Effect of compression wood on surface roughness and surface absorption of medium density fiberboard

Abstract

Methods for Region Based Paper Surface Roughness Measurement

Paperin pinnan karheus on yksi paperin laatukriteereistä. Sitä mitataan fyysisestipaperin pintaa mittaavien laitteiden ja optisten laitteiden avulla. Mittaukset vaativat laboratorioolosuhteita, mutta nopeammille, suoraan linjalla tapahtuville mittauksilla olisi tarvetta paperiteollisuudessa. Paperin pinnan karheus voidaan ilmaista yhtenä näytteelle kohdistuvana karheusarvona. Tässä työssä näyte on jaettu merkitseviin alueisiin, ja jokaiselle alueelle on laskettu erillinen karheusarvo. Karheuden mittaukseen on käytetty useita menetelmiä. Yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää on käytetty tässä työssä etäisyysmuunnoksen lisäksi. Paperin pinnan karheudenmittauksessa on ollut tarvetta jakaa analysoitava näyte karheuden perusteella alueisiin. Aluejaon avulla voidaan rajata näytteestä selvästi karheampana esiintyvät alueet. Etäisyysmuunnos tuottaa alueita, joita on analysoitu. Näistä alueista on muodostettu yhtenäisiä alueita erilaisilla segmentointimenetelmillä. PNN -menetelmään (Pairwise Nearest Neighbor) ja naapurialueiden yhdistämiseen perustuvia algoritmeja on käytetty.Alueiden jakamiseen ja yhdistämiseen perustuvaa lähestymistapaa on myös tarkasteltu. Segmentoitujen kuvien validointi on yleensä tapahtunut ihmisen tarkastelemana. Tämän työn lähestymistapa on verrata yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää segmentoinnin tuloksiin. Korkea korrelaatio näiden tulosten välillä osoittaa onnistunutta segmentointia. Eri kokeiden tuloksia on verrattu keskenään hypoteesin testauksella. Työssä on analysoitu kahta näytesarjaa, joidenmittaukset on suoritettu OptiTopolla ja profilometrillä. Etäisyysmuunnoksen aloitusparametrit, joita muutettiin kokeiden aikana, olivat aloituspisteiden määrä ja sijainti. Samat parametrimuutokset tehtiin kaikille algoritmeille, joita käytettiin alueiden yhdistämiseen. Etäisyysmuunnoksen jälkeen korrelaatio oli voimakkaampaa profilometrillä mitatuille näytteille kuin OptiTopolla mitatuille näytteille. Segmentoiduilla OptiTopo -näytteillä korrelaatio parantui voimakkaammin kuin profilometrinäytteillä. PNN -menetelmän tuottamilla tuloksilla korrelaatio oli paras.

Paper Surface Image Processing for Roughness Quality Measurement

Diplomityössä on käsitelty paperin pinnankarkeuden mittausta, joka on keskeisimpiä ongelmia paperimateriaalien tutkimuksessa. Paperiteollisuudessa käytettävät mittausmenetelmät sisältävät monia haittapuolia kuten esimerkiksi epätarkkuus ja yhteensopimattomuus sileiden papereiden mittauksissa, sekä suuret vaatimukset laboratorio-olosuhteille ja menetelmien hitaus. Työssä on tutkittu optiseen sirontaan perustuvia menetelmiä pinnankarkeuden määrittämisessä. Konenäköä ja kuvan-käsittelytekniikoita tutkittiin karkeilla paperipinnoilla. Tutkimuksessa käytetyt algoritmit on tehty Matlab® ohjelmalle. Saadut tulokset osoittavat mahdollisuuden pinnankarkeuden mittaamiseen kuvauksen avulla. Parhaimman tuloksen perinteisen ja kuvausmenetelmän välillä antoi fraktaaliulottuvuuteen perustuva menetelmä.

Three Wavelength Optical Probe for Surface Roughness Measurements of Paper Samples

In the present diploma work optical inspection methods were used to investigate surface roughness of paper samples. A special measurement setup, which includes three laser light sources of three different wavelengths, photodetector and goniometer, was used to measure the reflected laser light properties. The intensity of the light reflected in specular direction was measured versus the laser incidence angle for reference metal sample. The value of roughness was estimated and compared to initially known value of metal sample roughness. Thus, the measurement equipment and method were validated. Then the reflected intensity was measured versus reflection angle at constant incidence angle for the same metal sample and paper samples under investigation. The final values of the surface roughness were obtained from the analysis of the reflected intensity dependence. The results are in good correlation with other research groups.

