Adhesion of reactive sizes and paper machine fouling

Abstract

The use of reactive sizes, alkyl ketene dimer (AKD) and alkenyl succinic anhydride (ASA), in papermaking has increased during the last decades and today they are commonly used in the manufacture of various paper and board products. The contribution of AKD and ASA to the fouling of paper machines has been shown to be considerable, and fouling has a major influence on the performance and economy of paper production. Adhesion unquestionably plays a major part in fouling phenomena. The aim of this work was to clarify how fouling could be minimized or avoided by control of adhesion; therefore different methods were used to study factors that have an influence on adhesion. Spreading kinetics and adhesion of reactive sizes on different surfaces were examined using contact angle measurements. Also, contact mechanics measurements of adhesion were performed. Surface hydrophilicity/hydrophobicity, pH and Ca2+-ion concentration were the key factors whose contribution to adhesion of AKD and ASA were studied. Model surfaces of AKD and ASA were also developed. In addition to fundamental laboratory experiments, applied fouling tests were carried out.

According to the results, the spreading and adhesion of both AKD and ASA on hydrophilic materials in aqueous environment – excluding the high pH, high ion concentration conditions – is almost negligible compared to the adhesion on hydrophobic materials. The hydrolysis of ASA molecules at the liquid-liquid interface is very fast. Ca2+-ions had a markedly larger influence on the spreading and adhesion of ASA than pH. Furthermore, the outcome of combining high pH and calcium is even more remarkable; under such conditions significant changes occur in the spreading of ASA on both hydrophilic and hydrophobic surfaces and the nature of the surface does no longer have any effect on the spreading of ASA. This suggests that surface contamination can not be avoided in these conditions by just choosing the right surface chemistry. The composition of ASA or the formulation of ASA emulsions should be changed.

The correlation between contact angle and contact mechanics methods used to measure adhesion was found to be adequate, and thus the choice of preferred method can be made depending on the system to be investigated. Both methods will be very useful in studying interactions that are of great interest in different phenomena related to papermaking. The results from the contamination testing showed similar features to those observed in fundamental laboratory experiments; the formation of deposits seems to be particularly troublesome when ASA is used concomitantly with precipitated calcium carbonate (PCC) or calcium chloride (CaCl2) at neutral or slightly alkaline pH.

Reaktiivisten liima-aineiden, AKD ja ASA, käyttö paperinvalmistuksessa on lisääntynyt viime vuosikymmeninä ja nykyisin niitä käytetään yleisesti erilaisten paperi- ja kartonkituotteiden valmistuksessa. AKD:n ja ASA:n vaikutuksen paperikoneiden likaantumiseen on osoitettu olevan huomattava. Likaantumisella on merkittävä vaikutus paperintuotannon tehokkuuteen ja taloudellisuuteen. Koska adheesiolla on kiistatta merkittävä rooli likaantumisilmiöissä, tämän työn tavoitteena oli selvittää, miten likaantuminen voitaisiin minimoida tai ehkäistä adheesiota hallitsemalla. Adheesioon vaikuttavia tekijöitä tutkittiin eri menetelmin. Reaktiivisten liima-aineiden leviämiskinetiikkaa ja adheesiota erilaisilla pinnoilla tutkittiin kontaktikulmamittauksin. Adheesion mittaamiseen käytettiin myös mekaanista kontaktimenetelmää. Tekijöitä, joiden vaikutusta adheesioon ensisijaisesti tutkittiin, olivat: pinnan hydrofiilisyys/hydrofobisuus, pH ja Ca2+-ionien konsentraatio. AKD:sta ja ASA:sta valmistettiin myös mallipintoja. Perusilmiöiden laboratoriotutkimuksen lisäksi työssä tehtiin soveltavia likaantumiskokeita.

Tulokset osoittavat, että sekä AKD:n että ASA:n leviäminen ja adheesio hydrofiilisille materiaaleille on erittäin alhainen verrattuna niiden adheesioon hydrofobisille materiaaleille (lukuun ottamatta olosuhteita, joissa on korkea pH ja korkea ionikonsentraatio). ASA molekyylien hydrolyysi neste-neste rajapinnalla on erittäin nopea ja Ca2+-ioneilla on huomattavasti suurempi vaikutus ASA:n leviämiseen ja adheesioon kuin pH:lla. Korkean pH:n ja kalsiumpitoisuuden yhdistäminen johtaa erityisen suuriin muutoksiin ASA:n leviämisessä sekä hydrofiilisillä että hydrofobisilla pinnoilla ja tilanteeseen, jossa pinnan ominaisuuksilla ei enää ole vaikutusta ASA:n leviämiseen. Tämän perusteella pinnan likaantumista kyseisenlaisissa olosuhteissa ei voida estää valitsemalla tietynlaista pintaa, vaan ASA emulsion koostumusta tulisi muuttaa.

Erilaisten adheesion mittaamiseen käytettyjen menetelmien keskinäinen korrelaatio todettiin riittäväksi niin, että kulloiseenkin mittaustarpeeseen voidaan käyttää menetelmää, joka parhaiten muuten soveltuu tutkittavaan systeemiin. Sekä kontaktikulmamittaus että mekaaninen kontaktimenetelmä ovat erittäin hyödyllisiä tutkittaessa erilaisia paperinvalmistukseen liittyviä vuorovaikutuksia. Likaantumiskokeiden tulokset olivat yhteneviä muista laboratoriokokeista saatujen tulosten kanssa; likaantuminen muodostui erittäin ongelmalliseksi käytettäessä ASA:a yhdessä joko kalsiumkarbonaatin tai kalsiumkloridin kanssa neutraalissa tai lievästi emäksisessä pH:ssa.