Alkaliannos

Alkaliannos on tärkein säätöparametri happidelignifioinnissa. Alkali käynnistää ligniinin hapettumisreaktiot ja neutraloi syntyvät happamat reaktiotuotteet. Kun alkali on kulunut loppuun, ei hapettumisreaktiota enää tapahdu, vaikka valkaisuliuos sisältäisikin vielä vapaata happea /49/. Näin ollen tietyn delignifiointiasteen saavuttamista voidaan ohajata alkaliannoksella, mikäli muut prosessiolot pidetään vakiona /47/. Alkalia tarvitaan 0,1 — 0,13 % NaOH :na uunikuivasta massasta laskettuna yhden kappayksikön laskua kohden /46, 56/.

Kemikaalien annostelu jaetaan normaaleissa kaksivaiheisissa happivaiheissa molempien tornien kesken tietyn osuuden mukaan (kuva 21).

STEAM OXYGEN

REACTOR 2 OXYGEN

REACTOR 1 GFF-WASHER

WASHER

TO NEXT STAGE

AHLMIX OXYGEN MIXER AHLMIX

OXYGEN MIXER

Kuva 21. Kemijärven kaksivaiheinen happidelignifiointivaihe /57/.

Sunds Defibratorin kehittelemään kaksivaiheiseen happidelignifiointivaiheeseen, Оху Trac™:iin, kemikaaliannostelu tapahtuu pelkästään ensimmäiseen torniin, jossa lämpötila pidetään suhteellisen alhaisena (kuva 22) /51/. OxyTracm, avulla voidaan Bokströmin /50, 51/ mukaan päästä n. 70 %:n delignifiointiin selektiivisyyttä huonontamatta. OxyTrac -systeemissä ligniini pilkkoutuu ensimmäisessä reaktiotomissa ja toisessa tornissa ligniini uutetaan ulos kuidusta.

Kuva 22. OxyTrac -systeemi /57/.

4.2.2 Lämpötila

Reaktiolämpötilalla voidaan vaikuttaa vaiheen selektiivisyyteen ja delignifioitumiseen. Lämpötilan nosto nopeuttaa hapen reaktioita sellun kanssa.

Sama delignifioitumisaste saavutetaan korkeamassa lämpötilassa pienemmällä alkaliannoksella kuin matalassa lämpötilassa. Vakioalkaliannoksella kappaluku alenee 2-4 yksikköä jokaista lämpötilan kymmenen asteen nousua kohti /49/.

Tehdasmittakaavaisessa happidelignifioinnissa käytettävä lämpötila on yleensä 95 -105 °C /46,47/

Happivaihetta voidaan ajaa yksi- tai kaksivaiheisena. Kuvista 21 ja 22 nähdään kaksivaiheinen happivaihe ja kuvista 24 ja 25 yksivaiheinen happivaihe. Yhä useammin ovat viimevuosina käyttöönotetut happivaiheet olleet kaksivaiheisia /47/. Suomessa oli vuoden 1998 loppuun mennessä toiminnassa yhdeksän kaksivaiheista happivalkaisua, jotka kaikki toimivat keskisakeusalueella /58/.

Ruotsissa (SCA Östrand mill) on Bokströmin mukaan /50, 51/ päästy kaksivaiheisella MC - happidelignifioinnilla 60 - 70 % delignifioitumisasteeseen, vaikka ensimmäisen vaiheen lämpötila on ollut vain 80 - 85 °C /56/. Martikainen et ai. /57/ ovat hekin todenneet, että 65 - 75 %:n kappareduktio on mahdollista massan saantoa ja lujuuksia oleellisesti huonontamatta, jos ensimmäisen vaiheen lämpötila pidetään suhteellisen alhaisena.

4.2.3 Sakeus

Happidelignifiointi voidaan tehdä joko korkeassa ( HC 20 - 30 %) tai matalassa (MC 8 - 15 %) sakeudessa. Korkeassa sakeudessa massa delignifioituu nopeammin kuin matalassa sakeudessa (kuva 23). Pienissä sakeuksissa tarvitaan enemmän alkalia samaan kappalukuun pääsemiseksi /49/.

KAPPA NUMBER

20 ^*

10 % CONSISTENCY

25% CONSISTENCY

60 80 100 120 TIME ,MIN

Kuva 23. Happidelignifioinnin sakeuden vaikutus delignifiointiin /46/.

Nykyisin uudet happidelignifiointilaitokset toimivat keskisakeudessa ja НС - vaiheitakin ollaan muuttamassa MC — tekniikalle /46, 52/. Kuvissa 24 ja 25 nähdään tyypilliset MC- ja HC- happidelignifiointivaiheet.

( C WR k

COOLER

i CWS

OXYGEN REACTOR

OXYGEN

niXER

SEAL TAMC

OXYGEN NIXER

STEAfl

Kuva 24. MC - happidelignifiointivaiheen virtauskaavio /56/.

POST OXYGEN VAStCfl

OXYGEN REACTOR

ПШ1>

Kuva 25. НС - happidelignifiointivaiheen virtauskaavio /56/.

