KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Tissue – mekaniska egenskaper på ark med låga ytvikter
Jonas Garemark
EXAMENSARBETE
Högskoleingenjörsexamen Kemiteknik
Titel: Tissue - mekaniska egenskaper på ark med låga ytvikter
Engelsk titel: Tissue - Mechanical properties of low grammage sheets
Sökord: Tissue, ytvikt, fibrer, mjukpapper, sheets
Arbetsplats: Innventia AB
Handledare på
arbetsplatsen: Mattias Drotz
Handledare på
KTH: Elisabet Brännvall
Student: Jonas Garemark
Datum: 2015-06-14
Examinator: Elisabet Brännvall
Förord
Examensarbetet har gjorts på Innventia AB som avslutande del på högskoleingenjörsutbildningen i kemiteknik. Innan arbetet påbörjades var mina kunskaper om pappersindustrin begränsad. Under arbetets gång har jag lärt mig allt ifrån tillverkning av papper till dess kemi. Inte minst har jag fått en anblick av hur forskningen och pappersindustrin samverkar.
Jag vill tacka min handledare på Innventia, Mattias Drotz som varit ett stort stöd under hela arbetet genom att förmedla kunskap om tissue-marknaden och tissue-papprets önskade egenskaper. Mattias har även visat stöd under rapportskrivandet. Jag vill ge ett stort tack till Elisabet Brännvall under arbetets gång hjälpt mig med rapportskrivandet och teoretisk bakgrund. Jag vill även passa på att tacka all personal som hjälpt mig under arbetet. Arbetet har innefattat många moment och personalen på Innventia AB har visat stöd och engagemang i varje moment. Slutligen vill jag tacka Per-Åke Turesson och Lars-Åke Hammar för alla goda råd i labbet.
Jonas Garemark 2016-06-14
Sammanfattning
Tissue-pappersmarknaden växer fort och är konkurrenskraftig, det finns i dagsläget intresse att producera ett papper med hög mjukhet till ett lägre pris. Vid tissue-papper produktionen står fibrerna för en stor andel av den totala kostnaden, därför finns det en efterfrågan att kunna minska materialkostnaderna. Barrveden ger främst styrka till tissue-pappret och lövveden bidrar med mjukhet till pappret. Tissue-papper tillverkas vid låga ytvikter, därför fokuserade studien på de mekaniska egenskaperna vid lägre ytvikter.
Tidigare forskning har påvisat att mekaniska egenskaperna minskar kraftig vid lägre ytvikter [5]. Att jämföra löv-och barrvedsmassor för att erhålla information om fiberegenskaper och mekaniska egenskaper är därför intressant, speciellt vid lägre ytvikter. I denna studie har de mekaniska egenskaperna testats på ark som tillverkats i Innventias massaprovningslabb, för att se hur egenskaperna ändras med ändrad ytvikt och hur olika massatyper skiljer sig. Relationer mellan barr- och lövvedsmassorna kommer uppmärksammas och trender åskådliggöras.
Studien delades upp i tre tester. Första testet var utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten vid arkning, vilket utfördes för att veta när finmaterialhalten i bakvattnet nått jämvikt. Andra testet var utvärdering av massor och mekaniska egenskaper. Ark tillverkades av 3 barrvedsmassor och 3 lövvedsmassor med olika ursprung och fiberegenskaper. De mekaniska egenskaperna testades i dragprovare, Ball Burst Strength och fibrerna karaktäriserades i fibertester. Tester för att erhålla avvattningsegenskaper och fibersvällningsgrad utfördes även i massaprovningslabbet. Det tredje testet var utvärdering av björkmassa vid olika malningsnivåer. Testet utfördes på en björkmassa som malts vid 3 olika malningsnivåer (50, 100, 150 kWh/ton), för att undersöka malningens inverkan och om malningen kunde optimeras. Testerna på massorna var precis som i det andra testet.
Finmaterialretentionen i första testet nådde en jämvikt vid ungefär 4 – 6 tillverkade ark och då visade de mekaniska egenskaperna stabila värden. Finmaterialuppbyggnaden fortsattes därför med 10 labark i resterande försök för att säkerställa att finmaterialjämvikt nås. De mekaniska egenskaperna i test 2 var högst för barrvedsarken och de relativa skillnaderna mellan olika råvaror var tydliga för barrvedsarken, även vid lägre ytvikter. Lövvedarkens relativa skillnader var svåra att tyda vid lägre ytvikter, över 30 g/m2 kunde skillnader ses. Lövvedarkens mekaniska egenskaper nådde ett maximum vid 30 g/m2 därefter nådde alla mekaniska egenskaper en platå, medan ingen platå kunde identifieras hos barrveden. Barrvedsarken når förmodligen ett maximum efter 60 g/m2. De massor som erhöll högst mekaniska egenskaper var de med långa och flexibla fibrer, medan de med korta och styva fibrer fick lägre mekaniska egenskaper. Ball Burst-styrkorna var generellt sett högre hos barrvedsarken, vilket berodde på barrvedens längre fibrer.
De malda björkmassorna erhöll högre mekaniska egenskaper än både barr-och lövvedsarken, vilket berodde på den ökade bindningsgraden som uppstått. Malda massornas egenskaper ökade kraftigt vid den första malningsgraden (50 kWh/ton) för att sedan avta. Ju längre malningen fortgår desto sämre blir bulken och mjukheten hos pappret [1]. En högre malning än 100 kWh/ton ansågs därför onödig eftersom avvattningsegenskaperna försämrades och ingen markant skillnad i mekaniska egenskaper erhölls. Ett optimum för malningen verkade finnas mellan 0 – 100 kWh/ton.
Abstract
The tissue paper market is growing fast and is very competitive. The interest right now is to produce a paper with high softness at a lower cost. During the production of tissue paper the fibers stands for a large portion of the total cost, therefore there is a demand to reduce the material costs. Softwood mainly provides with strength to the tissue paper whilst hardwood contributes with softness to the paper. Tissue paper is manufactured at a low grammage, therefore the study is focusing on the mechanical properties at lower grammages.
Previous research has shown that the mechanical properties decrease rapidly at lower basis weight. To compare hardwood and softwood pulps to obtain information on the fiber properties and mechanical properties is therefore interesting, especially at lower basis weights. In this study the mechanical properties has been tested on sheets that was manufactured at Innventias pulp testing lab, to see how the properties change with modified basis weight and when pulp types differs. Relations between hardwood and softwood pulps were recognized and trends were illustrated.
The study was divided into three tests. The first test was to evaluate the fines retention in a closed white water system with recirculation, whilst making sheets. The evaluation was performed in order to know when the fines reached equilibrium in the system. The second test was the evaluation of different pulps and mechanical properties. The sheets were made with 3 softwood pulps and 3 hardwood pulps, all the pulps had different origin and fiber properties. The mechanical properties were tested in a tensile tester, Ball Burst Strength and the fiber characterization was performed in a fibertester. There were also tests to obtain the dewatering and fiber swelling properties. The third test was the evaluation of birch pulp at different refining levels. The test was conducted on a birch pulp which had 3 different refining levels (50, 100, 150 kWh/ton), to investigate the effect of the refining and if the refining process could be optimized. The paper testing and characterization was exactly as the second test.
The fines retention in the first test reached equilibrium at 4 – 6 sheets and the mechanical properties showed stable values after the equilibrium was reached. The fines retention process was therefore decided to be made with 10 laboratory sheets to ensure that the fines reached equilibrium. The mechanical properties in test 2 were highest for the softwood sheets and the relative changes between various pulps were clear, even at lower basis weight. The hardwoods relative changes were hard to decipher at lower basis weights, differences could be seen at grammages higher than 30 g/m2. The hardwood sheets mechanical properties reached a maximum at 30 g/m2, followed by a plateau, whilst no plateau was identified for the softwood sheets. The softwood sheets probably reach a maximum after 60 g/m2. The pulps that obtained highest mechanical properties were those with long and flexible fibers, whilst those with shorter and stiffer fibers had lower mechanical properties. Ball Burst Strength was generally higher for the softwood sheets, due to the long fibers that the softwood had.
