The effect of microfibrillated cellulose addition on drying shrinkage and dimensional stability of wood-free paper

Microfibrillated cellulose (MFC) is known to enhance strength properties of paper. Improved strength usually means increased bonding which is strongly connected to dimensional instability of paper. Dimensional instability is due to changes in moisture content of paper; when paper is moistened it expands and when dried, it shrinks. Hygroexpansion is linked to end-use problems and excessive drying shrinkage consumes strength potential. Effective use of materials requires controlling of these phenomena. There isn’t yet data concerning dimensional stability of papers containing MFC which restricts wider use of MFC. Main objective of the work was to evaluate dimensional stability of wood-free paper containing different amounts of MFC. Sheets were dried with different methods to see how drying strains effected on drying shrinkage and hygroexpansion. Also tensile strength was measured to find out the effect of MFC. Results were compared to sheets containing kraft fines and in some test points cationic starch was used alongside with MFC. MFC increased the dimensional instability of freely dried sheets. As the amounts of MFC increased the effects on dimensional stability became more severe. However the fineness of MFC didn’t play any important role. Both hygroexpansion and drying shrinkage were decreased with cationic starch addition. Prevention of drying shrinkage over powered the effects of additives on hygroexpansion. Tensile strength improved up till 7 % addition amount which could be set as the upper limit of MFC addition when paper preparation and tensile strength are concerned.

Nanoselluloosan tiedetään lisäävän paperin lujuutta. Lujuuden kasvu johtuu usein kuitujen paremmasta sitoutumisesta, jolla taas on suuri vaikutus paperin mittapysyvyyteen. Paperin mittavaihtelut johtuvat sen kosteuspitoisuuden muutoksista; kostutettaessa paperi laajenee ja kuivattaessa se kutistuu. Kosteuslaajenema aiheuttaa ongelmia paperin loppukäytössä ja liiallinen kuivatuskutistuma kuluttaa paperin lujuuspotentiaalia. Materiaalien tehokas käyttö edellyttää näiden ilmiöiden hallintaa. Nanoselluloosan vaikutuksista paperin mittapysyvyyteen ei ole vielä julkaistua tietoa, mikä rajoittaa sen laajempaa käyttöä. Työssä tutkittiin erilaisten nanoselluloosalisäysten vaikutusta puuvapaan paperin mittapysyvyyteen. Arkkien kuivatuksessa käytettiin erilaisia menetelmiä, jolloin voitiin selvittää kuivatusjännitysten vaikutus paperin kuivatuskutistumaan ja kosteuslaajenemaan. Lisäksi tutkittiin nanoselluloosan vaikutusta paperin vetolujuuteen. Tuloksia verrattiin arkkeihin, joiden teossa oli käytetty nanoselluloosan sijaan kemiallisen massan hienoainetta ja lisäksi eräissä koepisteissä nanoselluloosan kanssa käytettiin myös kationista tärkkelystä. Nanoselluloosa heikensi vapaasti kuivattujen arkkien mittapysyvyyttä. Nanoselluloosalisäyksen kasvaessa vaikutukset muuttuivat suuremmiksi. Nanoselluloosan hienoudella ei kuitenkaan ollut merkittäviä vaikutuksia tuloksiin. Tärkkelyksen käytön myötä sekä kuivatuskutistuma että kosteuslaajenema pienenivät. Kuivatuskutistuman estäminen poisti lisäaineiden vaikutuksen kosteuslaajenemaan. Vetolujuus parani 7 % lisäysmäärän asti ja tätä pistettä voidaan pitää nanoselluloosan lisäysmäärän ylärajana, kun ajatellaan paperin valmistuksen helppoutta ja lujuusominaisuuksissa saavutettavia parannuksia.