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.

Pölymittausmenetelmien luotettavuuden arviointi ja prosessiolosuhteiden vaikutus pölyävyyteen

Pölyäminen aiheuttaa ongelmia sekä paperin valmistuksessa paperikoneella että asiakkaalla painokoneella. Pölyäminen painokoneella aiheuttaa kumulatiivisia kertymiä painokumeille, -levyille ja kostutusvesijärjestelmään. Pölykertymistä seuraa painojäljen heikkenemistä, pesukertojen lisääntymistä ja tuotantokatkoja. Lisääntynyt painaminen tahmeilla offsetväreillä ja täyteaineiden käyttö paperin raaka-aineena on aiheuttanut paperin pölyämisherkkyyden kasvamista. Paperin pölyävyyteen vaikuttavia tekijöitä valmistuksessa, jälkikäsittelyssä ja jatkojalostuksessa on useita, mikä tekee ilmiöstä monimutkaisen. Paperin painatuksessa esiintyvän pölyävyyden ennakoimiseksi tutkittiin erilaisten pölymittausmenetelmien käytettävyys ja luotettavuus. Työssä käytetyt menetelmät olivatMac Millan Bloedel pölytesteri, R.A. Emerson & Company:n pölymittalaite, Finntesteri, SOLA, Masuga, arkkipainatus sekä IGT ja Prüfbau laboratoriopainatukset. Menetelmien luotettavuus arvioitiin vertaamalla saatuja pölytuloksia testipainatuksesta saatuihin pölytuloksiin ja Gage R&R testiä käyttäen. Lisäksi työssä selvitettiin paperin pölyävyyteen vaikuttavia tekijöitä, ja tutkittiin prosessiolosuhteiden vaikutusta paperin pölyävyyteen. Tutkimus osoitti tuotantoprosessin olosuhteissa tehtyjen muutosten aiheuttavan oleellisia muutoksia paperin pölyävyyteen. Käytettävän massan ominaisuuksilla, tuotantoprosessin kemian hallinnalla sekä paperin ominaisuuksista etenkin lujuus- ja formaatio-ominaisuuksilla on selkeästi yhteyttä paperin pölyävyyteen painatuksessa. Pölymittauksilla paperin valmistuksen yhteydessä voidaan tasollisesti arvioida paperinpölyävyys painatuksessa, mutta absoluuttisten tulosten saaminen on ilmiön monimuotoisuudesta johtuen mahdotonta. Käytetyistä menetelmistä tähän tuotantoprosessiin toimivin pölyävyyden mittamenetelmä on R.A. Emerson & Company:n pölymittalaite. Laite on yksinkertainen ja nopea käyttää, eikä toteutus vaadi suuria investointeja.

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.

Verification of a dynamic laboratory scale former

Laboratoriomittakaavainen formeri on välttämätön, jotta paperinvalmistusprosessin jäljitteleminen olisi mahdollista. Vaikka erilaisia formereita löytyykin paperiteollisuudesta, tilaa on kuitenkin laboratoriomittakaavaiselle paperinvalmistusmenetelmälle, joka sijoittuisipilottikoneen ja perinteisen laboratorioarkkimuotin välille. Formeri, jolla saadaan aikaiseksi oikean paperinvalmistuksen kaltaiset olosuhteet ja ilmiöt on kehitetty, ja sen toiminta on testattu Nalcon Papermaking Centreof Excellence:ssä Espoossa. Formeri on yhdistetty Nalcon lähestymisjärjetelmäsimulaattoriin ja simulaattorilla aikaansaadut hydro-kemialliset ilmiöt voidaan testata nyt myös arkeista. Laitteessa on perälaatikko ja viiraosa. Perälaatikosta massa virtaa viiralle, joka liikkuu eteenpäin hihnakuljettimen hihnojen päällä. Suihku-viira -suhdetta voidaan muuttaa joko muuttamalla virtausnopeutta tai viiran nopeutta tai säätämällä perälaatikon huuliaukkoa. Formerintoiminnan testaus osoitti, että se toimii teknisesti hyvin ja tulokset ovat toistettavia ja loogisia. Arkeissa kuidut ovat orientoituneet, formaatio ja vetolujuussuhde KS/PS riippuvat voimakkaasti suihku-viira -suhteesta, kuten oikeillakinpaperikoneilla.

