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.

Enzyme convertedstarch in pigment coating

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää entsyymikonvertoinnin mahdollisuudet vaikuttaa sideainetärkkelyksen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Tärkein tehtävä oli etsiä vastaukset kysymykseen, kuinka paljon entsyymikonvertointia optimoimalla voidaan maksimoida tärkkelyksen positiivisia vaikutuksia. Tavoitteena oli myös tutkia, voiko lisäaineita käyttämällä ja tärkkelystä plastisoimalla säilyttää tärkkelyksen vaikutus paperin jäykkyyteen ja saada tärkkelysfilmille joustavuutta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin tärkkelyksen entsyymikonvertointiin vaikuttavia tekijöitä, eri tärkkelysraaka-aineiden eroja, sekä konvertoinnissa käytettävien entsyymien ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myöstärkkelyksen käyttöä sideaineena pigmenttipäällystyksessä. Kokeellisessa osassakeskityttiin selvittämään entsyymikonvertoinnin olosuhteiden, käytettävän raakatärkkelyksen ja entsyymin vaikutusta konvertoidun tärkkelyksen ominaisuuksiin. Konvertoiduista tärkkelyksistä valmistettiin päällystyspastat, ja tutkittiin niinpastan kuin päällystetyn paperin ominaisuuksia. Myös erilaisten pehmentimien vaikutusta niin päällystyspastaan, kuin paperin pinnalle tutkittiin. Havaittiin, että konvertoimalla tärkkelysketjua entsymaattisesti, voidaan tärkkelysketjun pituutta säädellä. Tarkoituksena oli konvertoida tärkkelystä niin, että tärkkelyksen molekyyliketjujakaumat sisältävät lyhyitä, keskipitkiä sekäpitkiä molekyylejä. Päällystämisen havaittiin olevan vaikeaa Helicoaterilla varsinkin pitkäketjuista tärkkelystä suuren määrän sisältävillä pastoilla. Myös tärkkelys/lateksi-suhde vaihteli eri pastoilla. Päällystyspastojen reologisia ominaisuuksia testattaessa huomattiin, että tärkkelysketjun pituuden kasvaessa pastanviskositeetti lisääntyy ja vesiretentio vähenee. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin tärkkelysketjun pituuden kanssa. Näitä olivat kiilto, Gurley-Hill huokoisuus, taivutusvastus, taivutuspituus sekä IGT pintalujuus. Pehmentimien ei havaittu vaikuttavan moneenkaan paperin eri tekniseen ominaisuuteen. Suurimmat erot huomattiin paperin taivutuspituudessa ja taivutusvastuksessa.

Microscopic simulation of pigment coating consolidation

The control of coating layer properties is becoming increasingly important as a result of an emerging demand for novel coated paper-based products and an increasing popularity of new coating application methods. The governing mechanisms of microstructure formation dynamics during consolidation and drying are nevertheless, still poorly understood. Some of the difficulties encountered by experimental methods can be overcome by the utilisation of numerical modelling and simulation-based studies of the consolidation process. The objective of this study was to improve the fundamental understanding of pigment coating consolidation and structure formation mechanisms taking place on the microscopic level. Furthermore, it is aimed to relate the impact of process and suspension properties to the microstructure of the coating layer. A mathematical model based on a modified Stokesian dynamics particle simulation technique was developed and applied in several studies of consolidation-related phenomena. The model includes particle-particle and particle-boundary hydrodynamics, colloidal interactions, Born repulsion, and a steric repulsion model. The Brownian motion and a free surface model were incorporated to enable the specific investigation of consolidation and drying. Filter cake stability was simulated in various particle systems, and subjected to a range of base substrate absorption rates and system temperatures. The stability of the filter cake was primarily affected by the absorption rate and size of particles. Temperature was also shown to have an influence. The consolidation of polydisperse systems, with varying wet coating thicknesses, was studied using imposed pilot trial and model-based drying conditions. The results show that drying methods have a clear influence on the microstructure development, on small particle distributions in the coating layer and also on the mobility of particles during consolidation. It is concluded that colloidal properties can significantly impact coating layer shrinkage as well as the internal solids concentration profile. Visualisations of particle system development in time and comparison of systems at different conditions are useful in illustrating coating layer structure formation mechanisms. The results aid in understanding the underlying mechanisms of pigment coating layer consolidation. Guidance is given regarding the relationship between coating process conditions and internal coating slurry properties and their effects on the microstructure of the coating.

