Effect of filler particle size and shape on paper properties

Abstract

Fillers are used in paper production to give required properties, such as gloss or lightness, and to reduce manufacturing costs of paper by replacing more expensive pulp. Replacing the pulp with fillers can bring unwanted effects, such as a decrease in the strength of the paper.

The aim of this Master’s thesis was to find out the effect of the shape and particle size of different fillers on the physical and optical properties of the paper and on AKD (alkyl ketene dimer) sizing. In the literature part, the essential unit processes of paper production, the effects and properties of fillers used in paper production, paper sizing and different paper grades were reviewed.

In the experimental part, the fillers tested in the production of handsheets were kaolin, calcium carbonate and four different grades of talc, which differed from each other in particle size and shape. The pulp used in the production of handsheets was unbleached and long fiber sulfate pulp. The target filler levels were 3% and 6%. In addition, the effect of fillers on AKD sizing was assessed.

In physical tests, the coarsest F25 talc grade from Vuonos site and kaolin used in paper sheets lost the least material strength with a lower filler content. As the filler content increased, the material strength decreased more with these grades compared to other talc grades. In AKD sizing, F15 from Vuonos and both P05 talc grades from Sotkamo and Vuonos sites improved the sizing. In optical measurements, the addition of filler increased the opacity, and the ISO brightness increased as the filler content increased. During the testing, at current handsheet making arrangement, the retention of calcium carbonate was found to be worse than expected, so the obtained measurement results were ignored.

Täyteaineita käytetään paperin valmistuksessa antamaan haluttuja ominaisuuksia, kuten kiilto tai vaaleus, sekä alentamaan valmistuskustannuksia korvaamalla arvokkaampaa sellumassaa. Sellumassan korvaaminen täyteaineilla voi tuoda mukanaan myös ei-haluttuja vaikutuksia, kuten paperin lujuuksien heikkenemistä.

Tämän työn tavoitteena oli selvittää eri fillereiden muodon ja partikkelikoon vaikutus paperin fyysisiin ja optisiin ominaisuuksiin sekä AKD (alkyyliketeenidimeeri)-liimaukseen. Kirjallisuusosassa käytiin läpi paperin valmistuksen olennaiset yksikköprosessit, paperin valmistuksessa käytettyjen täyteaineiden vaikutuksia ja ominaisuuksia, paperin liimauksia ja erilaisia paperilaatuja.

Kokeellisessa osassa testattavina täyteaineina laboratorioarkkien valmistuksessa olivat kaoliini, kalsiumkarbonaatti ja neljä eri talkkilaatua, jotka erosivat toisistaan partikkelikoossa ja muodossa. Käytetty massa laboratorioarkkien valmistuksessa oli valkaisematonta ja pitkäkuituista sulfaattisellua. Täyteainetasoiksi tavoitteena olivat 3 % ja 6 %. Lisäksi testattiin fillereiden vaikutusta AKD-liimaukseen.

Fyysisissä testeissä karkeimmalla F25 talkkilaadulla Vuonoksen tehtaalta ja kaoliinilla valmistetut laboratorioarkit menettivät vähiten materiaalilujuutta pienemmällä filleriannoksella. Täyteaineannoksen noustessa materiaalilujuudet tippuivat näillä laaduilla enemmän muihin talkkilaatuihin nähden. AKD-liimauksessa F15 VNS ja molemmat P05 talkkilaadut Sotkamon ja Vuonoksen tehtailta paransivat liimausta. Optisissa mittauksissa fillerin lisäys nosti opasiteettia. Lisäksi ISO-vaaleudet nousivat filleriannoksen noustessa. Testauksessa kalsiumkarbonaatin retentio kyseisellä laboratorioarkin valmistusjärjestelyllä havaittiin oletettua huonommaksi, joten kalsiumkarbonaatilla saadut mittaustulokset jätettiin tulosten tarkastelussa huomioimatta.