Erään hienopaperikoneen paksuusprofiilin hallinta

Työn kirjallisuusosassa perehdytään paperikoneen online-mittarien toimintaan, poikkisuuntaisten profiilien säätämiseen ja kalanterointiin. Työn tavoitteena oli löytää syyt erään hienopaperikoneen heikkoon paksuusprofiiliin ja siitä aiheutuvaan suureen rullahylkymäärään. Syitä heikkoon paksuusprofiiliin on haettu kalanterin, päällystysasemien ja laatusäätöjärjestelmän toiminnoista. Työssä on tutkittu myös karheusprofiilin vaikutusta paksuusmittaukseen. Työssä löydettiin selvä yhteys paperin karheusprofiilin ja paperikoneen paksuusmittarin mittaaman paksuusprofiilin välille. Radan reuna-alueiden karheus suurentaa online-paksuusmittarin mittaustulosta. Karheusprofiili ei kuitenkaan vaikuta laboratoriomittareilla mitattuun paksuusprofiiliin. Paperikoneen onlinepaksuusmittarin mittausvirhe on kompensoitava, jotta paperin todellinen paksuusprofiili saadaan suoraksi. Työssä tehtyjen tutkimusten perusteella muodostettiin ajomalli, jolla ajettiin koeajojakso. Ajomallin päällimmäinen tarkoitus oli kompensoida paperikoneen online- paksuusmittarin mittausvirhe. Koeajo onnistui hyvin. Koeajojakson profiilivioista johtuva rullahylyn määräoli merkittävästi pienempi kuin referenssijakson profiilivioista johtuva rullahylyn määrä.

Paperin pinnan karakterisoinnin ja painettavuuden tutkimusmenetelmät

Työn tarkoituksena on ollut tutkia paperin pinnan karakterisoinnin menetelmiä ja tehdä katsauspaperin painettavuuden ennustamisen tutkimuksiin. Kaikkien kehitettyjen menetelmien tarkoituksena on tavalla tai toisella mitata paperin visuaalista vaikutelmaa loppukäyttäjän kannalta sekä ennustaa paperin painettavuutta. Menetelmiä on kehitetty aina 1940-luvulta lähtien ja tekniikan kehittyessä markkinoille tulee uusia menetelmiä, jotka ovat nopeampia ja tarkempia kuin edeltäjänsä. Työssä tarkasteltavat menetelmät on jaoteltu mekaanisiin, optisiin ja elektronisäteilyn läpäisyyn perustuviin menetelmiin. Lopuksi on tarkasteltu tutkimuksia, joiden pääasiallinen tarkoitus on ollut kehittää mittalaitteita ennustamaan paperin painotulosta todellisissa painatusolosuhteissa. Laboratoriolaitteita ja on-line-mittareita ei ole jaoteltu erikseen, koska menetelmän perusteella on helppo havaita, voiko laite mitata jotakin paperin ominaisuutta jopa yli 40 metriä sekunnissa liikkuvalla paperirainalla.

Suotautuneen massakakun irtoamisominaisuudet

Tässä työssä tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiota teräspinnalle. Muuttujina käytettiin tyypillisiä pesuprosessin arvoja. Lisäksi tutkittiin teollisessa pesulaitteessa massakakun irrotuksessa käytettävän paineilmapulssin käyttäytymistä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin suotautuneen massakakun muodostumista, adheesiota ja adheesioon vaikuttavia tekijöitä massakakun irrotuksen kannalta. Lisäksi massakakun irrotuksessa käytettävän paineilman virtaustatarkasteltiin adiabaattisena virtauksena. Kokeellisen osan irrotuskokeissa tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiovoimia teräksisen kartion laitoihin ja reikälevyyn. Kokeissa tutkittiin tyypillisten prosessi-muuttujien kuten lämpötilan, pH:n ja kuiva-ainepitoisuuden vaikutusta tarvittavaan kakun irrotusvoimaan. Lisäksi tutkittiin myös kartion kulman ja pinnanlaadun vaikutusta. Adheesiokokeiden perusteella pystyttiin laskemaan massakakun irrotukseen tarvittava rajapaine teollisen pesulaitteen lokeron suodoskanavassa. Kokeellisen osan paineilmakokeissa tutkittiin irrotuksessa käytettävän paineilman painevaikutusta ja virtausta teollisen pesulaitteen lokerossa ja näihin vaikuttavia rakenteellisten ja prosessiteknisten parametrien vaikutusta. Lisäksi tutkimusta täydennettiin videokuvauksen avulla tutkimalla paineaallon etenemistä merkkiaineen avulla.

