Undersökning av tissue-pappers mekaniska interaktion med en taktil fingersensor

(1)

Örebro universitet Örebro University

Institutionen för School of Science and Technology naturvetenskap och teknik SE-701 82 Örebro, Sweden

701 82 Örebro

Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik, 15 högskolepoäng

Undersökning av tissue-pappers mekaniska

interaktion med en taktil fingersensor

Rawen Aziz, Rami Aziz

Högskoleingenjör Maskinteknik och Industriell design och produktutveckling, 180 högskolepoäng Örebro vårterminen 2020

Examinator: Magnus Löfstrand

(2)

Sammanfattning

Tissue-papper eller mjukpapper är material som används för hygienändamål och finns

tillgängligt som toalettpapper, hushållspapper och näsdukar. Beroende på vilken typ av tissue-papper som tillverkas anpassas egenskaper genom bland annat val av fibrer och kemikalier. Problemet som finns idag är att vissa mjukpapper brister i kvalitet vilket exemplifieras med att de rivs sönder i längden och inte vid perforeringen. Mjukpapper kan även gå sönder efter toalettbesöket. Detta leder till ökat produktsvinn och miljöbelastning. Som en del i att försöka minska miljöbelastningen och optimera egenskaperna hos papper har en studie genomförts inom ramen för ett mekaniskt forskningsprojekt som drivs av forskargruppen ”Mechanics and materials” på Örebro universitet.

I detta arbete har fyra olika typer av mjukpapper studerats. Under arbetet har de olika pappersprodukternas omslutningsförmåga, det vill säga deras kontaktvinkel, vid tryck undersökts och analyserats. Vidare har även nedböjningen vid belastning undersökts teoretiskt. Syftet med arbetet var att undersöka ifall det fanns en koncis metod för att mäta omslutningen med, som en del i det större forskningsprojektet. Som verktyg används en objektiv fingerliknande sensor för att se en möjlig korrelation med mätmetoden. Resultatet visade att metoden var koncis och hade en korrelation med den objektiva fingerliknande sensorns utslag. Till fortsatt arbete rekommenderas ytterligare tester på pappersprodukterna för att utföra en noggrann statistisk analys. Även ytterligare kopplingar till

pappersprodukternas egenskaper kan ge en djupare förståelse av hur materialet böjer sig vid belastning.

(3)

Abstract

Tissue paper or soft paper are materials used for hygiene purposes and are available as toilet paper, kitchen paper and handkerchiefs. Depending on the variety that is manufactured, properties are adapted based on, among other things, the choice of fibers and chemicals. The problem that exists today is that some tissues lack quality, which is exemplified by the fact that they are torn in the long run and not during the perforation. Tissue can also break after the toilet visit. This leads to increased product waste and environmental impact. As part of trying to reduce the environmental impact and optimize the properties of paper, this report is written within the constraints of a mechanical science project by the research group called

“Mechanics and materials” on Orebro university.

In this project, four different types of tissue have been studied. During the work, the enclosing ability of the various paper products, its contact angle, has been examined and analyzed under pressure. Furthermore, the deflection under load has also been investigated theoretically. The purpose of the work was to investigate whether there was a concise method to measure the coverage, as part of the larger research project. An objective finger-like sensor is used as a tool to see a possible correlation with the measurement method. The results showed that the method was consistent and had a correlation with the objective finger-like sensor result. For further work, further tests on the paper products are recommended to perform a thorough statistical analysis. Further connections to the properties of the paper products can also provide a deeper understanding of how the material bends under load.

(4)

Förord

Detta examensarbete genomfördes och skrevs av Rami Aziz och Rawen Aziz från Örebro Universitet. Ämnet för denna avhandling valdes tack vare handledaren Christer Korin som kom med förslaget. Från början kändes det svårt att koppla ihop tidigare kunskaper med något praktiskt. Det var även lite ointressant eftersom materialet inte var känt i detalj. Med hjälp av handledaren visade motsatsen sig ganska snabbt. Vi fick möjligheten att få kunskap om ett spännande material som mjukpapper och vi hoppas att detta examensarbete kommer ha inverkan på att optimera egenskaperna hos mjukpapper och därmed minska

(5)

Innehållsförteckning

1 INLEDNING ... 6 1.1 Forskargruppen på universitetet ... 6 1.2 Projektet ... 6 2 BAKGRUND ... 7 2.1 Problemet ... 7

2.2 Vad forskargruppen gjort tidigare ... 7

2.3 Vilka företag som samarbetar med forskargruppen ... 7

2.4 Beskrivning av teknikområdet ... 8 3 TEORI ... 9 3.1 Tissue papper ... 9 3.2 Test atmosfär ... 9 3.3 Mätverktyg ... 10 3.3.1 Syntouch BioTac ... 10 3.3.2 Lloyd-LR5KPlus ... 10 3.4 Kontaktvinkel ... 10 3.5 Elasticitet ... 11 3.6 Böjstyvhet ... 12

3.7 Böjstyvhet enligt ISO 5628 ... 12

3.8 Nedböjning ... 13

3.9 Elasticitetsmodul från flerskiktskartong ... 13

4 METOD ... 15

4.1 Val av material ... 15

4.2 Utföra tester med BioTac-fingret monterad i Lloyd-dragprovare ... 15

4.3 Klimat ... 17

4.4 Analys av data från BioTac... 17

4.5 Mätning av kontaktvinkel ... 17

4.6 Beräkning av nedböjning ... 18

5 RESULTAT ... 20

5.1 Resultat från Syntouch BioTac ... 20

5.2 Resultat vid mätning av kontaktvinkel ... 21

5.3 Resultat vid beräkning av nedböjningen ... 22

6 DISKUSSION ... 23

6.1 Felkällor ... 23

6.2 Värdering av resultat ... 23

6.2.1 Jämförelse mellan olika materialegenskaper ... 23

6.3 Fortsatt arbete ... 24

7 SLUTSATSER ... 25

(6)

BILAGOR

(7)

1 Inledning

1.1 Forskargruppen på universitetet

Detta examensarbete skrivs internt på Örebro universitet åt forskargruppen ”Mechanics and Materials”. Gruppen består av nio personer med olika tjänstetitlar som laboratorieingenjörer, lektorer och professorer. Tillsammans bedriver de sin verksamhet på universitetet.

