6.3.1 Arkning
Tillverkning av de malda NBHK/Finland-massorna var inte helt enkel. Malningen gjorde arken mycket våta och svåra att avvattna. Under test 2 tillverkades labarken enligt standard ISO 5269 utan att modifikationer behövdes. Test 3 krävde extra mycket läskpapper för att avlägsna vätska då massan låg på viran. Förloppet krävde ungefär 1-3 extra läskpapper per tillverkat ark. Vid de lägre ytvikterna (7,5 och 10 g/m2) fastnade ofta lite massa på viran.
6.3.2 Karaktärisering av massorna
I Figur 21 ses att längden minskade med ökad malningsgrad. Optimalt är om fiberlängden kan hållas relativt konstant. I detta fall erhölls dock en viss fiberförkortning. Figur 22 kan det åskådliggöras hur fiberbredden ökade med ökande malgrader. Fibrernas bredd ökade med malningsgraden eftersom en yttre fibrillering skett. Den yttre fibrilleringen var partiell avlägsnande av fiberväggsdelar som fortfarande sitter fast på fibern [7].
I Figur 23 ökade finmaterialandelen med ökad malningsgrad. Även svällningsgraden ökade med malningsgraden, ses i Tabell 4 i kolumnen WRV-värde. Den torrhalt som kan erhållas efter en pressning är relaterad till WRV-värdet. Det vill säga, högt WRV gör att arkens pressbarhet försämras, lägre torrhalter erhålls efter pressning [7]. Avvattningsförmågan försämras avsevärt eftersom fibrerna ligger allt tätare med fler fiber-till-fiber-bindningar, dessutom blir fibrerna allt mer flexibla ju högre malgrad som genomförts, vilket försvårar avvattningen ytterligare. Ju högre SR-tal ju sämre blir avvattningsförmågan, ses i Tabell 4.
Figur 21. Fiberlängd för NBHK/Finland vid olika malgrader.
Figur 22. Fibrernas bredd för NBHK/Finland vid olika malgrader.
0,87 0,82 0,78
Figur 23. Finmaterialandel i NBHK/Finland-massorna vid olika malgrader.
Tabell 4. WRV-värden och SR-talen för malda NBHK/Finland-massor.
6.3.3 Mekaniska egenskaper
Från teorin (Malning och finmaterial) framgick det att dragindex ökade med ökande malgrader då finmaterial frigjordes, fibrerna fick större kontaktyta och fler bindningspunkter. Figur 24 åskådliggör den signifikanta skillnaden mellan den icke malda (0 kWh/ton) mot de malda NBHK/Finland-massorna. Som resultatet i test 2 ses att vid låga ytvikter (7,5 - 30 g/m2) finns ett mer linjärt område för att sedan plana ut och når en platå.
I Figur 24 ses att den relativa skillnaden mellan 0 kWh/ton och 50 kWh/ton är stor vid såväl låga (7,5 – 15 g/m2) som höga ytvikter för att sedan avta i ökning vid högre malgrader. Den stora skillnaden mellan 0 till 50 kWh/ton vid låga ytvikter är intressant eftersom det verkar finnas ett maximum för de egenskaperna som malningen kan bidra med i det området. Malningen bidrar inte med stora ökningar efter 100 kWh/ton vid lägre ytvikter.
6,4 6,8 7,4 8,4
Figur 24. Dragindex mot ytvikt för NBHK/Finland vid olika malgrader.
En tydligare bild av relativa skillnaden mellan ytvikterna vid de olika malgraderna kan ses i Figur 25.
Här ses hur varje individuell ytvikt ökar med ökande malgrader. Även här ses att den största ökningen sker mellan 0 – 50 kWh/ton.
Figur 25. Dragindex mot malningsenergi för NBHK/Finland-massor.
Brottöjningen för de malda NBHK/Finland-massorna ser ut att öka med ökande malgrader enligt Figur 26. Brottarbetet ökade också med ökande malningsnivå. Ses i Figur 27.
Skillnaden vid såväl låga (7,5 – 15 g/m2) som högre ytvikter för egenskaperna, brottöjning (Figur 26), brottarbete (Figur 27) och dragstyvhet (Figur 28) verkar inte vara särskilt stor mellan 100 – 150 kWh/ton. Det betyder att malningen över 100 kWh/ton inte är ger särskilt stora ökningar i mekaniska egenskaper vid låga ytvikter. Malningen över 100 kWh/ton kan anses energikrävande och möjligtvis onödig vid lägre ytvikter. Från teorin erhölls att SR-tal inte bör vara för stora eftersom det ger problem med avvattningen och torkningen vid tillverkning av tissue-papper. Men det viktigaste att komma ihåg med malningen är att ju längre den fortgår desto sämre blir bulk och mjukheten hos pappret [2]. Trots att bra mekaniska egenskaper kan uppnås vid hög malningsenergi så blir det ändå relativt ointressant om tissue-pappret inte längre kan få dess eftersöka egenskaper.
0
Figur 26. Brottöjning mot ytvikt för NBHK/Finland vid olika malgrader.
Figur 27. Brottarbetesindex mot ytvikt för NBHK/Finland vid olika malgrader.
Figur 28. Dragstyvhetsindex mot ytvikt för NBHK/Finland vid olika malgrader.
I teorin (Malning och finmaterial) diskuterades att malning kan ge ökad styrka. Rivstyrka mot malgrad brukar ha ett optimum, det vill säga i början ökar rivstyrkan med malning, men sen kommer ytterligare malning att ge minskad rivstyrka. Se Figur 3. Tillräcklig kan ge ökad rivstyrka eftersom det krävs mer
0
energi att riva sönder ett ark som har fler bindningspunkter [7]. Rivningen sliter istället fibrerna itu än att dra dem ur arken [25]. Resultatet av ball burst strength med malda massor presenteras ses i Figur 29. Teorin verkar bevisligen stämma, ses i Figur 29. Ju högre malgraden är desto högre blir ball burst-styrkan. Värt att nämna är avvikelserna som erhålls vid lägre ytvikter. Osäkerheten beror på att arken är mycket tunna.
En tillbakablick till Figur 18 i test 2 ses att det indexerade Ball Burst är högre för den malda björkmassan än de omalda barrvedsmassorna från test 2. Malningen ökar bindningsgraden rejält vilket är anledningen till de högre värdena. I Figur 29 ses att styrkan når en platå efter ungefär 40 g/m2, det resulterar i ett fall för indexerade Ball Burst-styrkan eftersom ytvikten ökar men styrkan förblir ungefär densamma. Ball Burst-index ses i Figur 30. För tissue kan det vara ett intressant alternativ att använda mald NBHK/Finland-massa om målet är att ha en hög andel lövvedsfibrer med ökad dragstyrka och rivstyrka. Dock får den ökade styrkan inte ske på bekostnad av försämrad avvattning, mjukhet eller ökad energiinsats.
Figur 29. Ball burst strength mot ytvikt för malda NBHK/Finland-massor.
Figur 30. Indexerade ball burst strength mot ytvikt för malda NBHK/Finland-massor.
Densiteten för NBHK/Finland ses i Figur 31 och ökar vid ökande malgrader förutom vid låga ytvikter (7,5 – 10 g/m2) som ser relativt lika ut för de olika malgraderna. Den omalda NBHK/Finland-massan har ungefär samma densitet vid ytvikten 7,5 g/m2 som de malda massorna. Anledningen varför de
Indexerad ball burst strength [Nm2/g]
Ytvikt [g/m2]
150 kWh/ton 100 kWh/ton 50 kWh/ton 0 kWh/ton
malda massorna har högre densitet än omalda beror bland annat på att fler kollapsade fibrer kan erhållas, ökad finmaterialandel gör arken tätare och fibrillerade ytor uppstår [7].
Figur 31. Densitet mot ytvikt för NBHK/Finland vid olika malgrader.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 10 20 30 40 50 60 70
De n sit et [k g/ m
3]
Ytvikt [g/m
2]
150 kWh/ton 100 kWh/ton 50 kWh/ton 0 kWh/ton
7 Slutsats
Syftet har varit att studera de mekaniska egenskaperna på ark och utvärdera hur de mekaniska egenskaperna ändrades med ytvikten. De mekaniska egenskaperna var dragstyrka, brottöjning, brottarbete och dragstyvhet.
För lövvedsmassorna erhölls högst dragstyrka i rangordning av fiberlängden. NBHK/Finland hade längst fibrer och var starkast följt av EBK/Uruguay. Kortast fibrer och svagast var THBK/Indonesien.
Den relativa skillnaden mellan lövvedsmassorna var tydlig vid ytvikter högre än 15 g/m2, vid lägre ytvikter var den eventuella skillnaden svår att tyda. Lövvedens samtliga mekaniska egenskaper nådde sina maximumvärden omkring 30 g/m2 och därefter nåddes en platå.
Barrvedsmassan som fick högst mekaniska egenskaper i studien var NBSK/Kanada på grund av sina långa flexibla fibrer följt av NBSK/Finland. Svagast var SBSK/USA med sina långa men styva fibrer.
Den relativa skillnaden var i stort sett densamma för alla mekaniska egenskaper och skillnaden var även tydlig vid de lägsta ytvikterna. Barrvedens mekaniska egenskaper erhöll ingen platå under ytvikten 60 g/m2, förmodligen sker den vid ännu högre ytvikter, då kurvorna avtar i ökning vid de högre ytvikterna.
Ball Burst Strength-värden var generellt sätt högre för barrvedsmassorna, vilket beror på den högre fiberlängden. När ytvikten är låg är även bindningsgraden låg. Fibrerna dras ut ur strukturen utan att gå av. Energin som åtgår då rivningen sker vid låg bindningsgrad bestäms då av fibrernas längd och hur många bindningspunkter det finns [7]. NBSK/Kanada hade långa och flexibla fibrer och NBHK/Finland hade längst fibrer av lövvedsmassorna, de fick även högst ball burst strength-värden.
Ball Burst-styrkan följde samma fiberrangordning som dragstyrkorna gjorde för båda massorna.
Lövvedsmassorna nådde en platå över 30 g/m2 och barrvedsmassornas styrka minskades efter 30 g/m2. De malda NBHK/Finland-massorna erhöll ett Ball Burst-maximum vid 15 g/m2 som var högre än barrvedsmassornas maximum, men minskade ordentligt efter 15 g/m2. Det betyder att malningen måste givit ökning i bindningsgrad vid de lägre ytvikterna.
I studiens malningsförsök fanns ett malningsmaximum mellan 0 – 100 kWh/ton och intervallet erhåller även måttliga avvattningsegenskaper. Efter malningsenergin 100 kWh/ton fås inga stora styrkeökningar och SR-talet vid 150 kWh/ton är mer än det dubbla av SR-talet vid 50 kWh/ton. Ju längre malningen fortgår desto sämre blir bulken och mjukheten hos pappret. En optimering skulle kunna ge arken tillräckliga styrkeegenskaper, kostnadseffektivare malning och de önskade egenskaperna skulle kunna förbättras.
8 Litteraturförteckning
[1] ”Innventia,” Innventia, 15 Mars 20116. [Online]. Available: Innventia.com. [Använd 15 Mars 2016].
[2] G. Gavelin, I. Söder och B. Jonsson, Mjukpapper, Markaryd: Skogsindustrins utbildning i Markaryd AB, 1999.
[3] ”European tissue symposium,” European tissue symposium, 2015. [Online]. Available:
europeantissue.com. [Använd 15 Maj 2016].
[4] P. Watson och W. Janssen, ”High quality NBSK fibre for premium tissue paper grades,” Tissue World (tissueworldmagazine.com), British Columbia, Canada, 2014.
[5] D. K. Kretschmann, J. Winandy, a. Clausen, M. Wiemann, R. Bergman, R. Rowell, J. Zerbe, J.
Beecher, R. White, D. McKeever och J. Howard, ”Wood,” Kirk-Othmer encyclopedia of chemical
technology, nr 1, pp. 1-59, 2007.[6] K. John och D. Qizhou, ”Pulp,” Kirk-Othmer Encyclopedia of chemical technology, vol. 21, pp. 1-47, 2006.
[7] A. Bristow, C. Fellers, U.-B. Mohlin, B. Norman, M. Rigdahl och L. Ödberg, Pappersteknik, Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan, 1990.
[8] E. Hedlund, Föreläsning i kursen Konstruktionsmaterial (MPA001): Träd som material, Dalarna:
Högskolan Dalarna, 1992.
[9] L. Paavilainen, ”Fiber structure,” i handbook of physical testing of paper, vol. 1, Finland, Marcel Dekker, Inc., 1983, pp. 700-720.
[10] J. Fahlén, ”The cell wall ultrastructure of wood fibres : effects of the chemical pulp fibre line,”
Kungliga Tekniska Högskolan;, Stockholm, 2005.
[11] I. Pollex, G. GRÜNER, A. GRÜNER, T. SCHERB, H. BERGER och L. VAN DER AUWERA,
Softness Seminar: Subjective vs. Objective Determination of the Tissue “Handfeel”, Barcelona:EMTEC, Paper Testing Technology., 2013.
[12] O. Ramezani och M. Nazhad, ”THE EFFECT OF COARSENESS ON PAPER FORMATION,”
Paper Science and Industry Dept., Tehran University, Iran och Pulp and Paper Technology Dept., Asian Institute of Technology, Thailand., 2004.
