The effects of fiber surface composition on physical properties of (chemi)mechanical pulps

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutustua mekaanisen massan pintaominaisuuksiin ja niiden vaikutukseen paperin ominaisuuksiin. Lisäksi tutkittiin selektiivisen pintaligniinin poiston vaihtoehtoja. Kirjallisuusosassa tutustuttiin kuidun pintaligniinin ja pinnassa olevien happoryhmien vaikutukseen kuidun ja paperin ominaisuuksiin. Toinen tavoite oli tutkia mahdollisuuksia muuttaa mekaanisten massojen ominaisuuksia joko kuidutuslämpötilaa muuttamalla tai erilaisilla kemiallisilla jälkikäsittelyllä.

Raaka-aineena käytettiin kuusta, joka hierrettiin joko 145 °C tai 155 °C lämpötilassa. Hiertimeen lisättiin pieni määrä natriumsulfiittia pintaligniinin kovettumisen estämiseksi. Toinen vaihe totutettiin ilmakehän paineessa. Teollisesti mustasta kuusesta valmistettua TMP massaan käytettiin referenssinä. Tämän TMP massa ensimmäinen hiertovaihe oli toteutettu 120-130 °C lämpötilassa. Massat käsiteltiin 35 % sakeudessa otsonilla pintaligniinin poistamiseksi. Pintaligniinipitoisuus määritettiin XPS:lla (X-ray photoelectron spectroscopy), pinnassa olevat happoryhmät sekä XPS:lla että polyelektrolyyttititrauksella, ja kuidun happoryhmien kokonaispitoisuus konduktometrisellä titrauksella.

Tutkimuksen pyrittiin poistamaan ligniini selektiivisesti kuidun pinnalta. Tässä tavoitteessa ei onnistuttu. Kuidun pinnassa olevan ligniinin liukenemisnopeus oli suurempi kuin kokonaisligniinipitoisuuden lasku, mutta silti kuidun pintaan jäi ligniiniä vielä voimakkaankin otsonikäsittelyn jälkeen. Kun hiertämisen ensimmäinen vaihe tehtiin yli 150 °C lämpötilassa, kuidun pinnassa oli ligniiniä kaksinkertaisesti kuidun kokonaisligniini pitoisuuteen verrattuna. Otsonikäsittely laski kuidun pinnan ligniinipitoisuutta, mutta vielä 2.5 % otsoniannoksenkin jälkeen kuidun pinnan ligniinipitoisuus oli kuidun kokonaisligniinipitoisuutta suurempi. Toisen hiertovaiheen jälkeen kuidun pinnan ligniini pitoisuus oli hieman kuidun kokonaisligniinipitoisuutta korkeampi. Sen sijaan kun tätä massaa käsiteltiin 2,5 % otsoniannoksella, ei eroa kuidun ja kuidun pinnan ligniinipitoisuudessa voitu enää havaita.

Otsonikäsittely oli tehokas tapa lisätä mekaanisen massan lujuusominaisuuksia. Sen avulla oli mahdollista saavuttaa yli 100 % kasvu vetolujuudessa. Tähän pääsemiseksi vaadittiin kuitenkin suuri määrä otsonia ja vetolujuuden kasvu oli merkittävästi vähäisempää käytettäessä kohtuullisia otsoniannoksia. Lisäksi vetolujuuden kasvu saavutettiin optisten ominaisuuksien ja bulkin kustannuksella. Erityisesti valonsirontakerroin ja opasiteetti laskivat. Käsiteltäessä ilmakuivaa massaa otsonin vaikutus optisiin ominaisuuksiin oli vähäisempää kuin 35 % massaa käsiteltäessä, mutta vastaavasti myös vaikutus vetolujuuteen heikkeni. Yleisesti ottaen tulokset olivat ennakoituja ja vastasivat hyvin kirjallisuudessa aikaisemmin esitettyjä tuloksia.