Dragprovning av plastpåsar av återvunnen plast

återvunnen plast

Tensile Testing of Plastic Bags of Recycled Plastic

Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Avdelningen för konstruktionsmaterial Linköpings universitet Viktor Strand Emil Ödmar LIU-IEI-TEK-G–15/00798–SE Linköping, 2015-06-01

Handledare: Mikael Segersäll, Avdelningen för konstruktions-material, Institutionen för ekonomisk och industriell utveck-ling, Linköpings universitet.

Examinator: Magnus Sethson, Avdelningen för fluida och meka-troniska system, Institutionen för ekonomisk och industriell Utveckling, Linköpings universitet.

Upphovsr¨

att

Detta dokument h˚alls tillg¨angligt p˚a Internet – eller dess framtida ers¨attare – fr˚an publiceringsdatum under f¨oruts¨attning att inga extraordin¨ara omst¨andigheter uppst˚ar.

Tillg˚ang till dokumentet inneb¨ar tillst˚and f¨or var och en att l¨asa, ladda ner, skriva ut enstaka kopior f¨or enskilt bruk och att anv¨anda det of¨or¨andrat f¨or ickekommersiell forskning och f¨or undervisning. ¨Overf¨oring av upphovsr¨atten vid en senare tidpunkt kan inte upph¨ava detta tillst˚and. All annan anv¨andning av dokumentet kr¨aver upphovsmannens medgivande. F¨or att garantera ¨aktheten, s¨akerheten och tillg¨angligheten finns l¨osningar av teknisk och ad-ministrativ art.

Upphovsmannens ideella r¨att innefattar r¨att att bli n¨amnd som upphovs-man i den omfattning som god sed kr¨aver vid anv¨andning av dokumentet p˚a ovan beskrivna s¨att samt skydd mot att dokumentet ¨andras eller presenteras i s˚adan form eller i s˚adant sammanhang som ¨ar kr¨ankande f¨or upphovsman-nens litter¨ara eller konstn¨arliga anseende eller egenart.

F¨or ytterligare information om Link¨oping University Electronic Press se f¨orlagets hemsida: http://www.ep.liu.se/.

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet – or its possi-ble replacement – from the date of publication barring exceptional circum-stances.

The online availability of the document implies permanent permission for anyone to read, to download, or to print out single copies for his/hers own use and to use it unchanged for non-commercial research and educational purpose. Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses of the document are conditional upon the consent of the copy-right owner. The publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity, security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be pro-tected against infringement.

For additional information about the Link¨oping University Electronic Press and its procedures for publication and for assurance of document in-tegrity, please refer to its www home page: http://www.ep.liu.se/.

a varying quality because of the unknown composition of the plastic. This is because it is hard to sort out the materials that are made of unwanted plastic types, or not made of plastic at all.

The results show that there is a big difference between the machining and cross machining direction, particularly regarding the elongation at break. Several different positions on the bags are tested and compared. The center position on the bag is generally weaker than other positions for the plastic shopping bag. The elongation at fracture is on the same level as virgin plastic for both of the tested plastic bags.

The project aims to determine a method for testing variations in the mechanical properties in plastic bags and conduct tests for different positions on the bags. To test the bags, tensile testing was used to compare modulus of elasticity, yield strength, ultimate tensile strength and elongation at fracture.

Sammanfattning

Vid tillverkning av produkter av återvunnen plast får dessa en varierande kvalitet på grund av att kontrollen över returplastens sam-mansättning inte är fullständig. Det är för att det är svårt att sortera ut allt material som består av oönskade plasttyper, eller inte gjorda av plast överhuvudtaget.

Resultatet visar att det är stor skillnad mellan längs maskinrikt-ningen och tvärs maskinriktmaskinrikt-ningen när det gäller framförallt brottför-längning. Centrumpositionen på påsen är generellt svagare än övriga positioner för återvunnen bärkasse. Brottförlängningen är i nivå med den av jungfrulig plast för båda påstyperna som har testats.

Projektet syftar till att bestämma en testmetod för att testa variatio-nen i mekaniska egenskaper hos plastpåsar och sedan testa egenskaperna beroende på position på påsen. För att testa påsarna användes dragprov, där elasticitetsmodulen, sträckgränsen, brottgränsen och brottförläng-ningen jämfördes.

Tack till handledare Mikael Segersäll för ett intressant projekt och god handledning, forskningsingenjör Patrik Härnman för hjälp med dragprov-utrustningen och Miljösäck AB:s VD Mathias Nilsson för studiebesök och testobjekt. Ett tack riktas även till Peter Nordin, som informerade om samt hjälpte till med LA_{TEX i startgroparna.}

Praktisk upplysning till läsaren

Den digitala varianten av detta dokument innehåller hyperlänkar för källhän-visningar, korsreferenser och URL:er. Dessa är som standard inte markerade med någon färg, för att underlätta läsningen. Efter att ha klickat på en hyperlänk kan man komma tillbaka till föregående vy genom att i Ado-be Reader trycka Alt+Vänsterpil. I Förhandsvisning för Mac trycker man Cmd+Shift+Ö.

Omslagsbild

Distrahentes temptare viridi sacculum

Foto: Erika Nilsson. Redigering: Viktor Strand.

1 Inledning 1 1.1 Introduktion . . . 1 1.2 Bakgrund . . . 1 1.3 Miljösäck - Företagsfakta . . . 2 1.4 Syfte . . . 3 1.5 Projektmål . . . 3 1.6 Avgränsningar . . . 3 1.7 Typografiska konventioner . . . 4 1.8 Målgrupp . . . 4 1.9 Planerad arbetsgång . . . 4 1.10 Tidsåtgång . . . 6 1.11 Översikt . . . 8

2 En introduktion till plasternas värld 9 2.1 Klassificering av polymerer . . . 9

2.1.1 Amorf och delkristallin struktur . . . 10

2.1.2 Termoplaster . . . 10 2.1.3 Härdplaster . . . 11 2.1.4 Elaster . . . 12 2.2 Polyeten, PE . . . 13 2.3 Återvunna plaster . . . 15 2.3.1 Statistik . . . 16 2.4 Återvinningsproblem . . . 16 2.4.1 Problemhantering av återvunnen PE . . . 17

2.5 Innehåll i återvunna plaster . . . 18

3 Teori om provning av plasters mekaniska egenskaper 20 3.1 Lastcell . . . 20 3.2 Dragprov . . . 21 3.2.1 Sträckgräns, σs . . . 21 3.2.2 Brottgräns, σb . . . 21 3.2.3 Brottspänning, σ_f . . . 22 3.2.4 Brottförlängning, ε_f . . . 22

3.2.5 Elasticitetsmodulen, E . . . . 23

3.2.6 Sträckgräns med offset, σs,x . . . 23

3.2.7 Dragning av polymerer på mikrostrukturnivå . . . 24

3.2.8 Dragning med anvisningar . . . 24

3.3 Dart Drop . . . 25 3.4 Existerande test . . . 26 4 Framtagning av dragprovsmetod 27 4.1 Friktionskuddar . . . 27 4.1.1 Friktionsmaterial . . . 28 4.2 Framtagning av plastfilmsprover . . . 32

4.2.1 Dimensionering av mall till plastfilmsprover . . . 33

4.2.2 Utskärningspositioner på påsen . . . 35

4.3 Dragprovshastighet . . . 37

4.4 Antal testupprepningar . . . 38

4.5 Installation av extern lastcell . . . 38

4.6 Monteringsprocessen . . . 39

5 Dragprovsmetod 42 5.1 Gripdon . . . 42

5.2 Dimensionering och framtagning av plastfilmsprover . . . 42

5.3 Monteringsprocess av plastfilmer . . . 43 5.4 Antal testupprepningar . . . 43 5.5 Dragprovshastighet . . . 43 5.6 Mätutrustning . . . 43 6 Analys av data 44 7 Hypotes 46 8 Resultat 47 8.1 Återvunnen bärkasse . . . 47

8.1.1 Medelvärde av mekaniska egenskaper för alla påsar av varje utskärningsposition . . . 47

8.1.2 Skillnader i längd- och tvärriktning . . . 51

8.1.3 Största avvikelsen . . . 51

8.1.4 Exempelplott . . . 52

8.2 Gröna påsen . . . 53

8.2.1 Medelvärde av mekaniska egenskaper för alla påsar av varje utskärningsposition . . . 53

8.2.2 Skillnader av mekaniska egenskaper vid olika metoder för längd- och tvärriktning . . . 56

8.2.4 Skillnad mellan hundbensformad och avfasad

infäst-ning respektive rak och ej avfasad infästinfäst-ning . . . 59

9 Diskussion och Slutsatser 61 9.1 Återvunnen bärkasse . . . 61

9.2 Gröna påsen . . . 63

9.3 Översiktliga tankar om båda produkterna . . . 64

9.4 Utvärdering av dragprovsmetoder . . . 65

9.5 Källkritik . . . 66

9.6 Etik och samhälle . . . 66

9.6.1 Källor ur genusperspektiv . . . 67

9.7 Miljö och ekonomi . . . 67

9.8 Slutsatser . . . 68

10 Framtiden 69

Referenser 70

Appendices 73

A CAD-ritning på friktionskudde 74

B Dragprovsdata för återvunnen bärkasse 76

Inledning

1.1

Introduktion

Det här är en kandidatrapport för ett kandidatarbete vid Linköpings uni-versitet, av studenter som studerar tredje året på civilingenjörsprogrammet i maskinteknik. Kandidatarbetet har utförts i en grupp om sex personer, med tre kandidatpar. Varje kandidatpar skriver en egen kandidatrapport. Projektets huvudämne är att i form av dragprov undersöka hållfastheten hos plastkassar tillverkade av återvunnen plast från Miljösäck AB (hädanefter Miljösäck). Mer specifikt undersöker denna kandidatrapport variationer i hållfasthet hos samma påse. Flera påsar för varje påssort undersöks. Utöver detta framtas lämplig dragprovsmetod samt förslag på hur kravsättningen på hållfasthetsegenskaperna på återvunna påsar görs på bästa sätt.