Gruppen får finansiellt stöd av tre olika finansiärer. Dessa finansiärer är: Stiftelsen för kunskap och kompetensutveckling (KK-stiftelsen), Verket för innovationssystem (Vinnova) och Örebro universitet [1].

Gruppens utgångspunkt enligt de själva är att förstå hur olika material uppför sig mekaniskt utifrån ett komponentsgeometriperspektiv, baserat på materialegenskaper och variationer av dessa i komponenten som ges av den tillverkningsprocess som används och hur man skall hantera dessa aspekter ur ett konstruktions/konstruktionsoptimerings- perspektiv [1].

1.2 Projektet

Detta projekt är ett laborativt forskningsprojekt som undersöker hur tissue-papper omsluter ett finger vid nedtryckning. Målet med projektet går ut på att hitta ett tillvägagångssätt som mäter omslutningen för att korrekt analysera hur tissue-papper omsluter ett finger när det belastas. Projektet går även ut på att undersöka ifall papprets omslutning runt ett finger har en

korrelation till objektiv laborativ mätning med en fingerliknande sensor. Vidare kommer projektet att teoretiskt undersöka hur nedböjningen av tissue-papper under belastning har en koppling till dess omslutning av fingret.

BioTac-sensorn är utformat och utvecklat efter den mänskliga fingertoppen. Den kan avkänna kraft, vibration och temperatur som människor kan uppleva. Sensorn är byggd av en styv kärna omgiven av en elektriskt ledande vätska vars area ändras vid

beröring av den överliggande elastiska huden [2], se Figur 1. Den tillhandahållna data består av utslag från BioTac-sensorer vid tryck på pappersprodukter.

I Forskningsprojektet undersöks fyra olika typer av tissue-papper. Undersökningen sker i laborationslokalen på Örebro universitet. Resultaten av de laborativa mätningarna och beräkningarna analyseras och studeras för att avgöra ifall papprets omslutningsförmåga har en koppling till dess egenskaper.

Figur 1. SynTouch Biotacsensor, en fingertopp som liknar den mänskliga fingertoppen [2].

(8)

2 Bakgrund

2.1 Problemet

I dagens samhälle är utbudet på tissue-papper stort. Utbudet som finns beror på att papper används inom olika områden, såsom hushållspapper, toalettpapper och näsdukar. I samband med detta anpassas egenskaperna på pappret olika beroende på vilket typ av papper som produceras. En näsduk får exempelvis inte vara för sträv, då risken att konsumenten river sig vid användning ökar. Näsdukens främsta egenskaper är att den är mjuk och len, medan hushållspapper i regel är mer sträv och står emot vatten bättre för att användas till olika ändamål [3].

Mjukhet kan ökas genom noggrant utvalda fibrer och kemiska tillsatser. Detta ökar också tillverkningskostnaden. För att tillverkningen ska vara så effektiv som möjligt måste den tillräckliga styrkan som pappret kräver och kostnaden för detta tas hänsyn till. [3] Vissa papper är också enligt varumärkena specialanpassade beroende på vad konsumenten föredrar. Exempel på detta är Lambi som har toalettpapper med dekaler för att det skall passa in finare i badrummet eller papper som är extra mjukt.

Problemet som finns i idag är att tissue-papper kan rivas sönder i längden och inte där den är perforerad. De kan även gå sönder efter toalettbesöket. Detta leder till produktsvinn och miljöbelastning. Det finns alltså en möjlighet till optimering av dess egenskaper och förhoppningsvis minskad miljöbelastning.

2.2 Vad forskargruppen gjort tidigare

Mechanics and materials har bedrivit forskning inom områden som additiv tillverkning, trådformning, formning och konvertering av förpackningsmaterial baserade på papper och kartong. [1] Detta projekt ligger inom ramen till forskningen inom papper och kartong. Forskningsprojektet som behandlar detta område heter “A new model for deformation of carton board packages by manual handling”. Projektet har pågått sedan 2015 och går ut på att hitta metoder som visar hur konsumenterna tar i förpackningarna och med vilka krafter. Detta då eftersom deformation av förpackningar kan ge intrycket att produkten är av låg kvalitet. Samtidigt som kartongen skall kunna skydda innehållet, måste den även kännas lockande för konsumenter. [4][5]

Traditionellt har dessa faktorer behandlats separat genom tillämpning av olika metoder. För exempelvis kartonger som skall kännas lockande för konsumenter måste utseendet ge intrycket av att produkten inuti är av hög kvalitet. [4]

2.3 Vilka företag som samarbetar med forskargruppen

De industri och företag som verkar inom detta område, och som samarbetar med Mechanics and Materials, är BillerudKorsnäs och Tetra Pak bland andra. [1]

(9)

2.4 Beskrivning av teknikområdet

För att kunna undersöka hur tissue-papper omsluter ett finger vid nedtryckning krävs det kunskap om materialvetenskap, mer specifikt kunskap om papper och dess egenskaper. Det krävs även en grundläggande förståelse för ett numeriskt datorprogram för att sortera igenom den stora mängden data som väntas av varje test. Kunskap om hållfasthetslära är också viktig och kommer vara avgörande för beräkningar, diskussion och förslag på framtida arbeten.

(10)

3 Teori

3.1 Tissue papper

Tissue-papper eller mjukpapper är papper som används till hygienändamål såsom

hushållspapper, toalettpapper och servetter. Mjukpapper tillverkas av cellulosafibrer som finns i färsk ved från skogen. Ved är uppbyggt av bland annat lignin och cellulosafibrer. Ligninet är det som binder ihop cellulosafibrerna i trädet. I papperstillverkningen måste cellulosafibrerna friläggas från varandra för att sedan bindas ihop i det nätverk som bildar pappersarket. Det finns två sätt att skilja cellulosan - mekaniskt eller kemiskt [6].

