Huulisuihkun homogeenisuuden vaikutus paperin rakenneominaisuuksiin

Työssä verrattiin perälaatikoilla 1 ja 2 valmistettujen papereiden rakenteellisia ominaisuuksia. Paperin rakenteessa formaatio oli tärkein ominaisuus ja sen jälkeen kuituorientaatio. Näytteiden valintaperusteena pidettiin sitä, että vertailtavilla näytteillä formaatio (pohja) oli paras kyseisellä perälaatikolla ja vetolujuussuhteet olivat samoja. Toinen valintatapa oli verrata samoissa virtausolosuhteissa valmistettuja papereita keskenään. Näytteiden formaatio mitattiin betaradiografialla. Fosforikuvalevystä skannattu kuva analysoitiin kuva-analyysillä. Mittauksen etuna oli suuri erottelukyky, joka mahdollisti monipuolisen tunnuslukujen laskennan. Näistä esimerkkeinä olivat keskihajonta, vinous ja huipukkuus. Lisäksi määritettiin flokkikokojakaumat sekä kone- että poikkisuuntaan. Kuituorientaation määrityksessä paperinäyte revittiin kerroksiin, kerrokset skannattiin ja kuvat analysoitiin kuvankäsittelyohjelmilla. Juova- ja kuituorientaatioanalyysissä määritettiin orientaatiokulma, max/min-arvo ja anisotropia. Virtaviiva-analyysin tunnusluku oli pyörrekoko. Käytettäessä tunnuslukuna variaatiokerrointa formaatio oli parempi perälaatikolla 1 ali- ja yliperällä. Tasaperän läheisyydessä formaatio oli huonompi. Keskihajonta oli pienempi perälaatikolla 1, mutta erot perälaatikoiden välillä tasaantuivat lähellä tasaperää. Flokkikoko oli koko s/v-alueella hieman suurempi perälaatikolla 1. Virtaviiva-analyysin avulla saatiin selville, että perälaatikolla 1 valmistettujen papereiden paikallinen orientaatiovaihtelu ja pintojen toispuoleisuus oli lievempää kuin perälaatikolla 2.

Sitoutumiskykyisemmän TMP-massan valmistus

Tämän työn tavoitteena oli selvittää TMP-massan lujuusominaisuuksien parantamismahdollisuuksia jauhatuksen keinoin. Tarkastelun kohteena olivat rejektijauhatuksen eriyttäminen päälinjasta, päälinjan ajotapojen vaikutukset massan laatuun sekä energiansäästöterien testaus. Erillisen rejektijauhatuksen pilot kokeiden myötä oli havaittavissa, että erillisjauhettu rejekti itsessään oli todella pitkäkuituista ja hyvät lujuusominaisuudet omaavaa massaa. Koeajo kuitenkin osoitti, että 9 % annostelu määrä päälinjan akseptimassaan ei riitä nostamaan valmiin massaseoksen lujuusominaisuuksia. Eriytetty rejektijauhatus voi kuitenkin parantaa prosessin hallittavuutta ja mahdollistaa tuotantotason noston. Päälinjan ajotavanmuutoskokeiden tulosten myötä voitiin havaita, että 300 t/d tuotantotaso tuotti kuidunpituuksiltaan, lujuuksiltaan ja tikkupitoisuuksiltaan parempaa massaa kuin 270 t/d tuotantotaso. Samaan aikaan tapahtunut bulkin lasku oli siedettävällä tasolla huomioitaessa vetolujuudessa tapahtuva parannus. Ajotavanmuutoskokeet osoittivat myös sen, että pienellä ensimmäisen ja toisen jauhatusvaiheen kuormitussuhteiden muutoksella on saavutettavissa parannusta sekä veto- että repäisylujuudessa, bulkissa tapahtuvien muutosten pysyessä siedettävällä tasolla. Tähän tulokseen päästiin löysäämällä ensimmäisen vaiheen jauhinten teräväliä kymmenyksellä ja vastaavasti tiukkaamalla toisen vaiheen jauhinten teräväliä niin, että jauhatuksen kokonaisenergianominaiskulutus pysyi vakiotasolla. Energiansäästöterien testauksessa havaittiin, että terien avulla on mahdollista säästää jauhatukseen kuluvassa energiassa noin 0,15 – 0,2 MWh/t. Saavutettavissa oleva energiansäästö ei kuitenkaan ole riittävä kompensoimaan massan laadun heikkenemistä, sillä energiansäästöterien myötä massan bulkki, kuidunpituus sekä veto- ja repäisylujuus laskivat verrattaessa niiden tasoon käytettäessä normaaliteriä.

