TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkötekniikan osasto
M
ikkoP
itkänenHOT-MELT TARRALIIMAN PROFIILIMITTAUS JA LAADUNOHJAUS TARRALAMINAATIN
VALMISTUSPROSESSISSA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 25.3.1996.
Työn valvoja Professori Aarne Halme
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä: Mikko Pitkänen
Työn nimi: Hot-melt tarraliiman profiilimittaus ja laadunohjaus tarralaminaatin valmistusprosessissa
Päivämäärä: 25.3.1996 Sivumäärä: 110
Osasto: Sähkötekniikan osasto
Professuuri: Automaatiotekniikka
Työn valvoja: Professori Aarne Halme
Työssä on tutkittu hot-melt tarraliiman profiilimittausta ja laadunohjausta tarralaminaatin valmistus
prosessissa. Työn alkuosassa on käsitelty tarralaminaatin käyttötarkoituksia, markkinoita, rakennetta sekä valmistusprosessia. Seuraavaksi on käsitelty hot-melt tarrateknologiaa ja tarraliimaprofiilin muo
dostumista. Profiilin mittaus- ja säätöjärjestelmiä on käsitelty sekä periaatteellisella että käytännölli
sellä tasolla. Kokeellisessa osassa on ensimmäiseksi mitattu aineille infrapunaspektrejä, joiden perus
teella on arvioitu inffapunamittauksen soveltuvuutta tarralaminaatin valmistusprosessiin. Toiseksi on suoritettu tuotantoympäristössä koeajoja, joista tehtyjen laboratoriomittausten perusteella on analysoi
tu valmistusprosessin ominaisuuksia.
Mittaus- ja säätöjärjestelmien yhteydet taloudellisiin tekijöihin sekä prosessin-, tuotannon- ja laadu
nohjaukseen on selvitetty. Järjestelmiin liittyen on esitetty profiilin periaatteellinen säätöpiiri, mitta- päiden kiinnitysvaihtoehdot sekä suoran- ja eromittauksen periaatteet. Lisäksi on luonnehdittu tarjolla olevia järjestelmiä ja näiden tärkeimpiä valintakriteerejä sekä suunniteltu standardikomponentteihin perustuva mittaus- ja säätöjärjestelmä. Erityisesti on tarkasteltu beeta- ja infrapunamittapäiden tek
niikkaa sekä mittausjärjestelmien kalibrointia.
Erilaisille hot-melt tarraliimoille, silikoneille, papereille ja muoveille on mitattu infrapunaspektrit, jotta voitaisiin päätellä inffapunamittauksen sopivuutta tarraliiman profiilimittaukseen sekä käsitellä inffapunamittauksen ongelmakenttää. Raaka-aineiden koostumusten pysyvyyttä on arvioitu vertaamal
la raaka-ainetoimittajilta saatuja spektrejä itse mitattuhin spektreihin. Tarralaminaatin valmistuspro
sessissa käytettävien aineiden spektreissä havaittiin runsaasti yhteisiä ominaisuuksia, mistä johtuen mittaukseen sopivien aallonpituuksien valinta on monimutkainen tehtävä. Spektrien perusteella tarra- liiman neliöpainon mittaaminen inffapunamittapäällä on kuitenkin mahdollista.
Koeajetuista rullista saatiin kaksi erillistä profiilisarjaa: asentoprofiilit ja lämpöprofiilit. Asentoprofii- lien koeajot ajettiin muuttamalla liimahuulen asentoa suhteessa rataan. Profiileille on laskettu keskiar
vot, keskihajonnat, minimit ja maksimit. Näiden avulla on profiileja analysoitu sekä poikki- että kone- suunnassa. Tarraliiman määrän vaihtelu on mittausten mukaan radan reunoilla selvästi suurempi kuin keskiosassa. Lämpöprofiileilla selvitettiin miten liiman neliöpainon profiili käyttäytyy suhteessa lii
mahuulen lämpötilan profiiliin.
Avainsanat: Hot-melt, tarraliima, tarralaminaatti, liimahuuli, profiili, mittaus, prosessiasema, laadunohjaus, laatutietopaketti, säätöpiiri, mittapää, absorptio, vaimennus, takaisinsironta, beetasäteily, infrapunasäteily, kalibrointi, infrapunaspektri
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER’S THESIS
Author: Mikko Pitkänen
Title of the thesis: Profile Measurement and Quality Control of Hot Melt Pressure Sensitive Adhesive in the Production Process of Pressure Sensitive Laminate
Date: 25 March 1996 Number of pages: 110
Faculty: Faculty of Electrical Engineering
Professorship: Automation Technology
Supervisor: Professor Aarne Halme
This thesis studies the profile measurement and quality control of HMPSA in the production process of pressure-sensitive laminate. The study begins with a presentation of pressure-sensitive laminate uses, markets, its structure and production process. The hot-melt technologies and the profile forma
tion of the PSA are covered next. The measuring and control systems of the profile have been investi
gated both theoretically and practically. The practical part begins with the measurements of the infra
red spectra of the raw materials used in the production process. These spectra were used to study the suitability of the infrared measurement in production conditions. Secondly trial runs have been carried out in a production environment. The characteristics of the production process have been evaluated based on the laboratory measurements of these trial runs.
The relations of the measuring and control systems with economic factors, process control, production control and quality control have been studied. The principle of the profile control loop, alternatives for attaching the measurering head and the differences between direct and difference measurement have been presented. The existing complete systems have been covered, as well as their most impor
tant aspects. In addition, a measuring and control system, based on standard components, has been designed. Beta and infrared measuring principles and heads, as well as calibration methods received special attention.
The infrared spectra have been measured for different hot-melt pressure-sensitive adhesives, silicons, papers and plastics, so that the suitability of the infrared measurement could be evaluated. The stabil
ity of the raw materials was studied by comparing infrared spectra received from suppliers with the measured infrared spectra. A great number of common features were observed in the spectra of differ
ent materials, which makes the selection of correct wavelengths complicated. Based on the studied spectra, the basis weight measurement of HMPSA seems possible with the infrared measuring head.
The trial run rolls provided two sets of profiles: position profiles and temperature profiles. In the trial runs for position profiles, the position of the adhesive nozzle was changed in relation to the web.
Mean values, standard deviations, minimum values and maximum values were calculated for the dif
ferent profiles. Using these values, profiles have been analysed both in the cross direction and in the machine direction. A deviaton of the HMPSA quantity was observed to be substantially greater at the edges of the web than in the centre. The relationship between the temperature profile of the adhesive nozzle and the profile of the HMPSA basis weight was studied by means of the temperature profiles.
Keywords: Hot-melt pressure-sensitive adhesive (HMPSA), PSA laminate, adhesive nozzle, profile, process station, quality control, control loop, absorption, transmission, backscatter, beta radiation, infrared radiation, calibration, infrared spectrum
E sipuhe
Tämä diplomityö on tehty Fixprojects Oy:n toimeksiannosta. Työtä on Teknillisen kor
keakoulun puolesta valvonut professori Aarne Halme automaatiotekniikan laboratorios
ta. Hänelle osoitan kiitokseni saamistani hyvistä neuvoista ja opastuksesta.
Fixprojects Oy:n henkilökuntaa ja muita työssäni auttaneita kiitän saamastani avusta työni käytännön suorituksessa sekä saamistani neuvoista.
