Retentiopolymeerin optimointi täyteaineiden yhtäaikaisannostelussa

Kirjallisuusosassa perehdyttiin retentioaineisiin ja täyteaineisiin sekä retentioaineiden ja rainanmuodostusolosuhteiden vaikutukseen retentioon, vedenpoistoon ja paperin ominaisuuksiin. Tarkemmin kirjallisuusosassa keskityttiin täyteaineiden esiflokkaukseen, retentiopolymeerin adsorptioon sekä retentiopolymeerien ja täyteaineiden annostelutapoihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin sarjaa retentiopolymeerejä, joiden varaustiheys ja moolimassa muuttuivat. Yksi polymeereistä oli kahdesta polymeeristävalmistettu suoladispersio ja yksi modifioitu kationinen PAM. Näillä polymeereillä käytiin läpi koesarjoja, joissa muutettiin täyteaineen annosteluaikaa retentiopolymeerin annosteluajan pysyessä vakiona. Lähinnä vertailtiin keskenään perinteistä annostelua, jossa täyteaine annosteltiin paljon ennen retentiopolymeeriä,ja yhtäaikaista annostelua, jossa molemmat annosteltiin yhtä aikaa lähellä perälaatikkoa. Kokeet tehtiin MBF-laitteella, jolla pystytään paperikonetta vastaaviin pulsaatiotaajuuksiin ja sillä voidaan valmistaa tasoviirakoneella valmistetunpaperin kaltaisia laboratorioarkkeja. Valmistetuista arkeista tutkittiin retentioita ja paperiteknisiä ominaisuuksia. Laboratoriokokeiden perusteella yhtäaikainen annostelu antoi paremmat täyteaineretentiot verrattaessa perinteiseen annosteluun lähes kaikissa koesarjoissa. Varsinkin lyhytketjuiset polymeerit näyttivättoimivan hyvin yhtäaikaisannostelulla, mikä saattaisi johtua siitä, että lyhyt reagointiaika sulpun kanssa on lyhytketjuisille polymeereille edullinen, sillä silloin polymeeriketjun konformaatio ei ehdi asettua liian alhaiseksi ja ketjun toimintakyky säilyy parempana. Polymeerin varaustiheyden kasvaessa riittävästi laski täyteaineretentio seuraavissa tapauksissa: SC-massa + kaoliini ja SC-massa +GCC kummallakin annostelulla sekä SC-massa + PCC A perinteisellä annostelulla. Hienopaperimassalla samaa trendiä noudatti täyteaine GCC kummallakin annostelulla, kun taas PCC H:ta käytettäessä paranivat täyteaineretentiot molemmilla annosteluilla. Retentiopolymeerin moolimassan kasvaessa riittävästi kääntyi täyteaineretentio laskuun täyteaineilla GCC ja kaoliini, kun käytettiin SC-massaa. Hienopaperimassalla GCC noudatti tätä samaa taipumusta. Sen sijaan SC-massalla PCC A:takäytettäessä täyteaineretentio puolestaan nousi hieman moolimassan kasvaessa. Näin kävi myös hienopaperimassalla, kun täyteaineena käytettiin PCC H:ta. Käytettäessä SC-massaa, perinteisellä annostelulla saatiin parempi tai yhtä hyvä valonsironta kuin yhtäaikaisella annostelulla kaikilla täyteaineilla. Tämä saattaisi johtua siitä, että yhtäaikaisannostelulla on muodostunut suurempia täyteaineflokkeja, mikä on alentanut valoa sirottavia pintoja. Täyteaineista korkeimmat valonsirontakertoimet antoi PCC A ja alhaisimmat kaoliini. PCC A:lla oli kapein partikkelikokojakauma, mikä korottaa paperin valonsirontaa. Hienopaperimassalla valonsirontakerroin ja opasiteetti suurenivat GCC-pitoisuuden kasvaessa kummallakin annostelulla, mikä voisi johtua täyteainepartikkelien antamasta paremmasta sironnasta. Yhtäaikaisella annostelulla saavutettiin huomattavasti paremmat valonsironnan arvot perinteiseen annosteluun verrattuna. PCC H-pitoisuuden kasvaessa suurenivat myös valonsirontakerroin ja opasiteetti kummallakin annostelulla. PCC H antoi korkeammat valonsirontakertoimet kuin GCC. PCC omaa suuremman valonheijastusluvun kuin GCC, minkä vuoksi se antaa paremmat valonsirontakertoimen arvot. PCC H:n partikkelikokojakauma oli myös kapeampi kuin GCC:n, mikä mahdollisti paremman valonsironnan ja opasiteetin saavuttamisen.

Kuivatusmenetelmien vaikutus heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin laatuun

Työssä tutkittiin heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljen laatua, kun koepaperikoneella valmistetun SC-paperin valmistuksessa käytettiin eri kuivatus-menetelmiä. Erityisesti kiinnostus kohdistui eri kuiva-ainepitoisuuksissa käytetyn ilmakuivatuksen aiheuttamiin painojäljen laatuvaikutuksiin. Painojäljen lisäksi työssä tarkasteltiin pohjapaperin ominaisuuksia kuivatuksen jakalanteroinnin jälkeen. Perinteisen sylinterikuivatuksen kuivatuskapasiteettia voidaan nostaa kuivattamalla paperia kuuman ilman avulla, jolloin paperin haihdutusnopeus nousee yli viisinkertaiseksi sylinterikuivatukseenverrattuna. Ilmakuivatus voidaan sijoittaa välittömästä kuivatusosan alkuun ennen ensimmäistä kuivatussylinteriä tai korkeampaan kuiva-ainepitoisuuteen sylinterikuivatuksen keskelle. Kuivattua paperia tarkasteltaessa kuuman ilman avulla kuivatun paperin ominaisuudet poikkesivat huokoisuuden ja öljynabsorption suhteen sylinterikuivatusta paperista sekä heatset offset- että syväpainopaperilla. Kalanterointi tasoitti koepisteiden välisiä muutoksia. Kalanteroidusta paperista havaittiin, että ilmakuivatuksen sijoittuminen välittömästi puristimen jälkeen kasvatti paperin molempien pintojen opasiteettia. Vastaavasti paperin tiheys kasvoi, kun paperia kuivattiin kuumalla ilmalla sekä ennen sylinterikuivatusta että sylinterikuivatuksen keskellä. Yhteistä ilmakuivatuksen käytölle kaikissa koepisteissä oli paperin huokoisuuden pieneneminen. Heatset offsetpainoprosessissa käytettävä kostutusvesi asettaa paperin kuitu-karhenemiselle vaatimuksia. Tutkimuksessa havaittiin, että puristimen jälkeen sijoitettu ilmakuivatus pienensi paperin taipumusta karhentua painoprosessissa. Muiden ominaisuuksien osalta paperin kuivatus kuuman ilman avulla yhdessä sylinterikuivatuksen kanssa ei jättänyt paperiin sellaisia jälkiä, jotka näkyisivät heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljessä verrattuna kokonaan yksiviira-vientisesti sylinterikuivattuun paperiin.

Kaasun jakauma paineellisissa sulpunkäsittelylaitteissa

Työn tarkoituksena oli tutkia kuinka kaasukuplat jakautuvat sellususpensioon, kun prosessiolosuhteita muutetaan. Kuplien kokojakauman avulla pyritään kartoittamaan kuinka kaasukuplat pilkkoutuvat ja onko olemassa raja-arvoa, milloin tehon lisäys ei enää pilko sellususpensiossa olevia kuplia pienemmiksi. Jakaumien avulla voidaan mahdollisesti kehittää kaasunpoistoa. Työssä selvitettiin voidaanko kameratekniikkaa käyttää kuplakokojen määrittämiseen sellusulpusta. Läpinäkymätön sellumassa tarjoaa kuvaukselle haasteellisen ympäristön. Myöskään kirjallisuudessa ei vastaavaa menetelmää aikaisemmin oltu käytetty. Kuvatusta materiaalista laskettiin kuplien halkaisijat, joita pyrittiin tarkastelemaan tilastollisesti. Tilastollinen tarkastelu toi eroja mittauspisteiden välille. Kuplien halkaisijoiden perusteella mallinnettiin kuplakokoon vaikuttavat prosessisuureet lineaarisella regressioanalyysillä. Mallinnuksen perusteella saatiinvasteisiin vaikuttavat riippumattomat muuttujat ja niiden matemaattiset malliyhtälöt. Tuloksina saatiin selville, että kuplien kokojakaumissa on eroja sekoitussäiliön eri puolilla. Sekoitussäiliössä suurten kuplien suhteellinen osuus kasvaa kaasupitoisuuden ja sakeuden noustessa. Mallinnuksen tärkeimpänä tuloksena voidaan todeta, että sakeus ja kaasutilavuus vaikuttavat kuplakokoon kasvattavasti. Kierrosnopeuden kasvattaminen pienentää kuplakokoa. Visuaalisen informaation avulla on helpompi ymmärtää kuinka kuplat käyttäytyvät.

