КОНСТРУИРОВАНИЕ И ДИЗАЙН ТАРЫ И УПАКОВКИ

Картон

Картон является многослойным материалом с ярко выраженной ани­зотропией свойств. Для анализа характеристик картона, определяющих степень соответствия перечисленным выше требованиям к конструк­ции тары, можно выделить четыре основных слоя [103,104]: поверхно­стный, промежуточный, прослойку и внутренний (или оборотный). По­
верхностный (или лицевой) слой вместе с промежуточным составляют около 25% от общей толщины карто­на, прослойка — около 55%, внутрен­ний слой — около 20% (рис. 8.10).

Поверхностный слой картона предназначен для обеспечения необ­ходимой твердости, прочности, жес­ткости, износостойкости, стойкости к истиранию и царапинам поверхно­сти картона. Этот слой определяет внешний вид тары и способность вос­принимать различные способы печати.

Наилучшей способностью к получению высококачественных изоб­ражений отличаются сорта картона с мелованным покрытием. Покры­тие состоит из пигментов и связующего. В качестве пигментов могут применяться сульфат бария, оксид титана, белый цинк, карбонат каль­ция, тальк и др. Связующими могут быть казеин, дисперсии полиме­ров, целлюлозный клей и др. Величину мелованного слоя выражают в граммах на квадратный метр поверхности картона. Обычно она состав­ляет от 160 до 200 г/м2. Мелованные сорта картона называют хромо­картоном (от греч. «хромо» — краска).

Для получения поверхностных слоев используют самые высокока­чественные полуфабрикаты, для прослойки — самые дешевые. Напри­мер, макулатуру.

Картон может поставляться в листах или рулонах. Форма поставки зависит от способа печати. Для офсетной печати необходимы листы, а для глубокой печати — рулоны [103].

В Европе в производстве тары из картона используют в основном 16 сортов картона, различающихся по качеству лицевого и внутреннего слоев, а также прослойки. Система обозначений сортов построена на различиях в составе слоев и отделке картона.

По составу слои подразделяют на не содержащие древесную массу, с малым и большим содержанием древесной массы и на серые. Не со­держащие древесную массу слои состоят преимущественно из целлю­лозы с незначительными примесями древесной массы, не превышаю­щими 5%. Слои с малым содержанием древесной массы состоят из цел­люлозы с древесной массой не более 30%. В слоях с большим содержа­нием количество древесной массы превышает 30%. Серые слои состоят из полуфабрикатов макулатуры и древесной массы или только из дре­весной массы [103].

Белыми называют слои из отбеленных полуфабрикатов, светлы­ми — из неотбеленных.

По отделке поверхности сорта картона подразделяют на три груп­пы: литого мелования} мелованные и пемелованные.

Картон литого мелования имеет особенно высокую гладкость и гля­нец. Это достигается благодаря тому, что мелование осуществляют од­новременно с его глянцеванием, которое производят в контакте с на­гретым металлическим цилиндром, имеющим зеркально полированную поверхность. Высота рельефа поверхности такого картона не превыша­ет 0,2-0,3 мкм, тогда как у мелованных сортов она составляет более 1,0- 1,5 мкм [87,94]. Такая структура поверхности обеспечивает наилучшее восприятие и закрепление печатных красок, а также высокий глянце­вый эффект при лакировании.

Различные сорта картона в Европе обозначают заглавными буквами и цифрами. Первые буквы обозначают группу отделки поверхности, вторые буквы — состав слоев, цифры показывают группу качества.

Обозначения групп отделки поверхности картона:

— литого мелования;

В — мелованный;

И — немелованный.

Обозначения состава слоев картона:

Z — целлюлозный;

С — хром - и хром-эрзац;

Т — триплекс-картон;

О — дуплекс-картон.

Сорта целлюлозного картона обозначают СС1, а, VI. Этот кар­тон самого высокого качества. Все слои на 100% состоят из отбеленной целлюлозы. Немелованный картон (Л) для изготовления складных коробок не применяют.

Сорта хром-картона и хром-эрзац-картона обозначают:

СС1, вС2 — хром-картон литого мелования;

СС1, вС2 — хром-картон;

ИС1, иС2 — хром-эрзац-картон.

Хром-картон литого мелования марки вС1 имеет лицевой и обо­ротный слои белые, прослойку — светлую. У марки СС2 только лице­вой слой белый, а прослойка и оборотный слой — светлые.

Хром-картон марки вС1 состоит из белых лицевого и оборотного слоев и серой прослойки. У марки вС2 и прослойка, и оборотный слой светлые, а белый только лицевой слой.

Хром-эрзац-картон является основой для изготовления хром-кар - тона литого мелования, поэтому по составу слоев они не различаются. Специфический объем — не менее 1,5 см3/г. Специфическим объемом картона называют отношение толщины (в см) к массе квадратного сан­тиметра (г/см2).

