większe zanieczyszczenie środowiska nierozkładalnymi odpadami oraz większe zużycie drożejących surowców; pianki z udziałem polimerów naturalnych, np. skrobi, chociaż biodegradowalne, są znacznie cięższe i wrażliwe na wilgoć, a ponadto jako materiały nowe, nie zdobyły sobie jeszcze wystarczającego zaufania wytwórców i użytkowników.

Komputerowe symulacyjne badania prototypów opakowań (ang. Virtual drop testing) dzięki rozwiniętym metodom analizy FEM pozwalają obniżyć koszty i skrócić czas projektowania opakowań, a także dają wgląd w zmiany struktury opakowania w trakcie uderzenia bez dodatkowo zamontowanych sensorów. Jednak trudności wynikające za skomplikowanych algorytmów opisujących kontakt między powierzchniami podczas uderzenia sprawiają, że decyzje dotyczące np. użebrowania opakowań mają charakter heurystyczny.

Obecnie w projektowaniu opakowań pod względem odporności dynamicznej najważniejsze pozostają doświadczenia praktyczne i intuicja zawodowa, a metody dostarczające wyników liczbowych – doświadczalnych lub symulacyjnych – mogą stanowić użyteczne przesłanki w procesie projektowania.


Źródło: Tworzywa Sztuczne i Chemia Nr 5/2005