Espoossa 25.3.1995
Mikko Pitkänen
S isällysluettelo
tiivistelmä...2
ABSTRACT...3
ESIPUHE...4
SISÄLLYSLUETTELO...5
KUVALUETTELO...8
TAULUKKOLUETTELO... 9
LYHENTEET... 10
1 JOHDANTO...И 1.1 Työntausta...11
1.2 Työntavoitteet...13
1.3 Työnlähestymistapa...14
2 TARRALAMINAATTI...15
2.1 Käyttötarkoitukset...15
2.1.1 Yleistä...15
2.1.2 Etiketit...15
2.1.3 Etikettien markkinat...77
2.2 Tuotanto...21
2.2.1 Tarralaminaatin rakenne...21
2.2.2 Tarraliimat...22
2.2.3 Tarralaminaatin valmistusprosessi...23
2.2.4 Tuotannon kehitys...26
3 HOT-MELT TARRATEKNOLOGIA... 29
3.1 HOT-MELT PROSESSIMEKANIIKKA...29
3.2 Lämpötilanvaikutus...31
3.3 HOT-MELT TARRALIIMOJEN RAKENNE... 32
4 LIIMAPROFIILIN MUODOSTUMINEN... 34
4.1 Vaihteluntyypit...34
4.2 Vaihteluntekijät...37
5 MITTAUS- JA SÄÄTÖJÄRJESTELMÄT 38
5.1 Yleistä...38
5.2 Taloudellisettekijät... 38
5.3 Tuotannon- jalaadunohjaus... 41
5.3.1 Prosessiasema...41
5.3.2 Tuotannonohjaus...42
5.3.3 Laadunohjaus...44
5.4 Järjestelmät... 47
5.4.1 Yleistä...47
5.4.2 Profiilin säätöpiiri...49
5.4.3 Mittapään kiinnitys...50
5.4.4 Suora mittaus ja er omití aus...51
5.4.5 Valmiit järjestelmät...52
5.4.6 Suunniteltu järjestelmä...53
5.5 Beetamittapäät... 54
5.5.1 Beeta-säteily...54
5.5.2 Mittausperiaate...55
5.6 INFRAPUNAMITTAPÄÄT... 57
5.6.1 Määritelmiä...57
5.6.2 Infrapunamittapään toimintaperiaate...59
5.6.3 Toimintatavat...62
5.7 Mittapäänkalibrointi... 63
6 INFRAPUNASPEKTRIT... 66
6.1 Yleistä...66
6.2 Teoriaa...66
6.3 Analyyttisetmenetelmät... 67
6.4 Mitattujeninfrapunaspektrienanalyysi... 69
6.4.1 Yleistä...69
6.4.2 Analyysit...70
7 PROFIILIMITTAUKSET... 73
7.1 Yleistä...73
7.2 Laboratoriomittaukset... 73
7.3 Asentoprofiilit... 75
7.3.1 Yleistä...75
7.3.2 Profiilin kolmiulotteinen malli...75
7.3.3 Asentoprofiilien luonnehdinnat...76
7.3.4 Asentoprofiilien analyysi...78
7.3.5 Asentoprofiilien konesuunnan analyysi...80
7.4 Lämpöprofiilit...81
7.4.1 Yleistä...81
7.4.2 Liiman ja lämpötilan välinen yhteys...82
7.4.3 Lämpöprofiilien analyysi...84
8 JOHTOPÄÄTÖKSET...86
8.1 Mittaus- jasäätöjärjestelmät... 86
8.2 INFRAPUNASPEKTRIT...88
8.3 Profiilimittaukset...89
LÄHDELUETTELO...90
LIITTEET...94
K uvaluettelo
No Kuva_______________________________________________________ Sivu
1. Profiili 12
2. Etikettien lajityypit 17
3. Tarralaminaatin rakenne 21
4. Tarralaminaatin valmistusprosessi 23
5. Sulateliiman käyttö 24
6. Liimahuuli 25
7. Vaihtelu ajan suhteen 34
8. Poikkisuunnan vaihtelu 35
9. Konesuunnan vaihtelu 35
10. Satunnaisvaihtelu 36
11. Liiman neliöpainon jakautuminen ja raaka-ainesäästöt 39 12. Liiman neliöpainon tavoitearvon siirto kohti toleranssin alarajaa 40
13. Prosessiasema 42
14. Tuotannonohjauksen hierarkia 43
15. Laatuympyrä SDSA 45
16. Kontrollitaulu 46
17. Laatutietopaketti 46
18. Laatujärjestelmän merkitys TQM:ssä 47
19. Kaksi perusmittaustapaa: vaimennus ja takaisinsironta 48
20. Profiilin säätöpiiri 49
21. Mittapään kiinnitystavat 50
22. Mittapään paikka suorassa mittauksessa 51
23. Mittapäiden paikat eromittauksessa 52
24. Suunniteltu mittaus-ja säätöjärjestelmä 53
25. Beetasäteilyn syntyminen 55
26. Beeta-mittapää 56
27. Virran suhde rataan 56
28. Infrapunamittapää 59
29. Kosteusmittaus 61
30. Mittapään kalibrointi 64
31. Lasin avulla suoritettu mittapään kalibrointi 65
32. Hiili- ja vetyatomien keskinäiset värähtelyt 67
33. Eräiden funktionaalisten ryhmien absorptioalueet 67
34. Aineen karakterisointi spektrogrammin avulla 68
35. Esimerkkispektrogrammi 69
36. Asentoprofiilien leikkaus 75
37. Profiilin kolmiulotteinen malli 76
38. Lämpöprofiilien leikkaus sekä lämpötilojen mittaus ja aproksimointi 81 39. Lämpötilan ja tarraliiman neliöpainon hajontakuvio 84
T aulukkoluettelo
No Taulukko Sivu
1. Etikettien Euroopan markkinat 1992 18
2. Etikettien osuudet perinteisellä sektorilla 18
3. Paperittomat alusmateriaalit tarra-etiketeille 19
4. Etikettien kysyntä USA:ssa 1992 20
5. Sulateliiman lämpöhistoria 25
6. Mittausjärjestelmien tärkeimmät tekniset ominaisuudet 52
7. Analysoidut spektrit 70
8. Asentoprofiilien näytepalojen arvot 76
9. Asentoprofiilien virheet 78
10. Asentoprofiilien tulokset 79
И. Asentoprofiilien konesuunnan tulokset 80
12. Lämpöprofiilien tulokset 84
L yhenteet
EDP electronic data processing elektroninen tietojenkäsittely EVA ethylene vinylacetate etyleenivinyyliasetaatti
FA factor analysis tekijäanalyysi
FSIR full spectrum infrared täyden spektrin infrapuna FTIR fourier transform infrared fourier-muunnoksen infrapuna HOPE high densisity polyethylene korkean tiheyden polyetyleeni
HMPSA hot melt psa hot-melt tarraliima
IR infrared infrapuna
KA mean value keskiarvo
KH standard deviation keskihajonta
MIR middle infrared keski-infrapuna
NIR near infrared lähi-infrapuna
OPP oriented polypropylene orientoitu polypropyleeni
PC perconal computer tietokone
PCA principal component analysis tärkeimmän komponentin analyysi
PE polyethylene polyetyleeni
PLC programmable logic controller ohjelmoitava logiikka
PP polypropylene polypropyleeni
PSA pressure sensitive adhesive tarra eli itseliimautuva
PVA polyvinyl acetate polyvinyyliasetaatti
PVC polyvinyl chloride polyvinyylikloridi
TQM total quality management täyden laadun hallinta
UV ultra violet ultravioletti
VAE vinylacetate ethylene vinyyliasetaattietyleeni
1 J ohdanto
1.1 Työn tausta
Tarralaminaatit ovat voimakkaasti kasvava paperinjalostuksen alue. Tarralaminaatti muodostuu pintapaperista, liimasta, silikonista ja taustapaperista. Painatus tulee pinta- paperille, joka voidaan irrottaa taustapaperista silikonoinnin ansiosta ja kiinnittää sijoi- tusalustalleen liiman avulla ilman apuvälineitä. Tarralaminaatin valmistuksessa eräs lii- manlevityksen vaihtoehto on hot-melt teknologian käyttö. Hot-melt tarraliimat ovat huoneenlämmössä kiinteitä, mutta muuttuvat korkeammissa lämpötiloissa juokseviksi.
Tällöin hot-melt tarraliima voidaan erityisellä liimahuulella levittää silikonoidun tausta- paperin päälle. Tarralaminaatti syntyy, kun tämän päälle laminoidaan pintapaperi. Tarra
laminaatin valmistuksen onnistumisessa on kaksi ylivoimaisen tärkeää tekijää, jotka selittävät yli 80 % tuotanto-ja laatuvaikeuksista:
1. Silikonoinnin onnistuminen, missä inhimilliset tekijät selittävät yli 90% kai
kista ongelmista.
2. Liiman levityksen hyvyys ja tasaisuus erityisesti tarralaminaatin poikkisuun- nassa, mutta joskus myös konesuunnassa. Tässä teknologinen osaaminen on pääosassa.
Tässä työssä keskitytään tarralaminaatin poikkisuuntaisen- eli profiilivaihtelun tutkimi
seen ja profiilin säätömahdollisuuksiin, koska profiilivaihtelu aiheuttaa suurimmat tek
nologiset ongelmat vaikean hallittavuutensa takia. Lisäksi tutkitaan liimapinnan mikro
tason vaihtelua eli liimapinnan laatua.
Tarraliiman määrän poikkisuuntaista vaihtelua rataan nähden kuvataan kuvan 1 kaltaisil
la profiileilla. Vaikka profiileilla tarkoitetaankin yleisimmin vaihtelun graafista esitystä, liittyy niiden hyväksikäyttöön myös tilastollisten tunnuslukujen kuten keskiarvon ja keskihajonnan laskeminen.
TKK SÄHKÖTEKNIIKAN.
Kuva 1 Profiili
Profiilivirheet johtavat tarralaminaattituotannon hylkymäärän kasvuun ja laadun epäta
saisuuteen pääosin seuraavista syistä:
1. Kun konerullat rullataan rullakoneella pienemmiksi asiakasrulliksi, niin pak
summan profiilin kohdat tulevat muita kovemmiksi, jolloin
1.1. Kovilla rullilla on taipumus pullistua jostain kohtaa eivätkä ne kelpaa asiakkaalle. Lisäksi laminaatin adheesiotaso voi nousta vaikeuttaen rih
mojen poisottoa stanssauksessa sekä aiheuttaen liiman pursuamista rullan reunoilla, mikä voi johtaa paperin repeytymiseen.
1.2. Kovien rullien viereen syntyy useimmiten pehmeitä rullia. Nämä pehmeät rullat eivät tahdo pysyä kasassa asiakkaan koneilla, vaikka ne vielä lähe
tettäessä olisivat suoria.