4.2.4 Reaktioaika

Happidelignifioinnissa reaktiot ligniini kanssa tapahtuvat kahdessa vaiheessa:

nopea, lyhyt vaihe kestää n. 10 minuuttia, jonka aikana suurin osa ligniinistä liukenee (kuva 26) ja sen jälkeen hidas loppuvaihe, jossa delignifioituminen jatkuu nopeudella, joka on suoraan verrannollinen jäännösligniinin määrään /54/.

Tehdasoloissa MC - happivaiheiden viipymät ovat yleensä 45 - 60 min /46, 51, 55/, mutta HC - tekniikalle vain 30 min /56/.

Softwood

Alkali : 1.8% as NaOH Temp.: КХГС

Reaction Time (min)

Kuva 26. Mäntysulfaattimassan happidelignifioituminen ajan funktiona /53/.

4.2.5 Hapen paine

Hapen paineen vaikutus on pieni verrattuna alkaliannokseen tai lämpötilan vaikutukseen.

Happi liukenee huonosti veteen ja aikalisiin liuoksiin vielä huonommin.

Ylipaineen avulla parannetaan hapen liukoisutta ja diffuusiota nestekerroksen läpi kuidun pinnalle. Hapen dispergointia sulppuun parannetaan myös tehokkaalla sekoituksella, etenkn MC - sakeuksissa /49/.

Tehdasmittakaavassa happidelignifionnissa käytetään yleensä 0,3 - 1 Mpa:n painetta /46, 50, 51, 56/.

4.3 Happidelignifioinnin vaikutus massan paperiteknisiin ominaisuuksiin

Happidelignifioinnin etuina keittoon verrattuna on selektiivisempi delignifiointi ja sen seurauksena korkeampi saanto. Vaikutusta voidaan tehostaa tekemällä happidelignifiointi monivaiheisesti, jolloin saanto ja massan viskositeetti kärsivät vähemmän kuin samaan kappalukuun yksivaiheisesti delignifioitaessa. Hyvin alhaisiin kappalukuihin mentäessä massan viskositeetti ja lujuusominaisuudet kuitenkin heikkenevät, koska selluloosaketju depolymeroituu happialkalioloissa /67, 76/. Ilmiötä pyritään vähentämään käyttämällä matalampia lämpötiloja ja pienempiä alkaliannoksia (kuva 27).

Viscosity of OI pulp, ml/g

Pulp kappa Ño. 30:

—e— OI 9543

-—■— 0110543 Pulp kappa No. 22:

—û— OI 10043

-NaOH charge in OI, %

Kuva 27. Happidelignifioidun massan viskositeetti alkaliannoksen funktiona /68/.

Virtasen /67/ mukaan voimakas kappareduktio ensimmäisessä happivaiheessa hidastaa massan jauhautumista vetolujuuden suhteen mitattuna ja alentaa myös massan valonsirontakerrointa. Repäisylujuuden ei todettu laskevan alkudelignifioinnin rajuuden kasvaessa. Jauhatustarpeen kasvu johtuu alhaisemmasta kappatasosta ja siitä, että hemiselluloosia liukenee rajussa

alkudelignifioinnissa runsaasti. Taulukkoon 4 on koottu massojen paperiteknisiä ominaisuuksia vetoindeksissä 70 Nm/g.

Taulukko 4. Kaksivaiheisen happidelignifioinnin vaikutus massan paperiteknisiin ominaisuuksiin 1611. indeksi T70

(mNm'/kg) Ol-vaihee n kapparedukilo 43 %. 02-vaiheen tulokset

95 2 11.2 880 495 17,3 22,0 1,45 3,6

Ol-vailicen kapparedv kilo 61 %. 02-vaihecn tulokset

95 2 8,7 840 763 17,1 19,8 1,44 2,3

100 2 8,2 820 770 17,0 19,9 1,42 2,6

105 2 7,7 810 919 16,0 19,8 1,42 2,3

110 2 7,3 800 895 16,1 19,8 1,40 2,4

Poukka /46/ on laboratoriomittakaavassa tehdyssä lisensiaatityössään tutkinut erikappaisten massojen happidelignifiointia erilaisilla happisekvensseillä.

Tulokset osoittavat, että suurin vetoindeksi vakiojauhatuksella saatiin happikäsittelemättömällä massalla. Repäisyindeksin on kirjallisuudessa todettu laskevan happikäsittelyn myötä /67/. Poukka /46/ ilmoittaa kuitenkin työssään, että happidelignifioitaessa kappaan 30 keitettyjä massoja erilaisilla happisekvensseillä, saadaan vetolujuudessa 70 Nm/g happidelignifioimattomalle referenssimassalle huonoin repäisylujuus (kuva 28).

VALKAISTU HAVUSULFAATTI

Referenssi

O-OP

Keittokappaluku

Kuva 28. Valkaistujen massojen repäisyindeksi vedossa 70 keittokapan funktiona.

PFI-jauhatus /46/.

Poukan kanssa samaan tulokseen vetolujuudessa on päässyt Törönen tutkimuksessaan /69/, jossa hän tutkii tehdasmittakaavassa happivaiheen vaikutusta massan lujuusominaisuuksiin. Vetolujuuden kehityksen todetaan hidastuvan happivaiheen myötä. Törösen tutkimuksen mukaan repäisylujuus heikkenee happivaiheen ja sen prosessilaitteiston yli. Tämä on ristiriidassa Poukan tutkimuksen kanssa, mutta Törösen tutkimus on tehdasmittakaavainen. Tehtaiden prosessilaitteistojen aiheuttamista kuituvaurioista on vielä erittäin vähän tietoa, mutta niiden aiheuttamien mekaanisten kuituvaurioiden tiedetään heikentävän kuitua/70, 72, 73/.

