紙およびプラスチックの包装材料の機械試験ガイド

新型コロナウイルス感染症のパンデミックが私たちの生活を一変させ始めてから 1 年、多くの変化のうちの 1 つは、紙とプラスチック製品の世界的な消費量の大幅な増加でした。 レストランがテイクアウトモデルに移行し、消費者が混雑した店舗を訪れる代わりに自宅の安全な場所からオンラインで買い物をすることを選択したため、2020年にeコマースは急速に拡大しました。 思い切って外出した人のために、多くの店は相互汚染を避けるために再利用可能なバッグの使用を中止しました。 こうした傾向の結果、使い捨ての紙やプラスチックの包装の需要が増加しています。 これらの製品に対する需要は新しいものではありませんが、パンデミックの緊張下でその傾向が加速しています。 これに対応するために、プラスチックおよび紙の包装材料のメーカーは、材料の機械的評価を実行し、実際の使用の要求に耐えることを確認するために万能試験機に一貫して投資しています。

食料品の入った重い紙袋を抱えて家に帰ること、テイクアウト食品の入った袋をプラスチックのフォークでつつくこと、配達のために郵便トラックに投げ込まれる衣類の入ったプラスチックのパッケージなど、紙やプラスチックがどのように使用され乱用されるのかを考えると、これらの材料がなぜ完全な物理的評価を受ける必要があるのか​​は明らかです。 また、紙やプラスチックのシートは、消費者に届く前に包装プロセス中に破損するリスクが常にあります。 材料の特性と機能的性能についての知識は、材料で保護されている製品が損傷なくメーカーから消費者まで無事に届けられるようにするために不可欠です。

包装業界全体のテスト手順は通常、いくつかの国際機関によって確立されています。 Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI) は、製紙業界の標準を作成および更新する主要な団体です。 米国試験測定協会 (ASTM) と国際標準化機構 (ISO) は、包装に一般的に使用されるプラスチック フィルムおよびシートのテストに関する業界のベスト プラクティスを設定する信頼できる組織です。

次のセクションでは、TAPPI、ISO、および ASTM 規格に基づいて実行される最も一般的な紙およびプラスチックのテストのいくつかについて説明します。 これらの規格には高レベルの概要が含まれていますが、特定のアプリケーションを評価するために、さらに多くの標準化され、メーカーが開発した手法が存在します。

写真は、インストロンのデュアルカラム試験システムで実行されたビニール袋の穿刺試験の例です。 出典: インストロン

包装は通常、輸送中または消費者の手に渡った時点で裂傷や穴が開けられます。 ASTM F1306 は、薄い柔軟なバリア材料の耐貫通性をテストするために広く使用されている規格です。 試験は、機械のロードセルに取り付けられた上部プローブを使用して実行され、その後、故障が発生するまでクランプされた試験片上にゆっくりと下に移動されます。 この規格を変更して特定の最終用途をシミュレートしたり、推奨条件に厳密に従って材料の性能を比較したりすることができます。

機械のクロスヘッドが上方に移動すると、スレッドが基板上で引っ張られます。 摩擦力をスレッドの重量で割った値を使用して、材料の静摩擦係数と動摩擦係数が計算されます。 出典: インストロン

ASTM D1894 および ISO 8295 は、薄膜またはプラスチック包装材料の摩擦係数を決定するために使用される主要な規格です。 試験は、材料自体または他の材料の上を滑るときの、材料の静摩擦値と動摩擦値の両方を確立するために実行されます。 機械のクロスヘッドが張力で動作すると、重りを付けたスレッドが試験対象の材料の上を引きずられて、摩擦係数が測定されます。 これらのテストは通常​​、フィルム製造における品質管理の目的で実行されます。

ASTM D1876 のような T ピール試験は、プラスチックまたは紙のパッケージの端またはシールを結合する接着結合を評価するために一般的に使用されます。 T ピール試験では、試験片の 2 つの自由端をそれぞれクランプして張力をかけて引っ張ります。 このテストは、製造業者が輸送中にシールが破裂して、封入されている製品が破損する可能性がないことを確認するのに役立ちます。

T 剥離テストを実行する場合、主に重要な計算は、シールの幅ごとに計算される最大力と平均剥離強度です。 出典: インストロン

引張試験または引張試験は、機械試験の最も基本的かつ基本的なタイプです。 試験機のクロスヘッドが上昇すると、材料に引っ張り荷重がかかり、システムが材料の応答を測定します。 このデータから、材料の強度と伸びを決定できます。

