TEKNILLINEN KORKEAKOULU Puunjalostustekniikan osasto
Jaakko Kangas
VALKOPINTAISEN KRAFTLAINERIN LUJUUSOMINAISUUKSIEN HALLINTA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 31.3.2006.
Valvoja Professori Hannu Paulapuro
Ohjaaja Diplomi-insinööri Leena Yliniemi
TEKNILLINEN KORKEAKOULU Puunjalostustekniikan osasto
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä
Jaakko Kangas
Diplomityön nimi
Valkopintaisen kraftlainerin lujuusominaisuuksien hallinta
Tiivistelmä
Työssä selvitettiin lainerin puhkaisu- ja puristuslujuuteen vaikuttavia tekijöitä, niiden vaikutustapoja ja vaikutusten voimakkuutta.
Kirjallisuusosassa tehtiin tuoteanalyysi valkopintaisen lainerin kriittisten ominaisuuksien kartoittamiseksi. Lisäksi tehtiin kirjallisuusselvitys, jossa kartoitettiin puhkaisu- ja puristuslujuuden kannalta tärkeitä kuidun ja kuituverkoston ominaisuuksia sekä valmistusprosessin eri vaiheiden vaikutuksia näihin.
Kokeellisen osan tavoitteena oli selvittää miten paljon ja millä tavoin lainerikoneella käytettävissä olevilla hallintasuureilla voidaan vaikuttaa valmistetun lainerin puristus- ja puhkaisulujuuksiin. Se jakaantui esikokeisiin, luokiteleviin koeajoihin ja syventäviin koeajoihin.
Kokeellisen osan aluksi tuotettiin esikokeilla tukimateriaalia tukemaan tehdaskokeiden tulosten tulkintaa. Esikokeina tehtiin sellutehtaan toimittamille putkimassoille lyhytaikaisen laatuhajonnan kartoitus ja simuloitiin lainerin lujuusominaisuuksia PAKKA-rakennemallin pohjalta.
Luokitelevissa koeajoissa prosessimuuttujia käytiin läpi kaksitasoisissa ortogonaalimatriisimuotoisissa tehdaskokeissa. Tehdaskokeiden perusteella muuttujat lajiteltiin vahvan ja heikon lujuusvaikutuksen omaaviin muuttujiin. Vahvoiksi muuttujiksi erottuivat pinta- ja pohjakerroksen suihkusuhteet, pintakerroksen täyteaineliidun määrä ja pohjamassan jauhatusaste.
Vahvan lujuusvaikutuksen omaavia muuttujia tutkittiin edelleen syventävissä koeajoissa.
Molempien kerrosten suihkusuhteille tehtiin 7-portainen yksi muuttuja kerrallaan suoritettu askelkoe sekä 22-faktorikoe. Pintakerroksen täyteaineliidun määrän ja pohjamassan jauhatusasteen lujuusvaikutuksia tutkittiin 3-portaisissa yksi muuttuja kerrallaan suoritetussa askelkokeissa.
Vahvan lujuusvaikutuksen omaavien muuttujien päävaikutukset puhkaisu- ja puristuslujuuteen olivat: Täyteaineliidun määrän lisäys pintakerroksessa heikensi voimakkaasti puhkaisulujuutta ja vähemmän puristuslujuutta. Pintakerroksen suihkusuhteen muuttaminen poispäin tasaperältä kasvatti voimakkaasti puhkaisulujuutta ja heikensi vähemmän puristuslujuutta. Pohjakerroksen suihkusuhteen muuttaminen poispäin tasaperältä heikensi voimakkaasti puristuslujuutta ja kasvatti vähemmän puristuslujuutta. Pohjamassan jauhatusasteen kasvattaminen lisäsi puristuslujuutta.
Työn valvoja
Professori Hannu Paulapuro
Työn ohjaaja
Diplomi-insinööri Leena Yliniemi
Professuuri
Paperitekniikka
Koodi
Puu 21 (2071)
Sivumäärä
128 + liitteet
Kieli
Suomi
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Department of Forest Products
Technology
ABSTRACT OF MASTER’S THESIS
Author
Jaakko Kangas
Title of Thesis
Control of Strength Properties of White Top Kraftliner
Abstract
The aim of this study was to chart factors affecting burst and compression strengths of linerboard and to find out how and how much burst and compression strength could be affected by these factors.
A product analysis was done to find out the critical properties of white top kraftliner. Also, effects of fibre and fibre network properties and production process were studied based on literature.
In the experimental part, the aim was to find out how and how much burst and compression strength could be affected by the control variables available on a linerboard machine. The experimental part was divided into three phases: preliminary trials, variable classifying mill scale trials and detailed mill scale trials.
Preliminary trials were done to produce results that would support mill scale trials. In this phase, the strength properties of linerboard were simulated based on the PAKKA fibre network structure model.
The variability on a short time span of different quality factors of the raw material pulps was also investigated.
In the variable classifying trials process variables were tested for effects on strength properties using mill scale trials designed in orthogonal matrix form. Variables were classified based on these trials as variables having a weak effect and as variables having a strong effect on the studied strength properties. Variables of a strong effect were: jet-to-wire speed ratios in both layers, the amount of carbonate filler in the top layer and the amount of refining of high yield sulphate pulp used in the bottom layer.
The variables classified as having a strong effect were further studied in the detailed trials. The effects of jet-to-wire speed ratios in both layers were studied in a one-factor-at-a-time 7 step experiment and in a 22 factorial design experiment. The effects of the amount of carbonate filler and the amount of refining of the high yield sulphate pulp were studied in a one-factor-at-a-time 3 level experiment.
The main effects of the strong effect variables were: Changing of the top layer jet-to-wire speed ratio had a strong effect on burst strength and a weaker opposite effect on compression strength. Changing of the bottom layer jet-to-wire speed ratio had a strong effect on compression strength and a weaker opposite effect on burst strength. Increasing the amount of carbonate filler in the top layer had a strong decreasing effect on burst strength and a weaker decreasing effect on compression strength. Increasing the amount of refining of high yield pulp increased compression strength.
Supervisor
Professor Hannu Paulapuro
Instructor
M.Sc. (Eng.) Leena Yliniemi
Chair
Paper Technology
Chair code
Puu 21 (2071)
Pages
128 + appendixes
Language
Finnish
Keywords Date
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Kemiart Liners Oy:n toimeksiannosta. Työn valvojana toimi professori Hannu Paulapuro ja ohjaajana diplomi-insinööri Leena Yliniemi.
Tahdon esittää heille kiitokset työn varrella esitetystä kritiikistä ja asiantuntevista neuvoista.
Työtä varten muodostetussa ohjausryhmässä toimivat työn eri vaiheissa diplomi -insinöörit Panu Räsänen, Heli Lammi ja Piia Hietala. Myös heille kuuluu suuri kiitos heidän esittämistä neuvoista ja avusta työn käytännön suoritukseen liittyvissä järjestelyissä.
Pajusaaren tehtailla on yhtiöön katsomatta myös lukuisa joukko muita henkilöitä jotka ovat auttaneet tämän työn toteutuksessa mm. tekemällä mittauksia, antamalla neuvoja tai olemalla hyviä työtovereita. Lämpimät kiitokset kaikille heille.
Kemissä 31.3.2006
Jaakko Kangas
SISÄLLYSLUETTELO
Sivu
1 JOHDANTO 8
2 LAINERIN TUOTEANALYYSI 9
2.1 Lainen 9
2.2 Aaltopahvi 10
2.3 Jatkojalostuksen asettamat vaatimukset 12
2.3.1 Ajettavuus 12
2.3.2 Liimattavuus 12
2.3.3 Nuutattavuus ja stanssattavuus 13
2.3.4 Painettavuus 13
2.4 Loppukäytön asettamat vaatimukset 14
2.4.1 Yleistä 14
2.4.2 Laatikkolujuus 15
3 LAINERIN PUHKAISU-JA PURISTUSLUJUUS 19
3.1 Puhkaisulujuus 19
3.1.1 Yleistä 19
3.1.2 Puhkaisulujuuden mittaaminen 19
3.1.3 Paperiin vaikuttavat rasitukset puhkaisukokeessa 20 3.1.4 Kuituominaisuuksien ja verkostorakenteen vaikutukset 22
3.2 Puristuslujuus 23
3.2.1 Yleistä 23
3.2.2 Puristuslujuuden mittaaminen 23
3.2.3 Paperi tasonsuuntaisessa puristuksessa 28 3.2.4 Kuituominaisuuksien ja verkostorakenteen vaikutukset 30 3.3 Kuitu-ja kuituverkoston ominaisuuksien vaikutusten vertailu 33
4 PURISTUS-JA PUHKAISULUJUUTEEN VAIKUTTAMINEN 34
4.1 Yleistä 34
4.2 Raaka-aineet 35
4.2.1 Kuitu raaka-aineet 35
4.2.2 Massatärkkelys 36
4.2.3 Täyteaineet 37
4.2.4 Muut kemikaalit 38
4.3 Lajittelu ja kerrosrakenne 39
4.4 Jauhatus 40
4.4.1 Yleistä 40
4.4.2 Koivujauhatus 41
4.4.3 Mäntyjauhatus 43
4.4.4 Rintamassojen yhteisjauhatus 44
4.5 Rainaus 44
4.6 Märkä puristu s 46
4.7 Kuivatus 47
4.8 Kalanterointi 48
5 KIRJALLISUUSOSAN YHTEENVETO 49
KOKEELLINEN OSA
Sivu
6 KOKEELLISEN OSAN TAVOITTEET 52
7 KOETEHDAS 52
8 KOESUUNNITELMA 54
9 ESIKOKEET 56
9.1 Putkisellun lyhyen aikavälin laatuvaihtelu 56
9.1.1 Tavoitteet 56
9.1.2 Materiaalit ja menetelmät 56
9.1.3 Tulokset ja niiden tarkastelu 57
9.1.4 Johtopäätökset 58
9.2 Tuotesimulointi 59
9.2.1 Tavoitteet 59
9.2.2 PAKKA-mallinnus 59
9.2.3 Lujuusmallien kehitys 61
9.2.4 Koesuunnitelma ja simuloinnin toteutus 66
9.2.5 Tulokset ja niiden tarkastelu 67
9.2.6 Johtopäätökset 73
10 LUOKITELEVAT KOEAJOT 74
10.1 Tavoitteet 74
10.2 Materiaalit ja menetelmät 74
10.2.1 Ortogonaalimatriisikokeet 74
10.2.2 Näytteenotto ja testaus 75
10.3 Tehdaskoe 1 75
10.3.1 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 76
10.3.2 Tulokset ja niiden tarkastelu 77
10.3.3 Johtopäätökset 84
10.4 Tehdaskoe 2 85
10.4.1 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 85
10.4.2 Tulokset ja niiden tarkastelu 87
10.4.3 Johtopäätökset 93
10.5 Tehdaskoe 3 94
10.5.1 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 94
10.5.2 Tulokset ja niiden tarkastelu 96
10.5.3 Johtopäätökset 100
10.6 Muuttujien luokittelu 101
11 SYVENTÄVÄT KOEAJOT 102
11.1 Suihkusuhdekoe 1 102
11.1.1 T avoitteet 102
11.1.2 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 102
11.1.3 Tulokset ja niiden tarkastelu 103
11.1.4 Johtopäätökset 107
11.2 Suihkusuhdekoe 2 107
11.2.1 Tavoitteet 107
11.2.2 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 108
11.2.3 Tulokset ja niiden tarkastelu 109
Sivu
11.3 Vahvistuskoeajo 112
11.3.1 Tavoitteet 112
11.3.2 Koeajosuunnitelma ja kokeen suoritus 112
11.3.3 Tulokset ja niiden tarkastelu 113
11.3.4 Johtopäätökset 118
12 KOKEELLISEN OSAN JOHTOPÄÄTÖKSET 119
13 YHTEENVETO 121
14 JATKOEHDOTUKSET 123
LÄHDELUETTELO LIITTEET
1 JOHDANTO
Yksi aaltopahvipakkauksen tärkeimmistä tehtävistä on kyky suojata tuotetta vaurioitumiselta kuljetuksen aikana. Perinteisesti tärkeimpänä suojaamiskykyä kuvaavana ominaisuutena on pidetty aaltopahvin puhkaisulujuutta. Aaltopahvin ohentuminen yhdessä laatikoiden pinoamiskäytännön kanssa on kuitenkin nos
tanut laatikoiden litistyslujuuden puhkaisulujuuden ohi tärkeimmäksi ominaisuu
deksi useimmilla markkinoilla. Molempien ominaisuuksien tiedetään perustuvan suurelta osin laatikon valmistuksessa käytettyjen materiaalien lujuusominai
suuksiin.