Determination of compression behaviour of coating layer

The strength properties of paper coating layer are very important in converting and printing operations. Too great or low strength of the coating can affect several problems in printing. One of the problems caused by the strength of coating is the cracking at the fold. After printing the paper is folded to final form and the pages are stapled together. In folding the paper coating can crack causing aesthetic damage over printed image or in the worst case the centre sheet can fall off in stapling. When folding the paper other side undergoes tensile stresses and the other side compressive stresses. If the difference between these stresses is too high, the coating can crack on the folding. To better predict and prevent cracking at the fold it is good to know the strength properties of coating layer. It has measured earlier the tensile strength of coating layer but not the compressive strength. In this study it was tried to find some way to measure the compressive strength of the coating layer and investigate how different coatings behave in compression. It was used the short span crush test, which is used to measure the in-plane compressive strength of paperboards, to measure the compressive strength of the coating layer. In this method the free span of the specimen is very small which prevent buckling. It was measured the compressive strength of free coating films as well as coated paper. It was also measured the tensile strength and the Bendtsen air permeance of the coating film. The results showed that the shape of pigment has a great effect to the strength of coating. Platy pigment gave much better strength than round or needle-like pigment. On the other hand calcined kaolin, which is also platy but the particles are aggregated, decreased the strength substantially. The difference in the strength can be explained with packing of the particles which is affecting to the porosity and thus to the strength. The platy kaolin packs up much better than others and creates less porous structure. The results also showed that the binder properties have a great effect to the compressive strength of coating layer. The amount of latex and the glass transition temperature, Tg, affect to the strength. As the amount of latex is increasing, the strength of coating is increasing also. Larger amount of latex is binding the pigment particles better together and decreasing the porosity. Compressive strength was increasing when the Tg was increasing because the hard latex gives a stiffer and less elastic film than soft latex.

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.

The intrinsic mechanisms of softwood fiber damage in brown stock fiber line unit operations Lappeenranta 2010

The effects of pulp processing on softwood fiber properties strongly influence the properties of wet and dry paper webs. Pulp strength delivery studies have provided observations that much of the strength potential of long fibered pulp is lost during brown stock fiber line operations where the pulp is merely washed and transferred to the subsequent processing stages. The objective of this work was to study the intrinsic mechanisms which maycause fiber damage in the different unit operations of modern softwood brown stock processing. The work was conducted by studying the effects of industrial machinery on pulp properties with some actions of unit operations simulated in laboratory scale devices under controlled conditions. An optical imaging system was created and used to study the orientation of fibers in the internal flows during pulp fluidization in mixers and the passage of fibers through the screen openings during screening. The qualitative changes in fibers were evaluated with existing and standardized techniques. The results showed that each process stage has its characteristic effects on fiber properties: Pulp washing and mat formation in displacement washers introduced fiber deformations especially if the fibers entering the stage were intact, but it did not decrease the pulp strength properties. However, storage chests and pulp transfer after displacement washers contributed to strength deterioration. Pulp screening proved to be quite gentle, having the potential of slightly evening out fiber deformations from very deformed pulps and vice versa inflicting a marginal increase in the deformation indices if the fibers were previously intact. Pulp mixing in fluidizing industrial mixers did not have detrimental effects on pulp strength and had the potential of slightly evening out the deformations, provided that the intensity of fluidization was high enough to allow fiber orientation with the flow and that the time of mixing was short. The chemical and mechanical actions of oxygen delignification had two distinct effects on pulp properties: chemical treatment clearly reduced pulp strength with and without mechanical treatment, and the mechanical actions of process machinery introduced more conformability to pulp fibers, but did not clearly contribute to a further decrease in pulp strength. The chemical composition of fibers entering the oxygen stage was also found to affect the susceptibility of fibers to damage during oxygen delignification. Fibers with the smallest content of xylan were found to be more prone to irreversibledeformations accompanied with a lower tensile strength of the pulp. Fibers poor in glucomannan exhibited a lower fiber strength while wet after oxygen delignification as compared to the reference pulp. Pulps with the smallest lignin content on the other hand exhibited improved strength properties as compared to the references.