Rainaominaisuuksien hallinta paperikoneen tuotantokapasiteetin nostossa

Työssä selvitettiin perälaatikon muuttujien kuten huuliraon, huulisuihkun osumakohdan rintapöydälle, ohivirtauksen ja sivuvirtausten määrän sekä suihkusuhteen vaikutus formaatio-, neliömassa- ja kuituorientaatioprofiileihin. Analysoitiin huulisuureiden muutosten vaikutus rainanmuodostuksessa. Formaatiotasoa seurattiin koneella olevan vianilmaisinjärjestelmän mittauksen avulla ja kuituorientaatiota paperin poikkiratanäytteistä tehdyistä laboratoriomittauksista. Vianilmaisinjärjestelmän formaatiomittaus todettiin toimivaksi tarvittavan versiopäivityksen jälkeen. Selvitettiin huulisuureiden säädettävyyden ikkuna ja mahdolliset kehityskohteet. Kehitettäessä optimiprofiilien ajomallia raskaammille neliömassoille havaitsimme investointitarpeet kuten jäykempi huulilista perälaatikolle, määrämittaukset sivuvirtauksille ja tarvittavat parannukset kosteusprofiilin säätöön.

PulpExpert-massa-analysaattorin arkinmuodostus

Laboratoriossa tutkittiin rainaussakeuden ja neliömassan vaikutusta formaatioon ja muiden paperin ominaisuuksien hajontoihin sakeusalueella 0,036 %- 0,067 % ja neliömassa-alueella 65 g/m2- 125 g/m2. Havaittiin, että rainaussakeudella oli vaikutusta vain mäntysellusta valmistettujen arkkien formaatioon. Neliömassan noustessa kaikista tutkituista massoista valmistettujen arkkien formaatiot huononivat. Pulseeraus tai alipaine vedenpoiston aikana ei parantanut Turbulence Pulse Sheet Former-laitteella valmistettujen kuumahierrearkkien formaatiota. Kahdella koelaitteella tehtiin sakeusajo, toistokoe ja vuorottelukoe. Laite A mittasi tiettyihin sakeuksiin valmistettujen massojen sakeudet tarkasti. Laitteen B sakeusmittauksessa havaittiin säännöllinen poikkeama. Toistokokeen tuloksista tarkasteltiin mitattujen arvojen hajontoja, laitteiden massanerotuskykyä ja arkkien formaatiota. Laite A teki silmämääräisesti tasaisempia arkkeja, mutta niiden formaatio oli huonompi. Laitteella A saavutettiin pienemmät näytepisteiden sisäiset hajonnat repäisylujuusmittauksessa ja laitteella B vaaleuden mittauksessa. Laite A erotteli massat paremmin vaaleusmittauksessa ja laite B ilmanläpäisevyyden mittauksessa. Vuorottelukokeessa havaittiin, ettei massojen nopea vuorottelu kasvata olennaisesti mittaustuloksien hajontoja.

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.

Methods of Jet to Wire Speed Ratio Determination and Its Effect in Paper and Board Manufacture

Suihku/viira-nopeussuhde on perälaatikon huulisuihkun ja viiran välinen nopeusero. Se vaikuttaa suuresti paperin ja kartongin loppuominaisuuksiin, kuten formaatioon sekä kuituorientaatioon ja näin ollen paperin lujuusominaisuuksiin. Tämän johdosta on erityisen tärkeää tietää todellinen suihku/viira-nopeussuhde paperin- ja kartonginvalmistuksessa. Perinteinen suihku/viira-nopeussuhteen määritysmenetelmä perustuu perälaatikon kokonaispaineeseen. Tällä menetelmällä kuitenkin todellinen huulisuihkun nopeus saattaa usein jäädä tietämättä johtuen mahdollisesta virheellisestä painemittarin kalibroinnista sekä laskuyhtälön epätarkkuuksista. Tämän johdosta on kehitetty useita reaaliaikaisia huulisuihkun mittausmenetelmiä. Perälaatikon parametrien optimaaliset asetukset ovat mahdollista määrittää ja ylläpitää huulisuihkun nopeuden “on-line” määrityksellä. Perälaatikon parametrejä ovat mm. huulisuihku, huuliaukon korkeusprofiili, reunavirtaukset ja syöttövirtauksen tasaisuus. Huulisuihkun nopeuden on-line mittauksella paljastuu myös muita perälaatikon ongelmakohtia, kuten mekaaniset viat, joita on perinteisesti tutkittu aikaa vievillä paperin ja kartongin lopputuoteanalyyseillä.

