Teräohjaimet jakopyörösahoissa

Diplomityön tavoitteena oli tutkia pyöröterän kehältä ohjauksen soveltuvuutta kaksiakselisiin jakosahoihin. Tavoitteena oli tuottaa uutta tietoa sahalaitoksen tuotantoprosessin koneiden suunnitteluun sahakonetekniikan edelleen kehittämiseksi. Työ voi myös palvella sahalaitoksia yhtenä työkaluna koneiden valinnassa tuotantoprosessin tehostamiseksi. Diplomityössä on tutkittu tekniikkaa suomalaisen sahakonevalmistajan, Veisto Oy:n näkökulmasta mutta työn tulokset ovat tarkoitettu yleisesti sovellettaviksi. Diplomityön kirjallisuusosa koostuu teräohjainjärjestelmän etujen ja haittojen kartoituksesta puuraaka-aineen käyttösuhteen, käytettävyyden, tuotantonopeuksien, kunnossapidon ja käytön näkökannoilta tarkasteltuna. Lisäksi työhön on liitetty aiheeseen kiinteästi liittyvä kirjallisuuteen ja valmistajilta saatuihin tietoihin perustuva katsaus tämän hetken pyöröterätekniikkaan. Työssä analysoidaan myös kevättalvella 2002 Itä-Kanadassa suoritettujen sahauskokeiden tuloksia. Kokeissa tutkittiin kehältä ohjatuille terille muutetun jakosahayksikön suorituskykyä ja käytettävyyttä. Tutkittava kone oli Veisto Oy:n valmistama muuttuva-asetteinen pelkkahakkuri -VDA -jakosaha, tyypiltään HewSaw R200 MSA SE.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

PCC-täyteaineen vaikutus hienopaperin lujuuskäyttäytymiseen nopeassa vetokuormituksessa

Raaka-ainekustannusten minimoimiseksi hienopaperin valmistajat pyrkivät jatkuvasti vähentämään massan havuselluosuutta ja lisäämään paperin täyteainepitoisuutta. PCC:n käyttö hienopaperin täyteaineena on kasvanut viimeisen kymmenen vuoden aikana voimakkaasti. PCC:n etuna on sen joustava valmistusprosessi, jonka olosuhteita säätelemällä voidaan valmistaa hyvin erilaisia tuotteita. PCC:n ominaisuudet, kuten partikkelikoko ja kidemuoto vaikuttavat merkittävästi paperin reologisiin ominaisuuksiin. Täyteaineen vaikutus paperin lujuusominaisuuksiin riippuu oleellisesti siitä, miten täyteaine sijoittuu kuituverkostossa. Lisäksi paperikoneen ajettavuuden turvaamiseksi täyteaineretention tulisi olla riittävän korkealla tasolla. Täyteaineen retentoituminen on hyvin riippuvainen kuitumateriaalin ja täyteaineen ominaisuuksista. Täyteainepitoisuuden lisääminen ja havusellun vähentäminen heikentävät hienopaperin reologisia ominaisuuksia ja vaikuttavat negatiivisesti paperikoneen ajettavuuteen. Varsinkin rainan siirto avoimella viennillä puristinosalta kuivatusosalle voi muodostua ajettavuuden kannalta kriittiseksi kohdaksi. Tämän vuoksi on tärkeää tuntea irrotustapahtumaan ja rainan kireyteen vaikuttavat tekijät. Märän rainan lujuuskäyttäytymistä voidaan tutkia esim. laboratorioarkeista tehtävillä vetolujuus- ja jännitysrelaksaatiomittauksilla. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kahden erityyppisen PCC-täyteaineen vaikutusta hienopaperin vetolujuus- ja relaksaatiokäyttäytymiseen nopeassa vetokuormituksessa. Täyteainepitoisuuden kasvaessa sekä märän että kuivan paperin vetolujuus ja relaksaatiokireys heikkenivät voimakkaasti. Täyteaine myös vähensi havuselluosuuden vaikutusta näihin ominaisuuksiin. PCC:n ominaisuuksilla voitiin hieman vaikuttaa hienopaperin reologisiin ominaisuuksiin, joskin niiden kannalta edullisempi täyteaine antoi paperille huonommat optiset ominaisuudet. Kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa paperin vetolujuus ja relaksaatiokireys paranivat eksponentiaalisesti. Tämän perusteella täyteainetyypin vaikutus vedenpoistoon on paperin reologisten ominaisuuksien kannalta tärkeä tekijä.

