Development of an environmentally friendly method of starch oxidation by hydrogen peroxide and a complex water-soluble Iron catalyst

Oxidized starch is a key component in the paper industry, where it is used as both surfacing sizer and filler. Large quantities are annually used for this purpose; however, the methods for the oxidation are not environmentally friendly. In our research, we have studied the possibility to replace the harmful oxidation agents, such as hypochlorite or iodates and transition metal catalysts, with a more environmentally friendly oxidant, hydrogen peroxide (H2O2), and a special metal complex catalyst (FePcS), of which only a small amount is needed. The work comprised batch and semi-batch studies by H2O2, ultrasound studies of starch particles, determination of low-molecular by-products and determination of the decomposition kinetics of H2O2 in the presence of starch and the catalyst. This resulted in a waste-free oxidation method, which only produces water and oxygen as side products. The starch oxidation was studied in both semi-batch and batch modes in respective to the oxidant (H2O2) addition. The semi-batch mode proved to yield a sufficient degree of substitution (COOH groups) for industrial purposes. Treatment of starch granules by ultrasound was found to improve the reactivity of starch. The kinetic results were found out to have a rather complex pattern – several oxidation phases were observed, apparently due to the fact that the oxidation reaction in the beginning only took place on the surface, whereas after a prolonged reaction time, partial degradation of the solid starch granules allowed further reaction in the interior parts. Batch-mode experiments enabled a more detailed study of the mechanisms of starch in the presence of H2O2 and the catalyst, but yielded less oxidized starch due to rapid decomposition of H2O2 due to its high concentrations. The effect of the solid-liquid (S/L) ratio in the reaction system was studied in batch experiments. These studies revealed that the presence of the catalyst and the starch enhance the H2O2 decomposition.

Starch analysis as a method to discover subsistence strategies in prehistoric Finland and Estonia

Ancient starch analysis is a microbotanical method in which starch granules are extracted from archaeological residues and the botanical source is identified. The method is an important addition to established palaeoethnobotanical research, as it can reveal ancient microremains of starchy staples such as cereal grains and seeds. In addition, starch analysis can detect starch originating from underground storage organs, which are rarely discovered using other methods. Because starch is tolerant of acidic soils, unlike most organic matter, starch analysis can be successful in northern boreal regions. Starch analysis has potential in the study of cultivation, plant domestication, wild plant usage and tool function, as well as in locating activity areas at sites and discovering human impact on the environment. The aim of this study was to experiment with the starch analysis method in Finnish and Estonian archaeology by building a starch reference collection from cultivated and native plant species, by developing sampling, measuring and analysis protocols, by extracting starch residues from archaeological artefacts and soils, and by identifying their origin. The purpose of this experiment was to evaluate the suitability of the method for the study of subsistence strategies in prehistoric Finland and Estonia. A total of 64 archaeological samples were analysed from four Late Neolithic sites in Finland and Estonia, with radiocarbon dates ranging between 2904 calBC and 1770 calBC. The samples yielded starch granules, which were compared with the starch reference collection and descriptions in the literature. Cereal-type starch was identified from the Finnish Kiukainen culture site and from the Estonian Corded Ware site. The samples from the Finnish Corded Ware site yielded underground storage organ starch, which may be the first evidence of the use of rhizomes as food in Finland. No cereal-type starch was observed. Although the sample sets were limited, the experiment confirmed that starch granules have been preserved well in the archaeological material of Finland and Estonia, and that differences between subsistence patterns, as well as evidence of cultivation and wild plant gathering, can be discovered using starch analysis. By collecting large sample sets and addressing the three most important issues – preventing contamination, collecting adequate references and understanding taphonomic processes – starch analysis can substantially contribute to research on ancient subsistence in Finland and Estonia.

