Surface interactions in TMP process waters

Abstract

The overall goal of the thesis was to better understand on a molecular level different interactions present in the wet-end of the paper machine that uses thermomechanical (TMP) pulp. The work is divided into three parts:

Introduction of the QCM-D technique to papermaking applications (polyelectrolyte adsorption studies) Development of model surfaces for cellulose, lignin and wood extractives for adsorption studies Adsorption studies of dissolved hemicelluloses and colloidal wood extractives on the model surfaces

The work was started by studying the adsorption of cationic starch onto the oppositely charged silica surface with the quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). The aim of these preliminary adsorption studies was to better understand the electrostatic interactions between polyelectrolyte and surface, the factors which have influence on adsorption and the structure and physical properties of the adsorbed layer. The results were in accordance with the well-known theories of the polyelectrolyte adsorption.

In order to investigate the surface interactions in the TMP process waters, model surfaces for cellulose, lignin and wood extractives were prepared. In this way the interactions between the components originating from the pulp (dissolved and colloidal substances) and the fibrous material could be systematically studied. Raw materials were chosen so that they represent the main components present in a papermaking stock containing TMP. Atomic force microscopy (AFM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to investigate the morphology and chemistry of the model surfaces.

Finally, the adsorption of dissolved hemicelluloses and colloidal extractives on different fiber components were studied with the QCM-D. The aim was to clarify how colloidal resin and dissolved substances interact and how these interactions depend on e.g. peroxide bleaching of the TMP and ionic strength. It was found that dissolved hemicelluloses adsorb at the largest on cellulose. They also adsorbed on extractives but there was no significant affinity towards lignin. Adsorption increased with increasing ionic strength on cellulose and on extractives. Colloidal extractives preferentially adsorbed on cellulose when only electrostatically stabilized. The dissolved hemicelluloses created a steric hindrance against colloidal adsorption on all surfaces, but the effect was most pronounced on cellulose. The adsorption of colloids increased with increasing ionic strength for almost all systems. On the basis of the fundamental surface studies, some practical observations achieved from the experiments with the fine material could be clarified.

Työn tarkoituksena on ymmärtää paremmin sellaisen paperikoneen märänpään pinta- ja kolloidikemiaa, mikä käyttää raaka-aineenaan kuumahierrettä. Työ on jaettu kolmeen osaan:

1) QCM-D tekniikan käyttöönotto paperinvalmistussovelluksessa, 2) Kuitumateriaalin (selluloosa, ligniini ja pihla) mallipintojen valmistus ja karakterisointi, 3) Kuumahierteen pihka-aineiden, liuenneiden hemiselluloosien ja kuidun pääkomponenttien välisten vuorovaikutuksien tutkiminen.

Työ aloitettiin tutkimalla kationisen tärkkelyksen sitoutumista vastakkaismerkkiselle piipinnalle kvartsikidemikrovaa'alla (QCM-D). Tämä adsorptiotutkimus oli perustutkimusta, jonka tarkoituksena oli ymmärtää paremmin polyelektrolyytin ja pinnan sähköstaattisia vuorovaikutuksia, adsorptioon vaikuttavia tekijöitä, adsorboituneen kerroksen rakennetta ja sen fysikaalisia ominaisuuksia. Tulokset noudattivat hyvin tunnettuja polyelektrolyytiadsorptioteorioita.

Työtä jatkettiin kehittämällä mallipintoja, joiden tarkoituksena on mallintaa kuidun pääkomponentteja (selluloosa, ligniini ja pihka) erikseen. Raaka-aineet valittiin siten, että ne edustavat kuumahierreprosesissa läsnä olevia komponentteja. Näitä pintoja käytettiin QCM-D laitteella tehtävissä adsorptiomittauksissa. Tällä tavalla saatiin spesifistä tietoa pihka-aineiden ja hiilihydraattien käytöksestä ja sitoutumisesta mekaanisesta massasta paperia valmistavan koneen märässä päässä ja kuinka esim. peroksidi valkaisu ja ionivahvuus vaikuttavat sitoutumiseen. Mallipintojen ominaisuuksia karakterisoitiin atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja röntgenfotoelektronisella spektroskoopilla (XPS).

Lopuksi liuenneiden hemiselluloosien ja kolloidaalisen pihkan adsorptiota kuidun pääkomponenteille tutkittiin QCM-D laitteella. Liuenneet hemiselluloosat adsorboituivat eniten selluloosalle. Ne adsorboituivat myös pihkapinnoille, mutta ligniinille adsorptio oli vähäistä. Adsorption määrä kasvoi ionivahvuuden kasvaessa selluloosalle ja pihkalle. Sähköstaattisesti stabiilit pihkakolloidit adsorboituivat eniten selluloosalle. Liuenneet hiilihydraatit muodostivat steerisen esteen ja kolloidien adsorptio pintoihin estyi. Havaittu vaikutus oli voimakkain selluloosapintojen tapauksessa. Näiden tulosten avulla pystyttiin selventämään havaintoja, joita saatiin tehdessä käytännön kokeita hienoaineksella.