4.4 Mekaaniset kuituvauriot

Tehdasmittakaavaisessa kuitulinjassa ei pystytä täydellisesti hyödyntämään sulfaattiselluloosan lujuuspotentiaalia. Osa lujuuksien menetyksestä johtuu kuitujen kemiallisesta käsittelystä, mutta myös kuitujen mekaaninen rasitus heikentää kuituja. Gullichsen /76/ toteaa, että kuitumateriaalin siirto käsittelyvaiheesta toiseen aiheuttaa vain marginaalisia mekaanisia vaurioita, mutta niiden suuri lukumäärä voi yhteisvaikutuksena vaikuttaa ratkaisevasti

lujuusominaisuuksiin. Kuitujen epämuodostumia voi syntyä luonnollisesti mm.

puun heiluessa tuulessa tai puun kasvaessa jännittyneenä. Kuituja prosessoitaessa, epämuodostumia syntyy mm. haketusprosessissa, paineiskuissa tai keskisakeusalueella toimivissa laitteissa /72/. Tässä yhteydessä mekaanisena vaurioitumisena käsitellään kihartumista (curl), sijoiltaanmenoa (dislokaatio) ja kiertymää (kink).

Page et ai. /73/ ovat todenneet kihartuneiden kuitujen pienentävän arkin vetolujuutta, mutta samalla kasvattavan arkin repäisyvastusta. Tämä on selitetty epätasaisena jännityksen jakautumisena, kihartuneiden kuitujen sidoskohdissa.

Sidoskohtien suurempi jännitys johtaa siihen, että sidoskohtien katkaisemiseen tarvitaan enemmän energiaa. Kihartuneiden kuitujen on todettu myös lisäävän arkin huikkia ja huokoisuutta.

Dislokaatioksi, tai mikrokompressioksi kutsuttu sijoiltaanmeno määritellään kuidussa alueeksi, jossa mikrofibrillien järjestyneisyys on paikallisesti häiriintynyt /73/. Pieni määrä sijoiltaanmenoja pienentää kuidun jäykkyyttä merkittävästi /74/.

Dislokaatiot kuitenkin heikentävä yksittäisten kuitujen lujuutta ja heikentävät näin massan lujuusominaisuuksia.

Kiertymäksi ovat Page et ai. /73/ määritelleet epäjatkuvuuskohdan, jossa kuidun akselin suunta muuttuu jyrkästi. Kiertymät esiintyvät usein myös kihartuneen ja sijoiltaan menneen kuidun kanssa yhdessä.

Mekaanisten kuituvaurioiden vaikutusta paperiteknisiin ominaisuuksiin on tutkinut myös Pihlava /72/ työssään, jossa mekaanisia kuituvaurioita aikaansaatiin laboratoriomittakaavassa. Vauriot synnytettiin pääasiassa paineiskuilla.

Tutkimuksessa todettiin, että vaurioitetut kuidut jauhautuivat hitaammin tiettyyn vetolujuuteen. Repäisylujuuden maksimi saavutettiin alhaisemmilla vetolujuuden arvoilla kuin vaurioittamattomilla kuiduilla. Joissain tapauksissa vaurioitettujen kuitujen repäisylujuuden maksimi oli korkeammalla tasolla kuin ehjien kuitujen

repäisylujuus. Jauhatuksen lisääntyessä, vaurioitettujen kuitujen repäisylujuus putosi kuitenkin alhaisemmalle tasolle kuin ehjien kuitujen.

5 E

^ri paperilajien havumassoiltavaatimat PAPERITEKNISET OMINAISUUDET

5.1 Yleistä

Havupuukuidut poikkeavat morfologialtaan hyvin paljon toisistaan. Havupuut muodostavat kasvukauden alussa leveitä, ohutseinäisiä kevätpuukuituja ja kasvukauden lopussa kapeita, paksuseinäisiä kesäpuukuituja /3/. Kevät- /kesäpuusuhde ja kuidun seinämänpaksuus ovat riippuvaisia puulajista ja kasvuoloista. Havusulfaattisellun ominaisuudet määräytyvät pitkälti kuidun pituudesta ja erityisesti kuidun seinämän paksuudesta. Puun keitto-olosuhteilla on siis pienempi painoarvo massan paperiteknisten ominaisuuksien muokkaajana kuin raaka-aineella. Paavilainen /3/ toteaakin, että massan paperiteknisiä ominaisuuksia voitaisiin muokata, jos kevät-Zkesäpuusuhdetta, tai kuidun seinämänpaksuutta voitaisiin säädellä. Raaka-aineen tarkka valikoiminen mahdollistaa pinta- ja sydänpuun erillisen keiton. Näin saadaan kuitumorfologialtaan erilaiset kuidut erilleen. Raaka-aineen tarkan valikoimisen lisäksi, paksu- ja ohutseinäiset kuidut voidaan eritellä toisistaan myös ffaktioinnilla.