Aqueous photocatalytic oxidation of steroid estrogens

Concerns have increased regarding the detection of endocrine-disrupting compounds in the effluents of sewage treatment plants (STPs). These compounds are able to disrupt normal function of the endocrine system of living organisms even at trace concentrations. Natural and synthetic steroid estrogens (SEs) are believed to be responsible for the majority of the endocrine-disrupting effects. Municipal sewage, the main source of SEs in the environment, is a complex mixture of a wide range of pollutants at concentrations much higher than those of SEs. Low concentrations of SEs in the presence of copollutants thus make their removal problematic. The main objectives of the present work were to study the potential of photocatalytic oxidation (PCO) to effectively treat SE-containing aqueous solutions and to identify the optimum conditions for such treatment. The results showed that SEs can be effectively degraded photocatalytically. Due to the adsorption properties of SEs on the TiO2 photocatalyst surface alkaline medium was found to be beneficial for SE oxidation despite the presence of co-pollutants in concentrations characteristic for the sanitary fraction of municipal sewage. The potential of PCO to selectively oxidise SEs was examined in the presence of copollutants of the sanitary fraction of sewage - urea, saccharose and human urine. The impact of ethanol, often used as a solvent in the preparation of SE stock solutions, was also studied and the results indicated the need to use organic solvent-free solutions for the study of SE behaviour. Photocatalytic oxidation of SEs appeared to be indifferent towards the presence of urea in concentrations commonly found in domestic sewage. The effect of other co-pollutants under consideration was far weaker than could be expected from their concentrations, which are from one hundred to a few thousands times higher than those of the SEs. Although higher concentrations can dramatically slow down the PCO of SEs, realistic concentrations of co-pollutants characteristic for the sanitary fraction of domestic sewage allowed selective removal of SEs. This indicates the potential of PCO to be a selective oxidation method for SE removal from the separate sanitary fraction of municipal sewage.

Puristin- ja viiraosan vedenpoiston hallinta nopeudennoston yhteydessä

Koneuusintojen sekä täysin uusien konelinjojen myötä SC-paperin valmistuskapasiteettia on tullut ja tulee paljon lisää 2000-luvulla. Uudistettujen sekä uusien linjojen tuottavuudet ja laatutasot ylittävät huomattavasti Myllykoski Paperin PK7:n nykyisen tason. Tämän vuoksi PK7:lla tulee pystyä valmistamaan vähemmän kilpailtuja ja jalostusarvoltaan parempia laatuja kuin mitä suurimmat SC-tuottajat valmistavat. Työn tavoitteena oli antaa vastauksia investointitarpeisiin, jos PK7:n tuotesuuntaa ollaan muuttamassa. Toisena tavoitteena oli luoda puristin- ja viiraosan vedenpoiston kannalta ajoikkuna, jossa muuttujna ovat neliömassa, paperikoneen nopeus sekä massatärkkelyksen määrä Kirjallisuusosassa tarkasteltiin SC-paperikoneen viira- ja puristinosan vedenpoistoa. PK7:n nykyisen listakenkäformerin vedenpoistokapasiteetti voi olla riittämätön nykyisellä laatutasolla ja hiokemassoilla suurempia ajonopeuksia tavoiteltaessa. Ongelmiksi voivat tulla listakengän vedenpoisto ja viiraosan jälkeinen kuiva-aine. Puristinosalla paksut lajit, alhainen kuiva-aine sekä nopea ja äkillinen vedenpoisto voivat aiheuttaa telanipissä kurausta. Kokeellisessa osassa selvitettiin raskaiden ja ohuiden neliömassojen sekä eripaperilajien mahdolliset vedenpoiston rajoitukset viira- ja puristinosalla. Formeritelan ja listakengän sekä 1. puristimen vedenpoistokapasiteetit tulivat koeajon perusteella kriittiseksi raskailla lajeilla ja suurilla massatärkkelysmäärillä, kun koneen nopeus nousi yli 1240 m/min.

