Denis Jurei Doktorat

GRAFIKI FAKULTET

mr. sc. Denis Jurei, dipl. ing.

Istraivanje vrstoe ambalae od valovitog kartona u kondicioniranim

uvjetima

DOKTORSKI RAD

Zagreb, 2012.

GRAPHIC FACULTY

mr. sc. Denis Jurei, BSc. Graph. ing.

The research strength of the packaging of corrugated cardboardin terms of

conditioned

DOCTORAL THESIS

Zagreb, 2012.

GRAFIKI FAKULTET

Denis Jurei

Istraivanje vrstoe ambalae od valovitog kartona u kondicioniranim

uvjetima

DOKTORSKI RAD

Mentor: dr. sc. Darko Babi, redoviti profesor Grafikog fakulteta, Sveuilita u Zagrebu

Zagreb, 2012.

UDK:

Znanstveno podruje: tehnike znanosti

Znanstveno polje: grafika tehnologija

Institucija u kojoj je izraen rad: Grafiki fakultet Sveuilita u Zagrebu

Voditelj rada: dr. sc. Darko Babi, prof.

Broj stranica rada: 109

Broj stranica dokumenata: I - XIX

Broj slika: 52

Broj tablica: 18

Jezik teksta: hrvatski

Jezik saetaka: hrvatski i engleski

lanovi povjerenstva za ocjenu doktorskog rada: 1. prof. dr. sc. Vilko iljak, Sveuilite u Zagrebu, Grafiki fakultet, predsjednik,

2. prof. dr. sc. Darko Babi, Sveuilite u Zagrebu, Grafiki fakultet, mentor,

3. doc. dr. sc. Zvonimir Sabati, Sveuilite u Zagrebu, Fakultet organizacije i

informatike, vanjski lan,

4. prof. dr. sc. Klaudio Pap, Sveuilite u Zagrebu , Grafiki fakultet, zamjenski lan,

5. prof. dr. sc. Vinko Bari, Sveuilite u Zagrebu, Ekonomski fakultet, zamjenski

vanjski lan

Rad je pohranjen u knjinici Grafikog fakulteta Sveuilita u Zagrebu, Getaldieva 2,

te u Nacionalnoj i sveuilinoj biblioteci u Zagrebu, Hrvatske bratske zajednice bb.

I

Zahvaljujem se svom mentoru dr. sc. Darku Babiu, redovitom

profesoru na strunim savjetima prilikom izrade ovog rada kao

i ostalim lanovima komisije.

II

Saetak

III

Kutije od valovitog kartona za pakiranje voa i povra susreu se na svom

distribucijskom putu od proizvoaa do potroaa s vrlo promjenljivim vremenskim uvjetima.

Distribucijski put podrazumjeva najee dulji boravak u razliitim hladnjaama pri prijevozu

i skladitenju te kratkotrajno izlaganje vanjskim atmosferskim uvjetima pri pretovaru. U

hladnjaama, radi ouvanja kvalitete i kvantitete voa i povra, vladaju definirani uvjeti

temperature i vlanosti dok u vanjskoj okolini oni variraju. Izloenost tim promjenama ima

nepovoljan utjecaj na mehanika svojstva valovitog kartona a posljedica je znaajno

smanjenje vijeka trajanja kutije.

Cilj ovog istraivanja je razviti model ambalae od valovitog kartona za predvianje

njene vrstoe na tlano optereenje, bazirano na kondicioniranim uvjetima relativne

vlanosti i temperature okoline. Kako je agrokulturnoj industriji primarna briga teina i

kvaliteta voa i povra dok je ambalaa nuan izdatak koja mora opstati u datim uvjetima uz

minimalan troak. Cilj je otkriti informacije kojima emo odrediti donju granicu kvalitete

kutije od valovitog kartona a kod koje postoji minimalna mogunost njenog loma.

Ispitivano je est kvaliteta peteroslojnog valovitog kartona sa razliitim

kompozicijama slojeva papira razliitih gramatura. Ispitivani su papiri od kojih je izraen

valoviti karton te kutije izraene od tog valovitog kartona. Ispitivana je gramatura, debljina,

otpornost na prskanje po Mullenu, otpornost horizontalne povrine valovitog kartona na

tlanu vrstou, otpornost vertikalne povrine valovitog kartona na tlanu vrstou, sadraj

vlage u valovitom kartonu, otpornost valovitog kartona na dinamiko probijanje, otprnost

kutije od valovitog kartona na tlanu vrstou, relativna vlanost zraka u hladnjai, relativna

vlanost zraka u okolini, temperatura hladnjae i temperatura okoline. Brojna mjerenja su

interpretirana regresijskom analizom.

Rezultati pokazuju velika odstupanja temperature i relativne vlanosti zraka hladnjae

i okoline. Prosjena razlika u temperaturi izmeu hladnjae i vanjske okoline iznosi 23,88C,

dok je prosjena razlika relativne vlanosti zraka u odnosu na okolinu 22,58%. Toplinska

DISERTACIJA Saetak

IV

okiranja kojima su bili izloeni uzorci kutija pokazuju velika odstupanja u tlanoj vrstoi.

Uzorcima 2K i 2K-E tlana vrstoa pala je za 40% i nakon samo dva dana dolo je do

uruavanja kupova na paleti. Ostali uzorci izdrali su ove drastine promjene. Mjeranja

pokazuju da pad tlane vrstoe kod svih uzraka prati istovremeno veliko poveanje sadraja

vlage.

Zakljuak. Ciklike promjene relativne vlanosti zraka uz zanemarivi utjecaj vremena

trajanja optereenja drastino smanjuju nominalnu tlanu vrstou kutija od valovitog

kartona. Skladitenje voa u hladnjai zahtjeva upotrebu visokokvalitetnih kartona

proizvedenih od visokokvalitetne nereciklirane sirovine.

Preporuke. Predlae se analiza mjerenja kontrole kvalitete papira za ravni i valoviti

sloj u samom proizvodnom procesu njegove izrade. Ovi podaci mogli bi se iskoristiti za

odreivanje utjecaja na graninu tlanu izdrljivost svakog sloja valovitog kartona kao i

graninu tlanu izdrljivost kutije. Predlae se i postavljanje barijere za vlagu na povrinu

valovitog kartona ali ta odluka trebala bi se bazirati na studiji o veliini i stupnju kruenja

vlage.

Summary

V

Boxes made from the corrugated board for packing the fruit and vegetables meet very

changeable weather conditions on their distribution way from the producer to the consumer.

Longer stay in different cold storage plants during the transport and storage as well as

the short exposition to the outer atmospheric conditions during the reloading is understood

under the distribution way. In the cold storage plants, for preserving the quality and the

quantity of the fruit and vegetable, there are defined conditions of temperature and humidity

while in the outer environment they vary. The exposition to these changes has an

unfavourable influence on the mechanical properties of the corrugated board and the

consequence is the considerably decrease of the boxes lifespan.

The aim of this investigation is to develop the model for prediction the box strength on

the compression load, based on the conditioned state of relative humidity and the temperature

in the environment. As the weight and the quality of fruit and vegetables is the primary care in

the agricultural industry, the packaging is necessary expense which must survive in the given

conditions with minimal costs. The aim is to find out the information which will determine

the lower boundary of the corrugated box quality and the minimal possibility of its

breakdown.

Six qualities of the double wall corrugated board with different composition of paper

layers of different grammage were investigated. The papers used for the production of the

corrugated board and the boxes produced from that corrugated board were investigated. The

grammage, the thickness, the burst resistance per Mullen, the resistance of the horizontal

surface of the corrugated board to compression strength, the resistance of the vertical surface

of the corrugated board to compression strength, the humidity content in the corrugated board,

the resistance of the corrugated board to dynamic penetration, the resistance of the corrugated

board to compression strength, relative humidity of the air in the cold storage plant, relative

humidity of the air in the environment, temperature of the cold storage plant and the

DISERTACIJA Summary

VI

temperature of the environment were tested. Numerous measurements were interpreted by the

regression analysis.

The results show great aberrations of temperature and relative humidity of the air in

the cold storage plant and in the environment. The average difference in temperature between

the cold storage plant and the outer surroundings was 23,88oC, while the average difference of

the relative humidity of the air in regard to the environment was 22,58%. The thermal shock

to which the box samples were exposed showed great aberrations in the compression strength.

The compression strength of the samples 2K and 2K-E was decreased for 40%, and after

only two days the stacks on the pallet imploded. The rest of the samples survived these drastic

changes. Measurements show that the decrease of the compression strength of all the samples

follows the simultaneous great humidity content increase.

Conclusion: The cyclic changes of the relative humidity in the air, with the negligible

influence of the time duration drastically decrease the nominal compression strength of the

corrugated boxes. The storage of the fruit in the cold storage plants demands the usage of the

high quality boards produced from the high quality non recycled raw material.

The analysis of the paper quality control measurements for the flat and wall layer is suggested

in its production process. These data could be used for determining the influences on the

boundary compression durability of each layer of the corrugated board as well as the

boundary compression durability of the boxes. The setting of the humidity barrier on the

surface of the corrugated board is also suggested. This decision however should be based on

the size and on the degree of the humidity circulation.

Sadraj

VII

SAETAK .............................................................................................................................. III

SUMMARY ............................................................................................................................ V

SADRAJ ........................................................................................................................... VII

1. UVOD I PREGLED PODRUJA ISTRAIVANJA ...................................................... 1

1.1. Faktori koji utjeu na vrstou ambalae od valovitog kartona .................................... 9

1.1.1. Sastavnice valovitog kartona ............................................................................. 10

1.1.2. Proizvodni proces izrade valovitog kartona ...................................................... 20

1.1.3. Reologija valovitog kartona ............................................................................... 27

1.2. vrstoa i lijebljenje ................................................................................................... 40

2. CILJ ISTRAIVANJA .................................................................................................... 41

3. METODOLOGIJA RADA .............................................................................................. 43

3.1. Plan i metode istraivanja ............................................................................................43

3.2. Oznaavanje uzoraka ................................................................................................... 48

3.3. Regresijska analiza ...................................................................................................... 51

4. REZULTATI I RASPRAVA ........................................................................................... 58

4.1. Rezultati ispitivanja za valoviti karton AS-0 ............................................................... 59

4.2. Rezultati ispitivanja za valoviti karton AS-1 .............................................................. 66

4.3. Rezultati ispitivanja za valoviti karton 3KSE .............................................................. 74

4.4. Rezultati ispitivanja za valoviti karton BTKE/2F ....................................................... 81

4.5. Rezultati ispitivanja za valoviti karton 2K-E ............................................................. 88

4.6. Rezultati ispitivanja za valoviti karton 2K ................................................................. 94

5. ZAKLJUAK .................................................................................................................. 102

6. LITARATURA ................................................................................................................ 105

SKRAENI ZAKLJUAK ............................................................................................... VII

POPIS TABLICA I SLIKA .............................................................................................. IX

POPIS OBJAVLJENIH RADOVA ................................................................................ XIII

IVOTOPIS ...................................................................................................................... XIX

1

UVODIPREGLEDPODRUJAISTRAIVANJA

1

Rad Istraivanje vrstoe ambalae u kondicioniranim uvjetima obuhvaa parametre

koji utjeu na mehanosorpcijska svojstva valovitog kartona uslijed drastinih promjena

temperature i relativne vlanosti zraka. Na Grafikom fakultetu se obrauje ova tema kroz

znanstvene projekte, izuavanju na kolegijima te u neposrednoj suradnji s industrijom

ambalae. Otvorena su mnoga poglavlja koja su usmjerila ova istraivanja prema veliinama

odrivosti ambalae u ekstremnim situacijama. Razvijeni su modeli ambalae u

kondicioniranim uvjetima. Oni osiguravaju tone pretpostavke o tlanoj vrstoi kutija i daju

mogunost proizvoaima i korisnicima tih kutija da bolje procijene utjecaje promjena na

valovitom kartonu. Eksperiment na modelu bazira se na mjerenjima realnih ambalanih

uzoraka da bi se izbjegla skupa testiranja u proizvodnji. Dosadanja istraivanja

najistaknutijih autora tretiraju valoviti karton kao viskoelastian materijal koji se iri

adsorpcijom vlage [11]. Njegova najvanije mehaniko svojstvo je otpornost na tlanu

vrstou [25]. Faktori koji utjeu na vrstou kutija od valovitog kartona u hladnjaama su:

svojstva valovitog kartona, temperatura i vlaga u hladnjai, temperatura i vlaga u kutiji, te

adsorpcija i desorpcija vlage.