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.

An Optimum Coating Colour Formula for CSWO-printing

Pigmenttipäällystyksen tarkoituksena on parantaa painopapereiden pintaominaisuuksia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää sopiva päällystyspasta päällystetylle coldset-paperille. Kirjallisuusosassa on käsitelty coldset-painatusta ja sen ongelmia. Päällystysmenetelmän perusteita, pastan ominaisuuksia ja niiden vaikutusta päällystystulokseen on myös käsitelty. Lisäksi on esitelty joitakin päällystetyn paperin pinnantutkimusmenetelmiä. Kokeellisessa osassa on tutkittu erilaisten pastakoostumusten ja päällystemäärien sekä kalanteroinnin vaikutusta paperin painettavuuteen. Paperit on päällystetty Helicoaterilla ja joitakin pastoja on testattu myös pilot-mittakaavaisessa päällystyksessä. Selitystä paperin käyttäytymiseen painatuksessa on etsitty päällystetyn paperin pintarakenteesta. Paras painettavuus saavutetaan päällysteellä, jossa pigmenttinä on vain karbonaatti. Painojälkeä voidaan parantaa käyttämällä kalsinoitua kaoliinia yhdessä karbonaatin kanssa, mutta tämän päällysteen pintalujuus ei ole riittävä CSWO-painatukseen. Tärkkipigmentti parantaa veden ja painovärin absorptiota ja siten tekee painetun tuotteen kuivemmaksi ja miellyttävämmän tuntuiseksi, mutta aiheuttaa smearingia. Tämä johtuu liian nopeasta musteen asettuvuudesta. "Pehmeä" SB-lateksi soveltuu paremmin offset-painatukseen kuin "kova" lateksi, joka sisältää myös PVAc:ta. "Pehmeällä" lateksilla saadaan parempi pintalujuus ja painojälki kuin "kovalla" lateksilla. Paperin pölyävyyttä painatuksessa voidaan vähentää nostamalla päällystemäärää ja laskemalla pastan kuiva-ainepitoisuutta. Kalanteroinnilla ei pintalujuutta tai painojälkeä voida parantaa. Selitys tutkimuksessa käsiteltyjen papereiden painojäljelle ja painettavuudelle löydetään tutkimalla päällysteen pintarakennetta. Painojälkeen vaikuttaa eniten päällysteen peittoaste. Huonoa peittävyyttä voidaan parantaa nostamalla päällystemäärää. Pölyäminen painatuksessa johtuu pigmenteistä, jotka eivät ole sidottuja paperin pintaan. Tämä taas johtuu pastan huonosta vesiretentiosta. Hyödyllisintä tietoa näiden papereiden pintarakenteesta saadaan tutkimalla pintaa pyyhkäisyelektonimikroskoopilla (SEM), atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja laserindusoidulla plasmaspektrometrilla (LIPS). LIPSin etuna on se, että päällystemääräjaukauma voidaan määrittää sekä x-y- että z-suunnassa samanaikaisesti samasta kohdasta. LIPSissä myös näytteen preparointitarve on hyvin vähäinen.

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.

Characterisation of pigment particles by scanning electron microscope and image analysis programs

Coating and filler pigments have strong influence to the properties of the paper. Filler content can be even over 30 % and pigment content in coating is about 85-95 weight percent. The physical and chemical properties of the pigments are different and the knowledge of these properties is important for optimising of optical and printing properties of the paper. The size and shape of pigment particles can be measured by different analysers which can be based on sedimentation, laser diffraction, changes in electric field etc. In this master's thesis was researched particle properties especially by scanning electron microscope (SEM) and image analysis programs. Research included nine pigments with different particle size and shape. Pigments were analysed by two image analysis programs (INCA Feature and Poikki), Coulter LS230 (laser diffraction) and SediGraph 5100 (sedimentation). The results were compared to perceive the effect of particle shape to the performance of the analysers. Only image analysis programs gave parameters of the particle shape. One part of research was also the sample preparation for SEM. Individual particles should be separated and distinct in ideal sample. Analysing methods gave different results but results from image analysis programs corresponded even to sedimentation or to laser diffraction depending on the particle shape. Detailed analysis of the particle shape required high magnification in SEM, but measured parameters described very well the shape of the particles. Large particles (ecd~1 µm) could be used also in 3D-modelling which enabled the measurement of the thickness of the particles. Scanning electron microscope and image analysis programs were effective and multifunctional tools for particle analyses. Development and experience will devise the usability of analysing method in routine use.

