Badania sztywnoœci przy zginaniu metod¹ Handle-O-Meter wybranych folii opakowaniowych

Transkrypt

1 592 Sebastian JURCZYK Sebastian JURCZYK Instytut In ynierii Materia³ów Polimerowych i Barwników w Toruniu Oddzia³ Farb i Tworzyw w Gliwicach, Chorzowska 50, Gliwice s.jurczyk@impib.pl Badania sztywnoœci przy zginaniu metod¹ Handle-O-Meter wybranych folii opakowaniowych Streszczenie. W niniejszej publikacji przedstawiono wyniki oznaczenia sztywnoœci przy zginaniu materia³ów opakowaniowych metod¹ okreœlon¹ skrótem H-O-M pochodz¹cym od nazwy aparatu Handle-O-Meter. Badania wykonano wed³ug metodyki zawartej w normie PN-O-79119:1974 Materia³y opakowaniowe Oznaczanie sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M. Zakresem badañ zosta³y objête folie opakowaniowe jednowarstwowe i wielowarstwowe wykonane z PE i PET o gruboœci poni ej 0,3 mm. W artykule przedstawiono metodykê badania, opisano stanowisko do badañ oraz wykazano u ytecznoœæ wykonywania oznaczeñ sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M. S³owa kluczowe: materia³y opakowaniowe, sztywnoœæ przy zginaniu H-O-M, w³aœciwoœci mechaniczne STUDIES OF FLEXURAL RIGIDITY OF SELECTED PACKAGING FOILS USING THE HANDLE-O-METER METHOD Abstract. This paper presents the determination of flexural rigidity of packaging material using the H-O-M method which name originated from the Handle-O-Meter apparatus. Studies and measurements were made according to PN-O-79119:1979 Packaging materials Determination of flexural rigidity using the Handle-O-Meter method. The objects of the study were monolayer and multilayer packaging foils make form PE and PET with thicknesses of under 0,3 mm. This paper presents the method of testing, describes the test stand (measuring position) and shows the usefulness (utility) of determining the flexural rigidity using the H-O-M method. Keywords: packaging materials, flexural rigidity using H-O-M, mechanical properties Wstêp Wœród materia³ów s³u ¹cych do produkcji opakowañ du ¹ popularnoœci¹ ciesz¹ siê materia³y takie jak: folie jednowarstwowe i wielowarstwowe z tworzyw sztucznych, papier, folia aluminiowa. Z zastosowaniem tego typu materia- ³ów spotykamy siê powszechnie. Dynamiczny rozwój bran y opakowaniowej powoduje wprowadzanie na rynek nowych produktów maj¹cych na celu sprostanie coraz bardziej restrykcyjnym przepisom dotycz¹cym ochrony œrodowiska i przetwórstwa odpadów, oczekiwaniom klientów oraz coraz wy szym wymaganiom funkcjonalnym i wytrzyma³oœciowym. Sztywnoœæ jest jedn¹ z wa niejszych w³aœciwoœci, która charakteryzuje przydatnoœæ gotowego wyrobu do okreœlonego zastosowania. Kontrola tej w³aœciwoœci prowadzona w sposób systematyczny powala na ustalenie najbardziej optymalnych wymagañ dla konkretnych aplikacji. Obecnie na rynku dostêpne s¹ rozmaite materia³y opakowaniowe, do których nale y szeroka gama foli opakowaniowych, z którymi mo emy spotkaæ siê na co dzieñ. Oprócz oceny parametrów technologicznych jak np. masowy wspó³czynnik p³yniêcia, lepkoœæ, wygl¹d zewnêtrzny, wa nymi cechami dla wyboru odpowiednich materia³ów opakowaniowych, które

