1

Badanie właściwości wytrzymałościowych wyrobów z tektury i papieru

ZIP (teoria z ćwiczeń: papier i tektura)

Wytrzymałość na rozciąganie - maksymalna siła rozciągająca przypadająca

na jednostkę szerokości, jaką papier lub tektura wytrzymują zanim ulegną zerwaniu w warunkach określonych przez znormalizowaną metodę badania.

Samozerwalność - wyliczona graniczna długość paska papieru lub tektury o jednakowej szerokości, powyżej której pasek zamocowany na jednym końcu ulegnie zerwaniu pod własnym ciężarem.

Wskaźnik wytrzymało ści na rozciąganie: Wytrzymałość na rozciąganie (wyrażona w niutonach na metr) podzielona przez gramaturę.

Właściwości wytrzymałościowe. Właściwości wytrzymałościowe należą

do najważniejszych cech tektury, ze względu na przebieg procesów poligraficznych, przetwórczych i okresu użytkowania. Odporność tektury uzależniona jest w dużej mierze od długości włókien, sił wiążących włókna (skład i rodzaj surowców włóknistych, sposób mielenia – stopień rozwinięcia powierzchni włókien), środki wiążące, kleje, wypełniacze, przebieg procesu produkcyjnego oraz warunki zewnętrzne (wilgotność, temperatura) podczas użytkowania.

Badanie właściwości wytrzymałościowych powinno odbywać się w kontrolowanych warunkach temperatury i wilgotności i te informacje powinny być publikowane wraz z wynikami badań. Warunkami znormalizowanymi dla tego typu badań, przyjęto wykonywanie oznaczeń w temperaturze 23 +/- 1 oC i wilgotność względna powietrza 50 +/- 2 %.

Badanie właściwości wytrzymałościowych określa w umowny sposób charakterystykę papieru pod wpływem działania siły lub sił, działających w określonym kierunku, równolegle lub prostopadle do płaszczyzny. Badania te możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy: badania nieniszczące (lub niedestrukcyjne) oraz badania niszczące. Do grupy badań nieniszczących zaliczamy:

- oznaczanie ściśliwości, - oznaczanie sztywności, - oznaczanie twardości, - współczynnika tarcia, - współczynnika sprężystości, - zdolność relaksacji, - odkształcenie plastyczne.

2

Do drugiej grupy badań, czyli niszczących, zaliczamy: - badania statyczne: - wytrzymałość na rozciąganie w warunkach statycznych, - wydłużenie, - przepuklenie. - badania dynamiczne: - odporność na zginanie, - wytrzymałość na przedarcie, - odporność na rozwarstwienie, - odporność na łamanie. Między wskaźnikami statycznymi i dynamicznymi nie występują współzależności

i nie można ich przeliczać względem siebie. Wytrzymałość na rozciąganie. Wytrzymałość na rozciąganie charakteryzuje

wytrzymałość na zerwanie w warunkach statycznych. Określana jest w niutonach na jednostkę szerokości badanej tektury. Wytrzymałość na rozciąganie jest najważniejszą właściwością wytrzymałościową tektur wielowarstwowych, stosowanych np. do produkcji opakowań i okładek. Nie odzwierciedla ona jednak charakteru tektury wielowarstwowej, jako tworzywa, ponieważ wyraża obciążenie zrywające na jednostkę liniową (przypadającą na szerokość badanej próbki), a nie jednostkę powierzchni. Wytrzymałość na rozciąganie zależy przede wszystkim od ilości i mocy wiązań między włóknami oraz (w mniejszym stopniu) od długości włókien (jest ona proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego ze średniej ważonej długości włókien). Wielkość wytrzymałości tektury na rozciąganie jest zależna od jej wilgotności (im wyższa wilgotność, tym mniejsza wytrzymałość na rozciąganie). Wytrzymałość na rozciąganie jest zawsze większa w kierunku podłużnym niż poprzecznym o 50 – 100 %.

Rozciągliwość. Rozciągliwość stanowi miarę odkształcenia tektury pod wpływem

naprężenia rozciągającego, aż do chwili zerwania. Wydłużenie ma także wpływ na inne właściwości mechaniczne, jak np. na odporność na zginanie. W przeciwieństwie do wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenie jest prawie zawsze większe w kierunku poprzecznym (różnica wydłużenia ok. 1,5 – 2 %). Najczęściej waha się w granicach 2 – 4 % dla kierunku poprzecznego. Wydłużenie zależy od stopnia zmielenia masy papierniczej i długości włókien oraz od stopnia wypełnienia i sprasowania wstęgi tektury. Mielenie przeważnie zwiększa wydłużenie, skracanie włókien powoduje zmniejszenie wydłużenia. Zmniejszenie stopnia wypełnienia i sprasowania powoduje na ogół zmniejszenie wydłużenia. Wydłużenie jest bardzo wrażliwe na starzenie się tektury wielowarstwowej, zmniejszenie wydłużenia w określonym czasie najlepiej charakteryzuje trwałość takiej tektury.

