روش هایی برای انتخاب مقوای مناسب بسته بندی

جعبه دارو، جعبه شکلات و شیرینی جات، جعبه عطر و لوازم آرایشی، بسته بندی سیگار، جعبه بسته بندی حبوبات و آجیل، جعبه غذاهای منجمد، پاکت آبمیوه و شیر و بسیاری محصولات دیگر، هر کدام می بایست ساختمانی خاص و خواص ویژه ای برای کاربرد مورد نظر داشته باشند. برای بسته بندی این موارد از مقواهای جعبه ای استفاده می شود که به طور معمول به صورت دولایه، سه لایه و چندلایه تهیه می شوند و برای داشتن ویژگی های ظاهری و چاپی مناسب، سطح آنها یک تا سه بار پوشش داده می شود.

مقوا در منابع مختلف از گراماژ، ضخامت یا تلفیقی از این دو برای تعیین مرز بین مقوا با کاغذ و تعریف آن استفاده می شود. بر اساس یکی از این تعاریف ورق هایی را که بیش از ۱۵۰ گرم بر متر مربع وزن دارند، می توان جزو مقواها دسته بندی کرد.

در یکی دیگر از تعاریف: هر فرآورده کاغذی ضخیم و سنگین که ضخامت آن بیش از ۳/ ۰ میلی متر باشد، هم جزو مقواها دسته بندی می شود. همچنین در تعریفی دیگر برخی اوراق با گراماژی در محدوده ۱۰۰ تا ۲۰۰ گرم را جزو «کاغذ مقوا» و بالای ۲۰۰ گرم و با ضخامت بیش از ۳/ ۰ میلی متر را جزو مقواها دسته بندی می کنند. همین بیان گراماژ و ضخامت تا حدی بیان کننده میزان ویژگی های مورد نیاز مانند ویژگی های مکانیکی و مقاومتی، به ویژه سفتی مناسب برای بسته بندی است. به هر حال یک مرز قطعی و تعیین شده مشخص از نظر میزان گراماژ بین کاغذ و مقوا وجود ندارد و تعاریف گفته شده رایج و مورد توافق است.

مقواهای جعبه ای به صورت دولایه یا چندلایه ساخته می شوند و از ترکیب لایه های شیمیایی و مکانیکی استفاده می شود. به طور معمول در لایه های رویی و زیری از خمیرهای شیمیایی که مقاومت های مکانیکی بالاتری دارند استفاده می شود. از جمله این خاصیت‌های مکانیکی، ضرایب الاستیسیته بالا و مقاومت های کششی مناسب است.

لایه های میانی هم می بایست به اندازه کافی حجیم باشند که به این منظور از خمیرهای مکانیکی حجیم استفاده می شود. رعایت همه این موارد برای دستیابی به سفتی (stiffness) بالا مهم است که یکی از ویژگی های خیلی مهم در مقواهای جعبه ای است. به عبارت دیگر هر چه ضرایب الاستیسیته لایه رویی و زیری بیشتر باشد و لایه میانی حجیم تر باشد، سفتی یا سختی مقوا بیشتر خواهد بود. زیرا سفتی مقوا تابعی از مدول الاستیسیته و توان سوم ضخامت است؛ اما معنی سفتی (که در برخی منابع سختی نام برده شده) مورد بحث، بطور دقیق چیست؟

تعریف سفتی

بسیاری از خواص مقوا همچون زیردست یا پشت دست، سختی انعطاف، سختی خمش، شقی و صلبیت و ایستایی، صدای تق تق، مقاومت به خمش در مقابل فشارهای وارده ناشی از بار و در نتیجه جلوگیری از شکم دادگی و تحدب دیواره های جعبه ها، قابلیت عبور در ماشین های تبدیل و بسته بندی جهت جلوگیری از قوس برداشتن، چین خوردگی و موج دار شدن آنها و جلوگیری از گیر کردن یا کاهش سرعت در دستگاه های تبدیل و بسته بندی، مربوط به سفتی مقوا است. البته رعایت جهت LG یا SG یا همان راه الیاف در زمان انتخاب مقوا برای چاپ نیز بسیار مهم است. به طور طبیعی سفتی مقوا و مقاومت آن در مقابل خمش و شکم دادگی و قوس برداشتن در هنگامی که نیرو در جهت موازی با راستای قرارگیری الیاف وارد می شود، بسیار بیشتر از هنگامی است که نیرو عمود بر راستای قرارگیری الیاف یا همان راه کاغذ وارد می شود.