Pinnan ominaisuuksien karakterisointi kiiltomittalaitteella ja kiiltomittalaitteen soveltuvuus tuotannon laadunvarmistuksessa

Alahuulten, kärkilistojen, turboputkien ja telapinnoitteiden pinnankarheutta mitataan Rautpohjan tehtaalla nykyään pääosin koskettavalla pinnankarheusprofilometrilla. Profilometrin käyttö on hankalaa ja epäluotettavaa tai käytössä on muita ongelmia. Paperin kuituorientaation mittaamiseen käytetään nykyisin mm. TSO-menetelmää tai repäisymenetelmää. Tämän diplomityön tarkoituksena oli kartoittaa diffraktiiviseen optiseen elementtiin perustuvan kiiltomittalaiteprototyypin mahdollisuuksia karakteroida pinnan ominaisuuksia ja tutkia kiiltomittalaitteen soveltuvuutta tuotannon laadunvarmistuksessa. Alahuuli-, kärkilista-, turboputki-, telapinnoite- ja paperinäytteistä valmistettiinnäytesarjoja, jotka mitattiin nykymenetelmin ja kiiltomittalaitteella. Tulostenkorreloituvuutta tutkittiin ja taloudellista merkitystä arvioitiin investointilaskelmin. Paperin kuituorientaation, paperin pinnan kuituorientaation ja telapinnoitteiden mittaaminen kiiltomittalaitteella osoittautui taloudellisesti erittäin merkittäväksi. Ennen mahdollista kiiltomittalaitteen käyttöönottoa prototyyppiä on kehitettävä, kiillon korreloituvuutta tulee tutkia edelleen ja aiheesta on tehtävä lisätutkimuksia.

Drying of Ink in Inkjet Printing

Tämän diplomityön tavoitteena oli saada perustietoa tekijöistä, jotka vaikuttavat musteen kuivumiseen erilaisilla paperipinnoilla inkjet tulostuksessa. Tavoitteena oli saada tietoa erilaisista musteista, joita käytetään yleisimmissä inkjet tulostustekniikoissa, miten paperit vaikuttavat musteen kuivumiseen ja minkälaisia menetelmiä on olemassa musteen kuivumistekijöiden määrittämiseen. Lisäksi tarkoituksena oli varmistaa, voidaanko inkjetmusteiden absorptioajan määrittämiseen käytettävää DIGAT-laitetta käyttää määrittämään ja ennustamaan erilaisten musteiden kuivumista erilaisilla paperipinnoilla sekä etsiä korrelaatioita musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien sekä inkjet tulostuksen laadun välillä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin erilaisia inkjet tulostusmenetelmiä, niissä käytettäviä musteita ja musteiden koostumuksia. Tutkittiin myös paperin ja musteen välisiä vuorovaikutuksia sekä inkjet tulostuksen laatua. Kokeellisessa osassa tutkittiin musteenabsorboitumista paperiin DIGAT-laitteen avulla. kuudella eri musteella. Paperinäytteistä määritettiin teknisiä paperiominaisuuksia sekä ominaisuuksia, jotka liittyvät inkjet tulostuksen laatuun. Inkjet tulostuksen laatua tarkasteltiin tulostamalla testikuva kolmella eri tulostimella, jotka olivat Canon Bubble Jet i950, HP DeskJet Cxi970 ja Epson Stylus C46. Havaittiin, että DIGAT-laite ei sovellu määrittämään musteen absorptioaikoja kiiltäville näytteille.Tässä tutkimuksessa näyte, jonka kiilto oli 65 %, oli liian kiiltävä mitattavaksi DIGAT-laitteella. Lisäksi absorptiomäärityksissä havaittiin, että erilaiset musteet asettuvat erilailla paperin pintaan ja että pigmenttipohjaisella musteella asettumisaika oli kaikista pisin. Musteiden absorptioajat olivat nopeimpia erikoisinkjetpaperilla ja hitaimpia päällystetyillä, tiiviillä papereilla. Musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien ja inkjet tulostuksen laadun välisiä korrelaatioita oli vaikea havaita. Voidaan sanoa, että tulokset olivat muste- ja printterikohtaisia. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin musteen absorboitumisen kanssa. Nämäolivat Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka- sekä kalsiumkarbonaattipitoisuus ja K&N värinabsorptio. Myöskään inkjet tulostuksen laadun ja musteen absorption välisiä korrelaatioita ei löytynyt kuin muutama; densiteetti, mottling sekä bleeding. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta DIGAT-laitteen soveltuvan hyvin kuvaamaan inkjet tulostuksen laatuominaisuuksista densiteettia, mottlingia sekä bleedingiä. DIGAT-laitetta voidaan siis käyttää avuksi ennustettaessa kuivumisaikaa ja sen vaikutusta edellä mainittuihin ominaisuuksiin. Läpipainatusominaisuuksia DIGAT-laitteen avulla ei voida tutkia, sillä ne ovat enemmän riippuvaisia paperin neliömassasta, paksuudesta ja huokoisuudesta kuinmusteen absorptioajasta. Teknisistä paperiominaisuuksista Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka-sekä CaCO3-pitoisuus ja K&N värinabsorptio kuvaavat hyvin musteen imeytymisaikaa paperiin, kun taas ominaisuudet Cobb, HST ja polaari- sekädispersiokomponentit eivät kuvaa. Näyttää siltä, että testikuva, joka on tällä hetkellä käytössä UPM Tutkimus-keskuksessa, ei sovellu suurtehotulostuksen laadun tarkkailuun. Testikuva toimii hyvin pöytätulostimilla ja perinteisillä kopiopapereilla ja inkjetpapereilla, jotka on tarkoitettu tulostettaviksi hitaasti. Tulostusnopeuden ja musteen kuivumisnopeuden välisiä ilmiöitä seei tuo esille, joten se ei sovellu kuvaamaan suurtehotulostusta.

