Utilization of fiber-based raw materials in packaging materials

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2012

Department

Puunjalostustekniikan laitos

Major/Subject

Puunjalostuksen kemia

Mcode

Puu-19

Degree programme

Language

en

Pages

ix + 113 + [27]

Series

Abstract

In this Master's Thesis, several factors affecting the tensile and extensibility properties of fibers were studied. The motivation for this study related to the increasing utilization of fiber-based materials in the future together with the insufficient knowledge of the behaviour of fiber-based materials in thermoforming process. In the experimental part, the mechanical properties as well as the chemical composition and structure of the two commercial material samples were investigated. The results proved that both samples consisted of long softwood fibers, which were refined to a great extent and had relatively high curliness. The existence of vessel elements in Sample 2 proved the fact that it also consisted of hardwood fibers alongside softwood fibers. Besides wood fibers, Sample 2 was also laminated with polyethylene. Prior to preparing laboratory hand sheets, pulp consisting of softwood fibers was mechanically treated. This was done in order to increase the curliness of fibers, since the hypothesis was that high curliness would result in great elongation of a finished paper. The fibers were refined in a Valley beater for 75 minutes and treated in a kitchen mixer for 45 minutes before hand sheet preparation. After every phase of mechanical treatment, microscope images were taken from the fiber structure and FiberLab measurements were conducted in order to determine the fiber properties. The °SR number was determined after refining in order to define the refining level of the samples. In this thesis, also the effect of drying strategy on the elongation of paper was investigated. Here, the hypothesis was that free-drying, unlike restrained drying, positively affects the elongation properties of paper. After determining the drying shrinkage values of both drying methods, it was decided that free-drying would be demonstrated by drum-drying, whereas restrained drying would be demonstrated by hot-pressing. Paper properties including tensile, tear, and Scott-Bond strength were determined and compared between the commercial samples and the laboratory hand sheets. The paper samples were also tested in a laboratory-scale former, using pressure as the principal variable, in order to determine the tensile and extensibility properties of fibers. As conclusion from the literature review and the experiments, refining increases fiber wall swelling, thus positively influences the drying shrinkage of fibers. The shrinkage of fibers causes hygroscopic behaviour of paper and affects many paper properties including elongation, tensile strength, and dimensional stability. Tensile properties of paper can be affected by the drying strategy, since fibers dried under restraint possess better tensile strength, but lower elongation than those of the free-dried ones. Paper is a viscoelastic material, which explains the elastic and I plastic parts in its stress-strain curve. Papers with high elongation exhibit high tearing resistance. : Curly fibers form a sheet with higher elongation than straight fibers.

Tässä diplomityössä tutkittiin monen tekijän vaikutusta kuitujen vetolujuus- ja venyvyysominaisuuksiin. Tutkimusaiheen taustalla oli biopohjaisten materiaalien lisääntyvä hyödyntäminen tulevaisuudessa, sekä riittämätön tietämys kuitupohjaisten materiaalien käyttäytymisestä syvävetoprosessissa. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin kahden kaupallisen materiaalinäytteen paperiteknisiä ominaisuuksia sekä niiden kemiallista koostumusta ja rakennetta. Tulokset osoittivat molempien näytteiden koostuvan pitkistä ja suhteellisen kiharista, mekaanisesti käsitellyistä havupuun kuiduista. Näyte 2 todistettiin vesseleiden olemassaolon johdosta sisältävän havupuun kuitujen lisäksi myös lehtipuun kuituja. Kuiturakenteen lisäksi Näyte 2 oli toispuoleisesti laminoitu pölyetyleenillä. Ennen laboratorioarkkien valmistusta havupuunkuituja sisältävä sellumassa käsiteltiin mekaanisesti kuitujen kiharuustason kasvattamiseksi. Hypoteesina oli se, että korkea kiharuustaso johtaa valmiin paperituotteen suureen venyvyyteen. Sellumassa jauhettiin Valley-hollanterilla 75 minuuttia, minkä jälkeen se käsiteltiin taikinakoneella 45 minuutin ajan ennen arkinvalmistusta. Jokaisen mekaanisen käsittelyvaiheen jälkeen kuitujen rakenteesta otettiin mikroskooppikuvat sekä suoritettiin kuituominaisuuksien mittaus FiberLabilla. °SR-luku mitattiin jauhatuksen jälkeen näytteiden jauhatustason selvittämiseksi. Työssä haluttiin myös tutkia kuivatustavan vaikutusta laboratorioarkkien venyvyyteen. Hypoteesina oli vapaan kuivatuksen aiheuttama positiivinen vaikutus laboratorioarkkien venyvyysominaisuuksiin. Kuivatuskutistuman määrittämisen jälkeen päätettiin havainnollistaa vapaata kuivatusta kuivatusrummulla ja pakotettua kuivatusta kuumaprässillä. Sekä kaupallisista materiaalinäytteistä että laboratorioarkeista määritettiin ja vertailtiin paperiteknisiä ominaisuuksia, kuten veto-, repäisy- ja Scott-Bond -lujuutta. Näytteet testattiin myös laboratoriomittakaavan syvävedossa, jossa paine oli pääasiallinen muuttuja, kuitujen vetolujuus- ja venyvyysominaisuuksien selvittämiseksi. Kirjallisuuskatsauksen ja laboratoriokokeiden tulosten perusteella voidaan todeta jauhatuksen parantavan kuituseinän turpoamista, mikä vastaavasti vaikuttaa kuitujen kuivatuskutistumaan. Kuitujen kutistuminen johtaa paperin hygroskooppiseen käyttäytymiseen ja vaikuttaa moniin paperin ominaisuuksiin, kuten venymään, vetolujuuteen ja dimensionaaliseen stabiliteettiin. Kuivatustavan valinnalla voidaan vaikuttaa paperin vetolujuusominaisuuksiin: pakotetusti kuivatetulla paperilla on parempi vetolujuus, mutta huonompi venymä kuin vapaasti kuivatetulla paperilla. Paperi on viskoelastinen materiaali, minkä vuoksi sen vetolujuuden käyrässä esiintyvät sekä elastiset että plastiset alueet. Suurivenymäisellä paperilla on myös korkea repäisylujuus. Kuiduilla, joilla kiharuuden arvo on suurempi, on myös suorakuituisia parempi venymä.

Description

Supervisor

Laine, Janne

Thesis advisor

Tiainen, Hannu

Keywords

packaging, pakkaus, fiber, kuitu, elongation, venyminen, tensile strength, vetolujuus

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859263

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM