Enhancing performance of paper coatings by tailor-made plastic pigments

The paper industry is constantly looking for new ideas for improving paper products while competition and raw material prices are increasing. Many paper products are pigment coated. Coating layer is the top layer of paper, thus by modifying coating pigment also the paper itself can be altered and value added to the final product. In this thesis, synthesis of new plastic and hybrid pigments and their performance in paper and paperboard coating is reported. Two types of plastic pigments were studied: core-shell latexes and solid beads of maleimide copolymers. Core-shell latexes with partially crosslinked hydrophilic polymer core of poly(n-butyl acrylate-co-methacrylic acid) and a hard hydrophobic polystyrene shell were prepared to improve the optical properties of coated paper. In addition, the effect of different crosslinkers was analyzed and the best overall performance was achieved by the use of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). Furthermore, the possibility to modify core-shell latex was investigated by introducing a new polymerizable optical brightening agent, 1-[(4-vinylphenoxy)methyl]-4-(2-henylethylenyl)benzene which gave promising results. The prepared core-shell latex pigments performed smoothly also in pilot coating and printing trials. The results demonstrated that by optimizing polymer composition, the optical and surface properties of coated paper can be significantly enhanced. The optimal reaction conditions were established for thermal imidization of poly(styrene-co-maleimide) (SMI) and poly(octadecene-co-maleimide) (OMI) from respective maleic anhydride copolymer precursors and ammonia in a solvent free process. The obtained aqueous dispersions of nanoparticle copolymers exhibited glass transition temperatures (Tg) between 140-170ºC and particle sizes from 50-230 nm. Furthermore, the maleimide copolymers were evaluated in paperboard coating as additional pigments. The maleimide copolymer nanoparticles were partly imbedded into the porous coating structure and therefore the full potential of optical property enhancement for paperboard was not achieved by this method. The possibility to modify maleimide copolymers was also studied. Modifications were carried out via N-substitution by replacing part of the ammonia in the imidization reaction with amines, such as triacetonediamine (TAD), aspartic acid (ASP) and fluorinated amines (2,2,2- trifluoroethylamine, TFEA and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobuthylamine, HFBA). The obtained functional nanoparticles varied in size between 50-217 nm and their Tg from 150-180ºC. During the coating process the produced plastic pigments exhibited good runnability. No significant improvements were achieved in light stability with TAD modified copolymers whereas nanoparticles modified with aspartic acid and those containing fluorinated groups showed the desired changes in surface properties of the coated paperboard. Finally, reports on preliminary studies with organic-inorganic hybrids are presented. The hybrids prepared by an in situ polymerization reaction consisted of 30 wt% poly(styrene- co-maleimide) (SMI) and high levels of 70 wt% inorganic components of kaolin and/or alumina trihydrate. Scanning Electron Microscopy (SEM) images and characterization by Fourier Transform Infrared Spcetroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) revealed that the hybrids had conventional composite structure and inorganic components were covered with precipitated SMI nanoparticles attached to the surface via hydrogen bonding. In paper coating, the hybrids had a beneficial effect on increasing gloss levels.

Determination of decomposition products of flotation collector chemicals using capillary electrophoresis

Vaahdotusta käytetään yleisesti erottamaan eri mineraaleja malmista. Tässä menetelmässä käytetään erityisiä pinta-aktiivisia aineita, joita kutsutaan kokoojakemikaaleiksi, muuntamaan halutut mineraalit hydrofobisiksi ja erottamaan ne hydrofiilisistä partikkeleista ilmakuplien avulla. Eräs tärkeimmistä kokoojakemikaalien ryhmistä on ksantaatit. Ksantaateilla on havaittu taipumusta hajota useiksi erilaisiksi hajoamistuotteiksi vaahdotusprosessin aikana. Näillä hajoamistuotteilla voi olla monia haitallisia vaikutuksia vaahdotuksen tuloksiin. Näiden tuotteiden tunnistaminen ja määrittäminen on tärkeää vaahdotusprosessin paremman ymmärtämisen kannalta. Työn kirjallisuusosassa vaahdotusprosessi, ksantaatit ja niiden yleisimmät hajoamistuotteet on esitelty, kuten myös käytetty analyysimenetelmä, kapillaarielektroforeesi. Työn kokeellisessa osassa etsittiin sopivaa erotusmenetelmää etyyliksantaatin, etyylitiokarbonaatin, etyyliperksantaatin ja etyyliksantyylitiosulfaatin erottamiseksi kapillaarilelektroforeesilla. Pääasiassa keskityttiin kahteen eri erotusmenetelmään. Ensimmäinen menetelmä kykeni erottamaan kaikki tutkitut tuotteet puhdasvesinäytteissä, ja toinen menetelmä oli sopiva näiden tuotteiden erottamiseen prosessivesinäytteissä. Jälkimmäistä menetelmää kokeiltiin käytännössä rikastamolla, jossa sillä kyettiin erottamaan isobutyyliksantaatti, isobutyylitiokarbonaatti, ja suurella todennäköisyydellä myös isobutyyliperksantaatti.