Svojstva valovitog kartona na koje se, na temelju vrstoe kutije na tlak, moe utjecati

tijekom procesa proizvodnje valovite ljepenke su njegova debljina, oblik i proces izrade vala,

temperatura i vlaga u kartonu. Maksimalna debljina valovitog kartona je funkcija visine vala i

debljine ravnog sloja. Tokom i nakon proizvodnje valovitog kartona debljina se moe smanjiti

tlakom. Utjecaj debljine na vrstou savijanja prikazana je jednadbama Whitsitt-a i

Markstrom-a [34]. Matematiki opisuju da je vrstoa savijanja proporcionalna kvadratu

debljine, dok Fellers i Carlsson [20] svojim analitikim relacijama ukazuju da je vrstoa

savijanja proporcionalna kubu debljine. Urbanik [42] je modelirao utjecaj oblika vala,

ukljuujui visinu vala, visinu do vrha, boni kut i faktor vala, na tlanu vrstou brida i

DISERTACIJA 1. Uvod i pregled podruja istraivanja

2

vrstou savijanja valovitog kartona. Na temelju Urbanik-ova modela, 10 ili 20% smanjenja

visine vala iz proizvodnje tokom formiranja vala uzrokuje smanjenje tlane vrstoe na brid

za oko 1-3%. To smanjenje debljine tokom proizvodnje poveava se koritenjem rebrastih

valjaka s manjim profilom vala ili veom zategnutou valovitog sloja. Batelka [10] je otkrio

da smanjenje debljine za 1.27 mm pod teinom smanjije tlanu vrstou na brid s 36.4 na

31.7 kN/m, to odgovara smanjenju od 13%. On nije dao poetnu debljinu ploe.

Njegovi uzorci su bili debljine 4 mm, pa 1.27 mm odgovara smanjenju debljine pod teinom

za 32% u odnosu na originalnu debljinu. Kroeschell [30] tvrdi, na temelju teoretske analize,

da gnjeenje ploe valovitog kartona utjee na tlanu vrstou brida tako da smanjuje debljinu

na razinu visine, to dovodi do potekoa kod savijanja. Meutim, Kroeschell [30] dri da je

utjecaj gnjeenja na tlanu vrstou brida varijabilan (tablica 1.). Prijanja Wennerblom-ova

[43] istraivanja nalaze da utjecaji poput svojstava ravnog i valovitog sloja, sastava kroba,

sadraja tvari kroba i brzina izrade vala ne utjee na vrstou povrinske adhezije krajnjeg

valovitog kartona.

Tablica 1. Utjecaj gnjeenja na test tlane vrstoe na brid (Kroeschell 1992.)

Istraivanja: Smanjenje u debljini (%) Smanjenje u tlanoj vrstoi na brid (%)

Batelka (1984.) 30 15


3

adhezije od 876 N/m oznaena kao dobra, 730 N/m se smatra niskom vrstoom, a kod

povrinske vrstoe adhezije valovitog kartona ispod 438 N/mm postoji rizik od nastajanja

delaminacije. Urbanik [14] je razvio matematiki model za optimiziranje oblika vala s

obzirom na tlanu vrstou valovitog kartona na brid. Karakteristike vala Urbanik [42] je

definirao pomou simbola prikazanih na slici 1.

Slika 1. Karakterizacija oblika vala

Urbanik-ov model predvia da je tlana vrstoa na brid ovisna o faktoru vala, visini vala u

omjeru perioda i bonom kutu, gdje je vrstoa na geometriko savijanje (1) ovisna samo o

faktoru vala i bonom kutu. Urbanik-ov [42] model se primjenjuje kod dizajna novih parova

valjaka za izradu valovitog sloja i od male je koristi kod optimiziranja postojeeg valjka.

MDCD BSBSEI = (1) EI geometrijsko znaenje vrstoe na savijanje (Nm)


4

Whitsitt i Sprague [44] su izmjerili utjecaj izrade vala tako da su putali valoviti sloj kroz

jedan valoviti valjak bez da su lijepili sloj za ravni, i tada su mjerili vrstou na tlak na

kratkim rasponima u smjeru proizvodnje i poprenom smjeru. Takoer su usporeivali

vrstoe valovitog sloja nakon hladnog i toplog procesa proizvodnje vala i koristili su 4

razliita valjka za valoviti sloj. Valjci pod brojem 1, 10 i 19 su bili za polukemijski valoviti

sloj, s poetnom teinom od 127.4, 126.9 i 128.4 g/m2, dok je valjak pod brojem 114 bio za

reciklirani valoviti sloj poetne teine 137.7 g/m2. Whitsitt-ov i Sprague-ov graf vrstoe na

tlak na malim rasponima u smjeru proizvodnje pokazuje prosjeno smanjenje od 42% u

odnosu na vrstou valovitog sloja koji nije valovit, dok se znaajni gubici pojavljuju u vrhu

vala.

Temperatura tokom procesa proizvodnje valovitog sloja moe biti znatno smanjena

bez znaajnijih utjecaja na vrstou na tlak valovitog sloja. Tokom procesa proizvodnje

valovitog kartona, temperatura ima vanu ulogu u postavkama adheziva izmeu valovitog i

ravnog sloja kao i kod plastificiranja valovitog sloja kako bi se smanjila teta nastala prilikom

formiranja vala. Whitsitt [45] je razvio hladan proces izrade valovitog sloja koji formira

valove na sobnoj temperaturi. Dobiveni valoviti karton ima favorizirajua svojstva u

laboratorijskim testiranjima u odnosu na normalni valoviti karton. Tvrdi da je mogue

uspjeno od papira napraviti valoviti sloj u velikom temperaturnom rasponu od 20C u

njegovom sluaju, do 100C u konvencionalnoj izradi valova pomou jednog valjka. Nije

utvrdio sadraj vlage valovitog sloja koji je koristio, ali pretpostavlja se da je bio vei nego

kod konvencionalne izrade kako bi se kompenzirala nia temperatura. Pod normalnim

uvjetima kombinacija visoke temperature i niskog sadraja vlage bi dovoljno plastificirala

valoviti sloj prije procesa proizvodnje valova [20]. Wallace je istraio utjecaj tempterature

ravnog sloja, mjerene nakon predgrijaa, na vrstou brida i vrstou povrinske adhezije

valovitog kartona sa slojevima visoke gustoe [21]. Dokazao je da temperatura ravnog sloja

ima znaajan utjecaj na svojstva valovitog kartona, s najpovoljnijim svojstvima na 85-100C.

Sadraj vlage ravnog sloja izmjeren je u rasponu od 4-5%. Andersson i Berkyto uoili su

linearan trend izmeu vrstoe na vlak i vrstoe na pucanje i tempterature za raspon traka u

smjeru proizvodnje i poprenom smjeru za suhi strojno premazni kraft papir [2]. Njihova

mjerenja pokazuju da dolazi do smanjenja broja greaka na trakama s povienjem

temperature. Salmen i Back mjerili su utjecaj temperature i vlage prema modulu elastinosti

kraft papira [37]. Rezultati njihova istraivanja pokazuju da paralelna priroda slojeva za


5

razliite sadraje vlage sugerira rast temperature s poveanjem sadraja vlage, dok je u

apsolutnim uvjetima utjecaj tempterature konstantan. Wallace je prouavao utjecaj parenja

ravnog sloja, i valovitog sloja u odnosu na ravni sloj [21]. Parenje se provodilo kako bi se

poveao sadraj vlage, dok je predgrija radio na takav nain da sprijei rast temperature

ravnog i valovitog sloja. Dokazano je da parenje ravnog sloja poveava prosjenu tlanu

vrstou brida i vrstou povrinske adhezije za 2.2 i 5%, u odnosu na vrstou valovitog

kartona izraenog od neparenog ravnog sloja. Parenje valovitog sloja povealo je prosjenu

tlanu vrstou na brid i vrstou povrinske adhezije za 1.0% i 18%, u usporedbi s

vrstoom valovitog kartona iji valoviti sloj nije bio izloen parenju. Ti rezultati pokazuju da

dodatna vlaga smanjuje razinu oteenja ravnih slojeva i valovitog sloja tokom procesa

proizvodnje, proizvodei vri valoviti karton. Andersson i Berkyto potvrdili su da je utjecaj

vlage na svojstva kraft papira (na 20C) manje stalan od utjecaja temperature [2]. Kraft papir

na vrijednosti sadraja vlage od 10% prolazi odreenu promjenu. Utjecaj vlage bio je znatno

vei izmeu 8 i 12% nego izvan tog raspona. Salmen i Back [37] pokazuju sline trendove

mjerenja kao i Andersson i Berkyto [2]. Salmen i Back tvrde da svaka linija ima svoju zrcalnu

temperaturu prijelaza za sadraj vlage koji odgovara najveem negativnom padu. Oni su

izraunali utjecaj vlage na zrcalne prijelaze temperature za 3 glavne komponente papira;

celulozu, polucelulozu i lignin. Kaelble [24] tvrdi da je zrcalni prijelaz temperature celuloze

ovisan o kristalininosti celuloze kao i sadraju vlage. Zrcalan prijelaz tempreature lignina je

ovisan samo o sadraju vlage do otprilike 2%, jer je to maksimalan sadraj vlage lignina [23].

Uzorci papira s niskom kristalininosti pokazuju znaajne razlike u svojstvima vrstoe kada

ih se testira iznad i ispod njihove zrcalne prijelazne temperature [24].

Kutije od valovitog kartona imaju vanu ulogu kod skladitenja, transporta i prodaje

voa i povra. Cijena kutija u agrokulturnoj industriji nije zanemariva pa bilo kakva uteda na

pakiranju moe poveati profit te industrije. Zapakirano voe i povre moe provesti i do pola

godine u hladnjai na niskoj temperaturi i velikoj vlanosti. Skladitenje u hladnjaama

zahtjeva upotrebu visoko kvalitetnih kartona proizvedenih od visokokvalitetne sirovine sa

ravnim slojem te valovitim srednjim slojem ljepljenim vodootpornim ljepilom.