Mekanisk massa framställs genom att veden sönderdelas och bearbetas mekaniskt. Den mekaniska massan innehåller alla vedens beståndsdelar. Detta gör den mekaniska massan svagare än den kemiska massan då längden på fibrerna har kortats [6].

Kemisk massa framställs genom att vedflis kokas med kokvätska. Kemikalierna i vätskan löser upp ligninet så att cellulosafibrerna friläggs. Den kemiska massan bevarar längden på fibrerna vilket gör pappret starkare då fibrerna kan böjas och vikas lättare [6].

Det används även återvunna returfibrer från kartong och tidningar i papperstillverkningen. Detta gör att mjukpapper får olika egenskaper om tillverkningen skett av nyfiber, returfiber eller blandning av dessa då styrkan avtar i mjukpapperet vid användning av återvunna returfibrer [7].

3.2 Test atmosfär

Utöver effekten av tillverkningsprocedurer och val av fibrer på pappersprodukternas egenskaper har även fukthalt och relativ luftfuktighet (RH) en påverkan. Den relativa luftfuktigheten (RH) beskriver mängden vattenånga i luften vid en viss temperatur i

förhållande till den maximala mängden vattenånga vid samma temperatur [8]. Temperatur och luftfuktighet har en stor påverkan på papperets styrka. Fukt gör tissue-papper mjukt vilket ökar visco-elasticiteten och påverkar töjningshastigheten [9]. Figur 2 visar tydligt hur ökningen av den relativa luftfuktigheten (RH) resulterar i minskning av E-modulen [9].

Figur 2. Spänning-töjningskurvor i fiberriktning MD (maskinriktning) och CD (tvärriktning) på papper med en relativ luftfuktighet (RH) på 40% och 95% [9].

(11)

Tester av tissue-papper ska normalt utföras under konditionerat och standardiserat klimat (23 C och 50% RH) [9]. När kontrollerat klimat inte finns tillgängligt måste klimatet loggas eller antecknas. En skillnad på 2% accepteras vid loggningen för att säkerställa att resultatet inte påverkas av stora klimatskillnader.

3.3 Mätverktyg 3.3.1 Syntouch BioTac

SynTouch är ett amerikanskt företag som har utvecklat och format en sensor som liknar den mänskliga fingertoppen. BioTac kan känna av krafter, vibrationer och temperatur som människor kan uppleva [2], se figur 3.

Figur 3. BioTac består av en fast benliknande kärna täckt av ett utbytbart elastiskt skinnliknande material [2].

BioTac-sensorn liknar ett mänskligt finger med gummiskinn och innehåller en fluid där vibrationer kan sprida sig igenom för att exempelvis ge mått på ytegenskaper. Det finns elektroder innanför gummiskinnet som mäter bl.a. elektrisk konduktivitet mätt som bitsvärde från fluiden som finns på insidan av BioTac-fingret. När BioTac-fingret trycks ner på

pappersprodukter pressas fluidens väg och elektrodernas bitsvärde ändras i enlighet därmed vilket signalerar vilka krafter som appliceras [2].

3.3.2 Lloyd-LR5KPlus

LR5KPlus är en avancerad materialtestmaskin som bl.a. utför testapplikationer på drag- och trycksprover upp till 5 kN. LR5KPlus består av två kolumner och en tvärbalk som kan

förflyttas enaxligt upp till 975 mm. Maskinen är konstruerad för noggrann belastningsmätning och datainsamling [10].

3.4 Kontaktvinkel

Kontaktvinkeln är enkel att förstå visuellt. Det är vinkeln som exempelvis en vätskedroppe formar i kontakt med en fast yta, se figur 4. Om kontaktvinkeln är liten blir samverkan mellan den fasta ytan och vätskan fördelaktig dvs. vätbarheten är bra och vidhäftningen mellan den fasta ytan och vätskan är hög. Omvänt, stor kontaktvinkel indikerar att samverkan är

(12)

definieras av droppens jämvikt under trefasiga ytspänningar [11], se figur 4.

Figur 4. Illustration av kontaktvinkeln (θ) som vätskedroppen formar i kontakt med en fast yta [11].

Jämviktsförhållandet definieras av ekvation (1).

𝛾𝛾𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝛾𝛾𝐿𝐿𝑆𝑆cos 𝜃𝜃𝛾𝛾+ 𝛾𝛾𝑆𝑆𝐿𝐿 (1) Där γSVär ytspänningen fast/ånga (N/m), γLV är ytspänningen i gränssnittet vätska/ånga (N/m), γSL är ytspänningen i gränssnittet fast/vätska (N/m) och θγär Youngs kontaktvinkel (°) [11]. Vanligtvis mäts kontaktvinkeln enkelt genom att anpassa tangenten på den stillastående dropp profilen för att kunna läsa av gradskivan. En kamera kan koordineras för att fotografera droppens profil som sedan mäts i efterhand. Dessutom finns modifierad utrustning i dagsläget som ger noggrannhet och precision vid kontaktvinkelmätning [12].