5.1.1 Fraktiointi

Fraktiointi voidaan suorittaa joko ennen keittoa, jolloin paksu- ja ohutseinäiset kuidut erotetaan toisistaan hakkeen muodossa, tai keiton jälkeen, jolloin erotus tapahtuu massasulpussa /3, 5/. Ennen keittoa tapahtuvassa fraktioinnissa hajotetaan puut kevät- ja kesäpuuksi tiheyserojen perusteella. Tämän mekaanisen käsittelyn on kuitenkin todettu vaurioittavan kuituja, joten kuidun ominaisuuksien

kannalta onkin edullisempaa suorittaa fraktiointi kevät- ja kesäpuukuiduiksi keiton jälkeen. Koska ohuet ja paksut kuidut jauhautuvat eri tavalla, on fraktiointi syytä suorittaa ennen jauhatusta.

Paavilainen /3/ on tutkimuksissaan tutkinut kolmea erilaista fraktiointimenetelmää. Tutkimuksissa mukana olivat: pyörrepuhdistus, Johnson - fraktionaattori ja Jacquelin -laite. Tutkimuksissa kävi ilmi, että pyörrepuhdistin toimii parhaiten kevät-ja kesäpuukuitujen erottelijana.

Kolmantena erottelukeinona voidaan pitää puuraaka-aineen tarkkaa valikoimista, joka perustuu puiden morfologian tarkkaan tuntemukseen /5/. Useat tehtaat maailmalla soveltavat tätä menetelmää sekoittamalla sahahaketta tietyssä suhteessa tavallisen hakkeen sekaan. Uudessa-Seelannissa onkin tällä menetelmällä saavutettu pituusmassaltaan kolmea toisistaan poikkeavaa kuitumassaa.

Tässä yhteydessä keskitytään kuitenkin tarkastelemaan ffaktiointia, joka suoritetaan keiton jälkeen pyörrepuhdistimella.

5.1.2 Pyörrepuhdistus

Kevät-ja kesäpuukuitujen erotus pyörrepuhdistimessa perustuu kuitujen massa- ja muotoeroihin /3/. Keskipakovoiman ansioista painavimmat kappaleet hakeutuvat pyörrepuhdistimen ulkoreunaan, josta ne ohjataan rejektiksi. Painavat, paksuseinäiset kesäpuukuidut muodostavat siis pääosan pyörrepuhdistimen rejektivirrasta. Ohutseinäiset, kevyet kevätpuukuidut ohjautuvat puhdistimen keskikierteeseen, josta kuidut ohjataan akseptiksi. Keskihakuvoiman lisäksi kuituihin kohdistuu leikkausvoimia, jotka ovat riippuvaisia kuitujen pituudesta ja leveydestä. Leveät kevätpuukuidut vastustavat kesäpuukuituja voimakkaammin ulkopyörteeseen painavaa keskipakovoimaa.

Paavilainen /3/ totesi tutkimuksessaan, että yksivaiheisella pyörrepuhdistuksella voidaan rejektin kesäpuukuidun osuus nostaa n.40 %:iin. Kolmivaiheisella puhdistimella päästään jopa 70 %:n kesäpuuosuuteen. Toisaalta tutkimuksessa kävi myös ilmi, että yksivaiheisen pyörrepuhdistuksen akseptin kesäpuuosuus oli vain 6 %. Näin homogeenisten fraktioiden paperiteknisissä ominaisuuksissa on huomattavia eroja.

5.1.3 Fraktioiden paperitekniset ominaisuudet

Paksuseinäiset, jäykät kesäpuukuidut (rejekti) muodostavat avoimen kuituverkoston, jossa kuitujen välisten sidosten pinta-ala ja lukumäärä ovat pienet.

Ohutseinäiset, pituusmassaltaan pienet, taipuisat kevätpuukuidut (aksepti) pääsevät lähelle toisiaan mahdollistaen useampien sidosten muodostumisen ja kasvattaen arkin tiheyttä /3/. Samaan tulokseen on pääsyt Sintonen /59/

tutkimuksessaan, jossa Kaukopään mänty sellua fraktioitiin pyörrepuhdistimella kevät- ja kesäpuukuituihin suhteessa 70% / 30%. Sintonen toteaa akseptista (kevätpuukuidut) valmistetun arkin tiheyden oleva 119 kg/m3 tiheämpää kuin rejektistä (kesäpuukuidut) valmistetun arkin tiheys. Vetolujuudeltaan akseptin on todettu olevan kaksinkertainen rejektiin verrattuna. Sekä Paavilainen /3/, että Sintonen /59/ toteavat, että jauhamattomana rejektin repäisylujuus on pienempi kuin akseptin repäisylujuus, mutta jo pieni jauhatus kääntää tilanteen päinvastaiseksi. Jakeiden vaaleuseroilla ei ole todettu olevan juurikaan eroja, mutta opasiteetiltaan tiheäarkkinen aksepti on huomattavasti rejektiarkkia parempi.

Fraktioinnista saatavien jakeiden paperitekniset ominaisuudet poikkeavat siis erittäin paljon toisistaan. Eri paperilajien vaatimat kuidun ominaisuudet on otettava huomioon tarkasteltaessa jakeiden sopivuutta paperin/kartongin valmistukseen.

