Guide des essais mécaniques des matériaux d'emballage en papier et en plastique

Au cours de l'année qui s'est écoulée depuis que la pandémie de COVID-19 a commencé à bouleverser nos vies, un changement parmi d'autres a été l'énorme augmentation de la consommation mondiale de produits en papier et en plastique. Le commerce électronique a connu une expansion rapide en 2020 alors que les restaurants sont passés à un modèle de plats à emporter et que les consommateurs ont choisi de faire leurs achats en ligne depuis la sécurité de leur domicile au lieu de visiter un magasin bondé. Pour ceux qui se sont aventurés, de nombreux magasins ont annulé l'utilisation de sacs réutilisables pour éviter la contamination croisée. Le résultat de ces tendances est une demande accrue d'emballages en papier et en plastique à usage unique. Bien que l'appétit pour ces produits ne soit pas nouveau, il s'est accéléré sous la pression d'une pandémie. Pour suivre le rythme, les fabricants de matériaux d'emballage en plastique et en papier investissent constamment dans des machines d'essai universelles pour effectuer des évaluations mécaniques de leurs matériaux et s'assurer qu'ils résistent aux exigences d'une utilisation réelle.

Lorsque nous pensons à toutes les façons dont le papier et le plastique sont utilisés et abusés - rentrer à la maison avec un sac d'épicerie en papier épais, une fourchette en plastique poussant un sac de nourriture à emporter, un emballage en plastique contenant des vêtements jetés sur un camion postal pour la livraison - il est clair pourquoi ces matériaux doivent subir une évaluation physique complète. Il y a aussi toujours le risque que les feuilles de papier et de plastique échouent pendant le processus d'emballage avant même d'atteindre le consommateur. La connaissance des propriétés et des performances fonctionnelles d'un matériau est essentielle pour garantir que le produit qu'il protège passe avec succès du fabricant au consommateur sans dommage.

Les procédures de test dans l'industrie de l'emballage sont généralement établies par plusieurs organisations internationales. L'Association technique de l'industrie des pâtes et papiers (TAPPI) est le principal groupe qui crée et met à jour les normes pour l'industrie du papier. L'American Society of Test and Measurement (ASTM) et l'Organisation internationale de normalisation (ISO) sont les organisations de confiance pour établir les meilleures pratiques de l'industrie pour tester les films et feuilles plastiques couramment utilisés dans les emballages.

Les sections suivantes traitent de quelques-uns des tests de papier et de plastique les plus courants effectués conformément aux normes TAPPI, ISO et ASTM. Ces normes englobent une vue d'ensemble de haut niveau, mais il existe de nombreuses méthodes plus standardisées et développées par les fabricants pour évaluer des applications spécifiques.

La photo est un exemple d'un test de perforation de sac en plastique effectué sur un système de test à double colonne Instron. Source : Instron

Les emballages sont couramment soumis à des lacérations ou des perforations pendant le transport, ou une fois entre les mains du consommateur. La norme ASTM F1306 est une norme largement utilisée pour tester la résistance à la pénétration de matériaux minces de barrière flexible. Le test est effectué avec une sonde supérieure montée sur la cellule de charge de la machine qui est ensuite lentement déplacée vers le bas sur l'échantillon serré jusqu'à ce qu'une défaillance se produise. Cette norme peut être modifiée pour simuler des applications d'utilisation finale spécifiques, ou les conditions recommandées peuvent être suivies de près pour comparer les performances des matériaux.

Lorsque la traverse de la machine se déplace vers le haut, le traîneau est tiré sur le substrat. La force de frottement, divisée par le poids du traîneau, est utilisée pour calculer les coefficients de frottement statique et cinétique du matériau. Source : Instron

ASTM D1894 et ISO 8295 sont les normes prédominantes utilisées pour déterminer le coefficient de frottement des films minces ou des matériaux d'emballage en plastique. Des tests sont effectués pour établir les valeurs de frottement statique et cinétique du matériau lorsqu'il glisse sur lui-même ou sur d'autres matériaux. Comme la traverse de la machine agit en tension, un traîneau lesté est traîné sur le matériau testé pour déterminer le coefficient de frottement. Ces tests sont généralement effectués à des fins de contrôle de la qualité dans la production de films.

Les tests de pelage en T, comme ASTM D1876, sont couramment utilisés pour évaluer les liaisons adhésives qui maintiennent ensemble les bords ou les joints d'un emballage en plastique ou en papier. Dans un essai de pelage en T, les deux extrémités libres de l'éprouvette sont chacune serrées et tirées en tension. Ces tests aident les fabricants à s'assurer que ces scellés n'éclateront pas pendant le transport, ce qui risquerait d'endommager le produit qu'ils contiennent.

Lors de l'exécution d'un test de pelage en T, les principaux calculs d'intérêt sont la force maximale et la résistance moyenne au pelage, calculées par largeur de joint. Source : Instron

Un essai de traction, ou essai de tension, est le type d'essai mécanique le plus fondamental et le plus fondamental. Lorsque la traverse de la machine d'essai monte, une charge de traction est appliquée au matériau et le système mesure la réponse du matériau. À partir de ces données, la résistance et l'allongement du matériau peuvent être déterminés.