Laser Cutting of Austenitic Stainless Steel with a High Quality Laser Beam

The thin disk and fiber lasers are new solid-state laser technologies that offer a combinationof high beam quality and a wavelength that is easily absorbed by metal surfacesand are expected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in cutting of metals ofthick sections (thickness greater than 2mm). This thesis studied the potential of the disk and fiber lasers for cutting applications and the benefits of their better beam quality. The literature review covered the principles of the disk laser, high power fiber laser, CO2 laser and Nd:YAG laser as well as the principle of laser cutting. The cutting experiments were made with thedisk, fiber and CO2 lasers using nitrogen as an assist gas. The test material was austenitic stainless steel of sheet thickness 1.3mm, 2.3mm, 4.3mm and 6.2mm for the disk and fiber laser cutting experiments and sheet thickness of 1.3mm, 1.85mm, 4.4mm and 6.4mm for the CO2 laser cutting experiments. The experiments focused on the maximum cutting speeds with appropriate cut quality. Kerf width, cutedge perpendicularity and surface roughness were the cut characteristics used to analyze the cut quality. Attempts were made to draw conclusions on the influence of high beam quality on the cutting speed and cut quality. The cutting speeds were enormous for the disk and fiber laser cutting experiments with the 1.3mm and 2.3mm sheet thickness and the cut quality was good. The disk and fiber laser cutting speeds were lower at 4.3mm and 6.2mm sheet thickness but there was still a considerable percentage increase in cutting speeds compared to the CO2 laser cutting speeds at similar sheet thickness. However, the cut quality for 6.2mm thickness was not very good for the disk and fiber laser cutting experiments but could probably be improved by proper selection of cutting parameters.

Nestepakkauskartongin ominaisjäykkyyden parantamisen menetelmät

Viime vuosina Tainionkosken KA5:lla valmistettavan nestepakkauskartongin neliömassa, joka jäykkyystavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan, on kasvanut. Diplomityön tavoitteena oli selvittää kartongin jäykkyysindeksin heikentymi-seen vaikuttaneet tekijät ja kehittää korjaavia toimenpiteitä. Työn kirjallisuusosassa tutkittiin nestepakkauskartongin laatuominaisuuksia ja jäykkyyden muodostumista. Lisäksi selvitettiin massanvalmistus- ja koneolosuhteiden vaikutusta kartongin jäykkyyteen. Kirjallisuusosassa tutkittiin myös, miten eri massalaadut ja kartongin rakenne vaikuttavat jäykkyyteen. Työn kokeellisessa osassa kartoitettiin jäykkyysindeksin heikkenemisen syitä ja kehitettiin uusia ajomalleja, joilla olisi jäykkyysindeksiin positiivinen vaikutus. Jäykkyysindeksin heikkenemisen syitä selvitettiin massa- ja prosessianalyysien avulla. Lisäksi tutkittiin 3.puristimen muuttamista tasauspuristimeksi ja CTMP:n käyttöä runkokerroksessa sekä korkea- että matalakappaisen valkaisemattoman sellun kanssa. Massa-analyysissä selvisi, että sellun laatu on heikentynyt ja jäykkyysindeksin heikkeneminen johtuu osaltaan siitä. Prosessianalyysissä paljastui useita jäykkyysindeksiä heikentäviä tekijöitä, kuten esimerkiksi kuivatusosan vetoerot, jotka olivat ajautuneet kauas optimitilasta. 3.puristimen muuttaminen tasauspuristimeksi paransi pinnan sileyttä ja kartongin bulkkia, jolloin jäykkyysindeksi kasvoi. CTMP:n käyttö korkeakappaisen sellun kanssa paransi huomattavasti kartongin bulkkia, mutta heikensi palstautumislujuutta ja lisäsi reunaimeytymää. Matalakappaisen sellun ja CTMP:n yhdistelmällä saatiin aikaan hyvä bulkki ja palstautumis-lujuus niin, että reunaimeytymä ei kasvanut ja tuotantonopeus ei laskenut.