Fraktioinnin tehostaminen lajittelussa

Painelajittimet ovat yleisimpiä hiokkeen lajitteluun käytettyjä lajittimia. Painelajittimien suorituskyky on parantunut viimeisten vuosikymmenien aikana niin paljon, että pyörrepuhdistuksesta on pääosin voitu luopua osana hiokkeen lajittelua. Painelajittimen erinomaisuus perustuu siihen, että sillä voidaan erottaa massasta hyvinkin erilaisia epäpuhtauksia. Nykyään vallitsevia painelajittelun trendejä ovat sakeuden nosto, energiankulutuksen vähentäminen sekä eri fraktioiden erottumisen tehostuminen. Kaikilla pyritään vähentämään vedenkäyttöä ja parantamaan massan ominaisuuksia jatkoprosesseja silmälläpitäen. Tässä työssä tarkasteltiin painelajittimen roottorin kierrosnopeuden vaikutusta akseptimassan laatuun. Luodaan malli freeness-pudotukselle lajittimen yli. Sekä tarkastellaan myös automaatioon pohjautuvan säädön käyttöönottoa lajittimen akseptimassan freenesvaihteluiden tasaamiseksi. Toisaalta tehdään myös suppea selvitys lajittimien energiankulutuksista erilaisilla roottorin pyörimisnopeuksilla. Tuotantokäytössä oleviin lajittimiin asennettujen invertterisäätöjen ja koepisteistä saatujen tulosten avulla voidaan todeta, että laskemalla roottorin pyörimisnopeutta voidaan lajittimessa tapahtuvaa freenespudotusta kasvattaa. Samalla saavutetaan hyötyjä myös muissa massan ominaisuuksissa, kuten vetolujuudessa. Automaattisäädön käyttöönotolla saavutetaan huomattavasti pienempi hajonta akseptimassan freeneksessä. Rejektilinjan lajittimissa hajonta lähes puolittui ja päälinjan lajittimissa päästiin noin kolmanneksen parannukseen. Energian kulutuksia tutkittaessa huomataan, että roottorin kierrosnopeutta alentamalla voidaan merkittävästi vähentää lajittimien energian kulutusta. Parhaassa tapauksessa voidaan säästää neljännes lajittelun energiakustannuksissa.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

Dewatering of hard-to-dewater pulps

Nanocellulose has much potential for enhancing the tensile strength of paper but it slows down significantly drainage, restricting its use in industrial scale. Main objective of the work was to find ways to improve the dewatering of nanocellulose-containing papers. The effects of cationic potato starch, microparticle system and filler addition on dewatering and such key properties as formation, tensile strength and air permeance of manufactured paper were studied. Test points had 0, 4 or 8 % CNF and 0, 15 or 30 % PCC content. Based on earlier studies, 25 mg/g starch dosage was added to some test points. Modern microparticle system, consisted of cationic polyacrylamide and amorphous silica, was used in few test points. Dosages for both components were 0.3 and 0.6 mg/g, following the recommendations of the supplier. Also, the influences of CNF and filler on drying behaviour after different stages (drainage, wet pressing and cylinder drying) were estimated. Following trends were observed. Starch does not have unambiguous influence on dewatering. In some cases, it improved drainage slightly but effects on the properties of end product were discovered small. Filler quickened dewatering but large proportions were noticed to be detrimental for the drainage, air permeance and tensile strength. Microparticle system improved drainage notably, especially if CNF dosage was high. In addition, microparticle system increased tensile strength and decreased air permeance. However, its effects on formation were detrimental. Dewatering of nanocellulose-containing furnishes is treatable up to a certain point. In the end, such drainage times that were measured from test points which consisted only of pure kraft pulps are awkward to reach.

