Ein Leitfaden zur mechanischen Prüfung von Verpackungsmaterialien aus Papier und Kunststoff

In dem Jahr, seit die COVID-19-Pandemie begann, unser Leben auf den Kopf zu stellen, war eine Veränderung unter vielen der enorme Anstieg des weltweiten Verbrauchs von Papier- und Kunststoffprodukten. Der E-Commerce verzeichnete im Jahr 2020 ein rasantes Wachstum, da Restaurants auf das Take-Away-Modell umstellten und Verbraucher sich dafür entschieden, online in der Sicherheit ihres Zuhauses einzukaufen, anstatt einen überfüllten Laden aufzusuchen. Für diejenigen, die sich dennoch auf den Weg gemacht haben, haben viele Geschäfte auf die Verwendung von wiederverwendbaren Beuteln verzichtet, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Das Ergebnis dieser Trends ist eine erhöhte Nachfrage nach Einwegverpackungen aus Papier und Kunststoff. Obwohl die Nachfrage nach diesen Produkten nicht neu ist, hat sie unter den Belastungen einer Pandemie zugenommen. Um Schritt zu halten, investieren Hersteller von Kunststoff- und Papierverpackungsmaterialien konsequent in universelle Prüfmaschinen, um mechanische Bewertungen ihrer Materialien durchzuführen und sicherzustellen, dass sie den Anforderungen im realen Einsatz standhalten.

Wenn wir darüber nachdenken, wie Papier und Plastik verwendet und missbraucht werden – wenn wir mit einer schweren Papiertüte mit Lebensmitteln nach Hause gehen, mit einer Plastikgabel in einer Tüte mit Essen zum Mitnehmen herumstochern, wenn ein Plastikpaket mit Kleidung zur Zustellung auf einen Postwagen geworfen wird –, dann ist es so Es ist klar, warum diese Materialien einer vollständigen physikalischen Bewertung unterzogen werden müssen. Außerdem besteht immer das Risiko, dass Papier- und Kunststoffbögen während des Verpackungsprozesses versagen, bevor sie den Verbraucher erreichen. Das Wissen über die Eigenschaften und die funktionelle Leistung eines Materials ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das Produkt, das es schützt, ohne Beschädigung erfolgreich vom Hersteller zum Verbraucher gelangt.

Testverfahren in der gesamten Verpackungsindustrie werden in der Regel von mehreren internationalen Organisationen festgelegt. Der Technische Verband der Zellstoff- und Papierindustrie (TAPPI) ist die wichtigste Gruppe, die Standards für die Papierindustrie erstellt und aktualisiert. Die American Society of Test and Measurement (ASTM) und die International Standards Organization (ISO) sind die vertrauenswürdigen Organisationen für die Festlegung branchenüblicher Best Practices für die Prüfung von Kunststofffolien und -folien, die üblicherweise in Verpackungen verwendet werden.

In den nächsten Abschnitten werden einige der häufigsten Papier- und Kunststofftests erläutert, die gemäß TAPPI-, ISO- und ASTM-Standards durchgeführt werden. Diese Standards bieten einen allgemeinen Überblick, es gibt jedoch noch viele weitere standardisierte und vom Hersteller entwickelte Methoden zur Bewertung spezifischer Anwendungen.

Abgebildet ist ein Beispiel eines Durchstoßtests für Plastiktüten, der mit einem Instron-Doppelsäulentestsystem durchgeführt wurde. Quelle: Instron

Verpackungen werden während des Transports oder in den Händen des Verbrauchers häufig Rissen oder Löchern ausgesetzt. ASTM F1306 ist ein Standard, der häufig zum Testen des Durchdringungswiderstands dünner, flexibler Barrierematerialien verwendet wird. Die Prüfung erfolgt mit einer oberen Sonde, die an der Wägezelle der Maschine montiert ist und dann langsam auf die eingespannte Probe herab bewegt wird, bis ein Versagen auftritt. Dieser Standard kann geändert werden, um bestimmte Endanwendungen zu simulieren, oder die empfohlenen Bedingungen können genau eingehalten werden, um die Materialleistung zu vergleichen.