3.5 Elasticitet

Elasticitet är den fysiska egenskapen hos ett material, som gör det möjligt, i detta fall för papper att få sin ursprungliga form när den applicerade spänningen avlägsnas. Den elastiska gränsen är den maximala spänningen som kan appliceras innan materialet deformeras permanent. Dessa begrepp gäller styrkan hos alla fasta material, inklusive papper. De

sammanfattas i Hookes lag som säger att för små deformationer upp till den elastiska gränsen, som involverar både kompression och förlängning, är spänningen proportionell mot den resulterande spänningen [13], se ekvation (2)

𝜀𝜀 =_{𝐸𝐸 ,}𝜎𝜎 (2)

där 𝜀𝜀 är töjning (enhetslös), 𝜎𝜎 är applicerad spänning (N/m2_{) och E är elasticitetsmodul}

(13)

3.6 Böjstyvhet

Böjstyvhet hos ett material kännetecknas genom hur materialet reagerar på en extern applicerad kraft eller belastning. När materialet utsätts för en spänning orsakar det en dimensionell förändring. Detta kan vara en förlängning eller komprimering beroende på vilken typ av spänning. Böjstyvheten, ofta uttryckt som S, är en mätbar parameter, men kan också beräknas med elasticitetsmodul, ytvikt och tjocklek. Inom hållfasthetslära definieras böjstyvheten som

𝑆𝑆 = 𝐸𝐸𝐸𝐸, (3)

där S är böjstyvhet (Nm2_{), E är elasticitetsmodul (N/m}2_{) och I är tröghetsmoment (m}4_{) [13].}

Inom pappersmekanik är böjstyvheten densamma som för anisotropa material men normaliseras av provets bredd [15]

𝑆𝑆𝑏𝑏 =𝐸𝐸𝐸𝐸_{𝑏𝑏 ,} (4)

där Sb är böjstyvhet (Nm), E är elasticitetsmodul (N/m2), I är tröghetsmoment (m4) och b är provets bredd (m).

3.7 Böjstyvhet enligt ISO 5628

Inom pappersindustrin används olika metoder för att bestämma styvheten hos papper. Av dessa används t.ex. tvåpunktsmetoden normalt för kartong och mjukpapper med lättare ytvikter, trepunktsmetoden för högytviktig kartong och fyrpunktsmetoden används normalt för mycket högytviktig kartong och papp.

För mjukpapper används tvåpunktsmetoden, se figur 5 där papprets ena ände är fast inspänd i en klämma som vrids en vinkel (θ) eller distans (δ) och provets fria ände kommer i kontakt med en lastcell (F), på ett avstånd (l) från klämman [13].

Figur 5. Tvåpunktsmetoden [13].

Böjstyvheten mäts vanligtvis med hjälp av en L&W testmaskin. En rektangulär pappersremsa med bredden 38 mm kläms fast i instrumentet och böjs en vinkel på 15 °. Den fria änden kommer i kontakt med lastcell och den registrerade kraften är proportionell mot papprets

(14)

styvhet. Böjstyvhet beräknas från den kraft som registreras vid en vinkelavböjning på 15 °. En vinkel på 15 ° ligger vanligtvis inom den elastiska gränsen och accepteras som ett standardvärde. Uppställningsnoggrannhet är mycket viktigt eftersom en felgrad på endast 0,5 ° kommer att resultera i ett mätfel på cirka 10%. Beräkning av böjstyvheten [13], uttryckt ofta som Sb sker enligt ekvation (5)

𝑆𝑆𝑏𝑏= 60 × 𝐹𝐹 × 𝑙𝑙

2

𝜋𝜋 × 𝜃𝜃 × 𝑏𝑏 , (5)

där Sb är böjstyvhet (Nm), F är böjkraften (N), l är provets längd (m2), 𝜃𝜃 är böjningsvinkel (°) och b är provets bredd (m).

3.8 Nedböjning

Ett belastningsfall från ett mänskligt finger på ett mjukpapper kan förenklat antas vara enligt elementarfallet som visas i figur 6, där elementet antas vara ett mjukpapper som förskjuts en distans (δ) under en belastning (F) från det mänskliga fingret, på ett avstånd (l) från den inspända änden [17]. OBS! Detta elementarfall beskriver inte standardmätningen som beskrevs i föregående kapitel om böjstyvhet.

Den elastiska nedböjningen i den fria änden som belastas med en kraft kan beräknas enligt ekvation (6) nedan

𝛿𝛿 =𝐹𝐹𝐿𝐿_{3𝐸𝐸𝐸𝐸 ,}3 (6)

där 𝛿𝛿 är nedböjning (m), F är applicerad kraft (N), L är provets längd (m), E är elasticitetsmodul (N/m2_{) och I är tröghetsmoment (m}4_).

3.9 Elasticitetsmodul från flerskiktskartong

Vid beräkning av nedböjning som mjukpapper får vid belastning av det mänskliga fingret används tabellvärden på elasticitetsmodul från flerskiktskartong, se tabell 1. Anledningen till varför författarna inte använde tabellvärden för pappersprodukter som testas i detta projekt var för att det inte fanns tillgängligt och för att kunna göra en rimlighetsbedömning av resultatet vid beräkning av nedböjning, togs därför ett närliggande material som det finns tabellvärden för. Det för att ge en bild av hur elasticitetsmodulen är en viktig parameter vid beräkning av nedböjning som mjukpapper får vid belastning.

δ F

l

(15)

Tabell 1. Experimentella resultat av uniaxiella dragprovningar i maskinriktning (MD) och tvärriktning (CD) och tjockleksriktningen (ZD) på en flerskiktskartong [16].

Riktning Elasticitetsmodul

[MPa] Sträckgränsen [MPa] Brottgränsen [MPa]

MD 5600 12 44

CD 2000 6.5 18

(16)

4 Metod

Som forskningsmetod till detta arbete har det genomförts genom ”kvantitativ forskning”. För att vara mer specifik även laborativt. Kvantitativ forskning innebär att man studerar data och i fallet till detta arbete mätvärden samt observationer. [18]

4.1 Val av material

Pappersprodukterna som användes i denna forskning visas i tabell 2. Valet av produkterna togs med hänsyn till de olika materialegenskaperna samt tjocklekarna som

pappersprodukterna har. Anledningen är för att testa om BioTac-sensorn kan med noggrannhet särskilja mellan pappersprodukterna och därmed verifiera dess beröring på objekt.

Tabell 2. Visar de olika papperstyper som används i testerna, hur många skikt de har och deras egenskaper (val av fiber). [19], [20], [21], [22].

