Surface filling of uncoated wood free paper

No Thumbnail Available
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
Date
2010
Major/Subject
Paperi- ja painatustekniikka
Mcode
Puu-21
Degree programme
Language
en
Pages
125 s. + liitt. 38
Series
Abstract
The target of this thesis was to study the advantages, disadvantages and limitations of the surface filling method and yield and analyze scientific information for helping better to understand and develop the surface filling method. Thesis also aimed to running a successful commercial WFU paper machine trial and developing a continuous surface filling method to the WFU paper machine. The greatest benefits of surface filling were to reduce the porosity, increase the ash content and balance the two-sidedness of the paper sheet. Surface filling also improved the printing properties of the paper sheet. In the preliminary laboratory tests was seen that the addition of the ground calcium carbonate pigment did not have any remarkable effect on the viscosity of the pigment/starch solution with the starch solid content under 15%. The solid content of the surface size could be increased by adding the pigments to the surface size. In the pilot trial were tested four different pigment products and two surface size starch solid contents. Porosity could been decreased at maximum 75 % with the 1.2 µm mean particle size pigment with the 1.125 g/m<sup>2</sup> pigment amount per side and with the 15 % starch solid content. The ash content of the sheet increased over 3 % units and compensation in the two-sidedness was seen, as the filler distribution in the Z-direction was much even after the surface filling. When the pigment mean particle size increased the dusting tendency increased also because the bigger pigment particles filled the pores rapidly and settled closer to the paper surface where pigments loose easier in rubbing. In the mill trial the best combination taking in the account of all the examined paper properties was the pigment with a mean particle size of 0.7 µm. The starch solid content should let rise near to the 12 % and the suitable pigment amount would be 1.125 g/m<sup>2</sup> pigment per side. Then the dry solid content of pigment is in the ratio of 3:4 to the surface starch dry solid content. According to the measurements with this combination the porosity decreased 38%. The ash level increased 2.6 % units and the demand of the drainage pressure in the drying group 3 decreased 10 %. However the caliper decreased 3.7% and the roughness increased 10 % when fibers were replaced with pigments and the machine calandering pressure had to be decreased. In the mill trial the surface filling method did not had any considerable effects on the tensile strength, bending stiffness or opacity. The dusting tendency in the unprinted area of the printing roll in the offset printing machine increased two units but in the printed area it lowered six units. The main limitations of the surface filling method were the decreasing caliper and the increasing dusting in the printing rolls of the offset printing machine.

Työn tavoitteena oli selvittää hienopaperin pinnan sulkemismenetelmän rajoitteet, hyödyt ja mahdolliset haittavaikutukset, sekä tuottaa ja tarkastella tieteellistä tietoa menetelmän paremman ymmärtämisen ja kehittämisen tueksi. Työn tarkoituksena oli myös suorittaa täysilaajuinen tehdaskoeajo ja kehittää jatkuvatoimista pinnan sulkemismenetelmää hienopaperikoneelle. Paperin pinnan sulkemisen suurimmat hyödyt olivat paperin huokoisuuden aleneminen, tuhkapitoisuuden nouseminen sekä paperin toispuoleisuuden tasoittuminen. Menetelmän avulla pystyttiin parantamaan myös paperin painatusominaisuuksia. Pilottikoeajoa valmistavissa laboratoriokokeissa huomattiin, ettei GCC-pigmentin lisäyksellä pintaliimaan ole suurta merkitystä pintaliiman viskositeettiin pintaliimatärkkelyksen kuiva-ainepitoisuuden ollessa alle 15 %. Pigmentin lisäys pintaliimaan on varteenotettava vaihtoehto nostaa pintaliimaseoksen kuiva-ainepitoisuutta. Pilottikoeajossa tutkittiin neljää eri pigmenttituotetta. Pintaliimaamattoman pohjapaperin huokoisuutta pystyttiin alentamaan pigmentillä, jonka keskipartikkelikoko oli 1.2 µm, parhaimmillaan jopa 15 %. Käytetty pigmenttimäärä pinnassa oli tällöin 1.125 g/m<sup>2</sup>, ja pintaliimatärkkelyksen kuiva-ainepitoisuus 15 %. Paperin tuhkapitoisuutta kyettiin nostamaan 3 prosenttiyksikköä ja paperin toispuoleisuutta pystyttiin tasoittamaan, koska paperin täyteainejakaumasta Z-suunnassa tuli tasaisempi. Pigmentin partikkelikoon kasvaessa paperin pölyävyys nousi, sillä suuremmat pigmenttipartikkelit täyttivät paperin huokoset nopeammin ja jäivät lähemmäksi paperin pintaa, jolloin ne pääsivät hankauksessa irtoamaan helpommin. Tehdaskoeajossa hienopaperikoneella toimivimmaksi yhdistelmäksi tärkeimpien paperin ominaisuuksien kannalta todettiin 0.7 µm keskipartikkelikoon pigmentti, pintaliimatärkkelyksen ollessa lähellä 12 % kuiva-ainepitoisuutta. Tällöin pigmentin määrä pinnassa molemmilla puolilla oli 1.125 g/m<sup>2</sup>, jolloin puhutaan kuiva-ainepitoisuuksissa pigmentin suhteesta 3:4 pintaliiman tärkkelyksen kuiva-ainepitoisuuteen. Mittaustulosten mukaan huokoisuus laski 38 %. Paperin tuhkapitoisuus nousi 2.6 prosenttiyksikköä ja paperikoneen kolmannessa kuivatusryhmässä kuivatushöyryn paine laski 10 %. Paperin paksuus laski 3.7 % ja karheus nousi 10 %, johtuen kuitujen korvaamisesta pigmenteillä ja konekalanterointipaineen vähentämisestä paksuuden menetyksen minimoimiseksi. Pinnan sulkemismenetelmä ei tehdaskoeajossa aiheuttanut merkitseviä muutoksia paperin lujuusominaisuuksiin, jäykkyyteen tai opasiteettiin. Offset painokoneella painotelan vesipinnan pölyävyys nousi kaksi yksikköä, mutta painetun pinnan telan pölyävyys laski kuusi yksikköä. Pinnan sulkemismenetelmää rajoittavat pääasiassa hienopaperin paksuuden menetys, sekä offset-painossa aiheutuva pölyävyys painokoneen painotelan vesipinnalla.
Description
Supervisor
Paulapuro, Hannu
Thesis advisor
Anjala, Matti
Keywords
surface filling, pinnan sulkeminen, pigmentation, pigmentointi, metered size press, filmiliimapuritin, GCC
Other note
Citation