Foam as a carrier phase – a multipurpose technology for industrial applications

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHjelt, Tuomo, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.contributor.authorKinnunen-Raudaskoski, Karita
dc.contributor.departmentBiotuotteiden ja biotekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Bioproducts and Biosystemsen
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Chemical Technologyen
dc.contributor.supervisorPaltakari, Jouni, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
dc.date.accessioned2017-04-28T09:00:56Z
dc.date.available2017-04-28T09:00:56Z
dc.date.defence2017-05-12
dc.date.issued2017
dc.description.abstractThe applicability of foam in paper/board manufacturing processes was studied. The pulp and paper production in Finland has been forecast to decrease by up to a third from 2007 to 2020. The declining trend is mainly due to the weakening of main export markets. (Hetemäki et al., 2009). For the renewal of paper industry new solutions for savings in energy and raw materials are needed. Newly developed materials like nano materials may also challenge the conventional pro-cesses. New technologies are needed and the interest towards foam technology is growing. The main focus in this thesis was on foam forming and coating and on nano/microfibrils. The suitability of foam in biosludge treatment was also studied. The work showed that the strength loss due to the bulky structure of the foam formed paper, can be regained by using cellulose microfibrils (CMF) as strength additives, instead of wet pressing or beating. The strength enhancement was received with a lower bulk lost. The studied CMF grades had different responses to the strength properties of the pulps used; bleached soft wood pulp and chemi-thermo mechanical spruce pulp. This indicates that CMF used has to be chosen depending of paper properties needed. Dewatering was more effective due to the porous structure of the foam formed sheets and the formation of the papers better than in water forming, even with 12 mm synthetic fibers. Foam coating applications were done both to dry and wet fiber webs. Two different coating methods were used in the dry web ap-plications. The work showed that using foam it is possible to create thin functional surfaces on paper/board. Titanium dioxide and zinc oxide functionalized cellulose nanofibrils (CNF) created antimicrobial and photocatalytic properties on the paper and grease and water vapour barriers were achieved with polyvinyl or ethylene vinyl alcohol foam. In wet web application done at the former section polymers known to enhance the strength properties of paper were used. Due to foam destruction using vacuums, the whole web structure was treated with the chemical. The enhance-ment both on wet and dry web strength properties was detected with an increase in the dry matter content of the paper and without bulk lost. In addition to 'a carrier phase' function, the ability of foam to displace liquid water from a porous medium, was investigated. The foam enhanced dewa-tering in foam forming as well as in foam coating of the wet web. Based on these observations the foam assisted dewatering was studied on biosludge treatment. According to the results, the filtration time was shortened, the filtrate was cleaner and the sludge cake 10% drier. The change in dry solids content was quite small due to the insufficient vacuum level in filtration, 2 kPa. However, the result indicates that with a more efficient filtration vacuum it is possible to use foam to assist filtration. This thesis shows that foam technology offers several benefits for the paper/board industry, and combining it with nanomaterials enables the development of novel paper products.en
dc.description.abstractTyössä tutkittiin vaahtoteknologian soveltuvuutta paperi- ja kartonkiteollisuuden eri prosessivaiheisiin. Suomen sellun ja paperin tuotannon ennustetaan vähenevän kolmanneksen vuodesta 2007 vuoteen 2020. Laskeva trendi aiheutuu pääsiassa päävientituotteiden heikentyneistä markkinoista (Hetemäki et al., 2009). Paperiteollisuuden rakennemuutoksessa etsitään uusia ratkaisuja tuotantokustannusten vähentämiseksi ja se on osaltaan kasvattanut kiinnostusta vaahtoteknologiaa kohtaan. Markkinoille on tullut myös uusia materiaaleja kuten nanomateriaalit, jotka haastavat nykyisiä tuotantoteknologioita. Työn pääpaino oli vaahtorainauksessa ja -päällystyksessä ja nano/mikroselluloosan yhdistämistä vaahtoteknologiaan. Työssä tutkittiin myös vaahdon soveltuvuutta biolietteen käsittelyyn. Tutkimuksen mukaan vaahtorainatun paperin huokoisesta rakenteesta aiheutuva lujuuden heikkeneminen voidaan kompensoida käyttämällä mikroselluloosaa (CMF) märkäpuristuksen tai jauhatuksen sijasta. Tällöin lujuus saadaan pienemmällä bulkkimenetyksellä. Työssä käytetyillä CMF-laaduilla oli erilainen vaste käytettyjen massojen, valkaistun havusellun ja kemi-mekaanisen kuusimassan lujuusominaisuuksiin. Tämä indikoi sitä, että CMF-laadun