2 Badania sztywnoœci przy zginaniu metod¹ Handle-O-Meter wybranych folii opakowaniowych 593 maj¹ sprostaæ okreœlonym wymaganiom s¹ w³aœciwoœci mechaniczne ze szczególnym uwzglêdnieniem sztywnoœci przy zginaniu. Dane otrzymane przy oznaczaniu sztywnoœci przy zginaniu stosuje siê do oceny jakoœci materia³ów opakowaniowych, przeznaczonych zw³aszcza do formowania przy u yciu maszyny opakowaniowej, najczêœciej owijaj¹cej [1 3]. Metoda Handle-O-Meter jest popularna za spraw¹ dwóch czynników: pierwszy to istota pomiaru ³¹cz¹cego efekt gruboœci i modu³ sprê ystoœci, drugi to powtarzalnoœæ warunków pomiaru i uzyskiwanych wyników. Zdoby³a ona uznanie na œwiecie, w bran y opakowaniowej, co potwierdza fakt, podawania w tablicach opisuj¹cych w³aœciwoœci tworzyw opakowaniowych wartoœci sztywnoœci okreœlonej skrótem H-O-M [1]. Przemys³ opakowaniowy zu ywa du e iloœci folii z tworzyw polimerowych na produkcjê opakowañ jednostkowych. Folie z poliolefin wytwarzane s¹ najpowszechniej metod¹ wyt³aczania z rozdmuchiwaniem [4]. Szeroka gama produkowanych folii pozwala na dostosowanie produktu do okreœlonego zakresu wymagañ. Wœród folii opakowaniowych mo emy wyró niæ folie jednowarstwowe i wielowarstwowe. Drugi rodzaj folii uzyskiwany w procesie wspó³wyt³aczania lub laminowania zyskuje coraz wiêksz¹ popularnoœæ ze wzglêdu na wy sze w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe, mo - liwoœci wykonania warstw œrodkowych z recyklatu, polepszon¹ zgrzewalnoœæ w porównaniu do folii jednowarstwowych. Przedmiotem badañ by³y folie opakowaniowe jedno- i wielowarstwowe, transparentne oraz przeznaczone do nadruku, wykonane z tworzyw polimerowych, stosowane w przemyœle budowlanym, chemicznym oraz spo- ywczym o gruboœci poni ej 300 μm. Materia³ Metodyka badañ Do badañ wytypowano nastêpuj¹ce folie opakowaniowe: Folia trójwarstwowa PE-LD, o œredniej gruboœci 150 μm Folia jednowarstwowa PE-LD, o œredniej Folia PET, o œredniej gruboœci 70 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 20 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 10 μm Przygotowanie próbek Próbki o wymiarach okreœlonych w normie PN-O-79119:1974 wyciêto rêcznie przy pomocy skalpela chirurgicznego. Wykonano 10 próbek dla kierunku wzd³u nego folii oraz tak¹ sam¹ liczbê próbek dla kierunku poprzecznego folii wzglêdem kierunku wyt³aczania. Próbki sezonowano przed rozpoczêciem badania przez 24 godziny w warunkach badania [5]. Pomiary sztywnoœci H-O-M Badania oznaczenia sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M przeprowadzono przy u yciu maszyny wytrzyma³oœciowej INS- TRON TT-CM I klasy dok³adnoœci. Zastosowano g³owicê do pomiaru si³ przy œciskaniu o zakresie pomiarowym do 20 N, oraz przystawkê do oznaczania sztywnoœci przy zginaniu wykonan¹ wed³ug wymiarów podanych w punkcie normy PN-O-79119:1974. Urz¹dzenie do oznaczania sztywnoœci przy zginaniu sk³ada siê z p³ytki zginaj¹cej, zamocowanej do belki ruchomej, która ma za zadanie wcisn¹æ próbkê w szczelinê znajduj¹c¹ siê w p³ycie stalowej, zamocowanej na elemencie pomiarowym. Urz¹dzenie przedstawiono na rysunku 1. Próbki do badañ powinny stanowiæ prostok¹t o szerokoœci 15 mm i d³ugoœci 200 mm. Zasada metody H-O-M polega na zginaniu próbki materia³u w postaci paska przy u yciu maszyny wytrzyma³oœciowej przez wciskanie próbki w szczelinê i pomiarze najwiêkszego oporu. Wyniki pomiarów s¹ porównywalne przy zachowaniu odpowiednich wymiarów,