LWC-SYVÄPAINOHIOKKEEN LAADUN OPTIMOINTI

Työn tavoitteena oli hiokkeen laatua optimoimalla löytää keinoja pohjapaperin opasiteetin parantamiseksi. Tehtaalla oli havaittu hiokkeen palstautumislujuuden pudonneen ja pian tämän jälkeen oli paperikoneella nostettu sellun jauhatustehoa mikä puolestaan vaikuttaa negatiivisesti pohjapaperin opasiteettiin. Päähuomio hiokkeen laadun optimoinnissa keskitettiin tästä syystä palstautumislujuuden tason nostamiseen. Kirjallisuuden mukaan tärkein hiokkeen palstautumislujuuteen ja myös opasiteettiin vaikuttava tekijä on massan hienoaines. Hiokkeen hienoainespitoisuuden lisäämistä tutkittiin tässä työssä seuraavalla kolmella tavalla: rejektijauhatuksen optimointi, kivenalusmassan CSF-tason alentaminen ja jälkijauhatustehon lisääminen. Työn toisena tavoitteena oli varmistaa rejektilinjan kapasiteetin riittävyys, erityisesti rejektilajitin 6:n osalta. Taustana tälle tarkastelulle oli mahdollisen lisälajittimen investointitarve RL 6:n rinnalle. Rejektijauhatuksen optimoinnissa tutkittiin jauhatustehon, eri terämallien ja kahden rinnakkaisen rejektijauhimen (yhden sijasta) vaikutusta jauhetun rejektimassan ominaisuuksiin. Pidättävillä rejektijauhimen terillä jauhetusta massasta tuli pitkäkuituisempaa kuin referenssiterillä, joissa staattori oli pumppaava ja roottori pidättävä. Mutta vaikka pidättävillä terillä jauhettu massa oli pitkäkuituisempaa ja sisälsi vähemmän hienoainetta oli sen palstautumislujuus samaa luokkaa kuin referenssiterillä jauhetun massan. Kahden rinnakkaisen jauhimen ajomallilla saatiin laadultaan kaikein heikointa massaa. Kaikissa koeajoissa saatiin rejektimassan palstautumislujuutta parannettua jauhatustehoa lisäämällä. Kivenalusmassan CSF-tasoa alentamalla ei valmiin annosteluhiokkeen palstautumislujuus alentunut vaikka hiokkeen hienoainespitoisuus kasvoi hieman. Mutta vaikka hiokkeen palstautumislujuus ei kasvanutkaan niin koejaksolla, joka oli pituudeltaan hieman yli kuukauden, pohjapaperin opasiteetti kuitenkin parani hieman ja sellun jauhatustehoa voitiin paperikoneella pudottaa hieman. Palstautumislujuuskartoituksen, jossa otettiin näytteitä hiomon eri prosessivaiheista, mukaan jälkijauhatus oli yksittäisenä prosessivaiheena eniten hiokkeen palstautumislujuuteen vaikuttava prosessivaihe. Jälkijauhatuskoeajosta saatiinkiin parhaimmat tulokset hienoainespitoisuuden ja palstautumislujuuden nousun suhteen. Rejektilajittelun massarejektisuhteiden määritysten ja rejektilajitin 6:n kapasiteettikokeen mukaan rejektilajittelu toimii nykyisellä tuotantomäärällä halutunlaisesti ja rejektilajitin 6:n osalta tuotantoa on vielä varaa nostaakin.