Spomenute prethodne studije i praktina iskustva u hladnjaama pokazuju da vlaga

ima dominantni utjecaj na vrstou valovitog kartona. U uvjetima velike vlanosti i niske

temperature, kod hladnjaa u kojima se uva voe i povre, valoviti karton adsorbira vlagu i

gubi na tlanoj vrstoi. Istraivani faktori ogranieni su na temperaturu i vlanost hladnjae.


6

Ostali faktori, kao npr. kako su kutije s proizvodima prevezene i naslagane, takoer utjeu na

svojstva valovitog kartona, ali su ti utjecaji van dosega ovog istraivanja.

Temperatura u hladnjaama za voe i povre, varira od 0-2C i oscilira s ciklusom

iskljuivanja/ukljuivanja sistema hlaenja te za vrijeme izmjene vanjskog zraka, na primjer

tokom punjenja i pranjenja. U hladnjai ona varira ovisno o koliini voa i povra koji se

uvaju, a obino ih se dri na oko 0C. Karton, kao higroskopan materijal, apsorbira ili

desorbira vlagu kako bi postigao ravnoteu s okolinom. Kako smanjujemo temperaturu,

sadraj vlage u kartonu se poveava obzirom na poveanje relativne vlanosti zraka. Zbog

toga temperatura ima indirektan utjecaj na njegova svojstva jer utjee na sadraj vlage [2].

Hlaenje takoer ukruuje valoviti karton [1].

Vlaga u hladnjai oscilira u sinkronizaciji s temperaturom. Sadraj vlage valovitog

kartona po standardnim uvjetima za testiranje je otprilike 7+/-1%, dok u agrokulturalnim

hladnjaama sadraj vlage moe dosei i do 20%. Utjecaj vlage na tlanu vrstou kutija

naslagane jedna na drugu (eng. Stacking Strength) predvia smanjenje vrstoe od 56% zbog

povienja vlage s 8 na 20%, u odnosu na vrstou pri 8% vlage [3]. Kawanishi-eva jednadba

(2) predvia smanjenje vrstoe za 62-73% za isto poveanje vlage u odnosu na vrstou na

8% [4].

1

2

2

101.3

01.3

1010

MC

MC

MC

MC

BCSBCS

= (2)

BCSMC1 vrstoa obine razrezane kutije na tlak s referentnim sadrajem vlage (N)

BCSMC2 vrstoa obine razrezane kutije na tlak s novim sadrajem vlage (N)

MC1 referentni sadraj vlage (%)

MC2 novi sadraj vlage (%)

Kawanishi je dobio dvije empirijske jednadbe (3) i (4) za modeliranje utjecaja vlage na

tlanu vrstou brida valovitog kartona [26].

Ta vrstoa vrlo je slina tlanoj vrstoi kutije.

UKBMCFCECT 917.061 = (3)


7


ECT1 vrijednost tlane vrstoe na brid nakon testa A i AB vala valovitog kartona

ECT2 - vrijednost tlane vrstoe na brid nakon testa B vala valovitog kartona

FC6 i FC7 konstante

U radu Tlana vrstoa valovitog kartona u ovisnosti o vlanosti okoline (Babi, [8])

napominje nunost odabira kvalitetnih materijala te opisuje nelinearne trendove kod ovisnosti

vrstoe kutije o njenoj konstrukciji. Benson [12] tvrdi da vlano naprezanje mjerenih

uzoraka kraft kartona slijedi linearan trend u odnosu na sadraj vlage, do 13% vlage.

Maltenfort [33] tvrdi da su uzorci pod konstantnim istezanjem ili tlakom izloeni puzanju

(eng. Mechanosorptive Creep). To dovodi do deformacija koje mogu uzrokovati lom uzorka

nakon to se produi vrijeme testiranja vie nego to dozvoljavaju konstantni laboratorijski

testovi. Krivulja puzajuih deformacija u ovisnosti o vremenu tri kutije sloene jedne na

drugu ravnomjerno tlano optereene silom u iznosu 70% od nominalne tlane vrstoe BCT

(Slika 2.) podijeljena je u 3 podruja [8]. U prvom podruju u kratkom vremenskom intervalu

brzo raste poetna razina deformacija i stabilizira se na relativno konstantnu razinu

deformacija drugog podruja. Krivulja deformacija zavrava treim podrujem u kojem je

vidljivo naglo poveanje deformacija nakon ega slijedi lom kutije (kutija).


8

Slika 2. Krivulja puzajuih deformacija u ovisnosti o vremenu tri kutije sloene jedne na

drugu ravnomjerno tlano optereene silom u iznosu 70% od nominalne tlane vrstoe

(BCT) (Koning i Stern 1977.)

Postoji logaritamska veza izmeu razine optereenja tokom drugog podruja i vijeka trajanja

kutije:

A ili C val prazna ili puna kutija normalan ili vodootporan adheziv jedna kutija ili 3 i vie kutije naslagane jedna na drugu 22.8C i 50% relativne vlage ili 26.7C i 90% relativne vlage razni nivoi optereenja

038.14988

SCRTtF = (5)

Koning i Stern [29] utvrdili su koeficijent determinacije (R2) 97.7% za njihovu regresijsku

funkciju izraz (5) koja najbolje odgovara rezultatima ispitivanja.

TtF vrijeme do loma ili vijek trajanja kutije (sati-t)

SCR razina drugog podruja optereenja (in/int)

Razina puzanja kartona pokazuje ovisnost o primjenjenom naprezanju i sadraju vlage

uzoraka i znaajno se poveava ciklikim promjenama sadraja vlage uzorka uz pomo

ciklikih promjena vlanosti zraka [9]. Poveanje razine apsorpcije i desorpcije vlage ne

pospjeuje razinu puzanja. Koritenje vodootpornog adheziva smanjuje razinu puzanja

uzoraka za testiranje tlane vrstoe brida valovitog kartona u okolini ciklike vlage [10].

Da bi se predvidio uravnoteeni sadraj vlage u valovitom kartonu potrebna su saznanja o

odgovarajuim izotermama sorpcije i uvjetima okoline. Veina objavljenih izoterma za karton

izmjerene su na sobnoj temperaturi od 20-25C. Eagleton i Marcondes objavljuju najkorisniju

kolekciju izotermi za valoviti karton [19]. Mjerenjem irokog raspona temperarure od 1-40C

uz relativnu vlanost zraka od 42-96%, dokazan je njen znaajan utjecaj, posebno oko 0C.


9

1.1. FAKTORI KOJI UTJEU NA VRSTOU AMBALAE

OD VALOVITOG KARTONA

Valoviti karton koji se koristi u proizvodnji kutija za pakiranje voa i povra obuhvaa

etiri komponente: ravni gornji sloj, donji ravni sloj, valoviti sloj i adheziv. Gornji, ravni ili

vanjski sloj (lice) prvi je od dva ravna sloja koji su dodani valovitom sloju kako bi ga

formirali u valoviti karton. Donji ili unutarnji ravni sloj (nalije) je zaljepljen za drugu stranu

valovitog sloja i time formira valoviti karton. Faktori koji utjeu na proces proizvodnje

valovitog kartona (Slika 3.) prikazuju utjecaje u hladnjaama koji u poetku imaju namjeru

utjecati na svojstva kutija od valovitog kartona. Tri najznaajnija utjecaja su konstrukcija

kutije, valoviti karton od kojeg je kutija napravljena i sadraj vlage valovitog kartona.

U optimiziranju svojstava kutije u ovom istraivanju, broj faktora koji su se uzeli u

obzir je smanjen s obzirom na utjecaj proizvoaa valovitog kartona.

Slika 3. Faktori utjecaja na vrstou valovitog kartona tijekom skladitenja u hladnjai

Faktori koji mogu utjecati na mehanika

svojstva kutije u komorama za hlaenje

Svojstva valovitog kartona

Sadraj vlage kutije

Temperatura hladnjae

Temperatura kutije

Vrijeme uvanja

Fermentacija voa

Vlanost u hladnjai

Brzina respiracije voa

Optereenje

Cikliki uvjeti

Vrsta hladnjae

Konstrukcija kutije


10

1.1.1 Sastavnice valovitog kartona

Valoviti karton jedan je od najee upotrebljavanih ambalanih materijala. Proizvodi

se od recikliranog papira i prirodnih materijala poput celuloze, a njegova osnovna namjena je

izrada ambalanih kutija.

Osnovna znaajka valovitog kartona je to, za razliku od ostalih kartona, sadri

periodino ovalovljen sloj papira, valoviti sloj, koji je naljepljen na barem jedan ravan sloj

papira. Specifina struktura ovog kartona daje mu bolju vrstou nego to bi ju slojevi imali

svaki posebno. Valoviti karton koji se koristi u proizvodnji obuhvaa etiri komponente: ravni

gornji sloj, donji ravni sloj, valoviti sloj i adheziv. Slika 4.Ravni sloj s lica (gornje strane)

prvi je od dva ravna sloja koji su dodani valovitom sloju kako bi formirali valoviti karton s

jednim licem, i drugi zadnji ravni sloj je zaljepljen za drugu stranu valovitog sloja i time

formira valoviti karton sa stranjim ravnim slojem (nalijem).

Slika 4. Sastavnice valovitog kartona

Vanjski i unutarnji sloj, tj. ravni slojevi valovitog kartona, izrauju se od sirovine koja

ima eljenu vrstou, a to su najee mekana i dugaka vlakna etinjaa. Takvi papiri

poznati su pod nazivom kraft, a dobivaju se kiselim postupkom proizvodnje papira. Prirodna

boja im je smea, ali imaju mogunost djelominog ili potpunog bijeljenja, ime im se

smanjuje vrstoa materijala za 5-10%.[2] Papiri za ravni sloj mogu sadravati manju ili veu

koliinu recikliranih vlakana iz otpadnog papira koji se mogu prepoznati po sitnim tamnim


11

mrljama koje su zaostali pigmenti boje. Poveanjem sadraja recikliranih vlakana u papiru

smanjuje mu se vrstoa. Optimalna vrstoa postie se koritenjem istog materijala za izradu

oba ravna sloja, vanjskog i unutarnjeg, kod troslojnog valovitog kartona.

Za dobivanje papira za valoviti sloj, najbolju kvalitetu pokazuju kratka tvrda vlakna

etinjaa koja se proizvode posebnom metodom kuhanja pulpe, a takav papir je poznat kao

polukemijski. [2] Ipak se valoviti sloj proizvodi prvenstveno iz recikliranih vlakanaca, s tim

da ne pokazuje znatna odstupanja u kvaliteti i vrstoi u odnosu na polukemijski.

Trea vrlo vana sastavnica valovitog kartona je sam adheziv, odnosno ljepilo, koje

povezuje slojeve papira. U industriji valovitog kartona glavni adheziv, natrijev silikat, gotovo

je u potpunosti zamijenjen krobom, i to najee kukuruznim krobom. [2] Meu najeim

razlozima deformacija valovitog kartona je pogreno nanoenje adheziva.

Valoviti karton je najmanje dvoslojan, a najee troslojan-jednovalan, kada je valoviti sloj

papira uljepljen izmeu dva ravna sloja papira. U sluajevima dodavanja slojeva nastaje

vieslojni valoviti karton.

Slika 5. Shematski prikaz dvoslojnog, troslojnog, peteroslojnog i sedmeroslojnog valovitog

kartona


12

Dvoslojni valoviti karton sastoji se od dva meusobno sljepljena sloja papira, od kojih je

jedan ravan, a drugi valoviti. Koristi se za omatanje proizvoda ili kod unutarnje amortizacije.