5.2 Armeerausmassat

Armeerausmassan ensisijainen tehtävä on antaa paperille riittävä lujuus. Se ei saa lisätä karheutta ja se edistää formaatiota /76/. Lujuusominaisuuksiin vaikuttavat mm. seuraavat armeerausmassan ominaisuudet /60, 76/:

• kuitujen pituus ja niiden jakauma

• kuitujen oma lujuus

• kuitujen sitoutumiskyky

• kuitujen määrä

• kuitujen paksuus ja seinämän paksuus

• kuitujen taipuisuus

Suuri kuidun keskipituus merkitsee sitä, että kuitu “löytää” helpommin toisen kuidun ja muodostaa lujan kuitu-kuitusidoksen. Kuidun oma lujuus vaikuttaa siihen, katkeaako kuitu rasituksesta, vai liukuuko se ehjänä irti matriisista.

Samaan vaikuttaa myös kuitujen sitoutumiskyky. Kuitujen määrä puolestaan vaikuttaa siihen, kuinka täydellinen selluverkosto paperiin syntyy /60/.

Armeerausmassojen tärkeimpinä käyttökohteina voidaan pitää puupitoisia painopapereita, joista tässä käsitellään SC- ja LWC- papereita.

Armeerausmassoille on kehitetty laskennallinen suure, joka kuvaa kuitujen armeerauskykyä. Tätä suuretta kutsutaan armeerauskertoimeksi ja lasketaan kaavasta l/w, eli kuidun pituus jaettuna kuidun pituusmassalla /9/. Jos suure kerrotaan repäisyindeksillä vetoindeksissä 70 Nm/g (l/w * T70), saadaan kerroin, joka kuvaa parhaiten kuitujen armeerauskykyä SC- ja LWC- paperissa. KCL:n tekemän esiselvityksen /67/ mukaan hyvän armeerausmassan tulisi säilyttää armeerauskykynsä myös silloin, kun sitä joudutaan vetoindeksivaatimusten vuoksi jauhamaan normaalia pidemmälle.

250

-< 200

Tensile index, Nm/g

■■••O***' MäK/P —-û—• MåT MäSa

Kuva 29. Armeerauskerroin (l/w * Tref) vetoindeksin (jauhatuksen) funktiona /67/.

MäO mäntyohutpuu

MäK mäntykuitupuu

MäK/P mäntykuitupuu (pohjoinen)

MäT mäntytukkipuu

MäSa mänty sahanhake

Kuten kuvasta 29 nähdään, armeerauskertoimen pienenemisnopeus kasvoi pituusmassan kasvaessa, koska suuripituusmassaiset kuidut katkeilivat rajussa jauhatuksessa enemmän kuin joustavat, nauhamaiset kuidut, joiden pituusmassa

oli pieni.

5.2.1 Armeerausmassojen käyttö puupitoisissa painopapereissa

Sellukuitujen lukumäärä ja niiden välisten kosketuskohtien lukumäärä ovat ratkaisevia armeerausmassan toiminnan kannalta, joten toimintamekanismia on syytä tarkastella armeerausmassan osuuden funktiona. Paperilajeissa, jossa sellun osuus on alle 30 % ( SC), ei synny yhtenäisiä sellukuituverkostoja, vaan rainaan syntyy vain vähän sellukuitujen välisiä lujia sidoksia. Rainan murtuessa sellukuidut eivät katkea, vaan liukuvat ehjinä ulos kuituverkostosta. Sellukuitujen on siis oltava pitkiä ja joustavia. Pituuden ja pituusmasssan suhde (l/w) tulisi siis

olla suuri /61/. SC-paperin armeerausmassalta vaatimiin ominaisuuksiin vaikuttavat myös paperin muut raaka-aineet. Jos mekaanisena massana on käytetty hioketta (SGW), niin armeerausmassan kriittiseksi suureeksi tulee vetolujuus. Jos taas mekaanisena massana on käytetty hierrettä (TMP), niin armeerausmassalta vaaditaan vähemmän jauhatusta ja parempaa repäisylujuutta /75/.

Suurilla armeeraussellun osuuksilla (yli 30 %, LWC) syntyy yhtenäinen sellukuituverkosto. Sellukuitujen välisten sidosten lisääntyessä, lisääntyy armeerausmassan vaikutus paperirainan ominaisuuksiin. LWC -paperin hyvän repäisylujuuden saavuttamiseksi vaaditaan armeerausmassalta hyvää repäisylujuutta. LWC -paperin armeeraussellukuitujen on oltava pitkiä ja joustavia/61/.

5.3 Kartonki

Kartongin kuiduilta vaatimat paperitekniset ominaisuudet poikkeavat osaltaan hienopaperin vaatimilta ominaisuuksilta. Syynä tähän on kartonkituotteiden vaatima ryhdikkyys ja jäykkyys /62/. Jäykkyyteen vaikuttaa monikerroskartongeissa erityisesti runkokerroksen paksuus ja pintakerroksen kimmokerroin. Runkokerroksen paksuuden saavuttaminen alhaisella neliömassalla vaatii kuiduilta hyvää huikkia. Monikerroskartongin palstautumisen ehkäisemiseksi vaaditaan kartongilta hyvää palstautumisluj uutta, sekä nuutattavuuden kannalta suuri murtovenymä.