Ratamuotoisten tuotteiden on-line mittaamiseen käytetään erilaisia mittapäitä, joiden tekniikka on valittu mitattavaan kohteeseen sopivaksi. Valittu tekniikka riippuu yleensä kohteen aineosista sekä mitattavista asioista, joita voivat olla esimerkiksi neliöpaino, kosteus ja kiiltävyys. Ilman fyysistä kontaktia toimivat mittapäät perustuvat yleensä beeta- tai infrapunasäteilyyn. Mittapäähän kuuluu lähde, jonka lähettämä säteily reagoi rataan ennen kuin se saavuttaa sensorin. Täten sensorin havaitsema säteily on verran
nollinen radassa tapahtuviin muutoksiin. Mittapää voi olla kiinteä, jolloin sen toteutus on yksinkertainen ja edullinen. Profiilin muodostamiseksi mittapäätä on kuitenkin siir
rettävä moottorilla mittapalkkia pitkin. Tyypillisesti mittapään mittaama profiili esite
tään käyttäjälle monitorin avulla ja ajon aikaiset mittaustulokset otetaan talteen laatutie
toja ja myöhempää analysointia varten. Tässä työssä tutkittiin hot-melt tarraliiman on
line mittaukseen sopivien mittausjärjestelmien rakenteita sekä beeta- ja infrapunamitta- päiden tekniikoita.
Työ tehtiin Fixprojects Oy:n paperinjalostustehtaalla Lohjalla. Tehtaalla oli havaittu tar
ve kehittää tarraliiman profiilin mittausta ja säätöä. Profiilin säädön perustavoitteet ovat asiakkaan haluaman tarraliiman neliöpainon saavuttaminen ja tarraliimapinnan tasai
suus. Näiden tavoitteiden saavuttaminen nopeammin ja tarkemmin merkitsee huomatta
vaa materiaalin säästöä sekä tuotteen käytettävyyden parantumista. Lisäksi haluttiin tutkia syitä siihen, miksi hyvä laatu muuttuu yllättäen huonoksi ja toisinpäin. Prosessin käyttäytymiseen arveltiin vaikuttavan pääosin liima-aseman mekaaniset asetusarvot sekä tarraliiman lämpöhistoria.
1.2 Työn tavoitteet
Nykyisen käsityksen mukaan liimahuulen asennolla ja sulateliiman lämpötilalla on tietyt kokemuksen kautta opitut vaikutukset liiman profiiliin. Työssä tuli selvittää tarkemmin, miten prosessin eri ohjaussuureet vaikuttavat lopputulokseen. Lisäksi tuli kehittää mene
telmiä prosessin tutkimiseen.
Työssä tuli myös selvittää on-line mittauksen vaihtoehdot tarralaminaatin valmistuspro
sessissa. Tuli tutkia mitä erilaisia mittapäitä on käytettävissä sekä selvittää niiden edut ja haitat. Selvittää piti myös eri mittausjärjestelmien ominaisuudet. Tuli myös tutkia saavu
tetaanko nykyisillä mittauslaitteilla ja -järjestelmillä riittävän hyvää tulosta prosessin ohjausta varten.
Työn tavoitteena on kokonaisuudessaan olla tärkeä alku yrityksen kehittämiselle en
simmäiseksi tuotannon laadun suhteen ja toiseksi tuotannon automatisoinnin sekä tieto
jenkäsittelyn suhteen.
Työhön valittiin seuraavat liimaprofiilin tutkimus-ja kehityskohteet:
1. oikean mittausmenetelmän löytäminen ja kehittäminen 2. prosessimuuttujien tutkiminen kokeilla
3. säätöärjestelmän ja -ohjeiden kehittäminen
4. mittaustietojen laatutiedoksi muokkaamisen ja dokumentoinnin kehittäminen 5. mittaus-ja laatutietojen yhdistäminen asiakkaiden tarpeisiin
1.3 Työn lähestymistapa
Aihepiiriin tutustuttiin kirjallisuustutkimuksella, jossa perehdyttiin tarralaminaatin valmistusprosessiin, hot-melt teknologiaan ja ratamuotoisten tuotteiden mittausmene
telmiin. Työssä selvitettiin tarralaminaatin käyttöä, markkinoita, rakennetta, ominai
suuksia ja valmistusprosessia. Mittausmenetelmiä selvitettiin kirjallisuustutkimuksella, tutkimalla esitteitä ja haastattelemalla laitteiden toimittajia.
Eri aineiden infrapunamittaukseen sopivia aallonpituuksia selvitettiin mittauksilla ja analyyseillä, joiden tarkoituksena ei ollut löytää lopullisia aallonpituuksia mittaukseen.
Sen sijaan tavoitteena oli selvittää miten aallonpituuksien etsiminen käytännössä tapah
tuu ja mitä teoreettisia ja käytännön ongelmia tähän fysiikan ja kemian lakien määrää
mään ongelmakenttään liittyy.
Tietoa liimaprofiilin käyttäytymisestä sekä ratkaisuja liimaprofiilin mittaukseen ja ohja
ukseen haettiin suorittamalla koeajoja tuotantolinjalla sekä tekemällä näistä laborato
riomittauksia ja analyysejä.
Tarkoituksena oli alunperin hankkia varsin nopeasti liimaprofiilin on-line mittausjärjes
telmä, jolloin tämän sisäänajo ja hyväksikäyttäminen olisi ollut osa diplomityötä. Mit
tausjärjestelmän hankinta siirrettiin kuitenkin myöhempään ajankohtaan. On-line mit
tausjärjestelmä nähdään yrityksessä kuitenkin edelleen välttämättömäksi sen lisäksi, että liimaprofiilin säätöteknologiaa opetellaan ja tutkitaan monella eri tavalla.
2 T arralaminaatti
2.1 Käyttötarkoitukset
2.1.1 Yleistä
Tarralaminaatei11 a on hyvin paljon ja hyvin erilaisia käyttötarkoituksia. Tarralaminaatte- ja hyväksikäyttävät teknologiat ovat levinneet erilaisille teollisuuden sektoreille kuten etiketteihin sisältäen ATK-tarrat, suoja- ja turvakalvot, sairaalatuotteet, itseliimautuvat tapetit, itseliimautuvat eristeet, mainokset, liikennemerkit, yritysten ikkunasomistukset, informaatiot jne. Käytännössä ihmisen elinympäristö on täynnä tarralaminaattien käyt
töä, vaikka sitä ei aina huomata.
Tarralaminaatin tärkein lajityyppi on graafisen teollisuuden käyttämä etikettitarralami- naatti. Tässä työssä keskitytään tähän laatuun, koska tällä tuotesektorilla vaatimustasot ovat yleisesti ottaen korkeimmat ja tuloksia voidaan siten soveltaa kaikessa muussakin tarralaminaattien valmistuksessa.
2.1.2 Etiketit
Etiketit ovat alusmateriaalia, joka voidaan yhdistää melkein mihin tahansa tuotteeseen tai palveluun. Etiketöinnillä puolestaan tarkoitetaan etiketin asentamista tiettyyn tuottee
seen.
Etiketit löytävät käyttötarkoituksensa mitä moninaisimmista kohteista välittäessään mm.
seuraavia tietoja valmistajalta käyttäjälle:
• tuotteen nimi ja visuaalinen kuva
• valmistajan nimi ja tiedot
• sisältö ja ainesosat
• lainmukaiset varoitukset
• viivakoodit
käyttöohjeet
Tulevaisuudessa tuotteisiin liitettävä tiedon määrä kasvaa edelleen, koska vähittäismyy
jät ja kuluttajat vaativat yhä tarkempaa tietoa tuotteista. Joissakin tuotteissa tiedon esit
tämisen tarve jopa määrää pakkauksen suunnittelun. Seuraavat tekijät vaikuttavat tiedon määrän kasvuun:
• lisääntynyt tietoisuus terveydestä ja turvallisuudesta
• tarve parempaan varastojen ohjaukseen
• ympäristönsuojelu
• kansallisen ja kansainvälisen lainsäädännön lisääntyminen
Etikettien lajityyppejä on lukuisia johtuen niiden käyttökohteiden moninaisuudesta.
Lajityypit ja tarraetikettien sijoittuminen niiden joukkoon on esitetty kaavion avulla ku
vassa 2 (Hall 1994). Etiketit jaetaan kahteen perusryhmään, esiliimattomiin ja esiliimat- tuihin sen perusteella onko niissä valmiiksi asennettua sideainetta vai ei. Esiliimattomat pitävät sisällään liimattavat, kutistettavat ja kappalevalussa yhdistettävät, kun taas esi- liimatut pitävät sisällään tarrat eli itseliimautuvat, kuuma-tarttuvat ja kostutettavat. Sa
moin kuin lajityypit niin myös etikettien asennustavat vaihtelevat suuresti. Liimattomis- ta etikettimateriaaleista liimattavat tartutetaan märällä liimalla, kutistettavat kutistetaan lämmöllä kappaleeseen sopiviksi ja kappalevalussa yhdistettävät asetetaan valumuottiin ennen kappaleen valua. Esiliimatuista etikettimateriaaleista tarrat painetaan paikoilleen suojapaperin poiston jälkeen, kuuma-tarttuvat aktivoidaan tarttumaan lämmöllä ja kostu
tettavat aktivoidaan kostutuksella.