3 594 Sebastian JURCZYK Rys. 1. Urz¹dzenie do prowadzenia badañ sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M materia³ów opakowaniowych wg [5]. warunków klimatyzacji oraz temperatury i wilgotnoœci wzglêdnej w czasie przeprowadzania pomiarów. Wed³ug zaleceñ normy do oznaczania sztywnoœci nale y przygotowaæ 20 próbek, z czego 10 próbek nale y wyci¹æ w kierunku równoleg³ym do kierunku wyt³aczania próbki przeznaczone do oznaczania sztywnoœci materia³u w kierunku poprzecznym, oraz 10 próbek w kierunku prostopad³ym do kierunku wyt³aczania próbki przeznaczone do oznaczania sztywnoœci materia³u w kierunku wzd³u nym Oznaczanie sztywnoœci prowadziæ nale y oddzielnie dla kierunku poprzecznego i wzd³u nego. Przy pomiarze wykonanym na 10 próbkach dla danego kierunku, 5 pierwszych badanych próbek nale y uk³adaæ jedn¹ stron¹ na szczelinie (badanie góra-dó³), a kolejnych 5 uk³adaj¹c stron¹ odwrotn¹ do poprzednio badanych (badanie dó³-góra). Prêdkoœæ posuwu p³ytki zginaj¹cej (penetratora), osadzonej na ruchomej belce maszyny trawersy powinna wynosiæ 50 mm/min. Po uruchomieniu pomiaru nale y zarejestrowaæ Rys. 2. Stanowisko do pomiarów sztywnoœci metod¹ H-O-M wg [5]: 1 belka ruchoma, 2 p³ytka zginaj¹ca, 3 p³ytka ze szczelin¹, 4 g³owica pomiarowa

4 Badania sztywnoœci przy zginaniu metod¹ Handle-O-Meter wybranych folii opakowaniowych 595 maksymalny opór przy zginaniu próbki podczas wciskania jej w szczelinê znajduj¹c¹ siê w p³ycie stalowej. Stanowisko badawcze do prowadzenia oznaczeñ pokazano na rysunku 2. Zgodnie z norm¹ przedmiotow¹ sztywnoœæ przy zginaniu definiowana jest jako najwiêksza si³a oporu wystêpuj¹ca przy wciskaniu materia³u do szczeliny pomiarowej na jednostkê d³ugoœci, wyra ona w N/m [5]. Sztywnoœæ przy zginaniu oblicza siê wed³ug wzoru: Z P N 981, gdzie: l m Z sztywnoœæ przy zginaniu [N/m] P si³a oporu przy zginaniu próbki [g] l d³ugoœæ próbki [mm] Nale y oddzielnie przedstawiæ wyniki pomiarów sztywnoœci dla ka dego z kierunków wyciêcia próbek. Za wynik oznaczenia sztywnoœci H-O-M dla ka dego z kierunków wyciêcia próbek nale y przyj¹æ œrednie arytmetyczne poszczególnych oznaczeñ. Wyniki badañ Obserwuj¹c wykres otrzymany podczas badania mo emy wyró niæ w nim 4 etapy: etap 1 nastêpuje odpowiednie u³o enie siê próbki oraz usuniêcie wszelkich luzów na uk³adzie pomiarowym; etap 2 wzrost si³y wywieranej na próbkê w celu jej wciœniêcia w szczelinê belki. Wartoœæ si³y uzale niona jest od w³aœciwoœci mechanicznych tworzywa z którego wykonana jest badana próbka. Szczególnie istotna jest wartoœæ wspó³czynnika sprê ystoœci pod- ³u nej; etap 3 osi¹gniêcie maksymalnej wartoœci si³y przy której nastêpuje w³aœciwe oznaczenie sztywnoœci przy zginaniu folii; etap 4 spadek wartoœci si³y odpowiadaj¹cej sztywnoœci przy zginaniu folii na skutek wciœniêcia w szczelinê i utracie sztywnoœci w wyniku zmian geometrii próbki badanej. Poszczególne etapy pokazano na rysunku 3 stanowi¹cym wykres pomiaru si³y w funkcji Rys. 3. Wykres pomiaru si³y podczas badania sztywnoœci przy zginaniu w kierunku poprzecznym odkszta³cenia prowadzonym w trakcie badania sztywnoœci przy zginaniu. Analizuj¹c wyniki badañ mo na stwierdziæ, e przeprowadzone oznaczenia sztywnoœci H-O-M dla poszczególnych próbek wykazuj¹ niewielki b³¹d standardowy, co potwierdza prawid³owoœæ zastosowanej metodyki badawczej. Wartoœci b³êdu standardowego dla poszczególnych folii mog¹ wynikaæ z ró nic w gruboœci badanych próbek. Mo na wnioskowaæ, e interpretacja uzyskanych wyników przy zastosowaniu metody H-O-M pozwala na stwierdzenie wystêpuj¹cych niejednorodnoœci materia³u, oraz problemów zwi¹zanych ze zmianami wartoœci sztywnoœci na zginanie spowodowanych miejscowymi zmianami gruboœci materia³u przeznaczonego do badañ, oraz innymi problemami, które mog¹ pojawiæ siê w trakcie wyt³aczania folii. Oznaczaj¹c sztywnoœæ przy zginaniu metod¹ H-O-M mo - na dodatkowo okreœliæ wp³yw zmiany faktury powierzchni folii na zmianê sztywnoœci przy zginaniu, co jest bardzo wa nym parametrem dla producentów folii oraz jej nabywców. Podsumowanie Istnieje ci¹g³a koniecznoœæ doskonalenia metod badañ dla lepszego odwzorowania warunków wystêpuj¹cych w praktyce. Sztywnoœæ

5 596 Sebastian JURCZYK Tab. 1. Wyniki sztywnoœci przy zginaniu w kierunku wzd³u nym Kierunek badania Wzd³u góra-dó³ Jednostka Folia trójwarstwowa gruboœci 150 μm Folia jednowarstwowa Nazwa folii Folia PET o œredniej gruboœci 70 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 20 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 10 μm 44,0 ± 2,9 23,4 ± 0,3 72,5 ± 1,2 0,5 ± 0,0 0,4 ± 0,0 Wzd³u dó³-góra N/m 50,3 ± 2,6 23,4 ± 0,4 78,9 ± 2,5 0,6 ± 0,1 0,4 ± 0,0 Œrednia 47,2 ± 4,2 23,4 ± 0,3 75,7 ± 3,8 0,6 ± 0,1 0,4 ± 0,0 Tab. 2. Wyniki badañ sztywnoœci przy zginaniu dla kierunku w poprzek Kierunek badania W poprzek góra-dó³ Jednostka Folia trójwarstwowa gruboœci 150 μm Folia jednowarstwowa Nazwa folii Folia PET o œredniej gruboœci 70 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 20 μm Folia laminat PET metalizowany + PE, o œredniej gruboœci 10 μm 49,1 ± 1,0 21,9 ± 4,5 80,1 ± 0,8 0,6 ± 0,1 0,5 ± 0,0 W poprzek dó³-góra N/m 48,7 ± 3,2 23,0 ± 2,7 77,7 ± 1,6 0,6 ± 0,0 0,4 ± 0,0 Œrednia 48,9 ± 2,2 22,5 ± 3,5 78,9 ± 1,7 0,6 ± 0,1 0,5 ± 0,0 przy zginaniu stanowi istotny wskaÿnik jakoœciowy dla oceny folii opakowaniowych. Parametr ten wp³ywa na zasadnoœæ i sposób wykorzystania danej folii w maszynach opakowaniowych np. owijaj¹cych. Pozwala na odpowiedni dobór parametrów pracy tych maszyn z zastosowaniem konkretnej folii. Oznaczanie sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M znajduje zastosowanie w praktyce. Umieszczenie sztywnoœci oznaczanej powy sz¹ metod¹ w kartach charakterystyk opakowaniowych materia³ów polimerowych, oraz przeprowadzanie oznaczenia dla folii wytwarzanych wed³ug nowych receptur potwierdza u ytecznoœæ tej metody. Bibliografia 1. Czerniawski B., Umiñski A., Rozszerzenie mo liwoœci pomiarowych maszyny wytrzyma³oœciowej, COBRO, Warszawa, 1975 r. 2. Czerniawski B., Nassalski A., Folie opakowaniowe, WNT, Warszawa, 1970 r. 3. Juœkiewicz M., Panfil-Kuncewicz H., Folie opakowaniowe i opakowania stosowane w przemyœle spo- ywczym, Wydawnictwo ART, Olsztyn, 1999 r. 4. Fr¹szczak Z., Królikowski B., Kraus M., Wykorzystanie metalocenowych kopolimerów etylenu i wy - szych alfa-olefin do produkcji folii wielowarstwowej, Przemys³ Chemiczny, 2011, 90, Norma polska: PN-O-79119:1974 Materia³y opakowaniowe Oznaczanie sztywnoœci przy zginaniu metod¹ H-O-M.