Hyvän päällystystuloksen kannalta pintakerrokselta vaaditaan alhaista karheutta, hyvää formaatiota ja pintaluj uutta. Pintakerroksilta vaaditaan alhaista huokoisuutta, jotta päällysteen ja painovärin imeytyminen keskikerroksiin estyisi.

Korkealuokkainen painotyö vaatii hyvät optiset ominaisuudet, joten vaaleuden, kiillon ja opasiteetin tulee olla korkeat /62, 63/. Nestepakkauskartonki vaatii

sellulta korkeaa vetolujuutta, huokoisuutta, huikkia, hyviä optisia ominaisuuksia, hajuttomuutta ja mauttomuutta /64/.

Kirjallisuuden mukaan /65/ fraktioitua massaa käyttämällä kartongin jäykkyyttä voidaan parantaa n. 35 %. Tämä mahdollistaisi Kartovaaran /65/ mukaan kartongin neliömassan alentamisen 300 g/m2:sta n. 270 g/m2:een.

6 KlRJALLISUUSOSAN YHTEENVETO

Kemiallisen massan laatuvaihteluista suurin osa on peräisin kuitumorfologiasta.

Kuitumorfologiset erot johtuvat puun perintötekijöistä, puun iästä, kasvunopeudesta, kasvuolosuhteista sekä maantieteellisistä eroista. Vaihtelut vaikuttavat pääosin kevät-/kesäpuuosuuksiin. Suomalaisen männyn kesäpuuosuus maan eteläosissa on noin 20 % ja pohjoisessa noin 15 %. Kesäpuuosuus kasvaa puun pintaan päin ja on suurimmillaan puun tyviosassa pienentyen latvaan päin siirryttäessä.

Tutkimusten mukaan kuidun seinämän paksuuden vaikutus massan paperiteknisiin ominaisuuksiin olisi jopa hieman kuidun pituutta vaikuttavampi tekijä. Männyn kesäpuukuidun seinämänpaksuus on noin 2-3 -kertainen kevätpuukuituun verrattuna /2,3/. Tämä tekee yksittäisestä kesäpuukuidusta huomattavasti kevätpuukuitua vahvemman. Ohutseinäisen kevätpuukuidun sitoutumiskyky on kuitenkin parempi kuin kesäpuukuidun sitoutumiskyky.

Repäisylujuudeltaan kesäpuukuitu on kevätpuukuitua parempi, mutta hyvää sitoutumislujuutta vaativa vetolujuus on kevätpuukuidulla kesäpuukuitua parempi.

Optisilta ominaisuuksiltaan kevätpuukuitu on kesäpuukuitua parempi. Raaka- aineen muutoksella voidaan siis vaikuttaa huomattavasti massan peperiteknisiin ominasisuuksiin.

Epätasaisen raaka-aineen, riittämättömän imeytyksen ja väärien keitto- olosuhteiden on todettu lisäävän keiton delignifioitumisen epähomogenisuutta.

Epätasaisen delignifioituminen saa aikaan epätoivottavaa kappahajontaa, joka vaikuttaa alentavasti massojen lujuusominaisuuksiin /35, 39, 40/.

Happidelignifioinnin käyttö j atkodelignifiointiin on lisääntynyt viimeaikoina huomattavasti. Vaikka happidelignifioinnin on todettu heikentävän kuitua ja pienentävän saantoa, on se kuitenkin teknisesti ja taloudellisesti edullisin jatkodelignifiointivaihtoehto sekä korkeaan että alhaiseen kappalukuun keitettäessä. Happidelignifioinnin selektiivisyyttä ollaan pyritty lisäämään käyttämällä matalampia lämpötiloja ja pienempiä alkaliannoksia. Kaksivaiheisen happidelignifioinnin etuina on suurempi kappareduktio ja parempi saanto.

Hyvän armeerausmassan lujuusominaisuuksiin vaikuttavat mm seuraavat ominaisuudet:

• kuidun pituus

• yksittäisten kuitujen lujuus

• kuitujen sitoutumiskyky

• kuitujen määrä

• kuitujen seinämänpaksuus

Armeerausmassoj en tärkeimmät käyttökohteet ovat puupitoiset painopaperit; SC- ja LWC -paperi. SC -paperi vaatii armeerausmassan kuiduilta pituutta ja joustavuutta. Pituuden ja pituusmassan suhde (l/w) tulisi olla suuri. LWC -paperin vaatiman armeerausmassan repäisylujuuden tulisi olla korkea, joten yksittäisen kuidun lujuus tulisi olla riittävä.

KOKEELLINEN OSA

7 T

yön tavoitteet

Työssä tutkittiin kuituraaka-aineen ja kappahajonnan vaikutusta kuidun kykyyn kestää happidelignifiointia. Tavoitteena oli selvittää, onko kuidun rakenteella (kuidun seinämän paksuus) vaikutusta sen kykyyn kestää happidelignifiointia, kun happidelignifiointiin menevän massan kappahajonta on kapea tai laaja.

Kuituraaka-aineina pyrittiin käyttämään materiaaleja, joiden kuitumorfologiset erot olisivat mahdollisimman suuret. Teollisten keittimien sisäistä kappahajontaa pyrittiin jäljittelemään laboratoriossa sekoittamalla määrätyssä suhteessa, tiettyyn kappalukuun keitettyjä massoja. Massasekoituksien keskikappalukutavoitteeksi asetettiin 30.

