Paperin ja kartongin laserleikkauksen teknistaloudellinen kannattavuus

Diplomityö on tehty kuitumateriaalien laserleikkauksen tutkimusprojektissa ILAC/PAPER. Päätavoitteena on selvittää laserleikkauksen kustannukset ja arvioida kahden laserleikkaussovelluksen taloudellista kannattavuutta. Teoriaosassa tavoitteena on etsiä teknologiainvestoinneista piirteitä, jotka tulee ottaa huomioon hanketta suunnitellessa. Työssä esitellään myös menetelmä teknologiainvestointien arviointiin. Työssä on kolme aihepiiriä; teknologiainvestointien arviointi, laserleikkauksen perusteet ja kuitumateriaalien laserleikkauskustannuksia käsittelevä empiriaosa. Teoriaosan lähdemateriaalina on käytetty toimintolaskentaa ja teknologiainvestointeja käsiteleviä julkaisuja. Empiriaosa on koottu teollisuuden tiedonannoista, tutkimusmateriaalista ja myyntitarjouksista. Teknologiainvestointien perusteleminen on vaikeaa perinteisillä investointilaskennan menetelmillä vähäisistä suorista kustannussäästöistä johtuen. Sopiva menetelmä arvioikin hankkeet laajempina kokonaisuuksina. Laserlaitteistojen vuosittaiset kustannukset ovat suuret. Luotettavuus, huoltovapaus ja joustavuus ovat hyötyjä, jotka tekevät laserlaitteistosta kannattavan. Hankintahinta ja tuottavuus ratkaisevat investoinnin kannattavuuden.

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.

Päällystyksen vaikutus paperin ja kartongin laserleikattavuuteen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää päällystyksen vaikutusta paperin ja kartongin laserleikattavuuteen. Aiheeseen liittyi myös laserparametrien vaikutuksen selvittäminen leikattaessa päällystettyjä paperi- ja kartonkilaatuja. Päällystepigmentteinä käytettiin kalsiumkarbonaattia ja kaoliinia sekä niiden seosta. Leikkausnopeus alenee päällystyspigmentistä ja sen määrästä riippuen 5 – 20 % verrattuna saman neliöpainoisiin päällystämättömiin materiaaleihin. Yli 1000 W:n laserteholla leikkausnopeuden kasvu tehon funktiona pysähtyy kalsiumkarbonaatilla päällystetyillä kartongeilla. Päällystetyllä paperilla vastaava tehoraja on 1400 W. Polttopisteen optimi paikkaan päällystyksellä ei ole vaikutusta. Myöskään leikatun reunan laatuun päällystyksellä ei ole suurta vaikutusta. Leikkauksessa muodostuvat savut ovat pääasiassa selluloosan pilkkoutumistuotteita. Suuri osa savuista on myrkyllisiä, joten leikkauskohdan riittävästä ilmanvaihdosta on huolehdittava. Sopivilla prosessiparametreilla voidaan saada 10 – 20 %:n parannuksia leikkausnopeuteen.

Otsonin käyttö paperin ja kartongin valmistuksen kiertovesien mikrobiologisen tilan hallintaan