Formation of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes in dual polymer treatment of papermaking pulp

The goal of this study was to find a new approach to modify chemically the properties of paper by improving fiber quality. This Master’s thesis includes the multiple polymer treatment in general and themeasurement methods with which the formation of multilayers and complexes can be noticed. The treatment by an oppositely charged dual polymer system is a good approach to increase paper strength. In this work, starch, a cationic polymer, and carboxymethyl cellulose (CMC), an anionic polymer, were used step-by-step to improve paper strength. The adsorption of cationic starch and CMC on cellulose fibers were analyzed via polyelectrolyte titration. The results showed that paper strength was enhanced slightly with a layer-by-layer assembly of the polymers. However, if the washing stage, which was required for layer-by-layer assembly, was eliminated, the starch/CMC complex was deposited on fibers more efficiently, and the paper strength was improved more significantly.

Lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuuden tutkiminen

Diplomityössä on haettu tietoa lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien yhteensopivuudesta ja sen testaamisesta. Lujitemuovikomposiitissa hartsi sitoo materiaalit yhteen ja antaa rakenteelle kemiallisen kestävyyden, sitkeyden ja välittää kuormitukset kuitujen kannettaviksi. Vaadittavan lujuuden rakenteelle antaa lasikuitu. Se päällystetään valmistusvaiheessa pinnoiteaineella, sizingilla. Sillä on ratkaiseva merkitys hartsin ja lasikuidun väliin syntyvän rajapinnan muodostumisessa kovettumisprosessin aikana. Käytännössä rajapinnan toimivuutta ja materiaalien yhteensopivuutta tutkitaan makromekaanisilla lujuustesteillä. Menetelmät perustuvat rajapinnan leikkaus¬lujuuden määrittämiseen, mutta myös murtumamekanismeihin perustuvia testi¬menetelmiä käytetään. Mikrotason menetelmät, jotka perustuvat yksittäisen kuidun ja käytetyn hartsin välisen adheesion mittaamiseen ovat yleistyneet, mutta niistä saatujen tulosten ei ole vielä todettu riittävästi korreloivan makro¬mekaanisten lujuustestien kanssa. Työssä tutkittiin kahta eri makromekaanista testimenetelmää. Testeissä havaittiin eroja valittujen lasikuitupinnoitteiden ja vinyyliesterihartsien välillä. Hauras hartsi oli herkempi lasikuitupinnoitteen kemialle. Kun yhteensopivuus vinyyli-esterihartsin ja lasikuitupinnoitteen välillä oli huono, saatiin sekä poikittaisessa vetolujuustestissä että Mode I murtumissitkeystestissä heikko tulos. Pyyhkäisy¬elektronimikroskoopilla suoritettu mikrotason analyysi murtopinnasta vahvisti saatuja tuloksia ja se osoittautui toimivaksi menetelmäksi kuvantamaan ilmiöitä, jotka vaikuttavat yhteensopivuuteen vinyyliesterihartsin ja pinnoitetun lasikuidun välillä.