Characteristics of Flowing Film

Työssä tutkittiin uutta teknologiaa pigmenttipäällystykseen. Tämä tekniikka on yleisesti tunnettua eräillä muilla teollisuudenaloilla. Kirjallisuustutkimuksessa on esitelty prosessia ja sen eri osatekijöitä sekä muilla aloilla tunnettuja prosessimuuttujia. Päällystyspastojen ja päällystettävien pintojen teoriaa on selvitetty uuden tekniikan ja pigmenttipäällystyksen valossa. Uuden tekniikan perusmekanismeja tutkittiin kokeellisessa osassa. Valuvan nestefilmin stabiilisuutta tutkittiin minimivirtauksen avulla. Stabiilisuustutkimuksen suorittamiseen käytettiin apuna Taguchi-matriisia DOE-ohjelmalla (Design of Experiments). Kokeiden perusteella minimivirtauksen kannalta päällystyspastalle edullisempi koostumus on kalsiumkarbonaatti- kuin kaoliinipasta. Sideaineella on pienempi osuus lateksia ja polyvinyylialkoholia parempi. Suurempi osuus pinta-aktiivista ainetta ja matala pastan kuiva-ainepitoisuus ovat suositeltuja. Tehokas ilmanpoisto päällystyspastasta on myös tärkeää lopullisen tuloksen kannalta. Koekoneella ajetuissa päällystyskokeissa havaittiin valuvan filmin ominaisuuksien tärkeys. Pienetkin kaasumäärät päällystyspastassa häiritsivät lopullisen päällysteen laatua. Päällystyspastan ilmanpoisto on avainasemassa erityisesti kun päällystetään suurella nopeudella pieniä päällystemääriä. Koeajoissa havaittiin kaikki kirjallisuudessa esitellyt rajoittavat tekijät. Kokeissa päällystettiin 400-1600 m/min nopeudella 5-20 g/m² päällystemääriä. Olosuhteet stabiilille nestefilmille vaativat edelleen kehitystä suurella nopeudella päällystettäessä. Päällysteen eroavaisuuksia verrattiin teräpäällystysmenetelmiin. Terä-päällystyksellä saadaan sileä mutta epätasaisesti peittävä pinta kun taas uuden tekniikan päällyste mukailee päällystettävän alustan topografiaa. Tasapaksun päällysteen etuna on hyvä peittävyys jo pienellä päällystemäärällä.