Lainerin jalostusastetta nostettaessa, esimerkiksi mentäessä ruskeasta valko- pintaiseen tai päällystämättömästä päällystettyyn laineriin, lujuusominaisuuksi
en kannalta edullisten kuitukomponenttien suhteellinen osuus lopputuotteessa on useimmiten vähentynyt. Laatutekijöiden lisäksi myös taloudelliset tekijät edellyttävät mm. kuituraaka-aineita halvemman täyteaineen käytön maksimoi
mista ja pitkäkuitumassan korvaamista edullisemmalla lyhytkuitumassalla. Myös lainerien neliömassoja pyritään jatkuvasti alentamaan ilman, että lujuusominai
suuksissa tapahtuisi muutosta. Tämän kehityksen johdosta korkean jalostusas
teen lainereilla riittävien lujuusominaisuuksien saavuttaminen taloudellisesti muuttuu jatkuvasti haasteellisemmaksi.
Tämän työn tavoitteena on kartoittaa valkopintaisen lainerin puristus- ja puh- kaisulujuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä selvittää niiden vaikutusten voimakkuut
ta. Kirjallisuusosassa käydään läpi lainerin jatkojalostuksen ja loppukäytön kan
nalta merkittävät ominaisuudet, syvennytään puristus- ja puhkaisulujuuden kä
sitteisiin, selvitetään puristus- ja puhkaisulujuuden kannalta tärkeät kuitujen ja kuitu verkoston ominaisuudet sekä selvitetään, kuinka näihin voidaan vaikuttaa valmistusprosessissa. Kokeellisessa osassa selvitetään simuloimalla ja tehdas- kokeilla paperinvalmistusprosessin hallintasuureiden vaikutustapoja ja vaikutus
ten voimakkuutta puristus-ja puhkaisulujuuteen.
2 LAINERIN TUOTEANALYYSI
2.1 Laineri
Lainen on aaltopahvin valmistuksessa aallotuskerrosten päälle tai väliin liimat
tava pakkauskartonki. Lainerin neliömassa vaihtelee tyypillisesti 125 - 350 g/m2 välillä. Myös alle 100 g/m2 lainereita voidaan käyttää pienikokoisten aaltopahvi- laatikoiden valmistuksessa IM.
Laineria valmistetaan loppukäytön vaatimusten mukaan ruskeana, pilvilainerina, täysvalkoisena, valkopintaisena sekä päällystettynä valkopintaisena /1, 2/. Rus
kea laineri on valmistettu kokonaan valkaisemattomasta sellusta ja mahdollises
ti osittain kierrätysmassasta. Sen painettavuusvaatimukset ovat matalat IM ja näin ollen lujuusominaisuuksien merkitys on korostunut.
Pilvilaineri on kaksikerrostuote, jossa ruskean pohjakerroksen päällä on ohut valkaistusta massasta tehty kerros IM. Ohut valkaistu kerros antaa lainerin pin
nalle pilvimäisen ulkonäön. Valkaistun kerroksen tarkoituksena on useimmiten parantaa pinnan ulkonäköä ja painettavuutta. Pilvimäisyyttä saatetaan kuitenkin joissakin tapauksissa tehostaa käyttämällä formaatiota huonontavia pintaker
roksen formeriosan ajotapoja, kuten korkeaa pintaperälaatikon sakeutta ja kor
keaa suihku-viira nopeuseroa. Tällaisissa tapauksissa pilvimäisen kerroksen on tarkoitus tehdä laatikon pinnan likaantuminen vaikeammin havaittavaksi 131.
Valkopintaista laineria käytetään tuotteissa, joissa tarvitaan hyviä painatusomi- naisuuksia IM. Valkoinen pintakerros tehdään valkaistusta kemiallisesta mas
sasta ja usein pintakerrokseen lisätään täyteainetta parantamaan kerroksen opasiteettia. Valkopintaisilla tuotteilla pinnan ulkonäkö ja sileys ovat tärkeitä ominaisuuksia ja siksi pintakerroksen formaation tulisi olla mahdollisimman hy
vä. Painatusominaisuusvaatimusten edelleen kasvaessa voidaan pintakerros päällystää. Tyypillisesti käytetään yksinkertaista teräpäällystystä, mutta myös kaksinkertaista päällystystä käytetään. Tässä tapauksessa puhutaan päällyste
tystä valkopintaisesta lainerikartongista. Sitä käytetään erityisen vaativissa koh
teissa, kuten kaupan hyllyille päätyvissä tuotepakkauksissa. Kraftlaineria voi
daan valmistaa myös täysvalkoisena. Tämä tarkoittaa, että kaikki lainerin ker
rokset on valmistettu valkaistusta massasta. /2/.
Lainereita luokitellaan myös raaka-ainepohjan mukaan kraftlainereihin ja test- lainereihin. Kraftlaineri on tavallisimmin kaksikerroksinen kartonki, jolla on eri lainerilajeista parhaat lujuusominaisuudet. Lujuusominaisuuksien saavuttami
seksi kraftlainerissa käytetään yleisesti noin 80 % sulfaattimenetelmällä valmis
tettua havupuumassaa. Kraftlainerin lujuusominaisuudet tulevat pääasiassa pohjakerroksen ominaisuuksista. Pohjakerroksessa käytetään tavallisesti kor- keasaantoista valkaisematonta havupuusulfaattimassaa, jota jauhetaan kevyes
ti. Pintakerroksen massa keitetään alhaisempaan kappaan ja jauhetaan voi
makkaammin. /1,2/.
Pääasiassa kierrätyskuitua sisältävää laineria kutsutaan testlaineriksi. Test- lainereille on määritelty laatuluokat poikkisuunnan SCT-puristuslujuuden ja puh- kaisulujuuden mukaan. Testlainerien lujuusominaisuudet ovat alhaisemmat ver
rattuna saman neliömassan omaaviin kraflainereihin, mutta vastaavasti myös hinta on yleensä alhaisempi. Testlainerin pohja- ja mahdolliset runkokerrokset on valmistettu kokonaan eri kierrätysmassoista lujuusvaatimusten mukaan. Pin
takerroksessa käytetään pinnan laatuvaatimusten mukaan erilaisia kierrätys- massoja tai haluttaessa erityisen hyviä pinta- ja painatusominaisuuksia jopa valkaistua sulfaattimassaa. 121.
2.2 Aaltopahvi
Aaltopahvi on monikerrostuote, joka koostuu vähintään kahdesta kartonkiker- roksesta, joista vähintään yksi on aa liotettu (fluting) ja liimattu aallonharjoistaan yhden tai kahden lainerikartonkikerroksen väliin. Aaltopahvia valmistetaan myös useampiaaltoisena, jolloin aaltopahvissa on useampi aallotettu kerros liimattuna suorien kartonkikerrosten väliin (Kuva 1). Useampiaaltoista aaltopahvia valmis
vaa kerrosten lisääntyessä, mutta huomattavasti lujuuden kasvua hitaammin
/2/.
Kuva 1. Poikkileikkaus kaksipuolisesta yksiaaltoisesta ja kaksipuolisesta kaksisaaltoi sesta aaltopahvista.
Aaltopahveissa käytetään erilaisia aaltoprofiileja, jotka poikkeavat toisistaan aallonkorkeuden ja aaltoluvun perusteella. Raaka-aineina käytettyjen kartonkien lisäksi myös käytetty aaltoprofiili määrittää valmiin aaltopahvin jalostettavuutta, painettavuutta, paksuutta ja mekaanisia ominaisuuksia. Taulukossa 1 on esitet
ty tavallisimpien aaltoprofiilien mittoja. Aaltopahvin valmistajilla on käytössä myös omia yhtiökohtaisia aaltoprofiileja. 121.
Taulukko 1. Yleisimpien käytössä olevien aaltoprofiilien ominaisuuksia /120/.