Dvoslojni valoviti karton ne koristi se kod proizvodnje kutija. Troslojni valoviti karton

sastavljen je od tri sloja, dva ravna i jedan valoviti u sredini. Koristi se za transportne kutije

razliitih dimenzija, jer je takva kutija vrsta i pogodna za zatitu proizvoda od transporta i

skladitenja. Vie od 90% svih kutija od valovitog kartona izraene su od ove vrste.

Peteroslojni valoviti karton graen je od pet slojeva meusobno sljepljenih papira, od kojih su

dva valovita i tri ravna, slika 5. Izrauje se iz A ili B vala u kombinaciji sa C valom. Pri tome

je bolja kombinacija B i C vala, i to takva da se B val nalazi s vanjske strane kutije, a C val s

unutarnje. Ova vrsta kartona koristi se isto kao i troslojni valoviti karton, ali za proizvode

vee mase i vanije namjene, prvenstveno kod pakiranja za izvoz. Kutija proizvedena od ove

vrste materijala ima bolje mehanike karakteristike u odnosu na kutiju od troslojnog valovitog

kartona. Sedmeroslojni valoviti karton, ima sedam slojeva papira, od kojih su tri valovita i

etiri ravna. Koriste se kad je potrebna izuzetna vrstoa u skladitenju i transportu. Osim

vrste valovitih kartona, razlikujemo i vrste valova koji se koriste u izradi valovitog kartona

zbog razliitih primjena i potrebnih svojstava.

Tablica 2. Vrste valova [3]

Profil vala Visina vala (mm) Broj valova/m

A 4.8 110

B 2.4 150

C 3.6 130

D 1.2 290

E 0.7 350

G i N 0.5 550

C val je najpopularniji profil vala i gotovo potpuno je zamijenio A val. Oko 15%

koliine valovitog sloja moe se utediti koritenjem C vala. Kutija s valovitim slojem A vala

ima najbolju tlanu vrstou. Ako usporedimo tu vrstou s C i B valom, C val ima 15%

manju tlanu vrstou, a B val 25% manju. No, B val ima najveu vrstou na gnjeenje, 50%

veu od A vala i 25% veu od C vala, i koristi se najvie za izradu kutija za voe i povre. [2]


13

E val ili mikroval je najtanji materijal u grupi materijala od valovitog kartona, ali ima najveu

gustou valova. Izuzetno je pogodan za kutije manjih dimenzija s velikom vrstoom i

otpornou na vanjske utjecaje. Primjenu nalazi i kod kutija koje koristi potroa ili koje se

negdje izlau, pa je vanjski sloj takve kutije esto viebojno otisnut.

Slika 6. Smjerovi vlakanaca u valovitom kartonu

Papir je viefazna smjesa koji se sastoji od vlage, vlakanaca, praznina i kemijskih

aditiva. [4] Osnovne komponente papira zapravo su meusobno isprepletena i vezana

vlakanca koja tvore kompleksnu mreu. Oznaavanje dimenzija ravnog sloja, valovitog sloja i

valovitog kartona bazira se na procesu proizvodnje papira i valovitog kartona. Zbog

kontinuiranog procesa proizvodnje papira, vlakanca (slika 6) su vie orijentirana u smjeru

proizvodnje papira nego u bilo kojem drugom smjeru.[1] Smjer proizvodnje papira i valovitog

kartona je isti smjer u kojem se kreu ta dva procesa proizvodnje. Tu orijentaciju nazivamo

smjer proizvodnje (MD). Ravninski smjer koji je okomit na smjer proizvodnje, a jednak je

irini stroja za proizvodnju, zove se okomiti smjer (CD). Trei smjer je smjer visine i ovisi o

faktoru vala, a ujedno je najmanja dimenzija valovitog kartona.

Za procjenu vrstoe valovitog kartona koristi se nekoliko testova, a to su test bridne vrstoe

kutije (ECT), test krutosti na savijanje u 3 i 4 toke savijanja, test gnjeenja i test vrstoe

linearne adhezije. Takoer se rade ispitivanja vrstoe ravnog i valovitog sloja na tlanu

vrstou u kratkim rasponima, te vlane vrstoe obzirom na svojstva ravnog i valovitog

sloja.


14

Postoji nekoliko vanih objavljenih istraivanja koja opisuju odnose izmeu sastavnica

valovitog kartona i vrstoe kutije. McKee je razvio dvije poluempirijske jednadbe koje

predviaju tlanu vrstou kutije iz svojstava valovitog kartona. Kod razvijanja tih dviju

jednadbi, uzorci su bili kondicionirani standardnim procesom, a testiranja provedena na

50% relativne vlanosti i 22,8C. Zbog tog se predvia da e vlaga uzoraka biti oko 7,5-

8,5%. Dimenzije ispitivanih uzoraka na tlanu vrstou brida valovitog kartona bile su 50 mm

duine i irine, uz ojaanje voskom, a vrstoa na savijanje mjerena je u 4 toke. [5]

( ) 492.0254.0746.0028.2 BPBSBSECTBCS MDCD = (6)

BCS tlana vrstoa kutije (N)

ECT test vrstoe brida kutije od valovitog kartona (N/m)

BDMD vrstoa savijanja valovitog kartona u smjeru proizvodnje (Nm)

BSCD - vrstoa savijanja valovitog kartona u okomitom smjeru (Nm)

BP opseg kutije (m)

C debljina valovitog kartona

492.0508.0746.0874.5 BPCECTBCS = (7)

McKee je koristio linearnu vezu kako bi pojednostavio jednadbu 6 u 7. Urbanik-ova i

Allerby-eva objavljena svojstva valovitog kartona pokazuju blisku vezu prikazanu pomou

jednadbe 8.

MDCD BSBSCECT = 21.66 (8)


15

Eksponenti kod McKee-evih izraza (6) i (7) sugeriraju kako e tlana vrstoa kutije biti

najosjetljivija na promjene bridne vrstoe valovitog kartona. Allerby je prilagodio konstante

i eksponente izraza (6) kako bi predvidio tlanu vrstou kutije od valovitog kartona C-vala

(izraz 9). Koristio je pravokutne uzorke za testiranje bridne vrstoe i vrstoe na savijanje u

3 toke. Uzorci koji su testirani na bridnu vrstou mogu davati vee rezultate, jer su rezultati

testiranja vrstoe na savijanje u 3 toke pokazali nie vrijednosti na smjer proizvodnje

valovitog kartona od testiranja vrstoe savijanja u 4 toke. [5]

( ) 46.038.071.01000

13.0

= BPBSBSECTBCS MDCD (9)

Kawanishi (1989.) je razvio empirijsku jednadbu za predvianje tlane vrstoe kutije za

kartone za omatanje i pravilno izrezane kartone (izraz 10). Kawanishi nije dao informacije to

predstavlja K, K', B ili C ravni sloj. Pretpostavka je da su kodovi i odgovarajui faktori za

ravni sloj uraunati prema razlikama u tipu pulpe.

10.10602.0315.0565.0

43.345.215.420.1.

650.0.

379.081079.381.9

=

SWK

KBwLw

MCPRBTBPCCCTFbbKBCS

(10)

K faktor ravnog sloja (3 za K sloj, 2.5 za K' sloj, 2 za B sloj, faktor za C sloj nije iznesen)

(dimenzije nisu date)

bw,L ukupna poetna masa ravnih slojeva (g/m2)

bw,B ukupna poetna masa valovitog kartona (g/m2)

TF faktor vala (1.59 mvaloviti sloj/mvk za A-val, 1.36 mvaloviti sloj/mvk za B-val, 1.27 mvaloviti

sloj/mvk za E-val, 2.95 mvaloviti sloj/mvk za AB-val)

CC prosjeni broj valova

CK debljina valovitog kartona (mm)

BPK opseg kutije (cm)


16

BT faktor tipa kutije (1 za pravilno izrezani tip kartona, 2 za karton za omatanje)

PR omjer tiska (1 ako nema tiska, 0.01 za solidan tisak)

MCSW boni sadraj vlage (%, nije data poetna vrijednost)

Kawanishijeva jednadba je provedena senzitivna analiza kalkuliranjem tlane vrstoe kutije

uz koritenje prosjene, visoke i niske vrijednosti kao informacije za unoenje u jednadbu.

Vrijednosti su uzete iz podataka koje je dao Kawanishi. Kawanishi nije dao nikakav podatak

kolike su varijacije u faktoru vala ili broju valova, iako bi kasnije to trebalo ostati konstantno

jer bi ovisilo o konstrukciji rebrastih valjaka za izradu valovitog sloja. Senzitivna analiza

pokazuje da je znaajan utjecaj na tlanu vrstou kutije najveim dijelom imao sadraj vlage

u bonim stranama kutije.[5] Sljedee dvije najvanije izlazne jedinice jednadbe su poetna

teina ravnog sloja i valovitog sloja. Od 7 ulaznih jedinica, koliko ih je istraeno, sve osim

sadraja vlage i debljine bili su parametri konstrukcije kutije. Parametri konstrukcije

generalno su utvreni krajnjim koritenjem kutije i iz tog razloga ti parametri su

nepromjenjivi. Sadraj vlage u valovitom kartonu ovisit e o uvjetima u okolini, a debljina je

prvenstveno ovisna o profilu vala rebrastih valjaka, no moe biti smanjena lomom valovitog

kartona tokom i nakon proizvodnje.

U cilju optimiziranja vrstoe i minimaliziranja tete valovitog kartona, na temelju senzitivne

analize Kawanishi-eve jednadbe, sadraj vlage valovitog kartona trebalo bi drati to niim.

Senzitivna analiza takoer sugerira da bi u ravnom sloju papirna vlakna trebala biti veih

proporcija, na troak valovitog sloja. [5]

Kellicut i Landt (1952.) izveli su jednadbu koja predvia tlanu vrstou kutije na temelju

parametara dizajna kutije i testa ukupne vrstoe na gnjeenje valovitog kartona (11). Taj

izraz oznaava da je tlana vrstoa kutije izravno proporcionalna vrstoi ravnog sloja na

gnjeenje. [5]

BBP

ARCTBCSKL

LKL

= 3

2

4 (11)

BCS - tlana vrstoa kutije

RCTL test ukupne vrstoe ravnog sloja na gnjeenje

A konstanta vala


17

BPKL opseg kutije

B - konstanta kutije

Utjecaj svojstava ravnog i valovitog sloja na vrstou valovitog kartona predstavili su

Sprague i Whitsitt (1982.), Seth (1985.) i Markstrom (1999.) pomou slinih izraza (12, 13 i

14) za predvianje tlane vrstoe valovitog kartona iz tlane vrstoe ravnog i valovitog

sloja. Seth-ov izraz razlikuje se od ostalih po tome to se bridna vrstoa izraunava samo iz

tlane vrstoe ravnog i valovitog sloja bez odreene konstante koju su zahtjevali izrazi

Sprague-a, Whitsitt-a i Markstrom-a (12) i (14). Pomou tih konstanta kompenzirale su se

razlike izmeu metoda testiranja slojeva papira i valovitog kartona. Izraz (13) odnosi se na

akumuliranu unutarnju tlanu vrstou, a procjenjuje bridnu vrstou samo na temelju

svojstava ravnog i valovitog sloja. [5] Od tog testa oekuje se precijenjivanje bridne vrstoe.