Diplomityössä tutkittiin otsonin käytön soveltuvuutta ja etsittiin optimaalista soveltamistapaa kartonki- ja paperikoneen kiertoveden mikrobiologisen tilan hallintaan. Kirjallisuusosassa selvitettiin otsonin tuotannon nykytekniikkaa sekä otettiin selvää saatavilla olevista kapasiteetiltaan riittävistä otsonigeneraattoreista. Kirjallisuuden perusteella selvitettiin myös otsonin reaktioita paperi- ja kartonkikoneen kiertovesissä olevien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kanssa. Lisäksi käsiteltiin otsonin käytön eri sovelluksia vedenpuhdistuksessa sekä perehdyttiin aikaisemmin tehtyihin tutkimuksiin otsonin käytöstä mikrobitorjuntaan paperi- ja kartonkikoneiden kiertovesistä. Kokeellisessa osassa määritettiin sopiva otsoniannos valkaisematonta sellua käyttävän koneen kiekkosuotimen kirkkaalle ja samealle suodokselle. Vesien otsonointi suoritettiin otsonipilotlaitteistolla. Työssä tutkittiin otsonoinnin vaikutusta kiertoveden mikrobiologisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. Lisäksi tarkasteltiin kiertoveden otsonoinnin vaikutuksia koepaperikoneella valkaisemattomasta sel-lusta ja hylkymassasta valmistettujen lopputuotteiden laatuun. Työssä arvioitiin myös otsonin käytön mahdollisuutta osittain korvaamaan jo käytössä olevia hapettavia biosidejä. Samealle suodokselle sopivaksi otsoniannokseksi osoittautui 120 mg O3/l (0,3 mg O3/mg CODCr) ja kirkkaalle suodokselle riittävä annos olisi 60 mg O3/l (0,2 mg/mg CODCr). Näillä annoksilla kiertoveden mikrobireduktiot olivat 98–100 %. Kiertoveden hapetuskyky kasvoi 9-14 % ja pH laski yhdellä yksiköllä otsonoinnin vaikutuksesta. Kiertoveden kemiallisiin ominaisuuksiin otsonoinnilla oli edullinen vaikutus, sillä veden sameus, kiintoaine- ja CODCr-pitoisuudet laskivat. Koepaperikoneella havaittiin perälaatikon ilmapitoisuuden vähentyneen jopa 49 % käytettäessä ot-sonoitua kiertovettä. Mikrobiologiset analyysit suoritettiin koepaperikoneen massalle, viiravedelle ja lopputuotteelle. Tutkimusten perusteella mikrobientorjunnan kannalta parhaimmaksi otsonin annos-telupaikaksi osoittautui samea suodos. Massan, viiraveden ja lopputuotteen mikrobimäärät alenivat selvästi. Kemialliset analyysit osoittivat, että kirkasta suodosta käytettäessä oli koepaperikoneen vii-raveden kemiallinen tila parantunut LK-aineen muuttuessa hydrofiilisemmäksi ja sen sitoutumisky-vyn parantuessa. Samealla suodoksella ei muutosta havaittu. Valkaisemattomasta sellusta ja päällystetystä hylystä koepaperikoneella valmistettujen lopputuotteiden lujuus- ja aistinvaraisissa ominaisuuksissa ei tapahtunut merkittävää muutosta. Tulosten perusteella otsonia voisi käyttää korvaamaan hinnaltaan kalliimpia hapettavia biosidejä. Otsonin etuna on, ettei sille resistenttejä mikrobikantoja ole. Kirjallisuuden perusteella otsonin heikkoutena on sen tehon paikallisuus eli otsonin lisänä on käytettävä jotain muuta sekundääristä biosidia ylläpitämään matala mikrobitaso otsonoinnin jälkeen.

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.

Hylynkäsittelyn ja annostelun vaikutus kartongin laatuun

Tämän työn tavoitteena oli löytää keinot taivekartongin riittävän z-suuntaisen lujuuden saavuttamiseksi tilanteessa, jossa runkokerrokseen annosteltavan hylyn määrää joudutaan pysyvästi vähentämään. Työn kirjallisuusosassa selvitettiin taivekartongin tärkeimmät ominaisuudet, joista tarkemmin tarkasteltiin palstautumislujuutta ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käytiin läpi palstautumislujuuden mittausmenetelmät. Merkittävimpiä teoriaosassa käsiteltyjä palstautumislujuuteen vaikuttavia tekijöitä olivat massojen käsittely ja annostelu, kuivalujalisäaineiden käyttö sekä rainanmuodostus. Hylyn annosteluosuuden pienentäminen vähensi taivekartongin paksuussuuntaista lujuutta ja runkomassan vedenpoistovastusta, mutta samanaikaisesti lisääntyivät kartongin paksuus ja taivutusjäykkyys. Hylyn vähäisemmän käytön seurauksena menetettyä lujuutta ei pystytty palauttamaan hylyn jauhatuksen määrää lisäämällä, eikä kartonkikoneen runkoviiraosan vedenpoistoon vaikuttamalla. Kun hylyn annosteluosuus laskettiin 20 %:in, saavutettiin runkokerroksen riittävä lujuus ainoastaan runkomassan pääkomponenttina käytettävän hiokemassaseoksen jauhatusastetta nostamalla tai korvaamalla pieni osa hiokkeesta hyvin hienoksi jauhetulla mäntysellulla. Hiokkeen freeness oli laskettava tasolta 300 ml CSF tasolle 250 ml CSF. Vastaavasti mäntysellu oli jauhettava hyvin pitkälle (°SR 74) tai annosteluosuuden oli oltava vähintään 2 %, jolloin jauhatusaste °SR 49 oli riittävä. Vähäisemmällä hylyn käytöllä saavutettu etu vedenpoistossa saatettaisiin menettää näiden toimenpiteiden vaikutuksesta.