Valussa yhdistettävät
Tarrat eli itseliimautuvat Etiketit
Kuuma -tarttuvat Liimattavat
Esiliimatut materiaalit
Kostutettavat Kutistettavat
Liimattomat materiaalit
Asetetaan valumuottiin ennen kappaleen
valua
Suojaava tausta irrotetaan, asennetaan paineella Tartutetaan
märällä liimalla
Kutistetaan lämmöllä sopiviksi
kappaleeseen
Aktivoidaan tarttumaan
lämmöllä
Aktivoidaan tarttumaan kostuttamalla
Kuva 2 Etikettien lajityypit
2.1.3 Etikettien markkinat
Etikettien kysyntää on kiihdyttänyt vähittäismyynnin kehitys ja lakien vaatiman tiedon kasvu tuotteissa. Aikoinaan juuri valmiiden ruokatuotteiden kasvu sysäsi liikkeelle eti
kettien laajamittaisen käytön. Nyt lisääntyvä ja kehittyvä lainsäädäntö sekä kuluttajien kasvavat vaatimukset ajavat etikettituotantoa eteenpäin. Tilastot osoittavat liimattavien ja kostutetettavien etikettien markkinaosuuksien jatkuvaa laskua erityisesti Euroopassa, missä kasvavat tarrat, kappalevalussa yhdistettävät, kuuma-tarttuvat OPP:t ja kutistetta
vat etiketit (Coleman 1990).
Euroopan etikettimarkkinoiden arvoksi vuonna 1992 arvioitiin 3,5 miljardia dollaria.
Tästä kaksi kolmasosaa oli perinteisillä etiketeillä: liimattavilla, tarroilla, kuuma- tarttuvilla ja kostutettavilla. Yksi kolmasosa oli suoran koristelun tekniikoilla. Vuonna 1994 Eurooppa kulutti 3,8 miljardia neliömetriä etikettien alusmateriaaleja kasvun ol
lessa 3,4 % eli 130 miljoonaa neliömetriä. Euroopan etikettimarkkinoiden kasvun suu
ruudeksi on arvioitu noin 40 % vuodesta 1990 vuoteen 1995 (Print World 1990).
Euroopassa tarraetiketeillä oli vuonna 1992 perinteisellä sektorilla yli 40 % markkina
osuus, jonka ennustetaan kasvavan 60 % vuoteen 2000 mennessä (Packung Transp.
1990 vuoteen 1995 mennessä. Kostutettavien markkinaosuus on myös laskussa (Fairley 1990). Vuosien 1980 ja 1988 välillä tehty Euroopan laajuinen tutkimus osoitti kuuma- tarttuvien laskua 20 % ja tarrojen kasvua 8 % (Jacomini 1990). Kasvua on ollut myös kappalevalussa yhdistettävissä- ja kutistuvissa etiketeissä sekä ympärikäärittävissä muovietiketeissä (Labels Labelling 1991, Packaging News 1991).
Taulukko 1 Etikettien Euroopan markkinat 1992
Maa Miljoonaa US$ Perinteiset Tarrat Markkinaosuus %
Saksa 875 586 235 25
Iso-Britannia 735 492 197 21
Ranska 525 352 141 15
Italia 420 281 113 12
Espanja 350 235 94 10
Benelux-maat 210 141 56 6
Muut 385 258 103 11
Yhteensä 3500 2345 938 100
Taulukko 2 Etikettilajien osuudet perinteisellä sektorilla 1993
Etikettilaji %
Liimattava 50.7
Tarra 44.1
Kostutettava 4.9
Kuuma-tarttuva 0.3
Yhteensä 100
Euroopan markkina-alueen monipuolisuus tuottaa vaihtelevia kehityskaaria erilaisille etiketeille. Seuraavia kehitysvaiheita on huomattu:
• liimattavat hallitsevat markkinoita (51 % perinteisistä etiketeistä), mutta niiden markkina-osuuden ennustetaan laskevan
• tarroilla on 44 % markkinaosuus perinteisistä etiketeistä ja ovat nopeinten kasvava alue
• kostutettavat ovat jatkaneet laskuaan noin 3 % vuodessa
• kuuma-tarttuvat menettävät nopeasti osuuttaan ja voivat kadota markkinoilta koko
naan
• kutistettavat edustavat uutta tekniikkaa, minkä odotetaan kasvavan nopeasti
• kappalevalussa yhdistettävät ovat uutta tekniikkaa varhaisessa vaiheessa, joten ne ovat toistaiseksi liian kalliita
• kuuma-siirtoiset ovat uutta teknologiaa ja toistaiseksi liian kalliita
Digitaalisia tulostusmenetelmiä käytetään lisääntyvästi etikettien valmistuksessa osuu
den ollessa nykyisin noin 20 %. Lämpökirjoitus vastaa 16 % osuudesta kasvaen edelleen voimakkaasti. Lasertulostukselle ennustetaan erityisen ripeitä kasvulukuja.
Elektronisesti tulostetut EDP/tietokone-etiketit ja lämpötulostuksen yhdistelmät, ioni
soivat ja magnetograafiset tulostukset vastaavat nykyään 45 % kaikesta tarrojen tulos
tuksesta ja näiden osuuden ennustetaan kasvavan 60 % vuoteen 1995 mennessä. Suurin kasvu etiketeissä tapahtuukin juuri EDP/tietokone- ja lasertulostuksissa, joissa ennuste
taan 22 % vuotuista kasvua (Fairley 1991). Elektronisten esipainatuslaitteistojen määrä Euroopassa kasvaa noin 40 % vuodessa.
Muutoksia tulee tapahtumaan myös etikettien pintamateriaaleissa ja lisäksi talonsisäiset esipainatukset tulevat entistä tärkeämmiksi varsinkin tarraetiketeissä. Paperin osuus pintamateriaalina on arvoltaan 30-45 % kaikesta tuotannosta. Vinyylin asema on ekolo
gisista syistä yhä tukalampi verrattuna polyetyleeniin (PE-muovi) ja polypropyleeniin (PP-muovi). Suurinta kasvua ennustetaan PP-tarroille, mikä saattaa muutaman vuoden ajan näkyä tuotantokapasiteetin vajauksena.
Taulukko 3 Paperittomat alusmateriaalit tarra-etiketeille
Alusmateriaali 1988 1993
Vinyyli 68 39
Polyesteri 7 5
Polypropyleeni 3 11
Asetaatti 1 3
Synteettiset pap. 2 4
Melloidut filmit 5 5
Polystyreenit 1 11
Lehtimetallit 6 -
Polyetyleeni - 17
Muut 7 5
Yhteensä 100 100
USA:n markkinoilla koettiin 80-luvulla 10-12 % kasvuja samaa luokkaa oleva kasvu on odotettavissa myös 90-luvulla (Kucsma 1990). Markkinoiden arvoksi arvioitiin 1992 3,5 miljardia dollaria eli sama kuin Euroopassa. Myös kasvuun ovat vaikuttaneet samat syyt kuin Euroopassa eli tuotekehittelyjä lainsäädännön kehittyminen (Burroughs 1993).
Taulukko 4 Etikettien kysyntä USA:ssa 1992
Laji %
Liimattavat 52
Tarrat 41
Kostutettavat 5
Muut 2
Yhteensä 100
Tarraetikettien kasvu on nopeinta ja ne lisäävät markkinaosuuttaan varsinkin liimattavi
en etikettien kustannuksella. Tarraetiketit sopivat hyvin nopeille etiketöintilinjoille, koska ne eliminoivat erillisen liiman ja liimauslaitteiston tarpeen tuotantolinjalla. Tie
tyillä alueilla, mukaanlukien erikoistuotteet ja viivakoodit tarraetiketit ovat päässeet hallitsevaan asemaan markkinoilla.
Etikettien käyttö on jaettavissa kolmeen alueeseen: tuotteen tunnistus, tiedon käsittelyjä erikoissovellukset. Tuotteen tunnistuksessa avautuvat tällä hetkellä suurimmat mahdol
lisuudet johtuen kulutustavaramarkkinoiden tarpeesta saada yhä näyttävämpiä etikettejä ja toisaalta teollisuuden tarpeista seurata yhä tarkemmin tuotannon materiaalivirtoja.
Mahdollisia uhkia etiketeille ovat suora muste- tai matriisitulostus (PrePress 1991).
Tavallisten kuluttajien odotukset etikettejä kohtaan ovat lisääntyneet (Spaulding 1992).
Etikettien odotetaan tarjoavan enemmän ja tarkempaa tietoa tuotteista, mikä lisää tulos
tusominaisuuksien merkitystä.
USA:ssa on yli sata valmistajaa, mutta muutamat suuret hallitsevat markkinoita. Hallit
sevuus korostuu, koska suuret valmistajat usein valmistavat itse myös etikettien alusma- teriaalin. Määrällisesti suurin osa valmistajista on kuitenkin pieniä jalostukseen pyrkiviä yrityksiä, jotka hankkivat materiaalinsa vapaasti markkinoilta.
