Paper-based materials, such as paperboard, are commonly used as packaging materials. Inaddition to the advantage that wood as a raw material is renewable, there are also many otherbenefits of paperboard. From a mechanical point of view, paperboard has a high bendingstiffness compared to its relatively low weight and has a high foldability, which both areproperties of significance in the design of packages. However, a distinct drawback withpaperboard is its significant sensitivity to moisture. The moisture reduces the mechanicalproperties of the paperboard and consequently reduces the performance of the package. Thisthesis is starting with an investigation of the relation between moisture and differentmechanical properties on a continuum material level, and then these relations are applied onthe packaging design level through experimental testing and simulations. In Paper A, a material characterization was performed on a series of five paperboards withdifferent grammages from the same producer. Five types of mechanical tests to characterizethe paperboards’ material properties were performed: • In-plane tensile test, • Out-of-plane tensile test, • Short-span Compression Test (SCT), • Bending stiffness test, • Double-notch shear test. All tests were performed at several levels of relative humidity (RH). Linear relations betweenthe mechanical properties normalized with their respective value at 50 % RH and moistureratio were found. Paper B examined whether the linear relationships discovered in Paper A are true also forother paperboard series as well. Therefore, 15 paperboards from four producers wereinvestigated in this study, at the same levels of RH as before. Here, the in-plane stiffnessesand strengths and SCT-values were evaluated as a function of moisture. When also themoisture ratios in the investigated paperboards were normalized, it turned out that allpaperboards followed the same linear relationship between normalized mechanical propertyand normalized moisture ratio. Additionally, a bilinear elastic-plastic in-plane model wasdeveloped, that can predict the stress-strain relation of an arbitrary paperboard at an arbitrarymoisture level, and without requiring any mechanical testing except at standard condition(50% RH, 23 °C). In Paper C, this relation was used to estimate input material parameters for simulating a BoxCompression Test (BCT) at different moisture levels. The result showed that it was possibleto accurately predict the load-compression curve of a BCT when moisture was accountedfor. / Som förpackningsmaterial betraktat är pappersbaserade material, som exempelvis kartong,väldigt intressanta material. Utöver att råvaran trä är förnyelsebar finns även många andrafördelar med kartong. Ur ett mekaniskt perspektiv är kartong exempelvis väldigt styv iförhållande till sin vikt och har generellt väldigt hög vikbarhet, vilket båda är egenskaper somlämpar sig väl för en förpackning. En klar nackdel med kartong är dess känslighet för fukt.Fukten reducerar kartongens mekaniska egenskaper, vilket följaktligen leder till attförpackningens prestanda försämras. I den här licentiatavhandlingen undersöktes initialtsambanden mellan fukt och mekaniska egenskaper på materialnivå, för att sedan överförasambanden till förpackningsnivå genom experimentell provning och simuleringar. I Artikel A utfördes en materialkaraktärisering på en kartongserie innehållande femkartonger med varierande ytvikter från samma tillverkare. Fem typer av mekaniska provgenomfördes för att karaktärisera kartongernas respektive materialegenskaper: • Dragprov (i planet), • Dragprov (ut ur planet), • Korta kompressionsprov (SCT), • Böjstyvhetsprov, • Skjuvprofilsprov. Samtliga prov utfördes vid flera olika nivåer av relativ fuktighet (RH). Linjära relationermellan mekanisk egenskap normerad med motsvarande värde vid 50 % RH och fuktnoterades. I Artikel B undersöktes huruvida de linjära sambanden som upptäcktes i Artikel A stämmeräven för andra kartongserier. 15 kartonger från fyra producenter undersöktes därför i dennastudie vid samma fukthalter som tidigare. I den här studien undersöktes endast dragprov iplanet, samt SCT. När även fuktkvoterna i de undersökta kartongerna normerades visade detsig att alla kartonger följde samma linjära relation mellan normerad mekanisk egenskap ochnormerat fuktinnehåll. Utöver detta utvecklades en bilinjär elastisk-plastisk i-planet-modellsom kan prediktera en godtycklig kartongs spännings-töjningsförhållande för godtyckligfuktnivå, utan att någon mekanisk provning utöver standardklimat (50 % RH, 23 °C) behöver genomföras. I Artikel C utnyttjades det linjära sambandet mellan mekanisk egenskap och fuktkvot genomatt prediktera de ingående materialegenskaperna som användes vid simuleringar avboxkompressionsprovning vid olika fuktnivåer. Simuleringarna jämfördes med experimentellprovning och visade sig kunna prediktera experimentella resultat vid olika fukthalter bra. / <p>QC 20220510</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-287377 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Marin, Gustav |
| Publisher | KTH, Hållfasthetslära, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-FOU ; 2020:048 |
Page generated in 0.0021 seconds