1.2

Bakgrund

När företaget Miljösäck i Norrköping tillverkar plastfilmsprodukter av åter-vunnen plast med viss inblandning av ny plast enligt vissa recept, se Rubrik 2.5, finns en del problem. Det är svårt att veta sammansättningen och kvali-teten på den inkommande återvunna plasten. En följd av detta är att det är svårt att skapa ett recept på plast på ett sådant sätt att de utgående slutprodukterna håller en jämn kvalitet med avseende på hållfasthetsegenska-per. Det kan vara svårt för tillverkaren att uppnå krav från kunderna med produkter som främst baseras på återvunnen plast. Det leder i sin tur till att miljön påverkas negativt eftersom en produkt med större andel nyplast måste användas.

Miljösäck tillverkar bland annat den så kallade Gröna påsen, vilken visas i Figur 1.1. Den används i bland annat Linköpings kommun. Syftet med påsen är att samla in matrester som sedan blir till biogas och biogödsel. Anledningen till att påsen är grön är för att den sorteras ut automatiskt av en maskin som använder färgen för att skilja Gröna påsen från påsar med

vanligt hushållsavfall. [1]

Figur 1.1: Till vänster visas Gröna påsens insamlingskärl, med tillhörande rulle, som finns i de flesta hushåll i Linköping. Till höger visas Gröna påsen med matavfall i. Den klara gröna färgen används för att sortera ut Gröna påsen från övrigt hushållsavfall. Gröna påsen är tillverkad av återvunnen plast och det är en av flera påsar som företaget Miljösäck i Norrköping tillverkar. [2, 1]

1.3

Miljösäck - Företagsfakta

Miljösäck är ett företag i Norrköping med 70 anställda. Företaget omsätter ungefär 105 miljoner kr per år och de tillverkar årligen fler än 120 miljoner plastsäckar. Miljösäck tar endast emot plast från Sverige för att minska miljöpåverkan från transporter.

Varje år används 800 000 ton plast i Sverige och av dessa tar Miljösäck emot cirka 10 000 ton. Av dessa återvinns ungefär 8 000 ton till ny plastråvara. Ca 81 % av den nya plastråvaran blir till nya plastfilmsprodukter som till exempel sopsäckar och påsar. De övriga 19 % säljs som regranulat, vilket är korn av återvunnen plast, till andra plastproducenter. Detta eftersom produktionen är större än efterfrågan. Figur 1.2 visar regranulatet i produk-tionslinan. Denna återvinningsprocess av kretsloppsråvara leder till 16 000 ton mindre koldioxid i atmosfären samt 8 000 000 liter minskad förbrukning av råolja varje år.

Marknaden för Miljösäck är Sverige, Norge, Danmark och Finland. Inom dessa länder har de bland annat kunder inom kommuner, renhållningsföretag, industrier, livsmedelshandel och detaljistkedjor.

Den metod som Miljösäck använder för att testa hållfasthetsegenskaperna på sina påsar är Dart Drop, vilken beskrivs djupare under Rubrik 3.3. Utöver detta dras ibland en påse sönder för hand, i syfte att få en grov uppfattning av hållfastheten. [1]

Figur 1.2: Visar regranulatet i produktionslinan hos Miljösäck samt hur regranulatet ser ut. All den återvunna plasten blir till regranulat och 19 % av allt regranulat säljer Miljösäck till andra plastproducenter. [2, 1]

1.4

Syfte

Projektet syftar till att ge erfarenhet av att genomföra ett större projekt. En del av de kunskaper som erhållits hittills från civilingenjörsutbildningen ska kunna tillämpas. Dessutom syftar projektet i sig till att uppfylla projektmålen.

1.5

Projektmål

Målen för projektet som beskrivs i denna kandidatrapport presenteras nedan: • Ta fram en testmetod för att att undersöka egenskaperna hos

plast-filmsprodukter.

• Utföra tester som avser att avslöja eventuella variationer i egenskaper inom en och samma påse.

• Utvärdera de existerande krav som ställs på Gröna påsen och ta fram förslag på förbättringar av dessa krav.

1.6

Avgränsningar

Tester inom kemi avhandlas inte i projektet. Istället genomförs arbetet inom områdena konstruktionsmaterial och hållfasthetslära, inom vilka områden tester utförs i form av dragprov. Inverkan av hur påsens geometri påverkar hållfasthetsegenskaperna studeras inte.

Denna rapport behandlar ej produktionsfaktorer eftersom de övriga kandidatparen studerar detta område. Tester som genomförs i denna rapport berör endast variationer inom en påse.

1.7

Typografiska konventioner

Allmänna förkortningar används inte. Däremot används fackförkortningar samt så förkortas måttenheter. Passiv form används.

Vad gäller källor så är dessa markerade med siffror inom hakparenteser. Då hakparentesen befinner sig innan punkten innebär detta att referensen endast gäller den meningen. Om hakparentesen är efter punkten gäller källan all text sedan den förra referensen som var efter punkten. Då samma källa används för flera efterföljande rubriker, avslutas innehållet under varje rubrik med samma siffra inom hakparentesen. Detta förhållningssätt försäkrar att en källa finns nära den text som källan använts till. Därför är det enkelt att se vilken källa viss information kommer ifrån. Tryckta källor anges med hänvisning till viss sida, eller intervall av sidor.

Figur- och tabelltexter är ofta till viss del redundanta med den vanliga texten. Det är ett medvetet val med syftet att läsaren skall kunna förstå det viktigaste av figurer och tabeller, utan att behöva sätta sig in i den vanliga tex-ten. Det är fördelaktigt ifall en läsare översiktsläser rapportex-ten. Korsreferenser till figurer, tabeller, ekvationer och rubriker skrivs med versaler.

1.8

Målgrupp

Läsaren förutsätts ha vissa grundläggande kunskaper inom konstruktions-material, hållfasthetslära och i viss mån kemi. Därför är rapporten lämplig till ingenjörsstudenter, men också andra som besitter minst samma mängd förkunskaper.

1.9

Planerad arbetsgång

Nedan redovisas den planerade arbetsgången i ett tidigt stadium. Rapport-skrivningen är inget separat steg, utan den genomsyrar hela arbetsgången, från start till slut. Figur 1.3 redovisar arbetsgången schematiskt. I punktlistan redovisas endast de arbetsmoment som är unika för denna kandidatrapport. Figur 1.3 innehåller däremot deadlines som är gemensamma för hela gruppen. 1. Ta fram koncept till gripdon. Detta görs i diskussion med övriga kan-didatpar i gruppen, med handledare Mikael Segersäll samt med Patrik Härnman, som har stor erfarenhet av de tillgängliga dragprovsmaski-nerna på Linköpings universitet. Parallellt med detta förs en dialog med verkstaden i syfte att ta reda på deras arbetsbelastning, vilket

Koncept gripdon

Realisera koncept gripdon

Dimensionera

plastfilmsprover _{Utvärdera och} besluta om

slutgiltig dragprovsmetod

Hypotes Tester Sammanställ _resultat Utvärdera _{koncept presentation}Förbered Beställ påsar Litteraturstudier Rapportskrivning, kandidatrapport Rapportskrivning, projektrapport Ta fram metod för framtagning av plastfilmsprover Reflektions-dokument Oppositions-rapport Halvtidsrapport Planerad Arbetsgång

Figur 1.3: Visar hur arbetsgången planerats i början av projektet. Arbets-gången fortlöper från vänster till höger. Varje färg representerar en nivå. Ju fler nivåer vid en given tid, desto fler arbetsmoment fortgår parallellt med varandra. [3]

begränsar antalet möjliga koncept som kan tas fram. I detta steg ingår framtagning av det friktionsmaterial som ska hålla fast plastfilmspro-verna.

2. Parallellt med första steget genomförs beställningar från Miljösäck i Norrköping på de plastpåsar som dragprovning ska utföras på. Beställ-ningen innehåller en rulle av följande påsar:

• Gröna påsen.

• Återvunnen bärkasse. • Återvunnen sopsäck.

• Två påsar som Miljösäck själva får välja, vilka undersöks i mån av tid.