Tulevaisuuden suuntaviivat ovat näkyvissä, mutta on vaikea ennustaa jatkuuko 90-luvun alkupuolen nopea muutos. Liimattavien, esiliimattujen ja kuumatarttuvien etikettien osuus laskee edelleen, mutta mahdollisesti hitaammin kuin aikaisemmin. Tarraetikettien markkinaosuuden kasvu saattaa hidastua uusien menetelmien, kutistettavien ja kappale- valussa yhdistettävien, kehittyessä. Markkinat sirpaloituvat ja eriytyvät edelleen, koska asiakkaiden laatu ja palveluvaatimukset kasvat. (Smith 1990)
2.2 Tuotanto
2.2.1 Tarralaminaatin rakenne
Tarralaminaatti muodostuu kuvan 3 esittämällä tavalla pintapaperista (n. 80 pm), tarra- liimasta (n. 15 pm), silikonista (n. 1 pm) ja taustapaperista (n. 60 pm). Painatus tulee pintapaperille, joka voidaan irrottaa taustapaperista silikonoinnin ansiosta ja kiinnittää sijoitusalustalleen ilman apuvälineitä. Taustapaperi toimii pohjana silikoni- ja liimaker- roksille. Silikonoitua taustapaperia kutsutaan irroke- tai silikonipaperiksi. Se toimii kantavana taustamateriaalina tarralaminaatin valmistus- ja jalostuskoneilla sekä etike- töinnissä. Irrokepaperin tehtävänä on myös antaa ryhtiä ja toimia välillisesti liimaker- roksen suojana. Kun valmis tarraetiketti siirretään lopulliselle alustalleen, silikonoitu irrokepohjapaperi on tehtävänsä tehnyt (Turva 1988).
Pintamateriaali
Liima Silikoni
Taustamateriaali
Kuva 3 Tarralaminaatin rakenne
2.2.2 Tarraliimat
Tarraliimat o vat mm. etikettien pinnalla käytettyjä pysyvästi korkeaviskositeettisia kal
voja. Viskoelastisen ominaisuutensa vuoksi ne tarttuvat lähes kaikkiin pintoihin, mutta ovat usein myös kohtuullisen helposti irrotettavissa. (Jansson 1985)
Perinteisesti tarraliimat jaetaan kolmeen ryhmään (Koehler 1989):
1. liuotinpohj aiset tarraliimat 2. vesipohjaiset tarraliimat 3. hot-melt tarraliimat
Prosessien, ympäristövaatimusten ja tarraliimojen kehittyminen on johtanut siihen että menetelmistä selvä ja suurin häviäjä on liuotinpohj aiset tarraliimat. Monilta tuotesekto- reilta se on hävinnyt jo kokonaan, esimerkiksi tavanomaisista etiketeistä, mutta eräillä tuotesektoreilla, missä erikoisesti tarvitaan suurta koheesiota ja hyvää pitävyyttä se on edelleen käytössä.
Vesipohjaiset tarraliimat ovat yleisimmin akryylipohjaisia vesidispersioita ja ekologi
sesti parempia kuin liuotinpohj aiset liimat, vaikkakin akryylillä on haitallinen taipumus hajota muovitarrojen yhteydessä esiintyvissä uudelleen kierrätysprosesseissa. Vesipoh
jaiset akryyliliimat ovat taloudellisesti myös hyvin edullisia varsinkin silloin, kun suur
yritykset valmistavat niitä itse akryylilateksipuolivalmisteista. Akryylipohjaisilla tarra- liimoilla on myös hyviä laatuominaisuuksia, mutta vastaavasti niiden tuotantolaitteistot ovat erittäin kalliita ja kokonaisinvestointikulut siten suuret.
Hot-melt tarranvalmistusmenetelmä on viime vuosina ollut suurin voittaja ja tämä kehi
tyskulku tulee todennäköisesti jatkumaan. Tähän on useita syitä, mistä ehkä tärkein on pienet investointikulut. Tästä johtuen hot-melt teknologia sopii erikoisen hyvin pienille yrityksille, mutta se on käytössä myös suurissa yrityksissä. Menetelmä on ekologisesti erittäin hyvä ja sopii hyvin kierrätykseen myös polyeteenimuovitarrojen kanssa, mikä on eräs merkittävimpiä tulevaisuuden kehityssuuntia.
2.2.3 Tarralaminaatin valmistusprosessi
Tarralaminaatti voidaan valmistaa joko erillis- tai yhteisajossa (Lamminmäki 1992).
Erillisajossa taustapaperin silikonointi ja tarraliiman levitys suoritetaan erikseen. Yh
teisajossa molemmat osaprosessit yhdistetään samaan prosessiin. Tässä työssä keskity
tään yhteisajoon kuvan 4 mukaan.
Kuivausuunit
Pintapaperi Liimahuuli
Laminaattori
Taustapaperi Valmis rulla
Silikoniasema
Kuva 4 Tarralaminaatin valmistusprosessi
Prosessissa on aukirullaukset tausta- ja pintapaperia varten sekä kiinnirullaus valmista tarralaminaattia varten. Taustapaperi johdetaan aukirullauksestaan silikoniasemalle, jos
sa silikonia levitetään noin yksi gramma neliömetrille. Seuraavaksi rata johdetaan kuiva- tusuuniin, jossa silikoni verkkoutetaan 130-160°C lämpötilassa. Silikonin verkkoutumi- sen ja kiinnittymisen jälkeen paperirata vielä kostutetaan rasteritelalla oikean loppukos- teuden saavuttamiseksi. Silikonoinnin ja jälkikostutuksen jälkeen paperirata johdetaan liima-asemalle, jossa tarraliima levitetään silikonipaperin päälle liimahuulella hot-melt teknologiaa käyttäen. Tässä menetelmässä tarraliima saa juoksevan muodon 130-180°C lämpötilassa, jolloin työstöviskositeetti on tyypillisesti 5000-30000 cps. Päällystyspro- sessissa tarraliimaa syötetään huuliraon kautta mahdollisimman tasaisena esimerkiksi 18 g/m2 kerroksena silikonipaperin päälle.
Lopullisesti tarralaminaatti muodostuu laminaattorilla, missä edellä kuvattu tarraliima- päällysteinen silikonipaperi laminoidaan pintamateriaalin kanssa. Pintamateriaaleista yleisin on paperi. Laminointihetkellä ovat tärkeitä tekijöitä ratamateriaalien oikeat kos-
teudet, ratakireydet ja laminointikidan puristuspaine. Laminoinnin jälkeen tuote valmis
tuu kiinnirullauksessa ns. konerullaksi, mikä sitten rullakoneilla leikataan asiakasrullik- si.
Valmistusprosessissa hot-melt tarraliiman lämpötilaa voidaan säätää eri kohdissa: tyn- nyrisulattimessa, pääsulattimen syöttöletkussa, pääsulattimessa kahdessa vaiheessa, lii- mahuulen syöttöletkussa, suodattimessa sekä liimahuulessa keskellä ja molemmissa päissä erikseen (kuva 5). Tynnyrisulatin on itsenäinen laite, johon liimatynnyri tuodaan.
Tynnyrisulattimessa kuuma levy työntyy tynnyriin ylhäältä alaspäin samalla kun tynny- risulattimen oma pumppu siirtää sulanutta tarraliimaa syöttöletkuun. Pääsulatin toimiin varsinaisena tarraliiman sulatusaltaana sekä lämpötilojen mittauksien ja säätöjen kes
kuksena.
Liimahuuli
Tynnyrisulatin Pääsulatin
Kuva 5 Sulateliiman käyttö
Kun tarraliima levitetään liimahuulella irrokepaperille, on sillä siis takanaan tietynlainen lämpöhistoria (taulukko 5). Lämpöhistoria saattaa vaikuttaa liiman levityksen onnistu
miseen, vaikka itse liimahuulen lämpötila pysyisi vakiona. Koska lämpötilaa nostetaan lämpövastuksilla, saadaan lämpötilan nousu suhteellisen nopeasti aikaan. Sen sijaan lämpötilan alentaminen on hidasta, koska mitään erillistä jäähdytysjärjestelmää ei ole.
Tällaisessa lämpötilaketjussa suositellaan, että liiman lämpötila nostetaan portaittain lopulliseen käyttölämpötilaan (Gerkman 1985).
Taulukko 5 Sulateliiman lämpöhistoria
1 Tynnyrisulatin 2 Syöttöletku 1 3 Pääsulattimen yläosa 4 Pääsulattimen alaosa 5 Syöttöletku 2 6 Suodatin 7 Liimahuuli
Liimahuuli on esitetty kuvassa 6, jossa liimahuuli on ylhäällä edestä ja alhaalla sivulta nähtynä. Liimahuuli ohjataan pneumaattisesti radan lähelle päällystysasentoon ja kau
emmas vapaaseen asentoon on/off-kytkimellä. Varsinainen liimahuulen asennon säätö suoritetaan säätöruuveilla, joissa on lukitukset. Säätöruuvit on erikseen liimahuulen etäisyyttä, kulmaa ja kallistusta varten. Liimahuulen pneumaattinen ohjaus ei vaikuta säätöruuvien arvoihin.
Kuva 6 Liimahuuli
Liimahuulen yläosassa on liitäntä syöttöletkuun sekä suodatin. Liimahuulen sisällä kul
kee kanavisto, joka oikein säädettynä jakaa liiman tasaisesti koko huuli aukon matkalle.
Kanaviston säätöön ei yleensä ajon aikana puututa, vaan kyseessä on luonteeltaan lähin
nä kunnossapito-ja kalibrointi tehtävä. Huuliaukon korkeus on noin 1 mm ja sen leveyt
tä säädetään tavallisesti mekaanisesti reunoilla näkyvistä käsipyöristä. Huuliaukon leve
yden säätö voidaan haluttaessa myös automatisoida. Liimahuulen sisälle on sijoitettu lämpövastuksia, joilla liimahuulen lämpötilaa voidaan säätää vyöhykkeittäin. Liimahuu
len lämpötilaa mitataan automaattisesti sen sisälle sijoitetuilla lämpötila-antureilla. Li
säksi lämpötilaa voidaan mitata manuaalisesti kuvassa nähtävistä mittauspisteistä, joita on noin 5 cm välein.
2.2.4 Tuotannon kehitys
Tarralaminaattien ja etikettien valmistuksessa käytettävien materiaalien suhteen on saa
vutettu 1970-1995 monia parannuksia eri puolilla maailmaa. Esimerkiksi lasertulostuk- sen kasvaminen merkittävään kokoluokkaan on johtanut erityisesti sille kehitettyjen materiaalien syntymiseen (Iwaszuk-Skulavik 1992).
Etikettien pintamateriaalit luokitellaan mm. seuraavien ominaisuuksien perusteella: pin
nan ominaisuudet, päällysteet ja käsittelyt. Jalostuksen ja tulostuksen vaatimukset vaih- televat olemassa olevien ja uusien etikettikonstruktioiden vaatimusten mukaan.
Paperipohjaiset pintamateriaalit ovat jatkossakin tärkeä alue, jonka kehitys jatkuu. Ylei
sesti paperipohjaiset materiaalit jaetaan päällystämättömiin, päällystettyihin, kiiltäviin lämpöherkkiin ja kopioiviin ryhmiin. Erikoisrakenteisia etikettejä pidettiin aikoinaan välttämättöminä lasertulostukselle, mutta tavallisia standardin mukaisia papereita on nyttemmin onnistuttu käyttämään myös nopeissa tuotantokoneissa (Miller 1991). Ym
päristönsuojelun kannalta paremmat iriodiinipigmentoidut kreppipaperit ovat korvan
neet alumiinilehdet (Brauwelt 1991). Käytössä kulutusta kestävät, mutta tarvittaessa poispestävät etiketit ovat tulleet markkinoille. Ne voidaan käytön jälkeen pestä pois kemiallisella yhdistelmällä. Paperipohjaiset materiaalit saattaisivat hyötyä tarrojen kas
vavilla markkinoilla tästä menetelmästä, jolla kyettäisiin kierrättämään jätemateriaalia (Fairley 1992).
Synteettiset kalvot kuten polyvinyylikloridi, polyetyleeni, polypropyleeni, polystyreeni ja polyesteri ovat nopeimmin kasvavia synteettisiä etiketöintimateriaaleja johtuen nykyi
sestä pyrkimyksestä saada etiketti ja pakkaus kierrätettäviksi, näyttämään yhdeltä ja sa
malta tuotteelta sekä niiden kyvystä päällystää epäsäännöllisiä pintoja (Hunt 1992).
Näitä uusia materiaaleja toimitetaan tällä hetkellä etikettien rullatulostimille. Yleisem
minkin synteettiset kalvot, joista tärkeimmät ovat HOPE, LDPE, PP-homopolymeeri ja PP-kopolymeeri, vakaavat markkinoita. Kierrätysmenetelmät suosivat niitä, koska lii
maa on vaikempi erottaa paperista kuin synteettisestä materiaalista. Usein liima voidaan myös kierrättää yhdessä polymeerien kanssa. Esimerkiksi Iso-Britannian markkinoilla näiden kalvojen osuus on 20 % volyymistä ja 40 % arvosta kasvuvauhdin ollessa 10-15
% vuodessa (Bateson 1991). Japanissa polymeeritarraetikettien osuus on jo yli 60 % markkinoiden arvosta ja edelleen kasvussa.
Orientoitu polypropyleeni (OPP) kasvattaa suosiotaan tulostusalustana, koska sillä on hyvä vetolujuus, repäisylujuus ja mittapysyvyys. OPP kestää myös hyvin kosteutta, hap
poja ja öljyjä (Packaging News 1992). Vinyylietikettien laskeva kysyntä on seurausta polyvinyylikloridin (PVC) huonosta kierrätettävyydestä. PVC:n markkinointia vaikeut
tavat siihen usein kohdistuvat myrkyllisyysepäilyt. Tilalle on kuitenkin kehitetty vas
taavien ominaisuuksien tuote, joka on helpommin kierrätettävissä. Polyeteeni (LDPE, MDPE, HDPE) ja polypropeeni (PP) ovat vaihtoehtoja PVC:Ile ja niitä markkinoidaan kiiltävänä kirkkaana, kiiltävänä valkoisena ja metalloituna laatuna. Kirkkaan ja valkean markkinaosuus PE/PP-ryhmässä on yli 95 %. Kierrätyksessä on havaittu että etikettima- teriaalia saa olla jopa 3,75 % kaikesta massasta ja vielä saadaan käytännössä uuden ve
roista korkean tiheyden polyetyleeniä. Polyesteri on edelleen käytössä oleva materiaali, mutta sen korvaavia uusia erikoispolyestereita on kehitteillä. Samalla tuotteella väite
tään olevan myös tulostusprosessin kannalta erinomaiset ominaisuudet (Material Hand
ling News 1992). Ty vek on vanha materiaali, jota on käytetty erityisesti lujuutta vaati
viin etiketöintikohteisiin. Se on 100 % valkoista HDPE:tä, myrkytön, kemiallisesti rea
goimaton, kierrätettävä ja saatavilla neliöpainoilla 43-110 g/m2. Se koostuu kiertyneet kuidut yhteen sitovista säikeistä, jolloin sille muodostuu erittäin suuri lujuus kaikkiin suuntiin (Holland 1992).
Taustamateriaaleista voidaan todeta että silikonipäällysteet voidaan nykyisin toteuttaa joko lämpö- tai säteilykypsennyksellä (Greenway 1991). Tiheiden taustapapereiden tuotanto on noussut USA:ssa nopeasti johtuen tietokone- ja lämpötulostusten kasvusta (Recycled Paper News 1993). Nykyisin myös muovikalvoja käytetään irroketaustoina erityisesti tarraetiketeissä ja teipeissä. Esimerkikisi OPP:ta on ryhdytty käyttämään paitsi pintamateriaalina, niin myös irrokepohjamateriaalina.
3 H ot - melt tarrateknologia
3.1 Hot-melt prosessimekaniikka
Hot-melt tarraliimat tulevat käyttäjälle useinmiten käyttövalmiina sekoitteina joko kap
paletavarana tai tynnyreissä. Vaihtoehtoisesti käyttäjä voi itse tehdä hot-melt sekoitteita.
Tarraliima sulatetaan joko allastyyppisellä sulatuslaitteella tai tynnyrisulatuslaitteella lämpötilaan 140-170 °C, jolloin se muuttuu kiinteästä juoksevaksi. Tämän jälkeen tar
raliima pumpataan tarkkaan annosteluun pystyvällä menetelmällä, esim. hammasratas- pumpulla, sihtien kautta lämpötilasäädettyyn syöttöletkuun ja sitä kautta levityslaittedle.
Hot-melt teknologiassa käytetään kahden tyyppisiä levityslaitteita (Kupfer 1988):
1. Telalevityslaitteet 2. Huulilevityslaitteet
Tarrateknologian puolella huulilevityslaitteet ovat hallitsevia erikoisesti sen takia, että niissä voidaan käyttää hyvin korkeita viskositeetteja aina 50000 cps asti ja ylikin. Kor
keisiin viskositeetteihin liittyy määrättyjä hyviä ominaisuuksia kuten pitävyys, lämpöti
lan kesto, koheesio ja eräät prosessiominaisuudet. Normaali käyttöviskositeetti on yleensä 5000-30000 cps ja kompromissi useista eri tekijöistä.
Liimahuulen silikonipaperin päälle levittämän liimakerroksen profiilin ja mikrotason tasaisuuden suhteen merkittävin tekijä on liimahuulen mekaniikka. Liimahuulella teh
dään perusasetukset ja tässä vaiheessa tehdään yleensä suurimmat virheet. Päällystystu- lokseen vaikuttavat seuraavat mekaaniset tekijät sekä niiden monimutkaiset yhteisvaiku
tukset:
1. Huulen etäisyys taustatelasta ja tämän etäisyyden tasaisuus. Kun tarraliimaa syötetään silikonipaperille taustatelaa vasten, syntyy vastapaine, mikä pienen
tää liiman virtausta. Vastapaineen vaikutus voidaan pienentää hyvin vähäi
seksi kasvattamalla huulen etäisyyttä vastatelasta. Tällöin useinmiten liiman
pituussuuntainen vaihtelu kasvaa ja liimakerroksen mikrotason laatu huono
nee.
2. Huulen kulma vastatelan kosketuskohdan tangenttiin nähden. Kokemusperäi
sesti tiedetään, että yleensä saadaan parempi profiili helpommin suurilla kulmilla.
3. Huulen kallistus vastatelan akselin suhteen. Huulen kallistusta käytetään hy
väksi silloin, kun keskelle rataa leviää liikaa liimaa. Käytännössä kallistus johtaa usein siihen, että yhden isomman profiilivirheen tilalle syntyy kaksi pienempää profiilivirhettä, mikä on yleensä siedettävämpi tilanne. Liimahuul- ta ei oikeasti tulisi tarkoituksella säätää vinoon, koska tällä pystytään vain kompensoimaan jotain muuta prosessivirhettä. Kallistuksen jälkeen prosessis
sa on sitten ainakin kaksi virheellistä säätöä, jotka kuitenkin kompensoivat toisiaan. Tällainen tilanne ei tietenkään ole suotava ja huulen sekä teoreetti
sesti, että käytännössä oikean asennon tulee olla tarkka samansuuntaisuus vastatelan akselin suhteen.
