Roland ten Klooster: Vochtig karton gemodelleerd

Roland ten Klooster is ontwerper/adviseur bij Plato product consultants en hoogleraar Packaging Design and Management aan Universiteit Twente. Ten Klooster schrijft maandelijks het artikel “Wetenschappelijk” in VerpakkingsManagement.

Twee onderzoeken naar de invloed van vocht op karton tonen aan dat het uitdiepen van een bepaald gebied tot veel inzichten leidt en dat de optimale samenstelling van een ontwerp aandacht vraagt. Het eerste onderzoek is van onderzoeksinstituut Rise uit Stockholm en het tweede onderzoek komt van het Pulp, Paper and Packaging Laboratory uit São Paulo, Brazilië, en van het Cellulose and Paper Laboratory uit Madrid, Spanje.

Onderzoekers Marin en Srinivasa van Rise hebben samen met Nygards van Billerud Korsnas en Östlund van KTH Royal Institute of Technology uit Stockholm van de afdeling Solid Mechanics onderzoek gedaan naar het gebruiken van de eindige elementen methode voor simulaties van dooscompressie testen van vouwkarton onder verschillende relatieve vochtigheidswaarden (RH). Vooral dit laatste is interessant. Het simuleren van de sterkte van dozen is niet nieuw, maar van latere datum dan het doorrekenen van constructies van plastics en metaal. Voordat dit met karton betrouwbaar mogelijk was, moest veel onderzoek uitgevoerd worden. Vragen die opgelost moesten worden, waren hoe een papierlaag bestaande uit cellulosevezels gesimuleerd moet worden en hoe de laagsgewijze opbouw van vouwkarton met lagen uit verschillende soorten vezels gemodelleerd moet worden.

Vocht in vouwdozen

In het onderzoek heeft de focus gelegen op de invloed van vocht in vouwkarton. Voor het onderzoek is een vouwkarton gebruikt opgebouwd uit meerdere lagen, kraft aan de buitenzijde en onder andere mechanisch pulp in de tussenlaag, maar het materiaal is als homogeen materiaal in de modellering meegenomen. Door de invoer van mechanische eigenschappen van de panelen van de vouwdoos te wijzigen op basis van het vochtgehalte, is het mogelijk gebleken om nauwkeurig het draagvermogen van een doos te simuleren bij bepaalde RH-waarden. Het goed modelleren van de mechanische eigenschappen van de rillijnen bleek van belang voor het simuleren van de stijfheid van de doos. De mogelijkheden om verpakkingen goed te kunnen modelleren in praktijksituaties zijn hiermee weer een stapje verder gekomen.

AGF dozen in de koeling

Groente en fruit geven vocht af na het oogsten, want de respiratie van de cellen gaat door na het oogsten. Als de producten in kartonnen dozen opgeslagen en vervoerd worden, neemt vooral de compressiewaarde van de dozen af door opname van het vocht. Onderzoekers van het Pulp, Paper and Packaging Laboratory en van het Cellulose and Paper Laboratory, met eerste auteur Rodrigues Fioritti, hebben onderzocht hoe de sterkte van de dozen verbeterd kan worden door virgin vezels toe te voegen. Het ligt voor de hand om te zeggen dat dit logisch is, maar de vraag is wat er nou precies gebeurt tijdens opslag en transport en met hoeveel procent van welke virgin vezels acceptabele verbeteringen worden bereikt.

Om het verlies van vochtopname te compenseren worden dozen nu op voorhand over-gedimensioneerd. Inzicht kan leiden tot oplossingen die beter op de situatie zijn afgestemd. In het verleden is onderzoek gedaan naar opslag onder koude en vochtige omstandigheden en de resultaten geven aan dat de compressiewaarde met 618N per 1% gewichtstoename afneemt tot 50%, waarbij anderen komen tot een afname van 70% bij opslag gedurende 7 dagen bij 6°C en 95% RH.

Maalgraad verhogen

De vraag naar papier is sterk gegroeid en het percentage gerecyclede vezels neemt hierdoor toe en daarmee ook de mate van opname van vocht. Dit verlaagt de compressiewaarde en versterkt het mogelijk inzakken van dozen. De onderzoekers geven aan dat papierproducenten het papier vochtbestendiger en sterker maken door hoge kwaliteit vezels toe te voegen, door de maalgraad van de vezels te verhogen, door chemische middelen toe te voegen of door nano-cellulose toe te voegen aan de pulp. Ze geven aan twijfels te hebben over de werking van de verschillende toegepaste maatregelen. Het toevoegen van nano-cellulose introduceert andere problemen, zoals verwerking tot papier en de hoeveelheid die moet worden toegevoegd om resultaat te bereiken is hoog.

Kraftzakken

De onderzoekers hebben de samenstelling van de vezels voor het maken van het te testen papier uitgebreid beschreven, inclusief de soorten vezels die aangetroffen werden in gerecyclede pulp. De bron die gebruikt is voor het maken van papier bestond uit kraftzakken en dubbel golfkarton. Als virgin vezels is gebruikgemaakt van vezels van de den en de eucalyptus. Papiereigenschappen en de productie zijn in kaart gebracht. De papiersoorten zijn daarna getest op treksterkte, berstdruk- en compressiewaarde. Uit het onderzoek bleek dat in de eerste vier uur onder vochtige omstandigheden de treksterkte en berstdrukwaarden daalden met 55% en 45%. De compressiewaarde nam zelfs af met 72%. Tot 72 uur vindt er nagenoeg geen verdere afname plaats van de genoemde eigenschappen. Ze merken op dat de temperatuur waarbij de onderzoeken gedaan zijn relatief hoog is, namelijk 20°C waar andere onderzoeken werkten met 6°C. Bij deze hoge temperatuur is het vochtgehalte van het papier ongeveer 5% lager en dat heeft invloed op de gevonden waarden.

Virgin vezels

Door toevoeging van virgin vezels nemen de gevonden waarden lineair toe met het toegevoegde percentage, voor pulp van dennen aanzienlijk beter dan voor pulp van eucalyptus. Door toevoeging van 40% virgin vezels wordt het papier 30% sterker bij dennenvezels en ongeveer 20% bij eucalyptus vezels. Omdat de waarden lineair zijn kan een doosproducent eenvoudig bepalen met welk percentage virgin vezels de gewenste resultaten behaald kunnen worden. Het advies is om dennenvezels te gebruiken, ongebleekt, niet volledig ontdaan van lignine en een lage maalgraad.