引張試験に使用される一般的な規格は、プラスチック シートおよびフィルムの場合は ASTM D882 および ISO 527-3、紙および板紙の場合は TAPPI T494 です。 さらに、TAPPI T456 は、紙や板紙の湿潤引張強度試験の試験片調整を標準化するためにも一般的に使用されます。 次に、結果を乾燥試験の結果と比較して、強度低下率を決定します。 紙とプラスチックの両方について、簡単な引張試験は、材料が内部基準を満たしていることを確認するための品質管理手段として、または比較の目的で使用できます。

薄膜やプラスチック、紙シートの試験に使用される最も一般的な試験片の形状は、ダンベルや犬の骨の形状とは対照的に、一定の幅の長方形のストリップです。 材料の長方形のストリップの試験には、いくつかの課題があります。主に、縮小部分がないため、ジョーが試験片を掴む点での応力集中が増大することです。 この種の試験に推奨されるグリップ ソリューションは、応力集中を軽減し、ゲージ長さの中心で試験片を破断できるようにすることを目的としています。 多くの用途では、ジョーの破損は試験片の初期破損を示し、材料の特性を完全に表さない結果につながる可能性があります。 ただし、ASTM D882 では、ジョーの破損による結果がゲージ長さの中間での試験片の破損による結果と同等であれば、結果は許容できると述べています。 これは、これらすべてのテストにわたる適切な経験則です。

紙やプラスチックのストリップの試験には、線接触ジョー面を備えた空気圧式サイドアクショングリップが広く使用されています。 これらの面には、1 つの平らな面と半円形の表面を持つ 1 つの面が含まれます。 単一の接触線により接触面積が小さくなり、試験中に材料が薄くなったりグリップから滑り落ちたりするのを防ぎます。 ただし、単一の接触線は高い応力集中を引き起こす可能性があり、これらの規格はすべて、材料によってはこれらが最適な解決策ではない可能性があることを認めており、その場合は滑らかな面を使用する必要があります。 薄いフィルムやプラスチックは伸びるにつれて薄くなる傾向があるため、空気圧式サイドアクショングリップがテスト全体を通じて一貫したクランプ圧力を提供するため、この場合に最適です。

繊維試験片をクランプしている線接触ジョー面は、包装材料の紙やプラスチック ストリップをテストするために広く使用されています。 出典: インストロン

この機器は赤色偏光を使用するため、カメラのレンズは標本を認識し、白、黒、または灰色としてマークします。 マークと試験片の間のコントラストが高いほど、伸び計がひずみを追跡しやすくなります。 出典: インストロン

最後に、ASTM D882 では伸び計は必要ありません。 これにより、ひずみの測定にクロスヘッドの変位を使用できるようになります。 一方、ISO 527-3 では、規格に完全に準拠するにはクラス 1 伸び計が必要です。 ただし、どちらの規格でも、試験片にストレスを与えたり、試験片に伸び計の重量を負担させたりしない伸び測定ソリューションの必要性について言及しています。 TAPPI T494 には伸び計は必要ありませんが、メーカーは最も正確なひずみデータを取得するために伸び計を使用することを選択する場合があります。 繰り返しになりますが、紙の試験片に伸び計の重みがかかることは避けるべきであるため、ここでは光学式伸び計が全体的に最適なソリューションとなります。 光学式伸び計は、内部カメラを使用して試験片に付けられたマークを識別および追跡し、ひずみを計算します。 これらは通常、結果にアクセスして簡単に表示できるように、システム ソフトウェアと統合されています。 ビデオ伸び測定では、試験片にかかる外部重量が排除され、測定されるひずみが試験片自体の長さの変化のみを表すことが保証されます。

使い捨ての紙やプラスチックの包装製品の傾向が拡大し続ける中、メーカーにとって万能試験機は原材料の特性や製品の機能性能を評価するための価値のある投資となります。 特に、一部の使い捨てプラスチックや紙に代わる、より持続可能なリサイクル材料が開発されるにつれ、その特性と他の材料との比較を完全に理解することが、現場での品質を確保するために不可欠です。 包装材料の機械的テストは、包装材料が実際の使用の要求に耐え、保護された製品が損傷なくエンドユーザーに届くことを確認するために重要です。

Meredith Bernstein は、Instron のアプリケーション エンジニアです。 詳細については、[email protected] にメールでお問い合わせいただくか、(781) 575-5000 までお電話ください。

Meredith Bernstein は、Instron のアソシエイト アプリケーション エンジニアです。 詳細については、(781) 575-5000 に電話するか、[email protected] に電子メールを送信するか、www.instron.com にアクセスしてください。