4. Tarraliiman virtausnopeudet juuri ennen huuliaukkoa. Huulen kanavistossa on mekaaniset säätöruuvit, joilla voidaan säätää virtausnopeuksia syöttöka- navissa juuri ennen huuliaukkoa. Käytännössä säätöruuveilla säädetään pur- kautumispainetta huuliaukossa. Paineeseen tietyssä huulen kohdassa vaikuttaa useampi säätöruuvi siten että lähimmän säätöruuvin vaikutus on suurin. Käy
tännössä säätöruuvien asentoja ei juuri muuteta, sillä korjattaessa profiilia niiden avulla on suuri vaara, että profiilin hallittavuus menetetään täysin. Toi
saalta on myös selvää, että säätöruuvien tulee olla oikeassa asennossa, jotta saadaan hyvä profiili. Korkea- ja matalaviskoottisilla liimoilla säätöruuvien oikeat asennot ovat mahdollisesti erilaiset. Tarraliiman virtausnopeuden sää
dössä tavoitteena on tarraliiman ja taustapaperin nopeuseron oikea säätö. Oi
kea arvo tarraliiman nopeudelle on joko hieman tai mahdollisesti huomatta
vastikin alhaisempi kuin taustapaperin nopeus. Tällöin taustapaperi ja tausta- paperilla oleva tarraliima vetävät sopivasti tarraliiman polymeeriketjuja, millä on profiilia oikaiseva vaikutus. Jos tarraliiman nopeus on liian pieni verrattu
na taustapaperin nopeuteen, on mahdollista että tilanne on hallitsematon.
5. Taustatelan tasaisuus. Paperiradan reunoilla on taipumus kuluttaa kumiseen taustatelaan uria, joiden kohdalla vastapaine on muita kohtia pienempi. Näi
hin kohtiin virtaa pienemmästä vastapaineesta johtuen enemmän tarraliimaa.
Taustatelan aiheuttamia profiilivirheitä voidaan kompensoida huulen etäisyyt
tä ja kallistusta säätämällä, mutta niitä ei voida poistaa kokonaan.
3.2 Lämpötilan vaikutus
Tarraliiman profiilin ja pinnan laadun muodostumisessa lämpötilalla on tärkeä osuus johtuen lämpötilan vaikutuksesta hot-melt tarraliiman viskositeettiin ja mahdollisesti myös lämpötilan vaikutuksesta tarraliiman koheesioon työstölämpötilassa.
Tarraliimaprofiili muodostuu huulen aukko-osassa huulen ja taustatelan yhteisestä me
kaanisesta vaikutuksesta. Tilanteessa missä huuliaukko on rataa vasten yhtäsuuri sekä taustatela että silikonipaperi ideaalitilassa, tarraliiman pursotusnopeuden määrää huulen sisällä oleva paine. Tämä paine ja painejakauma muodostuu hammasrataspumpun ja huuliosan vastuksen vaikutuksesta, mihin jälkimmäiseen vaikuttaa erikoisesti tarralii
man viskositeetti. Hot-melt tarraliimat on rakennettu siten että niillä on erikoisen suuri viskositeetin muutos alueella 140-180 °C, jolloin niiden viskositeetti on alueella 5000- 30000 cps. Lämpötila-alueella alle 120 °C tarraliima muuttuu jo joustavaksi ja lämpöti
la-alueella yli 180 °C alkaa tarraliiman voimakas hajoaminen.
Tyypillisesti profiilin säätöä lämpötilan avulla tehdään muutoksilla, jotka ovat 3, 5, 10 tai 15 °C ja muutos myös nähdään melkein aina konerullan tasaisuudessa, mikä on toi
nen tärkeä peruste hyvän liimapinnan laadun lisäksi. Tyypilliset liimahuulen ajolämpöti- lat ovat 155-160-165 °C. Liimahuulta edeltävien sulatuslaitteen ja syöttöletkun lämpöti
lat ovat yleensä välillä 150-160 °C. Liimahuulen ja sitä edeltävien vaiheiden lämpötila
erot saattavat vaikuttaa siihen, että liimahuulen lämpötilasäädön vaikutusta ei aina saada esille. Todennäköisesti lämpötilan säädön vaikutus on järkevimmillään silloin, kun Hi
rn ahuuleen tulevan liiman lämpötila on 5-15 °C alle liimahuulen alimman käytössä ole
van lämpötilan.
Tuotantoajon alkuvaiheessa lämpötilan vaikutus on aina jossain määrin hallitsematon ja vasta useiden minuuttien kuluttua ajon alusta saavutetaan tasapainotila. Tämä realiteetti vaikeuttaa jossain määrin lämpötilan käyttöä profiilin säädössä.
Yleisesti ottaen voidaan todeta että alemmat lämpötilat ja korkeammat viskositeetit an
tavat yleensä paremmat profiilit. Vastaavasti taas korkeammat lämmöt ja alhaisemmat viskositeetit antavat helpommin paremman pinnan laadun.
3.3 Hot-melt tarraliimojen rakenne
Hot-melt tarraliimoissa on tyypillisesti 5-15 erilaista raaka-ainetta ja ne valitaan yleensä sekä kokemusperäisen harjoittelun että teknisen tiedon perusteella maailmassa yleisesti esiintyvien noin 100-200 raaka-aineen joukosta.
Hot-melt tarraliima rakennetaan komponenteista pääosin seuraavien tavoitteiden mää
räämällä tavalla (Wilkins 1992):
1. Adheesio (liiman tartunta)
2. Koheesio (liiman sisäinen lujuus) 3. Prosessikäyttäytyminen
Hot-melt tarraliimojen perusaineet ryhmitellään usein neljään ryhmään seuraavasti:
1. Runkoaines. Useimmiten joko etyylivinyyliasetaattikopolymeeri, polyeteeni tai sekoitus näistä, mihin on vielä voitu liittää pitkiä luonnon polymeerejä.
Nämä vaikuttavat erityisesti prosessikäyttäytymiseen ja koheesioon.
2. Hartsit. Luonnonhartsit tehdään usein mäntyöljyjohdannaisista. Keinohartsit jotka ovat öljy- ja kemianteollisuuden tuotteita. Hartseilla tehdään erityisesti liiman adheesio, mutta ne vaikuttavat merkittävästi myös prosessikäyttäyty
miseen.
3. Vahat. Vahoilla vaikutetaan täsmentävästi kaikkiin ominaisuuksiin: adheesi
oon, koheesioon ja prosessikäyttäytymiseen. Vaharyhmiä ovat parafiinit, mik-
rovahat, orgaaniset- ja luonnonvahat, synteettiset vahat sekä pienen molekyy- lipainon polyeteenit.
4. Lisäaineet. Lisäaineilla kuten antioksidanteilla ja plastisointiaineilla tarralii- ma viimeistellään mahdollisimman käyttökelpoiseksi.
Normaalisti riittävä adheesiotaso on pienin ongelma, mutta sen sijaan säädetty adheesio- taso, irroitettavat liimatuotteet ja riittävä koheesio muodostavat merkittävän ongelma
kentän. Prosessikäyttäytyminen on tärkeää ajettavuuden, liimaprofiilin muodostumisen ja liimapinnan laadun kannalta. Näistä kaikkein tärkein tekijä on ehkä hot-melt tarralii- man rakenteen vaikutus profiilin muodostumiseen johtuen monimutkaisesta viskositee
tin, koheesion, leikkaus voimien ja lämpötilan yhteisvaikutuksesta.
4 L iimaprofiilin muodostuminen
4.1 Vaihtelun tyypit
Tarraliima leviää irrokepaperille liimahuulen aukon suunnassa tietyllä suuruudella ajan t funktiona. Liiman leviäminen irrokepaperille on lopputulokseltaan kolmiulotteinen ta
pahtuma: liima leviää tasolle (XY) vaihtelevalla suuruudella (Z). Liiman määrän vaihte
lut voivat olla joko systemaattisia tai satunnaisia ja liiman määrä voi vaihdella sekä poikki- että konesuunnassa. Ajan suhteen vaihtelut voidaan jakaa neljään ryhmään (Tapio 1990): erittäin lyhyen-, lyhyen-, keskipitkän-ja pitkän aikavälin vaihtelut. Pitkän aikavälin muutoksilla tarkoitetaan yli 2 minuutin viiveellä tapahtuvia muutoksia. Muu
tokset saattavat kestää tunteja ja jopa vuorokausia ja niihin puututaan laadunohjauksella.
Keskipitkän aikavälin muutokset tapahtuvat välillä 1 s - 2 min ja niihin puututaan pro
sessinohjauksella. Instrumentointi ja siihen liittyvä ohjaus sijoittuu keskipitkän ja lyhyen aikavälin muutosten rajalle. Lyhyen aikavälin (0,01-1 s) muutoksia ei voida ohjata, joten niiden kohdalla joudutaan tyytymään valvontaan. Erittäin lyhyet muutokset (0,0001-0,01 s) voidaan havaita ainoastaan tarkoissa laboratoriomittauksissa.