Триплекс-картон так называется потому, что первоначально состо­ял из трех слоев. На сегодня он, как и другие сорта, состоит из большого количества слоев. Триплекс-картон выпускают пяти марок:

СТ1, вТ2 — мелованный триплекс-картон;

ИТ1, иТ2, иТЗ — немелованный триплекс-картон, специфический объем 1,5 см3/г.

Картон марок вТ1 и 11Т1 имеет белый лицевой слой, не содержа­щий древесную массу, серую прослойку и светлый оборотный слой. Марки вТ2 и 11Т2 отличаются лишь составом лицевого слоя: вТ2 не содержит древесную массу, белый; 11Т2 — с малым содержанием дре­весной массы, белый. Марка иТЗ имеет серый оборотный слой.

Наличие серой прослойки является главным отличием триплекс- картона от хром-картона, у которого прослойка светлая.

Дуплекс-картон первоначально состоял из двух слоев, поэтому и получил такое название. Дуплекс-картон выпускают пяти марок:

СБ1, 0)2 — мелованный дуплекс-картон;

1Ю1, 1Ш2,1ГОЗ — немелованный дуплекс-картон, специфический объем 1ГО1 — не менее 1,5 см3/г, и В2 и и ВЗ — не более 1,4 см3/г.

Марки С01 и 1Ю1 имеют лицевой слой белый с незначительными примесями древесной массы, прослойку и оборотный слой — серые. У марок С02,1Ш2 и 1ШЗ лицевой слой белый с малым содержанием дре­весной массы или серый.

Наряду с названными базовыми марками картона в производстве тары применяются и специальные сорта картона, изготовленные на ос­нове этих базовых марок. Из них можно отметить:

1) картон, ламинированный полимерными пленками, имеет повы­шенную водостойкость, стойкость к жирам, маслам, аромато-, газо-, вла - гонепроницаемость;

2) картон, пропитанный воском или парафином;

3) картон, кашированный алюминиевой фольгой;

4) картон с внутренним кашированием или ламинированием.

В России картон для потребительской тары выпускают по ГОСТ 7933-89Е [ 15]. В зависимости от состава слоев картон подразделяют на следующие подгруппы: хромовый, хром-эрзац, коробочный, хром-эрзац склеенный, коробочный склеенный.

Хромовый картон бывает мелованным и немелованным, лицевой слой выполнен из беленой целлюлозы (по аналогии с европейским обо­значением — белый). Применяют для изготовления потребительской тары самого высокого качества с многокрасочной печатью.

Хром-эрзац-картон выпускают мелованным и немелованным, ли­цевой слой белый, прослойка и оборотный слои могут состоять из беле-

Ной и небеленой целлюлозы, древесной массы и макулатуры. Рекомен­дован для производства потребительской тары с одно - и многокрасоч­ной печатью.

Коробочный картон производят из небеленой целлюлозы, древес­ной массы и макулатуры. Применяют для изготовления потребительс­кой и групповой тары без печати, а также для прокладок и решеток, кар­тонных ящиков, например при упаковке мелких изделий. Основные показатели коробочного картона приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.3 Основные показатели коробочного картона [15,20]

Картон толщиной до 0,9 мм включительно выпускают в рулонах, бо­бинах или листах, а толщиной более 0,9 мм — только в листах.

Картон тарный плоский склеенный выпускают по ГОСТ 9421-80 [16]. Его применяют для производства картонных ящиков без печати, решеток и перегородок к ним. Основные показатели этого картона при­ведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Основные показатели картона тарного плоского склеенного [16, 20]

Картон тарный плоский склеенный различают по виду применяе­мого клея. Картон марок КС, КС-1, КС-2, КС-3 склеен силикатным кле­ем. Картон марок КСВ, КСВ-1, КСВ-2 склеен водостойким клеем, по­этому он обладает повышенной влагопрочностыо и рекомендован для изготовления тары, которая эксплуатируется в условиях повышенной влажности, например при морских и речных перевозках.

Условное обозначение картона должно содержать слово «картон», после него — марку, сорт, номинальное значение массы 1м2 и (или) тол­щины и шифр нормативно-технической документации, по которой он изготовлен (ГОСТ, ТУ). Картон для упаковывания пищевых продуктов после обозначение марки должен дополнительно содержать букву П.

Повышение влагопрочности плоского склеенного картона является предметом современных исследований. Исследования направлены на повышение влагопрочности материалов слоев и влагостойкости клеев. Для этого материалы слоев получают из массы, пропитанной различ­ными растворами, например меланиновой смолы, или канифольным клеем. В качестве влагостойких клеев применяют поливинилацетатные эмульсии, латексы, битумные клеи [20].

На основе анализа нагрузок, которые воспринимает картонная тара в процессе ее изготовления, транспортирования, складирования, погру- зочно-разгрузочных работ, установлены [20] следующие основные виды напряжений, возникающих в отдельных элементах картонной тары.