Eri annoksilla happidelignifioitujen, valkaistujen massojen PFI- jauhatuksella pyrittiin selvittämään massojen paperiteknisiä ominaisuuksia.

Kokeellinen osa suoritettiin 1.6.1999 - 31.1.2000 välisenä aikana Stora Enso Oyj:n Imatran tutkimuskeskuksella, sellutekniikan tutkimusyksikössä.

8 KÄYTETYT MATERIAALIT JA MENETELMÄT

8.1 Kuituraaka-aineiden alkuperä

Kuituraaka-aineina työssä käytettiin:

• mäntysahahake, etelä

• mäntykuitupuu, pohjoinen

• kuusisahahake, etelä

Eteläinen mäntysahahake haettiin Joutsenosta Honkalahden sahalta, jossa raaka- aineena oli hakuhetkellä järeä mäntytukki. Hakkeesta käytetään jatkossa tässä työssä nimeä honkalahti.

Pohjoinen mäntykuitupuu saatiin Kemijärven sellutehtaan hakelinjalta. Hakkeesta käytetään tässä työssä nimitystä kemijärvi.

Kiteen sahan kuusihcike on otettu rekka-autosta Kaukopään CTMP -hakkeen purkupaikalta.

Pohjoinen kuitupuu on haettu Kemijärveltä, tavanomaiselta kasvupaikalta. Puut valikoitiin puun pituuden (n. 15-17 m), rungon suoruuden sekä rinnanympärysmitan (halkaisia n. 15 cm) mukaan. Puut lähetettiin haketettavaksi Helsingin Teknillisen korkeakoulun puunjalostustekniikan osaston selluloosatekniikan laboratorioon, jossa ne haketettiin erikoishakkurilla erikoishakkeeksi, jonka hakepituus oli 4 cm ja hakepaksuus 4 mm. Hake oli erittäin tasapituista ja tasapaksuista.

Hakkeista tehtiin seuraavat analyysit:

• kuiva-aine

• irtotilavuuspaino

• kuivatuoretiheys hakkeesta

• kuivatuoretiheys kiekosta (mäntykuitupuu pohjoinen)

• kasvunopeus

Tehtyjen analyysien standardit sekä standardoimattomien analyysien analyysimenetelmät ovat esitetty liitteessä 1.

8.2 Hakkeiden käsittely

Analyysien jälkeen hakkeet seulottiin. Tarkoituksena oli saada mahdollisen tasalaatuista haketta, joten seulonta suoritettiin kaksivaiheisesti. Ensin suoritettiin Wilen -seulonta. Seulonnasta otettiin talteen kolmas jae, joka seulottiin edelleen rakoseulalla. Rakoseulonnan toinen ja kolmas jae hyväksyttiin keittoon.

Hyväksytyistä jakeista poistettiin silmämääräisesti oksat ja kuorenkappaleet.

Molemmista seulonnoista tehtiin seulontajakauma, joista nähdään hakkeen palakokojakauma. Seulontajakaumat ovat esitetty liitteessä 2. Erikoi s hakkeen tasaisuudesta johtuen, sitä ei seulottu yllä esitetyllä tavalla, vaan siitä poistettiin tikut ja purut liitteessä 1 esitetyllä tavalla.

Hyväksytyt jakeet kuivattiin 70 °C:ssa. Kuivatuksen jälkeen hakkeet pantiin muovipusseihin ja annettiin kuiva-aineen tasaantua. Kuiva-aine oli kuivatuksen jälkeen n. 80 %.

8.3 Kappajakaumien valmistus

8.3.1 Laboratoriokeitot

Massat kappajakaumiin keitettiin edellämainituista raaka-aineista Stora Enso Oyj Imatran tutkimuskeskuksessa sellutekniikan laboratoriossa. Laboratoriossa on kaksi keitintä, josta toinen on 20 1 pakkokiertokeitin ja toinen 6x51 sarjakeitin.

Keittimistä yksinkertaistetut virtauskaaviot ja ominaisuudet ovat esitetty liitteessä 3.

Kappajakaumiin käytettiin massoja kappaluvuista 15, 20, 25, 30, 35, 40 ja 45.

Massat keitettiin jokainen erikseen. Kuvat 30 ja 31 esittävät jakaumissa käytettyjen massojen prosenttiosuuksia.

Homogeeninen kapea jakauma (kk 30)

(Л3 3 V)o

120 "

100 "

80 - 60 - 40 -

20

-0 10 20 30 40 50

Kappaluku

Kuva 30. Homogeenisen, kapean jakauman prosenttiosuudet

Epähomogeeninen laaja jakauma (kk 30)

« 50

-Kappaluku

Kuva 31. Epähomgeenisen, laajan jakauman prosenttiosuudet

Massat, joita tarvittiin vähän, kappaluvuiltaan 15, 20, 25, 35, 40 ja 45, keitettiin sarjakeittimellä ja massat kappalukuun 30 keitettiin pääasiallisesti pakkokiertokeittimellä.