Päällystetyn graafisen kartongin hajuominaisuudet

Diplomityön tavoitteena oli selvittää elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin potentiaalinen hajun aiheuttaja. Lisäksi tavoitteena oli vähentää päällystetyn tasakoosteisen (SBS) kolmikerroskartongin hajutasoa keskittyen päällystyspastakomponentteihin sekä massaosaston jälkeen annosteltaviin kemikaaleihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin eri kartonkilajeja, päällystyspastoja ja sen sisältämiä komponentteja, pääpainon ollessa kuitenkin kartongin hajuominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden selvittämisessä. Lisäksi luotiin katsaus kartonkien aistinvaraisiin ja instrumentaalisiin määritysmenetelmiin. Instrumentaalisista määritysmenetelmistä käsiteltiin headspace –kaasukromatografia (HSGC) sekä korkeanerotuskyvyn nestekromatografia yhdistettynä massaspektrometriin (HPLC/MS). Kokeellisen osan alussa kartoitettiin päällystyskemikaalien sekä liima- ja retentioaineiden haihtuvat yhdisteet HSGC- ja HPLC/MS –tekniikoiden avulla. Kaasukromatografisesti analysoidut kokonaishaihtuvien tasot eivät poikenneet normaaleista tasoista, joten jouduttiin siirtymään HPLC/MS –menetelmään. HPLC/MS –tekniikalla on päästy tutkimaan herkästi haihtuvien typpiyhdisteiden amiinipitoisuuksia. Kemikaalimittausten perusteella vaihdettiin potentiaaliset hajua aiheuttavat kemikaalit, kovete ja synteettinen paksuntaja, markkinoilla oleviin vaihtoehtoisiin kemikaaleihin ja suoritettiin pilot -koeajo sekä tehdasmittakaavaiset koeajot. Työssä perehdyttiin myös varastoinnin aiheuttamiin vaikutuksiin eri kartonkilaatujen aistinvaraisissa ominaisuuksissa. Päällystyspastan kemikaaleista suuren hajukuorman aiheuttavat kovete, dispergointiaine, päällystyspigmentit ja lateksit sekä synteettinen paksuntaja. Kovetteen annostelumäärä päällystyspastoihin on alhainen, mutta sen sisältämä ammoniakkipitoisuus on kuitenkin huomattavan suuri. Kovete ohjaakin lopputuotteen ammoniakkipitoisuutta. Merkittävän metyyliamiinikuorman sisältää dispergointiaine. Sen vaikutus lopputuotteeseen voidaan olettaa vähäiseksi johtuen kemikaalin pienestä määrästä pastassa. Päällystyspigmenttien ja lateksien korkea metyyliamiinikuorma voi puolestaan aiheuttaa lopputuotteeseen huomattavan hajukuorman johtuen niiden suurista annostelumääristä. Eri synteettisille paksuntajille tehtyjen tutkimusten mukaan niiden hajukuormat olivat hyvin samankaltaisia ja vaikutus lopputuotteen kokonaishajutasoon jäi pieneksi. Aistinvaraisesti tarkasteltuna eri kartonkilaaduille saadaan eri hajutasoja. Elintarvikepakkauksiin soveltuvan graafisen kartongin hajutasot olivat korkeita muihin kartonkilaatuihin nähden niin tuoreena kuin varastoinnin jälkeen. Erityisesti tuoreen kartonkinäytteen metyyliamiinipitoisuus ylitti hajukynnyksen. Käytetty lateksi, kovete ja synteettinen paksuntaja näyttävät muodostavan niin tiiviin hajua koteloivan päällystekerroksen kartongin pinnalle, että hajua vapautuu pitkällä aikavälillä. Myös varastointi tiiviinä pakkauksena estää amiinien haihtumisen. Tutkimusten mukaan ammoniakkivapaalla PZC –kovetteella saadaan alennettua graafisen kartongin ammoniakkikuormaa huomattavasti. Tämä on vaikuttamassa myös lopputuotteen hajutasoon, jota on mahdollisuus alentaa käyttämällä ammoniakkivapaata kovetetta.

