Eräiden paperinvalmistuksessa käytettävien vahadispersioiden stabiilisuuden hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää millainen laaduntarkastus AKD-dispersioille tulisi suorittaa kuormien vastaanotossa ja tulisiko dispersioiden laatu tarkastaa uudelleen ennen annostelua. Tätä varten seurattiin toimituserien laadun tasaisuutta ja tarkasteltiin varastointiolosuhteiden vaikutusta dispersioiden säilyvyyteen. Lisäksi kartoitettiin dispersioiden käsittelyssä ja kartonginvalmistusprosessissa esiintyvien riskitekijöiden vaikutuksia kaupallisten dispersioiden stabiilisuuteen. Kirjallisuusosassa perehdyttiin kolloidisiin dispersioihin sekä niiden stabiilisuuteen vaikuttaviin tekijöihin. AKD-dispersiot valmistetaan emulgointitekniikoiden avulla, joten dispergointimenetelmien ohella käsiteltiin myös emulsioiden valmistamista. Lisäksi luotiin katsaus dispersioteknologian tärkeimpiin analyysimenetelmiin. Alkyyliketeenidimeerin osalta käsiteltiin emulgoinnin lisäksi vahan ja muiden lisäaineiden vaikutuksia dispersioiden stabiilisuuteen ja myös niiden merkitystä dispersioiden formuloinnissa. AKD-liimauksen osalta esiin tuotiin AKD:n tärkeimmät reaktiomekanismit, sillä ne liittyvät osittain myös dispersioiden stabiilisuuteen. Lopuksi luotiin lyhyt katsaus AKD-dispersioiden stabiilisuutta käsittelevään tutkimukseen, jota on toistaiseksi julkaistu varsin niukasti. Kokeellisessaosassa tarkastelun kohteeksi valittiin neljä kaupallista alkyyliketeenidimeerinvesidispersiota, joiden koostumus ja ominaisuudet selvitettiin perusteellisesti. Tarkoituksena oli auttaa ymmärtämään dispersioiden stabiilisuudessa mahdollisesti esiintyviä eroja. Laajamittainen dispersioiden karakterisointi näyttää olevan tarpeen ainakin otettaessa uutta AKD-laatua käyttöön, sillä dispersioiden koostumus ja ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi. AKD-dispersioiden laadussa esiintyi vaihtelua eri toimituserien välillä. Suurimmat vaihtelut havaittiin dispersioiden varaustiloissa ja partikkelikokojakaumissa. Laadun epätasaisuuden vuoksi vastaanottotarkastuksen merkitys korostuu. Vastaanottotarkastuksessa syytä olisi kiinnittää dispersion kuiva-ainepitoisuuden ohella sen viskositeettiin, varaustilaan, tehoainepitoisuuteen sekä rakenteeseen. Rakenteen tarkastelussa optinen mikroskooppi voi rutiininomaisessa seurannassa korvata partikkelikokojakauman määrittämisen. Varastointilämpötilan vaikutus dispersioidenlaatuun on merkittävä. Dispersiot säilyvät parhaiten viileässä, joten jos varastosäiliöissä ei ole jäähdytystä, on dispersioiden laadun tarkastus tarpeen myös ennen annostelua. Jotta dispersion kunnosta saadaan luotettava arvio, on viskositeetin määrittämiseen yhdistettävä vähintään rakenteen tarkastelu optisella mikroskoopilla. Mekaaninen rasitus voi dominoivasta stabilointimekanismistariippuen aiheuttaa dispersiossa hienoaineen muodostumista tai partikkelien flokkaantumista. Stabilointimekanismi vaikuttaa niin ikään partikkelien käyttäytymiseen korkeissa lämpötiloissa. Dispersioiden stabiilisuuden todettiin heikkenevän pH:n kohotessa emäksiselle alueelle. Elektrolyyttikonsentraatio vaikuttaa partikkelien mikroelektroforeettiseen ioniliikkuvuuteen merkittävästi. Kartonkikoneen märkäosan kemikaaleista anionisen retentioaineen (BMA) todettiin vuorovaikuttavan kationisten AKD-partikkelien kanssa selvimmin. Mikroelektroforeettisen ioniliikkuvuuden mittaaminen kiertovedessä todettiin tärkeäksi, sillä se kuvaa dispersion käyttäytymistä sen käyttöympäristössä.

The aimof this Master's thesis was to determine which kind of a quality inspection is sufficient to the dispersion arriving to the paper mill and furthermore if the quality of the dispersion should be checked again before dosage. Possible changesin the quality of dispersions between shipments and the influence of storage tothe durability of commercial AKD dispersions were therefore monitored. In addition, the influence of handling and some other risk factors occurring in the papermaking process were investigated. Colloidal dispersions and the factors affecting their stability were discussed in the literature part of this thesis. AKD dispersions are prepared via emulsification techniques, which were thereby introduced along with dispersing techniques. The most important analysing techniques in dispersion technology were proposed. In addition, the raw material of AKD dispersions and their influence to the dispersion stability were introduced.The most important reaction mechanisms of alkyl ketene dimer were highlighted because they also have some influence to the dispersion stability. Finally, a short review to the research published about AKD dispersion colloidal stability waspresented. In experimental part of this thesis, four commercial water dispersions of alkyl ketene dimer were investigated. A composition and properties of these dispersions were narrowly determined. An idea of this was to aid in understanding the results of stability examination. It seems that the large-scaledispersion characterization is needed at least when a new dispersion is broughtin to the papermaking process because the composition and the properties of AKDdispersions can vary significantly. In this study, it was noticed thata quality of AKD dispersions might vary between shipments. The most significantchanges in quality were detected in the particle charge and the particle size distribution of the dispersions. These changes clearly indicate that the quality inspection of the incoming dispersion shipments is necessary. At least solids content, viscosity, particle charge, AKD content and the structure of dispersions should be checked at this point. In a routine examination, an optical microscopecan be used to replace the particle size measurements. The storage temperature has a great influence to the dispersion quality. AKD dispersions allocate a longest durability when stored at low temperature. If there is no cooling in the storage containers, the quality assessment is necessary before dosage. In achieving a reliable estimate about the dispersion quality, the structure and viscosity of dispersion should be re-examined. It was observed that a strong mechanical stress can cause dispersion to flocculate or it can generate somefine matter to the dispersion. This way of action depends on which mechanism the stability of dispersion is based on. The dominant stabilization mechanism has also a great influence to the behaviour of particles in high temperatures. In addition, it was noticed that the dispersion stability is weak in an alkaline environment. Furthermore, it was discovered that the microelectrophoretic mobility of the AKD particles is strongly dependent on the electrolyte concentration of the medium. Of the wet end chemicals investigated, the strongest interaction with the cationic AKD particles was found out with anionic retention aid, which is butyl metacrylate (BMA). It was also concluded that determining the microelectrophoretic mobility of the AKD particles in the real white water of a paper machine is worthwhile in understanding the behaviour of the particles in their environment of use.