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 use of branched ketenedimers in solving the deposit problems related to the internal sizing of uncoated fine paper

Alkyl ketene dimers (AKD) are effective and highly hydrophobic sizing agents for the internal sizing of alkaline papers, but in some cases they may form deposits on paper machines and copiers. In addition, alkenyl succinic anhydrides (ASA)- based sizing agents are highly reactive, producing on-machine sizing, but under uncontrolled wet end conditions the hydrolysis of ASA may cause problems. This thesis aims at developing an improved ketene dimer based sizing agent that would have a lower deposit formation tendency on paper machines and copiers than a traditional type of AKD. The aim is also to improve the ink jet printability of a AKD sized paper. The sizing characteristics ofketene dimers have been compared to those of ASA. A lower tendency of ketene dimer deposit formation was shown in paper machine trials and in printability tests when branched fatty acids were used in the manufacture of a ketene dimer basedsizing agent. Fitting the melting and solidification temperature of a ketene dimer size to the process temperature of a paper machine or a copier contributes to machine cleanliness. A lower hydrophobicity of the paper sized with branched ketene dimer compared to the paper sized with traditional AKD was discovered. However, the ink jet print quality could be improved by the use of a branched ketene dimer. The branched ketene dimer helps in balancing the paper hydrophobicity for both black and color printing. The use of a high amount of protective colloidin the emulsification was considered to be useful for the sizing performance ofthe liquid type of sizing agents. Similar findings were indicated for both the branched ketene dimer and ASA.

Paperin hydrofobiliimauksen purkautumiseen vaikuttavat mekanismit

Työssä tutkittiin liimauksen reversiota ja häviämistä erilaisilla hydrofobiliimoilla alkaalisessa paperinvalmistuksessa käytettävien täyteaineiden kanssa. Liimauksen reversiota ja häviämistä arvioitiin arkkimuotilla valmistetuista koearkeista mittaamalla hydrofobiliimautuneisuutta kuvaavia ominaisuuksia kuten raakareunan absorptio ja kontaktikulma. Liimauksen reversiota kiihdytettiin lämpökäsittelyllä ja UV-säteilytyksellä. Liimauksen häviämistä tutkittiin muuttamalla viiraveden alkaalisuutta ja käyttämällä kalsiumkarbonaattia täyteaineena. Verrattaessa käytettyjä hydrofobiliimoja ASA1+AKD -liimayhdistelmällä ja AKD -liimauksella saavutettiin paperille paras liimautuneisuus. ASA2 -liimauksella saavutettiin paperille parempi liimautuneisuus kuin ASA1 -liimalla. Kalsiumkarbonaatilla täytetyillä arkeilla mitattiin korkeampi liimautuneisuus kuin kaoliinilla täytetyillä arkeilla. Kokeellisessa osassa tutkittiin myös 4 tuntia kestävän 105°C lämpökäsittelyn ja UV-säteilytyksen sekä viiraveden alkaalisuuden vaikutusta hydrofobiliimauksen reversioon ja häviämiseen. Liimauksen reversiota aikaansai UV-säteily ja lämpökäsittely. UV-säteily ja lämpökäsittely näyttävät aikaansaavan kovalenttisen esterisidoksen katkeamisen tai hydrolysoitumisen liimamolekyylin ja selluloosan karboksyyliryhmän välillä. Liimauksen reversiota havaittiin jokaisella hydrofobiliimalla. Liimauksen häviämistä aikaansai korkea viiraveden alkaalisuus (520 ppm CaCO3). Liimauksen häviämisen aiheuttamaa alhaisempaa liimautuneisuutta havaittiin myös viiraveden alkaalisuuden ollessa normaalia tasoa (250 ppm CaCO3), kun täyteaineena käytettiin saostettua kalsiumkarbonaattia.

Pitkäketjuisten keteenien valmistusreaktiot ja kinetiikka.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pitkäketjuisten rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) valmistusreaktioiden kinetiikkaa. Työn tavoitteena oli saada mittaustuloksia, joiden perusteella voitaisiin kehittää reaktioille kineettinen kineettinen malli ja suorittaa valmistusprosessien alustava optimointi. Teoreettisessa osassa on selvitetty rasvahappokloridien ja alkyyliketeenidimeerien (AKD) eri valmistustapoja. Lisäksi on perehdytty tarkemmin rasvahappokloridien dehydrohalogenointireaktioiden reaktiomekanismeihin ja valmistusprosessin problematiikkaan. Kokeellisessa osassa tutkittiin rasvahappokloridien valmistusta klooraamalla öljyhappoa 30 mol-% fosforitrikloridiylimäärällä lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Alkyyliketeenidimeerien valmistusta tutkittiin dehydrohalogenoimalla palmitiini- ja öljyhappokloridia 0-30 mol-% trietyyliamiiniylimäärällä inertissä liuottimessa, lämpötiloissa 45 ja 50OC. Reaktiot toteutettiin puolipanosreaktiona, joissa reaktioastiassa olevaan reagenssin ja liuottimen seokseen lisättiin lähtöaine tasaisena massavirtana. Reaktioiden etenemistä seurattiin FT-IR- ja GC-analyysien avulla. Kalorimetrisilla kokeilla tutkittiin öljyhappokloridin dimeroitumisreaktion reaktiolämmön muodostumista ja UV-VIS-analyyseillä seurattiin öljyhappokloridin vanhenemista. Öljyhappokloridin valmistusreaktiolle saatiin hyvä kineettinen malli. Kineettisen mallin puutteena voidaan pitää sitä, ettei kokeissa saatu tietoa mahdollisten sivutuotteiden muodostumisesta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45, 50 ja 55OC. Happokloridien dimeroitumisreaktioiden kineettisen mallin sopivuudelle saatiin suhteellisen hyvä kuva Kuten öljyhappokloridin tapauksessa, myöskään AKD:n valmistusreaktioissa syntynyt sivutuotteita, joten niiden osuutta oletettuun kineettiseen malliin ei tunneta. Sovitusohjelmalla saatiin sovitettua estimaatit reaktionopeusvakioille lämpötiloissa 45 ja 50OC.