The refined birch pulps received higher mechanical properties than the unrefined hardwood and softwood pulps, due to the increased degree of bonding that has occurred in the sheets. The refined pulps properties increased vigorously at the first refining degree (50 kWh/ton) and then decreased. The longer the refining proceeds, the worse the paper bulk and softness become [2]. A higher refining than 100 kWh/ton was considered unnecessary as the dewatering properties became worse and no significant difference was received in mechanical properties. An optimum for the refining process seemed to be in the interval 0 – 100 kWh/ton.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Lösningsmetoder och avgränsningar ... 2
2 Teoretisk bakgrund ... 3
2.1 Trädets struktur ... 3
2.2 Växtcellens struktur ... 3
2.3 Cellulosa och hemicellulosa ... 4
2.4 Lignin ... 5
2.5 Massatillverkning ... 5
2.5.1 Mekanisk massatillverkning ... 5
2.5.2 Kemisk massatillverkning ... 6
2.6 Karaktärisering av fibrer ... 6
2.6.1 Coarseness ... 6
2.7 Malning och finmaterial ... 7
2.8 Arkning ... 8
2.9 Pressning och torkning ... 8
2.10 Mekaniska egenskaper ... 9
2.10.1 Kraften ... 9
2.10.2 Brottöjning ... 10
2.10.3 Dragstyvhet ... 10
2.10.4 Dragstyrka ... 10
2.10.5 Brottarbete ... 11
2.11 Tissue-papper ... 11
2.11.1 Tillverkning av tissue-papper ... 12
2.11.2 Kräppning ... 13
3 Material ... 14
4 Metod ... 15
4.1 Mäldberedning ... 15
4.1.1 Uppslagning ... 15
4.1.2 Koncentrationsbestämning ... 15
4.2 Tillverkning av labark ... 15
4.2.1 Pressning och torkning av labarken ... 15
4.3 Papperstester ... 15
4.3.1 Ytvikts-och densitetsbestämning ... 16
4.3.2 Dragprovare ... 17
4.3.3 Ball Burst Strength ... 17
4.4 Massaprovning ... 17
4.4.1 Karaktärisering av massor ... 18
4.4.2 WRV (Water Retention Value) ... 18
4.4.3 Schopper-Riegler (SR) ... 18
5 Praktiska försök ... 19
5.1 Test 1: Utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten ... 19
5.2 Test 2: Utvärdering av massor och mekaniska egenskaper ... 19
5.3 Test 3: Utvärdering av björkmassa vid olika malningsnivåer ... 20
6 Resultat och diskussion ... 21
6.1 Test 1: Utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten ... 21
6.1.1 EBK/Uruguay-arkens mekaniska egenskaper ... 22
6.2 Test 2: Utvärdering av massor och mekaniska egenskaper ... 23
6.2.1 Karaktärisering av massorna ... 23
6.2.2 Mekaniska egenskaper ... 25
6.3 Test 3: Utvärdering av björkmassa vid olika malgrader ... 30
6.3.1 Arkning ... 30
6.3.2 Karaktärisering av massorna ... 31
6.3.3 Mekaniska egenskaper ... 32
7 Slutsats ... 37
8 Litteraturförteckning ... 38 4 Bilagor ... I 8.1 Bilaga 1 Koncentrationsberäkning ... I 8.2 Bilaga 2 Bilder från försöken ... II 8.3 Bilaga 3 Koncentrationer och fibervikter vid coarsenesstester ... IV
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Innventia är ett kundorienterat forskningsinstitut som utför, forskningsprogram, utvecklingsprojekt och uppdrag med skogsråvaror i fokus. Vid KTH Campus i Stockholm driver Innventia ett världsledande forskningsinstitut inom skogsråvaror där laborationstjänster och pilotkörningar sker.
Forskningsinstitutet testar bland annat egenskaper på kommersiellt och egentillverkat papper från deras massaprovningslabb [1]. Innventia har idag ett intresse att testa mekaniska egenskaper på laborationsark med varierande fibertyp och ytvikt. Att mäta mekaniska egenskaper på papper är vanligt förekommande men mätningar vid lägre ytvikter genomförs sällan, vilket skapar ett stort intresse eftersom tissue-papper har låga ytvikter. I dagsläget är den Europeiska tissue-marknaden värd 10 miljarder Euro årligen med en tillväxt på 3 % varje år. Tissue-marknaden blir allt mer konkurrenskraftig vilket ställer högre krav på produkterna [2]. Sverige är i sin tur en av Europas främsta användare av tissue-papper [3].
Vid tillverkning av tissue-papper är fiberkostnaden en stor del av den totala kostnaden. I många fall står fiberkostnaden för över 50 % av den totala kostnaden när tissue-produkten är producerad [4].
Tissue-produkter som toalettpapper och ansiktsservetter produceras oftast med kombination av löv- och barrvedsfibrer. Kan tillverkning av en tissue-produkt ske med så lite barrvedsmassa som möjligt men fortfarande erhålla tillräcklig styrka i tissue-produkten kan den högsta kostnaden, det vill säga barrvedskomponenten minskas [4].
Malning av massor är något som försöks minimeras till högsta mån. Malningen är energikrävande och försämrar massornas avvattningsegenskaper, men ibland nödvändig för att erhålla vissa mekaniska egenskaper. Därför finns det intresse att undersöka hur mycket malning som är optimalt för styrka och avvattningsegenskaper. Att producera ett tissue-papper med mindre material men fortfarande erhålla bra mekaniska egenskaper utan att påverka de haptiska egenskaperna är ett sätt att minska materialkostnaden, men lika väl minska miljöpåverkan.
Tidigare forskning har påvisat att de mekaniska egenskaperna minskar kraftigt vid lägre ytvikter, det sker ett fall av de mekaniska egenskaperna då ytvikten är låg [5]. Att jämföra löv-och barrvedsmassor för att erhålla information om fiberegenskaper och mekaniska egenskaper är därför intressant, speciellt vid lägre ytvikter. Från pappersprovningar kan massornas mekaniska egenskaper erhållas och information om hur mycket de mekaniska egenskaperna skiljer sig åt, om det överhuvudtaget finns skillnader. Relationer mellan barr-och lövvedsmassorna kan uppmärksammas och trender kan åskådliggöras.
1.2 Syfte och mål
Syftet har varit att studera de mekaniska egenskaperna på ark och utvärdera hur de mekaniska egenskaperna ändrades med ytvikten, speciellt vid de lägre ytvikterna. Vid tissue-papper produktionen stod fibrerna för en stor andel av den totala kostnaden, därför fanns det en efterfrågan att försöka minska materialkostnaderna. Det var därför intressant att utföra pappersprover på löv-och barrvedsmassor vid olika ytvikter för att se hur de mekaniska egenskaperna skiljde sig åt. Om det överhuvudtaget fanns skillnader. Relationerna mellan barr-och lövvedsmassorna uppmärksammades och trender åskådliggjordes.
Målen med arbetet var att:
• Finna ett tillvägagångsätt för labarkstillverkningen
• Utvärdera finmaterialretentionen då labark tillverkats med slutet bakvatten
• Försöka förstå varför det sker ett fall i mekaniska egenskaper vid lägre ytvikter
• Testa massor med olika karaktäristiska och ursprung (Kanada, USA, Finland, Indonesien, Uruguay) och utvärdera relativa skillnader i mekaniska egenskaper mellan dem vid olika ytvikter
• Undersöka skillnader i fiberkaraktär och mekaniska egenskaper mellan mald och icke-mald massa
• Undersöka om malningen kunde optimeras för massor som ska användas sig till tissue- produkter
1.3 Lösningsmetoder och avgränsningar
I Innventias massaprovningslabb kunde tillverkningen av labark med olika fibrer utföras och i pappersprovningslabbet kunde mekaniska egenskaper som dragstyrka och Ball Burst Strength mätas.
Maskiner som användes för identifiering av mekaniska egenskaper var bland annat Fibertester, TSA (Tissue softness analyzer) och dragprovare. Även fibrer som genomgått malning kunde testas i pappersprovningslabbet. 6 olika massor jämfördes; 3 barrvedsmassor och 3 lövvedsmassor. Malningen utfördes endast på en massa med 3 olika malningsnivåer. Massorna tillverkades vid 6 olika ytvikter med fokus på de lägre ytvikterna.
2 Teoretisk bakgrund
2.1 Trädets struktur
Strukturen av träslaget påverkar bland annat styrkeegenskaper, fiberkvalitet och förmågan att absorbera vatten. Träd klassificeras oftast i två slag, lövved och barrved. Lövveden har generellt högre densitet än barrved och anses därför hårdare [5]. Till kategorin lövved tillhör träslag som asp, bok, lönn, ek och poppel. Exempel på barrved är redwood, cederträ, tall och gran. [6]
Trä är en komposit som innehåller lignin och kolhydraterna cellulosa samt hemicellulosa, vilket formar fiberväggstrukturen av trädslaget. Löv-och barrved kan karaktäristiskt åtskiljas genom att inspektera dess lignininnehåll och fiberlängd. Generellt sett har barrved något högre lignininnehåll och längre fibrer. Den strukturella skillnaden mellan träslagen är typen av celler som finns i träet för att ge stöd och vattenledande förmåga i trädslaget[6]. Lövveden har kärlceller med vattentransporterande förmåga och kärlceller med stödegenskaper (fibrer), vilket barrved inte har. Barrved har istället en cell som kan utföra båda egenskaperna, cellen är en så kallad longitudinell trakeid och dess funktion är transport av vatten och näring i xylemet (stödjande vävnaden). Kärlceller är oftast mindre än 1 mm, fibrer är ofta 1-2 mm långa och trakeider kan vara upp till 8 mm. Trakeider kan även kallas träfibrer.
till kategorin träfibrer tillhör också fibrerna (libriformcellerna). [5]
Andra typer av celler finns i de båda trädkategorierna men lövved har en större variation av celler [6].
Mekaniska egenskaper av träslaget beror ofta på densiteten av veden.
Träden i Skandinavien har en begränsad tid att växa. Tillväxtperioderna för träden ger vårvedszoner och sommarvedszoner. Vårveden brukar karaktäriseras för sin öppna struktur vilket beror på den intensiva tillväxten och vattentransporten genom strukturen. Fibrerna på vårveden har tunna fiberväggar. Sommarveden karaktäriseras däremot för att vara tjockväggig. Det beror på den långsamma tillväxten som sker under sommaren. [7]
Löv-och barrved kan användas till olika produkter tack vare karaktärsskillnaden mellan dem. Lövveden används ofta till produkter som kräver bra haptiska egenskaper, opacitet och bra pappersformation tack vare sina kortare och tunnare fibrer. Barrved används mer till produkter som kräver styrka eftersom fibrerna är längre och tjockare. I vissa fall blandas trädsorterna för att erhålla styrka och god tryckbarhet. [7]
2.2 Växtcellens struktur
Växtens cellvägg består av tre lager mittlamell, primärvägg och sekundärvägg. Primärväggen är det första lagret som formas vid cellväggsuppbyggnad. Primärväggen formas i cellplattan under celldelning och ökar i storlek då celler expanderar. Efter ordentlig cellbildning, det vill säga förtjockning av den primära cellväggen leder till att den sekundära cellväggen bildas. Den sekundära cellväggen har en välorganiserad struktur och är avgörande för att ge växtvävnaden dess styvhet. Sekundära cellväggen är i sin tur uppdelad av 3 lager; ytterlager, mittlager och innerlager. Alla lager i sekundära cellväggen består av cellulosa, hemicellulosa och lignin. Cellväxtens struktur illustreras i Figur 1. [5]
Mittlamellen har som funktion att agera som ett sammanhållande lim mellan fibrerna. Lagren på cellen är fasta och har en ordentlig hårdhet, vilket kommer ifrån att lignin är utspridd i hela cellväggen då cellväggens förtjockningssteg slutförts. Ligninets spridning i cellväggen följs av en celldöd. Därför anses träd vara dött material. [6]
Figur 1. Illustration av cellens struktur. [6]
2.3 Cellulosa och hemicellulosa
Cellulosa är den främsta beståndsdelen av cellväggen och kan utgöra upp till 50 % av trädets torrvikt [5]. Cellulosan klassas som naturens mest förekommande organiska substans. I cellväggen kan cellulosan beskrivas som skelettet och har en avgörande betydelse för dragstyrkan [8]. Cellulosan är kedjor av ogrenade polysackarider och kan vara upp till tio tusen glukosenheter stora. De långa glukoskedjorna kan bilda en kristallstruktur genom att vätebindningar packar ihop cellulosan i en fibrillstruktur som kallas mikrofibriller. Van der Waals krafter kan sedan agera mellan mikrofibrillerna och ger upphov till en kristallin struktur. En mikrofibrill är omkring 10-20 nm bred. [6]
Ytterligare en viktig beståndsdel av cellväggen är hemicellulosa. Likt cellulosa är det en kolhydrat men olikt cellulosa är hemicellulosan uppbyggd av grenade polysackarider och kan endast innehålla upptill 200 glukosenheter [6]. Till exempel innehåller hemicellulosan xylos, mannos, galaktos och arabinos.
Om en förklaring till vad hemicellulosan ger för egenskap till ved skulle det vara bindemedel [8].
Hemicellulosainnehållet är omkring 20 % av trädets torrvikt. De viktigaste hemicellulosorna är glukomannaner (barrveden), xylaner och xyloglukaner. Hemicellulosan har en förmåga att kunna absorbera vatten och kunna svälla, eftersom det är en hydrofil polymer. [9]
Mellan cellulosorna kan vätebindningar uppstå. Vätebindningarna uppstår mellan fibrernas hydroxidgrupper och förmedlas med hjälp av vattenmolekyler. Se Figur 2. För att vätebindningarna skall kunna ske måste cellulosaytorna vara tillräckligt nära varandra. Malning är en metod som kan
tillämpas för att underlätta bildning av vätebindningar eftersom en bättre kontaktyta kan uppstå mellan fibrerna. [7]
Figur 2. Vattnets bildning av vätebindningar mellan ytor av cellulosa. [7]
2.4 Lignin
Lignin är det samlingsnamn som används för en serie aromatiska (bensenringar) polymerföreningar som finns i växtens cellväggar. Lignin är en så vanlig organisk förening att den anses vara det näst mest förekommande i naturen. Grunden till lignin är dess tre monomerer; p-kumarylalkohol, koniferylalkohol och sinapylalkohol [10]. Ligninet har inte en kristallstruktur som cellulosan utan är amorft och är ordentligt förgrenad. Lignin kan förklaras som att ge trädet dess tryckhållfasthet och träd innehåller upp till 30 % lignin [8]. För mycket lignin har dessvärre visat sig ha en negativ inverkan på dragstyrkan då fibrerna tenderar att bli styva. Därför måste ligninet ofta avlägsnas med olika metoder för att erhålla högre papperskvalitet [5].
2.5 Massatillverkning
Massa kan erhållas genom att reducera trädet till en fibrös massa. De vanligaste massorna är termomekaniska (TMP), kemiskt mekaniska (CTMP) och kemiska massor.
2.5.1 Mekanisk massatillverkning
Om trädet mals ned erhålls en mekanisk massa. Ungefär 95 % av trädets torrvikt kan malas ned till massa. Problemen med den helt mekaniska massan är att den fortfarande innehåller mycket lignin och fibrerna är något styva, vilket gör det svårt att använda massan till vissa produkter. Mekaniska massan har låg dragstyrka vilket beror på att fibrerna förkortas under den mekaniska massatillverkningen.
Brist på hållbarhet och energikrävande produktion är även nackdelar med mekanisk tillverkning. Helt
mekaniska massor har många nackdelar, men fördel förutom det höga utbytet är att pappret som produceras lämpar sig till skrivpapper eftersom massan får hög opacitet. [6]
Ett annat sätt att producera massan är termo-mekaniskt (TMP). Träden får då hettas upp till omkring 120 °C med trycksatt ånga. Upphettningen sker före trädet mals men även efter malning. Resultatet blir att fibrerna inte skadas lika mycket som vid den rent mekaniska massatillverkningen. Papper som tillverkas från TMP har också en god opacitet, det vill säga låg ljusgenomsläpplighet. Den låga opaciteten gör pappret till ett bra skrivarpapper. [7]
En orsak till att mekaniska massor ger en låg dragstyrka beror på att fibrerna är styva och inte får så god kontaktyta med varandra. Det beror mycket på att stor andel lignin finns i massan vilket gör fibrerna mindre flexibla och färre möjligheter till fiberbindningar erhålls. Större mängd hemicellulosa till skillnad mot kemisk massatillverkning erhålls dock eftersom nedbrytningen och utlösningen ej genomförts vid mekaniska massatillverkningen. [7]
Kemikalier kan även tillämpas till de termo-mekaniska massorna för att erhålla ännu högre styrka.
Vanlig kemikalie är natriumsulfit och för blekningen används väteperoxid. Metoden kallas CTMP och styrkeökningen kan vara upp till 50 % högre. Även CTMP innehåller mycket lignin. [6] [5]
2.5.2 Kemisk massatillverkning
Tillverkning av massor kan även ske helt kemiskt vilket minskar andelen lignin rejält. Avlägsnande av lignin sker då veden kokas (150-170 °C) och löses upp med tillsatta kemikalier. Eftersom det blir lättare att separera fibrerna kan energikostnader hållas låga. Fibrerna som erhållits genom kemisk massatillverkning är oftast oskadade, starka och har en brunaktig nyans om det är en alkalisk massaprocess. De kemiska massorna brukar oftast blekas för att få en vit kulör, undantag för vissa typer av kartonger eller säckpapper. [6]
Den vanligaste metoden för att producera kemisk massa är sulfatprocessen som även kallas kraftmassa.
I sulfatprocessen tillverkas massan med de aktiva komponenterna natriumsulfid och natriumhydroxid, vilket kallas vitlut. Då trädet kokar med vitlut bryts lignin och stor del hemicellulosa ned. Eftersom de är två huvudsakliga beståndsdelar i trädet betyder det att utbytet blir lågt. Ungefär kan ett utbyte på 50
% uppnås. Massan som erhålls från den kemiska nedbrytningen är till stor del cellulosa, vilket är bra vid papperstillverkning. De fibermassor som kommer användas i arbetet är blekta kraftmassor. [6]
2.6 Karaktärisering av fibrer 2.6.1 Coarseness
Coarseness erhålls i fibertester, vilket ges då en mätcell identifierar medellängden av fibrerna för en given vikt av fibrer som tillförts till fibertestern. Coarseness beror bland annat på cellväggstjockleken, fiberdiameter och tvärsnittet av fibrerna [11]. Coarseness är ett värde som kan påverka papprets struktur signifikant [11]. Erhålls en låg coarseness betyder det att fiberns cellvägg är tunn. En hög coarseness betyder att fiberväggen är tjock [7]. Fibrer med låg coarseness sägs vara flexibla medan högre coarseness ger styvare fibrer. [7].
Om en massa har hög coarseness kan det resultera i ojämnheter i arkformationen. Det beror mycket på att fibrerna är styva och därmed mindre formbara, vilket resulterar i färre bindningar mellan fibrerna
[12]. Fibrer från lövved har lägre coarseness än fibrer från barrved. Coarseness är en av de viktigaste parametrarna för tissue-papper [11]. Ju lägre coarseness tissue-pappret har desto bättre, eftersom låg coarseness resulterar i mindre flockning vid tillverkning av arken, högre dragstyrka, bättre absorptionsförmåga och bättre haptiska egenskaper (Ökad bulk och mjukhet [11]) [12]. Ekvationen för coarseness ges av 5. [13]
Coarseness = !ä!"#$! !"#$%$ (!"##$%&!)
!"!#$! !"#!$ !"#$%$ ∗!"#"$$ä!"#$! !" !"#$%$&' [µg/m] (5)
2.7 Malning och finmaterial
När malning utförs på fibrerna kan formen av dem ändras. De kan kortas, kollapsa och fibrilleras.
Malningen har en tendens att öka den specifika ytarean, svällningsgraden och fibrernas flexibilitet.
Flexibiliteten gör att fibrerna får mer av en bandrörelse, vilket ökar den molekylära kontaktarean mellan fibrerna [14]. Ökad svällningsgrad, fibrillation och flexibilitet ges ofta av den interna fibrillationen, vilket är en partiell delamination av fiberväggen och partial separation av fibriller. [7]
Primärfiberväggen avlägsnas vid malning, vilket resulterar i att sekundärväggen kommer vara öppen mot ytan, det ger en ökad ytarea, som gör det lättare för fibrer att bindas ihop. Den ökade ytarean kommer ifrån att yttre fibrillering av sekundärväggen sker, fibrerna i sekundärväggen kommer spretas ut, men fortfarande sitta kvar på sekundärväggen, vilket också ger fibern en ökad bredd [6]. Den ökade ytarean kommer även ge pappret bättre styrkeegenskaper [15]. När fibrillerna avlägsnas från fibrerna kallas det finmaterial. Är malningen avsedd för att fibrillera kommer fler fiber-till-fiber bindningar att skapas. Malningen kommer även göra att en del av interna hemicellulosan omfördelas till den externa sidan av fibern. [7]
De största finmaterialen är de som bildas då fiberväggen fragmenteras, och de minsta är fibriller eller delar av fibriller. När det talas om finmaterial i kemisk massa brukar det vara primär eller sekundärt finmaterial. Det primära finmaterialet är det som finns i icke uppslaget eller icke mald massa och är, parenkymceller, kärl-celler och lignin från den mellersta lamellen av växtcellsväggen. Det primära finmaterialet innehåller en del lignin. När malning utförs på massan bildas det sekundära finmaterialet [16].
Finmaterialet har förmågan att föra fibrer närmre varandra vid sammanslagningen av fibrer även vid låg andel finmaterial sker det en signifikant skillnad i sammanslagning till skillnad mot massor utan finmaterial [15]. Dragindex, brottarbetsindex och brottöjning är egenskaper som ökar då andelen finmaterial ökar. Egenskaperna ökar speciellt mycket då större del av finmaterialet är sekundärt. Ökad mängd finmaterial kommer även öka densiteten i pappret. [17]
Egenskapen rivindex har en förmåga att minska då malning utförts på massan. Om endast en liten malning genomförts på en sulfatmassa kan rivindex bli högre och nå ett maximum. Fortskrider malningen kommer rivindex att bli lägre. Höga rivindex erhålls då fibrerna är långa och kan dras ur papperstrukturen då de rivs. Bild om malningens inverkan på arkegenskaper ses i Figur 3. [7]
Figur 3. Olika egenskaper mot malningsvarv i PFI-kvarn. Bilden visar påverkan av egenskaper vid ökad malning av barrsulfatmassa. [7]
2.8 Arkning
Det finns parametrar som kan ha en stor betydelse på labarkens mekaniska egenskaper vid tillverkning av dem. En viktig parameter är vilken koncentration fibrer man har i sin fibersuspension. Då massans koncentration är högre än 1 % kommer fibrerna bilda nätverk, det vill säga slåssamman med varandra.
Ofta kallas det att flockbildning uppstått, vilket kan försämra de mekaniska egenskaperna. Ju lägre formningskoncentration desto bättre mekaniska egenskaper får pappret, eftersom ytvikten fördelas jämnt i arket. Högre formningskoncentration än 0,4 % är inte att föredra [7]. Därför är målet att inte överstiga 3 – 4 g/l vid mäldberedning. [7]
När ark tillverkas i en finsk arkformare finns valet att utnyttja slutet eller öppet bakvatten. Slutet bakvatten betyder att formaren utnyttjar en recirkulation av vattnet. På så vis kan en koncentrering av finmaterial erhållas. Öppet bakvatten är då formaren släpper ut retentatet från tillverkningen och nytt vatten tas för varje nytt ark. Fördel med öppet bakvatten är att tillverkningen går fortare eftersom tillverkningen kan påbörjas direkt. När ark med lägre ytvikter tillverkas finns det stora fördelar eftersom finmaterialinnehållet är lågt i arken [7].
2.9 Pressning och torkning
Vid pressning och torkning bortförs vatten från fibrerna, vilket resulterar i att fiberytorna får bättre kontakt med varandra [7]. Bindningarna som skapas mellan fiberytorna påverkas till stor del av finmaterialet, fibrillerna och hemicellulosan. Tillsammans bildar de ett gellager som kan underlätta för skapande av attraktionskrafter [7]. Efter labarken skapats i arkformaren pressas de innan ett torkningsförlopp kan påbörjas. Pressningen av labarken sker med så kallad planpressning, det vill säga två parallella ytor som pressar arken. Pressningen är viktigt för den slutgiltiga torrhalten pappret
kommer att erhålla. Densiteteten påverkas av pressningen och kan ha betydelse i studien. Pressningen kan påverka styrkan, därför är det nödvändigt att alla arken pressas likadant, så att inte pressningen påverkar utvärderingen. [7]
När arken pressas kan en ökning i densitet erhållas, eftersom fibrerna får bättre kontakt med varandra, vilket gör att de kan binda lättare. Vid pressning kollapsar oftast tunnväggiga fibrer, tjockväggiga fibrer kan upprätthållas. Vårveden med sin tunnare fibervägg kommer alltså kollapsa, men sommarvedens fibrer gör inte det. Vår-och sommarved ger olika nätverksuppbyggnader som kan gynna papprets egenskaper. Fibrer som kollapsar kommer att ge en högre densitet på pappret, vilket kommer resultera i en högre dragstyrka och rivstyrka. De kollapsade fibrerna har även en bättre flexibilitet, som ger fibrerna större yta, som ökar chansen för att fibrer ska bindas till varandra. Fibrer som upprätthållits ger ett nätverk med högre porositet som ger massan bra avvattningsegenskaper. [16] [7]
Pappersegenskaperna beror avsevärt på vilken densitet pappret har. Pappren brukar ofta ha en densitet omkring 300 – 1000 kg/m3. Ren cellulosa har en densitet på omkring 1500 kg/m3 och fiberegenskaper som coarseness och hur mycket fibrerna malt spelar stor roll för vilken densitet pappret kommer få [5].
Intressant kan även vara hur fibrerna är bundna till varandra [7]. Densiteten kan även ge en bra bild av hur de mekaniska egenskaperna kommer att påverkas. Mekaniska egenskaper som dragstyrka och dragstyvhets erhåller ofta en ökning när densiteten höjs eftersom en högre densitet betyder att det finns fler möjligheter för fibrer att binda. [18]
När pappret pressats finns det sammanhängande vattenfilmer som omger fibrerna. Då labarken är i konditioneringsrummet (23 °C 50 % relativ fuktighet) kommer vattnet som omger fibrerna att avdunsta. Den sammanhängande vattenfilmen som omgav fibrerna kommer så småningom att brista och vatten kommer att lägga sig tätt inpå fibrerna. Kapillärkrafter kommer dra fibrerna mot varandra [7].
2.10 Mekaniska egenskaper
Det är viktigt att de tester som utförs på labarken är under samma förhållande för alla ark. Papper påverkas av fukt och temperaturen i luften. Papper är ett så kallat hygroskopiskt material därför sker alla metoder vid en standardiserad temperatur och relativ fuktighet. De mekaniska egenskaperna som skall utföras måste alla ske med en metod som lämpar sig för det papper som skall testas. [7]
Vid mätningar av de mekaniska egenskaperna är det viktigt att arken är i samma skick som när de tillverkades. Om pappret töjs, böjs eller erhåller skador innan mätning av de mekaniska egenskaperna sker kan resultatet påverkas.
2.10.1 Kraften
Den kraft på pappret då ett brott uppstår och kraften uttrycks i Newton [N]. När dragprover utförs brukar en kurva ges med kraften som den beroende variabeln och töjning som den oberoende variabeln enligt Figur 4. [7]
2.10.2 Brottöjning
”Brottöjningen definieras som töjningen vid maximal dragkraft” [7]. Inspänt torkade papper brukar vanligtvis erhålla en brottöjning omkring 1 – 5 %. Töjningen är den relativa längden av remsan då töjning utförts tills brott uppstått, ekvation 1 [7].
Brottöjning = !ä!"#$! !"# !"#$$!!"!#!$%$ !ä!"#$!
!ä!"# [%] (1)
Figur 4. Kraft-töjningskurva för pappersremsa. [7]
2.10.3 Dragstyvhet
För att åskådliggöra dragstyvheten brukar en graf med kraften som beroende variabel och töjning som oberoende variabel sättas upp, ses i Figur 4. Dragstyvheten är den ursprungliga lutningen per bredd och är ett mått på töjningsmotståndet pappret har, enligt ekvation 2 [7]. Olika papper har olika dragstyvheter, vilket betyder att olika mycket kraft måste tillämpas för en töjning av pappret skall ske.
[13]
Dragstyvhet = !"#$%&'
!ö!"#"$%"∗!"#$$#%∗!"" [!!] (2)
2.10.4 Dragstyrka
Dragstyrkan definieras som kvoten av kraften vid brott per bredd, enligt ekvation 3. [7]
Dragstyrka = !"#$%&' !"# !"#$$
!"#$$ [!
!] (3)
2.10.5 Brottarbete
Brottarbete ses som energi som åtgår för att brott skall ske per area. Brottarbetet motsvarar ytan under kurvan i en kraft-töjningsdiagram [7]. Brottarbetet kan beräknas enligt 4.
Brottarbete = !"#$%& !"# !"ä!" !ö! !"#$$
!ä#$% ∗ !"#$$ [!!!] (4)
För att kunna jämföra de mekaniska egenskaperna mellan olika ytvikter används indexerade värden, vilket är ett värde normerat till en specifik ytvikt. Ett exempel på indexering ses i (6). [7]
Dragindex = !"#$%&'"(#
!"#$%" [!"! ] (6)
2.11 Tissue-papper
Tissue-pappret karaktäriseras av dess låga densitet och ytvikt. Densiteten för ett tissue-papper är oftast omkring 300 kg/m3 och ytvikten mindre än 35 g/m2 [20]. Tissue-pappret som producerats läggs oftast i skikt på grund av sin låga ytvikt. Tissue-papprets karaktär är anpassad för att användas till hygienprodukter så som toalettpapper, hushållspapper, ansiktsservetter och näsdukar. Toalettpapper är den största tissue-produkten och tillverkas i 1, 2, 3 eller 5 skikt [18]. Den näst vanligaste tissue- produkten är hushållspapper som ofta har en ytvikt omkring 20-24 g/m2 och har vanligen 2 skikt.
Ansiktsservetter och näsdukar är tissue-produkter med lägst ytvikt (14-18 g/m2) [20]. Tissue- produkterna tenderar att innehålla olika fibrer beroende på den egenskap som erfordras.
Ansiktsservetter innehåller mer lövvedsfibrer eftersom mjukhet eftersöks. Hushållspapper kan däremot innehåll mer barrvedsfibrer för att styrka ibland eftersöks [11]. Främsta egenskaper som söks i tissue-produkter ses i Tabell 1.
Tabell 1. Sökta egenskaper i olika tissue-produkter [11]
Produkt Sökta egenskaper
Toalettpapper Mjukhet, bulk
Hushållspapper Absorbanskapacitet, bulk, dragstyrka
Servetter Bulk, dragstyrka
Ansiktsservetter Mjukhet, dragstyrka
Sanitära produkter kräver bra mjukhet, absorptionsförmåga, brottarbete och flexibilitet vilket tissue- papper kan ha. Egenskaperna som tissue-pappret erhåller beror på vilka fibrer och vilken morfologi fibern har som används till produktionen. Viktiga parametrar vid val av fibrer är; fiberlängd och coarseness [20]. Löv-och barrvedsfibrer bidrar med olika egenskaper till tissue-produkter, vanlig karaktäristiska för dem ses i Tabell 2.
Tabell 2. Löv och barrveds bidrag till tissue-produkter.
Fibertyp Karaktäristiska
Barrvedsfibrer Hög styrka, låg mjukhet Lövvedsfibrer Bulk, mjukhet, låg styrka
Trots tissue-papprets låga ytvikt kan pappret fortfarande vara tjockt, det vill säga luftigt och pappret säg då ha en hög bulk. Definitionen för bulk, det vill säga inversen av densitet är tjockleken av pappret i relation till dess vikt [cm3/g] [21]. Hög bulk är en eftersökt parameter vid tillverkning av tissue-papper [22].
2.11.1 Tillverkning av tissue-papper
Tissue-pappret kan skapas från nya fibrer eller med återvunna fibrer och produceras vanligtvis i den konventionella torrkräppningsmetoden (DCT). Tissue-papper av något högre kvalitet tillverkas i lufttorkningssystem (TAD). [18]
I den konventionella torrkräppningsmetoden tillverkas tissue i en crescent-formare [20]. Tissue utformas på en formningsväv utformad med en dubbelvira och överförs sedan till en papperstillverkningsfilt. Filten leder tissue-pappret till en avvattning, som sker med hjälp av en pressning. Avvattningen utförs av ett valsnyp som pressas ett flertal gånger mot en yankeecylinder.
Under pressningen överförs tissue-pappret till yankee-torksytan. Yankee-cylindern sprayar varm ånga invändigt. Yankee-cylindern är en tork, men den styr även tillverkningskapaciteten och ger basytan för kräppningen [2]. Tissue-pappret kan sedan avlägsnas från yankee-torken genom kräppning. [24] [18]
I TAD processen utformas tissue-pappret på ett tyg och överförs till en väv som kallas präglingsduk [19]. När tissue-pappret får kontakt med väven kan varm luft blåsa genom väven och pappret, tills pappret nått en torrhalt av 40-80 %. [20] Efter torkningen överförs tissue-pappret till en yankeecylinder för att sedan genomgå kräppning [20]. TAD processen utnyttjar ingen mekanisk pressning, vilket leder till en förvarad bulk. TAD processen är ungefär dubbelt så energikrävande som DCT [20].
Tissue-tillverkningen kan ske med lövvedsfibrer, men aldrig uteslutande med barrvedsfibrer, eftersom pappret går miste om haptiska egenskaper [20]. En blandning av löv-och barrvedsfibrer är vanligt i de flesta tissue-produkter. Tillverkas tissue-pappret med en fiberblandning placeras fibrerna så att lövvedsfibrerna hamnar mot yankee-torkytan och barrvedsfibrerna utgör papprets yttersta sida. Med en blandning kan både styrka och haptiska egenskaper erhållas [20]. Pappret kan erhålla olika lager med fibrer genom att använda en flerskiktsformning. Formaren kan ha ett eget bakvatten för vardera mäldkanalen och flödesfördelningen kan ändras beroende på vad som lämpar sig [20].
