The manufacturing potential of micro and nanofibrillated cellulose composite papers

Abstract

This study presents a novel approach for producing composite papers that have fundamentally different properties to the traditional products in the paper industry. The main focus of this work was to evaluate the use of micro and nanofibrillated celluloses (MNFCs) as a component in paper in conjunction with traditional fillers and pulp fibers. The main hypothesis of this thesis work was that it is possible to form and subsequently dewater furnishes that contain considerable amounts of MNFC. Moreover, the properties of these new MNFC composite papers were expected to differ from traditional paper characteristics. The properties of MNFC composite papers were studied with different compositions of pulp fibers, MNFC, and filler. It was concluded that the optical properties of the composite papers were excellent and that the use of fillers together with MNFC results in a unique micro and nanoporous network structure of the paper. The in-situ precipitation of calcium carbonate directly on the MNFC fibrils was also shown to be a promising method for adjusting the water uptake of the MNFC and the resulting paper properties. The cost structure of the MNFC composite proved to be very attractive due to a reduction in the level of more expensive fibers required. The shear thinning behavior of the MNFC composite suspension was shown to enable 5-10 % solids content in forming, and subsequent wire dewatering to 33 % solids content. In addition, this work demonstrated that a wet pressing process can be used for the efficient dewatering of the MNFC composite furnishes if long enough press pulses are used. Under some conditions the dewatering was found to be better than with kraft pulp fibers alone. This thesis work clearly establishes that a wide range of high value MNFC based products can be formed using a feasible, efficient and economical process – a critically important step towards the next generation of products and processes based on forest resources.

Työn tavoitteena oli kehittää uudenlainen lähestymistapa valmistaa komposiittipapereita, joiden ominaisuudet eroavat huomattavasti perinteisistä paperilajeista. Pääpainopisteenä työssä tutkittiin mikro- ja nanofibrilloidun selluloosan (MNFC) käyttöä uudentyyppisten komposiittipapereiden komponenttina yhdessä perinteisten täyteaineiden ja kemiallisen massan kuitujen kanssa. Erityisesti tavoitteena oli selvittää, mitä haasteita ja mahdollisuuksia nämä paljon vettä sitovat materiaalit asettavat paperin ominaisuuksien sekä mahdollisen valmistusmenetelmän kannalta. Keskeisenä hypoteesina työssä oli, että huomattavia määriä MNFC:tä sisältävien komposiittipapereiden rainaus ja vedenpoisto on mahdollista. Lisäksi näiden komposiittipapereiden ominaisuuksien odotettiin olevan erilaisia kuin perinteisillä paperilajeilla. MNFC-komposiittipapereiden ominaisuuksia tutkittiin eri täyteaine, kuitu- sekä MNFC seossuhteilla. Näiden papereiden optisten ominaisuuksien todettiin olevan erinomaisia, ja MNFC:n sekä täyteaineen ominaisuuksista johtuen paperin nano- ja mikrohuokoisen rakenteen todettiin olevan hyvin ainutlaatuinen. Kalsiumkarbonaatin kerasaostusta MNFC:n kanssa voitiin hyödyntää sekä MNFC:n vedensitomiskyvyn alentamiseen että komposiittipaperin ominaisuuksien säätämiseen. Myös komposiittipapereiden kustannusrakenteen todettiin olevan houkutteleva korkean täyteainepitoisuuden vuoksi. MNFC-komposiittisuspension leikkausohenevuus mahdollisti rainanmuodostuksen 5-10 prosentin sakeudessa, viiranjälkeisen kuiva-ainepitoisuuden noustessa jopa 33 prosenttiin. Lisäksi todettiin, että märkäpuristus on yksikköoperaationa soveltuva rainan vedenpoistoon viiran jälkeen, mikäli käytetään riittävän pitkiä puristuspulsseja. Eräissä olosuhteissa MNFC-komposiittirainan vedenpoisto oli jopa tehokkaampaa kuin pelkillä kemiallisen massan kuiduilla. Tässä työssä osoitettiin, että MNFC-pohjaisia tuotteita on mahdollista valmistaa tehokkaasti ja taloudellisesti, ja tutkimus on siksi tärkeä edistysaskel kohti uuden sukupolven biopohjaisia tuotteita ja prosesseja.