To je vano jer e se tlana vrstoa ravnog i valovitog sloja smanjiti prilikom procesa

proizvodnje valovitog kartona. Stoga je bolje koristiti manji raspon testiranja kod mjerenja

bridne vrstoe, jer ako koristimo vei raspon testiranja, moemo oekivati smanjene

vrijednosti.

ECTest1 (N) bridna vrstoa bazirana na svojstvima ravnog i valovitog sloja iz izraza (12)

FC1 , FC2 odgovarajua konstante

( ) 211 FCTFCSCSCSFCECT MCDDBLCDSFLCDest +++= (12)

MCDDBLCDSFLCD TFSSCSSSCSSSCSAIECS ++= (13)

( ) 22 FCTFCSCSCSkECT MCDDBLCDSFLCDest +++= (14)

CSCD-SFL tlana vrstoa gornjeg ravnog sloja u okomitom smjeru (N/m)

CSCD-DBL tlana vrstoa donjeg ravnog sloja u okomitom smjeru (N/m)

CSCD-M tlana vrstoa valovitog sloja u okomitom smjeru (N/m)

AIECS - akumulirana unutarnja tlana vrstoa (N/m)

SSCSCD-SFL mali raspon tlane vrstoe gornjeg ravnog sloja u okomitom smjeru (N/m)


18

SSCSCD-DBL mali raspon tlane vrstoe donjeg ravnog sloja u okomitom smjeru (N/m)

SSCSCD-M mali raspon tlane vrstoe valovitog sloja u okomitom smjeru (N/m)

ECTest2 (N) predviena bridna vrstoa bazirana na svojstvima ravnog i valovitog sloja izraz

(14)

k koeficijent metode testiranja

Tablica 3. Koeficijenti metoda testiranja prema izrazu (13), Markstrom

Metoda testiranja Koeficijent - k Kruni test gnjeenja 1.28 + 0.08 Linearan test gnjeenja (Concora) 0.97 + 0.04 Tlani test malog raspona 0.71 + 0.03

Allerby je otkrio da izraz (13) precjenjuje bridnu vrstou vie od 40%. Oni su tvrdili da

razlika izmeu stvarne i predviene bridne vrstoe raste jer se poveanjem veliine uzoraka

za test bridne vrstoe poveava i broj slabih dijelova gdje se moe poeti razvijati oteenje

[5]. Takoer su tvrdili da iz procesa proizvodnje valovitog kartona izlazi koncentracija

vibracija zbog kojih moe doi do preranih oteenja. Allerby je dao linearnu jednadbu za

odnose meu vrijednostima akumulirane unutarnje i mjerene bridne vrstoe valovitog

kartona C-vala, s veliinom uzoraka 47 i koeficijentom korelacije (R2) od 86% izraz (15)

74.061.0 += AIECSAIECSAdj (15)

AIECSAdj - akumulirana unutarnja bridna vrstoa (N/m)

Seth-ova usporedba AIECS i testa bridne vrstoe ECT proizvela je etiri linearne radnje s

koeficijentom korelacije (R2) u rasponu od 94.2 do 97.8%. Seth je otkrio da je bridna vrstoa

odgovara akumuliranoj bridnoj vrstoi izmeu 69.6% i 78.8%. Postoje brojni razlozi za

razliku, ukljuujui oteenja tijekom procesa stvaranja valova i postupka ispitivanja.

Whitsitt (1988.) predstavio je izraz (16) koja ukazuje da je vrstoa savijanja valovitog

kartona proporcionalna modulu elastinosti ravnog sloja.


19

2

2BLL

WCCEBS = (16)

BSW vrstoa savijanja CL debljina ravnog sloja

EL modul elastinosti ravnog sloja CB debljina valovitog kartona

Markstrom je predstavio jednostavnu jednadbu (17) za predvianje vrstoe savijanja, koja

ukazuje da je vrstoa na savijanje direktno proporcionalna vrstoi na razvlaenje svakog

sloja.

25.0 BL CTSBS = (17)

BS vrstoa savijanja valovitog kartona (Nm)

TSL vrstoa na razvlaenje sloja (N/m)

Fellers i Carlsson (1983.) predstavili su izraz (18) za vrstou na savijanje homogenih traka.

Izrazi (17) i (18) ukazuju da debljina valovitog kartona i svojstva rastezljivosti odreuju

vrstou na razvlaenje valovitog kartona.

12

3HSHS

HSCEBS = (18)

BSHS vrstoa savijanja homogenih traka (Nm)

EHS modul elastinosti homogenih traka (N/m2)

CHS debljina homogenih traka (m)

Slino su predstavili Calvin (1988.), Fellers (1983.) i Markstrom (1999.), ukazujui da, kod

malih naprezanja, vrstoa na savijanje jednako ovisi o tlaku i vrstoi istezanja ravnog sloja.

Iako kod veih naprezanja, vrstoa na savijanje i krajnja vrstoa savijanja ovise o tlanoj

vrstoi i vrstoi ravnog sloja na konkavnim povrinama. Pretpostavljajui da se, pod

pritiskom tlaka, povrina kutije savija prema van, vrstoa na tlano savijanje gornjeg ravnog

sloja u smjeru poprenom od smjera nastajanja valovitog kartona, bi bila najvanije svojstvo

to se tie tlane vrstoe kutije. [5]


20

1.1.2. Proizvodni proces izrade valovitog kartona

Valoviti karton se sastoji od jednog ili vie valovitih slojeva papira koji su uljepljeni

izmeu ravnih slojeva. Proces izrade valovitog kartona s jednim valovitim slojem prikazan je

na slici 7.

Slika 7. Proizvodnja troslojnog valovitog kartona

Proizvodni proces moemo podijeliti u dva dijela; mokri i suhi. U prvom dijelu,

izmeu rebrastih valjaka ravni papir postaje valoviti i lijepi se na ravni sloj. U suhom dijelu

proizvodnje, pomou zagrijavanja, sui se valoviti karton. Problem u proizvodnji valovitog

kartona je razlika u vlanosti pojedinih slojeva. Tada moe doi do pojave izvijanja kartona ili

moenja ravnih slojeva izmeu valovitih. Taj fenomen naziva se vitoperenje ili valovljenje

kartona. [3]


21

Tokom proizvodnog procesa izrade kutije od valovite ljepenke postoji problem od

pucanja kutije zbog irenja unutarnjeg sloja nakon perforacije. Kako bi se karton pravilno

savio, moraju se definirati kartonska ljebljenja pa se definiraju linije savijanja. Time se

omoguuje ljepljenje kutije na ispravan nain i skrauje se vrijeme koje je za to potrebno na

minimum. ljebljenjem se stvara trajna deformacija lokalno se smanjuje krutost pa se

karton lake savija du linije ljebljenja.

Takva lokalna deformacija moe uzrokovati poveanje napetosti i rezultirati pucanjem

kartona. Slika 8. prikazuje dio nesloene kutije na kojoj je vidljiva pukotina unutarnjeg sloja.

Slika 8. Otvoreni prirez kutije od valovitog kartona nakon ljebljenja i perforiranja, gdje se

pojavljuju pukotine zbog irenja unutarnjeg sloja. Efekt loma kartona najee se uoava

okomito na smjer valovljenja. MD smjer predstavlja smjer proizvodnje, a CD okomiti smjer

Takoer se moe pojaviti i pucanje vanjskog sloja kutije, no to nije uzrokovano

irenjem zbog savijanja. Arci ljepenke se savijaju tako da se minimalizira prostor za

skladietenje pa se najee upotrebljavaju savijanja od 180. Pri slaganju kupova araka na

vertikalnu hrpu (formiranje kupova) takva savijanja mogu izazvati pucanje vanjskog sloja.

Oba sluaja nisu poeljna jer smanjuju krutost materijala. Obzirom kako vlanost i

temperatura variraju tokom godinjih doba, praksa pokazuje da je utjecaj mehanikih

svojstava papira i pucanje zbog irenja ee u hladnim mjesecima. [1]


22

Mehanika svojstva papira vana su za strukturalno modeliranje slojeva u valovitom

kartonu. Papir se u osnovi sastoji od celuloznih vakanaca, ali se u njega dodaju i nevlaknaste

sirovine radi ostarivanje dodatnih svojstava. Toan sastav ovisi o vrsti papira koji se

proizvodi. Drvne pulpe podijeljene su po nainu proizvodnje, te po vrstama drveta koje su u

proizvodnji upotrebljene. Ta dva faktora odreuju kemijski sastav, strukturu i stanje

vlakanaca u pulpi koji pak odreuju svojstva papira kao budueg proizvoda.

Drva pulpa je najvaniji izvor vlakanaca. Tu razlikujemo dvije skupine: sirovine proizvedene

od mekog i tvrdog drveta, koje se razlikuju po svojoj strukturi (duini vlakanaca). Vlakanca

mekog drveta su u prosjeku duga 3 - 5 mm i debljine 20 80 m, dok se kod tvrdog drveta

njihova duina kree od 1 - 2 mm, i debljine manje od 20 m. Iako su oblikom vrlo slina,

potrebno je napomenuti da vlakanca mekog drveta daju snagu i provode tekuinu, a vlakanca

tvrdog drveta dobijaju snagu od mekih vlakanaca, no imaju druge sustave koji provode

tekuinu, tzv. kapilare.


23

Slika 9. Struktura drvenog vlakanca

Zid vlakanca prikazanog na slici 9 sastoji se od 4 sloja: sloj P primarni sloj, S1 sekundarni

prvi sloj, S2 sekundarni drugi sloj, koji je najee i najdublji, te S3 sekundarni trei sloj.

Rupa u sredini zida naziva se lumenom, a odruje koje okruuje vlakno naziva se srednjom

lamelom. U S2 sloju se fibrili ovijaju spiralno oko osi vlakna, a izgledom podsjeaju na male

pletenice graene u osnovi od molekula celuloze.


24

Slika 10. SEM (skenirani mikroskopski prikaz) prikaz pukotina kartona/papira

Veze vlakanaca u papiru proizlaze zbog tendencije molekula celuloze da se

meusobno veu u suhom stanju. Tako postoje dvije vrste veza veze unutar i veze izmeu

vlakanaca. Vezanje unutar vlakanaca uzrokovano je kemijskim vezama (poput vodikovih

veza), meumolekularnim Van der Waalsovim silama kao i meusobnim ispreplitanjem

molekula. Kada su dva vlakna meusobno jako blizu dolazi do intermolekularne veze te se

takvo vezivanje naziva meusobnim vezivanjem vlakanaca.

Mehaniko ispreplitanje i sile povrinske napetosti fibrila manifestiaju se privanim

silama meu vlakancima. Vodikova veza vrsta je intermolekularne sile koja se stvara izmeu

elektrinih naboja suprotnog polariteta. Iako je vodikova veza jaa nego veina

intermolekularnih veza, ona je ipak mnogostruko slabija u odnosu na ionske i kovalentne

veze, a vodikove veze izmeu vlakanaca identine su vodikovim vezama unutar vlakanaca.

Svaka glukozna skupina u njihovom sastavu tako moe oformiti tri vodikove veze koje

omoguuju vezivanje molekula vode unutar celulozne molekule vlakanca.


25

Slika 11. Vodikova veza unutar vlakanca u suhom i mokrom stanju

U mokrom ili vlanom stanju mogue je stvaranje veeg broja vodikovih veza izmeu

fibrila nego to je mogue u suhom stanju (slika 11.), to ini mokar papir fleksibilnijim.