Huulisuihkun homogeenisuuden vaikutus paperin rakenneominaisuuksiin

Työssä verrattiin perälaatikoilla 1 ja 2 valmistettujen papereiden rakenteellisia ominaisuuksia. Paperin rakenteessa formaatio oli tärkein ominaisuus ja sen jälkeen kuituorientaatio. Näytteiden valintaperusteena pidettiin sitä, että vertailtavilla näytteillä formaatio (pohja) oli paras kyseisellä perälaatikolla ja vetolujuussuhteet olivat samoja. Toinen valintatapa oli verrata samoissa virtausolosuhteissa valmistettuja papereita keskenään. Näytteiden formaatio mitattiin betaradiografialla. Fosforikuvalevystä skannattu kuva analysoitiin kuva-analyysillä. Mittauksen etuna oli suuri erottelukyky, joka mahdollisti monipuolisen tunnuslukujen laskennan. Näistä esimerkkeinä olivat keskihajonta, vinous ja huipukkuus. Lisäksi määritettiin flokkikokojakaumat sekä kone- että poikkisuuntaan. Kuituorientaation määrityksessä paperinäyte revittiin kerroksiin, kerrokset skannattiin ja kuvat analysoitiin kuvankäsittelyohjelmilla. Juova- ja kuituorientaatioanalyysissä määritettiin orientaatiokulma, max/min-arvo ja anisotropia. Virtaviiva-analyysin tunnusluku oli pyörrekoko. Käytettäessä tunnuslukuna variaatiokerrointa formaatio oli parempi perälaatikolla 1 ali- ja yliperällä. Tasaperän läheisyydessä formaatio oli huonompi. Keskihajonta oli pienempi perälaatikolla 1, mutta erot perälaatikoiden välillä tasaantuivat lähellä tasaperää. Flokkikoko oli koko s/v-alueella hieman suurempi perälaatikolla 1. Virtaviiva-analyysin avulla saatiin selville, että perälaatikolla 1 valmistettujen papereiden paikallinen orientaatiovaihtelu ja pintojen toispuoleisuus oli lievempää kuin perälaatikolla 2.

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.

Brittleness of Paper

Brittleness is a well-known material characteristic but brittleness of paper is vaguely covered. The objective of this thesis was to characterize the phenomenon and causes around brittleness of paper and to clarify if it is a measurable property. Brittleness of paper was approached from the perspectives of paper physics and paper mills. Brittleness is a property of dry paper and it causes problems at the finishing stages of paper machine. According to paper physics, brittle materials fail in the elastic regime, while ductile materials can locally accumulate a plastic deformation prior to the fracture and they are often able to withstand higher stresses. Brittleness of paper is vastly affected by the surrounding conditions: paper as a hygroscopic material tries to get to the equilibrium. It is also affected by the quality of the pulp used. Measurement techniques can be divided into two categories: based on the viscoelastic behavior of paper and on the exposure to the mechanical stress of sort. The experimental part of the thesis was based on the trials with brittle and non-brittle mill-made LWC papers. It is divided into three parts: strength testing of the brittle and non-brittle papers, analysis of the conditions that may contribute the brittleness and the experimental methods to evaluate brittle behavior. The strength measurements confirmed the influence of the moisture content, but only tensile energy absorption and the fracture toughness measurements provided modest differences between the brittle and non-brittle papers. Versatile analysis of the possible contributing factors resulted into speculation, while the brittle papers contained higher amount of starch, triglycerides and steryl esters. The experimental research proved that the formation, the sensory impression and the variation of local strains may contain the crucial information of paper brittleness.