3. Realisera ett eller flera koncept på gripdonet. För att göra detta krävs CAD-ritningar på önskade delar till gripdonet. Ritningarna lämnas sedan in till verkstaden så snabbt som möjligt. Detta följs av en väntetid

på några veckor. Valen av friktionsmaterial förs vidare till handledare Mikael Segersäll, som genomför beställning på dessa.

4. Dimensionera plastfilmsproverna som dragprover utförs på. Dessutom tas det fram en metod för att skära ut plastfilmsproverna.

5. Utföra litteraturstudier parallellt med de ovan nämnda stegen. De områden som studeras är bland annat allmän information om plas-ter, polyeten och ASTM D882-standarden (den standard som tidigare använts för dragprovning på tunna plastfilmer). Detta innefattar in-formationssökning på till exempel internet, Linköpings stadsbibliotek samt Linköpings universitetsbibliotek.

6. Utvärdera flera olika koncept på hur dragproven kan utföras. Detta innefattar bland annat friktionsmaterialet på gripdonet, dimensionering av plastfilmsprovet och draghastighet. Den bästa metoden väljs ut och används på de tester som alla kandidatpar i gruppen ska utföra. 7. Formulera en hypotes. Vilka resultat förväntas och varför?

8. Genomföra dragprov på plastpåsarna. En plastpåse undersöks på flera olika ställen. Till exempel kan alla fyra hörn och mitten undersökas för en påse. Detta får justeras beroende på påsens och plastfilmsprovets dimensioner. Dessutom undersöks längd- respektive tvärriktningen för varje position. Definitionen av längd- respektive tvärriktningen framgår av Figur 4.8. Detta test genomförs för så många påsar som krävs för att ge ett tillfredsställande resultat. Processen upprepas sedan på ett rimligt antal plastpåssorter. Maximalt testas fem stycken påssorter. 9. Analysera data och formulera resultatet av testerna.

10. Utvärdera de existerande kundkrav som ställts på Gröna påsen. Hur kan nya och rimligare krav sättas på dels Gröna påsen, men även på andra påsar av återvunnen plast?

1.10

Tidsåtgång

Sedan projektets start har dagbok förts. I dagboken står dag, en beskrivning av vad som gjordes samt uppskattad arbetstid. Med denna som underlag har ett tårtdiagram tagits fram, se Figur 1.4. I tårtdiagrammet ingår inte sche-malagd tid som till exempel föreläsningar. I punktlistan nedan kommenteras varje bit i Figur 1.4.

• Uppstartsdelen har innefattat framtagningen av gruppkontraktet och projektplanen. Här har även själva projektet definierats.

• Eftersom ingen hade tidigare erfarenhet av att skriva i LA_{TEX eller att}

jobba med Subversion, var det en stor tröskel att komma igång med detta.

• Framtagningen av metoden innefattade mycket diskussioner med övriga gruppmedlemmar, handledaren och verkstadspersonal. Lite av tiden lades på att göra en CAD-ritning.

• Två studiebesök gjordes hos Miljösäck i Norrköping, vilket krävde förberedelser i form av att sätta sig in i information samt att skriva ned frågor.

• Utskärning av prover tog längre tid än väntat eftersom proverna be-hövde skäras ut en andra gång.

• Även dragprovningen tog längre tid än väntat eftersom provningen inte gick som det var tänkt från början.

• En stor anledning till den extra tidsåtgången vid analysering av datan var att det insågs att en viss parameter räknats ut på ett olämpligt sätt. Därför behövde den beräknas om med en ny algoritm. Dataanalysen genomfördes i Excel.

• Den allra största delen av posten ”Rapportskrivning” var att skri-va denna kandidatrapport. I Figur 1.4 innefattar ”Rapportskrivning” även framtagningen av redovisningen samt projektrapporten för hela gruppen.

• Till sist tog kompletteringen av kandidatrapporten och projektrappor-ten samt framtagningen av reflektionsdokumentet den tid som fanns tillgänglig, det vill säga två normala arbetsveckor. Totalt har projektet gjort anspråk på cirka 470 timmar. Det är i linje med vad som för-väntas, med tanke på antalet högskolepoäng kursen ger, nämligen 18 högskolepoäng.

Figur 1.4: Visar en uppskattad tidsåtgång baserad på en dagbok som förts sedan projektets start. Den störta delen av projektet har varit ”Rapportskriv-ning”. Vissa färger är med flera gånger. Därför är listan till höger i samma ordning uppifrån och ned som när man går medurs från biten ”Uppstart”. Total nedlagd tid är cirka 470 timmar. [3]

1.11

Översikt

Kapitel 2 och 3 syftar till att ge en teoretisk bakgrund till området i fråga. I dessa kapitel kommer mer eller mindre all information från externa informa-tionskällor som till exempel böcker och internet. Området för Kapitel 2 är plaster och för Kapitel 3 olika metoder för hur de mekaniska egenskaperna hos plaster kan utvärderas.

Kapitel 4 går grundligt igenom hela processen för hur framtagningen av dragprovsmetoden som användes för att utvärdera de mekaniska egenska-perna hos plastfilmerna togs fram. I Kapitel 5 presenteras kortfattat den metod som togs fram i Kapitel 4. Det enda som står är det som krävs för att själv kunna genomföra metoden. Kapitel 6 beskriver hur den data som ficks av testerna analyserades. Gemensamt för alla dessa tre kapitel är att de beskriver genomförandet och metoden.

De återstående Kapitlen fokuserar på vad resultatet av arbetet blev. Ka-pitel 7, KaKa-pitel 8 samt KaKa-pitel 9 innehåller hypotes, resultat samt diskussion och slutsatser.

Avslutningsvis finns Kapitel 10, vilket diskuterar hur arbetet kan vidare-utvecklas. Efter detta finns referenslista och bilagor.

En introduktion till

plasternas värld

Plaster består av en eller flera polymerer respektive tillsatsämnen. I de flesta fall består polymererna av kolföreningar, men det förekommer även polymerer som består av kiselföreningar. Denna rapport avser att behandla plaster där polymererna består av organiska ämnen, det vill säga kolföreningar. [4]

2.1

Klassificering av polymerer

Den minsta beståndsdelen i en polymer är en monomer. Genom att mono-meren repeteras ett stort antal gånger uppnås väldigt långa molekylkedjor, vilket kallas polymerer. [5] Mer specifikt kallas det homopolymerer, under förutsättning att det är samma monomer som upprepas. Om polymerkedjan istället består av flera olika sorters monomerer, kallas den istället för sam-polymer eller cosam-polymer. [6, sid. 17] Processen där monomerer (bestående av en enhet) eller oligomerer (bestående av flera enheter) sammanfogas till polymerer kallas för polymerisation. Dessa polymerer är således långa ked-jor, vilka kan vara antingen linjära ogrenade eller linjära grenade. Linjära ogrenade polymerer är spaghettiformade, vilket kan ses i vänstra delen av Figur 2.1, medan linjära grenade kedjor har sekundära förgreningar av kor-tare polymerkedjor, vilket kan ses i högra delen Figur 2.1. Det finns även polymerer som är ordnade i nätverk [7, sid. 2]. Att kategorisera plaster efter huruvida de är linjärt grenade eller linjärt ogrenade är ett av många sätt. Ett vanligare sätt är att dela upp de efter mekaniska och termiska egenskaper. Då fås de tre stora grupperna:

• Termoplaster • Härdplaster

Dessa tre grupper beskrivs under Rubrik 2.1.2-2.1.4 [8, sid. 601-603]

Figur 2.1: Visar linjära ogrenade polymerkedjor till vänster och linjära grenade polymerkedjor till höger. [3], [8, sid. 603]

2.1.1 Amorf och delkristallin struktur

Ytterligare ett sätt att dela upp plaster är genom att studera deras struktur. Om strukturen är helt oordnad kallas den amorf. Andra polymerer har en viss form av regelbundenhet i sin struktur, vilket gör den delkristallin. Inga plaster uppnår 100 % kristallinitet. Det finns alltid en viss procentsats som är amorf. En principiell skiss på dessa två varianter visas i Figur 2.2. Dessa strukturer är inte unika för polymerer. Till exempel har glas amorf struktur medan metaller har en mer kristallin struktur.