Upravo to je razlog zato je papir osjetljiv na vlagu, relativnu vlanost zraka i temperaturu.

Zbog kontinuirane prirode proizvodnje papira vlakanca su veinom orijentirana u smjeru

proizvodnje, tzv. tok vlakanaca, nego u ostalim smjerovima. Kod arka papira moemo

razlikovati tri osi simetrije definirane na slici 12.

Slika 12. Smjerovi toka vlakanaca; MD-smjer proizvodnje, CD smjer okomit na smjer

proizvodnje, te ZD smjer debljine/visine


26

Papir kao neizotropni materijal pokazuje razliita svojstva na mehaniko optereenje u

razliitim smjerovima. Slika 13. pokazuje tipinu krivulju naprezanja i deformacija u ravnini

MD CD, pri emu materijal u MD smjeru pokazuje veu krutost i lomnu vrstou, ak i do

4 puta veu krutost nego u CD smjeru.

Papir kao higroskopan materijal uslijed promjene relativne vlanosti zraka i

temperature mijenja mehanika svojstva kao to je krutost. Koliina vlage u papiru ovisi o

trenutnim klimatskim uvjetima, ali i o prijanjim stanjima materijala.

Slika 13. prikazuje trend uoljiv prilikom porasta relativne vlage zraka i temperature.

Porast relativne vlage zraka i temperature rezultira manjom mehanikom otpornou na vlak i

tlak, te je stoga vano kontolirati klimatske uvjete kako bi zadrali potrebna mehanika

svojstva materijala.

Slika 13. Slika prikazuje tipinu krivulju naprezanja i deformacija u ravnini MD CD, pri

emu f oznaava toku loma. Strelice i isprekidane krivulje pokazuju trend krivulje pri

poveanju vlanosti ili temperature.


27

Slika 14. Krivulje optereenja i pomaka u uzdunom i poprenom smjeru vlakanaca

Blizu ishodita, krivulje pokazuju nelinarnost, kao to je prikazano na slici 14. Tijekom

inicijalne faze testa na vlak, sva vlakna nisu napeta. S vremenom se sila rasporeuje na sva

vlakna, pa se optereenje rasporeuje po manje-vie linearnoj funkciji. Kako bi se izbjegao

opisani efekt, poeljno je preopteretiti uzorak prije ispitivanja, da se sila podjednako

rasporedi.


28

1.1.3. Reologija valovitog kartona

Valoviti karton koji ima gotovo najveu relativnu vrstou (vrstoa u odnosu na

teinu) meu materijalima, uz nisku cijenu i stopostotnu obnovljivost bio bi idealan materijal

da nema jednu manu - izrazitu osjetljivost prema vodi.

Sadraj vlage kartona koji je u ravnotei s okolnim zrakom ovisi o relativnoj vlanosti

tog zraka, sastavu kartona (razliita vlakna razliito apsorbiraju vlagu iz zraka), te nainu na

koji je postignuto ravnoteno stanje, tj. primanjem ili otputanjem vlage.

Relativna vlanost zraka izravno utjee na koliinu vlage u papiru koja se poveava s

poveanjem temperature. Sama relativna vlanost se ne mora nuno dovoditi u vezu s

koncentracijom vode u zraku. Temperatura je takoer bitan faktor kada govorimo o vlaenju

papira u razliitim uvjetima. Drugi bitni faktori su tlak vodene pare i tlak zasienja, to jest tlak

pri kojem zrak sadri 100% vodene pare .

Relativna vlanost r predstavlja omjer vlage koja se stvarno nalazi u 1 m3 zraka i

maksimalne koliine koji bi isti volumen zraka pri istoj temperaturi i tlaku mogao primiti.

Raste s padom temperature maksimalno do 100%, nakon ega daljnjim padom temperature

dolazi do kondenzacije (pretvaranja vlage, odnosno vodene pare u vodu).

Pri potpunoj zasienosti zraka (r = 100%) temperature 23C, sadraj vlage u papiru je

najee izmeu 25-30%. Pri konstantnoj relativnoj vlanosti sadraj vlage je prilino

neosjetljiv na promjene temperature, osim u vrlo vlanim klimatskim uvjetima gdje je

potrebna temperaturna promjena vea od 10C, prije nego to se sadraj vlage u papiru

znaajno promjeni. Sadraj vlage ovisi o svojstvima pulpe od koje je proizveden papir. Za istu

relativnu vlanost, papiri proizvedeni od mehanike pulpe (drvenjaa) esto sadre vie vlage

nego papiri proizvedeni od kemijske pulpe (sulfitna i sulfatna celuloza).

Stoga, relativna vlanost se definira kao omjer tlaka vodene pare u zraku u odnosu na tlak

zasienja pare. Klimatski sustav nikad nije u termodinamikoj ravontei. Neka odreena vrsta

papira istog sastava moe pokazivati razliitu higroekspanziju zbog razliitog tretiranja

vlakanaca u prolosti, kada su bila traumatizirana razliitom uvjetima prerade te nekoliko puta

reciklirana. Tlak zasienja se pojavljuje u kapilarama vlakanaca koje sadre tekuinu, te se u

njima izjednauje brzina isparavanja i kondenziranja. Kako se kinetika energija poveava sa

temperaturom, tlak zasienja pare se poveava.


29

Drvena vlakanca su higroskopna, trenutno apsorbiraju vodu. Stoga se sadraj vlage u

papiru definira kao omjer apsorbirane vode i mase suhog papira. Kada je u ravnotei s

okolinim zrakom, sadraj vlage papira ovisi o relativnoj vlanosti zraka i ravnotenoj

temperaturi. Sadraj vlage papira smanjuje se poveanjem temperature ili smanjivanjem

relativne vlanosti. Postoji odreena razlika u sadraju vlage zbog razliite dinamike

apsorpcije i desorpcije fenomen histereze.

Slika 15. Dijagram histereze papira [1]

Histerezom podrazumijevamo razliku u sadraju vlage u papiru, koja nastaje pri istoj

relativnoj vlanosti zraka, kada do ravnotenog stanja s okoliem papir dolazi iz vee

relativne vlanosti mehanizmom desorpcije, u odnosu na dolazak u ravnoteno stanje

apsorpcijom iz nie relativne vlanosti, slika 15.

Histereza je razlika puteva deformacije papira pri uvjetima vlaenja i suenja (apsorpcija i

desorpcija vlage). Kao pojava se povezuje s higroskopnom prirodom vlakanaca.


30

Toplinska energija u funkciji desorpcije je potrebna da bi se uklonila voda iz vlakana. S

druge strane, toplina apsorpcije oslobaa se kada vlakna upijaju vodu.

Sadraj vlage je vei pri otputanju vlage. Dakle, karton nakon to upije odreenu koliinu

vlage pri poveanju relativne vlanosti nakon aklimatiziranja na nie vrijednosti relativne

vlanosti zraka, ne otpusti istu koliinu vlage koju je apsorbirao. Kod standardnih postupaka

ispitivanja, preporuka je da se za postizanje ravnotenog stanja upija vlaga iz atmosfere.

TAPPI, FEFCO i ostali standardi odredili su standardnu klimu za veinu testiranja: 50% 2%

relativne vlanosti zraka i temperatura 23 1C.

Ovisnost primanja vlage o vrsti sirovine (celuloze) za izradu papira pri odreenoj relativnoj

vlanosti prikazuje dijagram na slici 16. [3]

Slika 16. Ovisnost vlage u papiru o relativnoj vlanosti zraka na primjeru razliitih vrsta

papira


31

Faktori koji su istraivani u ovom poglavlju ogranieni su na temperaturu i vlanost

hladnjae. Za temperaturu u hladnjaama oekuje se da varira 0-2C i oscilira s ciklusom

iskljuivanja/ukljuivanja sistema hlaenja i za vrijeme izmjene vanjskog zraka, na primjer

tokom punjenja i pranjenja. Za vlagu u hladnjai takoer se oekuje da oscilira u

sinkronizaciji s temperaturom.

Temperature u hladnjaama variraju, a obino ih se dri na oko 0C. Papir, kao higroskopan

materijal, upija ili otputa vlagu kako bi postigao ravnoteu s okolinom. Smanjenjem

temperature, sadraj vlage u papiru se poveava na konstantnoj relativnoj vlanosti. Zbog

toga temperatura ima indirektan utjecaj na svojstva papira jer utjee na sadraj vlage.

Hlaenje takoer poveava krutost valovitog kartona, prema istraivanjima Andersson,

Berkyto, Salmen i Back. [1] Iako, poveavanje krutosti papira i valovitog kartona zbog

temperature je neznaajno u usporedbi s poveanjem sadraja vlage uzrokovano visokom

vlagom na koju nailazimo u hortikulturalnim hladnjaama.

Sadraj vlage valovitog kartona na standardnim uvjetima za testiranje je otprilike 8.1%, dok u

hortikulturalnim hladnjaama sadraj vlage moe dosei i 20%. Utjecaj vlage na tlanu

vrstou kutije od vrha do dna modelirali su Kellicutt i Landt 1951. (19), Maltenfort 1988. i

Kawanishi 1989. (20) i (21). Kellicutt-ova i Landt-ova jednadba predvia smanjenje vrstoe

od 56% zbog povienja vlage s 8 na 20%, u odnosu na vrstou pri 8% vlage. Kawanishi-eve

jednadbe predviaju smanjenje vrstoe za 62-73% za isto poveanje vlage u odnosu na

vrstou na 8%. [2]

1

2

2

101.3

01.3

1010

MC

MC

MC

MC

BCSBCS

= (19)

BCSMC1 tlana vrstoa kutije s referentnim sadrajem vlage (N)

BCSMC2 tlana vrstoa kutijes novim sadrajem vlage (N)

MC1 referentni sadraj vlage (%)

MC2 novi sadraj vlage (%)


32

UKBMCFCBCS 898.04 = (20)

UKBMCFCBCS 923.05 = (21)

MCUKB sadraj vlage (%)

FC4 i FC5 konstante

Kawanishi je dobio dvije empirijske jednadbe koje tvore model za utjecaj vlage na bridnu

vrstou valovitog kartona (22) i (23). Kawanishi-eva procjene utjecaja vlage na bridnu

vrstou valovitog kartona vrlo su slina procjenjivanju utjecaja vlage na tlanu vrstou

kutije.



ECT1 vrijednost bridne vrstoe nakon testa A i AB vala valovitog kartona (kgf/cm)

ECT2 - vrijednost bridne vrstoe nakon testa B vala valovitog kartona (kgf/cm)

FC6 i FC7 konstante, vrijednosti nisu poznate (dimenzije nisu poznate)

Benson 1971. mjerio je svojstva istezanja na 3 uzorka kraft papira koji su sadravali

od 3-17% vlage. Benson je tvrdio da su maksimalan napor istezanja i moduli elastinosti

slijedili linearan trend, u odnosu na sadraj vlage, do 13% vlage. To je jedini objavljeni

podatak koji spominje linearan trend preko bilo kojeg dijela u rasponu sadraja vlage. Benson

je takoer mjerio sline odnose izmeu modula elastinosti i sadraja vlage. [2]

Standardni laboratorijski testovi obino mjere vrstou papira na vlak i tlak, a svojstva

valovitog kartona i tlana vrstoa kutije vre se pod stalnim optereenjem u roku od par

sekundi. Iako, papir, valoviti karton i kutije se ponaaju razliito u uvjetima konstantnog

optereenja ili kada se primjeni tlano optereenje koje je nie od standardnih laboratorijskih

testiranja.


