Modification of paperboard sheet extensibility by inter-fiber bonding and strength agents

Abstract

The demand for renewable and plastic-like packaging materials is increasing with the reduction of fossil resources. Paperboard is a renewable material but it suffers from limited extensibility, i.e., plasticity. The properties of paperboard are well-known and widely-studied topics. Extensibility and its improvement, however, have not been studied extensively. It was hypothesized in this work that the extensibility of paperboard hand sheet in terms of its in-plane breakage strain can be increased by increasing the in-plane tensile strength with the modification of inter-fiber bonding using polymeric strength additives. 17 different kinds of natural and synthetic polymeric strength additives and six combinations of these were tested. Polymer mono-layering and sequential polymer bi-layering techniques were tested to determine their effects on hand sheet properties such as tensile strength, strain at breakage, beta-formation, grammage and thickness at 50% and partly at 80% RH.

Applying a mono-layer technique, the only polymer that significantly increased the in-plane breakage strain at both RH was GPAM when dosed 10 kg/t. None of the natural polymers that were tested was able significantly to increase either the in-plane breakage strain or the tensile strength. Tests with a lower furnish volume and a higher furnish consistency in sheet formation using cationic starch indicated that dosages higher than 50 kg/t and/or a higher furnish consistency and/or a lower furnish volume could be needed to significantly increase the in-plane breakage strain of paperboard. When a sequential bi-layering technique was applied, GPAM with CMC (75%+25%) at a total dosage of 10 kg/t was the only combination that showed a significantly higher in-plane breakage of paperboard hand sheet than did the reference, cationic starch (50 kg/t). There was a parabolic correlation of 0.935 to 0.999 between the tensile strength and breakage strain of paperboard sheets prepared by the sequential bi-layering of GPAM + CMC and CPAM + CMC at 80% RH. This result indicates that the extensibility of paperboard can be increased by increasing its tensile strength under selected conditions, as was hypothesized. However, further experiments are needed to scientifically validate these indications.

Uusiutuvien ja muovinkaltaisten pakkausmateriaalien kysyntä on kasvamassa fossiilisten luonnonvarojen vähentyessä. Kartonki on uusiutuva materiaali mutta sen haittana on alhainen venyvyys toisin sanoen huono muokattavuus. Kartongin ominaisuudet tiedetään yleisesti hyvin koska niitä on tutkittu paljon. Kartongin venyvyys on kuitenkin yksi sen vähemmän tutkittu ominaisuus. Tässä työssä hypotetisoitiin, että kartongin tasomurtovenymää voidaan kasvattaa lisäämällä sen tasovetolujuutta muokkaamalla kuitu-kuitusidoksia lujuuspolymeerien avulla. Yhteensä 17 eri luonnosta löytyvää ja synteettistä lujuuspolymeeriä sekä kuusi näiden erilaista yhdistelmää testattiin. Tässä työssä tehtiin perinteisiä kartonkiarkkeja yksi- ja vaiheittaisesti kaksikerrospolymeroiduista kuiduista ja mitattiin kartonkiarkkien vetolujuus, murtovenymä, betaformaatio, neliömassa ja paksuus 50%:n suhteellisessa kosteudessa ja osittain 80%:n suhteellisessa kosteudessa.

Yksikerrospolymeroinnilla ainoa polymeeri joka merkittävästi kasvatti kartonkiarkin tasomurtovenymää molemmissa suhteellisissa kosteuksissa oli GPAM annoksella 10 kg/t. Mikään testatuista luonnonpolymeereistä ei merkittävästi kasvattanut tasomurtovenymää eikä tasovetolujuutta. Pienennetyllä sellususpension tilavuudella toisin sanoen korotetulla sakeudella tehdyt kokeet käyttäen kationista tärkkiä indikoivat, että yli 50 kg/t annos ja/tai matalampi sellususpension tilavuus ja/tai korkeampi sakeus voivat olla tarpeen kartonkiarkin tasomurtovenymän kasvattamiseksi merkittävästi. Kuitujen vaiheittaisella kaksikerrospolymeroinnilla, GPAM yhdessä CMC:n kanssa (75% + 25%) 10 kg/t annoksella oli ainoa polymeeriyhdistelmä joka tuotti merkittävästi referenssi polymeeriä, kationista tärkkiä (50 kg/t), korkeamman tasomurtovenymän kartonkiarkkiin. Vaiheittainen kuitujen polymerointi GPAM + CMC ja CPAM + CMC polymeeriyhdistelmillä kartonkiarkin vetolujuuden ja murtovenymän välillä oli 0.935 – 0.999 suuruinen parabolinen korrelaatio 80%:n suhteellisessa kosteudessa. Tämä tulos indikoi, että kartonkiarkin tasovenyvyyttä voidaan kasvattaa lisäämällä sen tasovetolujuutta valituissa olosuhteissa kuten hypotetisoitiin. Lisäkokeita tarvitaan kuitenkin näiden indikaatioiden vahvistamiseksi tieteellisessä mielessä.