Sztywność. Wyraża odporność tektury wielowarstwowej (lub innego produktu

papierowego) na wygięcie pod wpływem sił działających prostopadle do jej powierzchni. Sztywność wzrasta proporcjonalnie do trzeciej potęgi grubości wyrobu papierowego, a przy stałej grubości proporcjonalnie do gęstości pozornej wyrobu, maleje przy zwiększeniu

3

wilgotności oraz pod wpływem dodatku plastyfikatora. Wskaźnik ten jest około dwukrotnie większy w kierunku podłużnym niż poprzecznym.

Pożądana jest sztywność tektur wielowarstwowych przeznaczonych do produkcji pudełek składanych, kart do gry, brystolów, papierów listowych, dokumentowych itp., niepożądana jest m.in. do papierów drukowych.

Papier i tektura podlegają w procesach technologicznych zadrukowywania i obróbki wykończeniowej różnym odkształceniom. Dlatego też, chcąc zapewnić prawidłowy przebieg produkcji, należy znać właściwości wytrzymałościowe tych materiałów. Jedną z ważnych roboczych właściwości produktów papierowych jest ich sztywność, czyli opór, jaki stawiają one przy odkształceniach spowodowanych działaniem zewnętrznych sił zginających. Sztywność częstokroć warunkuje zachowanie się tektur wielowarstwowych w procesie technologicznym i decyduje o rezultatach końcowych produkcji. W przypadku produkcji pudełek składanych sztywność tektur wielowarstwowych jest podstawowym parametrem, który decyduje o sztywności całej konstrukcji opakowania, a tym samym o jego wielkości i możliwości pakowania konkretnego towaru.

Sztywność przy zginaniu S, bo tak poprawnie z fizycznego punktu widzenia nazywa się parametr, jest iloczynem współczynnika sprężystości (modułu Younga) E (N/m2) oraz geometrycznego momentu bezwładności l (m4), odniesionego do jednostkowej szerokości b (m) badanego układu:

][ mNb

lES ⋅⋅=

Ćwiczenie 1. Oznaczanie odporności na zgniatanie płaskie tektury falistej stosowanej

do produkcji pudeł wg PN-EN 23035:1999. Metoda jest odpowiednia dla tektur falistych dwu- i trójwarstwowych. Nie nadaje

się dla tektur pięciowarstwowych.

Zasada metody Próbkę do badań wyciętą z reprezentatywnej próby tektury falistej poddaje

się działaniu wzrastającej siły, przyłożonej prostopadle do powierzchni za pomocą urządzenia ściskającego, wyposażonego w dwie płaskie i równoległe płyty, aż do momentu zgniecenia warstwy pofalowanej.

Mierzy się maksymalną siłę, jaką wytrzymała badana próbka. Przyrząd do zgniatania płaskiego: prasa o napędzie elektrycznym, z płaskimi

płytami. Płyty powinny być odpowiednio większe od określonej wielkości badanej próbki oraz powinny spełniać następujące wymagania:

- odchyłka od równoległości nie większa niż 1 : 1 000; - luz boczny nie przekraczający 0,05 mm.

4

Jeżeli przyrząd pracuje z jedną płytą nieruchomą, a druga ma bezpośredni napęd, to prędkość zbliżania się płyt powinna wynosić 12,5 ± 2,5 mm/min.

Etapy postępowania 1. Szczęki maszyny wytrzymałościowej Instron zamienić na płyty. 2. Ustawić parametry programu Matest odpowiednio do zgniatania prób. 3. Określić powierzchnię próbki do badań. Próbkę do badań (patrz rysunek 12 – 1) umieścić

na środku dolnej płyty i uruchomić przyrząd, aż do zgniecenia warstwy pofalowanej (patrz rysunek 12 – 2).

4. Zbadać co najmniej dziesięć próbek do badań. 5. Próbki do badań powinny być bez znaków po maszynie przetwórczej, nadruków

i uszkodzeń. 6. Zanotować maksymalną siłę, z dokładnością do 10 N, jaką wytrzymała badana próbka

podczas zgniatania warstwy pofalowanej.