Painatuksen UV-stabiilisuuden optimointi fenolihartsatussa paperissa

Tässä diplomityössä tutkittiin painetun paperin ja siitä fenoliformaldehydihartsilla impregnoimalla valmistetun pinnoituskalvon UV-stabiilisuuden parantamis-mahdollisuuksia. Työn kirjallisuusosassa käsitellään painetun pinnoituskalvon valmistusprosessia ja painatuksen UV-valonkestoon vaikuttavia tekijöitä. Painovärin pigmentti, sen määrä ja käsittely, painovärin sideaine sekä fenoliformaldehydihartsi ja sen lisäaineet vaikuttavat pinnoitetun betonoimisvanerin säänkesto-ominaisuuksiin. Erilaisilla epäorgaanisilla valkoisilla pigmenteillä ja kidemuodoilla on erilainen UV-valonkesto ja taitekerroin. Päällystämällä titaanidioksidi esimerkiksi alumiini- tai zirkoniumoksideilla sen UV-valonkestoa voidaan parantaa merkittävästi. UV-hajoaminen voidaan havaita painetun pinnoitteen liituuntumisena. Liituuntumista voidaan pitää veden ja hapen välisenä reaktiona, jota titaanidioksidi ja UV-säteily katalysoivat. Sen takia myös muiden valkoisten epäorgaanisten pigmenttien ominaisuuksia ja käyttöä selvitettiin. Kokeissa käytettiin yhdeksää eri painoväriä, kahta eri paksuista paperia ja kahta eri tyyppistä hartsia. Painovärejä ohennettiin vedellä ja paperin painopuolta vaihdeltiin. Kaikissa painatuksissa käytettiin kolmea eri rasterointiasteen laattaa, jolloin painovärin määrää paperissa saatiin vähennettyä. Painetuista papereista mitattiin densiteetti, värimäärä, pisara-absorptio vedellä ja kontaktikulma hartsilla. Myös painovärin tunkeumaa selvitettiin paperin poikkileikeistä tehtyjen SEM-kuvien avulla. Painetut paperit impregnoitiin fenoliformaldehydihartsilla kalvoksi. Pinnoituskalvot puristettiin vanerin pinnalle laboratoriopuristimella. Koekappaleet altistettiin UV-valolle, sateelle ja pakkaselle sääkaapissa 400 h ajan, mikä vastaa noin 1,5 vuotta ulkona Suomen oloissa. Kappaleista mitattiin kiilto, värinmuutos ja liituuntuminen. Pinnoitteen liituuntumista tapahtui vähiten niissä koepisteissä, joissa painatus oli tehty 30 % rasteroidulla laatallaSäänkestävä TiO2 osoittautui hyväksi, mutta myös ZnO-pigmentillä saatiin hyviä tuloksia. ZnO-koepisteessä liituuntumisreaktio ei ole niin voimakkaasti katalysoitu kuin TiO2-koepisteissä. Paksun paperin painatuspuolella näytti olevan merkitystä säänkestoon. Huopapuolelle painettuna pinnoitteen liituuntuminen oli vähäisempää

Pigmenttien suodatus

Työn tavoitteena oli tutkia neljän eri koesuotimen soveltuvuutta pigmenttilietteen kiintoainepitoisuuden nostoon. Työssä käytetyt suotimet olivat Larox PF 0,1, Certus-CU-0047, Crossflow-koesuodin ja Steuerung ET06-linko. Suodinväliaineena Larox PF 0,1-suotimessa ja Crossflow-koesuotimessa käytettiin Tamfelt Oyj:n suodinkankaita. Certus-CU-0047-suotimessa suodinväliaineena toimi keraaminen membraani. Työn kirjallisuusosassa tarkasteltiin partikkelien karakterisointia, suodatuksen teoriaa, kakkusuodatusta, suodinväliaineista suodinkankaita ja membraaneja. Lisäksi tarkasteltiin paperin päällystämiseen käytettyjen pigmenttien ominaisuuksia ja niiden suodatusta. Kokeet suoritettiin Larox PF 0,1, Certus-CU-0047 ja Crossflow-koesuotimella vakiopainesuodatuksena yhdellä paineella. Steuerung ET06-lingon kokeet suoritettiin vakiovirtaussuodatuksena käyttäen kolmea eri virtausnopeutta ja kolmea eri lingon ja ruuvin kierrossuhdetta. Työssä suodatettiin neljää erilaista pigmenttilietettä. Suodoksista otettiin näytteitä niiden sameuden määrittämiseksi. Larox Pf 0,1-suotimella ja Steuerung ET06-dekantterilingolla saatiin nostettua pigmenttilietteen kiintoainepitoisuutta erittäin hyvin. Loput kaksi suodinta eivät sovellu tähän tarkoitukseen ollenkaan. Vakiopainesuodatuksissa suodatusajat muodostuivat kuitenkin liian pitkiksi. Suodoksien kiintoainepitoisuudet olivat suurimmaksi osaltaan pieniä lukuun ottamatta tiettyjä suodinkankaita. Lietteen 2 kiintoainepitoisuuden nostaminen oli kaikilla suotimilla erittäin vaikeaa, muut lietteet suodattuivat kohtuullisen hyvin. Näiden kokeiden perusteella voidaan sanoa, että varsinkin vakiovirtaussuodatus soveltuu hyvin ainakin tiettyjen pigmenttilietteiden kiintoainepitoisuuden nostoon.

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.

