Materialmysterium: Varför blir wellpapp försvagad av fukt?

Ett viktigare område än flyttlådor är transport och lagring av livsmedel och andra varor. Ett område i konstant tillväxt, både därför att mat ska distribueras till allt fler människor men också till följd av att köpkraften ökar och gör det möjligt för fler och fler människor runt hela världen att köpa saker.  För att undvika att vår miljö hamnar i en situation utan återvändo måste paketering och transporter bli mer effektiva. Lådor av wellpapp är lätta och skyddar livsmedel och andra varor väl. Material är perfekt – tills det utsätts för variationer i luftfuktighet. Lådorna blir mjuka, de kan inte staplas, frukt och grönsaker kläms, ömtåliga produkter går sönder. Hos BillerudKorsnäs produceras den plana kartong som först blir wellpapp och därefter skärs och viks till lådor i olika format.

– Att minska känsligheten för fukt är något alla kartongtillverkare drömmer om, säger Robert Nilsson, forskningsansvarig på BillerudKorsnäs.

Osynligt kryp

Mekanismen som ska undersökas i en synkrotron har ett vetenskapligt namn, kryp, eller mer specifikt mekanosorptivt kryp. Om du tar ett ark plan kartong och försöker sträcka ut det når du snabbt gränsen för när materialet inte verkar gå att sträcka mer. Om kraften upprätthålls kommer i själva verket arket fortsätta sträckas, men så långsamt att det bara kan mätas med instrument. Materialet kryper. Vid jämn luftfuktighet, även mycket hög, är krypet försumbart. Men om fuktigheten växlar, till exempel mellan natt och dag eller från en vecka till nästa, deformeras materialet betydligt snabbare. Styvheten minskar och lådorna tappar formen. Varför?

Nytt material skulle kunna minska transporters klimatavtryck

Hur mekanismerna bakom kryp och växlingar i fuktighet påverkar kartong och andra träbaserade material har gäckat vetenskapsmän i decennier. Är det på nanonivå fuktigheten påverkar materialet, eller är det på molekylär nivå materialet spelar forskarna ett spratt? Med kunskap om hur kryp uppkommer är det möjligt att förändra fibrernas egenskaper för att motverka de negativa effekterna.

– Varutransporter och den stadigt ökande e-handeln är globala aktiviteter med höga krav på logistik i alla led. Vikt och bärighet är A och O både för individuella förpackningar och vid sampackning. Som leverantör av kartong märker vi att kraven från våra kunder ökar. En trend vi ser är att originalförpackningen som producenten stoppar ned varan i ska klara transporten hela vägen till köparen. Om vi kan lösa problemen med kryp kan vi erbjuda en kartong för tillverkning av wellpapp som producenter och transportörer kan lita på under alla förhållanden. Med det nya materialet skulle vi kunna ersätta dels tyngre lösningar och dels mer komplicerade och därmed dyrare lösningar, förklarar Robert Nilsson.

Synkrotronen skapar spridningsmönster att analysera

Röntgenstrålar är utmärkta för att studera strukturer i olika material, det kan alla som varit hos tandläkaren bekräfta. Med den extremt intensiva röntgenstrålning som går att uppnå i en synkrotron är det möjligt att använda tekniker som är omöjliga i ett vanligt labb.

– De mindre instrument vi använt hittills har lägre strålningsstyrka än synkrotronen. Där behöver ett test en exponeringstid på mellan femton minuter och en timme. Då klarar vi bara att jämföra materialet före och efter krypfenomenet, och bara i vacuum, säger Lennart Salmén, senior forskare på RISE och fortsätter.

– För att lösa mysteriet måste vi kunna mäta en process som bara pågår under tiondelar av en sekund, i en atmosfär med varierande fuktighet. Det kan vi göra i en synkrotron. Synkrotronen har så stark strålning att de minsta byggstenarna i fibrerna, beroende på material, kan komma ner i minuter eller sekunder, eller ännu lägre. I extrema situationer har prover kunnat registreras i realtid. Ett fiberprov får strålningen att spridas i olika riktningar. När fibern ändras kommer också spridningsmönstret att ändras. Genom att registrera och analysera förändringarna kan vi dra slutsatser om vad som händer inuti materialet ned på molekylnivå. Vårt första mål är att fastställa att de förändringar vi ser orsakas av kryp. Att kunna förklara den här motsträviga mekanismen vore verkligen att uppfylla en dröm, säger Lennart Salmén.

Basforskning som lockar industriföretag

Experimenten i synkrotronen genomförs som en del av Forskningsprogrammet inom bioekonomi på RISE. Många av projekten är till stor del finansierade av industriföretag. Det är leverantörer som vill att deras biobaserade råvara används bättre eller till mer högvärdiga varor. Det är företag som vill gå över från fossila till hållbara, biobaserade råvaror och det är de som vill öka andelen hållbara råvaror i sin produktion.

– Det är spännande att ha med BillerudKorsnäs i de här experimenten. Många företag skulle betrakta tester i en synkrotron som dyr basforskning och därmed ha svårt att vara med i finansieringen. Med ett långsiktigt partnerskap som det här, där en partner ser ett framtida värde av forskningen, kan banbrytande forskning genomföras och nya material kan användas kommersiellt. Material som är mer effektiva och minskar trycket på miljön, säger forskningsledare Claes Holmqvist från RISE.