Softkalanteroinnin optimointi luettelopaperin viimeistelyssä

Työssä tutkittiin softkalanteroinnin vaikutus heat set web offset-luettelopaperin laatu- ja painatusominaisuuksiin. Tavoitteena oli löytää luettelopaperin laatuvaatimukset täyttävä ajotapa softkalanterille. Työn kirjallisessa osassa käsitellään softkalanteroinnin teoriaa, softkalanteroinnin vaikutusta sanomalehti-paperin laatuun sekä soft- ja konekalanteroinnin eroja. Lisäksi käsitellään painatusta; densiteettiä ja sen vaikutusta paperin läpipainatukseen. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin softkalanterin lämpötilan ja viivapaineen vaikutus luettelopaperin laatuun. Paras laatu sileyden, kiillon sekä painojäljen kannalta saavutetaan käyttämällä korkeaa kalanterin lämpötilaa ja viivapainetta. Massaseoksessa tulisi olla niin paljon hioketta kuin paperin lujuusominaisuudet sallivat. Hioke antaa paperille tasaisen painojäljen. Täyteainetta tulisi käyttää, koska se nostaa opasiteettia ja pienentää läpipainatusta sekä helpottaa kalanteroitumista. Helpommin kalanteroituva paperi pienentää paperin huokostilavuutta, jolla on edullinen vaikutus paperin läpipainatukseen. Luettelopaperin kalanteroiminen yhdellä nipillä on mahdollista, mutta ei suotavaa. Tällöin paperista tulee toispuoleista karheuden suhteen.

Brightness of multilayer boards

A good appearance of a package enhances the sale of the product. The packing gives information about the content and instructions for the usage. In this master’s thesis, the optical properties of multilayer packaging board is studied. Especially means of increasing brightness of the multilayer board are evaluated. In the literature part, the effect of different factors on optical properties of a multilayer board are evaluated with the help of light scattering and absorption coefficients. The Kubelka-Munk theory can be used also in modelling brightness of the multilayer board. A large variety of different process factors, chemical aids and machine variables affect optical properties of board. In the experimental part, different methods to increase brightness of a 3-layer board were evaluated. It was discovered that brightness variation of broke (30 % share of the center layer pulp) have only minor influence on brightness of the board. The brightness variation must be high, roughly 9 % in order to alter brightness of the board by 1 %. Higher brightness can be achieved by bleaching the pulp, which holds the largest share of the center layer pulp. Here, 2,6 % increase in brightness of the pulp (60 % share of the center layer pulp) increased brightness of the board by 1 %. In a trial run at a board machine, there was no indication of decreased bulk of the board due to extended bleaching of the pulp. With pulp dyeing appearance and optical properties of a multilayer board can be influenced. By using bluish dyes the natural yellowness of pulps can be decreased and impression of whiteness is then increased. Brightness may deteriorate though, because of increasing light absorption of the dyed pulps. When the yellowness comes from the center layer pulp, the dye should be introduced there. Then the brightness decreasing effect of the dye decreases brightness of the board less. It was noticed that it is more important to maintain brightness of the top layer than brightness of the center layer, because the top layer pulp affects on brightness of the board the most. By introducing fillers into the top layer of a multilayer board it is possible to increase brightness of the board. Fillers with the highest light scattering increased the brightness of the board the most. Increasing light scattering increases brightness and also opacity. Higher opacity in the top layer decreases also the darkening effect of the center layer. Calcinated kaolin and PCC was found to increase the light scattering of the top layer the most at the filler comparison. Introducing fillers into the top layer of multilayer board may decrease bulk and modulus of elasticity of the top layer. This could lead to deteriorated bending stiffness.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