Keittojen jälkeen massat pestiin yön yli kuumalla RO-vedellä ja kuidutettiin laboratorion itse kehittelemällä märkäkuiduttimella, jonka pyörimisnopeus on taajuusmuuntajan avulla säädettävissä. Kuidutuksen jälkeen massat lajiteltiin

VALMETin laboratoiiolajittimella, jonka sihdin rakokokona käytettiin 0,20 mm.

Massat lingottiin (kuiva-aine n. 28 %) ja homogenoitiin. Homogenoinnin jälkeen massoista analysoitiin kappaluku, kuiva-aine, ISO-vaaleus ja viskositeetti.

Jokaisesta raaka-aineesta erikseen valmistettiin kaksi kappajakaumaa. Toisessa jakaumassa käytettiin ainoastaan massaa, jonka kappaluku oli 30 (kapea jakauma) ja toisessa massoja, joiden kappaluvut olivat 15, 20, 25, 30, 35, 40 ja 45 (laaja jakauma). Jälkimmäisessä jakaumassa massat sekoitettiin keskenään huolellisesti kuvan 31 esittämien painoprosenttiosuuksien mukaisesti. Sekoitus tapahtui massojen kuiva-aineiden ollessa noin 26 %. Jakaumia on kutsuttu kuvissa homogeeniseksi, kapeaksi jakaumaksi ja epähomogeeniseksi, laajaksi jakaumaksi.

Jakaumista määritettiin kappaluku, kuiva-aine, ISO-vaaleus ja viskositeetti.

8.4 Happidelignifiointi

Jakaumat jaettiin neljään osaan, josta yksi massa toimi referenssimassana.

Referenssimassa valkaistiin vain sekvenssillä DEDED. Muut kolme massaa happidelignifioitiin ennen DEDED -valkaisua. Oheinen kaaviokuva 32 selventää raaka-aineiden ja massojen käsittelyä tässä diplomityössä.

PFI-j auhatukseen PFI-jauhatukseen Keskikappa 30 LAAJA JAKAUMA Keskikappa 30

KAPEA JAKAUMA

(30)

Kuva 32. Raaka-aineen ja massan käsittelyvaiheet.

Kuvassa 32 esiintyvät termit ”lievä, normaali ja raju” tarkoittavat happidelignifioinnin annoksia oheisen taulukon 5 osoittamalla tavalla.

Taulukko 5. Jakaumien happidelignifiointi.

Alkaliannos, % Paine, bar Lämpötila, °C Loppuvalkaisu

Referenssi - DEDED

Lievä 1,5 5 90 DEDED

Normaali 2,5 5 90 DEDED

Raju 3,5 5 100 DEDED

Happidelignifiointi suoritettiin laboratoriossa Quantum, mark II -reaktorilla, jossa vaiheeseen tulevan hapen paine pidetään vakiona. Delignifioinnin rajuutta säädettiin vaiheen alkaliannoksen ja lämpötilan avulla. Liitteessä 3 on esitetty happidelignifiointilaitteiston toimintaperiaate. Loppuvalkaisu suoritettiin DEDED -sekvenssillä vaaleuteen n. 90 % ISO. Loppuvalkaisu suoritettiin tutkimuskeskuksen ohjekäsikiijan mukaisesti (liite 4).

Valkaistut massat jauhettiin PFI- jauhimella paperiteknisten ominaisuuksien vertailua varten.

9 T

ehdyt kokeetja tulosten tarkastelu

9.1 Raaka-aineiden ja keittokokeiden kappa- jakaumien analyysitulokset

Taulukosta 6 nähdään raaka-aineiden analyysien tulokset. Kasvunopeutta ei pystytty laskemaan raaka-aineista, jotka ovat haettu hakemuodossa (honkalahti, kemijärvi ja kuusi), joten erikoishake on ainoa raaka-aine, josta kasvunopeus on laskettu. Sen kasvunopeudeksi määritettiin 1,14 mm/a. Kuivatuoretiheyksistä voidaan nähdä, miten etelän, paljon kesäpuuta sisältävän männyn pintapuun tiheys on huomattavasti muita korkeammalla tasolla. Mitatut tiheydet korreloivat hyvin kirjallisuudesta löytyvien tiheyksien kanssa /5,9/.

Taulukko 6. Raaka-aineiden analyysitulokset.

Puulaji

Kuiva- tuoreti-heys, ко/тЗ

Irto-

tilavuus-paino, ka/im3

Kuiva- aine, %

Kasvu­

nopeus, mm / a

Honkalahti 431 149 48.28

Kemijärvi 396 169 44.37

Kuusi 369 149 37.61

Erikoishake 397 1,14

Jakaumiin hyväksyttyjen keittojen kappaluvut poikkesivat hieman tavoitteistaan.

Liitteeseen 5 on koottu jakaumiin käytettyjen massojen kappaluvut, sekä niiden analyysitulokset. Liitteessä 5 on myös on esitetty keittojen kappalukujen virheet, suhteutettuina kappalukuun 30. Virheet olivat alle 10 %, mikä oli työn alussa sallittu virheraja.

Jakaumiin hyväksytyistä massoista määritettiin erikseen viskositeetit. Kuvasta 33

Jakaumiin hyväksytyistä massoista määritettiin erikseen viskositeetit. Kuvasta 33

In document The effect of oxygen delignification on fiber raw material and on kappavariation of softwood kraft pulp (sivua 44-0)