Rasvankestävät paperit ja kartongit

Rasvankestävyydellä tarkoitetaan sitä, että materiaali hylkii tai kestää rasvaa tietyn ajan läpäisemättä sen pintaa. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja löytyy kaikkialta. Erilaiset ruuanvalmistuspaperit, kuten esimerkiksi leivinpaperi ja voipaperi, ovat rasvankestäviä. Myös pakkauksissa käytetään paljon rasvankestäviä papereita ja kartonkeja. Rasvankestäviltä tuotteilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Pakkausmateriaaleilta vaaditaan esimerkiksi lujuutta ja kestävyyttä fyysistä rasitusta, valoa, hajuja ja mikrobeja vastaan. Ruuanvalmistusmateriaaleilta vaaditaan puolestaan lujuutta ja kestävyyttä lämpöä, kosteutta ja fyysistä rasitusta vastaan. Rasvankestäviltä papereilta vaaditaan rasvankestävyyden lisäksi hyvää vetolujuutta, märkälujuutta ja hyviä optisia ominaisuuksia. Neliömassan tulee asettua 20─80 g/m2 välille ja metallipitoisuudet eivät saa olla liian korkeat. Myös tuotteiden kierrätettävyys on nostanut asemaansa viimeaikoina. Tuotteen tuotannon ja itse tuotteen ympäristöystävällisyys ovat todella arvostettuja kuluttajan, tuottajan, Suomen, EU:n ja koko maailman näkökulmista. Jotta tuotteesta saadaan rasvankestävää, vaaditaan siltä erilaisia barrier-ominaisuuksia. Rasvankestävällä paperilla vaaditaan hyviä barrier-ominaisuuksia esimerkiksi rasvan, ilman, veden, vesihöyryn sekä hapen läpäisevyyksissä. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja voidaan valmistaa kemiallisilla ja mekaanisilla tavoilla. Happokäsittely ja fluorokemikaalien lisääminen ovat kemiallisia tapoja, kun taas sellun jauhaminen pitkään matalassa lämpötilassa on mekaaninen tapa valmistaa rasvankestävää paperia. Näiden tapojen lisäksi rasvankestäviä papereita voidaan tehdä erilaisten pinnoitusten avulla. Erilaiset muovit ovat yleisemmin käytettyjä pinnoitemateriaaleja. Esimerkiksi PE- ja PET-päällysteet ovat käytettyjä rasvankestävissä tuotteissa. Viime aikoina on kehitetty paljon erilaisia biomateriaaleja, joista voidaan tehdä rasvankestävä pinnoite. Lipideistä, hydrokolloideista ja erilaisista komposiiteista voidaan luoda uusien tekniikoiden avulla rasvankestäviä pinnoitteita. Rasvankestävyydestä voidaan saada jonkinlainen käsitys WVTR-asteen, Cobb-arvon ja kontaktikulman mittausten avulla. Rasvankestävyyttä voidaan myös mitata erilaisten standarditestien avulla. TAPPI:lla, ISO:lla ja ASTM:llä on useita erilaisia standardeja. Lähes kaikissa rasvankestävyysstandardeissa tuloksen saaminen perustuu visuaaliseen havaintoon, mikä aiheuttaa välillä hankaluuksia tulosten luotettavuuteen, koska tuloksen määrittää ihmissilmä, ja kaikilla testin tekijöillä on erilainen silmä, joka aistii eri tavalla.

Täyteaineen ja tärkkelyksen annostelun optimointi paperikoneen lyhyeen kiertoon

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tärkkelyksen ja täyteaineen annostelupaikkojen sekä – tapojen vaikutukset SC- heatset web offset -paperin ominaisuuksiin ja pintalujuuteen. Lisäksi selvitettiin, muuttuuko paperin pölyäminen annostelupaikkojen tai – tapojen vaikutuksesta. Diplomityön kirjallisuusosiossa käsiteltiin heatset web offset -painokoneen rakennetta ja sen toimintaa. Lisäksi käsiteltiin heatset web offset -painokoneella ilmenevät pölyongelmien tyypit ja, mitkä eri paperin tekijät vaikuttavat heatset web offset -painokoneen pölyämisongelmiin. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsiteltiin yleisimmät pintalujuutta parantavat kemikaalit sekä näiden kemikaalien annostelupaikat paperikoneen lyhyeen kiertoon. Alkutason määrityksessä ja ensimmäisessä koeajossa havaittiin, että paperin huokoisuus ja huokosrakenne olivat tärkeimmät SC heatset web offset -paperin pintalujuuteen vaikuttavat tekijät. KCL:n HSWO–koepainokoneella painetuista rullista annostelutapa 4, jossa tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perälaatikon syöttöpumpun imupuolelle perinteisesti, oli pintalujuudeltaan kestävin. Ahmatti-kokeissa havaittiin, että tärkkelyksen ja täyteaineen annostelu TrumpJet- laitteistolla lähempänä paperikoneen perälaatikkoa, annostelutapa 6, pienentää rullan sisäistä vetolujuushajontaa. Ahmatti -pilotkokeissa havaittiin myös, että paperin lujuusominaisuudet ja vetolujuushajonnat voitiin säilyttää entisellään, kun tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perinteisesti perälaatikon syöttöpumpun imupuolelta. Toisesta koeajon koepainorullasta havaittiin KCL:n koepainatuksissa, että paperin pintalujuus heikentyy annosteltaessa tärkkelystä 8 kg/t verrattuna 10 kg/t tärkkelysannosteluun. Näiden tapojen ero ei ole merkittävä.