Profiili Aallonkorkeus, mm Aaltoluku metrillä
A-aalto 5,0 110
C-aalto 3,8 130
B-aalto 2,6 150
E-aalto 1,2 300
F-mikroaalto 0,7 450
G&N-mikroaallot 0,5 550
C-aalto on yleisimmin käytetty aaltoprofiili johtuen sen jäykkyydestä ja pi- noamisominaisuuksista. Stanssattujen laatikkojen lisääntynyt käyttö on toisaalta lisännyt В-aallon käyttöä. Mikroaaltolajit ovat lisänneet suosiotaan paksumpien taivekartonkien kustannuksella johtuen paksujen taivekartonkien asettamista rajoituksista painatusprosesseissa. /4/.
2.3 Jatkojalostuksen asettamat vaatimukset
2.3.1 Ajettavuus
Ajettavuudella tarkoitetaan sitä, että jalostuskoneella voidaan ajaa suunniteltua nopeutta ilman suuria ongelmia. Jalostettavuuden kannalta lainerin tärkeimmiksi ominaisuuksiksi ovat kartonkia jalostavat tahot nimenneet kosteus- ja paksuus- profiilien tasaisuuden sekä asiakasrullien kunnon /5/. Aaltopahvikoneella ajetta
vuuden kannalta kosteus ei saisi vaihdella 1 % enempää eikä vanaisuutta saisi esiintyä. Laadun tasaisuuden tärkeyttä korostaa se, että aaltopahvikoneella lai
nerin virheiden vaikutusten eliminoimiseksi ei ole enää juuri mitään tehtävissä.
Tasaisen kosteusprofiilin ja venymiskäyttäytymisen vaatimus korostuu entises
tään valmistettaessa mikroaaltolajeja /6/.
Lainereiden palstautumislujuuden täytyy olla riittävällä tasolla, jotta lainen ei palstaudu jatkojalostusprosesseissa. Se ilmoitetaan Scott Bond -arvona, vaikka käytännön tilanteiden kannalta olisi parempi mitata pinta- ja pohjakerrosten vä
listä lujuutta. Tälle ei ole kuitenkaan kehitetty kunnollista menetelmää. /5/.
Kone- ja poikkisuuntaan nähden vino aaltopahvin käyristyminen aiheuttaa eri
tyisen vaikeita ongelmia jalostuskoneiden syöttölaitteilla. Tällainen käyristymi
nen johtuu aaltopahviin käytettyjen lainerien toisistaan poikkeavasta kuituorien- taatiosta, mikä johtaa kosteuden muuttuessa aaltopahvin pintojen toisistaan poikkeaviin dimensioiden muutoksiin. Pinta- ja pohjalainerien kuituorientaation täytyy olla lähellä toisiaan tai mieluummin lähellä konesuuntaa, jotta valmistetul
la aaltopahvilla ei esiintyisi kone- tai poikkisuuntaan nähden vinoa käyristymistä.
/7, 8/.
2.3.2 Liimattavuus
Liimattavuutta voidaan ajatella paperin kykynä muodostaa vuorovaikutuksessa liiman kanssa riittävät adheesiovoimat haluttujen lujuusominaisuuksien saavut
harjoihin ja myös lainenn pintoja liimataan vastakkain laatikon sivuliimauksessa /2/. Liimauksen hyvä hallittavuus edellyttää lainerin liimanabsorptio- ominaisuuksien tasaisuutta molemmilla lainerin pinnoilla. Eräässä lainerin poh
jakerroksen liimattavuuteen vaikuttavia tekijöitä kartoittaneessa tutkimuksessa havaittiin /10/ erityisesti pohjakerroksen huokoisuudella olevan vaikutusta liiman imeytymiseen. Myös karheudella ja pohjakerroksen huikilla havaittiin olevan pienemmässä määrin vaikutusta liiman imeytymiseen. Paperin lämmönjohta- vuus on merkittävä tekijä liiman gelatinoitumisen hallinnan kannalta /91.
2.3.3 Nuutattavuus ja stanssattavuus
Tyypillisiä ongelmia stanssauksessa ja nuuttauksessa ovat rispaantunut leikka- usjälki ja lainerin murtuminen nuuttien kohdalta /5/. Näitä ei osata yhdistää kiis
tatta mihinkään tunnettuihin kartongin ominaisuuksiin. Lainerikartongin veny
mällä on kuitenkin havaittu olevan vaikutusta nuutattavuuteen /3/. Tämän tyypin ongelmia esiintyy erityisesti testlainereilla ja myös vähemmässä määrin kraft- lainereilla.
2.3.4 Painettavuus
Yleisin painomenetelmä laineria painettaessa on fleksopainatus /2/. Muita ylei
sesti käytettyjä painomenetelmiä ovat offset- ja silkkipainatus. Flexopainatuk- sessa värin imeytyminen on vaikeammin hallittavissa ja käytettävällä värillä on suuri merkitys /5/. Toisaalta offset on herkempi pölylle ja arkkien käyryydelle.
Painettavuuden kannalta korostuu valkopintaisissa lainereissa kartongin ulko
näkö ja visuaalinen vaikutelma. Pinnan on oltava tasainen ja täysin peittävä.
Sileydelle ja vaaleudelle asetetaan painomenetelmän mukaiset vaatimustasot.
Pinnalla on oltava myös riittävä lujuus. Huono pinnan lujuus ilmenee pinnan suomustumisena. Tähän on vaikutusta myös kartongin kitkalla. Päällystetyissä lajeissa korostuu vaatimus pohjakartongin hyvälle formaatiolle. /5/.
Lainerin pinnan aaltoilua flutingin harjanteiden mukaisesti kutsutaan pyykkilau- tailmiöksi. Se johtuu liiallisesta liimankäytöstä lainerin ja flutingin liimauksessa.
Voimakas pyykkilautakuvio voi aiheuttaa ongelmia painatuksessa. Pyykkilauta- kuvion muodostamisen herkkyyttä voidaan pienentää lainerin jäykkyyttä kasvat
tamalla. /11/.
Lainerin painatusta ennen sen jalostamista aaltopahviksi sanotaan esipainatuk- seksi ja painamista aaltopahviarkeille suorapainatukseksi. Esi- ja suorapainatus asettavat pinnalle hiukan erilaiset vaatimukset. Jälkipainatuskoneissa ei useimmiten ole kuivaimia, joten pinnan sopivien absorptio-ominaisuuksien mer
kitys korostuu. /51
2.4 Loppukäytön asettamat vaatimukset
2.4.1 Yleistä
Aaltopahvilaatikko on alun perin puisia kuljetuslaatikolta korvaamaan kehitetty edullinen ja kevyt kuljetuslaatikko. Yksi aaltopahvin tärkeimmistä ominaisuuksis
ta on sen kyky suojata sisältämäänsä tuotetta. Puhkaisulujuutta pidettiin pitkään lävistyslujuuden ohella tätä parhaiten kuvaavana ominaisuutena. Tämä korosti lainerin laadun merkitystä, sillä aaltopahvin puhkaisulujuudesta suurin osa muodostuu käytettyjen lainerien puhkaisulujuuksista. Tietyillä markkina- ja lop- pukäyttöalueilla puhkaisulujuutta pidetään edelleen tärkeänä. /12,5/.
Aaltopahvin käytön alkuaikoina aaltopahvilaatikoita ei juuri pinottu, mistä syystä aaltopahvin pinoamislujuuteen ei juurikaan kiinnitetty huomiota. Nykyään aalto
pahvilaatikoita pinotaan yleisesti kuljetuksen aikana, mikä johtaa suureen alim
piin laatikoihin kohdistuvaan puristavaan rasitukseen ja voi johtaa alimpien laa
tikoiden luhistumiseen. Aaltopahvin puristuslujuuden määrittämiseksi mitataan aaltopahvista reunalitistyslujuutta (edge crush test, ЕСТ) ja valmiista laatikoista laatikkolitistyslujuutta (box crush test, BCT), mihin lainerin puristuslujuudella on suuri vaikutus. /12,5/.
Aaltopahvilaatikoiden pinnan kitkaominaisuudet ovat myös tulleet merkittäviksi.
Aaltopahvilaatikoita pinottaessa on lainerin ulkopinnalla oltava riittävä kitkaker
roin, jotta aaltopahvilaatikot eivät pääse liukumaan toistensa päällä kuljetukses
sa. Lainerin pinnan kitkaominaisuuksien määrittämiseksi mitataan lainerista kit
kakulmaa. IM.
Tuotteiden esillepanoon tarkoitettujen tray-tyyppisten aaltopahvituotteiden yleis
tyminen on johtanut aaltopahvin taivutusjäykkyyden merkityksen korostumi
seen. Tämän johdosta on lainereiden kone-ja poikkisuuntaisiin kimmokertoimiin ja vetojäykkyyksiin alettu kiinnittää huomiota, sillä aaltoprofiilin valinnan jälkeen
näillä on suurin vaikutus aaltopahvin taivutusjäykkyyteen. 15/.
Kuluttajapakkauksissa aaltopahvilaatikko toimii viimeisenä tuote-esitteenä kulut
tajalle, minkä vuoksi sen tulee antaa korkealaatuinen visuaalinen vaikutelma antaakseen tuotteesta laadukkaan kuvan kuluttajalle /13/. Tähän pyrittäessä täytyy aaltopahvin pinnan olla sileä, valkopintainen ja usein myös päällystetty.
Aaltopahvipakkauksien käyttöolosuhteet vaihtelevat suuresti. Tämän vuoksi lainereiden ja aaltopahvin tulisi säilyttää lujuutensa mahdollisimman hyvin myös kosteissa olosuhteissa /5/.
2.4.2 Laatikkolujuus
Luotettavin tapa arvioida aaltopahvilaatikon lujuutta on mitata laatikon puristus- lujuus täysikokoisista valmiista laatikoista. Tämä tapa ei kuitenkaan anna lain
kaan informaatiota laatikkolujuuteen vaikuttavista tekijöistä ja tarvittava laitteisto on kallis mitattaessa suurikokoisia laatikoita. Näistä syistä johtuen useimmat aaltopahvipakkausten valmistajat käyttävät aaltopahvin raaka-aineista tehdyis
tä lujuusmittauksista lopputuotteen mekaanisia ominaisuuksia ennustavia malle
ja. /14/
Aaltopahvin tärkeimpänä lujuusominaisuutena pidetään aaltopahvin reunalitis- tyslujuutta /5/. Raaka-ainekartonkien puristuslujuuden tiedetään määräävän
näistä valmistetun aaltopahvin reunalitistyslujuuden, miksi puristuslujuutta pide
tään lainerin tärkeimpänä lujuusominaisuutena.