valinnalla voidaan vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksiin. Vaahtorainauksessa vedenpoisto oli tehokkaampaa rainan huokoisesta rakenteesta johtuen ja pohjapaperin formaatio parempi kuin vesirainauksessa, myös käytettäessä 12 mm synteettistä kuitua. Vaahtopäällystyksessä päällystettiin kuivaa ja märkää kuiturainaa. Kuivan kuiturainan päällystyksessä käytettiin kahta eri vaahtopäällystysmenetelmää. Työssä osoitettiin, että vaahtopäällystämällä saadaan ohut, toiminnallinen pinta paperille ja kartongille: titaanidioksidilla ja sinkkioksidilla funktionalisoidulla nanoselluloosalla mikrobiologisia ja fotokatalyyttisiä ominaisuuksia ja rasva- ja vesihöyryestokerros polyvinyyli- ja etyleenivinyylialkoholivaahdolla. Formeriosalla tapahtuvassa märän rainan vaahtopäällystyksessä vaahto poistetaan imun avulla, jolloin vaahdotettu kemikaali saadaan koko rakenteeseen. Työssä osoitettiin, että kemikaalit, jotka tunnetusti kasvattivat märkä- ja kuivalujuutta, toimivat myös vaahtopäällystyksessä. Samalla havaittiin myös rainan kuiva-aineen nousu ilman bulkin menetystä. Kantajaväliaineominaisuuden lisäksi työssä tutkittiin vaahdon kykyä syrjäyttää nestettä huokoi-sesta materiaalista. Vedenpoiston tehostuminen havaittiin niin vaahtorainauksessa kuin märän rainan vaahtopäällystyksessä. Näiden havaintojen perusteella vaahtoavusteista vedenpoistoa tutkittiin biolietteen käsittelyssä. Tulosten mukaan biolietteen suotautuminen nopeutui, suodos oli kirkkaampi ja lietekakku 10 % kuivempi. Kuiva-aineen muutos oli pieni, sillä käytetty alipaine oli vain 2 kPa. Tehokkaampi alipaine todennäköisesti tehostaisi suodatusta. Tutkimus osoitti, että vaahtoteknologia tarjoaa useita etuja paperi/kartonkiteollisuudelle, ja teknologia yhdessä nanoma-teriaalien kanssa tarjoaa mahdollisuuden kehittää uusia paperi- ja kartonkituotteita.fi
dc.format.extent131 + app. 75
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7401-6 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7402-3 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn978-951-38-8532-8 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8533-5 (VTT, printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/25285
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7401-6
dc.language.isoenen
dc.opnMartinez, Mark, Prof., University of British Columbia, Canada
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Hjelt, Tuomo; Kenttä, Eija; Forström, Ulla. (2014) Thin coatings for paper by foam coating, TAPPI Journal Vol. 13 No. 7 July 2014, pp. 9-19.
dc.relation.haspart[Publication 2]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Hjelt, Tuomo; Sadocco, Patrizia; Forström, Ulla; Paltakari, Jouni. (2007) Novel thin functional coatings for paper by foam coating. Tappi Journal Vol. 16 No. 4 April 2017, pp. 179-186.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Salminen, Kristian; Lehmonen, Jani; Hjelt, Tuomo. (2016) Increasing dryness after pressing and wet web strength by utilizing foam application technology. TAPPI Journal Vol. 15 No. 11 November 2016, pp. 731-738.
dc.relation.haspart[Publication 4]: Kinnunen, Karita; Lehmonen, Jani; Beletski, Nikolai; Jetsu, Petri; Hjelt, Tuomo. (2013) Benefits of foam forming technology and its applicability in high NFC addition structures, 15th Fundamental Research Symposium, Oxford, UK. Proceedings of the 15th Pulp and Paper Fundamental Research Symposium, Cambridge, Sept 8-13.
dc.relation.haspart[Publication 5]: Lehmonen, Jani; Jetsu, Petri; Kinnunen, Karita; Hjelt, Tuomo (2013). Potential of foam-laid forming technology for paper applications. Nord. Pulp Pap. Res. J. 28:3, 392-398. DOI: 10.3183/NPPRJ-2013-28-03-p392-398
dc.relation.haspart[Publication 6]: Kinnunen-Raudaskoski, Karita; Pirkonen, Pentti; Lehmonen, Jani; Hjelt, Tuomo. (2014) Foam-aided sludge treatment, Filtration Journal, vol. 14, number 3 August, pp 174-180.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries78/2017
dc.relation.ispartofseriesVTT Scienceen
dc.relation.ispartofseries151
dc.revKataja, Markku, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.revUesaka, Tetsu, Prof., MidSweden University, Sweden
dc.subject.keywordfoam technologyen
dc.subject.keywordfoam formingen
dc.subject.keywordfoam coatingen
dc.subject.keywordfoam assisteden
dc.subject.keywordaqueous foamen
dc.subject.keywordwet strengthen
dc.subject.keyworddry strengthen
dc.subject.keywordformationen
dc.subject.keyworddewateringen
dc.subject.keyworddrynessen
dc.subject.keywordthin layersen
dc.subject.keywordnanoparticleen
dc.subject.keywordcellulose nano fibrilsen
dc.subject.keywordcellulose micro fibrilsen
dc.subject.keywordsurface propertiesen
dc.subject.keywordbiosludgeen
dc.subject.otherPaper technologyen
dc.titleFoam as a carrier phase – a multipurpose technology for industrial applicationsen
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2017_04_27_klo_14_38
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526074016.pdf
Size:
9.88 MB
Format:
Adobe Portable Document Format