Laadunohjaus Prosessinohjaus Instrumentointi Ajonvalvonta Laboratoriotestit
Erittäin lyhyt
0.0001 s 2 min
Kuva 7 Vaihtelu ajan suhteen
Sulateliiman neliöpainon kokonaisvaihtelu voidaan jakaa kolmeen osakomponenttiin, jotka ovat konesuuntainen vaihtelu, poikkisuuntainen eli profiilivaihtelu ja jäännösvihte-
lu (Sipilä 1990).
=öL+öp+ö5 (1)
Poikkisuunnan vaihtelulla (kuva 8) tarkoitetaan radan poikkisuunnassa tapahtuvaa sula
teliiman määrän vaihtelua. Sen hallinta on oleellinen osa tarralaminaatin valmistuspro
sessia. Usein käyttö- tai hoitopuolella on väärä määrä liimaa. Joskus tilanne on sellainen että keskustassa on liikaa tai liian vähän liimaa. Lisäksi esiintyy kapeita muutaman senttimetrin ja jopa millimetrin tai allekin levyisiä virheitä. Osa poikkisuunnan vaihte
lusta ja etenkin virheistä on visuaalisesti havaittavissa, mutta osan havaitsemiseen tarvi
taan on-line mittapää.
Kuva 8 Poikkisuunnan vaihtelu
Konesuunnan vaihtelulla (kuva 9) tarkoitetaan koneen pituussuunnassa tapahtuvaa vaihtelua. Liiman määrä voi olla erisuuri esimerkiksi rullan alussa, keskellä ja lopussa.
Vaihtelu voi olla myös huomattavasti tiheämpää ja syklistä. Vain erittäin selkeissä tapa
uksissa voidaan konesuunnan vaihtelu havaita visuaalisesti.
Kuva 9 Konesuunnan vaihtelu
Satunnaisvaihtelut (kuva 10) eivät hot-melt teknologiassa yleensä ole kovin suuria. Ne esiintyvät sekä poikki- että koneensuunnassa ja aiheuttavat lähinnä pienen lisävaihtelun prosessin varsinaisista tekijöistä riippuviin poikki-ja konesuunnan vaihteluihin.
Kiev a 10 Satunnaisvaihtelu
4.2 Vaihtelun tekijät
Seuraavassa on esitetty liimaprofiilin vaihtelun tekijät kootusti. Yhteenvetona voidaan todeta että liiman määrän ja laadun vaihtelu aiheutuu erittäin monimutkaisesta eri teki
jöiden yhdistelmästä, mistä johtuen profiilin hyvä hallinta on tuskin mahdollista ilman on-line mittausta. Kokemusperäisillä säädöillä voidaan saavuttaa hyviäkin tuloksia ja jopa erittäin hyviä tuloksia. Ratkaisevaa parannusta kuitenkin tarvittaisiin prosessin
käynnistämisen sekä ajon aikana ilmaantuvien ongelmien korjauksen nopeuttamiseksi.
1. Huulen mekaniikka
1.1. Huulen etäisyys taustatelasta ja tämän etäisyyden tasaisuus 1.2. Huulen kulma kosketuskohdan tangenttiin nähden
1.3. Huulen kallistus
1.4. Tarraliiman virtausnopeudet juuri ennen huuliaukkoa
1.4.1. Tarraliiman virtausnopeuden ero taustapaperin nopeuteen 1.5. Taustatelan tasaisuus
2. Tarraliiman lämpötila 2.1. Lämpöhistoria
2.2. Liimahuulen lämpötila 3. Hot-melt tarraliima
3.1. Liimojen leviämisen ja säätöominaisuuksien erot
5 M ittaus - ja säätöjärjestelmät
5.1 Yleistä
Koska tarraliiman levitys on tarralaminaatin valmistusprosessin tärkein osaprosessi, vaikuttavat tarraliiman profiilin mittaus ja säätö oleellisesti tuotannon laatuun ja jalos- tuskoneen tuottavuuteen. Tarraliiman levityksen onnistumisella on suoria yhteyksiä ta
loudellisiin tekijöihin. Mittaus- ja säätöjärjestelmä kannattaa yhdistää jalostuskoneen prosessiasemaan, johon siten integroituvat tuotannonohjaus, laadunohjaus, profiilin mittaus ja säätö sekä yleinen prosessinohjaus. Mittausjärjestelmään voidaan käyttää beeta- tai infrapunasäteilyyn perustuvia mittapäitä, jotka kulkevat jatkuvasti radan yli.
5.2 Taloudelliset tekijät
Vaikka kehittynyt mittaus- ja säätöjärjestelmä tarjoaa houkuttelevia teknisiä ominai
suuksia, on tällaiseen investointiin myös selviä taloudellisia perusteita. Kolmenlaisia säästöjä voidaan löytää:
1. raaka-ainesäästöt
2. hylkymäärän vähenemisen säästöt 3. työajan säästöt
Kuvan 11 mukainen raaka-ainesäästö on ilmeinen, kun prosessin hajonta pysyy pienem
pänä tarkemman mittauksen ja säädön avulla (Betacontrol). Myös hylyn määrä vähenee, kun prosessi on paremmin hallinnassa. Työaikaa säästyy parhaimmillaan huomattavasti, koska prosessin käynnistäminen on ratkaisevasti helpompaa on-line mittaus- ja ohjaus
järjestelmän avulla. Syntyvän tuotannon arvo saattaa myös nousta, koska se on tar
kemmin ja tasaisemmin säädetty asiakkaan toivomusten mukaan. Nämä kaikki tekijät vaikuttavat lopulliseen tuottavuuden kasvuun, mikä voidaan arvioida vain summittain.
Toleranssialue
◄ >
Alaraja Tavoitearvo Yläraja
Hyvin säädetty
Huonosti säädetty
Raaka-ainesäästöt
Kuva 11 Liiman neliöpainon jakautuminen ja raaka-ainesäästöt
Liiman neliöpainon tarkka tietäminen mahdollistaa tarralaminaatin valmistuksen lähem
pänä alempaa toleranssirajaa (kuva 12), mikä johtaa kasvaviin raaka-ainesäästöihin.
Raaka-ainesäästön merkitys riippuu raaka-aineen hinnasta ja saavutetusta säätötulokses- ta. Mitä pienempi on valmistuksen hajonta, sitä lähemmäs toleranssirajaa voidaan tavoi
tearvo laskea. Edellisen hyödyn lisäksi vähenee hylyn määrä. Mikäli kunnollista mitta
us- ja ohjausjärjestelmää ei ole, jakautuu prosessin tulos suurelle alueelle tavoitearvon molemmin puolin. Liiman neliöpainot saattavat vaihdella esimerkiksi välillä 14-26 g/m2, mikä johtaa huonoihin tuloksiin. Toleranssien ulkopuolinen tuotanto joutuu hyl
kyyn. Jos prosessi stabiloidaan mittaus- ja säätöjärjestelmällä, saavutetaan pienempi liiman neliöpainon hajonta. Automaattinen säätöjärjestelmä on suositeltava, mutta ei välttämätön. Tarkka mittausjärjestelmä voi antaa riittävät tiedot prosessin manuaaliseen säätöön. Toisaalta automaattinen säätö saitaa olla myös vaikeasti rakennettavissa.
Toleranssialue ► Yläraja
<
Alaraja Tavoitearvo
Hyvin säädetty
Huonosti säädetty
Raaka-aines äästöt
Kuva 12 Liiman neliöpainon tavoitearvon siirto kohti toleranssin alarajaa
Tärkeä mittaus- ja säätöjärjestelmän vaikutus on myös asetus- ja käynnistyaikojen lyhe
neminen prosessin ylösajossa ja lajin vaihdossa. Jos mittaus suoritetaan ajon aikana, saa
daan asetusarvojen muutosten vaikutus näkyviin ilman suurempaa viivettä. Vain pro
sessiin itseensä kuuluva viive vaikeuttaa säätöä. On huomattava että mittaus- ja ohjaus
järjestelmän merkitys on sitä suurempi mitä pienempiä eriä ajetaan tai mitä epästabii- limpi valmistusprosessi on. Käytännössä mittaus- ja säätöjärjestelmän merkitys on siis pienempi, mikäli eräkoot ovat suuria ja prosessi luonteeltaan stabiili.
Mittausjärjestelmää voidaan sellaisenaan käyttää manuaalisen säädön tukena. Mittaus
järjestelmään perustuen voidaan myös rakentaa sekä puoli- että täysautomaattinen säätö.
Automatisoitu säätö säästää työaikaa vapauttamalla työntekijän manuaalisesta säädöstä muihin tehtäviin, jolloin tuotantolinjan tuottavuus kasvaa. Työaikaa säästetään myös, koska ajonaikainen mittaus vähentää ajonjälkeisten tarkastusten tarvetta. Puoli- ja täys
automaattinen ohjaus tekee täten koko valmistusprosessin helpommaksi, jolloin työn kustannukset alenevat. Tarkan mittausjärjestelmän avulla voidaan myös aikaisemmin havaita mahdolliset laiteviat ja näin ehkäistä suurempien vikojen tai huonon tuotannon synty.