Während sich die Traverse der Maschine nach oben bewegt, wird der Schlitten über den Untergrund gezogen. Aus der Reibungskraft dividiert durch das Gewicht des Schlittens werden die statischen und kinetischen Reibungskoeffizienten für das Material berechnet. Quelle: Instron

ASTM D1894 und ISO 8295 sind die vorherrschenden Standards zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten für dünne Folien oder Kunststoffverpackungsmaterialien. Es werden Tests durchgeführt, um sowohl die statischen als auch die kinetischen Reibungswerte des Materials beim Gleiten über sich selbst oder andere Materialien zu ermitteln. Während die Traverse der Maschine unter Spannung steht, wird ein beschwerter Schlitten über das zu prüfende Material gezogen, um den Reibungskoeffizienten zu bestimmen. Typischerweise werden diese Tests zur Qualitätskontrolle bei der Filmproduktion durchgeführt.

T-Peel-Tests wie ASTM D1876 werden üblicherweise zur Bewertung der Klebeverbindungen verwendet, die die Kanten oder Dichtungen einer Kunststoff- oder Papierverpackung zusammenhalten. Bei einem T-Peel-Test werden die beiden freien Enden der Probe jeweils eingespannt und auf Zug gezogen. Durch diese Tests können Hersteller sicherstellen, dass diese Siegel während des Transports nicht platzen und das darin enthaltene Produkt möglicherweise ruinieren.

Bei der Durchführung eines T-Schältests sind vor allem die maximale Kraft und die durchschnittliche Schälfestigkeit, berechnet pro Breite der Versiegelung, von Interesse. Quelle: Instron

Ein Zugversuch oder Zugversuch ist die grundlegendste und grundlegendste Art der mechanischen Prüfung. Während sich die Traverse der Testmaschine nach oben bewegt, wird eine Zuglast auf das Material ausgeübt und das System misst die Reaktion des Materials. Aus diesen Daten lässt sich die Festigkeit und Dehnung des Materials ermitteln.

Beliebte Standards für Zugprüfungen sind ASTM D882 und ISO 527-3 für Kunststoffplatten und -folien oder TAPPI T494 für Papier und Pappe. Darüber hinaus wird TAPPI T456 häufig auch zur Standardisierung der Probenkonditionierung für die Nasszugfestigkeitsprüfung von Papier und Pappe verwendet. Anschließend werden die Ergebnisse mit denen aus Trockentests verglichen, um eine prozentuale Festigkeitsreduzierung zu ermitteln. Sowohl bei Papier als auch bei Kunststoff kann ein einfacher Zugtest als Qualitätskontrollmaßnahme verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Materialien internen Kriterien entsprechen, oder zu Vergleichszwecken.

Die am häufigsten zum Testen von dünnen Filmen oder Kunststoff- oder Papierfolien verwendete Probengeometrie ist ein rechteckiger Streifen mit gleichmäßiger Breite im Gegensatz zu einer Hantel- oder Hundeknochenform. Die Prüfung rechteckiger Materialstreifen stellt mehrere Herausforderungen dar, vor allem, weil das Fehlen eines reduzierten Abschnitts die Spannungskonzentration an der Stelle erhöht, an der die Backen die Probe greifen. Die empfohlenen Spannlösungen für diese Art von Prüfungen zielen darauf ab, diese Spannungskonzentrationen zu reduzieren und Probenbrüche in der Mitte der Messlänge zu ermöglichen. Bei vielen Anwendungen kann ein Backenbruch auf ein frühes Versagen der Probe hinweisen und zu Ergebnissen führen, die die Eigenschaften des Materials nicht vollständig widerspiegeln. ASTM D882 besagt jedoch, dass die Ergebnisse akzeptabel sind, wenn die Ergebnisse von Backenbrüchen mit denen für Probenversagen in der Mitte der Messlänge vergleichbar sind. Dies ist eine gute Faustregel für alle diese Tests.

