PCC-täyteaineen vaikutus hienopaperin lujuuskäyttäytymiseen nopeassa vetokuormituksessa

Abstract

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.

In order to minimize the raw-material costs, fine paper manufacturers are continuously trying to decrease the softwood content of pulp and to raise the filler content of paper. The use of PCC as a filler in fine paper has grown strongly in the past decade. The manufacturing process of PCC is very flexible and it allows to make products that have very different properties. For example the particle size and the crystal shape of PCC have remarkable effects on the rheological properties of fine paper.

The effect of filler on the rheological properties of paper depends essentially on the location of filler particles inside the fiber network. In addition, the filler retention must be high enough to ensure good paper machine runnability. The filler retention is highly dependent on the properties of fiber and filler materials.

Increasing the filler content and decreasing the amount of softwood pulp tend to weaken the rheological properties of fine paper and to affect negatively on paper machine runnability. Especially the open draw -transfer of wet web from the press section to the dryer section can be critical when runnability is considered. Therefore it is important to know the factors that effect on wet web release and web tension. Tensile strength and stress relaxation measurements from wet paper can be used to examine wet web strength behavior.

In the experimental part of this study the effects of two different PCC-fillers on both tensile strength and relaxation properties of fine paper were studied in fast tensile load. The tensile strength and relaxation tension of both wet and dry paper were found to decrease strongly when the filler content of paper was raised. The filler also reduced the effect of softwood on these properties. The type of PCC had a slight effect on the rheological properties of fine paper, but the gain in strength led to weaker optical properties. The tensile strength and the stress relaxation were found to increase exponentially when the dry solids content of paper was increased. Therefore the effect of filler type on dewatering is of great importance.