بنابراین در هنگام انتخاب مقوا در فرآیند چاپ به طور حتم باید الزامات مورد نیاز از نظر LG و SG بودن مقوا و تاثیر آن در فرآیندهای بعدی (از جمله خط تا زدن، جعبه سازی، پر کردن) و در محیط مصرف (مثلا جایی که فشارهای مکانیکی ناشی از چیدن جعبه ها روی هم و یا محیط های مرطوب) در نظر گرفت.

یکی دیگر از مشکلاتی که به شدت میزان سختی مقوا را تحت تاثیر قرار می دهد، رطوبت بالاست. زیرا رطوبت بالا با کاهش مدول الاستیسیته مقوا، میزان سفتی یا سختی آن را کاهش می دهد. بنابراین در سالن های چاپ و بسته بندی، دما و رطوبت می بایستی در حد استاندارد قرار داشته باشد و همچنین اگر در مسیر حمل و یا در محیط مصرف، رطوبت بالا وجود دارد، مقوا را با پوشش های مناسب نسبت به تبادل رطوبتی، نفوذناپذیر نماییم. به طور تقریبی میزان سختی از رطوبت ۱۰ درصد تا ۹۰ درصد به صورت خطی کاهش می یابد.

اندازه گیری سفتی

در استانداردهای مختلف و با آزمونگرهای متفاوت امکانپذیر است. از جمله در استاندارد TAPPI (انجمن فنی صنایع خمیر و کاغذ ایالات متحده آمریکا) با آزمونگرهای Taber، Gurley و Clark است. (توضیح کامل روش آزمون و کارکرد دستگاه آزمونگر به آزمونهاس شماره T451، T489 و T453 در استاندارد TAPPI وجود دارد.) همچنین در استاندارد ISO در شماره ۴۲۹۳:۹۲ هم می توان با استفاده از آزمونگر L&W Lorentzen & Wettre سفتی را اندازه گیری کرد.

قابلیت تاخوری و دوام تاخوری مقوا

مقوایی که در ساخت جعبه های تاشو یا تاخور استفاده می شود، باید بدون این که هیچ گونه ترک سطحی و شکافی در لایه های فوقانی آن مشاهده شود بتواند تحت یک زاویه ۱۸۰ درجه تا بخورد. به طور معمول در ماشین های بسته بندی مقوا یا کاغذ از محل مورد نظر یک یا دو بار شدیدا تا می‌خورد.

این خاصیت قابلیت تاخوری یا خمش پذیری مقوا نامیده می شود. مقوایی را دارای قابلیت خمش پذیری بالایی است، می گوییم که در فرآیندهای خط تازنی (شکن دهی) و تاکنی بدون تخریب رویه یا لایه فوقانی انجام شود. این خاصیت از آن جهت بسیار مهم است که شکستگی و ترک در لایه سطحی یا فوقانی که رویه سفیدی هم دارد بیفتد، به ویژه در زمانی که در محل تا چاپ انجام شده باشد. این شکستگی و الیاف نمایان شده لایه میانی از محل تاخوری همچون یک خط سفید مشخص می شود و ظاهر بسیار نامطلوبی در جعبه ایجاد می کند.

از نظر علمی برای به حداقل رسیدن ترک و شکاف، باید مقاومت کششی لایه فوقانی تا حد امکان زیاد باشد تا در هنگام تاخوری گسیخته و پاره نشود. همچنین مقاومت به کشش مقوا در جهت Z (مقاومت به کشش در دو جهت عمود بر سطح مقوا) نباید بیش از حد زیاد باشد تا لایه حجیم میانی بتواند بدون اینکه شکسته شود لایه لایه شده و به راحتی تا بخورد و مقوا پاره نشود. در این مورد مناسب بودن یا نبودن مقوا را با خمش دادن با دست هم می توان مشخص کرد.

تا اینجا صحبت درباره قابلیت تاخوری مقوا بود؛ اما در برخی کاربردها تعدد تاخوری هم مطرح است و مقاومت به فرسودگی طی دفعات متعدد تاخوری اهمیت دارد. در اینجا دوام در حالت تاخوری یا مقاومت به تاخوری مطرح می شود که به طور سنتی به صورت تعداد جفت تاهای مورد نیاز تا پارگی نمونه تحت یک کشش اندک بیان می شود که با آزمونگرهای Schopper و MIT مطابق با دستورالعمل های ذکر شده در آزمون های شماره T423 و T511 در استاندارد TAPPI انجام می شود.

