Starch-Calcium Carbonate Hybrid Pigments for High Filler Content Papers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-04-13
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
95 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 44/2018
Abstract
The replacement of fibers with novel materials in paper is a potential way for the forest industry to gain market competitiveness. This thesis demonstrates a new method to produce hybrid pigments with one potential application in high filler content papers. The target was to integrate precipitated calcium carbonate (PCC) and polysaccharide into a single bondable pigment with a cost-efficient and straightforward technology that could then be used to produce paper with increased filler content while maintaining good strength properties. Two methods were investigated for the hybrid pigment manufacture, both of which utilized co-precipitation i.e. crystallization of calcium carbonate (CaCO3) in the presence of polysaccharide. The first technique examined the addition of dissolved polysaccharide (native corn starch and carboxymethylcellulose, CMC) into the crystallization process. These dissolved polysaccharides were found to interfere with the crystal morphology control and cause aggregation already at low polymer contents (1.5% of PCC). Only minor paper strength benefits were achieved with the hybrid pigments produced by this methodology. In the polysaccharide core-PCC shell procedure, up to 50% of the starch was incorporated into the hybrid pigment structure. This process consisted of starch activation (in order to swell the granules), precipitation of a permeable CaCO3 shell around the swollen starch granules and hybrid pigment cooking to exploit the bonding potential of starch through the porous PCC shell. Native corn and rice starches were subjected to various activation temperatures in order to determine their optimum swelling degree. The retention of starch in the pigment structure after cooking varied from 69% to 94% depending on the level of starch swelling during activation. High retention of starch in the pigment structure resulted in good dewatering during sheet preparation. The cooking stage was found to be essential in order to develop starch's bonding potential and increase paper strength. The optical performance of paper delivered by the hybrid pigments was affected by the starch content, process parameters and starch origin. Various reactor technologies and reaction conditions required for hybrid pigment synthesis were also examined. Batch and fed-batch reactors were examined for the dissolved polysaccharide-PCC method, whereas a circulation reactor with an adjustable high shear mixer was utilized in the core-shell procedure. The high shear reactor demonstrated a more efficient precipitation process when compared to the conventional batch reactor and control of shear in the carbon dioxide feed zone enabled modification of crystal properties, such as particle size and specific surface area. Overall, this thesis provides a simple, novel technique for the encapsulation of starch with PCC. It clearly highlights how hybrid pigment could be used to increase the filler content and the amount of low-cost native starch in paper. The hybrid pigment provides considerable improvements in paper strength while simultaneously maintaining paper optics and sheet drainability.Kuituaineksen korvaaminen uusilla materiaaleilla paperissa tarjoaa potentiaalisen keinon metsäteollisuuden kilpailukyvyn parantamiseen. Tämä työ esittelee valmistusmenetelmän hybridi-pigmenteille, joita voitaisiin hyödyntää esimerkiksi korkean täyteainepitoisuuden paperilajeissa. Tavoitteena oli yhdistää saostettu kalsiumkarbonaatti (PCC) ja polysakkaridi sitoutuvaksi pigmentiksi kustannustehokkaalla, yksinkertaisella teknologialla ja valmistaa sen avulla paperia, jolla