Varumärke Typ av papper Skikt Fiber

Lambi Ultra Soft Näsduk 4-skiktspapper Nyfiber

Serla miljöval Hushållspapper 2-skiktspapper Returfiber

ICA Basic Toalettpapper 2-skiktspapper Returfiber

ICA Bad & Toalett Toalettpapper 3-skiktspapper Nyfiber + returfiber

4.2 Utföra tester med BioTac-fingret monterad i Lloyd-dragprovare

Verktyg som används för mätningar är Syntouch BioTac och Lloyd-LR5KPlus dragprovaren som finns beskriven i avsnitt 3.3. En penna används för att rita en kvadrat som motsvarar riggens bas på papperet fäst på stålplattan som tillhör dragprovaren. Detta för att riggen som testerna utförs på ska vara centrerad under BioTac-fingret och identisk placerad innan varje utförd mätning, se figur 7a. Vidare spänns mjukpapperet i riggen med hjälp av en ring och placeras under BioTac-fingret, se figur 7b.

(17)

Figur 7. Visar riggens placering under BioTac-fingret med uppspänt mjukpapper.

Först definieras en nollnivå till att vara 1 mm över ytan på mjukpapperet som ska testas. Detta uppnås genom att sänka BioTac-fingret över test materialet via Lloyd-LR5KPlus

dragprovaren tills den mäter en reaktionskraft på 0,01 N. Dragprovaren nollställdes vid den punkten och BioTac-fingret höjdes sedan till 1 mmöver ytan på mjukpapperet för att nollställas igen till den nya punkten, se figur 8a. Tryckprovet initierades genom att starta datainspelningen av BioTac. När dragprovaren hade nått sitt maximala djup på 3 mm i mjukpapperet stannade den automatiskt. Datainspelningen av BioTac stoppades manuellt av användaren. Ett foto togs med en koordinerad kamera på mjukpapperet nedtryckt av BioTac-fingret, se figur 8b. Dragprovaren hissades upp manuellt för att köra nästa test. Varje

pappersprodukt testas sex gånger, varje gång med nya pappersark, vilket ger sammanlagt 4(olika pappersprodukter)×6(tester) = 24 tester.

(18)

4.3 Klimat

Ett kontrollerat klimat fanns inte tillgängligt under testerna av pappersprodukter vid Örebro Universitet, därför antecknades klimatet innan varje utförd test. Testerna utfördes på en och samma dag för att undvika felkällor till klimatets påverkan på

pappersprodukterna. I figur 9 visas att den relativa luftfuktigheten samt temperaturen varierade mellan 30 % och 28 % respektive 22,6 och 21,1 under testning.

4.4 Analys av data från BioTac

Från den uppmätta data av BioTac exporterades filer för elektroddata 1–10 samt 17–19 till Microsoft Excel, se figur 10. Skälet till att elektroddata 11–16 på högra sidan av fingret inte exporterades beror på att de antas ge liknande datautslag som elektroderna 1–6 på vänstra sidan på grund av symmetri. Dessa filer bearbetades sedan i Excel och delades in i separata kolumner för elektroder och tidsenheter. Därefter beräknas ett medelvärde av varje elektroddata från de sex utförda mätningarna på varje pappersprodukt. Innan elektroddata plottas över tiden korrigeras startvärdet för att eventuellt se hur graferna förskjutits i förhållande till varandra för de olika pappersprodukterna. Detta gav totalt fyra grafer för de olika materialen och 13 diagram för elektroderna.

Graferna analyserades och jämfördes med varandra för att se skillnader i materialegenskaper.

4.5 Mätning av kontaktvinkel

För mätning av kontaktvinkeln som pappersprodukterna formar vid tryck av BioTac-fingret används foton tagna med en koordinerad kamera, se figur 11. En penna används för att rita en horisontell linje i nedre delen av BioTac-fingret samt en vertikal linje i mitten av fingret. Därefter fastställas en tangeringspunkt där BioTac-fingret inte längre har kontakt med mjukpapperet. En vertikal referenslinje ritas utifrån tangeringspunkten. Tangenten ritas och kontaktvinkeln läses av med hjälp av en gradskiva. Sex mätningar gjordes på varje

pappersprodukt vilket ger totalt 4(olika pappersprodukter)×6(mätningar av kontaktvinkeln) = 24. Vidare beräknas ett medelvärde av de sex kontaktvinkelmätningarna för varje

pappersprodukt.

Figur 9. Visar kurvor för temperatur och relativ luftfuktighet under testerna. Blå kurva representerar temperatur och grön kurva representerar relativ luftfuktighet.

Figur 10. Schemat över elektrod arrangemangen på BioTac-sensorn [2]. 19 24 29 34 39 0 5 10 15 20 25

TEMPERATUR OCH RELATIV LUFTFUKTIGHET

(19)

Figur 11. Mätning av kontaktvinkeln. 4.6 Beräkning av nedböjning

Den teoretiska beräkningen av nedböjningen görs för att se om beteendet stöds av

beräkningarna, alltså att motsvarande resultat erhålls med beräkningar som mätningar. För att kunna beräkna nedböjningen av mjukpapper vid belastning av det mänskliga fingret antas tjockleken av mjukpapper vara till 0,2 mm, 0,1 mm och 0,05 mm. Antaganden gjordes

eftersom tjockleken av mjukpapper vanligtvis mäts med hjälp av en standard vilket författarna inte hade tillgängligt. Dessutom antogs tjocklekarna med rimlighet för att få en bild av hur det påverkar resultatet och om det är en viktig parameter. Kom även ihåg att elasticitetmodulen som används i beräkningarna gäller flerskiktskartong och inte pappersprodukterna i detta projekt. Detta tillsammans med tjockleksantagande gör att absolutvärdena nedan avviker från verkligheten men beteendet bör vara det samma.