33

Ambalaa od valovitog kartona izloena je puzanju, gdje se uzorak pod konstantim

istezanjem ili tlakom, koje je manje nego maksimalno istezanje izmjereno u standardnim

laboratorijskim testiranjima na tlak, deformira u smjeru istezanja. Ta deformacija moe

dovesti do pucanja uzorka nakon to produimo vrijeme testiranja vie nego je to dozvoljeno

kod konstantnih laboratorijskih testova na vlak. Slika 16. prikazuje kako je vrijeme do

deformacije kutije ovisno o njezinom optereenju. Na primjer, za kutiju s optereenjem koje

odgovara 70% njegove maksimalne vrstoe, kako je izmjereno standardnim laboratorijskim

testiranjima, oekuje se deformacije ve nakon jednog dana, dok se kutija s optereenjem od

54% maksimalne vrstoe deformira nakon otprilike 100 dana.

Slika 17. Test vremenske deformacije kutija od valovitog kartona pod optereenjem proveden

u razliitim atmosferskim uvjetima. Isprekidana linija predstavlja ekstrapolaciju trenda

smanjenja tlane vrstoe prema Maltenfortu. [32]

Maltenfort nije detaljno objasnio kako su pripremljeni uzorci koji su dali informacije za sliku

17., iako se samo moe kvantitativno koristiti za predvianje utjecaja optereenja na vrijeme

deformacije. Vaan zakljuak proizlazi iz ove slike, a to je da bi poveanje vrstoe valovitog

kartona trebalo odgoditi vrijeme deformacije pod konstantnim tlanim optereenjem.


34

Slika 18. Dijagram puzanja

Koning i Stern (1977.) predstavili su grafiku ilustraciju procesa puzanja valovitog kartona.

Dijagram na slici 18. podijeljen je u tri karakteristina dijela, odnosno proces puzanja u tri

stadija:

I-poetni stadij

U prvom stadiju krivulja ne poinje iz ishodita dijagrama budui da je deformacija nastala

istog trenutka kad je ispitni uzorak optereen. Prvi stadij karakterizira u poetku poveana i

promjenljiva brzina puzanja /t (nelinearan odnos).

II-stadij puzanja

Naziva se stadijem (priblino) konstantnog gradijenta (brzine) puzanja. Naime u torn stadiju

je dijagram priblino pravac s koeficijentom smjera /t - brzinom puzanja. Nagib tog

"pravca" govori o otpornosti materijala prema puzanju. to je strmiji sklonost puzanju je vea.

Ukoliko je paralelan s osi apscisa (/t =0 !) onda je materijal potpuno otporan na puzanje.

Drugi stadij vremenski traje puno dulje nego prvi stadij i trei stadij.

III-stadij puzanja


35

Zavrni je stadij gdje se brzina puzanja poveava i vie ne postoji linearna ovisnost izmeu

istezanja i vremena. Zavrni stadij zavrava sa lomom uzorka.

Nakon brojnih istraivanih konfiguracija, visok koeficijent odnosa upuuje na robusnost

izraza za predvianje vremena loma kutije. Mana ovog pristupa, koji zahtjeva praenje od

samo 30 dana od prvog podruja je ta da je za cijelo mjerenje potrebno otprilike 72 dana,

dozvoljavajui da se prvo podruje zavri u 42 dana. [2]

038.14988

SCRTtF = (24)

TtF vrijeme do pucanja (sati-t)

SCR razina drugog podruja optereenja (in/int)

Puzanje papira ovisno je o primjenjenom naprezanju i sadraju vlage uzoraka

(Habeger i Coffin 2000.). Brzina puzanja se poveava ili smanjuje s promjenom sadraja

vlage u papiru, to se prikazuje izokronim krivuljama. Najvee je puzanje pri visokom

sadraju vlage u papiru, a uzrokovano je prodiranjem vode u papir, to rezultira

omekavanjem papira. Koliina i kompozicija hemiceluloze i lignina u vlakancima odreuje

brzinu puzanja papira. Na slici 19. je prikazano poveanje deformacija kao posljedica

poveanja relativne vlanosti zraka.


36

Slika 19. Utjecaj poveanja relativne vlanosti zraka na deformacije puzanja valovitog

kartona


37

Zanimljivo opaanje o utjecaju vlage u papiru je da brzina puzanja postaje posebno

visoka ako relativna vlanost zraka varira. Ciklikom promjenom relativne vlanosti zraka,

brzina puzanja postaje znaajno vea nego pri bilo kojoj razini konstantne vrijednosti

relativne vlanosti unutar ciklusa. Ova pojava zove se ubrzano puzanje. Porast relativne

deformacije po ciklusu promjene relativne vlanosti je konstantan i nezavisan o brzini

promjene relativne vlanosti. Za porast relativne deformacije obzirom na prethodna

razmatranja kljuna je razlika izmeu poetne i krajnje vrijednosti relativne vlanosti zraka u

jednom ciklusu. Ukoliko u jednom ciklusu poveamo relativnu vlanost od 30%-90% za

posljedicu emo imati veu relativnu deformaciju nego za jedan ciklus promjene 50%-90%.

Na primjeru podataka sa slike 20. demonstrirano je kako ciklike izmjene apsorpcije i

desorpcije vlage pospjeuju proces tlanog puzanja valovitog kartona.

Slika 20. Dijagram tlanog puzanja pri konstantnim ciklikim promjenama relativne vlanosti


38

Tlano puzanje, (slika 20.) osobito tlano puzanje uzrokovano krunim izmjenama

relativne vlanosti u zraku smatra se glavnim uzrokom lomova (uruavanja, kolapsa) kutija

koje ulazi u nadlenost (ingerenciju) inenjera i proizvoaa valovitog kartona (jer oni

upotrebom razliitih kartona, vrsta valova i openito konstrukcijom kutije mogu utjecati na

tlanu vrstou kutije, pa samim time i na vijek trajanja kutije).

Naravno, izvan njihove kompetencije su lomovi kutija kao rezultat npr. nesavjesnog

postupanja s ambalaom transportnih radnika (nepravilno slaganje, bacanje kutija, oteenja

nepravilnim rukovanjem transportnim vozilima).

Slika 21. Dijagram tlanog puzanja valovitog kartona pri ciklikoj izmjeni relativne vlanosti


39

Dijagram na slici 21. prikazuje odnos relativne deformacije kao funkcije vremena t u

ovisnosti o konstantnoj visokoj relativnoj vlanosti od 90% (donja krivulja) i pri ciklikim

promjenama relativne vlanosti od 35% do 90% (gornja izlomljena krivulja).

Vidljivo je kako deformacija progresivno napreduje kako se broj ciklusa poveava.

Byrd (1986.) je iznio da su Setterholm i Benson (1977.) otkrili kako koritenje vodootpornog

adheziva smanjuje razinu deformacija puzanja uzoraka valovitog kartona ispitivanih na bridnu

tlanu vrstou u okolini promjenljive relativne vlanosti zraka i temperature.


40

1. 2. vrstoa i lijebljenje

Razvoj tehnologije lijebljenja sa malom visinom valova (mikrovalovi) te sustavi za

oplemenjivanje unutranje i vanjske stijenke (slika 22.) valovitog kartona, snano e utjecati

na njegovu upotrebu u budunosti. Pogotovo e utjecati na njegove potroae zbog novog

proizvodnog podruja poznatog kao potroako pakiranje. Velika vrstoa tankog valovitog

kartona u usporedbi s malom potronjom osnovnog materijala ini povoljnu alternativu

standardnom kartonu.

Slika 22. Kutije od valovitog kartona sa vodonepropusnom oblogom

2

CILJEVIISTRAIVANJAIHIPOTEZE

41

Cilj ovoga istraivanja je razviti model za predvianje vrstoe kutije na tlano

optereenje bazirano na kondicioniranim uvjetima relativne vlanosti i temperature okoline.

Kutije od valovitog kartona koje se koriste u distribuciji voa i povra susreu se na svom

distribucijskom putu od proizvoaa do potroaa s vrlo promjenljivim vremenskim uvjetima.

Distribucijski put podrazumjeva najee dulji boravak u razliitim hladnjaama pri prijevozu

i skladitenju te kratkotrajno izlaganje vanjskim atmosferskim uvjetima pri pretovaru. U

hladnjaama, radi ouvanja kvalitete i kvantitete voa i povra vladaju niske temperature i

visoka relativna vlanost to ima izarzito nepovoljan utjecaj na mehanika svojstva valovitog

kartona. U tim uvjetima, zbog higroskopnosti celuloznih vlakanaca, pojaava se njegovo

reoloko svojstvo koje za posljedicu ima znaajno smanjenje vijeka trajanja kutije.

Cjelokupnim procesom manipulacije s ambalaom od valovitog kartona unaprijeuje

se te se predlae novi nain istraivanja kako bi se postigli povezani ciljevi smanjenja

promjenljivosti i poveanja tlane vrstoe kutije. Skalditenje voa i povrau hladnjaama te

transportni uvjeti odreuju jedno od najzahtjevnijih okruenja za ambalau od valovitog

kartona. Zahtjevi za ambalau naveli su industriju voa da koriste valovite kartone visoke

djelotvornosti s relativno tekim Kraft kartonima, proizvedenih od iste celuloze i spojeni

vodootpornim ljepilima. Koritenje valovitog kartona namee nuan i izrazit troak industriji

voa.

Ispravnim odabirom izmjerenih podataka i dobivenih informacija ustanovljena su

poboljanja u proizvodnji kutija. Ona se postiu kroz usavreno znanje onih faktora koji imaju

najvei utjecaj na tlanu vrstou kutije te je pruanje takvog znanja krajnji cilj ovog

istraivanja.

DISERTACIJA 2.Ciljevi istraivanja i hipoteze

42

vrstoa ambalae kao osnovica istraivanja je dinamini sustav obzirom na vrijeme u

kojem se pakirane namirnice nalaze. Istraivanje je ogranieno s nekoliko praktinih uvjeta.

Omoguen je pristup u jedinicu za proizvodnju valovitog kartona u Beliu d.d. koji proizvodi

kutije iz rola valovitog kartona. Ne ukljuuje se eksperiment u jedinicama za proizvodnju

celuloze i papira. Istraivanje je ogranieno odlukom da se koriste jabuke kao jedina vrsta

voa koja se pakira u ispitivane uzorke kutija. Izbor ispitivane kutije bio je temeljen na

koliini koja je proizvedena u Belie d.d. te jedinici za precizno izrezivanje (tancanje) utora

za oblikovanje kutija. Konstrukcija kutije nije se uzimala u obzir u ovom istraivanju.

Hipoteza rada 1: ciklike promjene relativne vlanosti zraka uz zanemarivi utjecaj

vremena trajanja optereenja drastino samanjuju nominalnu tlanu vrstou kutija od

valovitog kartona

Hipoteza rada 2: poboljane tehnike ispitivanja omoguuju da se osnovna teina kutije

minimizira i da se smanji kavliteta kutije do one donje granice koja moe izdrati definirani

distribucijski put a podlona je drastinim promjena vlanosti zraka i temperature okoline. Ta

donja granica kvalitete kutije mora biti tono odreena kako bi se smanjila mogunost loma

Razvojem i adekvatnim unosom informacija u odreenu bazu smanjili bi varijacije u

izdrljivosti kutije. To bi omoguilo smanjenje razlike izmeu prosjene izdrljivosti i

potrebne izdrljivosti kutije a da pri tom kutija zadri prihvatljivo malu mogunost loma.