Rys. 12. Prawidłowe zamocowanie próbki na maszynie (1), prawidłowe zgniecenie

próbki podczas badania (2).

7. W przypadku pochylenia się fal na bok podczas badania (patrz rysunek 13 – 3), odrzucić badane próbki i powtórzyć oznaczanie na nowych próbkach do badań.

Rys. 13. Nieprawidłowe przechylenie próbki podczas badania (3). Uwaga 1: Fale mogą pochylać się na bok z powodu względnego ruchu bocznego

płyt, uszkodzenia próbek do badań - szczególnie podczas wycinania - lub wady tektury falistej. Sprawdzić dwa pierwsze przypadki, badając nowe próbki o falach prostych i upewnić się, czy są prawidłowo wycinane. Jeżeli nowe próbki do badań mają pochylone fale, to prawdopodobnie tektura falista jest wadliwa. Wyniki tych badań powinny być podane w protokóle badań.

5

Uwaga 2: Jeżeli jest dostępny, może być stosowany uchwyt do próbek w celu zabezpieczenia przed pochylaniem się fal, ale nie może on w żaden sposób zakłócać działania płyt, ani powodować pionowego podparcia badanej próbki.

Obliczanie wyników:

Odporność na zgniatanie płaskie X, w kilopaskalach, obliczyć z wzoru:

A

FX =

gdzie: F – maksymalna siła, w kiloniuton A – powierzchnia badanej próbki, w metrach kwadratowych.

Ćwiczenie 2. Tektura falista. Oznaczanie odporności na zgniatanie krawędziowe

(metoda nieparafinowanej krawędzi) wg PN-EN ISO 3037:2009. Określono metodę nieparafinowanej krawędzi do oznaczania odporności tektury

falistej na zgniatanie krawędziowe. Metoda ta jest odpowiednia dla wszystkich rodzajów tektury falistej.

Odporność na zgniatanie krawędziowe, to maksymalna siła ściskająca, przyłożona równolegle do fal, przypadająca na jednostkę długości, jaką próbka do badań tektury falistej może wytrzymać do momentu uszkodzenia.

Zasada metody: Umieszczona między płytami ściskającymi przyrządu prostokątna próbka tektury falistej, o falach prostopadłych do powierzchni tych płyt, poddawana jest działaniu wzrastającej siły ściskającej, aż do załamania próbki, mierzona jest maksymalną siłą, jaką wytrzymała próbka do badań.

Sprzęt laboratoryjny

Przyrząd do ściskania z nieruchomą płytą opisano w ISO 13820. Preferowane jest unikanie przyklejania papieru ściernego do płyt. Chociaż preferowane jest unikanie stosowania papieru ściernego na płyty, to ponieważ jest to wymagane w innych metodach, płyty mogą być oklejone bardzo drobnym papierem ściernym o klasie ziarnistości nie większej niż 00. Jeżeli ma to miejsce, należy zwrócić uwagę, że powinna być zachowana płaskość i równoległość wymagana dla tych powierzchni.

Klocki podpierające, dwa prostokątne, gładko wykończone klocki o przybliżonych wymiarach 20 x 20 x 100 mm, do podparcia próbki do badań i trzymania jej prostopadle do powierzchni płyt. Wskazane jest wyposażenie każdego klocka podpierającego w uchwyt umożliwiający bezpieczne usunięcie każdego klocka podczas badania.

6

Przygotowanie próbek 1. Wyciąć z pasków o nieuszkodzonej powierzchni próbki do badań pięć próbek. 2. Wymiary szerokość 25,0 ± 0,5 mm w kierunku równoległym do fal, długość 100,0

± 0,5 mm (w kierunku prostopadłym do fal). 3. Krawędzie próbki, które będą obciążane, powinny być czysto wycięte, proste,

równolegle i prostopadłe do powierzchni tektury.

Etapy postępowania 1. W przyrządzie do ściskania o odpowiednio rozsuniętych płytach umieścić na dolnej

płycie próbkę do badań na jednym z jej boków o długości 100 mm. 2. Podeprzeć ją z każdej strony klockiem podpierającym. Klocki podpierające mogą być

odsunięte od próbki do badań, kiedy obciążenie osiągnie wartość około 50 N. Następnie mogą być pozostawione na płycie albo zdjęte z niej. Jeżeli trzeba, wskazane jest upewnienie się, czy masa klocków podpierających nie wpływa na odczyt siły.

