ALUMIINILAMINAATIN POHJAPA- PERIREFERENSSIT JA RAAKAREU-
NAIMEYTYMÄN TUTKIMINEN
Otso Laakkonen Saku Laine
Opinnäytetyö Kevät 2019
Biotuote- ja prosessitekniikka Biotuotetekniikka
TIIVISTELMÄ
Tampereen ammattikorkeakoulu Biotuote- ja prosessitekniikka Biotuotetekniikka
OTSO LAAKKONEN, LAINE SAKU:
Alumiinilaminaatin pohjapaperireferenssit ja raakareunaimeyty- män tutkiminen
Opinnäytetyö 61 sivua, joista liitteitä 13 sivua Kevät 2019
Tämä opinnäytetyö tehtiin tiiviissä yhteistyössä Toimeksianta- jan kanssa. Opinnäytetyön tarkoituksena oli tehdä selkeät pape- rireferenssit toimeksiantajan käyttämistä raakapapereista, sekä tutkia alumiinilaminaatin pohjapaperin vesiabsorptioon vaikut- tavia tekijöitä. Tavoitteena oli toimeksiantajan prosesseihin so- pivien paperien kriittisten ominaisuuksien taulukointi ja ymmär- ryksen lisääminen paperin reunaimeytymästä.
Paperireferenssien kartoitus oli toimeksiantajalle tärkeä etu tule- vaisuutta silmällä pitäen. Niiden avulla on helpompi seurata poh- japaperien toimivuutta eri konelinjoilla. Yrityksellä ei itsellään ollut vielä omaa referenssikirjastoa ja halusi luoda itselleen sel- laisen omaa päivittäistoimintaansa varten. Opinnäytetyössä refe- renssit tehtiin kahdeksasta yleisimmin käytetystä pohjapaperi- laadusta.
Pohjapaperin vesiabsorption, ja erityisesti reunaimeytymän tut- kimisen haasteena oli standardoimattomuus. Sen takia soveltavia kokeita jouduttiin suorittamaan yrityksen ja erehdyksen kautta.
Sovellettu Cobb-menetelmä osoittautui kuitenkin validiksi ja sillä saatiin luotettavia tuloksia. Menetelmän avulla saatiin myös todistettua laminointiprosessin täyttävän pohjapaperin huokosia tehokkaasti ja pienentävän absorptiota pohjapaperiin nähden.
Voidaan todeta, että raakareunaimeytymän tutkiminen vaatii tar- kempaa huomiota ja eri prosessiparametrien muuttujien hallin- taa. Prosessiparametrien muutoksella reunaimeytymään voidaan vaikuttaa niin positiivisesti kuin negatiivisestikin. Ilmiön tar- kempi tutkiminen vaatii standardoimista sekä tarkkaa dokumen- taatiota, jotta tuloksista saadaan toistettavia.
Asiasanat: laminaatti, raakareunaimeytymä
ABSTRACT
Tampereen ammattikorkeakoulu
Tampere University of Applied Sciences Bioproduct- and process engineering Bioproduct engineering
OTSO LAAKKONEN, SAKU LAINE:
Quality parameters and raw edge penetration of base papers used in technical laminates
Bachelor's thesis 61 pages, appendices 13 pages Spring 2019
This thesis was made in collaboration with principal. The pur- pose of this thesis was to give the company more information of the most common basepapers used in Valkeakoski plant and to make a reference library to be used in the future. The second aim was to provide knowledge in raw edge penetration of water in the basepapers in multilayer laminate products.
Building a reference library of basepapers is an advantage to principal in the future. With it, tracking how different basepapers with different properties work in production, is easier. The com- pany has not had this kind of library before. This thesis gathered the data of 8 most common basepapers into the library.
The lack of commonly accepted methods or standards proved to be a challenge while studying the raw edge penetration. Due to that, several different experiments had to be made through trial and error. The applied COBB-method proved to give reliable and consistent results. With this method, it’s also proven that the laminating process reduces the absorptiveness of the basepaper.
It can be stated, that studying the raw edge penetration as a phe- nomenon requires more in-depth research and a better fine-tuned method and clearly documented standard so that the test results can be made consistent and easily replicable.
Key words: laminate, raw edge penetration
SISÄLLYS
1 JOHDANTO ... 7
2 TOIMEKSIANTAJA ... 8
3 EKSTRUUSIO, ADHEESIO JA POHJAPAPERI ... 9
3.1 Ekstruuderi ... 9
3.2 Adheesio ... 11
3.2.1 Linjanopeus ja ilmaväli ... 12
3.2.2 Ruuvituotto, nippipaine & jäähdtystela... 12
3.2.3 Korona- ja leikkikäsittely ... 13
3.3 Pohjapaperi ... 13
3.3.1 Massaliimaus ... 14
4 POHJAPAPERIN MITATUT OMINAISUUDET ... 18
4.1 Lujuusominaisuudet ... 18
4.1.1 Vetolujuus ... 18
4.1.2 Repäisylujuus ... 20
4.1.3 Puhkaisulujuus ... 21
4.1.4 Palstautumislujuus ... 22
4.2 Muut mekaaniset ominaisuudet ... 23
4.2.1 Paksuus, tiheys ja bulkki ... 23
4.2.2 Formaatio ... 24
4.2.3 Kuituorientaatio... 25
4.2.4 Ilmanläpäisy ja huokoisuus ... 26
4.2.5 Karheus ... 27
5 EKSTRUUSIOLAMINAATIN POHJAPAPERIN VESIABSORPTIO ... 28
5.1 Paperin absorptio-ominaisuudet ... 28
5.1.1 Nestesorptioon vaikuttavat fysikaalis-kemialliset ilmiöt ... 30
5.2 Kapillaari-ilmiö ... 31
5.3 Raakareunaimeytyminen ... 32
6 KOKEELLINEN OSUUS ... 34
6.1 Kokeellisen osuuden tavoite ... 34
6.2 Reunaimeytymätestien muuttujat ... 34
6.2.1 Reunaimeytymäkoe kontaktimuovipäällysteellä ... 35
6.2.2 Reunaimeytymäkoe PET-taskuun laminoinnilla ... 36
6.2.3 Reunaimeytymäkoe sovelletulla COBB-menetelmällä... 38
7 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 42
7.1 Päätelmät paperien ominaisuuksien eroista ... 42 7.2 Paperin ominaisuuksien vaikutus laminaattituotteen reunaimeytymään . 43
7.3 Raakareunaimeytymisen tutkiminen ... 45
7.3.1 Jatkotutkimukset ... 45
LÄHTEET ... 47
LIITTEET ... 49
LYHENTEET JA TERMIT
• AKD Alkyyliketeenidimeeri
• ASA Alkenyyli meripihkahapon anhydridi
• EWI Edge Wicking Index, reunaimeytymäindeksi
• KS Konesuunta
• PCC Precipitated Calcium Carbonate, saostettu kalsiumkarbonaatti
• PE Polyeteeni(muovi)
• PET Polyeteenitereftalaatti
• PIR Polyisosyanuraatti
• PUR Polyuretaani
• PS Poikkisuunta
• REP Raw Edge Penetration, raakareunaimeytymä
1 JOHDANTO
Tämä opinnäytetyö koostuu kahdesta osasta. Ensimmäisessä osassa tutkittiin Toimeksi- antajan Valkeakosken tuotannossa olevien yleisimpien pohjapaperien ominaisuuksia. Pa- perinäytteet saatiin toimeksiantajalta ja tutkittavaksi valikoitui 8 eri paperilaatua ne- liömassoiltaan 40 g/m2 ja 150 g/m2 väliltä. