Brittleness of Paper

Abstract

Brittleness is a well-known material characteristic but brittleness of paper is vaguely covered. The objective of this thesis was to characterize the phenomenon and causes around brittleness of paper and to clarify if it is a measurable property. Brittleness of paper was approached from the perspectives of paper physics and paper mills. Brittleness is a property of dry paper and it causes problems at the finishing stages of paper machine. According to paper physics, brittle materials fail in the elastic regime, while ductile materials can locally accumulate a plastic deformation prior to the fracture and they are often able to withstand higher stresses. Brittleness of paper is vastly affected by the surrounding conditions: paper as a hygroscopic material tries to get to the equilibrium. It is also affected by the quality of the pulp used. Measurement techniques can be divided into two categories: based on the viscoelastic behavior of paper and on the exposure to the mechanical stress of sort. The experimental part of the thesis was based on the trials with brittle and non-brittle mill-made LWC papers. It is divided into three parts: strength testing of the brittle and non-brittle papers, analysis of the conditions that may contribute the brittleness and the experimental methods to evaluate brittle behavior. The strength measurements confirmed the influence of the moisture content, but only tensile energy absorption and the fracture toughness measurements provided modest differences between the brittle and non-brittle papers. Versatile analysis of the possible contributing factors resulted into speculation, while the brittle papers contained higher amount of starch, triglycerides and steryl esters. The experimental research proved that the formation, the sensory impression and the variation of local strains may contain the crucial information of paper brittleness.

Hauraus on hyvin tunnettu materiaaliominaisuus, mutta paperin haurauteen liittyviä tekijöitä ei tunneta kunnolla. Työn tavoite oli karakterisoida ilmiö ja siihen johtavat syyt. Lisäksi haluttiin selvittää onko paperin hauraus mitattavissa oleva ominaisuus. Paperin haurautta ilmiönä käsiteltiin paperifysiikan ja paperitehtaan näkökulmista. Hauraus on kuivan paperin ominaisuus ja aiheuttaa ongelmia paperitehtaan jälkikäsittelyvaiheissa. Fysiikan mukaan hauras paperi varastoi vedon aikana elastista energiaa, joka vapautuu räjähdysmäisesti paperin hajotessa. Haurauteen vaikuttaa merkittävästi ympäröivä kosteus, sillä paperi hygroskooppisena materiaalina pyrkii tasapainokosteuteen ympäristönsä kanssa. Paperin haurauteen vaikuttaa myös käytetyn massan laatu. Paperin haurauden mittausmenetelmät voidaan jakaa viskoelastiseen käytökseen ja mekaaniseen rasitukseen perustuviin. Työn kokeellinen osa perustui monipuoliseen hauraiden ja ei-hauraiden LWC-tehdaspapereiden testaukseen. Kokeellinen osa on jaettu kolmeen osaan: hauraiden ja normaaleiden papereiden lujuusmittauksiin, paperin haurauteen vaikuttavien olosuhteiden analysointiin sekä paperin haurauden kokeellisiin mittausmenetelmiin. Mittauksissa havaittiin selvästi kosteuden vaikutus paperin lujuuteen. Paperin haurauden arviointiin lujuusmittauksista sopivat vetoenergian absorption sekä murtositkeyden mittaukset tietyin rajoituksin. Haurauteen vaikuttavien ominaisuuksien testauksessa havaittiin hauraiden koepapereiden sisältävän enemmän tärkkelystä, triglyseridiä sekä steryyliestereitä kuin normaalit paperit. Kokeellisista menetelmistä paperin formaatio, aistivaikutelma ja paikallisten venymien hajonta havaittiin käyttökelpoisimmiksi mittareiksi.