Les normes populaires utilisées pour les essais de traction sont ASTM D882 et ISO 527-3 pour les feuilles et films plastiques, ou TAPPI T494 pour le papier et le carton. De plus, TAPPI T456 est également couramment utilisé pour standardiser le conditionnement des échantillons pour les essais de résistance à la traction humide du papier et du carton. Les résultats sont ensuite comparés à ceux des essais à sec pour déterminer un pourcentage de réduction de la résistance. Pour le papier et le plastique, un simple test de traction peut être utilisé comme mesure de contrôle de la qualité pour s'assurer que les matériaux répondent aux critères internes ou à des fins de comparaison.

La géométrie d'échantillon la plus couramment utilisée pour tester des films minces ou des feuilles de plastique ou de papier est une bande rectangulaire de largeur constante par opposition à une forme d'haltère ou d'os de chien. L'essai de bandes rectangulaires de matériau présente plusieurs défis, principalement que l'absence d'une section réduite augmente la concentration de contraintes au point où les mâchoires saisissent l'échantillon. Les solutions de préhension recommandées pour ces types d'essais visent à réduire ces concentrations de contraintes et à permettre des ruptures d'éprouvettes au centre de la longueur de jauge. Pour de nombreuses applications, une rupture de mâchoire peut indiquer une défaillance précoce de l'échantillon et conduire à des résultats qui ne représentent pas entièrement les propriétés du matériau. Cependant, la norme ASTM D882 stipule que si les résultats des ruptures de mâchoire sont comparables à ceux de la rupture de l'éprouvette au milieu de la longueur de référence, les résultats sont acceptables. C'est une bonne règle empirique pour tous ces tests.

Pour le test des bandes de papier et de plastique, les pinces pneumatiques à action latérale avec des faces de mâchoires de contact en ligne sont largement utilisées. Ces faces contiennent une seule face plane et une seule face avec une surface semi-circulaire. La ligne de contact unique produit une zone de contact plus petite et aide à empêcher le matériau de s'amincir et de glisser hors des poignées pendant les tests. Cependant, la ligne de contact unique peut créer une concentration de contraintes élevée, et toutes ces normes reconnaissent que, selon le matériau, elles peuvent ne pas être la solution optimale, auquel cas des faces lisses doivent être utilisées. Les pinces pneumatiques à action latérale sont les meilleures ici, car elles fournissent une pression de serrage constante tout au long des tests, car les films minces ou les plastiques ont tendance à s'amincir à mesure qu'ils s'allongent.

Les faces des mâchoires de contact de ligne, illustrées ici serrant un échantillon textile, sont largement utilisées pour tester les bandes de papier ou de plastique de matériau d'emballage. Source : Instron

Cet instrument utilise une lumière polarisante rouge, de sorte que l'objectif de la caméra perçoit l'échantillon et marque en blanc, noir ou gris. Plus le contraste entre les marques et l'échantillon est élevé, plus il est facile pour l'extensomètre de suivre la déformation. Source : Instron

Enfin, ASTM D882 ne nécessite pas d'extensomètre ; il permet d'utiliser le déplacement de la traverse pour mesurer la déformation. D'autre part, la norme ISO 527-3 exige un extensomètre de classe 1 pour respecter pleinement la norme. Cependant, les deux normes mentionnent la nécessité d'une solution d'extensométrie qui ne sollicite pas l'éprouvette ou ne fasse pas supporter à l'éprouvette le poids de l'extensomètre. TAPPI T494 ne nécessite pas d'extensomètre, mais les fabricants peuvent choisir d'en utiliser un pour obtenir les données de déformation les plus précises. Encore une fois, le poids d'un extensomètre sur un échantillon de papier doit être évité, donc un extensomètre optique est la meilleure solution à tous les niveaux ici. Les extensomètres optiques utilisent une caméra interne pour identifier et suivre les marques appliquées à l'échantillon afin de calculer la déformation. Ils sont généralement intégrés au logiciel du système afin que les résultats soient accessibles et puissent être visualisés facilement. L'extensométrie vidéo élimine tout poids externe appliqué à l'échantillon et garantit que la déformation mesurée ne représente que le changement de longueur de l'échantillon lui-même.

Alors que la tendance des produits d'emballage en papier et en plastique à usage unique continue de se développer, une machine de test universelle est un investissement rentable pour les fabricants afin d'évaluer les propriétés des matières premières et les performances fonctionnelles de leurs produits. D'autant plus que des matériaux recyclés plus durables sont développés pour remplacer certains plastiques et papiers à usage unique, il est essentiel de comprendre parfaitement leurs propriétés et de les comparer à d'autres matériaux pour garantir la qualité sur le terrain. Les tests mécaniques des matériaux d'emballage sont essentiels pour s'assurer qu'ils répondent aux exigences d'une utilisation réelle et que les produits qu'ils protègent parviennent à l'utilisateur final en bon état.

Meredith Bernstein est ingénieur d'application chez Instron. Pour plus d'informations, envoyez un e-mail à [email protected] ou appelez le (781) 575-5000.

Meredith Bernstein est ingénieure d'applications associée chez Instron. Pour plus d'informations, appelez le (781) 575-5000, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez www.instron.com.