Kosteuden ja neliömassan mittaaminen kartonkikoneen viiraosalla

Diplomityön tavoitteena oli selvittää spraytärkkelyksen ja eri kerrosten liitossakeuksien vaikutusta kartongin palstautumislujuuteen ja formaatioon. Työn teon aikana viiraosille hankittiin gammasäteilyllä toimivat kosteusmittarit. Työssä haettiin keinoja varmentaa mit-tausten luotettavuus kartonkikoneella, jonka nopeudet ja tuotteiden neliömassat vaihtelevat suuresti. Työn loppuvaiheessa aloitettiin mittareiden toiminnan parantaminen. Spraytärk-kelyksen annostelua parannettiin ja annostelulle rakennettiin suhdesäätö. Tärkkisumun aiheuttamia haittoja vähennettiin lisäämällä spraytärkkelysputkien yhteyteen tärkkelys-tippoja poistavia imupalkkeja. Tämän diplomityön kirjallisuusosan tavoitteena oli tarkastella taivekartonkia tuotteena ja sen kilpailukyvyn kannalta tärkeitä ominaisuuksia. Kilpailukyvyn kannalta tärkeään palstautumislujuuteen sekä taivutusjäykkyyteen kiinnitettiin huomiota niiden toisistaan riippuvuuksien vuoksi. Spraytärkkelyksen käyttö riittävän palstautumislujuuden varmistajana ja spraytärkkelyksen määrän hallinta olivat kirjallisuusosassa mukana. Liitossakeuksien hallinta gammasäteilyä hyödyntävien NDC-mittareiden avulla oli toinenpääalue. Kirjallisuusosassa on viitattu myös tehtaalta saatuihin kokemusperäisiin tietoihin. Tämän työn kokeellisessa osassa selvitettiin InkeroistenKartonkitehtaan Kartonkikone 4:a. ja sillä suoritettuja spraytärkkelyskokeita. Liitoskosteuksia selvitettiin pääosin aiempien mittausten ja kokemusten perusteella.

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.

Washing and Dewatering of Different Starches in Pressure Filters

The main objective of this thesis was togenerate better filtration technologies for effective production of pure starchproducts, and thereby the optimisation of filtration sequences using created models, as well as the synthesis of the theories of different filtration stages, which were suitable for starches. At first, the structure and the characteristics of the different starch grades are introduced and each starch grade is shown to have special characteristics. These are taken as the basis of the understanding of the differences in the behaviour of the different native starch grades and their modifications in pressure filtration. Next, the pressure filtration process is divided into stages, which are filtration, cake washing, compression dewatering and displacement dewatering. Each stage is considered individually in their own chapters. The order of the different suitable combinations of the process stages are studied, as well as the proper durations and pressures of the stages. The principles of the theory of each stageare reviewed, the methods for monitoring the progress of each stage are presented, and finally, the modelling of them is introduced. The experimental results obtained from the different stages of starch filtration tests are given and the suitability of the theories and models to the starch filtration are shown. Finally, the theories and the models are gathered together and shown, that the analysis of the whole starch pressure filtration process can be performed with the software developed.