I tabell 3 nedan visas värdena för de ingående parametrarna enligt ekvation 4 samt beräkningen av nedböjningen där en punktlast på 0,5 N samt E-modul på 2000 MPa i tvärriktningen används.

(20)

Tabell 3. Visar värdena för de ingående parametrarna samt beräkningen av nedböjningen enligt ekvation 4. F L E h b 𝜹𝜹 = _{𝑬𝑬𝑬𝑬𝒃𝒃}𝟒𝟒𝟒𝟒𝑳𝑳𝟑𝟑_𝟑𝟑 0,5 N 50 mm3 _{2000 N/mm}2 _{0,2 mm 38 mm} _δ 1 ≃ 0,0114 mm 0,5 N 50 mm3 _{2000 N/mm}2_{0,1 mm 38 mm} _δ2 _{≃ 0,0228 mm} 0,5 N 50 mm3 _{2000 N/mm}2_{0,05 mm 38 mm} _δ 3 ≃ 0,0456 mm

I tabell 4 nedan beräknas nedböjningen igen men med sänkt E-modul till 1800 MPa för att eventuellt se hur resultatet påverkas.

Tabell 4. Visar värdena för de ingående parametrarna samt beräkningen av nedböjningen enligt ekvation 4. F L E h b _{𝜹𝜹 =}𝟒𝟒𝟒𝟒𝑳𝑳𝟑𝟑 𝑬𝑬𝑬𝑬𝒃𝒃𝟑𝟑 0,5 N 50 mm3 _{1800 N/mm}2 _{0,2 mm 38 mm} _δ11_{≃ 0,0127 mm} 0,5 N 50 mm3 _{1800 N/mm}2_{0,1 mm 38 mm} _δ 12≃ 0,0254 mm 0,5 N 50 mm3 _{1800 N/mm}2_{0,05 mm 38 mm} _δ 13≃ 0,0508 mm

(21)

5 Resultat

5.1 Resultat från Syntouch BioTac

Resultat från Syntouch BioTac presenteras i figurer där varje figur visar kurvor av

elektroddata (bitsvärde) över tid. Varje kurva representerar en pappersprodukt. Figurerna som visas i det här avsnittet är mest representativa eftersom elektrod 1 ligger vid spetskanten av fingret och får sannolikt mest kontakt med testmaterialen och elektrod 17 innehåller minst brus i jämförelse med elektroderna 7–10.

Som beskrivs i avsnitt 3.3.1 så mäter elektroder bl.a. elektrisk konduktivitet mätt som bitsvärde från fluiden som finns på insidan av BioTac-fingret. När BioTac-fingret trycks ner på pappersprodukter pressas fluiden i spetsen av fingret till sidan av. Vilket innebär att elektroderna 7–10 samt 17 ger en minskning av bitsvärde medan elektroderna 1–6 ger en ökning av bitsvärde (elektrodarrangemangen visas i figur 9 under avsnitt 4.4). Detta kan ses i figur 12 och 13 nedan där exempelvis kurvan för ”ICA Bad & toalett” fick högst respektive minst bitsvärde. Liknande mätgrafer för resterande elektroder visas i Bilaga A.

Figur 12. Jämförelse av medelvärdet från elektrod 1 vid tester utförda på de fyra olika pappersprodukter. Graferna är förskjutna till varandra för att ha samma startvärden.

2235 2255 2275 2295 2315 2335 2355 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E1) från Syntouch BioTac

(22)

Figur 13. Jämförelse av medelvärdet från elektrod 17 vid tester utförda på de fyra olika pappersprodukter. Graferna är förskjutna till varandra för att ha samma startvärden 5.2 Resultat vid mätning av kontaktvinkel

Resultatet vid mätning av kontaktvinkel för de fyra olika pappersprodukter visas i tabell 5, där kontaktvinkeln mättes sex gånger för respektive mjukpapper. Resultatet visar att Serla

hushållspapper fick minst kontaktvinkel på 74,8° i jämförelse med ICA Bad & Toa som fick störst kontaktvinkel på 78,7°.

Tabell 5. Visar värdena vid mätningen av kontaktvinkel för de olika pappersprodukterna.

Pappersprodukter Kontaktvinkel

Serla miljöval

(hushållspapper) 74,8° 75,1° 75° 75,1° 74,9° 74,9°

Lambi Ultra Soft

(näsduk) 75,6° 75,5° 75,6° 75,6° 75,4° 75,5°

ICA Basic

(toalettpapper) 76,8° 76,7° 76,7° 76,8° 76,9° 76,8°

ICA Bad & Toa

(toalettpapper) 78,3° 78,4° 78,6° 78,7° 78,5° 78,4° 2805 2810 2815 2820 2825 2830 2835 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E17) från Syntouch BioTac

(23)

Mätningarna visade en mycket liten variation enligt dess spridningsmått, se tabell 6. Variationsbredden visar skillnaden mellan det största värdet med det minsta och

standardavvikelsen visar hur mycket vinklarna skiljer sig från medelvärdet. Mindre värden på variationsbredden och standardavvikelsen indikerar på mindre spridning mellan de olika mätningarna.

Tabell 6. Spridningsmått för kontaktvinkel från utförda mätningar på de olika pappersprodukterna. Spridningsmått Serla hushåll _näsdukLambi ICA Basic _hushåll ICA Bad & _Toa

Medelvärde 75,0° 75,5° 76,8° 78,5°

Median 74,9° 75,6° 76,8° 78,5°

Variations-bredd 0,3 0,2 0,2 0,4

Standard-avvikelse 0,12 0,08 0,08 0,15

5.3 Resultat vid beräkning av nedböjningen

I tabell 7 nedan visas resultatet av nedböjningen för mjukpapper med olika tjocklek

antaganden och E-modul enligt flerskiktskartong på 2000 MPa i (CD) respektive 1800MPa. Resultatet visar att papper med tjockleken 0,1 mm nedböjer sig dubbelt så mycket i

jämförelse med papper som har tjockleken 0,2 mm. Dessutom visar resultatet att papper med lägre E-modul nedböjer sig mer i jämförelse till papper med högre E-modul.