1. Сжатие в вертикальном направлении возникает в материале кор­пуса тары при операциях затаривания, закрывания тары, а также при штабелировании тары с продуктом, в процессе хранения и транспорти­рования. Это наиболее характерный вид напряжения, вызывающий при недостаточной прочности материала разрушение тары.

2. Сжатие в горизонтальном направлении возникает в основном при транспортировании, а также при погрузочно-разгрузочных работах.

3. Сжатие в тангенциальном направлении возникает при образова­нии кольцевого профиля на круглой таре.

4. Растяжение в осевом направлении возникает в процессе эксплуа­тации тары при динамических нагрузках, при падении тары с сыпучим, пастообразным или другим продуктом, а также при технологических операциях изготовления тары.

5. Раздирание кромки возникает в процессе затаривания продукта, а также при эксплуатации.

Исследование процессов изготовления и эксплуатации картонной тары, а также лабораторные испытания механической прочности тары показали, что основными видами деформации картона являются:

1) деформация от воздействия сжимающих усилий, возникающих от статических и динамических нагрузок в процессе транспортирова­ния и эксплуатации тары;

2) деформация материала на отдельных участках от действия сосре­доточенных нагрузок, при которых происходит разрушение тары или возникает остаточная деформация.

Величины деформаций и предельные нагрузки зависят от прочнос­ти тары, которая обусловлена свойствами материалов и конструкций.

Прочностные свойства картонной тары определяются прежде всего свойствами материала в исходном состоянии, а также теми изменения­ми, которые происходят в материале в процессе изготовления тары. Следует отметить, что свойства картона и бумаги достаточно хорошо изучены в результате целого ряда исследований [20,33,87, 94], однако связь отдельных свойств материалов, влияние их на процессы перера­ботки, на качественные показатели изделий как теоретически [25, 26, 28, 29,66], так и практически установлены еще недостаточно.

Картон даже вполне определенной марки одного и того же произво­дителя имеет большой разброс значений физико-механических харак­теристик. По этой причине точный прочностной расчет коробок и ящи­ков является очень сложной задачей. На практике часто необходимую толщину картона выбирают в зависимости от объема коробки или ящи­ка и массы упаковываемого продукта. Ориентировочная зависимость толщины картона от объема складной коробки и массы содержащегося в ней продукта приведена в табл. 8.5 [29]. Такая зависимость получена в результате изучения большого количества практических данных. Сле­дует подчеркнуть, что установленная таким путем толщина картона в со­вокупности с конструктивными особенностями коробок требует экспери­ментальной проверки — проведения испытаний опытных образцов тары.

Таблица 8.5

8.2.2. Гофрокартон

Гофрированный картон (гофрокартон) представляет собой инженер­ную конструкцию, характеристики которой зависят от свойств входящих в нее материалов и от геометрического профиля составляющих элементов.

Гофрокартон является типичным представителем многослойных конструкций. Он состоит из чередующихся плоских слоев картона (в иностранной литературе их называют лайнерами) и волнистых гофри­рованных слоев картона (их называют флютингом) [78]. Эти слои со­единены между собой клеем (рис. 8.11).

В зависимости от числа плоских и волнистых слоев гофрокартон подразделяют на виды (рис. 8.12) [18,20,34]:

А) двухслойный гофрокартон, состоящий из плоского и волнистого (гофрированного) слоев, условное обозначение 1-Д;

Б) трехслойный гофрокартон, состоящий из двух плоских и одного волнистого слоев (II-T);

В) пятислойный гофрокартон, состоящий из трех плоских и двух волнистых слоев (Ш-П);

Г) семислойный гофрокартон, состоящий из четырех плоских и трех волнистых слоев (IV-C).

В Германии гофрокартон принято обозначать количеством волнис­тых слоев [102, 103]. Трехслойный гофрокартон (II-T) обозначают как einwellige Wellpappe — одноволновый гофрокартон, пятислойный (III - П) — как zweiwellige Wellpappe — двухволновый гофрокартон, семислой­ный (IV-C) — как dreiwellige Wellpappe — трехволновый гофрокартон.

1

1

Рис. 8.12. Виды гофрированного картона:

1 — двухслойный (1-Д); 2 — трехслойный (Н-Т); 3 — пятислойный (Ш-П);

4 — семислойный (IV—С); Я — толщина гофрокартона; Н — высота гофра;

£ — шаг гофра

Гофрированный картон относится к анизотропным конструкциям и обладает неодинаковыми свойствами в различных направлениях. При приложении сил в направлении, перпендикулярном гофрам, гофрокар­тон работает как амортизирующий материал за счет малой жесткости в этом направлении волнистого слоя. При приложении сил вдоль направ­ления гофров гофрокартон проявляет высокую плоскостную и торце­вую жесткость благодаря большой жесткости в этом направлении вол­нистого слоя. Плоские слои гофрированного картона фиксируют поло­жение волнистых слоев, поэтому воспринимают сжимающие, растяги­вающие и продавливающие нагрузки.