on hyvät mekaaniset ominaisuudet korkeammassa täyteainepitoisuudessa. Hybridipigmenttien valmistuksessa käytettiin kahta menetelmää, jotka molemmat hyödynsivät kerasaostusta eli kalsiumkarbonaatin (CaCO3) kiteyttämistä polysakkaridin läsnä ollessa. Ensim-mäinen menetelmä tutki liuenneiden polysakkaridien (natiivin tärkkelyksen ja karboksimetyyli-selluloosan) vaikutusta saostumiseen. CaCO3-kiteiden morfologian hallinta hankaloitui liuenneiden polysakkaridien vaikutuksesta, ja kiteet aggregoituivat jo alhaisissa polysakkaridipitoisuuksissa (1.5 % PCC:stä). Lisäksi hybridipigmenteillä saavutettiin vain vähäisiä paperin lujuusparannuksia. Hybridipigmenttiin pystyttiin lisäämään jopa 50 % tärkkelystä, kun käytettiin polysakkaridi-ydin–PCC-kuori-menetelmää. Menetelmään sisältyi tärkkelyksen aktivointi, joka turvotti jyväset, huokoisen PCC-kuoren saostus turvonneiden jyvästen ympärille sekä muodostetun hybridi-pigmentin keittäminen tärkkelyksen sitoutumispotentiaalin esiin saamiseksi. Modifioimaton maissi- ja riisitärkkelys aktivoitiin useassa eri lämpötilassa optimaalisen turpoamisasteen määrittämiseksi. Tärkkelyksen retentio hybridipigmentissä keiton jälkeen vaihteli välillä 69–94 % riippuen tärkkelyksen turpoamisasteesta aktivoinnissa. Korkea retentio johti hyvään vedenpoistoon arkinvalmistuksessa. Keittovaihe todettiin välttämättömäksi tärkkelyksen sitoutumisen aikaansaamiseksi, mikä havaittiin paperin korkeina lujuusominaisuuksina. Paperin optisiin ominaisuuksiin vaikuttivat hybridipigmenttien tärkkelyspitoisuus ja -laji sekä saostusolosuhteet. Työssä tutkittiin myös erilaisia reaktoriteknologioita sekä reaktio-olosuhteita hybridipigmenttien valmistuksessa. Panos- ja syöttöpanosreaktoreita hyödynnettiin, kun liuenneita polysakkarideja lisättiin saostusprosessiin. Lisäksi testattiin reaktoria, jossa oli kierrätysjärjestelmä sekä säädettävä korkean leikkausvoiman sekoittaja, kun valmistettiin pigmenttejä ydin–kuori-menetelmällä. Tällä reaktorilla aikaansaatiin tehokkaampi saostusprosessi kuin tavallisella panosreaktorilla. Lisäksi leikkausvoimien kontrollointi kaasun syöttöalueella mahdollisti kalsiumkarbonaatin ominaisuuksien, kuten partikkelikoon ja ominaispinta-alan, modifioinnin. Tässä työssä esitetään yksinkertainen, uusi teknologia tärkkelyksen kapselointiin PCC:llä. Työ osoittaa, kuinka valmistettua hybridipigmenttiä voidaan hyödyntää sekä paperin täyteaineen että natiivin tärkkelyksen määrän kasvattamisessa. Hybridipigmentin avulla paperin lujuutta voitaisiin parantaa säilyttämällä samalla hyvät optiset ominaisuudet sekä tehokas vedenpoisto.Description
Supervising professor
Maloney, Thaddeus C., Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandKeywords
filler, papermaking, PCC, polysaccharide, precipitation, starch, strength properties, lujuusominaisuudet, paperinvalmistus, polysakkaridi, saostus, tärkkelys, täyteaine
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kuusisto, J.; Maloney, T. C. The effect of carbonation conditions on the properties of carbohydrate-calcium carbonate hybrid pigments. BioResources, 2015, 10(2), 3277-3292.
DOI: 10.15376/biores.10.2.3277-3292 View at publisher
-
[Publication 2]: Kuusisto, J.; Maloney, T. C. Preparation and characterization of corn starch–calcium carbonate hybridpigments. Industrial Crops and Products, 2016, 83, 294-300.
DOI: 10.1016/j.indcrop.2016.01.026 View at publisher
-
[Publication 3]: Kuusisto, J.; Tiittanen, T.; Maloney, T. C. Property optimization of calcium carbonate precipitated in a high shear, circulation reactor. Powder Technology, 2016, 303, 241-250.
DOI: 10.1016/j.powtec.2016.09.031 View at publisher
- [Publication 4]: Kuusisto, J.; Maloney, T. C. Improving the optical performance of the nanostructured starch-calcium carbonate hybrid pigments. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2017, 32(2), 211-221.