Kartongin fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus muovautuvuuteen

Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voitaisiin arvioida veto-ominaisuuksien avulla konvertointikoneen prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia kartongin muovautuvuuteen. Kirjallisuusosassa käsiteltiin kartongin muovautuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä vetolujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käsiteltiin kosteuden vaikutusta muovautuvuuteen sekä esiteltiin vuokakonvertointiprosessin periaate ja muovin sekä kartongin käyttäytymisen erot konvertointiprosessissa. Kokeellinen osa jakaantui kolmeen osaan. Esikokeissa tutkittiin laboratoriomittauksilla vetonopeuden ja kosteuden muutosten vaikutusta erilaisten kaupallisten kartonkimateriaalien vetolujuuteen ja murtovenymään. Tulosten perusteella valittiin prässäysnopeudet ja kosteustaso 2D- testauslaitteella suoritettuihin esi-pilot-mittakaavan kokeisiin sekä varsinaiseen pilot-koeajoon. Pilot-koeajossa pyrittiin arvioimaan prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia muovautuvuuteen vetolujuusarvojen avulla. Prässäysnopeudella ja vetolujuuslaitteen nopeudella ei havaittu yhteneväisyyksiä, jotta voitaisiin arvioida kartongin muovautuvuutta. Muovautuvuutta voidaan kuitenkin arvioida epäonnistuneisuusluvulla, jonka laskentapa kehitettiin työn aikana. Epäonnistuneisuusluku kuvaa hyvin kartongin muovautuvuutta ja on menetelmänä helppo, mutta sen heikkoutena on repeämien mittaamisen aiheuttama epätarkkuus. Esikokeissa havaittiin myös muovipäällysteiden veto-ominaisuuksien vastaavan kartongin ominaisuuksia 65 %:n suhteellisessa kosteudessa, jonka valittiin siten olevan optimaalinen olosuhde pilot-mittakaavan koeajoihin.

Feasibility of industrial implementation of laser cutting into paper making machine