Determination of collector chemicals from flotation process waters using capillary electrophoresis

Vaahdotusprosessia käytetään yleisesti erottamaan arvokkaita mineraaleja malmeista. Toimiakseen tehokkaasti prosessi tarvitsee kokoojakemikaaleja, joiden tehtävänä on sitoa halutut mineraalit ilmakupliin. Jotta näiden kemikaalien käyttäytymistä prosessissa voitaisiin ymmärtää paremmin ja prosessin ohjausta tehostaa, pitää kokoojia pystyä analysoimaan prosessivesistä. Työn kirjallisuusosassa on koottu ja vertailtu erilaisia kirjallisuudesta löytyneitä analyysimenetelmiä kokoojakemikaaleille. Kokeellisessaosassa on kehitetty kaksi kapillaarielektroforeesimenetelmää näiden kemikaalien tutkimiseen. Menetelmien toteamisrajat tutkituille kemikaaleille olivat seuraavanlaiset: natrium diiosobutylditiofosfaattille (DTP) 2,7 mg/L puhtaassa vedessä ja 6,7 mg/L prosessivedessä; natrium diisobutyldithiofosfinaatille (DTPI) vastaavasti 4,5 mg/L ja 6,7 mg/L; etyyli ksantaatille 0,025 mg/L ja 0,16 mg/L; ja isobutyyli ksantaatille 0,41 mg/L ja 0,62 mg/L. Näitä menetelmiä voidaan tulevaisuudessa kehittää kokoojien hajoamistuotteiden analysointia varten sekä prosessien on-line mittauksiin.

Litiumin talteenotto väkevistä kloridiliuoksista solvatoivilla uuttoreagensseilla

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää voidaanko litiumia erottaa suolaliuoksesta solvatoivien uuttoreagenssien avulla suoraan ilman tavanomaisia monivaiheisia prosesseja. Kirjallisessa osassa esitellään neste-nesteuuton periaatteet ja tarkastellaan litiumin talteenotossa käytettyjä uuttomenetelmiä sekä litiumin merkitystä yhteiskunnallisti. Kokeellisessa osassa tutkittiin litiumin uuttoa litiumtetrakloroferraattina vesiliuoksesta, jonka koostumus oli lähellä Argentiinan Rinconin alueen suolajärvien vettä sisältäen litium-, kalsium-, magnesium-, sekä natriumkloridia. Kokeet suoritettiin erotussuppiloissa huoneenlämmössä käyttäen orgaanisena faasina tributyylifosfaatin (TBP) ja kerosiini, tributyylifosfaatin ja di-isobutyyliketonin sekä tributyylifosfaatin ja metyyli-isobutyyliketonin seoksia. Kullakin orgaanisella faasilla tehtiin kaksi koesarjaa. Ensimmäisessä vaihdettiin liuoksen [Fe3+]/[Li+]-suhdetta orgaanisen faasin TBP-pitoisuuden ollessa vakio. Toisessa muutettiin orgaanisen faasin TBP-pitoisuutta [Fe3+]/[Li+]-suhteen pysyessä vakiona. Litium saatiin talteenotettua hyvin selektiivisesti magnesiumin ja kalsiumin suhteen. Rautakonsentraation lisäyksen huomattiin lisäävän litiumin saantoa, mutta suurilla rautakonsentraatioilla selektiivisyys oli huonompi. Litiumia ei saatu erotettua kovin tehokkaasti, johtuen todennäköisesti suuresta natriumkonsentraatiosta. Suurin osa natriumista tulisi poistaa ennen uuttoa. Jos natriumin saisi poistettua tehokkaasti ennen uuttoa, voisi tutkittu menetelmä olla huomattavasti nopeampi verrattuna perinteiseen monivaiheiseen litiumin talteenottoprosessiin. Menetelmän huonona puolena on kuitenkin sen suuri raudan kulutus