البته به طور کلی در بحث های مربوط به تاخوری همواره باید به این نکته توجه داشت که این ویژگی کاملا وابسته به راستای قرارگیری الیاف (راه کاغذ و مقوا) است. برای تا زدن یک ورق در جهت عمود به راستای الیاف، به طور طبیعی نیروی بیشتری نسبت به تاخوری در امتداد موازی با جهت قرارگیری الیاف نیاز است؛ اما تای به دست آمده در حالت عمود بر الیاف منظم تر و صافتر و صحیح تر انجام می شود و عملکرد دستگاه های بسته بندی را راحت تر می کند.

یکی از ویژگی های بسیار مهم دیگر که در اینجا حایز اهمیت است، میزان مقاومت مقوا به خمش در محل خط تا و در حین حرکت و عملیات دستگاه های تبدیل، بسته بندی و پرکنی است. به عبارتی نیروی برگشت مقوایی که به میزان ۹۰ درجه از محل خط تا خمیده شده، اندازه گیری می شود که این نیرو باید در حد استانداردی باشد، چرا که در قابلیت حرکت مقوا و سرعت عملکرد دستگاه های پرکنی و بسته بندی بسیار اهمیت دارد. همچنین میزان رطوبت هم تاثیر اساسی

روی نتایج آزمون ها دارد. به این ترتیب که با افزایش رطوبت نسبی محیط تا حدود ۶۰ و ۶۵ درصد مقاومت تاخوری و دوام آن افزایش می یابد و طبیعتا هر چه به سمت رطوبت های پایینتر می رویم، الیاف ترد و شکننده شده و امکان گسست و پارگی بیشتر است.

در رطوبت های بالاتر از این مقادیر هم به علت سست شدن پیوند بین الیاف، مقاومت و دوام تاخوری (به ویژه از مرز بالای رطوبت نسبی ۸۰ درصد) به شدت کاهش می یابد.

بنابراین آزمون ها را باید روی نمونه های دارای رطوبت استاندارد و در شرایط رطوبت نسبی و دمای محل آزمایش که به صورت استاندارد باشد، انجام داد. رعایت شرایط رطوبتی استاندارد در سالن های چاپخانه و جعبه سازی هم به دلایل گفته شده حایز اهمیت است.

مقاومت چسبندگی داخلی (internal bond strength)

یکی از نیازهای چاپی مهم مقواهای جعبه ای، چسبندگی داخلی آن یا مقاومت اتصال لایه ها یا همان مقاومت به کشش در جهت Z (کشش عمود بر سطوح کاغذ یا در ضخامت جهت تفکیک لایه ها) است که در حقیقت بیان کننده میزان استحکام اتصال لایه های داخلی مقواها نسبت به همدیگر است. در مورد مقواهای مختلف و کاربردهای متفاوت، این مقاومت باید حد معینی داشته باشد. در فرایند چاپ افست که اکثر مقواهای جعبه ای با آن چاپ می شوند، به ویژه در موارد زیر که در حین چاپ اتفاق می افتد، امکان تفکیک لایه ها و یا ضعیف شدن اتصال داخلی آنها و ایجاد مشکلات بعدی در مراحل بسته بندی و محیط مصرف وجود دارد:

• کار با مرکبهای با ویسکوزیته بالا و چسبندگی زیاد یا در دماهای پایین
• تغذیه زیاد مرکب و زیاد بودن مقدار مرکب بر روی زینک و لاستیک
• فشار بیش از اندازه بین لاستیک و سیلندر، کثیف بودن لاستیک و نرمی بیش از حد آن
• قطر کم نورد لاستیک و زاویه رهاسازی زیاد که نیرو d بیشتری را به سطح مقوا اعمال می کند
• سرعت بالای ماشین چاپ و چاپ با ماشین های دو رو چاپ لاستیک به لاستیک همزمان
• چسبناکی زیاد از حد کوتینگ کاغذ
• تغذیه زیاد آب و تجمع آن روی لاستیک ها
• ضعیف شدن اتصال لایه ها در اثر فشار و تبخیر رطوبت ناشی از حرارت خشک کن های ماشین چاپ

بنابراین می بینیم در صورت ضعف در اتصال داخلی، امکان لایه لایه شدن مقوا در فرآیند چاپ وجود دارد. سست شدن چسبندگی لایه های داخلی مقوا طی مراحل بعدی تبدیل و بسته بندی و یا در محیط مصرف، هم دردسرآفرین است. از طرفی قبلا در بحث مربوط به تاخوری مطرح شد چسبندگی بیش از حد لایه های میانی، باعث پاره شدن مقوا در حین فرآیند تاکنی می شود.

