Impact of paperboard deformation and damage mechanisms on packaging performance

QC 230227

Abstract

Kartong är ett exempel på ett vanligt, pappersbaserat, förpackningsmaterial. Utöver från att det är återvinningsbart så finns det även andra fördelar med att använda kartong i förpackningar. Ur ett mekaniskt perspektiv har exempelvis kartong hög böjstyvhet i förhållande till sin vikt samt är enkelt att vika, vilket är två betydelsefulla egenskaper vid förpackningsdesign. En uppenbar nackdel med kartong däremot, är dess känslighet för fukt, som försämrar de mekaniska egenskaperna hos kartongmaterialet och således även förpackningsprestandan. Med materialkaraktärisering som utgångspunkt, tar den här avhandlingen upp deformationer och skademekanismers påverkan på kartongförpackningars prestanda. Initialt avhandlas relationen mellan fukt och olika mekaniska egenskaper hos kartongmaterialet på kontinuumnivå. Därefter lyfts dessa relationer upp på förpackningsnivå, genom experimentell förpackningsprovning och datorsimuleringar med finita elementmetoden (FEM).

I Artikel A genomfördes en materialkaraktärisering på fem kommersiella kartonger från samma producent, men med olika ytvikt. Följande provmetoder användes vid materialkaraktäriseringen:

• Dragprov (i planet),
• Dragprov (ut ur planet),
• Korta kompressionsprov (SCT),
• Böjstyvhetsprov,
• Skjuvprofilsprov.

Samtliga prov utfördes vid flera olika nivåer av relativ fuktighet (RH). Linjära relationer mellan mekanisk egenskap normerad med motsvarande värde vid 50 % RH och fukt noterades.

Artikel B utvärderade huruvida de linjära samband som noterades i Artikel A gäller för andra kartongserier. Således användes totalt 15 kartongkvalitéer från fyra olika tillverkare. Provningen skedde under samma förhållanden som i Artikel A. Kartongerna valdes noga ut för att säkerställa att de hade olika konstruktion och innehåll. Exempelvis innehöll fyra av kartongerna endast återvunna fibrer. Artikel B avgränsades till att endast utvärdera dragprov i planet, samt SCT som funktion av fukt. Till skillnad från Artikel A så normerades även fuktkvoterna i diagrammet, vilket resulterade i att alla kartonger, oberoende av tillverkare, sammanföll kring samma linjära masterkurva som beskriver sambandet mellan normerad mekanisk egenskap och normerad fuktkvot. Utöver detta utvecklades en bilinjär elastisk‑plastisk i-planet-modell som kan förutsäga spännings-töjningskurvor för en godtycklig kartong vid valfri fukthalt utan att genomföra några mekaniska test utöver dragprov vid standardklimat (50% RH, 23 °C). 

I Artikel C utnyttjades det linjära sambandet mellan mekanisk egenskap och fuktkvot till att prediktera materialegenskaperna som användes till ingångsparametrar vid simuleringar av boxkompressionsprovning (BCT) vid olika fuktnivåer. Simuleringarna baserades på en ortotropisk materialmodell med ett kollapskriterium, således en relativt enkel materialmodell med få materialparametrar. Simuleringarna jämfördes med experimentell provning och visade sig kunna prediktera experimentella resultat vid olika fukthalter bra. Utöver detta drogs slutsatsen att bigarnas materialegenskaper är vitala för att simulera förpackningens styvhetsrespons. För att modellera detta användes ett mätbart tillvägagångssätt baserat på vikprover för att bestämma relativ bigstyrka (RCS) och korta dragprover för att utvärdera bigens relativa dragstyrka (RTS). Alla materialparametrar baserades på mätbara data, och ingen kurvanpassning gjordes. Till följd av bigarnas stora påverkan undersöktes reduktionskvoterna, RCS och RTS, ytterligare i Artikel D. När kvoterna utvärderas mot normativ skjuvtöjning bildar de tillsammans ett bigfönster där RTS utgör övre gränsen och RCS undre gränsen i fönstret. Det noterades att båda dessa gränser betedde sig linjärt.

På grund av bigarnas betydande påverkan på förpackningsprestandan var det av yttersta intresse att utvärdera ett lastfall där förpackningen utsattes för skjuvning. Ett sådant introducerades i Artikel E: vridning av lådor, i vilken simuleringar överensstämde väl med fysiska experiment. Dessutom utvärderades effekten av böjstyvhet genom att två olika FE-modeller, där Modell 1 (tillämpad i Artikel C) simulerade kartongen som ett homogent material. I Modell 2 modellerades kartongen som en treskiktsstruktur. Trots olikheterna i uppbyggnad märktes ingen signifikant effekt på slutresultatet. Istället drogs slutsatsen att styrkan har större effekt på förpackningens BCT-värde än böjstyvheten. Inga sprickor noterades heller under bigning och montering av förpackningarna som användes i Artiklarna C och E. Det här stämmer väl överens med resultaten i Artikel D eftersom bigdjupet som användes för förpackningarna förhöll sig inom ramarna för det utvecklade bigfönstret.

Sammanfattningsvis var det primära syftet med den här avhandlingen att utveckla en lättanvänd modell med få materialparametrar som kan prediktera last‑deformationskurvor för olika lastfall. Syftet var inte att modellen skulle användas för att simulera fysiska experiment så noggrant som möjligt, utan istället att öka kunskapen om skademekanismer under provningsförfaranden. En tydlig fördel med det här tillvägagångssättet är att modellen kan användas för att antingen variera förpackningsgeometrin, eller göra en parameterstudie av de ingående materialparametrarna. Den kan också användas för varje skikt separat, vilket skulle hjälpa både konverterare och producenter. Utöver detta har det visats att modellen kan ta hänsyn till fukt, om masterkurvan från Artikel B används. Slutligen bör det förtydligas att modellen inte innehåller några parameteranpassningar och att all ingångsdata bygger på mätbara värden.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-324179