Elastomeerien kesto viherlipeäkäsittelyissä

Työssä on tutkittu eri kumilaatujen soveltuvuutta viherlipeäympäristöön laboratoriomittausten avulla. Kumia tultaisiin käyttämään viherlipeälinjan letkuventtiilissä. Suomalaisista sellutehtaista saaduista viherlipeänäytteistä mitattiin alkali- ja vierasainepitoisuudet. Kumitestauksissa viherlipeässä pyrittiin selvittämään kumien kesto prosessiolosuhteita vastaavissa olosuhteissa. Kumit asetettiin kuumaan viherlipeään jännitettynä ja pidettiin siinä kolme vuorokautta. Kumista tutkittavia ominaisuuksia olivat kumin massan muutos, kovuus, vetolujuus sekä murtovenymä. Kolmen vuorokauden testien tulosten perusteella valittiin kolme kumilaatua tuhannen tunnin kestotestiin, joissa seurattiin kumin massan käyttäytymistä sekä kumin pitkäaikaisen altistamisen viherlipeässä vaikutusta lujuusominaisuuksiin. Kokeissa havaittiin osan testatuista kumeista sitovan viherlipeää itseensä, mikä aiheuttaisi viherlipeän pääsyn letkun vahvikkeisiin ja aiheuttaisi letkun hajoamisen. Osa kumeista kului kemiallisesti, mikä taas aiheuttaisi letkun rasitustilanteissa repeämiä letkun pinnassa ja lopulta letkun hajoamisen. Kuitenkin suuressa osassa testatuissa kumimateriaaleissa ei ollut suuria massanmuutoksia. Tällöin lujuusmittaukset kertoivat muilta osin kumin kestosta. Muutamilla kumeilla massanmuutokset olivat alhaisia, mutta lujuusarvot olivat romahtaneet. Kuitenkin laboratoriomittausten tulosten perusteella pystyttiin löytämään kumimateriaali, joka kestäisi paremmin viherlipeäprosessissa kuin teollisuudessa käytössä ollut kumimateriaali. Kuitenkin lopullinen varmuus tästä voidaan saada teollisuudessa tehtyjen testausten avulla.

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

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.

Determination of compression behaviour of coating layer

The strength properties of paper coating layer are very important in converting and printing operations. Too great or low strength of the coating can affect several problems in printing. One of the problems caused by the strength of coating is the cracking at the fold. After printing the paper is folded to final form and the pages are stapled together. In folding the paper coating can crack causing aesthetic damage over printed image or in the worst case the centre sheet can fall off in stapling. When folding the paper other side undergoes tensile stresses and the other side compressive stresses. If the difference between these stresses is too high, the coating can crack on the folding. To better predict and prevent cracking at the fold it is good to know the strength properties of coating layer. It has measured earlier the tensile strength of coating layer but not the compressive strength. In this study it was tried to find some way to measure the compressive strength of the coating layer and investigate how different coatings behave in compression. It was used the short span crush test, which is used to measure the in-plane compressive strength of paperboards, to measure the compressive strength of the coating layer. In this method the free span of the specimen is very small which prevent buckling. It was measured the compressive strength of free coating films as well as coated paper. It was also measured the tensile strength and the Bendtsen air permeance of the coating film. The results showed that the shape of pigment has a great effect to the strength of coating. Platy pigment gave much better strength than round or needle-like pigment. On the other hand calcined kaolin, which is also platy but the particles are aggregated, decreased the strength substantially. The difference in the strength can be explained with packing of the particles which is affecting to the porosity and thus to the strength. The platy kaolin packs up much better than others and creates less porous structure. The results also showed that the binder properties have a great effect to the compressive strength of coating layer. The amount of latex and the glass transition temperature, Tg, affect to the strength. As the amount of latex is increasing, the strength of coating is increasing also. Larger amount of latex is binding the pigment particles better together and decreasing the porosity. Compressive strength was increasing when the Tg was increasing because the hard latex gives a stiffer and less elastic film than soft latex.

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.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

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.

Natural and synthetic fibres improving tensile strength and elongation of paper products

The theory part of the Master’s thesis introduces fibres with high tensile strength and elongation used in the production of paper or board. Strong speciality papers are made of bleached softwood long fibre pulp. The aim of the thesis is to find new fibres suitable for paper making to increase either tensile strength, elongation or both properties. The study introduces how fibres bond and what kind of fibres give the strongest bonds into fibre matrix. The fibres that are used the in manufacturing of non-wovens are long and elastic. They are longer than softwood cellulose fibres. The end applications of non-wovens and speciality papers are often the same, for instance, wet napkins or filter media. The study finds out which fibres are used in non-wovens and whether the same fibres could be added to cellulose pulp as armature fibres, what it would require for these fibres to be blended in cellulose, how they would bind with cellulose and whether some binding agents or thermal bonding, such as hot calendaring would be necessary. The following fibres are presented: viscose, polyester, nylon, polyethylene, polypropylene and bicomponent fibres. In the empiric part of the study the most suitable new fibres are selected for making hand sheets in laboratory. Test fibres are blended with long fibre cellulose. The test fibres are viscose (Tencel), polypropylene and polyethylene. Based on the technical values measured in the sheets, the study proposes how to continue trials on paper machine with viscose, polyester, bicomponent and polypropylene fibres.

Kartongin fysikaalisten ominaisuuksien vaikutus muovautuvuuteen

Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jolla voitaisiin arvioida veto-ominaisuuksien avulla konvertointikoneen prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia kartongin muovautuvuuteen. Kirjallisuusosassa käsiteltiin kartongin muovautuvuuteen vaikuttavia ominaisuuksia sekä vetolujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käsiteltiin kosteuden vaikutusta muovautuvuuteen sekä esiteltiin vuokakonvertointiprosessin periaate ja muovin sekä kartongin käyttäytymisen erot konvertointiprosessissa. Kokeellinen osa jakaantui kolmeen osaan. Esikokeissa tutkittiin laboratoriomittauksilla vetonopeuden ja kosteuden muutosten vaikutusta erilaisten kaupallisten kartonkimateriaalien vetolujuuteen ja murtovenymään. Tulosten perusteella valittiin prässäysnopeudet ja kosteustaso 2D- testauslaitteella suoritettuihin esi-pilot-mittakaavan kokeisiin sekä varsinaiseen pilot-koeajoon. Pilot-koeajossa pyrittiin arvioimaan prässäysnopeuden ja muottien lämpötilan vaikutuksia muovautuvuuteen vetolujuusarvojen avulla. Prässäysnopeudella ja vetolujuuslaitteen nopeudella ei havaittu yhteneväisyyksiä, jotta voitaisiin arvioida kartongin muovautuvuutta. Muovautuvuutta voidaan kuitenkin arvioida epäonnistuneisuusluvulla, jonka laskentapa kehitettiin työn aikana. Epäonnistuneisuusluku kuvaa hyvin kartongin muovautuvuutta ja on menetelmänä helppo, mutta sen heikkoutena on repeämien mittaamisen aiheuttama epätarkkuus. Esikokeissa havaittiin myös muovipäällysteiden veto-ominaisuuksien vastaavan kartongin ominaisuuksia 65 %:n suhteellisessa kosteudessa, jonka valittiin siten olevan optimaalinen olosuhde pilot-mittakaavan koeajoihin.