Interfacial interactions and fouling in paper machines
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2007-12-10
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
82, [114]
Series
Reports / Helsinki University of Technology, Laboratory of Forest Products Chemistry. Series A, 28
Abstract
The aim was to understand the role of surface forces in paper machine fouling. Also possibilities to develop antifouling paper machine surface materials were studied. Experiments were focused on adsorption kinetics, adhesion and wetting kinetics of substances causing fouling in paper making. In addition, antifouling properties of photocatalytic titanium dioxide were investigated. Adsorption kinetics were studied with a quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). The experiments were made with wood resin, AKD, latex and several other model deposits. Rates of adsorption were found to be diffusion controlled in the beginning of adsorption. Blocking by already adsorbed particles hindered the adsorption at later stages. It was concluded that changes in surface roughness affect the detected dissipation and frequency shifts. Hence, QCM-D can be used to study the spreading kinetics of soft colloids which was demonstrated experimentally with styrene-butadiene latex and wood resin emulsions. Contact angles adhesion and wetting kinetics of lipophilic wood extractives were studied on surfaces present in a paper machine. The adhesion of oleic acid and other lipophilic wood extractives is large to a hydrophobic fluoropolymer and small to hydrophilic surfaces in solution. Therefore, extractives tend to accumulate on hydrophobic paper machine parts and hydrophobic spots on paper web in the wet end. Van der Waals forces determined the adhesion of oleic acid in air on most surfaces studied. A water film is formed between the drop of extractives and the interface prior to spreading in solution. The removal of this water film may take several seconds, which prevents the spreading of aggregated drops of extractives. An increase in surface roughness shortens the pre-wetting period significantly and enhances the contact of extractives. The photocatalytic decomposition kinetics of wood extractives under UV illumination was studied with QCM-D. In the beginning of the degradation measurements, a 0-3 minute long initation period, with hindered or prevented degradation was often detected. After the initiation period, the degradation continued with a relatively constant rate until it decelerated again near the end of experiment. The primary mechanism of removal of the films was photocatalytic degradation, but it was shown that the penetration or formation of water at the TiO2/film interface and the flow of oxygen to the interface are also of importance. Correlation of the flow of oxygen to the rate of photocatalytic degradation was observed. The results can be utilized, when antifouling paper machine surface materials and paper chemicals for deposit control are developed.Tavoitteena oli ymmärtää pintavoimien vaikutusta paperikoneen likaantumiseen. Tutkittiin paperikonetta likaavien aineiden adsorptionopeutta, adheesiota ja leviämisnopeutta. Lisäksi tutkittiin mahdollisuuksia kehittää likaantumattomia paperikonepintoja. Kokeissa käytettin AKD:ta, uuteaineita, lateksia sekä useita muita mallilikoja. Kuten oletettua likapartikkelien diffuusio pintaan määräsi likapartikkelien adsorptinopeuden. Adsorption myöhemmässä vaiheessa jo adsorboituneet partikkelit hidastivat adsorptiota. Polyuretaanipinnalle adsorptio oli DLVO-voimien aikaansaamaa. Todettiin, pinnan karheuden muutosten vaikuttavan QCM-D:llä mitattuihin taajuus, ja dissipaatiosiirtymiin. QCM-D:tä voi täten käyttää kolloidien leviämiskinetiikan seurantaan. Puun uuteaineita käytettiin mallilikana kontaktikulma- ja adheesiomittauksissa. Vedessä uuteaineiden adheesio oli korkeaa hydrofobiselle fluoropolymeeripinnalle, ja pientä hydrofiilisille pinnoille. Ilmassa mitatut adheesiot olivat pienimmät fluoropolymeerille. Uuteaineilla on täten taipumus kerääntyä hydrofobisille paperikonepinnoille ja hydrofobisiin kohtiin paperirainaa paperikoneen märkäosalla. Voimakkaasti hydrofobiset fluoropolymeerit vähentävär uuteaineiden aihettamaa likaantumista paperikoneen kuivalla osalla. Heikosti hydrofobiset pinnat taas eivät estä likaantumista tehokkaasti. Van der Waals voimat pääosin määrääsivät oleiinihapon ja uuteaineiden adheesiota. Kun uuteainepisarat leviävät vedessä, jää leviämisen alkuvaiheessa pisaran ja pinnan väliin jää ohut vesikerros, jonka tyhjenemisaika on hyvin hidas. Tämän vuoksi uuteaine-emulsion ja pinnan välille ei muodostu heti kontaktia, mikä vähentää aggregoituneiden uuteainepisaroiden taipumusta liata. Pinnan karheuksien todettiin nopeuttavan leviämistä sen alkuaiheessa, koska karheuspiikit rikkovat vesikalvon rakennetta. Uuteaineet hajosivat titaanidioksidipinnalla UV-valossa, mikäli kerrospaksuus oli riittävän alhainen. Fotokatalyyttinen hajoaminen ei alkanut useinkaan heti UV-valon sytyttyä, vaan usein havaittiin 0-3 minuutin mittainen hidastuneen hajoamisen aika, jonka jälkeen hajoaminen nopeutui. Tämän pääteltiin liittyvän hapen ja veden tunkeutumiseen likakerroksen läpi. Veteen liuenneen hapen diffuusio määräsi useissa tapauksissa fotokatalyyttisen hajoamisnopeuden. Lisäksi pääteltiin, että veden tunkeutuminen TiO2-pinnan ja uuteainekerroksen väliin edistää fotokatalyyttistä puhdistusta.Description
Keywords
fouling in paper machine, surface forces, adsorption kinetics, adhesion, contact angles, QCM-D, paperikoneen likaantuminen, pintavoimat, adsorptiokinetiikka, adheesio, kontaktikulmat, QCM-D
Other note
Parts
- Additional errata file available.
- Timo Kallio and Juha Kekkonen, Fouling in the paper machine wet end, Tappi Journal 2005, 4, 20-24.
- Timo Kallio, Juha Kekkonen and Per Stenius, The formation of deposits on polymer surfaces in paper machine wet end, The Journal of Adhesion 2004, 80, 933-969.
- Timo Kallio, Janne Laine and Per Stenius, Intermolecular interactions and the adhesion of oleic acid, Journal of Dispersion Science and Technology, accepted for publication.
- Timo Kallio, Juha Lindfors, Janne Laine and Per Stenius, Spreading and adhesion of lipophilic extractives on surfaces in paper machines, Nordic Pulp and Paper Research Journal, accepted for publication.
- Timo Kallio, Sanna Alajoki, Viljami Pore, Mikko Ritala, Janne Laine, Markku Leskelä and Per Stenius, Antifouling properties of TiO<sub>2</sub>: Photocatalytic decomposition and adhesion of fatty and rosin acids, sterols and lipophilic wood extractives, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2006, 291, 162-176.
