Redesign of Plastic Packaging for Fresh Fish Transport: Lightweight design based on numerical and experimental investigations of structural and thermal behavior

Abstract

The increasing demand for sustainable cold-chain logistics has created a need for lighter and more environmentally efficient packaging for fresh food transport. This thesis investigates the structural, thermal, and environmental performance of expanded polystyrene (EPS) boxes and rotomolded polyethylene (PE) food tubs used in the transport of fresh fish products. The objective is to develop lighter packaging solutions while maintaining the mechanical strength and thermal insulation required for chilled food distribution. The study combines experimental testing, microstructural analysis, finite element analysis (FEA), and life cycle assessment (LCA) to relate material properties to the overall performance of EPS boxes. Experimental results for EPS boxes show that small density variations significantly increase material modulus, and influence the stiffness and stacking strength of the EPS box. Using a calibrated FEA framework, an improved EPS design achieved an 11% reduction in box weight. This reduced the environmental impact across all major LCA categories while causing a 9% reduction in thermal insulation and negligible decrease in stacking strength. For PE food tubs, microstructural defects in the high-density polyethylene (HDPE) skin layer were found to substantially reduce material ductility. Simulations of industrial hoisting conditions further identified buckling of the handle as the dominant failure mode, providing a clear pathway for geometric optimization of load-bearing capacity in the elastic region. Overall, this work provides scientifically validated design guidelines for more sustainable cold-chain packaging and highlights the importance of advanced material models and stochastic numerical methods capable of accounting for the inherent microstructural variability in PE foams.

Aukin krafa um sjálfbærni í flutningum hefur skapað þörf fyrir léttari og umhverfisvænni umbúðir fyrir ferskar fiskafurðir. Viðfangsefni þessarar ritgerðar er burðarþol, varmaflutningur og umhverfisáhrif frauðplastkassa (EPS) og hverfisteyptra kera úr pólýetýleni (PE), sem notuð eru við flutning og geymslu á ferskum fiski. Markmiðið er að draga úr efnisnotkun og þar með umhverfisáhrifum umbúðanna án þess að skerða burðarþol og varmaeinangrun. Rannsóknin byggir á samþættingu tilrauna, mælinga á efniseiginleikum, tölvuvæddri burðarþolsgreiningu (FEA) og lífsferilsgreiningu (LCA) til að kanna tengsl efniseiginleika og heildarframmistöðu EPS kassa. Niðurstöðurnar sýna að tiltölulega litlar breytingar á eðlismassa hafa veruleg áhrif á stífni efnisins og stöflunarstyrk kassanna. Með hjálp reiknilíkans tókst að þróa endurbætta hönnun EPS-kassa sem var 11% léttari en fyrri hönnun. Minni efnisnotkun leiddi til lægri umhverfisáhrifa í öllum helstu flokkum lífsferilsgreiningarinnar, en varmaeinangrun minnkaði um 9% og stöflunarstyrkur aðeins óverulega. Rannsóknir á PE-kerum leiddu í ljós að örveilur í ytra byrði úr háþéttni-pólýetýleni (HDPE) drógu úr teygjanleika efnisins. Hermun á hífingu kera við raunaðstæður sýndi jafnframt að kiknun halda var ráðandi brotaháttur keranna. Niðurstöðurnar benda því til þess að bæta megi burðarþol keranna með breytingum á lögun haldanna. Í heild leggja niðurstöður ritgerðarinnar vísindalegan grunn að þróun sjálfbærari umbúða fyrir fersk matvæli. Þær undirstrika jafnframt hvernig samþætting tilrauna, reiknilíkana og lífsferilsgreiningar getur nýst við hönnun léttari og umhverfisvænni umbúða.