Rheology of high solids surface size starches

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pintaliimatärkkelysten reologista käyttäytymistä korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Tarve työn suorittamiselle syntyi kun tutkittiin pintaliimausta filminsiirtopuristimella tavallista korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa, sileän sauvan ollessa applikointilaitteena. Koska applikointi sileällä sauvalla tapahtuu hydrodynaamisten periaatteiden mukaisesti, sen käyttö edellyttää pintaliimojen reologisten ominaisuuksien tarkkaa tuntemusta ja hallintaa.Kiinnostuksen kohteena olevat ominaisuudet olivat tärkkelysten kuiva-ainepitoisuuden (8 – 30 %) vaikutus viskositeettiin eri lämpötiloissa (20, 30, 40 ja 50 ºC), leikkausnopeus alueella 1 s-1 - 700 000 s-1. Myös tärkkelysten myötörajat määritettiin tutkimuksessa. Viskositeetti eri leikkausnopeusalueilla mitattiin seuraavilla laitteilla: Bohlin VOR (matalat leikkausnopeudet ja myötöraja) ja Hercules HiShear (keskitason leikkausnopeudet) reometrit sekä Eklund kapillaariviskometri (korkeat leikkausno-peudet). Analysoidut tärkkelykset olivat kaksi anionista matalaviskoottista peruna (tärkkelys A) ja ohra (tärkkelys C) tärkkelystä, sekä yksi kationinen korkeaviskoottinen peruna tärkkelys (tärkkelys B). Tutkittujen tärkkelysten Brookfield viskositeetit (100 rpm) olivat (10 % liuos, 60 °C:ssa) tärkkelys A ja C: 25 ± 5 mPas ja tärkkelys B: 100 ± 20 mPas.Tärkkelysliuosten kuiva-ainepitoisuuden noustessa muuttui virtauskäyttäytyminen Newtoniaalisesta leikkausohenevaksi. Leikkausoheneva käyttäytyminen oli voimakkainta tärkkelys B:n kohdalla. Viskositeetti – lämpötila riippuvuus korkeissa leikkausnopeuksissa (esim. 500 000 s-1) oli vähäisempää, mitä oli oletettavissa Brookfield viskositeettiarvojen perusteella. Kaikki tarkkelykset osoittautuivat tiksotrooppisiksi, myös tiksotrooppisuus lisääntyi kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa. Tärkkelysten myötörajat osoittautuivat odottamattoman alhaisiksi, kuitenkin varsinkin tärkkelys B:n myötörajat olivat selvästi riippuvaisia lämpötilasta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Tutkittujen tärkkelysten virtauskäyttäytyminen oli kirjallisuudessa esitetyn kaltaista. Tärkkelysmolekyylien ketjun pituus oli tärkein tärkkelyksen reologisia ominaisuuksia määrittävä tekijä; mitä matalampi on tärkkelyksen molekyylimassa, sitä matalammat ovat viskositeetti ja myötöraja. Pintaliimauksessa tärkkelysmolekyylien ketjunpituudella on suuri vaikutus ajettavuuteen ja lopputuotteen ominaisuuksiin. Haasteellista pintaliimatärkkelyksen valinnassa on sellaisen yhdistelmän löytäminen, jossa sopivan reologisen käyttäytymisen omaava tärkkelys ja pintaliimatulle paperille tai kartongille asetetut vaatimukset kohtaavat.

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.

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.

Prosessimuuttujien vaikutus märän rainan irrotustapahtumaan

Työn tavoitteena oli selvittää rainan irrotukseen puristinosan keskitelalta vaikuttavat tärkeimmät tekijät. Työn avulla pyrittiin ymmärtämään tuotantokoneella esiintyvien prosessimuuttujien vaikutusta rainan irrotustapahtumaan ja puristin- ja kuivatusosan väliseen vetoerotarpeeseen. Samalla tutkittiin märkävetojen vaikutusta paperin laatuun ja fluting-käyttäytymiseen HSWO-painossa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin märän rainan irrotuksen perusteoriaa sekä rainan ja telapinnan väliseen adheesioon vaikuttavia tekijöitä. Kirjallisuusviitteiden avulla koottiin yhteen tärkeimmät rainan irrotukseen ja keskitelan ajettavuuteen vaikuttavat tekijät. Kirjallisuuden antamien viitteiden perusteella valittiin seurattavat prosessimuuttujat kokeelliseen osaan. Työn kokeellinen osa suoritettiin tuotantokoneella prosessiseurantana. Irrotusta tutkittiin rainan irrotuskohdan muutosten ja puristin- ja kuivatusosan välisen vetoeron avulla. Seurannan perusteella pyrittiin löytämään normaalissa ajotilanteessa rainan irrotusetäisyyteen suurimmat vaihteluita aiheuttavat tekijät. Lisäksi suoritettiin muutamia koeajoja, joiden uskottiin vaikuttavan irrotukseen. Valikoiduista koepisteistä analysoitiin myös vaikutus paperin laatusuureisiin. Työn perusteella selvitettiin suurin osa kyseisellä koneella irrotukseen vaikuttavista muuttujista. Tutkituista viira- ja puristinosan mekaanisista muuttujista eniten irrotukseen vaikuttivat koneen nopeus ja suihkuviirasuhde. Myös viiraosan vedenpoistoelementeillä ja puristinosan höyrylaatikolla havaittiin olevan vaikutusta irrotukseen. Prosessiin lisätyistä raaka-aineista irrotukseen vaikuttivat eniten CTMP:n osuus tuoremassasta, kationinen retentioaine sekä massatärkkelys. Massojen jauhatuksella sekä pohjapaperin täyteainepitoisuudella oli myös selvä vaste irrotukseen. Prosessin kemiallista tilaa kuvaavista suureista irrotukseen vaikutti selvimmin massasysteemin varaustila. Puristin- ja kuivatusosan välisen vetoeron korvaaminen viira- ja puristinosan välisellä vetoerolla helpotti irrotusta keskitelalta, mutta ei tuonut etuja paperin laatuominaisuuksiin eikä vähentänyt fluting-käyttäytymistä.