Laajimmin käytetty malli aaltopahvilaatikon lujuuden arviointiin on nk. McKeen yhtälö. McKeen mukaan laatikon litistyslujuus voidaan ennustaa aaltopahvin reunalitistyslujuudesta, taivutusjäykkyydestä, paksuudesta ja laatikon ympä
rysmitasta /15/. Yhtälö tavallisessa muodossaan on
BCT = K\ ■ ECT0,15
missä BCT K1 ECT Sb
Z
■ Sb0’25 ■ z0’5, (1)
on laatikon litistyslujuus,
on kokeellisesti määritettävä vakio, on aaltopahvin reunalitistyslujuus,
on taivutusjäykkyyden geometrinen keskiarvo kone ja poikkisuunnassa ja
on laatikon ympärysmitta.
Koska aaltopahvin jäykkyys on suoraan verrannollinen sen paksuuteen, voi
daan usein käyttää yhtälön 1 pelkistettyä muotoa /14/
BCT = K2- ECT -T0’5 -Z0’5,
missä ECT K2 T
z
on aaltopahvin reunalitistyslujuus, on vakio,
on aaltopahvin paksuus ja on laatikon ympärysmitta.
(2)
Moore on havainnut /14/, että laatikoista mitattu puristuslujuus on tyypillisesti selvästi McKeen yhtälön ennustamaa puristuslujuutta pienempi. Tämä johtuu pääasiassa laatikon ja raaka-aineiden valmistuksessa tapahtuvista virheistä, minkä vaikutukset laatikon kuormankantokykyyn ovat huomattavia. Malli sisäl
tää lisäksi useita kokeellisesti määritettyjä kertoimia, joiden on havaittu vaihtele- van koeaineistosta toiseen /16/. Malli on kuitenkin helppo käyttää, vaadittavien mittausten määrä on vähäinen ja malli antaa yleisesti hyvän korrelaation mitat-
tujen ja laskettujen arvojen välillä, mistä syystä se on erinomainen apuväline tuotesuunnittelussa.
Ruotinen on lähtenyt kehittämään /17/ aaltopahvilaatikon lujuudelle mallia, joka perustuu aaltopahvilaatikon tarkasteluun sivujen lommahduksen jälkeen. Lom- mahduksen jälkeen kuormitus siirtyy kohti nurkkia, jolloin sivujen keskiosat eivät kanna kuormaa käytännöllisesti katsoen ollenkaan. Menetelmä perustuu niin sanotun kuormaa kantavan tehollisen leveyden määritykseen, jonka lähtötie
doiksi tarvitaan laatikon dimensiot sekä aaltopahvin taivutusjäykkyys kone- ja poikkisuunnassa. Laatikon lujuus saadaan kertomalla laskettu tehollinen leveys aaltopahvin reunalitistyslujuudella. Menetelmän etuna on, että siinä on vain yksi kokeellisesti määritetty vakio ja sekin pysyy lähes samana siirryttäessä koeai- neistosta toiseen. Menetelmän on havaittu antavan vähintään yhtä hyvän korre
laation mitattujen ja laskettujen laatikon lujuuksien välille kuin aiemmin kehitetty McKeen yhtälö. Menetelmä ottaa huomioon McKeen yhtälöstä poiketen laatikon korkeuden ja seinämien leveyksien suhteiden vaikutukset lujuuteen, joskin näi
den vaikutukset laatikon lujuudelle on havaittu pieniksi /16/.
Sekä McKeen yhtälössä että Puotisen kehittämässä laskentamenetelmässä tarvittava aaltopahvin reunalitistyslujuus on mahdollista mitata suoraan pienestä aaltopahvinäytteestä tai arvioida aaltopahvin raaka-ainekartonkien poikkisuun- nan puristuslujuuksista /14/. Yksiaaltoiselle aaltopahville arviointiin yleisesti käy
tetty yhtälö on periaatteessa muotoa
ECT — ос ■ sF, (3)
missä sL1iL2 ovat lainereiden poikkisuuntaiset puristuslujuudet, sF on flutingin poikkisuuntainen puristuslujuus ja
a on aallotuskartonkikerroksen suoraa pituutta aalto- pahvin pituuteen nähden kuvaava kerroin.
Todellisuudessa aaltopahvin puristuslujuuteen vaikuttavat myös liimasauma ja aallotuksessa syntyneiden kartonkipaneelien kupruilu aaltopahvia puristettaes
sa. Tästä syystä kaavalla 3 lasketut tulokset poikkeavat jossain määrin todelli
sesta lujuudesta. Tämä on johtanut lukuisten korjausehdotusten kehittelyyn, joissa kaavaan 3 on lisätty kokemusperäisiä korjauskertoimia /14/. Yhtälöstä 3 voidaan kuitenkin päätellä lainerin poikkisuuntaisen puristuslujuuden suuri mer
kitys aaltopahvin reunalitistyslujuudelle ja sitä kautta aaltopahvilaatikon puris- tuslujuudelle.
Aaltopahvilaatikon lujuutta voidaan mallintaa myös elementtimenetelmällä.
Kaupallisissa elementtimenetelmään perustuvissa laskentaohjelmissa ei yleen
sä ole paperille sopivia materiaalimalleja ja nämä joudutaan ohjelmoimaan itse.
Tällaisia on kehitetty esimerkiksi Oy Keskuslaboratorio - Centrallaboratorium Abissa (myöhemmin KCL). Elementtimenetelmän on havaittu soveltuvan hyvin aaltopahvilaatikoiden kuormituskäyttäytymisen analysointiin, kun pyritään saa
maan syvällisempää tietoa esimerkiksi rakenteen, kuormitustavan tai rakenne- virheiden vaikutuksista. Rutiininomaisessa laatikoiden suunnittelussa ovat pe
rinteiset sovitusmallit kuitenkin parempia yksinkertaisuutensa johdosta. /18/.
3 LAINERIN PUHKAISU- JA PURISTUSLUJUUS
3.1 Puhkaisulujuus
3.1.1 Yleistä
Puhkaisulujuus on eräs vanhimpia ja laajimmin käytettyjä paperituotteiden tes
tausmenetelmiä. Menetelmä tunnetaan yleisesti nimellä Mullen. Tämän nimityk
sen se on saanut eräästä ensimmäisistä menetelmän käyttöön tarkoitetusta mittalaitteesta. Menetelmä on alun perin ilmeisesti kehitetty kuvaamaan loppu
käytön olosuhteita. Menetelmän ensisijainen tarkoitus on osoittaa kuitutuottei
den vastustuskykyä murtumiselle. /19/.
Puhkaisulujuuden merkitsevyyden ymmärtäminen on vaikeaa johtuen monimut
kaisista jännitys-venymä-kentistä, jotka kohdistuvat mitattavaan kappaleeseen.
Puhkaisulujuuden oletetaan riippuvan ainakin materiaalin vetolujuudesta, mur- tovenymästä ja leikkausominaisuuksista. Koska puhkaisulujuus riippuu näin monesta tekijästä, ei sitä voida pitää puhtaana materiaaliominaisuutena. /19/.
3.1.2 Puhkaisulujuuden mittaaminen
Puhkaisulujuutta mitattaessa paperinäyte kiinnitetään tiukasti ympyränmuotoi
sen kumikalvon päälle metallisilla kiinnikkeillä. Kumikalvon alle pumpataan tä
män jälkeen hydraulinestettä vakionopeudella, jolloin kumi ka Ivo pullistuessaan venyttää sen päälle kiinnitettyä paperinäytettä repeytymiseen saakka. Paperin puhkaisulujuus on suurin mittauksen aikana saavutettu hydraulinesteen paineen arvo. Paperin ja kartongin puhkaisulujuuden mittaus ja mittalaitteen kalibrointi sekä huolto on kuvattu yksityiskohtaisesti standardeissa ISO 2758:2001 ja ISO 2759:2001. /20/.
3.1.3 Paperiin vaikuttavat rasitukset puhkaisukokeessa
Hydraulinesteen paineen paperissa aiheuttaman muodonmuutoksen on havaittu olevan normaaleja paperinäytteitä käytettäessä likimäärin pallopinnan muotoi
nen eli venyttävän paperinäytettä paineen kasvaessa suunnilleen yhtä paljon kaikkiin suuntiin. Puhkaisukokeessa paperiin kohdistuvien voimien oletetaankin yleisesti olevan lähellä biaksiaalista paperin jännittämistä, jossa paperia venyte
tään yhtä paljon ja yhtä nopeasti molempiin suuntiin. Kun nämä yksinkertaistuk
set ja paperin yleensä konesuunnan poikkisuuntaa pienempi murtovenymä ote
taan huomioon, voidaan olettaa, että paperi repeää siinä vaiheessa, kun näyt
teen venymä saavuttaa konesuunnan murtovenymän. Mitattuun paineen arvoon vaikuttaa näytteen venymä, jäykkyys ja venyttämisen aiheuttama materiaalin kuroutumismistaipumus (Poissonin luku). /19/.
Tarkastelua voidaan yksinkertaistaa ajattelemalla puhkaisulujuuden riippuvan vain paperin vetolujuudesta ja konesuunnan murtovenymästä. Puhkaisulujuu
den onkin useissa tutkimuksissa /19, 21/ havaittu korreloivan vahvasti kone- suunnan murtovenymän neliöjuuren ja kone- ja poikkisuunnan vetolujuuksien aritmeettisen keskiarvon kanssa. Tämä riippuvuus on muotoa /21/:
В S = 311 x TIKS + TIps ,
(4)
missä BS
311
TIks, Tips
£f
on puhkaisulujuus (kPa),
on vetoindeksin ja konesuunnan murtovenymän neliö
juuren suhteelle määritetty verrannollisuuskerroin (m'1), ovat vetoindeksit kone- ja poikkisuunnassa (N m/g) sekä
on murtovenymä konesuunnassa (m).
Paksuja paperinäytteitä mitattaessa on otettava huomioon näytteen taipumises
ta aiheutuva jännitysten epätasainen jakautuminen näytteen paksuussuunnas- sa. Kuvassa 2 on esitetty taivutuksen vaikutus vetojännityksen jakautumiseen
CLAMP
THICKNESS COMPRESSION
TENSION BENDING
MEMBRANE
COMBINED
Kuva 2. Taipumisen vaikutus vetojännityksen jakaumaan paperin paksuussuunnassa puhkaisu kokeessa /19/.
Jos näyte pääsee taipumaan merkittävästi puhkaisukokeessa ennen murtumis
ta, merkitsee tämä etenkin paksuilla näytteillä sitä, että yläpinnan jännitys muo
dostuu hieman alapintaa suuremmaksi /19/. Tällaisessa tapauksessa voidaan olettaa, että paperin repeäminen alkaa paperin yläpinnalta, kun yläpinnan ve
nymä saavuttaa venytysnopeutta vastaavan murtovenymän. Tämä ilmiö selit
tää, miksi paperin puhkaisulujuudella voidaan usein havaita riippuvuus mittaus- suunnasta, jos paperin mekaaniset ominaisuudet muuttuvat merkittävästi pape
rin paksuussuunnassa.
Monikerroskartongeilla voivat kerrosten väliset mekaanisten ominaisuuksien erot muodostua merkittäväksi tekijäksi puhkaisulujuuden kannalta. Erityisesti merkitystä on sillä, jos konesuunnan murtovenymien erot ovat suuria. Tällaises
sa tapauksessa pienemmän murtovenymän omaava kerros repeää selvästi en
nen toisen kerroksen murtovenymän saavuttamista, mikä johtaa koko moniker- rosrakenteen murtumiseen. Tällaisessa tapauksessa toisen kerroksen lujuuspo- tentiaalista jää mahdollisesti osa käyttämättä.
3.1.4 Kuituominaisuuksien ja verkostorakenteen vaikutukset
Yhtälössä 4 puhkaisulujuudelle esitetystä kaavasta voidaan havaita, että puh- kaisulujuuteen voidaan vaikuttaa positiivisesti joko kasvattamalla paperin veto- lujuustasoa tai konesuunnan murtovenymää. Johtuen puhkaisulujuuden vah
vasta korrelaatiosta konesuunnan mekaanisten ominaisuuksien kanssa voidaan olettaa, että puhkaisulujuuteen voidaan vaikuttaa samoilla keinoilla kuin vetolu
juuteen eli kuituominaisuuksilla ja kuitu verkoston ominaisuuksilla.
El-Hosseiny ja Andersson ovat tutkineet kuidunpituuden ja pituusmassan vaiku
tusta puhkaisulujuuteen /21/. Heidän havaintojensa mukaan yhtälössä 4 aiem
min vain testauslaitteen geometriasta riippuvaksi oletettu verrannollisuuskerroin (311 m"1) riippuu myös kuituominaisuuksista siten, että kuitupituuden nosto kas
vattaa sitä ja pituusmassan kasvu pienentää sitä. Yhtälöstä 4 voidaan nähdä kuidunpituuden kasvattavan ja pituusmassan pienentävän puhkaisulujuutta, kun samalla tiedetään kuidunpituuden kasvun kasvattavan ja pituusmassan yleensä pienentävän vetoindeksiä.
Kuidunpituuden ja pituusmassan vaikutusten lisäksi tiedetään, että puhkaisulu
juuden arvo kasvaa neliömassan, suhteellisen sidosalan ja kuitujen lujuuden kasvaessa, formaation parantuessa sekä paperin vikatiheyden pienentyessä /19/. Lisäksi puhkaisulujuuteen tiedetään vaikuttavan ainakin massaliimauksen, pintakäsittelyiden sekä kerros- ja z-suunnan rakenteen. Myös kuitujen ko- nesuuntaisen orientoimisen tiedetään parantavan puhkaisulujuutta /22/.
Formaation osalta on tärkeää huomioida myös formaatiospektrin vaikutus. Esi
merkiksi eräässä sanomalehtipaperille tehdyssä tutkimuksessa havaittiin /23/, kuinka kokoluokaltaan 18-32 mm rakenteilla oli hyvin voimakas vaikutus pape
rin puhkaisulujuuteen, kun taas tämän alueen ulkopuolelle jäävällä neliömassa- vaihtelulla vaikutus puhkaisulujuuteen oli selvästi pienempi.
3.2 Puristuslujuus
3.2.1 Yleistä
Puristuslujuus tarkoittaa määritelmän mukaan suurinta puristavaa voimaa, jonka testattava kappale kestää kappaleen rakenteen pettämättä. Paperille tämä il
moitetaan tyypillisesti testikappaleen leveyttä kohden. Tämä ei ole kuitenkaan materiaaliominaisuus, sillä se riippuu paperin neliöpainosta. Murtopuristusjänni- tys olisi testikappaleen dimensioista riippumaton materiaaliominaisuus, mutta paperin tapauksessa ongelmaksi muodostuu se, ettei paperin paksuutta voida yksiselitteisesti määritellä. Tästä syystä paperin puristuslujuuden määrittelyyn käytetään useimmiten puristusindeksiä eli puristuslujuuden ja neliömassan suh
detta. Puristusindeksi säilyy riippumattomana neliömassasta, jos massan tai verkostorakenteen ominaisuudet eivät muutu. Määritelmät puristuslujuudelle on esitetty taulukossa 2. /24/.
Taulukko 2. Puristuslujuuden määritelmät /24/. Taulukossa F on puristava voima materi
aalin pettäessä, A on poikkipinta-ala, W on näytekappaleen leveys, p on tiheys ja b on neliömassa.
Ominaisuus Symboli Määritelmä Yksikkö
Murtopuristusjännitys CTs F/A N/m*
Puristuslujuus S F/W N/m
Puristusindeksi p os/p = s/b Nm/g
3.2.2 Puristuslujuuden mittaaminen
Haasteena mitattaessa paperin kaltaisen tasomaisen materiaalin puristuslujuut- ta on tuottaa puristava voima materiaaliin niin, että se johtaa vain tasonsuuntai- seen puristumiseen, muodonmuutokseen ja materiaalin pettämiseen. Puristet
taessa paperin kaltaisia materiaaleja tason suunnassa tapahtuu helposti muo
donmuutoksia, kuten taipumista tai kupruilua ulos tason suunnasta. Taipuminen ja kupruilu ulos tason suunnasta puristettaessa ovat kuitenkin näytteen raken
teesta johtuva vaste puristavalle voimalle eikä näin ollen puhdas materiaaliomi
naisuus. Tason suunnasta poikkeavat muodonmuutokset on siis pystyttävä
ymmärtämään ja ehkäisemään ennen kuin materiaalin puristuslujuus voidaan määrittää. /25/.
Mitattaessa pitkän tai tasomaisen kappaleen tasonsuuntaista puristuslujuutta nousee merkittäväksi tekijäksi kappaleen vapaan osuuden pituuden ja poik- kisuuntaisten dimensioiden suhde eli hoikkuusluku (Л). Mitä suurempi hoikkuus- luku on, sitä pienempi on kriittinen puristusjännitys, jota suuremmilla puristus- jännityksen arvoilla kappale taipuu ulos tason suunnasta eli lommahtaa. Kuvas
sa 3 nähdään, kuinka pitkänomaisen tai tasomaisen kappaleen puristuslujuus muuttuu hoikkuusluvun funktiona. /25/.
pitkä kappale keskipitkä
kappale lyhyt
kappale
Hoikkuusluku, X
Kuva 3. Puristuslujuus hoikkuusluvun funktiona / 25/.
Hoikkuusluvun ollessa suuri on kappaleen kriittinen puristusjännitys huomatta
vasti materiaalin puristuslujuutta pienempi. Puristettaessa tällaista kappaletta se taipuu ulos tason suunnasta ja energia kuluu pääasiassa kappaleen taivuttami
seen. Kuvasta 3 nähdään kuinka hoikkuusluvun ollessa riittävän pieni eivät pu- ristuslujuuden arvot enää muutu hoikkuusluvun funktiona. Puristuslujuus tulisi siis mitata tällä alueella, jotta mitattaisiin materiaalin näytegeometriasta riippu
matonta todellista puristuslujuutta. /25, 26/.
Lyhyen näytepituuden lisäksi näytteen nurjahtamista puristuskokeessa voidaan ehkäistä tukemalla pitkää näytettä sivusuunnassa tai käyttämällä aallotettua tai sylinterimäistä näytegeometriaa /24, 26/. Todellisilla materiaaleilla kupruilua ei kuitenkaan pystytä täysin ehkäisemään näytegeometriaa muokkaamalla, mikä korostuu kun kyseessä on paperin kaltainen heterogeeninen materiaali /24/.
Tästä johtuen eri mittausmenetelmien antamat arvot eivät useimmiten ole ver
tailukelpoisia keskenään. Useista lähestymistapavaihtoehdoista johtuen on pu- ristuslujuuden mittaamiseen kehitetty runsaasti erilaisia menetelmiä.
STFI:n kehittämässä SCT-menetelmässä vapaa näytepituus on vain 0,7 mm.
Tämän johdosta neliöpainoltaan yli 100 g/m2 olevien paperi- ja kartonkinäyttei- den hoikkuusluvun on todettu olevan useimmiten lyhyen näytepituuden alueella eikä näyte pääse näin ollen lommahtamaan puristuskokeessa ennen materiaa
lin murtumista /26/. Menetelmässä paperinäyte kiinnitetään kahden kiinnikepa- rin väliin ja näytettä puristetaan vakiopuristusnopeudella. Puristuslujuus on suu
rin puristamisen aikana saavutettu puristava voima näyteleveyttä kohden. Ku
vassa 4 on esitetty kiinnikkeiden ja näytteen geometria sekä puristussuunnat.
Mittauksen käytännön suoritus on kuvattu tarkasti standardissa ISO 9895:1989.
Kuva 4. STFI:n lyhyen näytepituuden puristuslujuuden (SCT) periaate /29/.
Muita yleisesti paperin puristuslujuuden määritykseen käytettyjä menetelmiä on esitetty kuvassa 5.
Kuva 5. Concora laineritestin (CLT), rengaslitistyskokeen (RCT) ja Corrugated crush test’n (CCT) periaatteet /24, 20/.
Concora laineritestissä on pyritty käyttämään SCT-menetelmän tapaan lyhyttä näytepituutta. RCT-ja CCT-menetelmissä on puolestaan pyritty estämään näyt
teen taipuminen ja kupruilu sivusuunnassa muokkaamalla näytteen geometriaa.
Missään näistä menetelmistä ei kuitenkaan pystytä estämään näytteen taipu
mista tai kupruilua täydellisesti /25, 27/. Kuvassa 6 on esitetty eri menetelmillä mitattuja puristustusindeksin arvoja neliömassan (taivutusjäykkyyden) muuttu
essa. Kuvasta voidaan havaita SCT-menetelmällä määritetyn indeksoidun pu- ristuslujuuden riippumattomuus näytteen neliömassasta ja kuinka CCT-, RCT-, ja CLT-menetelmien alttius näytteen kupruilulle tekee menetelmillä määritetyistä puristusindeksien arvoista neliömassariippuvaisia.
Compression Index (kNm/kg) 40
30 STFI --- Compression Strength Tester
20 _______________________
CCT ___
10 RCT /
CLT /
I I\.
0 0 100 2Ó0 3Ö0
Grammage (g/m2)
Puristuslujuuden määritys SCT-menetelmällä on otettu laajasti käyttöön teolli
suudessa edellä esitetyistä syistä johtuen. Tässä työssä keskitytään käsittele
mään SCT-menetelmällä määritettyä lainerin poikkisuunnan puristuslujuutta (myöhemmin SCT).
SCT-menetelmä on lyhyestä näytteen vapaasta pituudesta johtuen erityisen herkkä epätarkkuudelle mittalaitteen näytteenkiinnitysmekanismissa, minkä vuoksi laitteen mekaanisen kunnon ylläpitämiseen tulee kiinnittää erityistä huo
miota. McNown on todennut mittauksen olevan erityisen herkkä epätarkkuudel
le kiinnikkeiden yhdensuuntaisuudessa /28/. Kiinnikkeiden näytettä puristavan paineen tulee myös olla tietyllä alueella. Liian pientä painetta käytettäessä näy
te pääsee liukumaan kiinnikkeiden välissä ja liian suuri paine vaurioittaa paperin rakenneta kiinnikkeiden lähellä /26/. Vapaa näytepituus saa vaihdella lainereille tyypillisillä neliömassoilla suhteellisen paljon. Fellers on osoittanut laboratorio- arkkikokeilla että vapaa näytepituus saa vaihdella 0,5 ja 1 mm:n välillä, kun tut
kitun paperin neliöpaino on 100 ja 350 g/m2 välillä ilman, että mitatun puristuslu
juuden arvo muuttuu merkittävästi /26/.
Puristuslujuuden tunnottomuus vapaan näytepituuden muutoksille niin kauan kuin pysytään lyhyen näytepituuden alueella, on selitettävissä tarkastelemalla kuvassa 7 esitettyä puristuskokeessa vaurioitunutta aluetta.
Kuva 7. Poikkileikkaus puristuskokeessa vaurioituneesta lainerikartongista /26/.
Vaurioitunut alue on tyypillisesti paljon lyhyempi kuin kuidunpituus tai vapaa näytepituus SCT-menetelmässä. Puristuslujuuden pysyminen vakiona ja vauri
oituneen alueen kapeus viittaavat siihen, että myös murtumismekanismi pysyy vakiona pienillä vapaan näytepituuden muutoksilla SCT-menetelmässä. /26/.
SCT-menetelmä mittaa puristuslujuutta vain pieneltä alalta kerrallaan (10,5 mm2). Koska SCT-menetelmässä tarkastellaan vain pientä alaa kerrallaan, tu
lee puristuslujuudelle yksittäismittausten välillä suurempi hajonta verrattuna kil
paileviin menetelmiin. Paperi kuitenkin lähtee puristettaessa murtumaan hei
koimmasta kohdastaan. Tästä syystä mitattaessa puristuslujuutta SCT- menetelmällä on myös mitatun puristuslujuuden hajonta syytä ilmoittaa, jotta lainerin suorituskykyä loppu käyttökohteessa voitaisiin arvioida. /25/.
Tutkimus ja tuotekehityskäyttöön on kehitetty edellä esitettyjen lisäksi useita menetelmiä, joissa pitkää näytettä tuetaan joko levyllä tai terillä lommahtamista vastaan. Etuna edellä esitettyihin menetelmiin on, että useimmilla näistä mene
telmistä voidaan määrittää materiaalin jännitys-puristuma -käyrät /27/. Pitkää näytettä lommahtamista vastaan tukevia menetelmiä ovat mm. STFI Solid Support Test, PPRIC Plate Support Test, FPL Lateral Support Test, STFI Blade Support Test ja Weyerhaeuser Lateral Support Test /25/.
Puristuslujuuden arvioimisessa käytetään hyväksi myös ultraäänen etenemis
nopeuden vahvaa korrelaatiota paperin veto- ja puristusjäykkyyden kanssa.
Menetelmä vaatii usean korrelaatiokertoimen määrityksen kullekin paperilajille, mistä syystä se soveltuu lähinnä laadunhallintaan paperikoneella. /29, 20/.
3.2.3 Paperi tasonsuuntaisessa puristuksessa
Kuvassa 8 on esitetty samasta paperinäytteestä mitatut jännitys-venymä -käyrät sekä puristukselle että venytykselle. Puristuma on tässä tapauksessa piirretty positiivisen venymän suuntaan, jotta se olisi helposti verrattavissa venymään.
MD Tension
CO Tension MD Compression
CO Compression
Strain, %
Kuva 8. Paperin jännitys-venymä ja jännitys-puristuma -käyrät kone ja poikkisuunnassa /24/.
Kuvasta nähdään, kuinka paperin kimmokerroin on yhtä suuri sekä puristukses
sa että vedossa, mutta kuinka lineaarinen alue on pienempi puristettaessa pa
peria kuin venytettäessä sitä.
Monikerrosrakenteen puristuslujuus on suunnilleen kerrosten murtopuristumien suhteellisilla paksuuksilla painotettu keskiarvo
d. d0
<7- = <
7
-7
+<7-27
’missä cjc on kerrosrakenteen puristuslujuus (N/m2),
Oc,1> Oc,2 ovat kerrosten puristuslujuudet (N/m2), di,d2 ovat kerrosten paksuudet (m) ja
d on koko lainerin paksuus (m).
(5)
Tämä pätee kuitenkin vain, jos kerrosten murtopuristumat eivät poikkea paljoa toisistaan /30/. Jos murtopuristumat poikkeavat merkittävästi toisistaan, lakkaa pienemmän murtopuristuman omaavan kerroksen kuormankantokyky, kun sitä on vielä toisessa kerroksessa runsaasti jäljellä /31/. Tämän seurauksena pie
nemmän murtopuristuman omaavan kerroksen rakenne murtuu ensin, minkä jälkeen koko monikerrosrakenteeseen kohdistunut kuormitus kohdistuu korke-
amman murtopu ristu man omaavaan kerrokseen, jolloin myös sen kuormankan- tokyky mahdollisesti ylittyy.
3.2.4 Kuituominaisuuksien ja verkostorakenteen vaikutukset
Puristuslujuuteen vaikuttavat samat asiat kuin kimmokertoimeen tai vetolujuu
teen eli kuituominaisuudet ja katuverkoston ominaisuudet. Kuituominaisuuksis- sa tärkeitä ovat kuidun pituus, taipuisuus ja sidoksenmuodostuskyky. Näihin vaikuttaa puulaji, massan valmistustapa ja jauhatus. Verkoston ominaisuuksissa tärkeitä ovat orientaatio, verkoston tiheys ja sitoutumisaste. Näihin vaikuttaa paitsi kuitujen ominaisuudet niin myös paperinvalmistuksen prosessimuuttujat ja sidoksia lujittavat kemikaalit. /30/.
Paperin murtuminen puristuksessa johtuu kuidun tasolla esiintyvästä epästabii- lisuudesta. Murtumistapa riippuu verkoston tiheydestä. Harvassa verkostossa vapaat kuitusegmentit vaikuttavat käyttäytymiseen, kun taas tiheässä verkos
tossa tällaisia kuitusegmenttejä ei ole tai ne ovat hyvin lyhyitä. /30/.
Hyvin harvassa katuverkostossa (p ~ 300 kg/m3) vapaat kuitusegmentit ovat edelleen niin lyhyitä, että pelkästään vapaan kuitusegmentin keskimääräistä hoikkuuslukua tarkasteltaessa ei kuitujen pitäisi päästä taipumaan ennen mur
tumista kohtisuorassa puristuksessa. Kuidut eivät kuitenkaan useimmiten ole täysin suoria, vaan niissä on materiaalin luonnollisesta rakenteesta johtuvia se
kä kuidutusprosessissa syntyneitä vaurioita ja heikkoja kohtia, mitkä alentavat kuidun vastustuskykyä lommahtamiselle. Näin suuri osa vapaista kuitusegmen- teistä harvassa verkostossa pääsee lommahtamaan ja alkaa taipua materiaalia puristettaessa. Puristava voima muuttuu vapaita segmenttejä taivuttavaksi voi
maksi. Materiaali pystyy kantamaan vielä tämänkin jälkeen kuormaa kunnes puristuslujuus ylittyy. Jos kuormitus lopetetaan ennen puristuslujuuden ylitystä, säilyttää paperi kuormankantokykynsä lähes alkuperäisellä tasolla, vaikka kuormitus olisi ollut jopa 90 % puristuslujuudesta ja vaikka olisi menty jännitys- venymä-käyrän epälineaariselle alueelle. Lisäksi vetolujuus säilyy lähes muut
tuslujuuden ylitystä. Tämä tukee käsitystä siitä, että puristuminen on johtunut vapaiden kuitusegmenttien elastisesta taipumisesta. /26/.
