Effect of steam application in the thermoforming of fibre-based materials

Abstract

Paperboards are biodegradable substitutes for replacing plastic materials in the packaging industry. Fibre-based nature of paperboard materials has limited their 3D-formability. The packaging industry sets a need for investigation to find ways to achieve more deep and accurate shapes with paperboard. Temperature and moisture play a key role in the 3D-forming of paperboards. Steam can be used to bring heat and moisture to forming processes. In this thesis, steam treatment was used in the packaging line utilizing thermoforming. The thermoforming process was originally made for converting plastic films.

This thesis investigated the behaviour of four different paperboard materials with steam pre-treatment as compared to the original setup with preheating. The study provided promising results in the case of applying fibre-based materials in a thermoforming packaging line. Almost in all the cases, either a better depth and shape were achieved, or the maximum mould depth increased compared to the original setup resulting in enhancement the maximum depth in samples. Curling and spring-back were observed with flexible materials and blistering with varnished material. Tensile stiffness and its relation to thickness are important factors for performance when using steam. Higher tensile stiffness provided better results in 3D-formability with steam application. The effectiveness of steaming can be seen by dividing the tensile stiffness by the thickness.

Kartongit ovat biohajoavia korvikkeita muoville pakkausteollisuudessa. Kuituperäinen rakenne kuitenkin rajoittaa niiden kolmiulotteista muovattavuutta. Niiden lisääntyvä käyttö pakkausteollisuudessa edellyttää uusien menetelmien löytämistä, jotta voitaisiin saavuttaa paperin muovauksessa lämpökäsitellylle muoville ominaiset syvät ja terävät muodot. Lämpötila ja kosteus ovat avaintekijöitä paperien 3D-muovauksen parantamisessa. Vesihöyryllä on mahdollista tuoda prosessiin lämpöä ja kosteutta. Tässä työssä käytettiin höyrykäsittelyä kartongin muovauksessa muovipakkauksien valmistamiseen tarkoitetulla lämpömuovauslinjastolla.

Työssä tutkittiin neljän erilaisen pakkauskartongin käyttäytymistä muovausprosessissa vesihöyrykäsittelyn seurauksena. Tuloksia vertailtiin näytteisiin, jotka olivat tuotettu alkuperäisellä esilämmitystä hyödyntävällä kokoonpanolla. Työssä saavutettiin lupaavia tuloksia kartonkien kolmiulotteisen muovauksen parantamiseksi lämpömuovauslinjastolla. Lähes kaikissa tapauksissa havaittiin parempi syvyyden ja muodon saavutuskyky. Vaihtoehtoisesti suurin käytettävä muotin syvyys kasvoi verrattaen pelkkään esilämmitettyyn näytteeseen, mikä johti myös parannukseen syvyyden saavuttamiskyvyssä. Joustavien ja lakkapinnoitteisten materiaalien kanssa havaittiin kihartumista ja takaisinjoustoa. Materiaalin jäykkyys ja sen suhde materiaalin paksuuteen ovat tärkeitä tekijöitä materiaalin suoriutumiskyvylle höyrykäsittelyn kanssa. Suurempi vetojäykkyys materiaalissa tuotti parempia tuloksia kolmiulotteisessa muovauksessa höyrykäsittelyllä. Työssä havaittiin, että höyryn käyttämisen vaikuttavuus materiaaliin on nähtävissä, kun materiaalin vetojäykkyys jaetaan sen paksuudella.