The effect of microfibrillated cellulose addition on drying shrinkage and dimensional stability of wood-free paper

Microfibrillated cellulose (MFC) is known to enhance strength properties of paper. Improved strength usually means increased bonding which is strongly connected to dimensional instability of paper. Dimensional instability is due to changes in moisture content of paper; when paper is moistened it expands and when dried, it shrinks. Hygroexpansion is linked to end-use problems and excessive drying shrinkage consumes strength potential. Effective use of materials requires controlling of these phenomena. There isn’t yet data concerning dimensional stability of papers containing MFC which restricts wider use of MFC. Main objective of the work was to evaluate dimensional stability of wood-free paper containing different amounts of MFC. Sheets were dried with different methods to see how drying strains effected on drying shrinkage and hygroexpansion. Also tensile strength was measured to find out the effect of MFC. Results were compared to sheets containing kraft fines and in some test points cationic starch was used alongside with MFC. MFC increased the dimensional instability of freely dried sheets. As the amounts of MFC increased the effects on dimensional stability became more severe. However the fineness of MFC didn’t play any important role. Both hygroexpansion and drying shrinkage were decreased with cationic starch addition. Prevention of drying shrinkage over powered the effects of additives on hygroexpansion. Tensile strength improved up till 7 % addition amount which could be set as the upper limit of MFC addition when paper preparation and tensile strength are concerned.

Hemiselluloosien erotus ja in situ -modifiointi

Hemiselluloosat kuuluvat selluloosan ja ligniinin ohella puun ja muiden kasvimateriaalien päärakenneaineksiin. Hemiselluloosan kemiallisessa koostumuksessa on eroja kasvilajien välillä, mikä tekee ryhmästä hyvin monimuotoisen. Lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on glukuroniksylaani. Ksylaaneja esiintyy laajasti myös muissa kasveissa erilaisina rakenteina. Havupuiden yleisin hemiselluloosa on puolestaan galaktoglukomannaani. Arabinogalaktaani on erityisesti lehtikuusesta runsaana löytyvä hemiselluloosa, jota muissa puulajeissa on vain vähän. Luonnon polymeerejä tutkitaan jatkuvasti muun muassa vaihtoehtojen löytämiseksi raakaöljypohjaisille tuotteille. Aiemmin hemiselluloosia on pääosin hyödynnetty sellaisenaan tai jalostettu esimerkiksi sokereiksi. Selluloosan ja tärkkelyksen tavoin ne voivat kuitenkin toimia myös kemiallisen, fysikaalisen tai entsymaattisen muokkauksen lähtöaineena. Hemiselluloosien käyttöä rajoittaa usein se, että niiden eristäminen kasvimateriaalista hyvällä saannolla on vaikeaa. Useimmiten hemiselluloosa erotetaan biomassasta ligniinin poiston jälkeen uuttamalla erilaisilla reagensseilla, kuten emäksillä. Arabinogalaktaanin erottamiseen ei kuitenkaan vaadita ankaria olosuhteita, vaan yleisimmin siihen riittää uutto vedellä. Kalvosuodatus puolestaan on hyvä keino hemiselluloosan talteenottoon uuttoliuoksista. Tässä työssä tarkasteltiin arabinogalaktaanin erotusta siperianlehtikuusesta uuttokokein. Saadut uuttoliuokset konsentrointiin ja puhdistettiin kalvosuodatusmenetelmillä. Lisäksi tutkittiin eristetyn arabinogalaktaanin käyttöä kemiallisen muokkauksen lähtöaineena, missä pyrkimyksenä oli etenkin in situ -modifiointi suoraan uuttoliuoksessa oleville yhdisteille. Uuttokokeilla saatiin kuitenkin vain pieni osa lehtikuusen arabinogalaktaanista erotetuksi. Myös kalvosuodatusvaiheen aikana menetettiin osa uuttoliuosten arabinogalaktaanista. Koska arabinogalaktaanipitoisuus uuttoliuoksissa jäi hyvin alhaiseksi, in situ -modifiointeja oli vaikea saada onnistumaan. Uutto-olosuhteiden lisätutkimuksella sekä kiinnittämällä erityistä huomiota suodatuskalvojen valintaan voitaneen pitoisuutta nostaa ja saada lisämateriaalia kemiallista muokkausta varten.