Retentiojärjestelmän optimointi kartonkikoneella

Diplomityössä tutkittiin kartonkikoneen retentiojärjestelmää ja eri mahdollisuuksia retention ja vedenpoiston tehostamiseen. Tavoitteena oli parantaa etenkin runkokerroksen retentiota ja vedenpoistoa. Työssä testattiin kilpailevan kemikaalitoimittajan mikropartikkelia kartonkikoneella. Lisäksi runkokerroksessa testattiin retentiotärkkelyksen vaikutus kartongin palstaumislujuuteen, suoritettiin käytössä olevan mikropartikkelin annostuksen optimointi sekä testattiin alunan käyttöä retentioainesysteemin tehoaineena. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita, retentioainejärjestelmiä ja niissä käytettäviä kemikaaleja sekä retentioaineilla tehtävään flokkaukseen vaikuttavia tekijöitä. Laboratoriokokeilla tutkittiin kokeellisessa osassa eri mikropartikkelijärjestelmien toimivuutta kartonkikoneen eri kerroksien massoilla. Toimivimmaksi osoittautuneella mikropartikkelilla suoritettiin pilot-koeajo runkokerroksen massalla. Lisäksi suoritettiin toinen pilot-koeajo, jossa tutkittiin mikropartikkelin vaikutuksia saostuman aiheuttajana. Pilot-koeajoissa saavutettiin samat retentiotasot kuin referenssisysteemillä lähes puolet pienemmällä kemikaalin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista huokoisuus, formaatio ja AKD-liiman retentio muuttuivat viiraretention mukaan. Saostumakoeajossa ei todettu retentioaineen vaikuttavan saostumien syntyyn. Täyden mittakaavan koeajossa tarkoituksena oli testata kilpailevan mikropartikkelin toimivuus kartonkikoneella. Koeajossa etsittiin optimaalinen mikropartikkelin annostus eri kerroksiin. Pintakerroksen tuhkaretentio nousi hiukan ja vedenpoisto parani. Runko- ja taustakerroksessa saavutettiin samat retentiotasot sekä vedenpoistot. Samat retentiotasot saavutettiin n. 25 % pienemmällä mikropartikkelin kulutuksella. Kartongin laatuominaisuuksista seurattiin palstautumislujuutta, formaatiota ja AKD-liiman retentoitumista. Kartongin palstautumislujuus heikkeni. Vastaavasti runko- ja taustakerroksen AKD-liiman retentio oli hiukan korkeampi koeajetulla mikropartikkelilla. Formaatiossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia. Jatkokokeet tehtiin kartonkikoneen runkokerroksessa. Kokeissa todettiin retentiotärkkelyksen vaikuttavan kartongin palstautumislujuuteen. Käytössä olevan mikropartikkelin annostelun optimointikokeissa ei saavutettu parannusta retentioon eikä vedenpoistoon. Mikropartikkelilla saavutetaan tietty retentiotaso, jonka jälkeen sillä ei ole enää vaikutusta retentiotasoon. Alunan annostelukokeissa ei alle yksi kg/t annosmäärällä ole vaikutusta retentioon ja vedenpoistoon.

Runkopaperin imukyvyn optimointi

Diplomityön tarkoituksena oli optimoida laminaatin valmistuksessa käytettävän runkopaperin imukyky niin, että pienemmällä hartsimäärällä saavutetaan vähintään jo olemassa olevat impregointi- ja laminaatin ominaisuudet tai että nykyisellä hartsimäärällä saadaan nopeampi imeytyminen läpi paperirakenteen. Kirjallisuusosassa etsittiin ja selvitettiin erilaisten tekijöiden tai toimintatapojen vaikutukset, joilla voitaisiin muokata paperin imukyky halutulle tasolle. Kirjallisuudesta löydetyistä tekijöistä ja menetelmistä valittiin kokeelliseen osaan tutkittavaksi potentiaalisimmat sekä toteutuskelpoisimmat tavat. Diplomityön kokeellinen osuus koostui kahdesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa kirjallisuudesta löydettyjä menettelyjä testattiin laboratoriomittakaavassa erilaisilla esikokeilla. Työn toisessa vaiheessa suoritettiin pilotpaperikoneella koeajo, jossa tutkittiin tarkemmin esikokeiden menetelmiä, jotka olivat antaneet lupaavia tuloksia. Lisäksi tutkittiin menetelmiä, joita ei esikokeissa kokeiltu, mutta jotka olivat teoreettisesti kiinnostavia. Tulosten perusteella paperin hartsinottokykyä pystyttiin madaltamaan nestemäisen AKD-liiman sekä erään kemikaalin avulla. Hartsin imeytymisnopeutta paperiin pystyttiin kasvattamaan kuidun entsymaattisella käsittelyllä, lämpösarveistamalla sekä käyttämällä erästä pinta-aktiivista ainetta.