Kemikaalisekoituksen vaikutus kartongin liimausasteen pienimittakaavaiseen vaihteluun

Tässä diplomityössä tutkittiin massaliimauksen stabiilisuutta kartonkikoneella ja himan sekoituskonseptin muuttamisen vaikutusta liimausasteeseen ja liimausasteen pienimittakaavaiseen vaihteluun konerullan sisällä. Koeajoista saadut tulokset olivat erittäin lupaavia. Koeajoissa annosteltiin hartsia kahdella eri TrumpJet™-installaatiolla. Ensimmäisessä koeajossa hartsi sekoitettiin kaikkiin kolmeen kerrokseen sakean massan syöttölinjaan, ennen pyörrepuhdistuksen vaatimaa laimennusta. Toisessa koeajossa hartsi annosteltiin kolmella TrumpJet-suuttimella kartongin pintakerrokseen konesihdin jälkeen ja muihin kerroksiin perinteisesti sekoitussäiliön. Tuloksista nähtiin, että hartsin syöttö perälaatikon lähestymisvirtaukseen on mahdollista kartongin laadun ja liimausasteen siitä karsimatta. Liimausaste määritettiin Stora Enson spesifisen REP-menetelmän (raw edge penetration) avulla. Koesarjojen välille ei syntynyt merkittäviä eroja reunaimeytymätasoihin, eikä koesarjojen sisäisiin vaihteluihin verrattaessa referensikonerulliin.

Kartongin reunaimeytymän hallittavuus

Kuppikartongin yksi tärkeimmistä ominaisuuksista on reunaimeytymän vastustuskyky, joka tulee olla riittävällä tasolla laadun takaamiseksi. Koska yksinkertainen juomakuppi on bulkki¬tuote, ei sen raakareunaa kannata taloudellisuuden vuoksi suojata tätä varten kehitellyillä menetelmillä vaan itse kartongin tulee vastustaa nesteitä riittävässä määrin. Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää hydrofobointiin käytettävän massaliiman (hartsi) sekä pintaliiman joukkoon annosteltavan lisäaineen välinen optimaalinen suhde parhaan vastustuskyvyn saavuttamiseksi. Lisäksi selvitettiin joidenkin liimapuristimen ajo-olosuhteiden vaikutusta pintaliiman pick-upiin sekä koneen pH-tason oikeellisuus. Jauhatuksen vaikutusta tutkittiin lähinnä historiatietojen avulla. Tutkimus koostui viidestä tehdasmittakaavaisesta koeajosta, joiden avulla selvitettiin muuttujien vaikutus sisäisellä reunaimeytymän määritysmenetelmällä sekä määrittä¬mällä koepisteistä kulloinkin mielenkiinnon kohteena olleet kemikaalipitoisuudet. Viimeisen koeajon koepisteet jalostettiin lisäksi valmiiksi kupeiksi. Käytetty reunaimeytymän määritysmenetelmä osoittautui virhealttiiksi eivätkä raakakartongista tehtyjen määritysten tulokset korreloineet kovinkaan voimakkaasti PE-päällystettyjen näytteiden kanssa. Menetelmän kehitystä on viety eteenpäin tämän työn rinnalla ja työ jatkuu edelleen. Lisäksi kartongin hartsipitoisuusmääritysten tuloksista paljastui ristiriitaisuuksia, joiden vuoksi menetelmää uusittiin voimakkaasti. Reunaimeytymän vastustuksen riittävyydeksi koneella käytettävien massaliima-annosten tulee olla vähintään valitulla nollatasolla kaikissa kerroksissa ja pintaliiman lisäaine tulee pitää käytössä. Mikäli lisäaine jätetään pois käytöstä, tulee massaliima-annokset olla hyvin korkeita, eikä tämäkään takaa täysin reunaimeytymätöntä lopputuotetta. Lisäaineen ollessa käytössä ei suuremmalla massaliima-annoksella ole puolestaan merkittävää vaikutusta. Konetta ajetaan nykyisin hyvin alhaisella pH-tasolla, mutta tason nostaminen aiheuttaa selvän liimauksen heikkenemisen. Liimapuristimelle tulevan radan kosteudella ja pintaliiman kuiva-aineella ei näyttäisi olevan vaikutusta kartongin reunaimeytymän vastustuskykyyn. Myöskään taustakerroksen koivun jauhatusasteella ei ole merkitystä alueella, jolla koneella operoidaan. CTMP-massan jauhatuksen tulee sen sijaan olla riittävä, jotta keskikerrokseen ei synny yksittäisiä, pitkiä imeytymiä.