Taivekartongin sävytys ja jälkikellertyminen

Taivekartongilta vaaditaan nykyisin korkealaatuista ja tasaista ulkonäköä. Pakkauksen tehtävänä on parantaa myyntiä hyvällä ulkonäöllä ja siisteydellä sekä antaa informaatiota ja käyttöohjeita. Tässä diplomityössä tutkittiin taivekartongin sävyttämistä, optisia ominaisuuksia sekä vaaleuden ja sävyjen pysyvyyttä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin paperin ja kartongin optisia ominaisuuksia sekä esiteltiin Kubelka-Munkin teoria. Teoriaa voidaan käyttää mm. monikerroskartongin vaaleuden ja sävyjen mallintamisessa. Esillä oli paljon eri prosessitekijöitä, massoja ja kemikaaleja, jotka vaikuttavat kartongin vaaleuteen ja sävyyn. Työssä kärsiteltiin myös keinoja vaikuttaa kartongin sävyyn sävytyksellä ja sävytyksen eri tapoja. Toisaalta vaaleuden ja sävyn pysyvyyteen vaikuttaa kartongin jälkikellertyminen. Työssä tarkasteltiin jälkikellertymisen mekanismeja ja siihen vaikuttavia tekijöitä sekä esitettiin keinoja ennalta ehkäistä ja estää kellertymistä. Kokeellisessa osassa käsiteltiin massan ja päällystyspastan värjäyksen vaikutuksia ulkonäköön ja optisiin ominaisuuksiin. Sinertävillä tai violeteilla sävyväreillä voidaan pienentää mekaanisten massojen luonnollista kellertyvyyttä, jolloin valkoisuuden vaikutelma lisääntyy. Värien lisääminen heikentää vaaleutta, koska värien lisäys nostaa valon absorptiota. Tämän takia on tärkeää lisätä väri mielellään siihen kerrokseen, jossa kellertävä massa on, joka on tyypillisesti kartongin keskikerros. Pintakerrokset ovat valkaistua sellua ja niillä on tärkeä merkitys kartongin vaaleudelle, joten värin lisäys pintaan alentaisi vielä merkittävämmin kartongin kokonaisvaaleutta. Pastan värjäyksellä saadaan tasaisuutta värjäykseen, mutta sävyn säätö on tehtävä edelleen massavärjäyksellä. Pigmenttivärien käytöllä pystytään lisäämään mm. valonkestoa kartongille. Kartongin ja paperituotteiden valonkeston tutkimiseen ei ole olemassa standardia. Työssä tutkittiin laboratorio-olosuhteissa ja huonevalossa vanhentuneiden kartonkinäytteiden vertailtavuutta. Materiaalivalinnoilla pystytään vaikuttamaan valon-kestoon. Siihen vaikuttavat mm. massan laatu, lateksivalinta sekä pigmenttivärin käyttö. Mekaanista massaa sisältävät tuotteet kellertyvät pääasiassa ligniinin takia. Ligniini sisältää paljon UV-säteilyyn reagoivia ryhmiä, jotka muuttuvat värilliseksi lisäten kellertymistä. Valkaistujen sellujen vanhentuminen on suhteessa mekaaniseen massaan erittäin vähäistä. SA-lateksin havaittiin suojaavan vaaleuden menetykseltä ja lisäävän sävyn pysyvyyttä paremmin kuin SB-lateksi.

Suitability of foam coating on application of thin liquid films

This work aimed to find out the suitability of foam as medium in application of thin liquid films. This consists of research over phenomena related to foam physics and behaviour. Solutions and mixtures to be foamed, foaming agents, foam generation and application methods were evaluated. Over the evaluated solutions and mixtures coating paste and CMC did not foam well. Latex and PVA solutions were foamable and the best solution for foam use was starch. PVA and casein can be used as foaming agents, but the best results were achieved with sodium dodecyl sulphate (SDS). SDS works well with starch solutions producing fine and stable foam. Foaming was done with simple mixers where pressurized air was fed to the solution. The foaming works fine when enough shear force is used together with sufficient foaming agent concentration. Foam application with curtain, rod and cylinder methods with a gap between the application device and paper were not usable because of high coating amount. Coating amounts were smallest with the blade method which achieved 0.9 g/m2 starch layer. Although some strength decrease was expected because of the foaming agent, it dit not have significant effect. The targeted coating amount of 0.5 g/m2 was not achieved due to the limitations with the methods. More precise foam application methods are needed. Continuous foam generation and feed to the paper surface with controllable device such as application teeth could improve the results.