Tabell 7. Resultat vid beräkning av nedböjning på papper med olika tjocklek antaganden samt E-modul enligt flerskiktskartong på 2000 MPa i (CD) respektive sänkt E-E-modul till 1800 MPa.

Tjocklek antagande Papper med E-modul på 2000

MPa Papper med sänkt E-modul till 1800 MPa

0,2 mm δ1 = 0,0114 mm δ11= 0,0127 mm

0,1 mm δ2 = 0,0228 mm δ12= 0,0254 mm

(24)

6 Diskussion

6.1 Felkällor

Vid mätningar kan det uppkomma fel och osäkerheter som påverkar resultatets tillförlitlighet. Följande fel och osäkerheter diskuterades gällande resultatetens trovärdighet.

•_{För att säkerställa att klimatet inte förändrades särskilt mycket under testerna}

antecknades temperatur och relativ luftfuktighet innan varje utförd test. Figur 9 visar att luftfuktigheten som är den viktiga parametern inte förändrades mer än tiondels procentenhet. Förändringarna i temperatur och relativ luftfuktighet är mycket små och deras inverkan på testresultaten kan därför försummas. Detta bör fortfarande betraktas som en felkälla eftersom temperatur och luftfuktighet påverkar resultaten som beskrivs i avsnitt 3.2.

• Uppspänningen av testmaterialet i mätriggen gjordes manuellt med handkraft. Det kan ha orsakat att pappersprodukterna uppspändes med olika krafter, vilket kan ha

påverkat resultatet. Men eftersom resultatet visar liknande trender kan förändringar i krafter vid uppspänningen försummas.

6.2 Värdering av resultat

Värdena från Syntouch BioTac utvärderades genom att medelvärdet från de sex testerna togs för varje elektrod från varje testmaterial för att sedan sammanställas i en och samma diagram. Resultaten för elektrod 1 och 17 visas i figur 11 respektive 12. Resultaten för resterande elektroder visas i bilaga A. Alla figurer visar liknande utveckling. De högre värdena för elektrod 1–6 samt 17–19 kan förklaras med förskjutningen av huden på BioTac-fingret. På styvare pappersprodukter ökar komprimeringen av den konstgjorda yttre huden på

fingertoppen vilket i sin tur pressar fluiden inuti BioTac där elektrisk konduktivitet överförs genom vätskan som mäts av elektroder. Detta kan ses i de minskade värdena som mäts av spetselektroderna 7–10 och 17. SynTouch BioTac kunde skilja de fyra pappersprodukterna från varandra vilket visar att instrumentet kan upptäcka skillnader i material när de utsätts för belastning.

Baserat på experimentella resultat från Syntouch BioTac och mätning av kontaktvinkel kan en korrelation påvisas mellan pappersprodukternas beteenden vid nedtryckning. Exempelvis fick toalettpappret ICA Bad&Toa störst bitsvärde från den uppmätta elektroddatan på sidan av fingret, vilket innebar att toalettpapperet var styvast i jämförelse med de andra

pappersprodukterna. Vid mätning av kontaktvinkel kunde en korrelation visas. I detta fall fick toalettpapperet ICA Bad&Toa störst kontaktvinkel vilket innebar att papperet omslöt sig minst runt BioTac-fingret. Denna korrelation är förväntad och kan även kopplas till resultatet från den teoretiska beräkningen av nedböjningen, där mjukpapper med högre E-modul nedböjer sig mindre än papper med lägre E-modul (se tabell 8).

6.2.1 Jämförelse mellan olika materialegenskaper

En jämförelse mellan toalettpapperet ICA Bad&Toa som är tillverkat av nyfiber + returfiber och har 3-skiktspapper med toalettpapperet ICA Basic som är tillverkat av returfiber och har

(25)

2-skiktspapper visar att ICA Bad&Toa är styvare och böjer sig mindre. Detta beror sannolikt på att toalettpapperet är tillverkat av bl.a. nyfiber som är starkare än returfiber. ICA Bad&Toa har även flera skikt än toalettpapperet ICA Basic. Då äventjockleken är en avgörande faktor för hur ett papper nedböjer sig och omsluter ett finger. Papper med tjockleken 0,1 mm böjer sig till exempel dubbelt så mycket i jämförelse med papper som har tjockleken 0,2 mm. Detta kunde bevisas med teoretiska beräkningar (se tabell 7). Däremot visar näsduken Lambi Ultra Soft som förmodligen borde vara styvast eftersom den är tillverkat av 100 % nyfiber och har 4-skiktspapper motsatsen, vilket kan bero på tillverkningsmetoden för att uppnå mjukheten för dess användningsområde.

6.3 Fortsatt arbete

Om tiden inte var en begränsande faktor skulle arbetet kunna utvidgas med ytterligare tester på flera olika pappersprodukter för att ge en större jämförelse mellan flera olika produkter. Dessutom kan ytterligare kopplingar till pappersprodukternas egenskaper ge en djupare förståelse av hur materialet böjer sig vid belastning. Syntouch BioTac hade förmågan att skilja mellan olika materialegenskaper och gav jämförbara värden kan dessa värden kvantifieras. Således kan framtida arbeten utföras med statistisk analys.

(26)

7 Slutsatser

•_{BioTac-sensorn kan användas för att differentiera liknande material. Därför kan} instrumentet vara användbart när man undersöker materialegenskaper.

•_{Kontaktvinkel är en pålitlig mätmetod och kan användas för att mäta omslutningen} runt BioTac-fingret vid nedtryckning.

•_{Elasticitetsmodulen och tjockleken av mjukpapper har en stor påverkan på hur} materialet nedböjer sig vid belastning.