Precis som glas så mjuknar amorfa polymerer vid uppvärmning. De har ingen smältpunkt, till skillnad från delkristallina polymerer. Istället har amorfa polymerer en glasomvandlingstemperatur. Under glasomvandlings-temperaturen är plasten spröd. Detta beror på att polymerkedjorna är låsta. Över glasomvandlingstemperaturen är plasten istället duktil. Anledningen till detta är att polymerkedjorna istället är lättrörliga. [6, sid. 19-20] Figur 2.3 visar hur olika plaster har olika funktionella grupper, som har en direkt inverkan på glasomvandlingstemperaturen. Ju mer komplex och ju större den funktionella gruppen är, desto högre blir glasomvandlingstemperaturen. Detta eftersom en större funktionell grupp generellt sett minskar rörligheten hos molekylkedjorna. Ur Figur 2.3 inses därför till exempel att polystyren har högre glasomvandlingstemperatur än polyeten. [9]

2.1.2 Termoplaster

Termoplasters struktur kan vara antingen amorf eller delkristallin. Dess polymerkedjor kan vara antingen grenade eller ogrenade. Mellan polymerked-jornas atomer råder det svaga van der Waals-bindningar. Dessa polymerkedjor

Figur 2.2: Till vänster visas en principiell skiss på hur en amorf struktur kan se ut. Den amorfa strukturen saknar ordning. Till höger visas en delkristallin struktur, där en relativt stor regelbundenhet i form av ordnade lameller kan ses. Notera att en del av strukturen fortfarande är amorf. Detta eftersom en struktur aldrig blir 100 % kristallin. [3], [6, sid. 19-20]

kan dras isär från varandra genom dragning. [8, sid. 602-604]

Vad gäller egenskaper är variationen stor mellan materialgrupperna. Vissa termoplaster kan uppvisa god hårdhet och styvhet, medan andra är mjuka och elastiska. [10] Polymerer med längre och fler grenade inslag har lägre smälttemperatur, sträckgräns och styvhet, men högre slagseghet. Det beror på att de grenade polymererna inte är lika tätpackade. [11, sid. 196] I och med att termoplaster endast har svaga van der Waals-bindningar mellan sina polymerkedjor brukar de vanligtvis mjukna och smältas vid upphettning. Detta gör dem lätta att forma vid tillverkning. En annan följd av de svaga bindningarna är att termoplaster är lätta att återvinna. [8, sid. 602-604]

2.1.3 Härdplaster

Till skillnad från termoplaster har härdplaster förnätningar mellan polymer-kedjorna i form av starka kovalenta bindningar, se Figur 2.4. Man kan se förnätningarna mellan polymerkedjorna som att flera snören (polymerkedjor) är hopknutna med en irreversibel knut (förnätning). Om samma liknelse appliceras på termoplaster, så är snörena istället bara hoptrasslade. Till exempel blir hörlurar ofta hoptrasslade, men om tid läggs ned (värme i fallet termoplaster) så är det ofta inte svårt att trassla ut sladden. Vidare så är härdplasternas förnätningar ofta permanenta, vilket leder till att de vid upp-hettning inte smälter, utan istället sönderdelas. [8, sid 602-604] Härdplaster är därför generellt sett svåra att bearbeta och återvinna. Härdplaster mjuk-nar inte vid temperaturer över sin glasomvandlingstemperatur, till skillnad

C

C

H

H

H

X

Monomer

Polypropen

Polyvinylklorid

Polystyren

C

C

H

H

H

Polymer

Polyeten

X

(

)

X

kan vara:

H

CH

Cl

Figur 2.3: Visar hur en monomer blir till en polymer via processen polymeri-sation. ’=’-tecknet hos monomeren betecknar dubbelbindning. Dessutom visas hur varianter av den funktionella gruppen (X i figuren) ger upphov till olika sorters termoplaster. Bilden på polymeren upprepas n antal gånger, vilket ger polymerkedjor. Polystyren har en så kallad bensenring som funktionell grupp,

vilken har den kemiska formeln C6H6. Vid varje hörn i hexagonalen sitter

innerst en kolatom. Varje kolatom binder en väteatom. [3], [11, sid. 196]

från termoplaster [12]. En annan skillnad är att härdplaster generellt sett uppvisar större styrka, men även större sprödhet, än termoplaster. [8, sid 602-604]

Förnätningar

Figur 2.4: Visar härdplasters karaktäristiska förnätningar, vilka ger stora skillnader i egenskaper jämfört med termoplaster. I detta exempel är härd-plasten ogrenad. [3], [8, sid 603]

2.1.4 Elaster

Elaster (även kända som elastomerer) benämns ofta i folkmun som gummi. Karaktäristiskt för dessa polymerer är att de uppvisar en elastisk defor-mation över 200 %. Brottförlängningen kan vara upp till cirka 2000 %. Generellt sett uppnås denna egenskap tack vare den förnätade strukturen, som är vanlig hos härdplaster. Det finns dock även elaster utan förnätningar, till exempel termoelaster (eller termoplastiska elastomerer). Sampolymeren

styren-butadien är ett exempel på denna typ av elaster. Den består av enkla (icke förnätade) butadienkedjor. Dessa kedjor binds ihop av hårda, sfäriska styrenområden, se Figur 2.5. Styrenets hårdhet är en följd av styrenets höga glasomvandlingstemperatur. [8, sid. 630-635]

Figur 2.5: Visar ett exempel på termoelasten styren-butadien. Den har inga förnätningar i sin struktur, som elaster och härdplaster ofta har. Istället har denna polymer styrenområden i slutet på butadienkedjorna. Styrenområdenas höga glasomvandlingstemperatur gör dem starka, vilket i sin tur gör att de kan hålla fast butadienkedjorna. [3], [8, sid. 635]

2.2

Polyeten, PE

Polyeten tillhör gruppen termoplaster och det är den polymer som Miljösäck till största delen använder i sina sopsäckar. Därför är polyeten mycket relevant i denna rapport. [1]

Som Figur 2.3 visar, så har polyeten en mycket enkel och regelbunden struktur, med endast en väteatom som funktionell grupp. Det är därför inte förvånande att polyeten kan uppnå kristallinitet över 90 % (90 % kristallin, 10 % amorf). Det innebär att polyeten kan vara kristallin, men även delkristallin. [10, sid. 32] Dock kan vissa typer av polyeten vara helt amorfa [13]. Kristallina områden har högre brytningsindex än amorfa områden, vilket gör att ljuset bryts när det passerar de olika lagren. Detta förklarar varför bärkassar vanligtvis ej är transparenta. [14, sid. 15]. På grund av den simpla funktionella gruppen är glasomvandlingstemperaturen som sagt låg, nämligen -120 ◦C [10, sid. 32].

Figur 2.3 visar hur bland annat eten (monomer) blir till polyeten (po-lymer) genom polymerisation (då X representerar en väteatom, H). Vid tillverkningsprocessen av polyeten genomförs alltså denna polymerisationsre-aktion. Genom att vid tillverkningsprocessen styra parametrar som bland

annat tryck och temperatur, fås olika polymerkedjor med varierande densitet och antal sidogrenar. Dessa skillnader ger olika egenskaper. [15, sid. 123] Därför delas dessa olika varianter av polyeten upp i olika grupper:

• UHMWPE - Ultrahög molekylvikt (Ultra High Molecular Weight) • HDPE - Hög densitet (High Density)

• MDPE - Medeldensitet (Medium Density)

• LLDPE - Linjär låg densitet (Linear Low Density) • LDPE - Låg densitet (Low density)

• PEX - Tvärbunden/förnätad (Cross-Linked) [6, sid. 21]

LDPE och LLDPE är vad Miljösäck använder i sina påsar [1]. Nedan beskrivs LDPE och LLDPE närmare. För bättre grundförståelse görs även jämförelser med HDPE.

LDPE, som innehåller cirka 1-3 korta respektive 10-30 långa förgre-ningskedjor (se Figur 2.6), uppvisar låg brottgräns (se Tabell 2.1) och hög elasticitetsmodul. Till följd av LDPEs förgrenade kedja begränsas kristallisa-tionsmöjligheten, vilket i sin tur ger en låg densitet [10, sid. 32]. [16] LDPE har en amorf struktur [13].

HDPE LLDPE LDPE

Figur 2.6: Visar hur strukturen för de tre polyetengupperna LDPE, LLDPE samt HDPE kan se ut. Lägg märke till antal korta förgreningar, antal långa förgreningar och hur linjär kedjorna är. [3], [6, sid. 21]

LLDPE har generellt sett en stor variation vad gäller antal korta sidogre-nar (se Figur 2.6). Detta gör att egenskaperna för LLDPE varierar mycket. I stora drag kan det ändå ses att LLDPE har hög sträckgräns (se Tabell 2.1). [16] Eftersom LLDPE har många och korta grenar så kan kedjorna glida mot varandra vid utdragning utan att bli hoptrasslade som LDPE [17].

HDPE har mer linjära kedjor jämfört de övriga typerna. De innehåller få (ibland inga) förgreningar (se Figur 2.6). Detta gör att HDPE är mest kristallin, då den kan packas tätt. Det förklarar också dess höga densitet. HDPE har hög elasticitetsmodul och brottgränsen är medium (se Tabell 2.1). [16]

Det finns ett kundkrav på Gröna påsen. Miljösäck har i stort sett inga svårigheter att klara av dessa. Dock finns det ett krav som de är långt ifrån att uppfylla, nämligen sträckgränsen på 25 MPa [18]. Tabell 2.1 antyder att kravet är rent av omöjligt att nå, om inte blandningen av LDPE och LLDPE ger en synergieffekt vad gäller sträckgränsen. Detta diskuteras mer under Rubrik 9.4.