Yksivuotisten kasvien (non-wood) kuitua verrataan usein lehtipuukuituihin. Käytetyimpiä non-wood kasveja ovat vehnän olki, bambu, järviruoko ja bagassi. Non-wood massan erottaa puumassasta kuitenkin korkea silikaattipitoisuus sekä parenkyymisolupitoisuus, joka antaa massalle korkean hienoainepitoisuuden. Tämä yhdessä korkean hemiselluloosapitoisuuden ja lyhyen kuidun pituuden kanssa heikentävät voimakkaasti non-wood massan vedenpoisto-ominaisuuksia. Non-wood kuidulla voidaan korvata lehtipuumassaa hienopapereissa. Non-wood kuitu antaa paperille hyvän opasiteetin, korkean valonsirontakertoimen sekä sileän painopinnan. Massaan lisättävä pitkäkuituinen havupuumassa parantaa ajetta¬vuutta paperikoneella ja helpottaa massan vedenpoistoa. Non-wood massan vedenpoistoa voidaan tehostaa esimerkiksi poistamalla osa hienoaineesta, käyttämällä non-wood massalle sopivaa keittotapaa sekä käyttämällä märkä¬puristuksessa pitkänippityyppistä puristinratkaisua. Myös non-wood kuidun kuivaaminen parantaa vedenpoistoa. Tässä tutkimuksessa kirjallisuusosassa keskityttiin yleisimpiin paperin valmistuksessa käytettäviin non-wood kuidun lähteisiin, märkäpuristuksen teoriaan ja tapoihin tehostaa vedenpoistoa. Kokeellisessa osassa tutkittiin vehnänolkimassan käyttäytymistä märkäpuristuksessa erilaisten ominaisuuksien pohjalta. Tutkimuksen kohteena oli non-wood massan keittotapa (hapan/alkali), hienoainepitoisuus, silikaattipitoisuus sekä kuivattu/kuivaamaton kuitu. Vertailun vuoksi tutkimuksessa oli mukana myös yksi järviruokomassa. Tuloksista huomataan, että non-wood massan vedenpoistoon vaikuttaa hienoainepitoisuus, kuidun kuivaus sekä massan valmistustapa. Järviruokomassan veden¬poisto on tehokkaampaa kuin vehnänolkimassan paremman kuitu¬koostumuksensa takia. Jos hienopaperimassassa korvataan lehtipuumassaa non-wood kuidulla maksimissaan 40 %, massan vedenpoistoa voidaan hyvin arvioida erilaisten suotautuvuusmittojen, kuten freeneksen, vedenpidätyskyvyn ja suotautumisajan, avulla.

LWC-paperin opasiteetin parantaminen

LWC-syväpainopaperilta vaaditaan hyvän ajettavuuden, kiillon ja sileyden ohella hyvää opasiteettia. Tämä on asettanut haasteita LWC-paperin valmistajille paperin neliömassojen laskiessa. Tässä diplomityössä etsittiin keinoja parantaa kevyiden LWC-syväpainolajien opasiteettia heikentämättä oleellisesti muita tärkeitä paperin ominaisuuksia. Tavoitteena oli nostaa CR48-lajin opasiteetti tavoitearvoon 90 %. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin paperin optisten ominaisuuksien teoriaan sekä raaka-aineisiin ja prosessin osiin, joilla on vaikutusta paperin opasiteettiin. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin olemassa olevan aineiston perusteella tekijöitä, joilla uskottiin olevan vaikutusta CR48-lajin opasiteettiin. Tutkimuksen ja kirjallisuuden perusteella ajettiin tehdaskoeajoa, joiden avulla pyrittiin parantamaan paperin opasiteettia. CR48-lajin opasiteettitavoite saavutettiin kolmella eri tavalla. Opasiteettitavoite saavutettiin, kun paperin vaaleus säädettiin tavoitearvoon pigmenttivärin avulla tumman hierteen sijasta. Tällöin väripigmentin määrää päällystyspastassa nostettiin 0,01 osaa ja valkaistun hierteen osuus kokonaishierteen määrästä oli 100 %. Vaaleuden säätö pastavärillä oli käytännössä hidasta ja hankalaa. Opasiteettitavoite saavutettiin myös, kun hierre jauhettiin täysin koeterillä. Koeterillä tapahtuva jauhatus oli rajumpaa ja katkovampaa kuin perinteisillä terillä, joten hienoaineen lisääntyminen ja kuidun lyheneminen paransivat paperin opasiteettia, mutta lujuudet huononivat. Lisäksi tavoiteopasiteetti saavutettiin, kun sellun osuutta vähennettiin 8 %-yksikköä. Lujuuden säilymisen kannalta sellun vähennys oli parempi keino opasiteetin parantamiseksi kuin hierteen jauhaminen koeterillä. Koeajojen perusteella pohjapaperin tuhkapitoisuuden nostolla ja hierteen CSF-luvun alentamisella ei ollut vaikutusta paperin opasiteettiin. Lisäksi 100 %:nen koeterillä jauhettu sahahakehierre antoi paperille huonomman opasiteetin kuin hierre, josta puolet oli jauhettu koeterillä ja raaka-aineesta 25 % oli sahahaketta.

