Mapping of Material & Conversion Parameters of Packaging Production – Boardio®

Abstract

With an increased demand for sustainable packaging solutions for the ever-growing FMCG market, fiber-based systems rise as an answer to phasing out plastics in packages and reducing the humanity’s climate footprint. However, constructing a packaging solution largely consisting of paperboard comes with its challenges, such as integrating functionalities in the anisotropic paperboard that formerly were provided by a fundamentally different materials with
divergent mechanical properties, being isotropic polymers. In the pursuit of a fiber-based packaging system, Boardio® was created.

Three different commercial paperboards with different mechanical properties together with three different laminate structures, creating nine paperboard laminates in total, were studied. The main objective of this thesis was to investigate how different laminate structures, together with machine parameters affect the crease height and strength of the perforations in the Boardio® solution. The work was centred around quantitative analysis through tensile strength testing of laminate substrates and thickness measurements of paperboard laminate creases, together with separate qualitative analyses through optic microscopy and x-ray tomography.

Opposed to the ideal theoretical behaviour and mechanics of paperboard laminates and perforations which gain strength when adding more components such as PE-film and aluminium foil to the laminate, it was found that thicker laminates yield in lower, but less fluctuating, perforation strengths than laminates without PE-film and aluminium foil. The lower strength is related to the higher degree of rupture in the paperboard of the perforations, validated with x-ray tomography. Through this qualitative method of validation, it was possible to identify a total rupture in the paperboard of full laminates, being laminates with the structure paperboard/PE /al-foil/PE/PE-film, most plausibly caused during the formation of creases in the die-cutting process, which induces large stresses in the paperboard laminate. This additionally strengthened the importance of including a layer of PE-film to obtain satisfying, nonfluctuating, perforation strength. Further, the strength of the perforations is strictly governed by the degree on non-ruptured fibers in laminates without PE-film, making it challenging to reach non fluctuating perforation strength during large volume productions of these laminates. It was also found that thicker laminates yield in deeper creases during the die-cutting process, enabling better folding, and finishing of the Boardio® packages.

Abstract (Swedish)

Med en ökad efterfrågan på hållbara förpackningslösningar för den ständigt växande FMCG-marknaden, uppenbarar sig fiberbaserade system som ett svar på att fasa ut plast i förpackningar och minska vårt klimatavtryck. Att konstruera en förpackningslösning som till stor del består av kartong kommer med sina utmaningar, som att integrera funktioner i kartongen som polymerer tidigare bidragit till. Då polymerer i förpackningar är isotropa och har starkt divergerande egenskaper från anisotropiskt papper, ställer detta helt nya krav på förpackningstillverkningen. I jakten på ett fiberbaserat förpackningssystem skapades Boardio®.

Tre olika kommersiella kartonger med olika mekaniska egenskaper tillsammans med tre olika laminatstrukturer, vilket skapar totalt nio kartonglaminat, studerades i detta examensarbete. Huvudsyftet med detta examensarbete var att undersöka hur olika laminatstrukturer, tillsammans med maskinparametrar, påverkar bighöjden och styrkan hos perforeringen i Boardio® förpackningen. Arbetet var centrerat kring kvantitativ analys genom draghållfasthetstestning av laminatsubstrat och tjockleksmätningar av bighöjden i laminaten, tillsammans med separata kvalitativa analyser genom optisk mikroskopi och röntgentomografi.