U radu se predlou novi modeli za opisivanje stupnja deformacije valovitog kartona

kao i stupnja predvidivosti njegove tlane izdrljivosti. On pokazuje viskoelastina svjstva i

iri se adsorpcijom vlage. Kako bi razumjeli pojavu utjecaja vlage i temperature na valoviti

karton potrebno je usmjeriti odreeni trud k shvaanju ciklikih promjena na njegova

svojstva.

Znanstvenim pristupom provest e se eksperimentalni plan s izvedenim realnim

metodama koje e biti primjenjene u realnoj ambalanoj industriji. Na temelju kvantificiranih

podataka dobivena mjerenja vlanosti i vrstoe dobiva se novi uvid u planiranje upotrebe i

poboljanja ambalae od valovitog kartona. Rezultati e se interpretirati regresijskom

analizom.

3

METODOLOGIJARADA

43

3.1. Plan i metode istraivanja

Za potrebe istraivanja izraeni su uzorci peteroslojnog valovitog kartona. Uzorci su

izraeni od ratliitih ravnih i valovitih slojeva papira i njihovih razliitih gramatura. Za izradu

ravnih slojeva koriteni su papiri: renc, smei testliner, bijeli testliner i kraftliner dok su za

izradu valovitih slojeva koriteni welensthof i semi-chemichal papiri. Uzorci valovitog

kartona izraeni su u poduzeu Belie d.d. Izraeno je est potpuno razliitih uzoraka sa

kombinacijama ravnih i valovitih slojeva s pripadajuom gramaturom za svaki sloj papira.

Vrste papira i gramature s njihovim ulaznim vrijednostima detaljno je opisan u tablicama od 4

do 9. Od dobivenih uzoraka valovitog kartona izraene su transportne kutije za voe i povre.

Kutije su izraene na automatskom stroju za tancanje Bobst te na automatskom stroju za

formiranje kutija lijepljenjem Teco 2. Za potrebe istraivanja osiguran je dio prostora u

hladnjai u skladino distributivnom centru Konzuma. Uzorci kutija slagani su na palete

standardne veliine od 800 x 1200 mm. U bazi palete bilo je osam kutija a po visini deset. U

svim kutijama kao sadraj su se koristile jabuke. Svaka kutija zajedno sa sadrajem imala je

istu teinu od deset kilograma. Tijekom ispitivanja uzorci kutija se vade iz hladnjae, gdje su

kondicionirani uvjeti vlage i temperature i izlau se vanjskim (dnevnim) klimatskim uvjetima.

Jedan ciklus podrazumijeva boravak kutija u komori za hladnjae unutar 24 h pri konstantno

niskoj temperaturi od 2-4C i visokoj relativnoj vlanosti zraka od 75-85%. Nakon toga slijedi

kratkotrajno izlaganje od 15 minuta u promjenljivim vanjskim uvjetima, uglavnom relativno

visoke ljetne temperature i relativno niske vlanosti zraka uz prisustvo snanog sunevog

zraenja. Time se simulira stvarna situacija pri distribuciji. Posljedica tih promjena je

apsorpcija i desorpcija vlage iz zraka kojim valoviti karton svakim ciklusom postaje sve

slabiji. Mehanosorpcijske deformacije koje nastaju u valovitom kartonu posljedica su tlanog

puzanja (creep) kutija.

DISERTACIJA 3. Metodoligija rada

44

Tablica 4. Uzorci valovitog kartona AS-0

Oznaka kvalitete AS-0

Karakteristike sastavnica peteroslojnog valovitog kartona

Slojevi (unosi) papira Vrsta papira Gramatura papira

vanjski ravni sloj vanjski valoviti sloj

srednji ravni sloj unutarnji valoviti slojunutarnji ravni sloj

bijeli kraftliner SC fluting SC fluting SC fluting kraftliner

135 g/m2 175 g/m2 175 g/m2 175 g/m2 175 g/m2

dimenzije kutije za voe i povre 500 x 300 x 170 mm gramatura [g/m2] 1038

debljina [mm] 6.58 BST [kPa] 1757

ECT [kN/m] 15.37

sadraj vlage [%] 7.1 FCT [kPa] 277

PET [J] 10.10

Tablica 5. Uzorci valovitog kartona AS-1

Oznaka kvalitete AS-1


Slojevi (unosi) papira Vrsta papira Gramatura papira vanjski ravni sloj

vanjski valoviti sloj srednji ravni sloj

unutarnji valoviti slojunutarnji ravni sloj

bijeli kraftliner SC fluting

testliner SC fluting kraftliner

135 g/m2 150 g/m2 125 g/m2 150 g/m2 186 g/m2

dimenzije kutije za voe i povre 500 x 300 x 170 mm gramatura val. kartona [g/m2] 916

debljina [mm] 6.53

BST [kPa] 1608 ECT [kN/m] 13.73

sadraj vlage [%] 5.6

FCT [kPa] 232 PET [J] 9.20


45

Tablica 6. Uzorci valovitog kartona 3KSE

Oznaka kvalitete 3KSE





liner 0 medium liner 0

medium liner 0

175 g/m2 150 g/m2 175 g/m2 150 g/m2 175 g/m2

dimenzije kutije za voe i povre 500 x 300 x 170 mm gramatura [g/m2] 924


ECT [kN/m] 11.07


PET [J] 9.6

Tablica 7. Uzorci valovitog kartona BTKE/2F

Oznaka kvalitete BTKE/2F





bijeli testliner SC fluting

testliner SC fluting

liner 0

140 g/m2 150 g/m2 130 g/m2 150 g/m2 175 g/m2

Dimenzije kutije za voe i povre 500 x 300 x 170 mm gramatura [g/m2] 865

debljina [mm] 6.27

BST [kPa] 1258 ECT [kN/m] 9.94

sadraj vlage [%] 5.8

FCT [kPa] 129 PET [J] 8.8


46

Tablica 8. Uzorci valovitog kartona 2K-E

Oznaka kvalitete 2K-E





Liner 0 medium

renc medium liner 0

140 g/m2 100 g/m2 110 g/m2 150 g/m2 175 g/m2



ECT [kN/m] 9.6


PET [J] 8.2

Tablica 9. Uzorci valovitog kartona 2K

Oznaka kvalitete 2K





liner 0 medium

renc medium liner 0

140 g/m2 100 g/m2 110 g/m2 100 g/m2 140 g/m2


debljina [mm] 6.35

BST [kPa] 1363 ECT [kN/m] 8.95


PET [J] 7.25


47

U istraivanju su se koristile slijedee metode ispitivanja:

1. Odreivanje povrinske mase (gramature) papira

Norma: HRN H. N8 225; ISO 536

2. Odreivanje debljine papira i valovitog kartona

Norma: DIN 53105; ISO 534

3. Odreivanje sadraja vlage u valovitom kartonu

Norma: HRN H. N8 206; DIN 53103; ISO 287

4. Odreivanje otpornosti prskanja valovitog kartona po Mullenu (BST)


5. Odreivanje otpornosti na dinamiko probijanje valovitog kartona (PT)


6. Odreivanje otpornosti brida valovitog kartona (ECT)

Norma: FEFCO No 8; DIN 53149; ISO 3037

7. Odreivanje otpornosti povrine valovitog kartona (FCT)

Norma: FEFCO No 9; DIN 53150; ISO 3038

8. Odreivanje otpornosti kutije na tlanu vrstou (BCT)

Norma: ISO 12048


48

3.2. Oznaavanja uzoraka

U istraivanju su koriteni papiri za ravni sloj: renc, smei testliner, bijeli testliner,

bijeli kraftliner a za valovite slojeve welensthof i semi-chemichal papiri. Ovakvi nazivi papira

su uobiajeni u industriji ambalae na podruju Republike Hrvatske i ne postoje druga

rijeenja. Postoji potreba za novim nainom oznaavanja da se standardizira postojee stanje.

Kutije od valovitog kartona za voe i povre svrstavaju se u transportnu i komercijalnu

ambalau pa je nivo kvalitete vaan s oba aspekta. Vrsta i gramatura slojeva papira od koje se

izrauje valoviti karton a potom kutija u potpunosti odreuju njenu kvalitetu jer se njihovim

brojnim kombinacijama mogu dobiti kutije veoma razliitih karakteristika. Oznake materijala

iz tablice 10 su trine oznake jednog proizvoaa i ne opisuju materijal u potpunosti. Svaki

proizvoa u Republici Hrvatskoj ima drugaije oznake. Tako se, na primjer, valoviti karton

koji jedna tvornica proizvodi pod oznakom 2T-b na tritu pojavljuje i s oznakama 2K-b,

1919B, 2K-3, 2PK-b, T 21 B od nekih drugih proizvoaa. Za potpuni opis kvalitete

valovitog kartona, predlae se da se pored oznaka vrste papira i valova, navede i gramatura

papira na slijedei nain:

T = testliner

R = reciklirani fluting

B = b-val

4 = 140 g/m2

1 = 112 g/m2

Iz primjera se vidi da se u ovom sluaju radi o troslojnom valovitom kartonu iji su ravni

slojevi izraeni od testlinera 140 gr/m2, dok je srednji valoviti sloj reciklirani fluting, 112

gr/m2 s profilom b vala. Do sada niti jedan proizvoa valovitog kartona u svojim iframa nije

imao oznaku gramature. Obzirom da su unosi papira uvijek kreu u rasponu od 100gr/m2 do

200gr/m2 dovoljno je upisati jednoznamenkasti broj od 0 do 9 koji e oznaavati gramaturu

kao iz navedenog primjera. Time bi proizvoa ali i potroa kutija od valovitog kartona imao

potpunu informaciju o kakvoj se kvaliteti materjala radi.


49

Tablica 10. Osnovne kombinacije papira za izradu valovitog kartona

Oznake materijala Kombinacije papira

-B

T-E

T-c

T -b

2T-c

BT-c

BK-c

KT-c

ETT-c

2K-c


50

Oznake materijala Kombinacije papira

T2-b/c

K2-b/c

2T-b/c

ETK-b/c

E2T-b/c

E2K-b/c

BT-b/c

BK-b/c

M2-b/c

2-b/c

T-b/c


51

3. 3. Regresijska analiza

Zbog ogromnog broj podataka i eksperimentalnih mjerenja pri istraivanju, koristit e se

model viestruke regresijske analize. Ovaj model najtonije opisuje (daje najizglaeniju

krivulju) meuzavisnosti varijabli koje su istraivane u radu.

Metoda regresijske analize je algebarski model kojim se analitiki odreuje statistika

povezanost jedne numerike varijable s dvije ili vie drugih numerikih varijabli. Regresijski

model je u pravilu jednadba koja sadri varijable i parametre: eXXXXfY k += ),,...,,,,( 321 U gornjem modelu Y je zavisna varijabla ili regresand (dependent variable) i predstavlja

pojavu ije se promjene pokuavaju objasniti nezavisnim varijablama (explanato

Documents

Denis Jurei Doktorat