Reduction of specific energy consumption of a thermomechanical pulping plant

Kuumahiertoprosessi on erittäin energiaintensiivinen prosessi, jonka energianominaiskulutus (EOK) on yleisesti 2–3.5 MWh/bdt. Noin 93 % energiasta kuluu jauhatuksessa jakautuen niin, että kaksi kolmasosaa kuluu päälinjan ja yksi kolmasosa rejektijauhatuksessa. Siksi myös tämän työn tavoite asetettiin vähentämään energian kulutusta juuri pää- ja rejektijauhatuksessa. Päälinjan jauhatuksessa tutkimuskohteiksi valittiin terityksen, tehojaon ja tuotantotason vaikutus EOK:een. Rejektijauhatuksen tehostamiseen pyrittiin yrittämällä vähentää rejektivirtaamaa painelajittelun keinoin. Koska TMP3 laitoksen jauhatuskapasiteettia on nostettu 25 %, tavoite oli nostaa päälinjan lajittelun kapasiteettia saman verran. Toisena tavoitteena oli pienentää rejektisuhdetta pää- ja rejektilajittelussa ja siten vähentää energiankulutusta rejektijauhatuksessa. Näitä tavoitteita lähestyttiin vaihtamalla päälinjan lajittimiin TamScreen-roottorit ja rejektilajittimiin Metso ProFoil-roottorit ja optimoimalla kuitufraktiot sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Syöttävällä terätyypillä pystyttiin vähentämään EOK:ta 100 kWh/bdt, mutta korkeampi jauhatusintensiteetti johti myös alempiin lujuusominaisuuksiin, korkeampaan ilmanläpäisyyn ja korkeampaan opasiteettiin. Myös tehojaolla voitiin vaikuttaa EOK:een. Kun ensimmäisen vaiheen jauhinta kuormitettiin enemmän, saavutettiin korkeimmillaan 70 kWh/bdt EOK-vähennys. Tuotantotason mittaamisongelmat heikensivät tuotantotasokoeajojen tuloksia siinä määrin, että näiden tulosten perusteella ei voida päätellä, onko EOK tuotantotasoriippuvainen vai ei. Päälinjan lajittelun kapasiteettia pystyttiin nostamaan TS-roottorilla vain 18 % jääden hieman tavoitetasosta. Rejektilajittelussa pystyttiin vähentämään rejektimäärää huomattavasti Metso ProFoil-roottorilla sekä sihtirumpu- ja prosessiparametrimuutoksin. Lajittamokehityksellä saavutettu EOK-vähennys arvioitiin massarejektisuhteen pienentymisen ja rejektijauhatuksessa käytetyn EOK:n avulla olevan noin 130 kWh/bdt. Yhteenvetona voidaan todeta, että tavoite 300 kWh/bdt EOK-vähennyksestä voidaan saavuttaa työssä käytetyillä tavoilla, mikäli niiden täysi potentiaali hyödynnetään tuotannossa.

Inverting ionospheric D-region electron density pro-file from riometer measurement

The aim of this work is to invert the ionospheric electron density profile from Riometer (Relative Ionospheric opacity meter) measurement. The newly Riometer instrument KAIRA (Kilpisjärvi Atmospheric Imaging Receiver Array) is used to measure the cosmic HF radio noise absorption that taking place in the D-region ionosphere between 50 to 90 km. In order to invert the electron density profile synthetic data is used to feed the unknown parameter Neq using spline height method, which works by taking electron density profile at different altitude. Moreover, smoothing prior method also used to sample from the posterior distribution by truncating the prior covariance matrix. The smoothing profile approach makes the problem easier to find the posterior using MCMC (Markov Chain Monte Carlo) method.