3. Uruchomić przyrząd i pozostawić w ruchu aż do załamania badanej próbki. 4. Zanotować maksymalną silę, Fmax, rosnącą aż do momentu nagłego załamania próbki,

z dokładnością do 1 N. 5. Powtórzyć badanie na pozostałych próbkach, tak aby uzyskać co najmniej

5 wiarygodnych wyników.

Obliczanie wyników

Obliczyć średnią maksymalną siłę, Fmax i odchylenie standardowe, SFmax. Obliczyć odporność na zgniatanie krawędziowe R, wyrażone w kiloniutonach na metr, z dokładnością do 0,01 kN/m, stosując równanie:

l

FR max=

gdzie: Fmax – średnia maksymalna siła, w niutonach; l – długość próbki do badań, w milimetrach (100 mm).

Obliczyć odchylenie standardowe odporności na zgniatanie krawędziowe, sR,

wyrażone w kiloniutonach na metr, z dokładnością do 0,01 kN/m, stosując równanie:

l

SS F

Rmax=

SFmax– odchylenie standardowe maksymalnej siły, w niutonach; l – długość próbki do badań, w milimetrach (100 mm).

7

Ćwiczenie 3. Oznaczanie odporności na zerwanie i wydłużenie Zasada metody polega na rozciąganiu badanej próbki umieszczonej w zaciskach aparatu do rozciągania ze stałą prędkością aż do momentu jej zerwania i odczytaniu wielkości siły rozciągającej i wydłużenia próbki w momencie zerwania. Wytrzymałość na rozciąganie jest to maksymalna siła rozciągająca, przypadająca na jednostkę szerokości próbki, jaką ona wytrzymuje, nie ulęgając zerwaniu. Rozciągliwość w chwili zerwania jest to wydłużenie zmierzone w chwili zerwania próby w zdefiniowanych warunkach badania. Wyrażana jest w procentach w stosunku do początkowej długości wpięcia. Materiał badawczy: arkusze papieru pakowego w dwóch rodzajach lub torby papierowe, karton, papier na warstwy płaskie tektury falistej. Sprzęt laboratoryjny: zrywarka VEB TIW Rauenetein ZT, gilotyna do cięcia papieru, waga laboratoryjna, liniał, ołówek HB lub B. Etapy postępowania: 1.Przed przystąpieniem do badania papieru i tektury oznaczyć gramaturę i grubość badanych

papierów. 2.Następnie z arkusza papieru otrzymanego do badań wyciąć z kierunku podłużnego

i poprzecznego nie mniej niż 10 próbek o wymiarach 15x240 mm z dokładnością do ±0,1 mm. Na próbkach zaznaczyć ołówkiem odległość 180 mm, co ułatwia mocowanie w szczękach aparatu.

3.Na pobranych próbkach w dowolny sposób zaznaczyć kierunek wycięcia z badanego arkusza.

4.Włączyć zrywarkę, przekręcając pokrętło z pozycji 0 w położenie 1. 5.Na ekranie monitora wybrać ikonę z programem MATEST . 6.Kliknąć myszką na okno: nowy i wybrać plik: papier. 7.Ustawić kolejno na monitorze komputera konfiguracje maszyny: - kierunek: ruch głowicy w górę, - rodzaj badania: rozciąganie i kliknąć OK . 8.Kolejno wybrać na monitorze komputera konfigurację badania poprzez wprowadzenie

następujących danych: - prędkość rozciągania badanej próbki: 20 mm /min ± 5 mm/min, - wymiary próby:

kształt: płaski, szerokość: 15 mm, długość próby: 180 mm, grubość: zbadaną według punktu 1,

- wykres: oś OX: wydłużenie względne 15%,

8

oś OY: siła 100 N, - parametry zapisu: automatyczny zapis, - koniec badań:

osiągnięcie siły o wartości 100 N, osiągnięcie wydłużenia o wartość 15%. 9.Ustawić rozstaw szczęk za pomocą paska tektury, na którym zaznaczono długość 180 mm.

Przesuw szczęki górnej następuje poprzez naprowadzenie myszką na ikonę okna: ↑góra, naciśnięcie i przytrzymanie myszki. Szczęka przesuwa się do góry. Kliknąć OK w celu zamknięcia konfiguracji badania.

10. Umocować w szczękach aparatu badaną próbkę, zgodnie z zaleceniami pokazanymi na rysunku 11. Dokręcić pokrętłem sprężyny docisku. Próbkę zamocować w taki sposób, aby nie występowały zwisy i by próbka nie była zbyt mocno naprężona.