Tabell 2.1: Visar olika egenskaper för polyetengrupperna LDPE (lågdensitets-polyeten), LLDPE (linjär lågdensitetspolyeten) och HDPE (högdensitetspoly-eten). För vissa av siffrorna har ett medelvärde för olika mätfall räknats ut. Notera att siffervärden varierar kraftigt för olika mätningar och mätmetoder. Därför har flera värden från olika källor tagits med för brott- och sträckgräns, där värden inom parentes är från en och samma källa. I Miljösäcks fall, där plasten är återvunnen, blir variationerna ännu grövre, vilket är en stor del av problematiken. Tabellens syfte är därför att endast ge en grov bild över hur de olika polyetengrupperna skiljer sig åt. [22]

Egenskaper LDPE LLDPE HDPE

Sträckgräns [MPa] (8-12 [19]) 12,4 (8-20 [20]) 24,8 (20-32 [21]) Brottgräns [MPa] 10-17 20 20-35 Brottförlängning [%] 200-5001 200-600 300-1000 Elasticitetsmodul [MPa] 130-300 260-525 500-1100 Antal förgreningar per 1000 kolatomer [%] 20-30 Endast korta förgreningar <7

Max Anv. Temp. [◦C] 50 50 55

Glasomvandlingstemp. [◦C] -110 -110 -110

Smältpunkt [◦C] 105-120 105-120/220-2602 120-130

Densitet [kg/m3] 917-940 915-950 950

2.3

Återvunna plaster

Att materialåtervinna innebär generellt en minskad miljöpåverkan jämfört med att förbränna avfall [23]. Eftersom det är en positiv miljöinsats att återvinna plast, har det på senare år blivit allt mer vanligt att företag ställer

1

Värdet utgör förlängningen vid sträckgränsen 2_{Smältpunkten beror på förgreningarna.}

krav på återvunnet innehåll i de produkter de köper in, alternativt att de är tillverkade av förnyelsebara råvaror. Bland annat Ikea har som målsättning att till år 2020 ersätta plaster av fossil råvara med antingen förnybar eller återvunnen plast [24].

Problemet med återvunnen plast är att den ofta är kontaminerad med diverse orenheter som till exempel metaller och papper. Man kan definitivt inte vara säker på sammansättningen av returplasten. Det gör det svårt att uppnå jämn kvalitet på produkter som består av den typen av returplast. Det blir betydligt enklare om plastrester från industrin istället används, eftersom man kan vara säker på vad den innehåller. Dock blir miljövinsten såklart bättre om den mindre fina plasten kan tas till vara på genom att använda den till en viss produkt.

2.3.1 Statistik

Som framgår av Tabell 2.2, var materialåtervinningsgraden av plast i Sverige år 2013 36,7 %. Återvinningsgraden fås genom att dela mängden återvunnen plast med mängden som nått konsumenterna. I Sverige materialåtervinns en betydligt mindre andel plast än andra materialgrupper som samlas in. Mellan år 2004 och 2013 ökade materialåtervinningsgraden av plast i Sverige med 84 %. [25]

Tabell 2.2: Statistik över andelen materialåtervunnet material i Sverige för år 2004 och 2013. [25] Material 2004 [%] 2013 [%] Glas 96,0 89,0 Kartong 74,2 77,2 Metall 66,0 73,1 Plast 19,9 36,7

2.4

Återvinningsproblem

Det stora problemet vid hanteringen av kretsloppsråvara är som tidigare beskrivits felsorteringar, men även laminat. Laminerade produkter består av olika lager med olika plastsorter. Många livsmedelsförpackningar är lamine-rade eftersom man vill ha ett livsmedelsgodkänt material närmast maten. Ytterst önskas istället ha ett material som lämpar sig att trycka grafik på.

Felsorteringar ger upphov till att Miljösäck får material som inte går att använda. För att bli av med det måste de betala. Dessutom är det svårt att sortera ut allt det oanvändbara materialet. Detta gör att osmälta partiklar kommer med i sopsäcken, se Figur 2.7. De osmälta partiklarna är

en av de största faktorerna som försämrar egenskaperna hos de återvunna plastpåsarna. Därför kommer det undersökas hur kraftigt dessa partiklar påverkar egenskaperna. Orsaken till felsorteringar är inte bara att kunden är slarvig vid sortering. Det beror också på att företag som tillverkar produkter ibland skriver källsorteringsinstruktioner som visserligen är tillåtna men minkar kvaliteten i återvinningsprocessen. [1]

Figur 2.7: Visar de osmälta partiklar som uppstår i Gröna påsen på grund av felsorteringar och laminat. De osmälta partiklarna syns som en lite mörkare nyans än övriga delen av plastfilmen. Det kan även ses hur dessa osmälta partiklar ger upphov till kraftigt försvagade områden. Där är plastfilmens nyans extra ljus. [2]

2.4.1 Problemhantering av återvunnen PE

Som tidigare nämnts är det svårt att hålla en jämn kvalitet för Miljösäck på grund av den återvunna polyetenplasten. Förutom felsorteringar så är det svårt att veta sammansättningen av LDPE respektive LLDPE, och med en produktionstakt på flera ton i timmen blir det inte lättare. Till skillnad från ett företag som har nyplast som råvara, så måste Miljösäck ständigt justera hur mycket nyråvara av LDPE respektive LLDPE som måste läggas till i produktionen, för att balansera ojämnheter i sammansättningen hos råvaran. Det finns ett flertal faktorer som hjälper Miljösäck att avgöra andelen av LDPE respektive LLDPE i den blandning som genomgår produktionen:

• Varje leverantör har ofta liknande sammansättning i sina plastavfall. Dock skiljer sig givetvis sammansättningen mellan olika leverantörer.

• Observering av andelen sträckfilm, som består av LLDPE. Sträckfilm används exempelvis till att linda in gods som fraktas på pall.

• Skillnaden i viskositet ger synbara skillnader i produktionen. LLDPE har lägre viskositet, vilket gör att ”bubblan” i uppblåsningen blir mindre viskös och därmed instabil. Detta drar ner takten i produktionslinan. Uppblåsningsprocessen visas i Figur 2.8.

Figur 2.8: Visar uppblåsningen av vit plastfilm, vilket utgör ett steg i Mil-jösäcks produktionslina. Blåsan på bilden är ihålig. Längst ned är plasten flytande. På vägen upp mot taket stelnar plasten, vilket gör att ett kontinu-erligt ”rör” av plastfilm fås. [26, 1]

Förutom att tillsätta mer nyråvara av LDPE eller LLDPE så ställs det dagligen om i produktionen. Till exempel ändras produktionshastigheten. Om andelen LLDPE är stor, sänks hastigheten. [1]

2.5

Innehåll i återvunna plaster

Miljösäck använder sig utav följande huvudbeståndsdelar i sina produkter [1]:

• Masterbatch • Nyråvara

Främst består Miljösäcks produkter av regranulat som kommer från deras egen återvinningslina. Den testade Gröna påsen består till 73,5 % av återvunnet regranulat.

Så kallad masterbatch används för att färga plasten eller ge andra önsk-värda egenskaper. Vit masterbatch består av polyeten, kalciumkarbonat (kallas även krita) och titandioxid. Den svarta masterbatchen består istället för titandioxid av sot. Kalciumkarbonat ingår även i så kallad antiblock, som är till för att göra slutprodukten mindre klibbig. Det är även billigare än polyeten. Slip-masterbatch används för att minska friktionen mellan plasten, så att den blir lättare att hantera. Gröna påsen i testet består av 1,5 % slip-masterbatch, 5 % ljusgrön masterbatch och 5 % antiblock-masterbatch. Resterande andel består av nyråvara. I den testade Gröna påsen är nyråvaran LLDPE och den utgör 15 % av sammansättningen. [1]

Teori om provning av

plasters mekaniska

egenskaper

3.1

Lastcell

Den valda dragprovsmaskinen Instron 5582 opererar mellan laster på 2 N till 100 kN [27]. Även om det inte krävdes en kraft som var lägre än 2 N för att genomföra dragprov på påsarna, skulle detta ge en dålig noggrannhet. Därför monterades lastcellen MTS Force Transducer model 661.11A-02, som har en maximal kapacitet på 450 N, vilket var den lastcell med lägsta kapaciteten som fanns tillgänglig på Linköpings universitet. Denna lastcell antas vara av god kvalitet, då den bland annat har hög axiell styvhet samt är gjord av samma högkvalitativa material som används bland militära flygplan. Materialet genomgår en speciell värmebehandling vilket säkerställer enhetlig hårdhet samt minimerar mätbrus. Den enda egenskapen hos lastcellen som kan visa sig vara problematisk är dess relativt höga maxkapacitet på 450 N. Kraften som krävs för att dra en godtycklig plastfilm är cirka 20 N. Om man begränsar sig till MTS sortiment hade model 661.09B-21, som har en maxkapacitet på 100 N, varit mer lämplig. [28]. Dock hittades ingen undre rekommenderad lastgräns för model 661.11A-02, vilket gör att det kan antas att man borde få relativt goda mätningar med 661.11A-02, även om det givetvis borde blivit något bättre med till exempel 661.09B-21. Andra MTS Force Transducers av model 661 som klarar upp till 5000 kN, klarar även av att mäta krafter ner till 250 N. Om detta vore helt analogt för andra modeller skulle 611.11A-02 klara av att mäta noggrant ända ned till cirka 2 N. [29] Dessutom är det övre gripdonet relativt kraftigt vilket gör att dess vikt ligger på ett par kilogram. Detta bör öka noggrannheten hos lastcellen.