Tiheässä ja hyvin sitoutuneessa katuverkostossa (p ~ 1000 kg/m3) ei kuitujen lommahtamista pääse tapahtumaan ja paperin puristuslujuus on lähtöisin vain kuitujen puristuslujuudesta puristusta vastaavassa suunnassa /26/. Tässä tapa
uksessa puristus- ja vetolujuuden suhde on noin 0,3, mikä on sama kuin kuitu
jen veto- ja puristuslujuuden suhde /26/. Suhde on suurempi poikki- kuin kone- suunnassa. Tiheässä verkostossa tapahtuu plastisia muodonmuutoksia ennen murtumista eli jännitys-venymä-käyrän epälineaarisuus on palautumatonta /30/.
Fellersin mukaan /26/ tiheässä verkostossa puristava voima aiheuttaa mikrofib- rillien taipumista ja liukumista toistensa lomitse, kunnes varastoitunut elastinen energia lopulta purkautuu aiheuttamalla makroskooppisen leikkausliukuma- tyypin vaurion kartongissa (Kuva 7).
Tiheällä verkostolla puristusindeksi on harvaa verkostoa korkeampi, sillä harvan verkoston lommahtaneiden kuitujen kuormankantokyky on pienempi kuin tiheän verkoston suorassa pysyvien kuitujen. Harvassa verkostossa jännitysjakauma muodostuu epätasaisemmaksi, mikä osaltaan myös pienentää harvan verkos
ton puristuslujuutta /26/. Suurin osa papereista ja kartongeista on tiheydeltään edellä käsiteltyjen tiheyksien välimaastossa, jolloin myös kuitutason murtumis
mekanismit sisältävät piirteitä molemmista tapauksista /26, 31/.
Fellers on havainnut murtopuristuman olevan päinvastoin kuin murtovenymän lähes riippumaton paperin tiheydestä /26/. Paperilla vaikuttaa olevan kuituma
teriaalista johtuva kriittinen murtopuristuma, minkä jälkeen kuidut joko taipuvat tai pettävät. Kajanto et ai. ovat taas havainneet jauhatuksella tapahtuvalla ti
heyden nostolla olevan suurempi vaikutus murtopuristumaan kuin, jos se on tehty märkäpuristuksen avulla /31/, mikä myös viittaa kuituominaisuuksien eikä niinkään verkostorakenteen olevan murtopuristumaa määräävä tekijä.
Lainerikartongin formaation on havaittu vaikuttavan puristuslujuuteen huomatta
vasti muita lainerikartongille tärkeitä lujuusominaisuuksia vähemmän /32/. On
kuitenkin syytä olettaa, että formaation heikkeneminen lisää myös mitatun puris- tuslujuuden arvon hajontaa. Tämä on syytä ottaa huomioon erityisesti käytettä
essä SCT-menetelmää johtuen menetelmän kerrallaan käsittelemän alan pie
nuudesta.
Kuituorientaatiolla tiedetään olevan vahva korrelaatio puristuslujuuden kanssa.
Mitä enemmän kuidut ovat suuntautuneet puristuslujuuden mittaussuuntaan, sitä suurempi arvo saadaan puristuslujuudelle. Htun ja Fellers ovat tosin osoit
taneet /33/, että kuituorientaation vaikutus puristuslujuuteen on huomattavasti heikompi, kuin muihin paperin mittaussuunnasta riippuviin mekaanisiin ominai
suuksiin.
Sekä Seth et ai. että Kajanto et ai. ovat tutkineet kuituominaisuuksien vaikutusta arkin puristuslujuuteen vertailemalla eri puulajeista valmistettujen massojen ominaisuuksia /31, 34/. Molemmissa tutkimuksissa on todettu kuidun pituuden kasvulla olevan puristuslujuutta parantava vaikutus. Vaikutus on tosin heikko ja Kajanto et ai. ovat osoittaneet /31/, että tietyllä vetolujuuden tasolla saadaan lyhytkuituisemmalla massalla yleensä parempi puristuslujuus. Pituusmassan kasvulla on havaittu molemmissa tutkimuksissa voimakas puristuslujuutta hei
kentävä vaikutus. Seth et ai. totesivat /34/ myös pienen kuitujen S2-kerroksen fibrillikulman olevan edullinen puristuslujuuden kannalta.
Fellers on tutkinut saannon vaikutusta puristuslujuuteen /26/. Fellersin mukaan puristuslujuus riippuu vain vähän saannosta. Tämän Fellers perustelee sillä, että selluloosan ohella myös ligniini on kuiduissa kuormaa kantava komponentti.
Ligniini tukee kuidun mikrofibrillejä lommahtamista vastaan kuituja puristettaes
sa ja samalla tekee koko kuidusta jäykemmän. Ensimmäinen mekanismi vaikut
taa kuidun puristuslujuutta kasvattavasti ja toinen vähentää vapaiden kuituseg- menttien nurjahdustaipumusta katuverkostossa kasvattaen näin harvan kuitu- verkoston puristuslujuutta. Myös Kajanto et ai. ovat tehneet Fellersin olettamus
ten kanssa sopusoinnuissa olevia havaintoja /31/. Korkeasaantoisilla selluilla on saatu tietyllä tiheydellä tai kimmokertoimella korkeampi puristuslujuus kuin ma-
vät korkeassa saannossa kuituun jäävän sellaisia komponentteja, jotka ovat edullisia puristuslujuudelle.
3.3 Kuitu- ja kuituverkoston ominaisuuksien vaikutusten ver
tailu
Taulukkoon 3 on kerätty yhteenvedon omaisesti kuitu- ja kuituverkoston ominai
suuksia ja niiden arvioituja vaikutuksia sekä puristus- että puhkaisulujuuksiin.
Taulukko 3. Kuitu-ja kuituverkoston ominaisuuden muutosten arvioituja vaikutuksia puristus-ja puhkaisulujuuksiin. Taulukossa + tarkoittaa lujuusominaisuuden paranemis
ta ja - heikkenemistä. ± tarkoittaa että kuitu- tai kuituverkoston ominaisuudella on selkeä optimi lujuusominaisuuden suhteen tai vaikutus on epäselvä.
Kuidun- tai kuituverkoston ominaisuuden muutos
Puristuslujuus poikkisuunnassa
Puhkaisuiujuus
Kuidunpituuden kasvu + ++
Kuidun pituusmassan kasvu — -
S2-kerroksen fibrillikulman kasvu - -
Kuidun vauriot — -
Keittosaannon kasvu ± +
Kuitujen sitoutuneen alan kasvu ++ ++
Verkoston tiheyden kasvu ++ +
Formaation paraneminen + +
Konesuuntaisen orientaation kasvu
- +
Useimpien kuitu- ja kuituverkoston ominaisuuksien arvioidaan vaikuttavat sa
maan suuntaan sekä puristus- että puhkaisulujuuden suhteen. Eroja arvioidaan olevan lähinnä odotetuissa vaikutusten voimakkuuksissa sekä orientaation ja formaation vaikutuksissa.
4 PURISTUS- JA PUHKAISULUJUUTEEN VAIKUTTAMINEN
4.1 Yleistä
Kuvassa 9 on esitetty mind map oletetuista lainerin valmistuksessa lujuuksiin vaikuttavista tekijöistä ja niiden vuorovaikutuksista.
Täyteaineet,
Jauhatus massatärkki Mårkåpuristus Kuivatus Kalanterointi Rainaus
Formaatio Kuituorientaatio Kuituomi naisuudet Verkostorakenne
Sidospinta-ala/
sidoslujuus
Lainerin rakenne SCT, MULLEN
Kuva 9. Mind map puristus-ja puhkaisulujuuteen vaikuttavista tekijöistä ja niiden vuoro vaikutuksista.
Kuvasta 9 voidaan havaita, kuinka kuvassa ylimmällä rivillä olevat muuttujat vaikuttavat lujuusominaisuuksiin usein samojen fysikaalisten ominaisuuksien kautta, minkä johdosta niillä on monimutkaisia yhdysvaikutuksia keskenään.
Tämä tekee muuttujille tehtyjen muutosten vaikutusten arvioinnista lujuusomi
naisuuksiin haasteellista. Jotta oikeita johtopäätöksiä voidaan tehdä, täytyy en
sin ymmärtää, mitkä raaka-aineena käytettyjen kuitujen ja kartongin verkostora
kenteen ominaisuuksista ovat tärkeitä haluttujen lujuusominaisuuksien kannalta.
Tämän jälkeen voidaan arvioida muuttujien vaikutuksia kuitumateriaaliin ja ver
kostorakenteeseen ja tätä kautta myös tarkasteltuihin lujuusominaisuuksiin.
Tässä kappaleessa selvitetään valkopintaisen kraftlainerin valmistuksessa ylei
sesti käytettyjen raaka-aineiden ja paperinvalmistuksen osaprosessien hallin- tasuureiden vaikutusta edellisessä kappaleessa puristus- ja puhkaisulujuuden kannalta tärkeiksi havaittuihin kuitu- ja katuverkoston ominaisuuksiin. Lisäksi käydään läpi hallintasuureiden tunnettuja vaikutuksia suoraan puristus- ja puh- kaisulujuuteen sekä kerrosrakenteen antamia mahdollisuuksia lujuuden hallin
taan.
4.2
Raaka-aineet
4.2.1 Ku itu raaka-ai neet
Raaka-aineena käytettävien puulajien puu kuitujen ominaisuudet määräävät näistä saatavissa olevien paperimassojen ominaisuudet. Puukuitujen mitat vaih- televat merkittävästi jopa saman lajin eri yksilöiden kesken, saman rungon eri osissa ja yksittäisessä vuosilustossa /35/. Vaihtelua lajin sisällä aiheuttavat pe
rintötekijät, puun ikä, kasvunopeus ja ympäristötekijät. Mittojen vaihtelun vuoksi on vaikea esittää yleispäteviä arvoja puukuitujen mitoille, miksi tällaisia tietoja onkin julkaistu verrattain vähän. Ilvessalo-Pfäffli on koonnut /35/ useasta eri läh
teestä tietoja kuitujen dimensioista. Näistä on koottu kraftlainerin valmistukses
sa yleisesti käytettyjen puukuitujen mittoja taulukkoon 4.
Taulukko 4. Valkopintaisen kraftlainerin raaka-ainepuukuitujen tyypillisiä mittoja /35/.