Likt tillverkning av labark är det viktigt att inte tillverka tissue-pappret med för hög koncentration, 0,15 - 0,25 % i inloppslådan är tillräckligt [2]. Viktigt att tänka på när lägre koncentrationer används är att energiförbrukningen kommer bli hög. Det är mestadels vatten som pumpas vid låga koncentrationer [2].
Tissue-pappret som tillverkas skall erhålla tillräcklig styrka, hög mjukhet och bulk utan att fibrerna som används skall behöva onödigt energikrävande malning. Avvattningen som sker mot yankee- cylindern skall inte heller vara för energikrävande. Lika så gäller torkningen av pappret mot yankee- cylindern [4]. Massorna som används i produktionen bör helst ha låga Schopper-Riegler-tal (SR-tal)
för att avvattningen och torkningen skall vara energisparande [4]. Intresset finns att hitta en löv-och barrvedsmassa som har goda styrkeegenskaper vid lägre SR-tal för att kunna producera ett högkvalitets-tissue-papper med lägre energiförbrukning. Intresset är även att använda så lite barrvedmassa som möjligt men fortfarande erhålla tillräcklig styrka i produkten, därmed kan den högsta kostnaden, det vill säga barrvedskomponenten minimeras [4]. Malning försämrar även bulk och mjukheten hos pappret. Finmaterialinnehållet i mälden bör inte vara för hög, eftersom det påverkar avvattningen negativt [4].
2.11.2 Kräppning
Ytvikten på pappret innan kräppning är vanligtvis 10-20 g/m2 för tissue-papper, men ökar med cirka 10-20 % av kräppningen. Längden på pappret minskas med ungefär 10 – 30 % av kräppningen. [2]
Kräpping är en kritisk del vid tillverkning av tissue-papper. Kräppning är då tissue-pappret avlägsnas från yankee-torken med ett speciellt blad som kallas kräppningsschaber, vilket skapar veck på pappret [2]. Under kräppning förändras papprets egenskaper, vilket resulterar i att pappret kan ges önskade egenskaper om kräppningen modifieras. Två egenskaper som kan förändras drastiskt vid kräppning är papprets stretchförmåga och mjukhet [2].
En summering av kräpping är att kräppingprocessen minskar tissue-papprets densitet, styvhet och styrka men ökar papprets stretchförmåga, mjukhet och absorbansförmåga [18]. När kräppningen genomförts kan glättning, skärning och rullning utföras. [2].
3 Material
Massorna som tillverkades labark av, karaktäriserades och testades var:
• Northern Bleached Hardwood Kraft (NBHK/Finland)
• Eucalyptus Bleached Kraft (EBK/Uruguay)
• Tropical Hardwood Bleached Kraft (THBK/Indonesien)
• Northern Bleached Softwood Kraft (NBSK/Kanada)
• Northern Bleached Softwood Kraft (NBSK/Finland)
• Southern Bleached Softwood Kraft (SBSK/USA)
Lövvedsmassorna som användes var björkmassan NBHK med ursprung från Finland, eukalyptusmassan EBK från Uruguay och akaciamassan THBK från Indonesien. THBK och EBK- massorna har karaktäristiskt korta fibrer och en högre finmaterialandel. NBHK har vanligtvis lite längre fibrer.
Barrvedsmassorna som användes var NBSK från Kanada, SBSK från USA och NBSK från Finland.
NBSK/Kanada är en blandmassa av gran och tall, massafabriken ligger i en subalpin miljö.
NBSK/Kanada innehåller huvudsakligen vit gran och contortatall, vilket ger den flexibla fibrer som kan erhålla höga styrkeegenskaper, fibrer som inte kräver mycket malning och arken hög mjukhet. Den Amerikanska barrvedsmassan SBSK är en specialmassa av gran som kan ge arken ökad elasticitet och permeabilitet. Till sist är barrträdsmassan NBSK från Finland. Det är en massa av gran. De olika massorna valdes för att få en spridning av ursprungen och egenskaperna som de kan ge arken.
4 Metod
4.1 Mäldberedning
Blekta kemiska massor med torrhalt omkring 90 % hämtades från ett förråd på Innventia för att blötläggas i minst 4 timmar innan uppslagningen och koncentrationsmätningarna kunde påbörjas.
Efter blötläggningen utfördes standardmetoder för att bereda mälden och uppskatta koncentrationen.
4.1.1 Uppslagning
Syftet med uppslagningen var att få dispergerade massor, vilket även kallas mäld. Uppslagningen utfördes på kemiska massor enligt ISO 5263.
4.1.2 Koncentrationsbestämning
Koncentrationsbestämningen, det vill säga bestämningen av torrsubstansen i mälden utfördes enligt ISO 4119.
4.2 Tillverkning av labark
Tillverkningen av labarken utfördes i en finsk arkformare som ses i Bilaga 2, Figur 34. Metoden för tillverkningen av labarken ufördes enligt ISO 5269. Viran som användes i studien var en fosforbronsduk med masköppningar på 0,125 mm och tråddiametrar på 0,09 mm.
4.2.1 Pressning och torkning av labarken
Pressningen och torkningen utfördes på de tillverkade labarken innan identifieringen av de mekaniska egenskaperna kunde genomföras. Pressningen utfördes i två steg. Först pressades arken i 5,5 minuter under 3,8bar sedan byttes läskarken som låg mot labarken och en ytterligare pressning med samma tryck på 2 minuter utfördes. Pressningsutrustningen kan ses i Bilaga 2, Figur 38. De pressade arken torkades sedan i konditioneringsrum, i minst 12 timmar.
4.3 Papperstester
Innan pappersprovningen kunde påbörjas konditionerades (23 °C, 50 % relativ fuktighet) labarken.
Rummen där pappersprovningarna utfördes var även konditionerade. Papperstester för att erhålla de mekaniska egenskaperna på labarken utfördes enligt standardmetoder och metodernas principer förklaras nedan.
• Ytvikt (ISO 5270)
• Densitet (ISO 5270)
• Dragprovare (ISO 12625)
• Ball Burst Strength (Standard fanns ej) 4.3.1 Ytvikts-och densitetsbestämning
För att kunna använda indexerade värden och bestämma arkens densitet behövdes ytvikten och tjockleken erhållas. Labarken vägdes separat och måtten på dess längd och bredd togs med en certifierad linjal. Arken kantskars innan mätningen och vägningen, eftersom kanterna oftast skadades från torkningen. Dessutom fick inte dragtester utföras med remsor från kanterna. Dragtesterna skedde endast på remsor från mellerstadelen av arken. Tanken var att pappersproven skulle komma från samma del för alla arken. För att underlätta arbetet kantskars 4 papper i taget, vilket gjorde att de 4 fick samma mått. Vid vägningen av arken var det viktigt att använda konditionerade papper för att få en jämn fukthalt som kunde beaktas vid beräkningen. Ytvikten definierades som vikten per area, enligt ekvation 7. [7]
Ytvikt = !"#$%&%"#'()& !"!!#$
!"#$%#&'(&(% [!!!] (7)
Beroende på vilket trädslag som användes och vilka enhetsoperationer massan genomgått kunde densiteten i pappret påverkas. Därför var det av intresse att identifiera densiteten, vilket gavs med kvoten av ytvikten och tjockleken, enligt ekvation 8. [7]
Densitet = !"#$%"
!"#$%&'% [!!"!] (8)
Tjockleken av arket mättes med tjockleksmätare enligt ISO 5270 med modifikationer. Mätaren erhöll tjockleken av arket med en sfärisk mätspätts. Tjockleksmätningen skedde på 3 olika ställen på arket för att sedan beräkna medelvärdet av dem. Punkterna kan ses i Figur 5. Mätningarna var konsekventa för alla labark. Eftersom labarken tillverkades på ett konsekvent sätt kommer övre del samt nedre del vara den samma för alla arken, det vill säga arken har markerats vid tillverkningen i den finska arkformaren vilket gör att alla ark tillverkats, pressats, torkats, testats i samma riktning. I de praktiska försöken utfördes tjockleksbestämningen med enstaka ark. [7]
Figur 5. Mätpunkterna för tjockleksbestämningen på labarken.
4.3.2 Dragprovare
Dragprovningen utfördes med pappersremsor av längden 100 mm och bredden 15 mm.
Pappersremsorna sattes mellan två klämmor på dragprovaren och draget skedde tills ett brott uppstod.
Egenskaperna som erhölls från dragprovaren var kraften vid brott, brottöjningen, dragstyrkan, brottarbetet och dragstyvheten. Metoden som utfördes på pappersremsorna var enligt ISO 12625 15MM.
4.3.3 Ball Burst Strength
Ball Burst Strength gick ut på att erhålla en kraft, då en kula penetrerade ett material. Maskinen som utförde Ball Burst Strength var TSA (Tissue softness analyzer). TSA kunde även mäta haptiska egenskaper så väl som mekaniska egenskaper på papper, i studien användes den endast till Ball Burst Strength-mätningar.
Vid mätning av Ball Burst Strength behövdes en adapter användas. Adaptern var två cirkulära plattor med öppen yta där kulan kunde penetrera pappret. Adaptern var av metall och hade en magnet som kunde föra ytorna samman. Pappret som skulle penetreras placerades mellan plattorna. När pappret placerats kunde locket stängas, utförandet skulle ske så att pappret inte veckade sig.
4.4 Massaprovning
Massorna testades för att erhålla fiberkaraktären och dess egenskaper. Metodernas principer förklaras nedan.
• Fibertester (ISO 16065)
• Coarseness (ISO 23713)
• Water retention Value (ISO 23714)
• Schopper-Reigler (ISO 5267)
4.4.1 Karaktärisering av massor
Karaktäriseringen av fibrerna genomfördes i en fibertester. Principen av fiberkaraktäriseringen var att fibrerna passerade en mätcell i vilket en opolariserad ljuskälla användes för att skapa högkontrastbilder mellan fibrerna och bakgrunden, det vill säga maskinen tog bilder på fibrerna. Maskinen beräknade sedan antalet fibrer, storleksfördelningen och medellängderna. Karaktäriseringsmetoden utfördes enligt ISO 16065-2. Testerna skedde alltid med dubbelprov.
Coarseness utfördes enligt ISO 23713 med modifikationer. Metoden gick ut på att tillverka ett 0,5 g labark i en finsk arkformare, som sedan kunde tas bort från viran och spädas till 0,5 l med kranvatten.
Koncentrationsbestämning utfördes på lösningen och mätningen utfördes sedan i fibertester.
Anledningen varför arken togs från viran och varför prov inte togs direkt ur mälden beror på att finmaterialinnehållet borde vara så lågt som möjligt då intresset var att mäta fibrer med signifikant längddensitet (µg/m). Ändringarna som gjordes var att tillverka 2 st. 0,5 g ark som späddes till 1 l med kranvatten. Ändringarna tillämpades, eftersom det gav mer lösning, vilket kunde vara bra i fall en omkoncentrering krävdes.
4.4.2 WRV (Water Retention Value)
För att mäta hur mycket vatten en massa innehöll kunde WRV utnyttjas och utfördes enligt ISO 23714.
WRV var ett sätt att inspektera fiberns svällningsgrad vilket hänger ihop med arkets styrkeegenskaper.
Svällningsgraden testades genom att utsätta ett massaprov för centrifugalkrafter.
4.4.3 Schopper-Riegler (SR)
Schopper-Riegler var en metod för att inspektera avvattningsegenskaper på massan och utfördes enligt ISO 5267.
5 Praktiska försök
De praktiska försöken utfördes i 3 testgenomföranden.
1 Utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten 2 Utvärdering av massor och mekaniska egenskaper
3 Utvärdering av björkmassa vid olika malningsnivåer
5.1 Test 1: Utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten
I det första testet gjordes tester för att utvärdera retentionen av finmaterial vid labarkstillverkningen med slutet bakvatten. Massan i testet var EBK/Uruguay, ytvikterna som tillverkades var 60 och 15 g/m2. Mäldberedningen, uppslagningen och koncentrationsbestämningen utfördes och beräkningarna samt hur stor volym dispergerad massa som krävdes för att skapa ett labark på 60 g/m2 och 15 g/m2 ses i Bilaga 1.
Utvärderingen av retention av finmaterial påbörjades med att tillverka labark i den finska arkformaren med slutet bakvatten. 21 stycken labarksmassor skapades och de numrerades vartefter de skapades, numreringen var 0-20. Nummer 0, 2-4, 6-9, 11-14 och 16-19 tillverkades inte labark av, massan från viran skrapades bort och lades ned i flaskor med samma numrering, sedan späddes de till 1 liter med kranvatten. Borttagningen av massan från viran ses i Bilaga 1, Figur 33. Labarken 1, 5, 10, 15 och 20 tillverkades labark av, bild på ett labark ses i Figur 39. Massorna i flaskorna användes till fibertester för karaktäriseringen av fibrer och utvärderingen av finmaterialinnehållet. Arken pressades, torkades, ytvikten bestämdes och testades i papperprovningslabbet med dragprovare.
5.2 Test 2: Utvärdering av massor och mekaniska egenskaper
6 olika massor hämtades i förrådet och mäldberedningen utfördes precis som i test 1.
Fiberkaraktäriseringen i fibertester genomfördes endast med nollprovet, det vill säga endast ett prov direkt ur hinken, därmed behövdes inga prover tas från viran. Massorna i test 2 var, NBHK/Finland, EBK/Uruguay, NBSK/Kanada, NBSK/Finland, SBSK/USA och THBK/Indonesien vilka hade koncentrationer enligt Bilaga 3, Tabell 6. Tillverkningen av labark utfördes med slutet bakvatten och finmaterialet byggdes upp med 10 labark av ytvikten 60 g/m2. Labarken tillverkades i ytviktsordningen, 60, 45, 30, 15, 10 och 7,5 g/m2. 10 labark skapades för vartdera ytvikt. Totalt tillverkades 60 labark av vardera fibertypen.
Den första massan som tillverkades vid de olika ytvikterna var EBK/Uruguay följt av NBHK/Finland sedan fortsatte arkningen i fallande ordning av Tabell 6. Mälden som bereddes för tillverkningen av labarken var inte tillräcklig för att användas till WRV och SR därför bereddes mer mäld. Ses i Bilaga 3, Tabell 7. Dessutom utfördes coarseness i fibertester. Koncentrationerna av massorna ses i Bilaga 3, Tabell 8. Coarsnesstesterna krävde att massan som analyserades hade en given fibervikt. Fibervikterna beräknades från koncentrationerna. Vikterna presenteras med 4 decimalers noggrannhet i Bilaga 3, Tabell 10. Arkningen, Pressningen, torkningen, ytvikts-och densitetsbestämningen, dragprovningen och Ball Burst Strength utfördes enligt metod.
5.3 Test 3: Utvärdering av björkmassa vid olika malningsnivåer
Malning av massor är en vanlig förekomst vid tillverkning av papper [7]. Malningen utfördes på en NBHK/Finland-massa med 3 olika malningsnivåer, 50 kWh/ton, 100 kWh/ton och 150 kWh/ton.
NBHK-massan hämtades i förrådet och malningen utfördes på den finska NBHK-massan i en Voith- kvarn och massan utsattes för malnivåerna 50, 100 och 150 kWh/ton. Koncentrationen på samtliga massorna efter malningen var 45 g/l därför behövdes de spädas till 3 – 4 g/l innan koncentrationsbestämningen kunde avgöras. Mäldberedningen utfördes och koncentrationerna kan ses i Bilaga 3, Tabell 9. Labarken som tillverkades från den malda massan var likt test 2 vid ytvikterna 7,5, 10, 15, 30, 45 och 60 g/m2 med slutet bakvatten.
Fiberkaraktärisering, WRV, SR och coarseness utfördes på NBHK/Finland-massan och samtliga prover togs ur hink 2, ses i Bilaga 3,Tabell 9. Massaprovning utfördes på de malda NBHK/Finland-massorna med coarseness som första steg. Koncentrationerna från arkningen i coarsenessutförandet ses i Bilaga 3, Tabell 11. Fibervikterna som registrerades i fibertestern ses i Bilaga 3, Tabell 12. Fibervikterna beräknades från koncentrationerna och dubbelprov tilldelades fibertestern. Vikterna presenteras med 4 decimalers noggrannhet i Tabell 10.
Arkningen, Pressningen, torkningen, ytvikts-och densitetsbestämningen. Dragprovningen och Ball Burst Strength utfördes precis som i test 2, enligt Metod.
6 Resultat och diskussion
Studien delades upp i 3 testgenomföranden. Det första testgenomförandet var utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten. Beroende på vilket resultat som erhölls vid första testgenomförandet skulle resterande labark antingen tillverkas med slutet eller öppet bakvatten.
Andra testgenomförandet var tillverkning av labark med olika massor, karaktärisering och identifiering av de mekaniska egenskaperna för 6 olika massor. Massorna jämfördes sedan mot varandra för att se skillnaderna mellan dem.