3.2

Dragprov

Vid dragprovning av plast, eller andra material, fås primärt två värden ut i form av spänning och töjning. Spänningen utgör den pålagda lasten F dividerat med plastfilmens tvärsnittsarean A, se Ekvation 3.1. Det finns två sätt att definiera tvärsnittsarean. Det mest korrekta sättet är att räkna med den aktuella tvärsnittsarean under hela dragprovet, vilket kallas sanna spänning. Detta är relativt svårt att genomföra i praktiken och därför är det vanligt att man hela tiden räknar ut spänningen från ursprungsarean (så kallad ingenjörsspänning), vilken är den definition som används i detta

projekt.

σ = F

A (3.1)

Töjningen utgör skillnaden mellan aktuell längd l och ursprunglig längd

l0, dividerat med ursprungliga längden l0, se Ekvation 3.2. Vid dragning av

ett hundbensformat plastfilmsprov räknas ursprungslängden l0som den längd

där provstaven är som smalast och där bredden är homogen. Vid dragning ev ett rakt plastfilmsprov räknas ursprungslängden l₀ som den inspända längden.

ε = l − l0

l0

(3.2) Dessa två parametrar plottas i en graf, vilken kallas för dragprovskurva. Exempel på en idealiserad dragprovskurva visas i Figur 3.1. Ur dragprovskur-van fås intressanta parametrar som sträckgräns, brottgräns, brottspänning, brottförlängning och elasticitetsmodul ut. [30]

3.2.1 Sträckgräns, σs

Sträckgränsen är den spänning då plasten övergår från att deformeras elastiskt till att deformeras plastiskt. Då plasten deformeras elastiskt återgår den till sitt ursprungsläge då lasten upphör. Vid plastisk deformation återgår inte plasten till sitt ursprungsläge då lasten upphör. [30] Anledningen till detta är att molekylkedjorna har dragits ut så pass mycket att de tappat sin elasticitet. Detta läge där plasten börjar deformeras plastiskt kallas för flytgräns. [31] I en dragprovskurva uppkommer sträckgränsen vid det område då kurvan går från att vara linjär till icke-linjär. I verkligheten är denna övergång sällan tydlig. [30]

3.2.2 Brottgräns, σb

Brottgränsen anger den maximala spänningen som plastfilmen tar upp. Efter brottgränsen är plastfilmen fortfarande hel, men om lasten fortsätter att

Töjning, ɛ

Spänning, σ

ɛ

σ

E= Δσ

_Δɛ

σ

σ

Figur 3.1: Visar exempel på en relativt ideal dragprovskurva. En verklig dragprovskurva har bland annat mer mätstörningar samt inte en lika tydlig

övergång mellan linjär och icke-linjär del. I kurvan pekas sträckgränsen σs,

brottgränsen σ_b, brottspänningen σ_f, brottförlängningen ε_f samt

elasticitets-modulen E ut. [3, 30]

verka kommer plastfilmen tillslut att uppnå brott. Lasten kommer successivt att minska tills dess att brott uppnås. [30]

Vad som oftast sker vid brottgränsen är att ett område på plastfilmen deformeras mer än den övriga delen av materialet. Detta innebär att tvär-snittsarean minskas kraftigt för detta område. En direkt följd av detta är att den pålagda kraften minskas eftersom det krävs mindre kraft att dra ett material ju tunnare dess tvärsnittsarea är. Eftersom spänningen beräknas från ursprungsarean så kommer spänningen alltså att minska. [8, sid. 209]

3.2.3 Brottspänning, σf

Brottspänningen är den pålagda spänningen vid brott. [30]

3.2.4 Brottförlängning, εf

Det finns olika sätt att definiera brottförlängningen. Till exempel kan brott-förlängningen definieras som storleken på den plastiska töjningen, vilket gör att den elastiska delen av töjningen räknas bort. I denna rapport definieras brottförlängningen som töjningen från ospänt läge till brott, vilket kan ses i Figur 3.1. Brottförlängningen fås genom att läsa av värdet på töjningen vid brott. [30]

3.2.5 Elasticitetsmodulen, E

Elasticitetsmodulen definieras som kvoten mellan spänningen och töjningen, där spänningen är mindre än sträckgränsen, se Ekvation 3.3. Med hjälp av elasticitetsmodulen kan en förväntad töjning förutspås, då deformationen är elastisk. [32]

E = ∆σ

∆ε, där σ < σs (3.3)

3.2.6 Sträckgräns med offset, σs,x

I verkligheten är sällan övergången mellan elastisk och plastisk deformation så tydlig som i Figur 3.1. Istället ser kurvan ofta ut något i stil med den som visas i Figur 3.2. Därför krävs det att en metod införs för att konsekvent läsa av sträckgränsen på samma sätt för olika dragprovskurvor, i syfte att kunna jämföra resultatet. Metoden i fråga går ut på att en så kallad offset inför på töjningen, vars värde representeras som ”x” i Figur 3.2. För stål är denna offset oftast 0,2 %, vilket motsvarar en töjning på 0,002. En vanlig offset för plaster är cirka 2 %. [33] Från koordinaten (x, 0) ritas sedan en rak linje, vilken är streckad i Figur 3.2. Elasticitetsmodulen utgör lutningen på linjen. Där den inritade linjen skär dragprovskurvan fås sträckgränsen med offset, σs,x.

Töjning, ɛ

Spänning, σ

σ

E

x

Figur 3.2: Visar hur sträckgränsen kan bestämmas med hjälp av att sätta en förskjutning eller offset, x, på töjningen. Från förskjutningen x kan sedan en linje med samma lutning som elasticitetsmodulen ritas in. Där denna linje

3.2.7 Dragning av polymerer på mikrostrukturnivå

I Figur 3.3 framgår hur mikrostrukturen ändras vid dragning av delkristal-lina polymerer. Därför ses både amorfa (röda i Figur 3.3) samt kristaldelkristal-lina (blåa i Figur 3.3). I första steget i Figur 3.3 är den amorfa och kristallina delen oordnade. Allt eftersom dragningen fortgår rätas polymerkedjorna ut i dragriktningen. Först rätas primärt de amorfa partierna ut. Då man kommer in till den plastiska deformationen börjar även de kristallina områdena räta ut sig. Då polymerkedjorna är uträtade är det primärt de kovalenta bind-ningarna som håller ihop materialet. Tillslut blir lasten stor, vilket leder till brott. [34] 1 2 3 4 5 ε Töjning, ε

1

2

3

4

5

Figur 3.3: Visar dragning av en polymer med en oordnad delkristallin mikro-struktur. 1. Obelastad delkristallin polymer. 2. Amorfa partier dras ut och förlängs i dragriktningen. 3. Kristallina områden rätas ut i dragriktningen. 4. Kristallina områden separeras och dras ut i dragriktningen. 5. Nära brott. Ju längre dragningen fortgår, desto mer rätas polymerkedjorna ut i samma riktning som dragningen. De röda polymerkedjorna är amorfa medan de blå polymerkedjorna är kristallina. [35, 34]

3.2.8 Dragning med anvisningar

Som Figur 2.7 visar så har påsarna förtunnade områden med avlång form, som en följd av de osmälta partiklarna. För att analysera dessa teoretiskt approximeras dessa förtunnade områden som centrala sprickor, se Figur 3.4. Då påsarna dras i både längd- och tvärriktningen, kommer detta att ge olika egenskaper beroende på i vilken riktning som dragningen sker.

2a _2W 2h 2h 2W 2a σ σ Dragning i längdriktning Dragning i tvärriktning

Figur 3.4: Visar en schematisk bild över hur de förtunnade områdena ap-proximeras som sprickor. Dessutom visas hur den teoretiska uppställningen skiljer sig då dragningen sker i längd- respektive tvärriktningen. [3, 36]

KI = σ · √ π · a · f1( a w, h w) (3.4)

Spänningsintensitetsfaktorn KI i Ekvation 3.4 är ett mått på

spännings-koncentrationen vid spetsen. Enda skillnaden mellan dragning i längd- respek-tive tvärriktningen i Figur 3.4 är värdet på sprickbredden a. Då sprickbredden

a minskar, så minskar även geometrifaktorn f1. Från Ekvation 3.4 inses därför

enkelt att spänningsintensitetsfaktorn K_I minksar då sprickbredden a mins-kar. För fallet dragning i längdriktningen blir spänningsintensitetsfaktorn

KI alltså lägre än vid dragning i tvärriktningen. [36]

3.3

Dart Drop

Dart Drop är en metod för att mäta slagsegheten hos en plastfilm. I detta avsnitt avses metoden ASTM D1709, ISO 7765. Vid genomförandet släpps en så kallad dart från en viss höjd, där darten har en viss vikt, som sedan landar i centrum på en uppspänd plastfilm. Dartens yta är formen av en halvsfär. Diametern och fallhöjden på darten är vanligtvis fix. Variabeln är dartens vikt. Värdena på de fixa parametrarna sätts enligt metod A respektive metod B, se Tabell 3.1. Vilken metod man använder sig av bestäms av den förväntade hållfastheten på plastfilmen.