Rys. 11. Sposób mocowania próbki papieru w szczękach aparatu 11. Kliknąć w dole ekranu monitora okno: pomiary. 12. Wyzerować pokrętłem aparatu zerowanie drogi na 00. 13. Kliknąć myszką na ekranie monitora start – na ekranie rysuje się wykres. 14. Kliknąć okno wyniki. 15. Odczytać i zapisać maksymalną siłę Fm w niutonach (N) i wynik wydłużenia Lmax

w procentach. 16. Wyjąć próbę papieru ze szczęk aparatu i zamocować następną. UWAGA : wyniki otrzymane z oznaczenia próbek zrywających się przy samych uchwytach

należy odrzucić, a oznaczanie powtórzyć. 17. Wytrzymałość na rozciąganie (S) obliczyć w kN/m według wzoru z dokładnością do

trzech cyfr znaczących:

9

w

FS m=

gdzie: Fm - średnia maksymalna siła rozciągająca, N, w - początkowa szerokość próbki do badań, mm. 18. Aparat automatycznie mierzy wydłużenie w momencie zerwania w milimetrach

i rozciągliwość Lmax w procentach w stosunku do początkowej długości wpięcia. Należy odczytać wynik. Średnią wartość odczytanych wyników w procentach podać z dokładno-ścią do jednego miejsca po przecinku.

19. Wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie (l) obliczyć według równania z dokładnością do trzech cyfr znaczących:

310⋅=

g

Sl

gdzie: S - wytrzymałość na rozciąganie, kN/m, g - średnia gramatura, g/m2. 20. W sprawozdaniu otrzymane wyniki dla poszczególnych wielkości podać w tabeli jako

mediany, oddzielnie dla każdego rodzaju papieru i kierunku. Ćwiczenie opracowano na podstawie PN-EN ISO 1924 - 2:1998 zastąpiona

PN-EN ISO 1924-2:2009 Ćwiczenie 4. Wyznaczanie wytrzymałości toreb papierowych na uderzenia przy

swobodnym spadku

Zasada metody polega na umieszczeniu napełnionej torby papierowej na określonej wysokości na zapadni i w ustalonej pozycji powyżej płyty uderzeniowej, a następnie swobodnym spadku badanej torby na tę płytę aż do zderzenia z nią.

Wyróżnia się cztery rodzaje spadków swobodnych:

- spadek płaski, - spadek na bok, - spadek na dno, - spadek na krawędź lub róg.

10

Przykładowy przyrząd do badania odporności na uderzenia przy swobodnym spadku składa się ze statywu, na którym mocowana jest zapadnia i płyty zderzeniowej nachylonej do płaszczyzny poziomej pod kątem 10o. Zapadnia wyposażona jest w ruchome klapy, na których umieszcza się badane próbki. Klapy zwalniane są poprzez pociągnięcie zapadki. Zapadnia może być mocowana na statywie na różnej wysokości co 10 cm. Płyta zderzeniowa dzięki swemu nachyleniu umożliwia zderzenie z nią krawędzi badanej torby. Jest to najbardziej narażony na uderzenia przy spadkach element torby. Stół jest zatem skonstruowany w taki sposób, aby najlepiej odtwarzać rzeczywiste warunki w jakich torby i zapakowane w nie towary narażone są na uszkodzenia przy spadku.

Etapy postępowania: 1. Otrzymane do badań torby papierowe oznaczyć w celu ich odróżnienia w czasie badania. 2. Napełnić materiałem wzorcowym (grochem żółtym) zgodnie z pojemnością użytkową

toreb. 3. Zamknąć torby stosując typowe metody dla danego rodzaju toreb, można stosować

klejenie, np. klejem termokurczliwym. 4. Ustawić zapadnię na wysokości 10 cm i umieścić na niej badaną torbę dnem na drzwiach

zapadni i symetrycznie do linii styku zapadni. 5. Zwolnić klapy zapadni. 6. Jeżeli torba nie uległa pęknięciu (nie wysypał się groch) powtórzyć badanie ustawiając

tę sama torbę na drzwiach zapadni, ale obracając ją o 1800 wokół jej pionowej osi. 7. Badanie powtarzać do pęknięcia torby każdorazowo obracając ją o 1800 wokół

jej pionowej osi. 8. Wykonać badanie na trzech kolejnych torbach przy wysokości spadku 10 cm. 9. Następnie to samo badanie również na 3 torbach wykonać dla spadku z wysokości

20, 30, 40, 50 i 60 cm aż do pęknięcia toreb.

Opracowano na podstawie normy PN-O-79171:1965.