Surface and colloid chemistry of alkyl ketene dimer (AKD) dispersion : effects of cooling profile and alternative stabilizers
Lippojoki, Emma (2023)
Diplomityö
2023
School of Engineering Science, Kemiantekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061956912
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023061956912
Tiivistelmä
Alkyl ketene dimer (AKD) is an internal sizing agent which is used in paper industry to create hydrophobic characteristics for the paper or board. The aim of this thesis is to study surface chemical reactions between AKD and the dispersion medium, cellulose of fiber, and other AKD colloids.
Theoretical part of the thesis focuses on surface chemistry of AKD and colloidal attractions that affect it, manufacturing process of AKD, and role of different components used in AKD dispersion. In addition, this thesis presents how AKD is used in a paper mill and its reaction mechanism in paper sizing.
The experimental part of this thesis focuses on two primary areas which are examining the impact of cooling profile on AKD dispersion and exploring potential new stabilizers. Cooling profile experiments were conducted in laboratory scale as well as in production scale processes. Cooling profile experiments were conducted using starch based AKD dispersion. Experiments proved that the cooling speed and the temperature of cooling water has an effect to the particle size of D0.95 and the distribution of the dispersion. Changes in particle sizes also affect to the stability of viscosity.
Seven different polymers were studied to replace starch as a stabilizer of AKD dispersion. Guar gum and NaCMC were unable to form ideal dispersion because their impotence for pH adjustment. PolyDADMAC, polyvinyl alcohol, and three polymer products from Kemira were able to form AKD dispersion. Stability of these dispersions varied and All of them need further development to become a utilitarian product. Alkyyliketeenidimeeri (AKD) dispersio on paperiteollisuudessa käytetty sisäinen liimausaine, joka luo paperille tai kartongille sen hydrofobisen luonteen. Diplomityön tarkoituksena on tutkia AKD partikkelien pintakemiallisia reaktioita dispersion väliaineen, kuidun selluloosan ja muiden AKD partikkeleiden kesken.
Teoreettisessa osuudessa käsitellään AKD:n pintakemiaan liittyviä kolloidisiin dispersioihin vaikuttavia voimia, AKD:n valmistusprosessia ja AKD raaka-aineina käytettävien komponenttien merkitystä dispersiossa. Lisäksi käsitellään AKD:n käyttöä paperitehtaalla ja sen reaktiomekanismia lopullisessa liimauksessa.
Kokeellisessa osuudessa tutkittiin AKD dispersion jäähdytysprofiilin vaikutusta sekä mahdollisia uusia stabilisaattoreita AKD dispersiolle. Jäähdytyksen vaikutusta tutkittiin sekä laboratoriossa, että tuotantomittakaavassa. Jäähdytysprofiilin tutkimukset suoritettiin perinteisellä tärkkipohjaisella AKD dispersiolla. Tutkimuksessa huomattiin, että jäähdytysnopeudella, sekä jäähdytysveden lämpötilalla on merkittävä vaikutus dispersion D0.95 partikkelikokoon, sekä jakaumaan. Partikkelikoon muutokset vaikuttivat myös viskositeetin stabiiliuteen.
Tärkkelyksen korvaamiseksi AKD dispersion stabiloijina tutkittiin seitsemää eri polymeeriä. Guar-kumi eikä NaCMC kyenneet muodostamaan toimivaa dispersiota, koska ne eivät kestäneet pH säätöä halutulle alueelle. PolyDADMAC, PVA sekä kolme Kemiran omaa polymeeriä pystyivät puolestaan muodostamaan AKD dispersion. Dispersioiden stabiilisuus vaihteli ja kaikki dispersiot vaativat vielä lisää kehitystä tullakseen potentiaalisiksi tuotteiksi.
Theoretical part of the thesis focuses on surface chemistry of AKD and colloidal attractions that affect it, manufacturing process of AKD, and role of different components used in AKD dispersion. In addition, this thesis presents how AKD is used in a paper mill and its reaction mechanism in paper sizing.
The experimental part of this thesis focuses on two primary areas which are examining the impact of cooling profile on AKD dispersion and exploring potential new stabilizers. Cooling profile experiments were conducted in laboratory scale as well as in production scale processes. Cooling profile experiments were conducted using starch based AKD dispersion. Experiments proved that the cooling speed and the temperature of cooling water has an effect to the particle size of D0.95 and the distribution of the dispersion. Changes in particle sizes also affect to the stability of viscosity.
Seven different polymers were studied to replace starch as a stabilizer of AKD dispersion. Guar gum and NaCMC were unable to form ideal dispersion because their impotence for pH adjustment. PolyDADMAC, polyvinyl alcohol, and three polymer products from Kemira were able to form AKD dispersion. Stability of these dispersions varied and All of them need further development to become a utilitarian product.
Teoreettisessa osuudessa käsitellään AKD:n pintakemiaan liittyviä kolloidisiin dispersioihin vaikuttavia voimia, AKD:n valmistusprosessia ja AKD raaka-aineina käytettävien komponenttien merkitystä dispersiossa. Lisäksi käsitellään AKD:n käyttöä paperitehtaalla ja sen reaktiomekanismia lopullisessa liimauksessa.
Kokeellisessa osuudessa tutkittiin AKD dispersion jäähdytysprofiilin vaikutusta sekä mahdollisia uusia stabilisaattoreita AKD dispersiolle. Jäähdytyksen vaikutusta tutkittiin sekä laboratoriossa, että tuotantomittakaavassa. Jäähdytysprofiilin tutkimukset suoritettiin perinteisellä tärkkipohjaisella AKD dispersiolla. Tutkimuksessa huomattiin, että jäähdytysnopeudella, sekä jäähdytysveden lämpötilalla on merkittävä vaikutus dispersion D0.95 partikkelikokoon, sekä jakaumaan. Partikkelikoon muutokset vaikuttivat myös viskositeetin stabiiliuteen.
Tärkkelyksen korvaamiseksi AKD dispersion stabiloijina tutkittiin seitsemää eri polymeeriä. Guar-kumi eikä NaCMC kyenneet muodostamaan toimivaa dispersiota, koska ne eivät kestäneet pH säätöä halutulle alueelle. PolyDADMAC, PVA sekä kolme Kemiran omaa polymeeriä pystyivät puolestaan muodostamaan AKD dispersion. Dispersioiden stabiilisuus vaihteli ja kaikki dispersiot vaativat vielä lisää kehitystä tullakseen potentiaalisiksi tuotteiksi.