Yksittäinen luku on keskiarvo, arvoille ilmoitetut välit ovat määritettyjä maksimi- ja mini miarvoja.
Ominaisuus Koivu Mänty
Kuidunpituus, mm 1,2 (0,3-1,6) (hieskoivu)
2,8 (1,3-4,2)
Kuidun leveys, ¿/m 14-40
(rauduskoivu)
40 Kuituseinän paksuus, /vm 3-4
(hieskoivu)
kevätpuu 2-4 kesäpuu 4 - 8
Mäntykuiduilla on suurempi keskimääräinen kuidunpituus ja pituusmassa kuin koivukuiduilla. Taulukossa 3 arvioitujen vaikutusten pohjalta suuri kuidunpituus
on edullista erityisesti puhkaisulujuudelle ja korkea pituusmassa haitallista eri
tyisesti puristuslujuudelle. Mäntykuitupohjaisilla massoilla tiedetään saavutetta
van yleensä koivumassoja korkeampi lujuustaso. Mäntykuidun osuuden vähe
nemisen voi näin ollen päätellä vaikuttavan haitallisesti erityisesti puhkaisulujuu- teen.
Valkopintaisen kraftlainerin pintakerroksen kuitu raaka-aineina käytetään ylei
sesti valkaistua koivusulfaattimassaa ja valkaistua mäntysulfaattimassaa. Val
kaistu koivusulfaattimassa antaa lainerin pintakerroksessa käytettynä hyvät op
tiset ominaisuudet, hyvän formaation ja kehittää myös vetolujuutta. Havusellun rooli lainerin pintakerroksessa käytettynä on tarvittavan peruslujuuden ja pinta- lujuuden varmistaminen eli pinnan viansietokyvyn parantaminen. Valkaistun havusellun jauhatuksessa on siksi tärkeää säilyttää kuidunpituus mahdollisim
man hyvin ja tuottaa tasainen jauhatustulos. /36/.
Pohjakerroksen tärkeimpänä kuituraaka-aineena käytetään valkaisematonta korkeasaantoista mäntysulfaattimassaa. Korkeasaantoisen mäntysulfaattimas- san tarkoituksena lainerin pohjakerroksessa on tuoda kartongille hyvä yleislu- juus tiivistämättä pohjaa liiaksi /37/. Kemiallisen massan kuitudimensiot muuttu
vat puun haketuksen ja massanvalmistuksen aikana. Keiton ja valkaisun ede
tessä soluseinästä liukenee erityisesti ligniiniä ja hemiselluloosaa, jolloin kuidut ohenevat ja tulevat taipuisammiksi. Tämän johdosta samasta raaka-aineesta valmistettu korkeasaantoinen mäntysulfaattimassa on jäykempää ja poikkeaa kuitudimensioiltaan jonkin verran valkaistusta mäntysulfaattimassasta. Useita massatyyppejä verrattaessa on valkaisemattoman havusellun havaittu antavan paremman puristuslujuuden tietyllä ilmanläpäisevyyden tai arkin tiheyden tasol
la /31/.
4.2.2 Massatärkkelys
Massatärkkelyksen käytöllä pyritään parantamaan lainerin kuivalujuutta. Tärk
kelyksen käyttö massan seassa lisää kuitujenvälistä sitoutumista vaikuttamatta
välisillä kontaktipinnoilla eikä niinkään verkoston sitoutunutta alaa. Massatärk- kelyksen pitoisuuden lisäyksellä voidaan vaikuttaa paperin kuivalujuuteen aina, kunnes kuitujenvälisistä sidoksista tulee kuituja lujempia. Kuitujenvälisen sitou
tumisen lujittuminen näkyy parhaiten z-suunnan lujuusominaisuuksissa, mutta sillä on myös positiivinen vaikutus sekä puristus- että puhkaisulujuuksiin. /38/.
Lisätäkseen kuitu verkoston lujuutta tärkkelyksen tulisi adsorboitua kuitujen pin
taan ja erityisesti kuitujen väliin. Massaseosten komponenttien erilaisten hydro
dynaamisten ominaispinta-alojen johdosta massatärkkelys rikastuu helposti hienoaineen ja täyteaineen pintaan. Tämän johdosta massatärkkelyksen kuiva- lujuuden lisäys jää sitä pienemmäksi, mitä enemmän massaseoksessa on hie
noaineita tai täyteainetta. Tärkkelyksen rikastumiseen massan eri komponent
teihin voidaan vaikuttaa jonkin verran annostelupaikan valinnalla. /38/.
4.2.3 Täyteaineet
Täyteaineita käytetään parantamaan valkopintaisissa lainereissa pintakerroksen optisia ominaisuuksia ja tuomaan kustannussäästöä. Lujuusominaisuuksiin täy
teaineen lisääminen vaikuttaa negatiivisesti.
Täyteainepartikkelit voivat sijoittua katuverkostoon kolmella tavalla /39/. Ne voi
vat täyttää tyhjiä tiloja kuitujen välissä, jolloin ne eivät vaikuta lujuusominaisuuk
siin, mutta parantavat valonsirontaa. Litteät partikkelit voivat jäädä kuitu kerros
ten väliin niin, etteivät ne vaikuta paperin optisiin tai mekaanisiin ominaisuuksiin.
Yleensä täyteainepartikkelit kuitenkin sijoittuvat kuitujen väliin estäen niiden si
toutumista, heikentäen lujuusominaisuuksia, kasvattaen paperin paksuutta, lisä
ten huokoisuutta ja parantaen valonsirontaa. Täyteainelisäyksen vaikutus pape
rin huikkiin riippuu käytettyjen täyteainepartikkelien ja kuitumateriaalin tiheyden suhteesta /40/.
Vakioneliöpainossa lujuudet laskevat täyteainemäärän kasvaessa, koska tällöin paperissa on vähemmän kuituja tilavuus- tai pinta-alayksikköä kohden. Täy-
teainepartikkelit aiheuttavat epätasaisemman jännitysjakauman ku itu verkostoon paperia rasitettaessa, mikä myös laskee paperin lujuutta. /39/.
Pienikokoisemmat täyteainepartikkelit aiheuttavat yleensä suuremman lu
juusominaisuuksien laskun. Tämä johtuu ilmeisesti suuremmasta täyteaineen ominaispinta-alasta, minkä johdosta massaltaan sama määrä täyteainetta voi estää suuremman määrän kuitujenvälisiä sidoksia. /40/.
4.2.4 Muut kemikaalit
Taulukossa 5 on listattuna muita lainerin valmistuksessa yleisesti käytettyjä ke
mikaaleja.
Taulukko 5. Lainerin valmistuksessa yleisesti käytettyjä kemikaaleja ja niiden käytön tarkoitukset.
Kemikaali Käyttötarkoitus
Retentioaineet Paperikoneen retention ja paperin laa
dun hallinta
Vaahdonestoaineet llmapitoisuuden ja vaahtoamisen hal
linta paperikoneen kierroissa Hydrofobiliimat Lopputuotteen vesiabsorptio-
ominaisuuksien säätö
Biosidit Paperikoneen mikrobiologisen tilan
hallinta
pH:n säätöaineet pH:n säätö valmistusprosessin vaati
malle tasolle
Märkälujaliimat Lopputuotteen kosteudenkeston paran
taminen
Entsyymit Massojen jauhautuvuuden helpottami
nen, energiansäästö
Retentioaineet vaikuttavat erityisesti muodostuvan paperin rakenteen kautta lujuusominaisuuksiin. Niiden ensisijainen tehtävä on kuitenkin paperikoneen retention hallinta eikä niitä näin ollen voi käyttää lujuusominaisuuksien sää- tösuureena. Tämän johdosta retentioaineiden käytön lujuusvaikutukset jätetään tämän työn ulkopuolelle. Muilla kemikaaleilla ei tunneta olevan merkittäviä suo
ria lujuusvaikutuksia. /41/.
4.3 Lajittelu ja kerrosrakenne
Massan lajittelua käytetään paperinvalmistusprosesseissa pääasiassa varmis
tamaan massan puhtaus /42/. Muita yleisiä käyttötarkoituksia ovat massajakei- den erottaminen erilliskäsittelyjä varten, massan jakaminen eri tuotantoproses
seja varten, lajittelu laatuvaihteluiden tasaamiseksi ja massan jakaminen moni- kerrostuotteiden eri kerroksia varten. Lajitteluun käytetään tehdasmittakaavassa pääasiassa painelajittimia tai pyörrepuhdistimia. Painelajittimilla voidaan rikas
taa massoja eri jakeisiin kuitujen dimensioiden ja jäykkyyden mukaan. Pyörre- puhdistimilla partikkelien rikastuminen eri jakeisiin perustuu pääasiassa eroihin joko tiheydessä tai partikkelien ominaispinta-alassa.
Aiemmin tässä työssä todettiin lainerin pinnalta ja pohjalta vaadittavan erilaisia ominaisuuksia. Lainen on useimmiten edullista valmistaa monikerrosrakenteek- si, koska näin pinnan ja pohjan raaka-aineet voidaan valita toisistaan riippumat
ta vastaamaan pinnan ja pohjan vaatimuksia. Lisäksi kerrosten määrän lisään
tyessä mekaaninen vedenpoisto helpottuu ja yhdistetyn kartongin formaatio pa
ranee /32/. Useimmiten lainerit valmistetaan kaksikerroksisiksi, mutta myös use
ampia kerroksia käytetään erityisesti testlainereiden valmistuksessa IM.
Kerrosten koostuessa erilaisista raaka-aineista tai valmistettaessa erilaisella prosessilla muodostuvat kerrosten mekaaniset ominaisuudet erilaisiksi. Puh- kaisulujuuden kannalta monikerrosrakenteessa tärkeäksi ominaisuudeksi todet
tiin aiemmin tässä työssä konesuunnan murtovenymä ja puristuslujuuden kan
nalta poikkisuunnan murtopuristuma. Jos nämä poikkeavat paljon eri kerroksis
sa, jää suuremman venymän tai puristuman omaavan kerroksen lujuuspotenti- aalista mahdollisesti osa käyttämättä. Monikerrosrakenteissa voidaan toisaalta keskittyä tekemään lujuusominaisuudet vain tietyissä kerroksissa, jolloin muut kerrokset voidaan optimoida eri ominaisuuksien mukaan.