I motsats till det ideala teoretiska beteendet och mekaniken hos kartonglaminat och perforeringar som ökar i styrka när man lägger till fler komponenter som PE-film och aluminiumfolie till laminatet, visades att tjockare laminat ger lägre, men mindre fluktuerande, perforeringsstyrkor än laminat utan PE-film och aluminiumfolie. Den lägre hållfastheten är relaterad till den högre graden av ruptur i kartongen, vilket validerades med röntgentomografi. Genom denna kvalitativa valideringsmetod var det möjligt att identifiera en fullständig ruptur i kartongen för alla laminat med samtliga komponenter, vilket är laminat med strukturen kartong/PE/al-folie/PE/PE-film. Rupturen orsakades högst troligen av påfrestningarna i laminatet som skapas under bigning i stansprocessen. Detta stärkte ytterligare vikten av att inkludera ett lager av PE-film för att erhålla tillfredsställande, icke-fluktuerande, öppningskrafter i perforeringen. Vidare visades även att hållfastheten hos perforeringarna i laminat utan PE-film strikt
styrs av graden icke förstörda fiber i perforeringarna, vilket gör det betydligt mycket mer utmanande att uppnå icke fluktuerande öppningskrafter under produktion av stora volymer med dessa laminat. Det visade sig också att tjockare laminat i stansningsprocessen ger djupare bigar, vilket möjliggör bättre vikning och efterbehandling av Boardio® förpackningarna.

Popular Abstract (Swedish)

Är det möjligt att producera en miljövänlig, återvinningsbar och förslutbar förpackning av kartong?

Genom att tillverka en förpackning utan hårdplastdelar med en perforering på toppen har man lyckats uppfylla alla dessa krav. Resultatet blir då en förpackning som går att försluta, är miljövänlig och dessutom ser bra ut!

Boardio® är en förpackning utvecklad och framtagen av Graphic Packaging International Systems i Lund, i syfte att utmana traditionella plastförpackningar till livsmedel. Boardio® består till största del av kartong. Den stora andelen kartong ställer givetvis nya krav på materialen avsedda att användas för att tillverka Boardio®, som tidigare bestod av hårdplastdelar.

Kartongförpackningar avsedda för livsmedel tillverkas idag genom att kartong lamineras med polymerer, aluminiumfolie och polymerfilmer av olika slag i lamineringen för att sen skäras till individuella ark. Dessa ark skickas därefter till en tryckpress där arken får sitt grafiska motiv, för att slutligen stansas (planstans och rotationsstans). I stansningen skapas bigar och perforeringar i materialet, där bigarna agerar stöd till vikningen när förpackningen viks ihop till en burk. Perforeringen ser till att förpackningen kan öppnas hos konsument.

I detta arbete har vi studerat olika material- och laminatkombinationer för att kunna svara på frågan: ”vilka material fungerar allra bäst i syftet att kunna användas för Boardio®?”. Fokuset har legat på stansning och laminering. I dagsläget ligger utmaningen i att få till bra bigar och perforeringar samtidigt. Bigarna ska vara höga nog för att kunna vikas bra, samtidigt som perforeringen ska vara tillräckligt stark för att hålla ihop under transport men ändå kunna öppnas av konsument.

Genom att mäta styrkan i perforeringar tillsammans med tjockleken på bigarna av olika laminat och jämföra dessa i en kvantitativ analys, har vi funnit olika samband mellan materialval och maskininställningar relaterat till egenskaper i bighöjd och öppningsstyrka. Tillsammans med optiskt mikroskop och röntgenmikroskop har strukturen och utseendet på nopporna i perforeringen kunnat undersökas och knytas an till de kvantitativa resultaten.

Mätningar av öppningskraften visar på att tjockare laminat, alltså laminat med flera olika lager av polymer, aluminiumfolie och polymerfilm, har lägre öppningskraft än laminat med bara polymer och aluminiumfolie. Samtidigt visar det sig att de laminat som har lägre öppningskraft också är lättare att kontrollera under tillverkningsprocessen. Slutligen anmärktes också att polymerfilmen och
produktionsmetoden för kartongerna är viktiga för att ge bra öppningskrafter i förpackningarna.

• author: Qasem, Yusuf and Chraibi Ottosson, Younes
• supervisor: Bernt Nilsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Chemical Engineering, Packaging, Packaging Production, Paperboard, Converting, Lamination, Extrusion, Die-cutting, X-ray tomography, GPI, Creasing, Perforation, Tensile Strength
• language: English
• id: 9087864
• date added to LUP: 2022-06-17 11:17:50
• date last changed: 2022-06-17 11:17:50