[13] R. E. Mark, ”Mechanical properties of fibers,” i Handbook of physical testing of paper, vol. 1,
New york, Marcel Dekker, Inc., 1983, pp. 728-854.
[14] A. H. Martin, ”Paper,” Kirk-Othmer Encyclopedia Of Chemical Technology, vol. 17, nr 1, pp. 1-50, 2005.
[15] J. Lumiainen, ”Refining of chemical pulp,” University of British Columbia, California, USA, 1992.
[16] A. Johansson, ”Correlations between fibre properties and paper properties,” Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, 2011.
[17] W. Douglas, ”Refining Of Hardwood And Softwood,” The Institute Of Paper Chemistry, Appleton, Wisconsin. USA, 1983.
[18] H. Holik, handbook of paper and board, Ravensburg, Germany: WILEY-VCH verlag GmbH &
Co., 2006.
[19] U.-B. Mohlin, ”Några aspekter på ytviktsberoende för mekaniska egenskaper hos papper,” STFI, Stockholm, 1990.
[20] M. K. Ramasubramanian, ”Physical and mechanical properties of tower and tissue,” i Handbook
of physical testing of paper, Raleigh, North Carolina. USA, Marcel Dekker, Inc., 1983, pp.661-696.
[21] H. Goyal, ”The pulp and paper resources on the web,” PAPERONWEB, Burlington, Kanada, 2015.
[22] M. Marend, ”Pappersval,” Bokprojektet, 2008.
[23] O. Kimari och H. Paulapuro , ”Tissue,” i Paper and Board Grades, 18 red., Helsinki, Finland, Fapet Oy, 200, pp. 75-89.
[24] O. Kimari, ”Tissue,” i Papermaking Science and Technology - Paper and board grades, Helsinki, Finland, Fapet Oy, 2000, pp. 73-93.
[25] P. O. bethge, Massakarakterisering. De mekaniska egenskaperna, Stockholm: SCAN, forskning.,
1979.
4 Bilagor
8.1 Bilaga 1 Koncentrationsberäkning
Tabell 5. Åskådliggör beräkningar för att erhålla koncentrationen av EBK/Uruguay-massan.
EBK/Urug
8.2 Bilaga 2 Bilder från försöken
Figur 35.
Figur 33. Fibrerna skrapades av från viran
och överfördes till 1 litersflaskor. Figur 32. Fibertester, användes för att karaktärisera massorna och utvärdera finmaterialinnehållet.
Figur 34. Arkformare, användes för att tillverka labark.
Figur 36. Uppslagare, användes för att dispergera massorna
Figur 39. Bild på ett EBK/Uruguay-labark. Tillverkat i test 1.
Figur 38. Labarkspress. Figur 37. Ball Burst Strength.
8.3 Bilaga 3 Koncentrationer och fibervikter vid coarsenesstester
Tabell 6. Koncentrationerna av mälderna som bereddes.
Trädslag Koncentration i hink 1 [g/l]
Koncentration i hink 2 [g/l]
EBK/Uruguay 2,836 2,582
NBHK/Finland 2,845 3,400
NBSK/Kanada 3,101 3,014
SBSK/USA 3,325 3,349
THBK/Indonesien 2,803 2,580
NBSK/Finland 2,277 2,575
Tabell 7. Koncentrationerna av mälderna som bereddes för att användas i WRV och Schopper-Reigler.
Trädslag Koncentration [g/l]
Tabell 8. Koncentrationerna från arkningen vid coarsenessevaluering.
Trädslag Koncentration [g/l]
Tabell 9. Koncentrationerna av mälderna som bereddes.
Massa Koncentration i hink 1
[g/l]
Tabell 10. Fibervikten av volymen som tilldelas fibertestern.
Trädslag Fibervikt prov 1 [g] Fibervikt prov 2 [g]
EBK/Uruguay 0,0950 0,1013
NBHK/Finland 0,1064 0,1006
NBSK/Kanada 0,1007 0,1077
SBSK/USA 0,1039 0,1032
THBK/Indonesien 0,0963 0,1192
NBSK/Finland 0,1045 0,1004
Tabell 11. Koncentrationerna från arkningen vid coarsenessevaluering.
Trädslag Koncentration [g/l]
NBHK/Finland 50 kWh/ton 0,946
NBHK/Finland 100 kWh/ton 0,927
NBHK/Finland 150 kWh/ton 0,921
Tabell 12. Fibervikten av volymen som tilldelas fibertestern (NBHK/Finland vid olika malgrader).