Für die Prüfung von Papier- und Kunststoffstreifen werden häufig pneumatische Seitenspannzeuge mit linienberührenden Backenflächen verwendet. Diese Flächen bestehen aus einer einzelnen flachen Fläche und einer einzelnen Fläche mit einer halbkreisförmigen Oberfläche. Die einzelne Kontaktlinie erzeugt eine kleinere Kontaktfläche und trägt dazu bei, dass das Material während des Tests dünner wird und aus den Griffen rutscht. Allerdings kann die einzelne Kontaktlinie eine hohe Spannungskonzentration erzeugen, und alle diese Normen berücksichtigen, dass dies je nach Material möglicherweise nicht die optimale Lösung ist; in diesem Fall sollten glatte Flächen verwendet werden. Hier eignen sich pneumatische Seitenspannzeuge am besten, da sie während der gesamten Prüfung einen gleichmäßigen Klemmdruck bieten, da dünne Folien oder Kunststoffe bei der Dehnung tendenziell dünner werden.

Linienkontaktbackenflächen, die hier gezeigt werden und eine Textilprobe klemmen, werden häufig zum Testen von Papier- oder Kunststoffstreifen aus Verpackungsmaterial verwendet. Quelle: Instron

Dieses Instrument verwendet rotes polarisierendes Licht, sodass das Kameraobjektiv die Probe wahrnimmt und entweder weiß, schwarz oder grau markiert. Je höher der Kontrast zwischen den Markierungen und der Probe ist, desto einfacher kann das Dehnungsmessgerät die Dehnung verfolgen. Quelle: Instron

Schließlich erfordert ASTM D882 keinen Extensometer; Es ermöglicht die Verwendung der Traversenverschiebung zur Messung der Dehnung. Andererseits verlangt ISO 527-3, dass ein Extensometer der Klasse 1 vollständig der Norm entspricht. In beiden Normen wird jedoch die Notwendigkeit einer Extensometrielösung erwähnt, die die Probe nicht belastet und auch nicht dazu führt, dass die Probe das Gewicht des Extensometers trägt. Für TAPPI T494 ist kein Dehnungsmesser erforderlich, Hersteller können sich jedoch für die Verwendung eines solchen entscheiden, um die genauesten Dehnungsdaten zu erhalten. Auch hier sollte das Gewicht eines Extensometers auf einer Papierprobe vermieden werden, sodass ein optischer Extensometer hier auf ganzer Linie die beste Lösung ist. Optische Extensometer verwenden eine interne Kamera, um auf der Probe angebrachte Markierungen zu identifizieren und zu verfolgen, um die Dehnung zu berechnen. Sie sind in der Regel in die Systemsoftware integriert, sodass die Ergebnisse zugänglich sind und leicht angezeigt werden können. Die Videoextensometrie eliminiert jegliches externes Gewicht, das auf die Probe einwirkt, und stellt sicher, dass die gemessene Dehnung nur die Längenänderung der Probe selbst darstellt.

Da der Trend zu Einwegverpackungen aus Papier und Kunststoff weiter zunimmt, ist eine universelle Prüfmaschine für Hersteller eine lohnende Investition, um die Rohstoffeigenschaften und die Funktionsleistung ihrer Produkte zu bewerten. Insbesondere da nachhaltigere Recyclingmaterialien entwickelt werden, die einige Einwegkunststoffe und -papiere ersetzen können, ist es wichtig, deren Eigenschaften und deren Vergleich mit anderen Materialien vollständig zu verstehen, um die Qualität in diesem Bereich sicherzustellen. Die mechanische Prüfung von Verpackungsmaterialien ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass sie den Anforderungen im realen Gebrauch standhalten und die Produkte, die sie schützen, unbeschädigt beim Endverbraucher ankommen.

Meredith Bernstein ist Anwendungsingenieurin bei Instron. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder rufen Sie (781) 575-5000 an.

Meredith Bernstein ist Associate Applications Engineer bei Instron. Für weitere Informationen rufen Sie (781) 575-5000 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.instron.com.