بیشتر بخوانید: کاغذ و مقوای کاربردی در صنعت بسته بندی

اندازه گیری مقاومت چسبندگی داخلی

حال برای اندازه گیری اتصال لایه ها می توانیم در استاندارد TAPPI از آزمون شماره T451 جهت انجام سنجش استفاده کنیم. در برخی منابع هم از این ویژگی تحت عنوان مقاومت اتصال اسکات (Sctott bond) که دستگاه اندازه گیری آن است – نام برده می شود.

اساس انجام آزمون، قرارگیری لایه مقوا بین دو صفحه فلزی چسب خورده است. آنگاه پس از باز شدن صفحات فلزی، نیروی لازم جهت لایه لایه کردن مقوا اندازه گیری می‌شود.

مقاومت سطحی (Surface Strength)

همان نیروهایی که در بحث مربوط به مقاومت چسبندگی داخلی مطرح شدند، در مورد این بحث هم در فرآیند چاپ و هنگام جدا شدن سطح چاپ کننده (مثل لاستیک در ماشین افست) از روی ورق مقوا، در جهت عمود بر سطح آن تنش کششی وارد می کنند.

حال اگر این تنش یا نیروی کشش بیش از نیروی چسبندگی مابین پیگمنت کوتینگ (مواد پوشش دهنده) سطحی کاغذ با الیاف رویی باشد، باعث پدیده کنده شدن یا پرزکن شدن (Picking) می شود. البته همانطور که پیشتر عنوان شد، میزان قدرت این نیروی کششی بر روی سطح کاغذ به عوامل خاصی مانند سرعت دستگاه، چسبناکی مرکب، فشار لاستیک ها و … بستگی دارد. بنابراین سطح مقوا باید بتواند تنش های متعدد را تحمل کند. برای اندازه گیری این ویژگی، روش های مختلفی از مو مکنی – waxpick test – آزمونگر کنش LTE، آزمونگر چاپ هرکولس – بروک فیلد، آزمونگر کنش والدون، آزمونگر چاپ وندرکوک و از همه مهمتر آزمونگر قابلیت چاپ IGT وجود دارد.

البته هیچ یک از این آزمون ها به طور قطعی و کاملاً دقیق کارکرد مقوا در چاپ را ندارند. بنابراین معتبرترین آزمون، چاپ در یک ماشین چاپ با شرایط آزمونی یکنواخت است؛ اما در هر حال یکی از معتبرترین ابزارها، آزمونگر قابلیت چاپ IGT است که در حقیقت شرایط چاپ را در سیستم های مختلف مثل افست، فلکسو و روتوگراور بازسازی می کند. نحوه کار هم به این ترتیب است که سرعت چرخش و فشار زیاد می شود و نیروی اعمال شده توسط لایه مرکب به سطح کاغذ افزایش پیدا می کند تا به کندگی یا پرزدهی برسیم. سرعت و فشار دستگاه در این لحظه نشان دهنده میزان سرعت یا نیروی لازم برای وقوع پدیده پرزدهی و کنده شدن است. در برخی منابع آمده چنانچه شاخص IGT بیش از ۳۰۰ متر بر ثانیه باشد، حاکی از مقاومت سطحی بالا و مناسب مقوا برای چاپ افست است.

البته در چاپ گراور مقاومت به فشار یا کشش در جهت z (عمود بر سطح) همانند چاپ افست یا فلکسو مهم نیست، در حالی که صافی سطح مقوا برای داشتن کار چاپی خوب بسیار حیاتی است.

روش آزمون IGT در استاندارد TAPPI UM 591 توضیح داده شده است. روش های دیگر اندازه گیری مقاومت سطحی، مستلزم استفاده از یک سری متوالی از چندین مرکب است که چسبندگی هر کدام از آنها اندکی بیش از قبلی باشد. در این حالت آن مرکبی که باعث وقوع پدیده کنده شدن سطحی یا پرزدهی می شود، میزان مقاومت سطحی را تعیین می کند.

البته لازم به ذکر است که مدل های مختلف دستگاه های IGT قابلیتهای دیگری از جمله تست چسبناکی مرکب و یا پیش بینی کیفیت رنگ تولید شده در چاپ از نظر دانسیته،Lab براقیت، پشت زدن، لکه آوردن، سرعت جذب و انتقال مرکب و پدیده عبور جوهر، مقاومت به سایش و مواد شیمیایی و … را هم دارد و از جمله دستگاه های با توانایی های بسیار بالا جهت تست قابلیت چاپ پذیری و پیش بینی معایب چاپی در انواع سطوح چاپ شونده است.