Typiskt genomförs 20 till 25 stycken tester. Om plastfilmen håller för ett test, så höjs vikten en nivå. Om plastfilmen går sönder för ett test, så sänks vikten en nivå. Utifrån detta får man fram vilken vikt som 50 % av plastfilmerna inte håller för. I Figur 3.5 visas exempel på hur Miljösäck utfört sitt test. Figuren antyder att Miljösäck använder sig av en något mindre noggrann metodik än den som denna standard beskriver. Storleken på den

Tabell 3.1: Visar värdet på de fixa parametrarna dartdiameter och fallhöjd för metod A och metod B då dart drop utförs enligt ASTM D1709, ISO 7765.

Metod A Metod B

Dartdiameter [mm] 38 51

Fallhöjd [m] 0,66 1,5

plastfilm som testas ska vara kvadratisk med sidorna 230 mm. [37]

Figur 3.5: I bild b) visas den uppställning som Miljösäck använder sig av. [1] I figuren är ingen plastfilm uppspänd. Bild a) visar ett exempel på ett protokoll som Miljösäck erhållit efter ett Dart Drop-test. Vid närmare granskning av bilden framgår att standarden för ASTM D1709, ISO 7765, inte helt följt vid utförandet [37]. Dock står det att metod B har använts, vilket tyder på att det ändå är ASTMD1709 som man i stort använt sig av. (Bild a): [38]. Bild b): [39])

3.4

Existerande test

Enligt en överenskommelse mellan upphandlare och leverantörer av bärkassar skall alla bärkassar testas och godkännas av företaget Innventia [1]. I testet utsätts den fyllda bärkassen för 20 lyft och nedsänkningar mot hårt underlag. En godkänd kasse får bära en märkning där det framgår hur stor massa den testats med. Massan kassen testas med beror på volymen. [40] Det här testet är kanske det som ligger närmast ur ett funktionsperspektiv för bärkassar. Standarden som testet utförs enligt är SS-EN 13590.

Framtagning av

dragprovsmetod

Kundkraven på Gröna påsens sträckgräns och brottförlängning togs fram enligt ISO 527/ASTM D882 [1]. Därför har denna standard använts som underlag vid utformningen av vår egna dragprovsmetod. Till förfogande fanns några olika dragprovsmaskiner, en lämplig lastcell på 450 N samt fyra delar till en grip där utseendet för två av delarna visas till vänster i Figur 4.1. Efter samråd med personal i verkstaden drogs slutsatsen att det bästa var att välja den dragprovsmaskin med störst slaglängd, eftersom plastpåsarna har stor brottförlängning. Valet blev därför Instron 5582, se Figur 4.7, som kan dra med krafter upp till 100 kN [27], vilket ger dåliga mätvärden vid dragning av plastfilmer. Detta gick att lösa genom att montera in den mindre lastcellen på 450 N i dragprovsmaskinen. Vad som behövde tillverkas till gripdonet var följande:

1. En gängkonverterare mellan lastcellen på 450 N och det övre gripdonet. 2. Nya friktionskuddar som håller fast plasten eftersom de ursprungliga

räfflade friktionskuddarna var för grova för att kunna dra plastfilmerna. Första punkten i listan var väldigt fix vad gäller designmöjligheter. Det krävdes inte ens en CAD-ritning för att verkstaden vid universitet skulle kunna tillverka den. Andra punkten i listan hade några fria designvariabler och var därför lite mer komplicerad att ta fram. Denna process beskrivs nedan.

4.1

Friktionskuddar

Vid utformningen av friktionskuddarna valdes att tillverka en stabil kudde i stål, för att sedan fästa lämpligt friktionsmaterial på stålkudden. Detta för att enkelt kunna testa fram ett passande friktionsmaterial. De flesta

måtten på de nya friktionskuddarna var fixa för att passa i gripdonen. Dock gjordes höjden 1 mm högre än de ursprungliga metallkuddarna till vänster i Figur 4.1. Detta för att minska risken för att plastfilmen slår i kanten på gripdonet. Givetvis gjordes ytan på kuddarna släta för att minska risken för anvisningar vid infästningen, se Figur 4.1. Dock var ytan inte polerad, då detta skulle försvåra fästningen av friktionsmaterialet. En ytterligare åtgärd för att minska risken för anvisningar var att göra en avfasning på metallkuddarna. Måtten på friktionskudden framgår av ritningen i Bilaga A. För att se friktionskuddarna utan friktionsmaterial tillsammans med övriga delar av gripdonet, se Figur 4.2.

Figur 4.1: Längst till vänster visas hur den grip som fanns till förfogande från start såg ut. Totalt fanns fyra stycken att tillgå. De räfflade metallkuddarna som fanns från början var tvungna att konstrueras om då de skulle skapa anvisningar vid infästningen på plastfilmsprovet vid dragning. Plastfilmen var tänkt att placeras på stålkudden, med tillhörande friktionsmaterial på vardera sida om plastfilmsprovet. I figuren saknas friktionsmaterialet. [2]

4.1.1 Friktionsmaterial

Dragprov genomfördes först utan något friktionsmaterial i syfte att öka för-ståelsen för vilket friktionsmaterial som var lämpligt. Som förväntat började provfilmen glida och till slut tappades grepp om provfilmen. Dock lyckades ett dragprov utan friktionsmaterial, där plastfilmen drogs till brott. Slutsatsen av detta var att friktionsmaterialet i fråga inte behövde ha en överdrivet kraftig friktionsyta.

En gruppmedlem från ett annat kandidatpar hade med sig ett hemtaget friktionsmaterial i form av bestickslådematerial, vilket kan ses i Figur 4.3 samt i Figur 4.4 f). Då detta material testades, utan att det klistrades fast på gripdonen, blev det anvisningar i infästningen. Detta eftersom friktionsmate-rialet hade ett regelbundet mönster av små solida bubblor som stack upp ur ytan, som resulterade i ojämn belastning. En anställd i verkstadspersonalen, som skötte dragprovsmaskinen, föreslog idén att helt enkelt ta ett vanligt A4-papper som friktionsmaterial. Precis som innan, användes pappret utan att klistras på. Resultatet blev tillfredsställande, då alla dragprov lyckades utan några synbara glidningar vid infästningarna. Detta gav en uppfattning av vilka friktionsmaterial som kunde vara lämpliga att betälla.

Figur 4.2: Visar alla komponenter som gripdonet består av förutom frik-tionsmaterialet. Till vänster visas gripdonet avmonterad. Till höger visas gripdonet ihopmonterad. Det som designats på egen hand i figuren är gäng-konverteraren och friktionskuddarna. Skruvarna och muttrarna är till för att skapa ett skruvförband som klämmer åt plastfilmen. Inspänningsskruven kläms åt i dragprovsmaskinen för att fästa den undre delen av gripdonet. Den övre delen av gripdonet fästs i lastcellen med hjälp av gängkonverteraren. Till höger av bilden är plastfilmen tänkt att vara i mellanrummet mellan

gripdelarna. [2]

Figur 4.3: Visar det friktionsmaterial som togs hemifrån av en annan medlem i kandidatgruppen. Figuren visar framsidan och baksidan på materialet. Av figuren framgår att ena sidan är slät medan den andra sidan har utstickande solida bubblor, vilket visade sig vara förödande då materialet testades vid dragprovning, då bubblorna gav anvisningar vid infästningen. [2]

Ett antal olika friktionsmaterial beställdes in, vilka framgår i listan nedan. Beteckningarna i punktlistan svarar mot Figur 4.4. Material f) är inte med i listan eftersom det som sagt inte är ett beställt material.

a) Multiduk (vit) b) Gummiduk (svart)

c) Diskhandske d) Cykelslang

e) Tejp

Figur 4.4: Visar de olika friktionsmaterialen som har testats. Materialen är från vänter till höger a) vit multiduk, b) svart gummiduk, c) diskhandske, d) cykelslang, e) tejp och f) besticksunderlägg. [2]

Utvärdering av friktionsmaterial

Vid utvärderingen av respektive friktionsmaterial valdes att inte fästa tionsmaterialen på stålkuddsytan. Detta eftersom det ansågs att vissa frik-tionsmaterial fungerade bäst genom att inte fästa dessa. Anledningen till detta var att vid montering skruvades ej den ena delen på det undre grip-donet loss, i syfte att minska ledtiden mellan respektive dragprov. Istället skruvades skruvarna bara upp lite grann så att plastfilmen direkt kom mellan stålkuddarna. Sedan släpptes friktionsmaterialen ned mellan ena stålkudden och plastfilmen på respektive sida.

Vad gäller det övre gripdonet så var det tvunget att monteras loss mellan varje dragprov. Detta gjordes för att lättare kunna lägga dit plastfilmsprovet med god precision. På friktionsmaterialet målades hjälpstreck för att kunna lägga dit plastfilmsprovet så rakt som möjligt.

Åtdragningsmomentet var inte fastställt vid friktionsmaterialtestet, varför det varierade något mellan olika prov.

