Optimization of ASA emulsification in internal sizing of paper and board

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto University en
dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor.advisor Lindfors, Juha
dc.contributor.author Merisalo, Jarno-Petteri
dc.date.accessioned 2012-03-06T14:23:54Z
dc.date.available 2012-03-06T14:23:54Z
dc.date.issued 2009
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/3162
dc.description.abstract In paper- and boardmaking, internal sizing is used for making the end product more resistant to liquid penetration. Rosin, Alkyl Ketene Dimer (AKD) and Alkenyl Succinic Anhydride (ASA) internal sizing agents exist for this purpose. ASA is added to the papermaking process in the form of an emulsion. The dispersion of ASA oil, water, and a stabilizing agent (stabilizer) are mixed under shear forces to create the emulsion. In this master's thesis, different emulsions, emulsification techniques and stabilizers in the process industry were studied. Emulsions in food, medical, petroleum and papermaking processes had potential stabilizers to be used for hydrophobation of paper and board with ASA. The comparison between rosin, AKD and ASA internal sizing agents was also done. The goal was to find optimal emulsification methods and emulsion stabilizers for ASA emulsification. The effect of different ASA compounds, one pure ASA and the other, easy emulsifying (EE-ASA), with surface active agents (surfactants) added, were examined with various emulsion stabilizers. Emulsification process of ASA was studied by choosing thirty four stabilizers based on earlier experiments and literature over various fields of emulsification. The chosen stabilizers were reference cationic potato starch, different charge densities and molecular weights having cationic and anionic polyacrylamides (C- and A-PAM's), caboxymethyl celluloses (cmc's) and amphoteric polymers, among other stabilizers which gave steric or electrostatic stabilization effect on emulsion droplets. For the nano- and microparticle stabilization effect, betonies and colloidal silica were utilized. Particle size, pH and visual determinations were carried out and twenty stabilizers were selected for turbidity and zeta potential testing. A good ASA emulsion particle size was in between 0.5 µm - 5 µm in d(0.5) values. The most stable emulsions had no phase inversion, only little creaming and foaming during the 4 hour study. Eleven stabilizers were selected for sheet tests with ASA dosages of 1 kg/t and 2 kg/t. Water absorption tests showed the highest hydrophobation with medium molecular weight and medium charge density having 6.C-PAM and pure ASA and with polyvinyl alcohol, PVA 3-96, with both ASA's. Generally, pure ASA produced higher hydrophobation with only little difference to EE-ASA. The best Cobb hydrophobation values were around 21-23 g/m2 of absorbed water. The best dry tensile index, around 90 Nm/g, were seen with cationic starch and EE-ASA, and the best wet tensile index of 65 Nm/g with medium molecular weight, medium cationic polyamidoamine-epichlorohydrin (PAAE) and EE-ASA. Finally, six stabilizers were selected for deposition tests where ASA emulsions were exposed to precipitated calcium carbonate (PCC), CaCO3, which is known to forms sticky deposits with ASA's hydrolysis products in paper or board machines water circulation. ASA emulsions stabilized with reference cationic starch showed the lowest deposit amounts, 1.3 and 1.2 g/m2, with pure ASA and with EE-ASA. With EE-ASA, medium molecular weight and medium charge density having 6.C-PAM gained value 5.4 g/m2 but caused serious deposition problems with pure ASA. The deposit nature on sample steel plates varied. PAAE emulsion was easy to remove from the metal surface, whereas starch emulsion would have needed chemical treatment to be removed. PAAE with pure ASA, indicated below average deposition amounts, 11.5 g/m2. Generally neither of the two ASA's was superior compared to the other, when considering fouling. Reference starch and PVA indicated smallest ASA amounts on the deposition test sample plates based on thermal gravimetric analysis. Cost savings could be realized with 6.C-PAM and with PAAE stabilizers with both ASA's. For reference starch, there was practically no difference between the two ASA's and for the 6.C-PAM, EE-ASA was better, whereas for PAAE, pure ASA showed best total results. The PAAE positive effects to wet strength made the chemical commercially interesting. en
dc.description.abstract Diplomityön tavoitteena oli löytää paperin ja kartonginvalmistukseen sopivia emulsiota stabiloivia kemikaaleja eri teollisuudenalojen kirjallisuudesta. Kiinnostavimmat stabilointiaineet valittiin käytettäväksi alkenyyli meripihkahappoanhydridin (ASA) massaliimaemulsion valmistamiseen. Massaliimareseptin optimoinnin tavoitteena oli tuottaa mahdollisimman stabiili massaliimaemulsio, joka liimaa hyvin paperia ja kartonkia, toimii paperi- ja kartonkikoneella likaamatta prosessia, sekä mahdollistaa kustannustehokkaan hinnan asiakkaalle matalan annostarpeen myötä, lisäten paperin- ja kartonginvalmistuksen taloudellista kannattavuutta. Kirjallisuusosassa vertailtiin eri teollisuuden alojen emulsioita (esimerkiksi ruoka-, lääke-, öljy-, ja paperiteollisuuden kemikaalit) ja niissä käytettyjä emulsion stabilointiaineita ja -menetelmiä. Tarkemmin vertailtiin paperin ja kartongin massaliimauksessa yleisesti käytettyjä ASA, alkyyli keteeni dimeeri (AKD) ja hartsiliimoja. ASA:n emulgointikokeita varten tutkittiin erilaisia steerisesti ja elektrostaattisesti emulsiota stabiloivia stabilointiaineita. Referenssiaineeksi valittiin yleisesti käytetty kationinen perunatärkkelys. Lisäksi stabilointiaineina käytettiin muun muassa eri varaustiheydellä ja molekyylipainoilla olevia kationisia ja anionisia polyakryyliamideja (C- ja A-PAM), amfoteerisia polymeerejä ja karboksyylimetyyliselluloosia (CMC). Emulsion stabilointiin nano- ja mikropartikkeleilla valittiin bentoniitti ja silika. Kokeissa käytettiin kahta erilaista ASA:a. Ensimmäinen oli puhdas ASA yhdiste ja jälkimmäisessä, EE-ASA:ssa, oli mukana pinta- aktiivisia aineita, tavoitteenaan helpottaa emulgointiprosessia. Emulgoitiin 34 stabilointiainetta kummankin ASA:n kanssa ja määritettiin emulsioista pH, partikkelikoko sekä visuaaliset ominaisuudet. Kaksikymmentä kiinnostavinta stabilointiainetta jatkoivat zeta potentiaali ja turbiditeetti mittauksiin. Emulsiopisaroiden tavoitekoko oli välillä 0,5-5 µm d(0,5) arvoina. Lisäksi tavoitteena oli, ettei kermoittumista, sedimentoitumista tai vaahtoamista neljän tunnin seuranta- ajanjaksona juurikaan esiintyisi. Yksitoista stabilointiainetta valittiin arkkikokeisiin, joissa käytetyt ASA-annokset olivat 1 kg/t ja 2 kg/t. Korkeimmat paperin hydrofobisuusarvot saavutettiin keskimolekyylipainoisella ja keskivaraustiheyksisellä 6.C-PAM:illaja puhtaalla ASA:lla, polyvinyyli alkoholilla (PVA), ja EE-ASA:lla, sekä referenssitärkkelyksellä kummallakin ASA-liimalla. Puhtaan ASA:n havaittiin tuottavan hieman korkeampaa hydrofobisuutta kuin EE-ASA. Parhaat paperin hydrofobointiarvot olivat 21-23 g/m2 paperiin absorboitunutta vettä. Paras kuivavetoindeksi saavutettiin kationisella tärkkelyksellä, noin 90 Nm/g ja EE-ASA:lla, paras märkävetoindeksi saavutettiin keskimolekyylipainoisella, keskikationisella polyamidiamiini-epiklorohydriinillä (PAAE) ja EE-ASA:lla, noin 65 Nm/g. Kuusi stabilointiainetta valittiin likaantumiskokeisiin, joissa käytettiin ASA-emulsioiden ja saostetun kalsiumkarbonaatin CaCO3 (PCC) seoksia. Stabiileimman emulsion, parhaan liimauksen ja vähiten likaavan emulsion tuottivat referenssitärkkelys kummallakin ASA:lla, 6.C-PAM EE-ASA:lla ja PAAE puhtaan ASA:n kanssa. Keskimäärin kumpikaan ASA ei tuottanut toistaan huomattavasti vähemmän likaavia emulsioita, vaan kummallakin saavutettiin sekä hyviä että huonoja arvoja. Pintojen lian luonteessa oli huomattavia eroja. PAAE emulsioiden lika lähti helposti näytemetallilevyjen pinnoilta. Sen sijaan referenssitärkkelys emulsioiden lian irrottaminen olisi vaatinut kemiallisen käsittelyn liatuille metallipinnoille. Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa 6.C-PAM:lla, ja PAAE:llä. Tärkkelyksellä ei ollut juurikaan eroa kahden ASA:n välillä, 6.C- PAM:lla EE-ASA toimi paremmin ja PAAE:llä puhdas ASA tuotti optimaalisia tuloksia. PAAE:n positiiviset vaikutukset paperin märkälujuusominaisuuksiin tekevät kemikaalista kaupallisessa mielessä kiinnostavan. fi
dc.format.extent 100 (+8)
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.title Optimization of ASA emulsification in internal sizing of paper and board en
dc.title Alkenyyli meripihkahappoanhydridin emulgoinnin optimointi paperin ja kartongin massaliimauksessa fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.department Puunjalostustekniikan laitos fi
dc.subject.keyword emulsio fi
dc.subject.keyword emulgointi fi
dc.subject.keyword ASA fi
dc.subject.keyword massaliimaus fi
dc.subject.keyword paperi fi
dc.subject.keyword emulsion en
dc.subject.keyword emulsification en
dc.subject.keyword ASA en
dc.subject.keyword internal sizing en
dc.subject.keyword paper en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201203091393
dc.type.dcmitype text en
dc.programme.major Puunjalostuksen kemia fi
dc.programme.mcode Puu-19
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.contributor.supervisor Laine, Janne
dc.location PK fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account