Fiber Laser Cutting of Mild Steel

Fiber laser for materials processing have undergone a rapid development in the pastseveral years. As fiber laser provides a combination of high beam quality and awavelength that is easily absorbed by metal surfaces, the named future laser isexpected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in the area of metal cutting. This thesis studied the performance of fiber laser cutting mild steel. In the literature review part, it introduced the laser cutting principle and the principle of fiber laser including the newest development of fiber laser cuttingtechnology. Because the fiber laser cutting mild steel is a very young technology, a preliminary test was made in order to investigate effect of the cutting parameters on cut quality. Then the formal fiber laser cutting experiment was madeby using 3 mm thickness S355 steel with oxygen as assistant gas. The experimentwas focused on the cut quality with maximum cutting speed and minimum oxygen gas pressure. And the cut quality is mainly decided by the kerf width, perpendicularity tolerance, surface roughness and striation patterns. After analysis the cutting result, several conclusions were made. Although the best result got in the experiment is not perfect as predicted, the whole result of the test can be accepted. Compared with CO2 laser, a higher cutting speed was achieved by fiber laser with very low oxygen gas pressure. A further improvement about the cutting quality might be possible by proper selection of process parameters. And in order to investigate the cutting performance more clearly, a future study about cutting different thickness mild steel and different shape was recommended.

Spray coating technique asa surface treatment for woodcontaining paper grades

The objective of this work was to introduce the emerging non-contacting spray coating process and compare it to the existing coating techniques. Particular emphasis was given to the details of the spraying process of paper coating colour and the base paper requirements set by the new coating method. Spraying technology itself is nothing new, but the atomisation process of paper coating colour is quite unknown to the paper industry. The differences between the rheology of painting and coating colours make it very difficult to utilise the existing information from spray painting research. Based on the trials, some basic conclusion can be made:The results of this study suggest that the Brookfield viscosity of spray coating colour should be as low as possible, presently a 50 mPas level is regarded as an optimum. For the paper quality and coater runnability, the solids level should be as high as possible. However, the graininess of coated paper surface and the nozzle wear limits the maximum solids level to 60 % at the moment. Most likelydue to the low solids and low viscosity of the coating colour the low shear Brookfield viscosity correlates very well with the paper and spray fan qualities. High shear viscosity is also important, but yet less significant than the low shear viscosity. Droplet size should be minimized and besides keeping the brrokfield viscosity low that can be helped by using a surfactant or dispersing agent in the coating colour formula. Increasing the spraying pressure in the nozzle can also reduce the droplet size. The small droplet size also improves the coating coverage, since there is hardly any levelling taking place after the impact with the base paper. Because of the lack of shear forces after the application, the pigment particles do not orientate along the paper surface. Therefore the study indicates that based on the present know-how, no quality improvements can be obtained by the use of platy type of pigments. The other disadvantage of them is the rapid deterioration of the nozzle lifetime. Further research in both coating colour rheology and nozzle design may change this in the future, but so far only round shape pigments, like typically calcium carbonate is, can be used with spray coating. The low water retention characteristics of spray coating, enhanced by the low solids and low viscosity, challenge the base paper absorption properties.Filler level has to be low not to increase the number of small pores, which have a great influence on the absorption properties of the base paper. Hydrophobic sizing reduces this absorption and prevents binder migration efficiently. High surface roughness and especially poor formation of the base paper deteriorate thespray coated paper properties. However, pre-calendering of the base paper does not contribute anything to the finished paper quality, at least at the coating colour solids level below 60 %. When targeting a standard offset LWC grade, spraycoating produces similar quality to film coating, but yet blade coating being on a slightly better level. However, because of the savings in both investment and production costs, spray coating may have an excellent future ahead. The porousnature of the spray coated surface offers an optimum substrate for the coldset printing industry to utilise the potential of high quality papers in their business.