Gemensamt för alla test var att alla dragprov gick bra, utan några glidningar vid infästningen eller liknande. De största skillnaderna var hur smidigt monteringen gick.

Multiduk (vit)

Multiduken visas i Figur 4.4 a). På grund av multidukens lätta vikt, var det svårt att släppa ned multiduken då friktionsmaterialet monterades på det undre gripdonet. Om detta friktionsmaterial valts så hade det dock satts fast på gripdonet, vilket hade förhindrat detta problem. Detta hade dock lett till att det blivit svårare att få plastfilmsprovet sträckt vid monteringen,

jämfört med om friktionsmaterialet inte hade satts fast. Testet genomfördes med åtdragningsmoment 5 Nm på skruvförbanden.

Gummiduk (svart)

Den svarta gummiduken visas i Figur 4.4 b). Både vid montering och dragning fungerade detta friktionsmaterial bra. Gummiduken var relativt tjock och därmed tyngre än de övriga testmaterialen. Därför var detta friktionsmaterial mycket lämpligt, då friktionsmaterialen fästes på det undre gripdonet. Dess tyngd gjorde att de enkelt föll ned samt så sträckte de plastfilmen. De andra friktionsmaterialen krävde ofta att man var tvungen att peta ner dessa, vilket gjorde att plastfilmen riskerade att bli något ospänd, speciellt då friktionsmaterialet positionerades noggrannare.

Enda nackdelen med friktionsmaterialet var att det var svårt att rita tyd-liga hjälpstreck för det friktionsmaterial som används på det övre gripdonet. Även om strecken ej blev tydliga så var dessa fortfarande möjliga att läsa av. Två test genomfördes med åtdragningsmoment på 3 Nm respektive 5 Nm, vilket inte gav någon märkbar skillnad.

Diskhandske

Diskhandsken visas i Figur 4.4 c). Två tester genomfördes med 5 Nm som åtdragningsmoment. Dragprovet i tvärriktningen gav en förlängning på cirka 275 mm. Detta är en av de längsta längder som förväntats och därför antas att friktionsmaterialet inte gav upphov till anvisningar eller liknande vid infästningen. Detta friktionsmaterial var det bästa att rita tydliga hjälplinjer på, som används vid infästningen på det övre gripdonet, i syfte att säkerställa att plastfilmsprovet monterades rakt.

Cykelslang

En bild på cykelslangen visas i Figur 4.4 d). Cykelslangen hade en väldigt kraftig böjning vilket gjorde den svårmonterad. Dessutom hade den spår som stack upp i tvärriktningen. Detta kan eventuellt ha gett anvisningar vid infästningen som gjorde att provet gick av för tidigt. Då ett plastfilmsprov drogs i tvärriktningen gavs en förlängning på 245 mm, vilket är något kortare än dragprovet med diskhandsken. Eventuellt kan detta ha berott på ojämnheterna i ytan, men fler tester skulle behöva genomföras för att kunna dra djupare slutsatser.

Tejp

Tejpen visas i Figur 4.4 e). Detta friktionsmaterial var något smalare än bredden på stålkudden, vilket var en nackdel. Om bara en tejpbit användes skulle inte hela stålkuddens yta täckas, vilket skulle leda till en onödig kant

mellan tejpen och friktionsklossen, vilket eventuellt skulle kunna gett en negativ inverkan vid dragprovet. Om två tejpbitar skulle användas, så skulle risken vara stor att ytan blir ojämn där tejpbitarna möts, vilket även detta skulle kunna leda till negativ inverkan.

Denna friktionsyta var enkel att släppa ner vid montering av den undre gripen. Inga andra komplikationer uppstod vid montering.

Testet gjordes med 5 Nm som åtdragningsmoment på skruvförbanden på gripdonet.

Slutgiltiga valet Eftersom de flesta friktionsmaterialen fungerade re-lativt bra vad gäller själva testet, så baserades valet framförallt på hur lätt friktionsmaterialet var att hantera vid montering. Detta då monteringen dels var relativt tidskrävande, men också svår att genomföra med god noggrann-het. Genom att välja ett lämpligt friktionsmaterial med detta i åtanke skulle därför felkällan vid montering minskas. Därför blev valet den svarta gummi-duken. På grund av sin tyngd blev det lättare att hantera friktionsmaterialet vid montering. Det låg mer stabilt än övriga friktionsmaterial och det behöll sin raka form. Dock var det svårt att rita hjälplinjer på friktionsmaterialet. Detta löstes genom att istället rita hjälplinjerna på gripdonet och lägga en av de raka sidorna parallellt med hjälplinjen. Dessa hjälplinjer visas i steg fyra i Figur 4.9. Valet var något oväntat eftersom tanken först var att välja ett friktionsmaterial som inte hade en överdrivet stark friktionsyta eftersom det inte verkade behövas för att kunna genomföra dragningen. En hypotes var att en yta med för mycket friktion skulle leda till att belastningen på plastfilmsprovet koncentrerades vid slutet på friktionsytan. Dock var tanken att slutet på friktionsytan successivt skulle vara den avfasade sidan, vilket skulle jämnat ut belastningen på plastfilmsprovet. Dessutom var tanken att plastfilmen skulle vara hundbensformad, vilket skulle leda till att den största dragningen skulle ske där plastfilmsprovet var som smalast, istället för vid infästningen som för ett helrakt plastfilmsprov.

4.2

Framtagning av plastfilmsprover

Första idén till hur plastfilmsproverna skulle tas fram var att stansa ut dessa. Dock stod det uttryckligen i standarden för ASTM D882 att stansning var direkt olämpligt, eftersom det kan ge dåliga och ojämna kanter på plastfilmsproverna. En annan idé var att skära ut plastfilmsproverna, vilket rekommenderas i standarden för ASTM D882. Eftersom tanken först var att ha plastfilmsprover med enhetlig bredd, övervägdes idén att fästa två skäregg på en stav med den bredd som plastfilmsproverna skulle ha. Vid utskärningen skulle man då snabbt och enkelt kunna skära ut en stav med ungefärlig längd, som är något större än önskad längd. Sedan skulle ändarna kunna kapas av så att en rimlig längd erhålles. Vid dessa två kapningar vore

exakt mått och utskärningskvalitet mindre viktigt, eftersom det skulle gälla ändarna på provstaven. [41]

Efter att ha genomfört de första dragproven i syfte att testa utrustningen, visade det sig att det var svårt att spänna in provstaven med exakt samma längd varje gång med den testutrustning som fanns tillgänglig. Det var svårt att lyckas spänna in plastfilmen med samma förspänning, eftersom gripdonen var tvungna att skruvas för hand. Därför ansågs att ett hundbensformat plastfilmsprov var ett krav, trots att det bryter mot standaren för ASTM D882, som rekommenderar prover med enhetlig bredd [41]. Det ansågs rimligt att avvika från standarden i detta fall eftersom de som följer denna standard troligen har en dragprovsmaskin som är anpassad för dragprov av plastfilmer, vilket möjliggör konstant ursprungslängd vid varje dragning.

Mallen till den hundbensform som tänkte användas visas i Figur 4.6. Syftet med denna form är att i princip endast det smala området av provstaven utsätts för dragning. Detta gör att exakt samma längd dras vid varje prov, trots att inspängslängden kan variera något mellan respektive prov.

Att använda sig av hundbensform komplicerar utskärningsprocessen. Därför valdes först metoden att skära ut efter en mall med brytbladskniv. Denna mall tillverkades i sex stycken exemplar av verkstaden vid Linköpings universitet. Som underlag användes en plastbricka.

Efter att ha skurit ut de flesta proverna och genomfört några testdrag-ningar, ökade oron för att kvaliteten på utskärningarna inte var tillräckligt bra. Det var ofta svårt att få till bra snitt vid de rundade delarna på drag-provsmallen. Detta ledde till ”fnasiga” snitt, vilket eventuell gav större påverkan än vad som först antogs. Därför testades att skära ut med rakblad med tillhörande handtag med en platt träbit som underlag. Detta fungerade något bättre men i och med att rakbladets rätblockform vad det svårt att komma åt de rundade kanterna. Därför användes slutligen en skalpell se Figur 4.5, vilken har en mer spetsig skäregg än rakbladet. Även underlaget byttes ut till ett dedikerat skärunderlag i gummi. Detta underlag hade ett inritat rutnät, vilket gjorde det lättare att skära att lägga upp proverna rakt. Utöver detta användes två skruvtvingar, vilka dels höll mallen, men också den underliggande plasten, på plats.

4.2.1 Dimensionering av mall till plastfilmsprover

Vid förklaringen till hur plastfilmsproverna dimensionerades, rekommenderas att titta på Figur 4.6 parallellt med att läsa följande textstycken. Måttet 40 mm kom från längden på friktionskudden (se Bilaga A), som i sin tur begränsades av måttet på de delar av gripdonet som fanns tillgängliga vid projektets start.

Måttet 60 mm begränsades helt av dragprovsmaskinen Instron 5582:s totala potentiella draglängd, vilken mättes till 350 mm. Genom att sätta måttet på längden till 60 mm, kan plastfilmsprovet töjas med 483 %. Efter