Det tredje testgenomförandet var arktillverkning, fiberkaraktärisering och papperprovning på en NBHK/Finland-massa som malts vid 3 olika malnivåer (50, 100, 150 kWh/ton). De malda massorna samt en omald NBHK/Finland-massa jämfördes för att se skillnader mellan dem.
Resultatdelen kommer innefatta de 3 testerna som genomfördes i studien och resultatet kommer främst fokuseras på ytvikter mellan 7,5 - 25 g/m2 då tissue-papper befinner sig omkring de ytvikterna i tillverkningen [2].
6.1 Test 1: Utvärdering av finmaterialretentionen med slutet bakvatten
Finmaterialinnehållen i de tillverkade EBK/Uruguay-labarken som skrapades av från viran och analyserades i fibertester kan åskådliggöras i Figur 6 och Figur 7.
I Figur 6 ses att finmaterialets ökning håller sig relativt konstant efter ungefär 6 ark och Figur 7 håller sig relativt konstant efter 4 ark. Nollprovet i graferna är det ursprungliga finmaterialinnehållet. Nollan togs direkt från hinken.
Figur 6. Finmaterialinnehållet av hela tillverkade serien vid 15 g/m2. 0,0
2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Finmaterial [%]
Serienummer
prov 1 prov 2
Figur 7. Finmaterialinnehållet av hela tillverkade serien vid 60 g/m2.
6.1.1 EBK/Uruguay-arkens mekaniska egenskaper
Arkens styrkeegenskaper ändrades inte särskilt mycket efter 4 ark och enligt Figur 8 verkar inte bakvattnets inverkan då finmateralinnehållet nått sin topp att påverka de mekaniska egenskaperna.
Den fortsatta tillverkningen av labark bestämdes därför att fortskrida med slutet bakvatten.
Uppbyggnaden bestämdes att ske till 10 ark, för att säkerställa att en finmaterialsjämvikt nås i systemet.
Figur 8. Dragstyrkan för labark med 15 g/m2. 0,0
2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Finmaterial [%]
Serienummer
prov 1 prov 2
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 5 10 15 20 25
Dragstyrka [kN/m]
Serienummer
6.2 Test 2: Utvärdering av massor och mekaniska egenskaper
6.2.1 Karaktärisering av massorna
Karaktäriseringen av massorna utfördes i fibertester för att erhålla information om fiberfördelningen samt längd-och breddfördelningen i massorna. Fibrernas längd (Figur 9), bredd (Figur 10) och finmaterialinnehållet (Figur 11) ses nedan. Massaprovningar för att erhålla fibrernas svällningsgrad och avvattningsförmåga utfördes på alla massor. SR-talen och WRV-värden ses i Tabell 3.
Från Figur 9 ses att EBK/Uruguay och THBK/Indonesien hade kortare fiberlängd samt högre finmaterial (Figur 11). När fibrer är korta och finmaterialandelen hög kommer avvattningen av massorna bli allt tuffare, vilket även ges av SR-talen, som var höga för THBK/Indonesien och EBK/Uruguay. Ses i Tabell 3.
Figur 9. Fibrernas längd för de 3 kortfibriga lövvedsmassorna och 3 långfibriga barrvedsmassorna.
Figur 10. Fibrernas bredd för de 3 kortfibriga lövvedsmassorna och 3 långfibriga barrvedsmassorna.
0,87
0,64 0,59
2,01
1,83
2,27
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50
Fiberlängd [mm]
20,9
18,1 16,6
27,3 29,2 32,4
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
Fiberbredd [µm]
Figur 11. Finmaterialinnehållet i de 3 kortfibriga lövvedsmassorna och 3 långfibriga barrvedsmassorna.
Tabell 3. WRV-värden och SR-talen för de 3 kortfibriga lövvedsmassorna och 3 långfibriga barrvedsmassorna.
Coarseness för de olika fibrerna ses i Figur 12. Barrvedsmassorna fick en hög coarseness och lövvedsmassorna en låg coarseness. Barrveden har tjockväggiga fibrer, därför bör de ha en hög coarseness och vice versa. Skillnaden mellan NBSK/Kanada och NBSK/Finland är marginell medan SBSK/USA erhåller högre coarseness. SBSK/USA hade förmodligen mycket tjockare fiberväggar än de andra barrvedsfibrerna.
6,4
10,3
9,2
6,6 6,9 6,1
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0
Finmaterialandel [%]
Massa SR-tal WRV-Värde
NBSK/Finland 14,1 1,04
NBSK/Kanada 14,4 1,05
SBSK/USA 12,2 0,98
THBK/Indonesien 19,0 1,01
NBHK/Finland 15,5 0,99
EBK/Uruguay 17,9 1,03
Figur 12. Fibrernas coarseness för de 3 kortfibriga lövvedsmassorna och 3 långfibriga barrvedsmassorna.
6.2.2 Mekaniska egenskaper
Dragindex för barrved ses i Figur 13 och lövved ses i Figur 14. Alla figurer för de mekaniska egenskaperna har presenterats med felstaplar i form av standardavvikelse.
Som ses i Figur 13 och Figur 14 har dragindex ett ytviktsberoende som verkar minskas med ökande ytvikt. Det är speciellt tydligt att lövvedsarkens dragindex når en platå vid 45 g/m2. För barrvedfibrerna erhölls ingen markant platå och det är svårt att säga om platåvärde nås, eftersom inga mätningar utfördes över 60 g/m2.
Relativa skillnaderna var tydliga för barrveden när ytvikterna succesivt minskades. Kanada-och NBSK/Finland får högst dragindex, SBSK/USA lägst. Skillnaderna kvarstod även vid lägre ytvikter.
Skillnaderna beror främst på fiberegenskaperna. NBSK/Kanada hade långa fibrer, mindre bredd och något lägre coarseness vilket gör fibrerna mer flexibla och starkare. NBSK/Finland hade en liknande trend fast med något kortare och bredare fibrer. SBSK/USA hade längst fibrer men högst coarseness som gör fibrerna mindre flexibla vilket ger lägre styrka. [20]
Figur 13. Dragindex mot ytvikt för de olika barrvedsarken.
133,4
90,0 84,1
195,1 201,4
331,1
0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0
C oa rs en es s [µ g/ m ]
NBHK/FinlandEBK/Uruguay THBK/Indonesien NBSK/Kanada NBSK/Finland SBSK/USA
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Dragindex [Nm/g]
Ytvikt [g/m2]
NBSK/kanada NBSK/Finland SBSK/USA
För lövvedsarken kvartstår de relativa skillnaderna ned till 15 g/m2 sedan är det svårt att avgöra skillnaderna som eventuellt sker mellan dem. Att NBHK/Finland hade högst styrka kan hänvisas till dess långa fibrer, följt av EBK/Uruguay som har kortare fibrer. Kortast fibrer hade THBK/Indonesien som även erhåller lägst dragindex.
Figur 14. Dragindex mot ytvikt för de olika lövvedsarken.
Från dragprovning erhölls även brottöjningen, dragstyvheten och brottarbetet, åskådliggörs i Figur 15 och Figur 16 för de olika arken. I stort följer barrvedsegenskaperna de för dragindex, och massorna kommer i rangordningen NBSK/Kanada, NBSK/Finland och SBSK/USA. Generellt uppvisade barrveden högre brottöjning än lövveden.
0 5 10 15 20 25 30 35
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Dragindex [Nm/g]
Ytvikt [g/m2]
NBHK/Finland EBK/Uruguay
THBK/Indonesien
Figur 15. Brottöjning, brottarbetsindex och dragstyvhetsindex för barrvedsarken.
Intressant är dragstyvhetsindexkurvorna för lövvedsarken. NBHK/Finland får en signifikant högre dragstyvhet än både THBK/Indonesien och EBK/Uruguay. Arket fick något lägre brottöjning än EBK/Uruguay men högre dragindex än samtliga lövvedsmassor. Eftersom dragstyvheten är den initiala lutningen för kurvan som ges av kraft mot töjningen så kommer NBHK/Finland få en ordentlig lutning.
Brottöjningen för NBHK/Finland ses i Figur 16 och dragindex ses i Figur 14.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Brottöjning [%]
Ytvikt [g/m2]
NBSK/Kanada NBSK/Finland SBSK/USA
0 1 2 3 4 5 6
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Dragstyvhetsindex [Nm/g]
Ytvikt [g/m2]
NBSK/Kanada NBSK/Finland SBSK/USA
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Brottarbetsindex [J/g]
Ytvikt [g/m2]
NBSK/kanada NBSK/Finland SBSK/USA