Dewatering of hard-to-dewater pulps

Nanocellulose has much potential for enhancing the tensile strength of paper but it slows down significantly drainage, restricting its use in industrial scale. Main objective of the work was to find ways to improve the dewatering of nanocellulose-containing papers. The effects of cationic potato starch, microparticle system and filler addition on dewatering and such key properties as formation, tensile strength and air permeance of manufactured paper were studied. Test points had 0, 4 or 8 % CNF and 0, 15 or 30 % PCC content. Based on earlier studies, 25 mg/g starch dosage was added to some test points. Modern microparticle system, consisted of cationic polyacrylamide and amorphous silica, was used in few test points. Dosages for both components were 0.3 and 0.6 mg/g, following the recommendations of the supplier. Also, the influences of CNF and filler on drying behaviour after different stages (drainage, wet pressing and cylinder drying) were estimated. Following trends were observed. Starch does not have unambiguous influence on dewatering. In some cases, it improved drainage slightly but effects on the properties of end product were discovered small. Filler quickened dewatering but large proportions were noticed to be detrimental for the drainage, air permeance and tensile strength. Microparticle system improved drainage notably, especially if CNF dosage was high. In addition, microparticle system increased tensile strength and decreased air permeance. However, its effects on formation were detrimental. Dewatering of nanocellulose-containing furnishes is treatable up to a certain point. In the end, such drainage times that were measured from test points which consisted only of pure kraft pulps are awkward to reach.

Utilization of retention chemicals in non-wood containing furnishes

The usage of the non-wood pulps in furnishes for various paper grades is the real alternative for substitution of wood fibres in the papermaking. This is especially important now, when the prices for wood are increasing and forest resources are depleting in many regions of our planet. However, there are several problems associated with utilization of such pulps. In terms of the papermaking process one of the main problems is the poor dewatering of the non-wood pulps. This problem can be partially solved by means of retention aids. In the literature part were described technological features of the non-wood pulps as the raw materials for paper production. Moreover, overviews of the retention chemicals and methods for retention measurement were done; special attention was paid to the mechanisms of retention and drainage. Finally, factors affecting on the drainage and retention of non-wood pulps were considered holistically. Particular emphasis was put on the possibility of enzyme treatment for drainage improvement. It was stated that retention aids can significantly improve dewatering of non-wood pulps. In the experimental part the goal was to investigate influence of various microparticle retention aids on the drainage, retention and formation of furnish containing wheat straw pulp, obtained by novel pulping process (Formico™Fib). The parallel test were performed with reference furnish containing only wood pulps. It was found that Bentonite-CPAM retention aid can significantly improve drainage and retention; however formation seems be suffer from such additives. It was stated that performance of the Silica-Starch retention aid significantly depends on the starch dosing sequence and wet-end conditions; this system have shown better formation than other tested retention aids. Silica-CPAM retention aid have provided comparable results in retention and drainage with Bentonite-CPAM, while Silica-starch did not improve dewatering and yielded in lowest filler retention among other aids. Ultimately, optimal dosages for the tested retention chemicals have been suggested.