(27)

8 Referenser

[1] Örebro universitet. Mechanics and Materials [Internet]. Örebro: Örebro universitet; 2020 [uppdaterad datum 2019-01-16; citerad datum 2020-05-11]. Hämtad från: https://www.oru.se/forskning/forskargrupper/fg/?rdb=g273

[2] SynTouch. The Future of Machine Touch. [Broschyr på internet]. Clifton: Syntouch; 2017 [citerad datum 2020-05-11] Hämtad från:

https://syntouchinc.com/wp-content/uploads/2017/01/BioTac-Brochure.pdf

[3] Holik H, editor. Handbook of Paper and Board, 2 Volume Set. Weinheim: John Wiley & Sons, Incorporated; 2013.

[4] Eriksson D, Korin C, Thuvander F. Damage to Carton Board Packages Subjected to Concentrated Loads. I: Responsible Packaging for A Global Market: Proceedings of the 19th IAPRI World Conference on Packaging [Internet]. Melbourne: Victoria

University; 2014. s. 172–82. Tillgänglig vid:

http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:oru:diva-35700

[5] Eriksson D, Korin C. How Small Is a Point Load?: A Preliminary Study of the Deformation and Failure of Cartons Subjected to Non-Uniform Loads. Packaging technology & science [Internet]. 2017;30(7):309–16. Tillgänglig vid:

http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:oru:diva-56729

[6] Skogs Sverige. Ved och fibern. [Internet]. Stockholm: Skogs Sverige; [uppdaterad datum 2017-02-28; citerad datum 2020-05-12]. Hämtad från:

https://www.skogssverige.se/papper/fakta-om-papper-och-massa/massa-och-papperstillverkning/veden-och-fibern

[7] Skogs Sverige. Mass- och papperstillverkning. [Internet]. Stockholm: SkogsSverige; [uppdaterad datum 2016-10-13; citerad datum 2020-05-12]. Hämtad från:

https://www.skogssverige.se/papper/fakta-om-papper-och-massa/massa-och-papperstillverkning

[8] Alvarez D. Energiteknik. Upplaga 3. Studentlitteratur AB, 2006.

[9] Niskanen, K, redaktör. Mechanics of paper products. Walter de Gruyter, 2012. ISBN: 3 110 254 638, 9 783 110 254 631.

[10] AMETEK. LR5KPlus 5 kN Universal Materials Testing Machine [broschyr]. Sussex: AMETEK; 2009. Hämtad från: http://www.lloyd-instruments.ru/pdf/lr5kplus.pdf [11] D.Y. Kwok, A.W. Neumann, Contact angle measurement and contact angle

interpretation, Advances in Colloid and Interface Science, Volume 81, Issue 3, 1999, Pages 167-249, ISSN 0001-8686, https://doi.org/10.1016/S0001-8686(98)00087-6.

(28)

[12] J.K. Spelt, E.I. Vargha-Butler, Contact angle and liquid surface tension measurements: general procedures and techniques, in: A.W. Neumann, J.K. Spelt ŽEds. Applied Surface Thermody- namics, Marcel Dekker Inc., New York, 1996, pp. 379�411 [13] Iggesund. Stiffness [Internet]. Iggesund: Iggesund paperboard; 2010 [uppdaterad

datum 2020-06-29; citerad datum 2020-08-09]. Hämtad från:

https://www.iggesund.com/globalassets/iggesund/services/knowledge/iam/reference-manual/rm-pdf---en/3.-baseboard-physical-properties/stiffness_en.pdf

[14] Donald R, Wendelin J. The Science and Engineering of Materials. 7 uppl. Studentlitteratur; 2015

[15] C. Fellers, A. de Ruvo, M. Htun, L. Carlsson, and R.r Lundberg. Carton Board: Profitable use of pulps and processes. Swedish Forest Products Research Laboratory (STFI), 1983.

[16] Xia, Q. S. (2002): Mechanics of inelastic deformation and delamination in paperboard, Ph.D. thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA.

[17] Karl Björk. Formler och tabeller för mekanisk konstruktion. 8 uppl. Studentlitteratur; 2017.

[18] Muijs, D. Doing quantitative research in education with spss. 2 ed. London: SAGE Publications Ltd; 2011

[19] Lambi. Lambi Ultra Soft. [Internet]. Hämtad från:

https://www.lambi.com/sv-se/products/product?id=2320&name=lambi-ultra-soft

[20] Serla. Serla Miljöval hushållspapper. [Internet]. Hämtad från:

https://www.serla.se/sv-se/products/product?id=2312&name=serla-miljoeval-household-paper-3pack

[21] Ica. Toalettpapper 8-p miljömärkt Ica Basic. [Internet]. Hämtad från:

https://handla.ica.se/handla/produkt/toalettpapper-8-p-miljomarkt-ica-basic-id_p_7318690079835

[22] Ica. Toalettpapper 6-p miljömärkt Ica. [Internet]. Hämtad från:

(29)

Bilaga B

Bilaga A

2910 2915 2920 2925 2930 2935 2940 2945 2950 2955 2960 2965 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E2) från Syntouch BioTac

E02 Serla E02 Ica Basic E02 Ica Bad&Toa E02 Lambi

2910 2920 2930 2940 2950 2960 2970 2980 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E3) från Syntouch BioTac

(30)

2620 2640 2660 2680 2700 2720 2740 2760 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E4) från Syntouch BioTac

2790 2800 2810 2820 2830 2840 2850 2860 2870 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E5) från Syntouch BioTac

(31)

Elektrod data (E6) från Syntouch BioTac

2420 2430 2440 2450 2460 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E7) från Syntouch BioTac

(32)

Elektrod data (E8) från Syntouch BioTac

Elektrod data (E9) från Syntouch BioTac

(33)

2655 2660 2665 2670 2675 2680 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E10) från Syntouch BioTac

2825 2830 2835 2840 2845 2850 2855 2860 2865 2870 2875 2880 0 1 2 3 4 5 6 Bit sv ärd e ( en he tslö s) Tid (s)

Elektrod data (E18) från Syntouch BioTac

(34)