Characterizing Physical Properties of Wetting Paper by Air Coupled Ultrasound and Light

This thesis reports investigations into the paper wetting process and its effects on the surface roughness and the out-of-plane (ZD) stiffness of machine-made paper. The aim of this work was to test the feasibility of employing air-borne ultrasound methods to determine surface roughness (by reflection) and ZD stiffness (by through transmission) of paper during penetration of distilled water, isopropanol and their mixtures. Air-borne ultrasound provides a non-contacting way to evaluate sample structure and mechanics during the liquid penetration event. Contrary to liquid immersion techniques, an air-borne measurement allows studying partial wetting of paper. In addition, two optical methods were developed to reveal the liquid location in paper during wetting. The laser light through transmission method was developed to monitor the liquid location in partially wetted paper. The white light reflection method was primarily used to monitor the penetration of the liquid front in the thickness direction. In the latter experiment the paper was fully wetted. The main results of the thesis were: 1) Liquid penetration induced surface roughening was quantified by monitoring the ultrasound reflection from the paper surface. 2) Liquid penetration induced stiffness alteration in the ZD of paper could be followed by measuring the change in the ultrasound ZD resonance in paper. 3) Through transmitted light revealed the liquid location in the partially wetted paper. 4) Liquid movement in the ZD of the paper could be observed by light reflection. The results imply that the presented ultrasonic means can without contact measure the alteration of paper roughness and stiffness during liquid transport. These methods can help avoiding over engineering the paper which reduces raw material and energy consumption in paper manufacturing. The presented optical means can estimate paper specific wetting properties, such as liquid penetration speed, transport mechanisms and liquid location within the paper structure. In process monitoring, these methods allow process tuning and manufacturing of paper with engineered liquid transport characteristics. With such knowledge the paper behaviour during printing can be predicted. These findings provide new methods for paper printing, surface sizing, and paper coating research.

Paperin kastuminen ja sen aiheuttamat muutokset paperin rakenteessa ja lujuudessa ovat tärkeitä ilmiöitä mm. paperin painatuksen kannalta. Esimerkiksi vesipitoisesta painomusteesta siirtyneen kosteuden aiheuttama puukuitujen turpoaminen aiheuttaa paperin pinnan karhentumista joka näkyy tummempana alueena painetun kirjaimen ympärillä. Lisäksi kosteus aiheuttaa paperin lujuuden heikkenemistä jolloin mm. paperin kokoonpuristuminen, ajettavuus ja painettavuus muuttuvat. Kosteuden aiheuttamat muutokset paperissa pitää kyetä mittaamaan, jotta paperin käyttäytyminen eri tilanteissa voidaan ennustaa ja prosessia hallita. Tutkimuksessa kehitettiin kaksi ultraääneen perustuvaa mittausmenetelmää. Ensin mitattiin kastuvan paperin pinnan karheuden muutosta ultraäänen heijastuksen avulla. Tämän jälkeen tutkittiin kastuvan paperin paksuuden suuntaisen lujuuden muutosta ultraäänen läpäisyn avulla. Nämä mittaukset tehtiin ilman välityksellä paperiin koskematta. Näiden lisäksi kehitettiin valon läpäisyyn ja heijastukseen perustuvat menetelmät, joilla määritettiin nesteen sijainti paperin rakenteessa kastumisen aikana. Mittausten perusteella tunkeutuvan nesteen sijaintia paperissa pystyttiin seuraamaan. Lisäksi eri tunkeutumismekanismit- kapillaaritunkeutuminen paperin huokosissa tai diffuusio kuiduissa- pystyttiin erottamaan. Tulosten perusteella ultraäänimenetelmien avulla voidaan mitata paperin rakenteelliset muutokset- karhentuminen ja paksuuden suuntaisen lujuuden muutos- kastumisen aikana näytteeseen koskematta. Menetelmistä on hyötyä kun halutaan ennustaa paperin käyttäytymistä esimerkiksi painatuksessa tai päällystysprosessin aikana. Valon heijastumiseen ja läpäisyyn perustuvien menetelmien antamien tulosten avulla voidaan ainakin osittain määrittää miten ja mihin neste kulkeutuu paperissa. Työssä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan paperin valmistusprosessia parantaa siten että saadaan kastumisominaisuuksiltaan halutunlaista paperia pienemmällä raaka-aineen ja energian kulutuksella.