The main factors and their interactions on out-of-plane deviations of paper

Abstract

Although out-of-plane deviations have been studied a lot, factors and their interactions affecting them are still not fully known. The aim of this study was to gain better understanding about factors causing cockling and heatset fluting. Purpose was to study the formation of these out-of-plane deviations through the whole papermaking process instead of concentrating only on one individual factor. The focus of this study was in furnish, paper structure, drying condition and converting application factors.

Examined fine paper samples were produced with pilot paper machine using eucalyptus pulp with different refining degrees as well as thermo mechanical pulp. Pine kraft was used as enforcement pulp and furnish mixes were varied. Drying of the press dry samples was done drying both roll samples on paper machine as well as hand sheet samples in laboratory conditions. Paper shrinkage was varied using different drying techniques. Pilot paper machine dryings were done with two different machines. On other machine the drying shrinkage was quite restricted both in machine and cross direction whereas on other machine samples were quite free to shrink.

Teflon plate laboratory drying experiments were carried out in order to produce samples that have been able to shrink free. Tensile testing laboratory device was used to dry samples so that tension applied to them was kept constant in machine and cross direction uniaxial. During combo laboratory dryings the shrinkage of the samples was restricted in both directions. Chosen samples were also calendared, coated and heatset web offset printed. All samples were analysed with OptiTopo topography measuring device in order to measure the amount of cockling. The amount of heatset fluting of printed samples was also measured. In some of the drying experiments, drying shrinkage was determined using image analyses.

Against the hypothesis and results of earlier studies, papers made of mechanical pulp did not prove to cockle less that chemical pulp papers. This, as well as results obtained for example by changing the refining degree, indicated that development of out-of-plane deformations is very specific to furnish used and generalizations about the effect of different factors are difficult to make. Precalendering proved to lower the amount of cockling and even out the differences between samples. Increasing the drying tension both in machine and cross direction lowered the amount of cockling, which was the assumption. The fact that cockling and heatset fluting results were not always congruent supports the assumption that different types of out-of-plane deviations rarely appear simultaneously.

Vaikka paperin tasopoikkeamia on tutkittu paljon, niihin vaikuttavat syyt ja syiden yhteisvaikutukset eivät ole vielä täysin tunnettuja. Tämän työn tarkoituksena oli oppia enemmän kupruiluun ja heatset aaltoiluun vaikuttavista tekijöistä. Tavoitteena oli tutkia naiden tasopoikkeamatyyppien kehittymistä läpi koko paperinvalmistusprosessin, keskittymättä vain johonkin yksittäiseen tekijään. Tutkimuksen kohteena olivat massa-, paperin rakenne, kuivatus ja jalostustekijät.

Hienopaperinäytteet tuotettiin pilottipaperikoneella käyttäen eri jauhatusasteisiin jauhettua eukalyptussellua sekä kuumahierremassaa. Armeerausmassana käytettiin mäntysellua ja massojen sekoitussuhteita vaihdeltiin. Puristinkuivia paperinäytteitä kuivattiin niin rullina paperikoneella kuin kasiarkkeina laboratoriossakin. Paperin kutistumista kuivatusten aikana vaihdeltiin käyttäen eri kuivaustekniikoita. Paperikonekuivatuksia tehtiin kahdella eri pilottipaperikoneella, joista toinen esti paperin kutistumisen niin kone-kuin poikkisuunnassakin ja toisella kutistuminen oli melko vapaata. Teflonlevykuivatuksia tehtiin laboratoriossa, jotta saatiin tehtyä paperinäytteitä, jotka olivat saaneet kutistua täysin vapaasti kuivatuksen aikana. MTS-vetolujuuslaitetta käytettiin kuivatuksiin, joissa paperin kone- ja poikkisuuntaista kuivatusjännitystä pidettiin vakiona uniaksiaalisesti. Combo laboratoriokuivatuksissa pyrittiin molemmat kone- ja poikkisuuntainen kutistuma estämään kokonaan. Valitut näytteet päällystettiin ja painettiin heatset Web offset -menetelmällä. Kaikkien näytteiden kupruilu mitattiin OptiTopo -pinnanmittauslaitteella ja painetuista näytteistä määritettiin myös heatset aaltoilun määrä. Osassa kuivatuskokeista myös kuivatuksen aikainen kutistuma määritettiin kuva-analyysilla.

Vastoin hypoteesia ja aiempia tutkimustuloksia, mekaanisesta massasta valmistettujen papereiden tasopoikkeamien määrä ei osoittautunut pienemmäksi kuin kemiallisesta massasta valmistettujen. Tämä, kuten myös esimerkiksi jauhatusastetta muuttamalla saadut tulokset viittasivat, että tasopoikkeamien synty on hyvin massasidonnaista ja yleistyksiä on hankala tehdä. Esikalanterointi vaikutti vähentävän kupruilun määrää sekä tasoittavan näytteiden välisiä kupruilueroja. Kuivatusjännityksen, niin kone-kuin poikkisuuntaisenkin, lisääminen vähensi kupruilun määrää hypoteesin mukaisesti. Samoista näytteistä mitatut heatset aaltoilutulokset eivät olleet aina yhdensuuntaisia, mikä tukee sitä olettamusta samanaikaisesti, että eri tasopoikkeamatyypit ilmenevät harvoin samanaikaisesti.