Eri raaka-ainemuotojen hyödyntäminen puumuovikomposiitin valmistuslinjastossa

Diplomityössä tutkittiin erilaisten raaka-ainemuotojen hyödyntämistä puumuovikomposiitin valmistuslinjastossa ja raaka-ainemuotojen vaikutusta valmistuslinjaston kannattavuuteen. Työssä etsittiin kannattavinta yhdistelmää raaka-ainemuotojen ja valmistusvaihtoehtojen välille. Työn johdanto osuudessa käsitellään aiheeseen liittyvää kirjallisuutta ja tutkimuksia. Siinä esitellään valmistusprosessin vaiheet ja raaka-aineet, niihin vaikuttavat tekijät, valmistuksen taloudellisuus ja investointikäsitteet. Käytännön osuus koostuu valmistusprosessin taloudellisesta analyysista ja laboratoriossa suoritetuista koeajoista. Taloudellisessa analyysissa selvitettiin raaka-ainemuotojen kannattavuudet eri valmistusvaihtoehdoille ja koeajoissa tutkittiin raaka-ainemuotojen todellista käyttäytymistä ekstruusiossa kahdella erilaisella profiililla. Taloudellisen analyysin perusteella paras kannattavuus valmistusprosessissa saavutetaan puupelleteillä ja yksivaiheinen valmistus on kannattavampaa kuin kaksivaiheinen valmistus kaikilla raaka-ainemuodoilla. Kaksivaiheinen valmistus voisi kuitenkin teoriassa olla kannattavampaa kuin yksivaiheinen. Koeajoissa suurin maksimituotos saavutettiin puumuovipuristeilla, mutta ajettavuuden kannalta sopivin raaka-ainemuoto linjalle olisi jauhemainen sahanpuru. Puumuovipuristeita käytettäessä oli erittäin vaikeaa löytää ekstruuderille sopivia muuttujien arvoja ja muuttujien säätäminen muuttui vaikeammaksi, kun käytössä oli monimutkaisempi terassilautaprofiili.

Non-wood massojen vedenpoiston arvioiminen märkäpuristuksessa

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

LWC-paperin opasiteetin parantaminen

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

Optimization of a heatset dryer

The objective of the thesis was to examine the possibilities in designing better performing nozzles for the heatset drying oven in Forest Pilot Center. To achieve the objective, two predesigned nozzle types along with the replicas of the current nozzles in the heatset drying oven were tested on a pilot-scale dryer. During the runnability trials, the pilot dryer was installed between the last printing unit and the drying oven. The two sets of predesigned nozzles were consecutively installed in the dryer. Four web tension values and four different impingement air velocities were used and the web behavior during the trial points was evaluated and recorded. The runnability in all trial conditions was adequate or even good. During the heat transfer trials, each nozzle type was tested on at least two different nozzle-to-surface distances and four different impingement air velocities. In a test situation, an aluminum plate fitted with thermocouples was set below a nozzle and the temperature measurement of each block was logged. From the measurements, a heat transfer coefficient profile for the nozzle was calculated. The performance of each nozzle type in tested conditions could now be rated and compared. The results verified that the predesigned simpler nozzles were better than the replicas. For runnability reasons, there were rows of inclined orifices on the leading and trailing edges of the current nozzles. They were believed to deteriorate the overall performance of the nozzle, and trials were conducted to test this hypothesis. The perpendicular orifices and inclined orifices of a replica nozzle were consecutively taped shut and the performance of the modified nozzles was measured as before, and then compared to the performance of the whole nozzle. It was found out, that after a certain nozzle-to-surface distance the jets from the two nozzles would collide, which deteriorates the heat transfer.

BimTwin - Two component continuous process hygiene concept

The aim of this study was to examine suitability of BimTwin cleaning concept in card board machine to control microbiological activity and describe microbiological balance of the machine. In a review of literature is examined microbe and spore caused problems in paper industry. Biggest problems are deposits, which decrease runnability and cause quality errors. In this chapter is also introduced most common oxidizing biocides used in paper industry and described ATP assay as a microbiological monitoring method. In an experimental part are included BimTwin mill trial results, chemical condition monitoring methods and microbiological balance in a card board machine. In a second part are examined possibilities to effect hygiene of card board by chemical treatment of the surface size and coating. Result showed that BimTwin concept is suitable for card board machine as a cleaning concept, when chemical dosing is fitted right. For proper dosing and secure tolerable hygiene level, chemical and microbiological monitoring is significant. Determining of the microbiological balance would have need more sampling. According to acquired results, broke turned out to be the biggest microbe source. Sizing and coating experiments showed that it is possible to improve hygiene of card board by chemically treated surface size and coating color.

The Effects of Some Furnish and Paper Structure Related Factors on Wet Web Tensile and Relaxation Characteristics

The objective of this thesis was to identify the effects of different factors on the tension and tension relaxation of wet paper web after high-speed straining. The study was motivated by the plausible connection between wet web mechanical properties and wet web runnability on paper machines shown by previous studies. The mechanical properties of wet paper were examined using a fast tensile test rig with a strain rate of 1000%/s. Most of the tests were carried out with laboratory handsheets, but samples from a pilot paper machine were also used. The tension relaxation of paper was evaluated as the tension remaining after 0.475 s of relaxation (residual tension). The tensile and relaxation properties of wet webs were found to be strongly dependent on the quality and amount of fines. With low fines content, the tensile strength and residual tension of wet paper was mainly determined by the mechanical interactions between fibres at their contact points. As the fines strengthen the mechanical interaction in the network, the fibre properties also become important. Fibre deformations caused by the mechanical treatment of pulp were shown to reduce the mechanical properties of both dry and wet paper. However, the effect was significantly higher for wet paper. An increase of filler content from 10% to 25% greatly reduced the tensile strength of dry paper, but did not significantly impair wet web tensile strength or residual tension. Increased filler content in wet web was shown to increase the dryness of the wet web after the press section, which partly compensates for the reduction of fibrous material in the web. It is also presumable that fillers increase entanglement friction between fibres, which is beneficial for wet web strength. Different contaminants present in white water during sheet formation resulted in lowered surface tension and increased dryness after wet pressing. The addition of different contaminants reduced the tensile strength of the dry paper. The reduction of dry paper tensile strength could not be explained by the reduced surface tension, but rather on the tendency of different contaminants to interfere with the inter-fibre bonding. Additionally, wet web strength was not affected by the changes in the surface tension of white water or possible changes in the hydrophilicity of fibres caused by the addition of different contaminants. The spraying of different polymers on wet paper before wet pressing had a significant effect on both dry and wet web tensile strength, whereas wet web elastic modulus and residual tension were basically not affected. We suggest that the increase of dry and wet paper strength could be affected by the molecular level interactions between these chemicals and fibres. The most significant increases in dry and wet paper strength were achieved with a dual application of anionic and cationic polymers. Furthermore, selectively adding papermaking chemicals to different fibre fractions (as opposed to adding chemicals to the whole pulp) improved the wet web mechanical properties and the drainage of the pulp suspension.

Influence of plasma modification on surface properties and offset printability of coated paper

The properties of the paper surface play a crucial role in ensuring suitable quality and runnability in various converting and finishing operations, such as printing. Plasma surface modification makes it possible to modify the surface chemistry of paper without altering the bulk material properties. This also makes it possible to investigate the role of the surface chemistry alone on printability without influencing the porous structure of the pigment-coated paper. Since the porous structure of a pigment coating controls both ink setting and optical properties, surface chemical changes created by a plasma modification have a potential to decouple these two effects and to permit a better optimization of them both. The aim of this work was to understand the effects of plasma surface modification on paper properties, and how it influences printability in the sheet-fed offset process. The objective was to broaden the fundamental understanding of the role of surface chemistry on offset printing. The effects of changing the hydrophilicity/ hydrophobicity and the surface chemical composition by plasma activation and plasma coatings on the properties of coated paper and on ink-paper interactions as well as on sheet-fed offset print quality were investigated. In addition, the durability of the plasma surface modification was studied. Nowadays, a typical sheet-fed offset press also contains units for surface finishing, for example UVvarnishing. The role of the surface chemistry on the UV-varnish absorption into highly permeable and porous pigment-coated paper was also investigated. With plasma activation it was possible to increase the surface energy and hydrophilicity of paper. Both polar and dispersion interactions were found to increase, although the change was greater in the polar interactions due to induced oxygen molecular groups. The results indicated that plasma activation takes place particularly in high molecular weight components such as the dispersion chemicals used to stabilize the pigment and latex particles. Surface composition, such as pigment and binder type, was found to influence the response to the plasma activation. The general trend was that pilot-scale treatment modified the surface chemistry without altering the physical coating structure, whereas excessive laboratory-scale treatment increased the surface roughness and reduced the surface strength, which led to micro-picking in printing. It was shown that pilot-scale plasma activation in combination with appropriate ink oils makes it possible to adjust the ink-setting rate. The ink-setting rate decreased with linseed-oil-based inks, probably due to increased acid-base interactions between the polar groups in the oil and the plasma-treated paper surface. With mineral-oil-based inks, the ink setting accelerated due to plasma activation. Hydrophobic plasma coatings were able to reduce or even prevent the absorption of dampening water into pigmentcoated paper, even when the dampening water was applied under the influence of nip pressure. A uniform hydrophobic plasma coating with sufficient chemical affinity with ink gave an improved print quality in terms of higher print density and lower print mottle. It was also shown that a fluorocarbon plasma coating reduced the free wetting of the UV-varnish into the highly permeable and porous pigment coating. However, when the UV-varnish was applied under the influence of nip pressure, which leads to forced wetting, the role of the surface chemical composition seems to be much less. A decay in surface energy and wettability occurred during the first weeks of storage after plasma activation, after which it leveled off. However, the oxygen/carbon elemental ratio did not decrease as a function of time, indicating that ageing could be caused by a re-orientation of polar groups or by a contamination of the surface. The plasma coatings appeared to be more stable when the hydrophobicity was higher, probably due to fewer interactions with oxygen and water vapor in the air.

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.

Packaging inks for folding cartons used in food packaging

This thesis examined packaging inks suitable for folding cartons used in food packaging. The recent cases of compounds migrating from packaging inks into packed food, have forced the packaging ink manufacturers to develop inks that do not include substances at a level, that may pose a risk to the health of a consumer or to the quality of packed food. Food packaging is a sensitive area and subject to extensive legislation. This research presents the current situation on regulatory documents that can be used to demonstrate the safety of packaging inks used in food packaging. In the research, data was also collected on the available packaging inks for food packaging in packaging ink market. Test printing was performed with five printing inks and three varnishes on Ensocoat board, produced by Stora Enso. Tests results regarding print quality, runnability, sensory properties and migration were analysed. The packaging inks with the finest performance in the tests were ultra violet curing printing ink and varnish. The results showed that ultra violet curing printing technology in food contact applications is an important research area, with further research possibly being able to redeem the UV technologies' bad reputation within the packaging supply chain.

