Rheology of high solids surface size starches

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia pintaliimatärkkelysten reologista käyttäytymistä korkeissa kuiva-ainepitoisuuksissa. Tarve työn suorittamiselle syntyi kun tutkittiin pintaliimausta filminsiirtopuristimella tavallista korkeammissa kuiva-ainepitoisuuksissa, sileän sauvan ollessa applikointilaitteena. Koska applikointi sileällä sauvalla tapahtuu hydrodynaamisten periaatteiden mukaisesti, sen käyttö edellyttää pintaliimojen reologisten ominaisuuksien tarkkaa tuntemusta ja hallintaa.Kiinnostuksen kohteena olevat ominaisuudet olivat tärkkelysten kuiva-ainepitoisuuden (8 – 30 %) vaikutus viskositeettiin eri lämpötiloissa (20, 30, 40 ja 50 ºC), leikkausnopeus alueella 1 s-1 - 700 000 s-1. Myös tärkkelysten myötörajat määritettiin tutkimuksessa. Viskositeetti eri leikkausnopeusalueilla mitattiin seuraavilla laitteilla: Bohlin VOR (matalat leikkausnopeudet ja myötöraja) ja Hercules HiShear (keskitason leikkausnopeudet) reometrit sekä Eklund kapillaariviskometri (korkeat leikkausno-peudet). Analysoidut tärkkelykset olivat kaksi anionista matalaviskoottista peruna (tärkkelys A) ja ohra (tärkkelys C) tärkkelystä, sekä yksi kationinen korkeaviskoottinen peruna tärkkelys (tärkkelys B). Tutkittujen tärkkelysten Brookfield viskositeetit (100 rpm) olivat (10 % liuos, 60 °C:ssa) tärkkelys A ja C: 25 ± 5 mPas ja tärkkelys B: 100 ± 20 mPas.Tärkkelysliuosten kuiva-ainepitoisuuden noustessa muuttui virtauskäyttäytyminen Newtoniaalisesta leikkausohenevaksi. Leikkausoheneva käyttäytyminen oli voimakkainta tärkkelys B:n kohdalla. Viskositeetti – lämpötila riippuvuus korkeissa leikkausnopeuksissa (esim. 500 000 s-1) oli vähäisempää, mitä oli oletettavissa Brookfield viskositeettiarvojen perusteella. Kaikki tarkkelykset osoittautuivat tiksotrooppisiksi, myös tiksotrooppisuus lisääntyi kuiva-ainepitoisuuden kasvaessa. Tärkkelysten myötörajat osoittautuivat odottamattoman alhaisiksi, kuitenkin varsinkin tärkkelys B:n myötörajat olivat selvästi riippuvaisia lämpötilasta ja kuiva-ainepitoisuudesta. Tutkittujen tärkkelysten virtauskäyttäytyminen oli kirjallisuudessa esitetyn kaltaista. Tärkkelysmolekyylien ketjun pituus oli tärkein tärkkelyksen reologisia ominaisuuksia määrittävä tekijä; mitä matalampi on tärkkelyksen molekyylimassa, sitä matalammat ovat viskositeetti ja myötöraja. Pintaliimauksessa tärkkelysmolekyylien ketjunpituudella on suuri vaikutus ajettavuuteen ja lopputuotteen ominaisuuksiin. Haasteellista pintaliimatärkkelyksen valinnassa on sellaisen yhdistelmän löytäminen, jossa sopivan reologisen käyttäytymisen omaava tärkkelys ja pintaliimatulle paperille tai kartongille asetetut vaatimukset kohtaavat.

The purpose of this thesis was to study the rheological behavior of surface size starches at high solids contents. The need for the study originated from the surface sizing at higher solids contents than normally used with a film size press, a smooth rod being the metering element. Relying on hydrodynamics, the usage of the smooth rod requires a careful control and knowledge of rheological properties of the size used. The properties of interest were the effect of the solids contents (8 – 30 %) of the starch solutions at different temperatures (20, 30, 40 and 50 ºC) on the viscosity at different shear rates from 1 s-1 to 700 000 s-1. Also the yield stress of starches was studied. The viscosity at the different shear rate ranges was measured with the following equipments: Bohlin VOR (low shear rates and yield stress) and Hercules HiShear (intermediate shear rate) rheometers and Eklund capillary viscometer (high shear rates). Two anionic low viscosity starches from potato (starch A) and from barley (starch C) and one cationic high viscosity potato starch (starch B) were analyzed. The Brookfield viscosities (100 rpm) of starches were (10 % solution at 60 °C) starch A and C: 25 ± 5 mPas and starch B: 100 ± 20 mPas.The rising concentration of starch in the solutions transformed the behavior from Newtonian to shear-thinning. The starch B showed the most pronounced shear-thinning behavior. The viscosity – temperature dependency at high shear rates (e.g. 500 000 s-1) was much weaker than the Brookfield viscosities indicated. All the starches were found to be thixotropic, the degree in thixotropy was also enhanced by the increase in solids content. The yield stresses were found to be unexpected low even at high solids contents, although especially starch B showed clear temperature – solids content dependency in the yield stress values.The starches studied followed the flow behavior described in the literature. The main parameter defining the starch solutions rheological properties was the chain length of the starch molecules; the lower is the molecular weight of the starch the lower is the viscosity and yield stress. The molecular length of the starch has also a great impact on runnability and end product properties. When selecting a starch for surface sizing applications, the challenge is to find a combination where a starch with suitable rheology meets the requirements of the sized paper or board.