Laser cutting implementation possibilities into paper making machine was studied as the main objective of the work. Laser cutting technology application was considered as a replacement tool for conventional cutting methods used in paper making machines for longitudinal cutting such as edge trimming at different paper making process and tambour roll slitting. Laser cutting of paper was tested in 70’s for the first time. Since then, laser cutting and processing has been applied for paper materials with different level of success in industry. Laser cutting can be employed for longitudinal cutting of paper web in machine direction. The most common conventional cutting methods include water jet cutting and rotating slitting blades applied in paper making machines. Cutting with CO2 laser fulfils basic requirements for cutting quality, applicability to material and cutting speeds in all locations where longitudinal cutting is needed. Literature review provided description of advantages, disadvantages and challenges of laser technology when it was applied for cutting of paper material with particular attention to cutting of moving paper web. Based on studied laser cutting capabilities and problem definition of conventional cutting technologies, preliminary selection of the most promising application area was carried out. Laser cutting (trimming) of paper web edges in wet end was estimated to be the most promising area where it can be implemented. This assumption was made on the basis of rate of web breaks occurrence. It was found that up to 64 % of total number of web breaks occurred in wet end, particularly in location of so called open draws where paper web was transferred unsupported by wire or felt. Distribution of web breaks in machine cross direction revealed that defects of paper web edge was the main reason of tearing initiation and consequent web break. The assumption was made that laser cutting was capable of improvement of laser cut edge tensile strength due to high cutting quality and sealing effect of the edge after laser cutting. Studies of laser ablation of cellulose supported this claim. Linear energy needed for cutting was calculated with regard to paper web properties in intended laser cutting location. Calculated linear cutting energy was verified with series of laser cutting. Practically obtained laser energy needed for cutting deviated from calculated values. This could be explained by difference in heat transfer via radiation in laser cutting and different absorption characteristics of dry and moist paper material. Laser cut samples (both dry and moist (dry matter content about 25-40%)) were tested for strength properties. It was shown that tensile strength and strain break of laser cut samples are similar to corresponding values of non-laser cut samples. Chosen method, however, did not address tensile strength of laser cut edge in particular. Thus, the assumption of improving strength properties with laser cutting was not fully proved. Laser cutting effect on possible pollution of mill broke (recycling of trimmed edge) was carried out. Laser cut samples (both dry and moist) were tested on the content of dirt particles. The tests revealed that accumulation of dust particles on the surface of moist samples can take place. This has to be taken into account to prevent contamination of pulp suspension when trim waste is recycled. Material loss due to evaporation during laser cutting and amount of solid residues after cutting were evaluated. Edge trimming with laser would result in 0.25 kg/h of solid residues and 2.5 kg/h of lost material due to evaporation. Schemes of laser cutting implementation and needed laser equipment were discussed. Generally, laser cutting system would require two laser sources (one laser source for each cutting zone), set of beam transfer and focusing optics and cutting heads. In order to increase reliability of system, it was suggested that each laser source would have double capacity. That would allow to perform cutting employing one laser source working at full capacity for both cutting zones. Laser technology is in required level at the moment and do not require additional development. Moreover, capacity of speed increase is high due to availability high power laser sources what can support the tendency of speed increase of paper making machines. Laser cutting system would require special roll to maintain cutting. The scheme of such roll was proposed as well as roll integration into paper making machine. Laser cutting can be done in location of central roll in press section, before so-called open draw where many web breaks occur, where it has potential to improve runability of a paper making machine. Economic performance of laser cutting was done as comparison of laser cutting system and water jet cutting working in the same conditions. It was revealed that laser cutting would still be about two times more expensive compared to water jet cutting. This is mainly due to high investment cost of laser equipment and poor energy efficiency of CO2 lasers. Another factor is that laser cutting causes material loss due to evaporation whereas water jet cutting almost does not cause material loss. Despite difficulties of laser cutting implementation in paper making machine, its implementation can be beneficial. The crucial role in that is possibility to improve cut edge strength properties and consequently reduce number of web breaks. Capacity of laser cutting to maintain cutting speeds which exceed current speeds of paper making machines what is another argument to consider laser cutting technology in design of new high speed paper making machines.

Simulation and material calibration of ultra high strength steel (UHSS) S960 welded joint under static tensile test utilizing finite element method (FEM)

The aim of this work was to calibrate the material properties including strength and strain values for different material zones of ultra-high strength steel (UHSS) welded joints under monotonic static loading. The UHSS is heat sensitive and softens by heat due to welding, the affected zone is heat affected zone (HAZ). In this regard, cylindrical specimens were cut out from welded joints of Strenx® 960 MC and Strenx® Tube 960 MH, were examined by tensile test. The hardness values of specimens’ cross section were measured. Using correlations between hardness and strength, initial material properties were obtained. The same size specimen with different zones of material same as real specimen were created and defined in finite element method (FEM) software with commercial brand Abaqus 6.14-1. The loading and boundary conditions were defined considering tensile test values. Using initial material properties made of hardness-strength correlations (true stress-strain values) as Abaqus main input, FEM is utilized to simulate the tensile test process. By comparing FEM Abaqus results with measured results of tensile test, initial material properties will be revised and reused as software input to be fully calibrated in such a way that FEM results and tensile test results deviate minimum. Two type of different S960 were used including 960 MC plates, and structural hollow section 960 MH X-joint. The joint is welded by BöhlerTM X96 filler material. In welded joints, typically the following zones appear: Weld (WEL), Heat affected zone (HAZ) coarse grained (HCG) and fine grained (HFG), annealed zone, and base material (BaM). Results showed that: The HAZ zone is softened due to heat input while welding. For all the specimens, the softened zone’s strength is decreased and makes it a weakest zone where fracture happens while loading. Stress concentration of a notched specimen can represent the properties of notched zone. The load-displacement diagram from FEM modeling matches with the experiments by the calibrated material properties by compromising two correlations of hardness and strength.