Foam-laid forming technology for fiber webs

Abstract

The forest industry is in the midst of a structural change. The goal is to renew the paper and board industry to produce higher value-added products for future markets. The launch of new wood fiber-based products also requires novel production technologies to achieve the goals of renewal. Current fiber web production technologies are based on water as a flowing medium and a carrier phase of raw materials. In these water-laid processes, a huge amount of water is used and recirculated, and reducing the total amount of water is challenging. Processes are also typically energy intensive. A foam-based process makes it possible to reduce the amount of water as it replaces about two-thirds of the flowing medium with air. In addition, it allows the broad utilization of raw materials in terms of length and density since foam as a flowing medium is more viscous than water, thus leading to a homogeneous distribution of materials, even though the nature and properties of the used raw materials vary considerably. From this perspective, the focus of this dissertation was to investigate the role of flowing medium in the production of wood-fiber containing sheets using an academic approach and applying novel research environments. The studies were performed on the laboratory, semi-pilot and pilot scale. The fundamental research was done on the laboratory scale, where water- and foam-formed sheets were produced using a dynamic vacuum-assisted sheet former simulating the dynamic initial dewatering phase of the forming section. The water-laid semi-pilot-scale process, formerly used for the water process, was modified to foam. The potential of foam-laid technology was investigated by examining the effects of essential process and product parameters. Despite the fact that foams are much more viscous than water, the results showed that the dewatering times were approximately the same in water and foam processes at higher vacuum levels, while at the lowest vacuum level the dewatering time for foam was about 50% higher. From the perspective of dewatering, process efficiency and the functionality of water vs. foam processes and sheets, an increase in the solids content of the foam-formed sheets after the forming section was observed on the laboratory, semi, and pilot scales when a foam density level of ∼ 400 kg/m3 was applied. In addition, the effect of a wet pressing load on the sheet density decreased as a function of the foam density, especially at the highest wet pressing loads. The sheets formed by water and foam were identical in density at the highest wet pressing load and a foam density level of 400 kg/m3. It must be highlighted that a production machine converted to use foam technology can still be run in water mode. This aspect opens up new possibilities for conventional smaller-scale production capacity machines, which in principle are more suitable for converting into foam operating machines.

Metsäteollisuus on rakennemuutoksen keskellä ja nykyisten paperi- ja kartonkituotesovellusten lisäksi tarvitaan markkinoille korkeamman jalostusarvon tuotteita. Uusien puukuitupohjaisten materiaalien ja tuotteiden valmistus tarvitsee myös uusia tuotantoteknologioita uudistamistavoitteiden saavuttamiseksi. Nykyiset tuotantotekniikat perustuvat veteen virtaavana väliaineena ja raaka-aineiden kantajana ja käytettävän veden määrän merkittävä vähennys on haastavaa. Lisäksi prosessit ovat myös tyypillisesti energiaintensiivisiä. Vaahtorainaus mahdollistaa veden määrän vähentämisen, kun se korvaa noin kaksi kolmasosaa virtaavasta väliaineesta ilmalla. Lisäksi vaahdon korkeampi viskoottisuus veteen nähden mahdollistaa ominaisuuksiltaan erilaisempien raaka-aineiden käytön ja homogeenisemman materiaalijakauman lopputuotteessa. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia virtaavan väliaineen roolia puukuituja sisältävien arkkien valmistuksessa hyödyntäen tutkimukseen soveltuvia tutkimusympäristöjä ja soveltaen akateemista lähestymistapaa. Tutkimus toteutettiin laboratorio-, semi-pilot- ja pilot-mittakaavassa. Vesirainaukseen suunniteltu semi-pilot-prosessi modifiointiin vaahtorainaukseen soveltuvaksi. Vaahtorainausteknologian potentiaalia tutkittiin selvittämällä keskeisten prosessi- ja tuoteparametrien vaikutuksia vesi- ja vaahtorainausprosessin välillä. Väitöskirjatyön perustutkimus toteutettiin laboratoriomittakaavassa, jossa vesi- ja vaahtorainatut arkit valmistettiin dynaamisella alipaineavusteisella arkkimuotilla, joka simuloi tuotannollisen mittakaavan rainan muodostuksen, formeriosan, dynaamista alkuveden- ja vaahdonpoistoa. Vedenpoistotulosten mukaan vedenpoistoajat olivat lähes yhtä suuria vedellä ja vaahdolla korkeilla alipainetasoilla, kun taas matalammilla alipainetasoilla vaahdon vedenpoistoaika oli noin 50% korkeampi. Tarkasteltaessa vesi- ja vaahtoprosesseja ja arkkeja vedenpoiston, prosessitehokkuuden ja toiminnallisuuden näkökulmasta, havaittiin vaahtorainattujen arkkien korkeampi kuiva-ainepitoisuus formeerauksen jälkeen vaahdon tiheystasolla 400 kg/m3 kaikissa tutkimuksissa. Vesi- ja vaahtoarkit olivat identtisiä tiheyden kannalta tarkasteltuna suurimmalla märkäpuristuskuormalla ja vaahdon tiheystasolla 400 kg/m3.Työssä osoitetiin, että vaahtorainaukseen modifioitu prosessi on edelleen ajettavissa vesiprosessina. Tämä näkökulma antaa uusia mahdollisuuksia vesiprosessia soveltaville pienemmän mittakaavan tuotantokoneille, jotka ovat periaatteellisesti soveltuvampia muunnokselle vaahtorainaukseen.