Täyteainepitoisuuden ja retentioainesysteemin optimointi

Työssä tutkittiin tarrapaperikoneen pohjapaperin täyteainepitoisuuden nostamisen vaikutusta koneen ajettavuuteen ja paperin ominaisuuksiin. Työn tavoitteena oli löytää ne prosessitekniset keinot, joilla voitaisiin saavuttaa raskaiden pintapapereiden tavoitetuhkatasot. Lisäksi pyrittiin optimoimaan retentioaineiden annokset ja ajotavat korkeilla tuhkatasoilla. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin pinta- ja kolloidikemian perusteita sekä täyteainepitoisuuden vaikutusta paperin ominaisuuksiin ja prosessoitavuuteen. Lisäk-si syvennyttiin märänpään kemiaan selvittämällä mm. kalsiumkarbonaatin vesiliuoskemiaa ja erilaisten retentioaineiden ominaisuuksia ja niiden reaktiomekanismeja. Työn kokeellinen osa koostui kahdesta koeajosta. Ensimmäisessä koeajossa selvitettiin täyteainesaostumien muodostumismekanismeja ja paperikoneen ajettavuutta täyteainepitoisuutta nostettaessa yli raskaiden pintapapereiden tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että märänpään kemiantila pysyi koeajon aikana muuttumattomana eikä mitään saostumien muodostumista havaittu. Täyteainepitoisuudessa päästiin 3 % yli lajikohtaisen tuhkatavoitteen ilman ajettavuusongelmia. Toisessa koeajossa keskityttiin erityisesti märänpään retentioaineiden määrien optimointiin ja paperin laatuominaisuuksiin. Koeajossa täyteainepitoisuutta nostettiin yli tavoitetasojen. Saadut tulokset osoittivat, että täyteainepitoisuuden nostolla ei ollut vaikutusta paperin laatuun tai paperikoneen ajettavuuteen. Massatärkkelyksen avulla pystyttiin korvaamaan kationisen polymeerin retentiovaste ja kompensoimaan täyteainepitoisuuden noston myötä tullut paperin lujuuksien lasku. Koeajoissa ja prosessin seurannassa tuli ilmi myös useita eri tekijöitä, joilla oli vaikutusta retentioon, retentioaineiden tehoon ja prosessin stabiilisuuteen. Tehdyistä yksittäisistä havainnoista on hyötyä pyrittäessä ymmärtämään märänpään prosessin tilaa ja sen vaikutusta paperikoneen ajettavuuteen. Työ saavutti sille asetetut tavoitteet ja sen ansiosta paperikoneen märänpään raaka-aineiden ja kemikaalien syöttösuhteita pystyttiin muuttamaan tavalla, joka vähensi paperinvalmistuksen kustannuksia ilman että paperin laatuominaisuudet huononivat.

Liquid transportation and distribution during (re)wetting : impact on coated papers in printing

In many industrial applications, such as the printing and coatings industry, wetting of porous materials by liquids includes not only imbibition and permeation into the bulk but also surface spreading and evaporation. By understanding these phenomena, valuable information can be obtained for improved process control, runnability and printability, in which liquid penetration and subsequent drying play important quality and economic roles. Knowledge of the position of the wetting front and the distribution/degree of pore filling within the structure is crucial in describing the transport phenomena involved. Although exemplifying paper as a porous medium in this work, the generalisation to dynamic liquid transfer onto a surface, including permeation and imbibition into porous media, is of importance to many industrial and naturally occurring environmental processes. This thesis explains the phenomena in the field of heatset web offset printing but the content and the analyses are applicable in many other printing methods and also other technologies where water/moisture monitoring is crucial in order to have a stable process and achieve high quality end products. The use of near-infrared technology to study the water and moisture response of porous pigmented structures is presented. The use of sensitive surface chemical and structural analysis, as well as the internal structure investigation of a porous structure, to inspect liquid wetting and distribution, complements the information obtained by spectroscopic techniques. Strong emphasis has been put on the scale of measurement, to filter irrelevant information and to understand the relationship between interactions involved. The near-infrared spectroscopic technique, presented here, samples directly the changes in signal absorbance and its variation in the process at multiple locations in a print production line. The in-line non-contact measurements are facilitated by using several diffuse reflectance probes, giving the absolute water/moisture content from a defined position in the dynamic process in real-time. The nearinfrared measurement data illustrate the changes in moisture content as the paper is passing through the printing nips and dryer, respectively, and the analysis of the mechanisms involved highlight the roles of the contacting surfaces and the relative liquid carrier properties of both non-image and printed image areas. The thesis includes laboratory studies on wetting of porous media in the form of coated paper and compressed pigment tablets by mono-, dual-, and multi-component liquids, and paper water/moisture content analysis in both offline and online conditions, thus also enabling direct sampling of temporal water/moisture profiles from multiple locations. One main focus in this thesis was to establish a measurement system which is able to monitor rapid changes in moisture content of paper. The study suggests that near-infrared diffuse reflectance spectroscopy can be used as a moisture sensitive system and to provide accurate online qualitative indicators, but, also, when accurately calibrated, can provide quantification of water/moisture levels, its distribution and dynamic liquid transfer. Due to the high sensitivity, samples can be measured with excellent reproducibility and good signal to noise ratio. Another focus of this thesis was on the evolution of the moisture content, i.e. changes in moisture content referred to (re)wetting, and liquid distribution during printing of coated paper. The study confirmed different wetting phases together with the factors affecting each phase both for a single droplet and a liquid film applied on a porous substrate. For a single droplet, initial capillary driven imbibition is followed by equilibrium pore filling and liquid retreat by evaporation. In the case of a liquid film applied on paper, the controlling factors defining the transportation were concluded to be the applied liquid volume in relation to surface roughness, capillarity and permeability of the coating giving the liquid uptake capacity. The printing trials confirmed moisture gradients in the printed sheet depending on process parameters such as speed, fountain solution dosage and drying conditions as well as the printed layout itself. Uneven moisture distribution in the printed sheet was identified to be one of the sources for waving appearance and the magnitude of waving was influenced by the drying conditions.

Hygro-elasto-plastic behavior of planar orthotropic material

The mechanical and hygroscopic properties of paper and board are factors affecting the whole lifecycle of a product, including paper/board quality, production, converting, and material and energy savings. The progress of shrinkage profiles, loose edges of web, baggy web causing wrinkling and misregistration in printing are examples of factors affecting runnability and end product quality in the drying section and converting processes, where paper or board is treated as a moving web. The structural properties and internal stresses or plastic strain differences built up during production also cause the end-product defects related to distortion of the shape of the product such as sheet or box. The objective of this work was to construct a model capable of capturing the characteristic behavior of hygroscopic orthotropic material under moisture change, during different external in-plane stretch or stress conditions. Two independent experimental models were constructed: the elasto-plastic material model and the hygroexpansivity-shrinkage model. Both describe the structural properties of the sheet with a fiber orientation probability distribution, and both are functions of the dry solids content and fiber orientation anisotropy index. The anisotropy index, introduced in this work, simplifies the procedure of determining the constitutive parameters of the material model and the hygroexpansion coefficients in different in-plane directions of the orthotropic sheet. The mathematically consistent elasto-plastic material model and the dry solids content dependent hygroexpansivity have been constructed over the entire range from wet to dry. The presented elastoplastic and hygroexpansivity-shrinkage models can be used in an analytical approach to estimate the plastic strain and shrinkage in simple one-dimensional cases. For studies of the combined and more complicated effects of hygro-elasto-plastic behavior, both models were implemented in a finite element program for a numerical solution. The finite element approach also offered possibilities for studying different structural variations of orthotropic planar material, as well as local buckling behavior and internal stress situations of the sheet or web generated by local strain differences. A comparison of the simulation examples presented in this work to results published earlier confirms that the hygro-elasto-plastic model provides at least qualitatively reasonable estimates. The application potential of the hygro-elasto-plastic model is versatile, including several phenomena and defects appearing in the drying, converting and end-use conditions of the paper or board webs and products, or in other corresponding complex planar materials.