B
Wytrzymałość mechaniczna materiałów na opakowania ma znaczenie decydujące o pewnych aspektach konstrukcyjnych, jak np. grubość ścianki wyrobu. Właściwości wytrzymałościowe określane są za pomocą wielkości charakterystycznych, oznaczanych w trakcie badań materiałów na znormalizowanych próbkach (tzw. kształtkach). O ile definicja danej wielkości oparta jest zwykle o pewną zależność fizyczną (np. naprężenie rozciągające to wartość siły, rejestrowanej podczas rozciągania, podzielona przez pole przekroju próbki, zorientowanego poprzecznie względem kierunku działania siły), to kształt próbek do badań, a także sposób definiowania wielkości charakterystycznych może zależeć od specyfiki materiału. Różne są zatem normy do badań właściwości tworzyw sztucznych, metali i szkła.
Wytrzymałość materiałów na opakowania – charakterystyka
Wytrzymałość na rozciąganie tworzyw sztucznych wynosi (przykładowo) 18÷35 MPa (megapaskali) dla polietylenu dużej gęstości (PE-HD), 21÷37 MPa dla polipropylenu (PP) i 47 MPa dla politereftalanu etylenu (PET). Stopy aluminium, stosowane do produkcji opakowań takich jak puszki do napojów i zamknięcia (stopy serii 3000) charakteryzują się większą wytrzymałością na rozciąganie, niż wymienione tworzywa sztuczne. Wytrzymałość tych metali lekkich zawiera się w zakresie 125÷230 MPa (214 MPa dla stopu 3004), choć należy zaznaczyć, że znaczenie ma charakterystyczna dla tego typu materiału wartość, zwana granicą plastyczności, wynosząca około 170 MPa (>145 MPa). Jest to wartość naprężenia, od którego (przy rozciąganiu) materiał odkształca się w sposób plastyczny, a zatem istotnie zmieniają się jego właściwości. Wytrzymałość na rozciąganie szkła, które jest materiałem kruchym (nie wykazuje granicy plastyczności), wynosi: 0,4÷1 MPa.
Miary sztywności różnych materiałów opakowań
Miarą sztywności materiału może być moduł Younga – moduł sprężystości, określany podczas próby rozciągania materiału. Moduł ten jest wyraźnie mniejszy w przypadku tworzyw sztucznych i z tego powodu jest dla tych materiałów wyrażany w megapaskalach (MPa), natomiast dla metali i szkła w gigapaskalach (GPa). Wynosi on od 600÷1400 MPa dla tworzywa PE-HD, 1300÷1800 MPa dla PP, natomiast dla PET: 3100 MPa. Stopy aluminium stosowane na opakowania charakteryzują się wartościami tego modułu z zakresu 69÷73 GPa (czyli 69 000÷73 000 MPa). Z kolei, w przypadku szkła, ta wartość wynosi 68 GPa (68 000 MPa).
Wytrzymałość na ściskanie tworzyw wynosi zwykle kilkadziesiąt megapaskali (20 MPa – PE-HD, 40 MPa – PP, 90 MPa – PET) natomiast szkło wykazuje tu wartość z zakresu 6÷10 MPa.
Twardość materiału jest ogólnie określana jako odporność materiału na zagłębianie się w nim zagłębnika, pod określonym obciążeniem. W zależności od rodzaju materiału, metody badań twardości, w tym kształt zagłębnika i obciążenie podczas badania są różne, dlatego nie jest łatwo porównać twardość materiałów należących do różnych grup. Ogólnie należy jednak stwierdzić, że spośród wymienionych trzech grup materiałów zdecydowanie najbardziej twarde jest szkło. Jego twardość określa się w skali Mohsa (skala od 1 do 10 opracowana dla minerałów) i wynosi ona 5÷7. Twardość aluminium można określić metodą Brinella (wgłębnik ma postaci kulki o średnicy 10 mm) i wynosi ona około 50 HB, natomiast twardość tworzyw sztucznych określa się kilkoma metodami, jak np. metodą wciskania kulki o średnicy 5 mm (ball indentation hardness), uzyskując wartości dla PE-HD: 35÷58 MPa, dla PP: 45÷106 MPa i dla PET: 117÷170 MPa.
Zmiany właściwości tworzyw pod wpływem temperatury
Podczas użytkowania wyrobów należy też zwrócić uwagę na możliwe zmiany właściwości materiałów wraz ze zmianą temperatury, co dotyczy w szczególności tworzyw sztucznych, dla których temperatura użytkowania wyrobów jest ograniczona do pewnego górnego zakresu temperatury, powyżej którego wytrzymałość mechaniczna znacznie się obniża. Zmiany właściwości tworzyw mogą jednak dotyczyć także niższej temperatury. Dla przykładu, polipropylen w zakresie od -10 do 0 °C wykazuje tzw. temperaturę przejścia szklistego, a to oznacza, że poniżej tej wartości temperatury staje się sztywny i kruchy, czyli bardziej podatny na pękanie. Między innymi dlatego w zastosowaniach na opakowania stosuje się czasem specjalne tworzywa, np. kopolimery, które charakteryzują się wyraźnie niższą temperaturą przejścia szklistego, co umożliwia ich stosowanie w niższej temperaturze, niż polipropylen. Przykładem takiego materiału jest kopolimer etylen-propylen (czasem potocznie nazywany polipropylenem coPo). Oprócz innego zakresu temperatury użytkowania kopolimery mogą się różnić od polipropylenu także innymi właściwościami, jak np. wykazywać większą przeźroczystość.
Literatura
1. A. Emblem, H. Emblem: Technika opakowań. Podstawy, materiały, procesy wytwarzania, PWN,
Warszawa 2014.
2. T. A. Osswald. G. Menges: Material Science of Polymers for Engineers, 3rd Edition, Hanser
Publishers, Munich 2012.
3. W. Nowotny: Technologia szkła, Cz. I, II. Państwowe Wydawnictwa Szkolnictwa Zawodowego,
Katowice 1971.
4. https://aluminium-guide.com/wp-content/uploads/2020/02/3710.pdf
5. https://aludepot.com/pl/product/3000-series-aluminum-sheet/
6. https://www.matweb.com
Data opracowania: 14.11.2023 dr inż. Tomasz Jaruga
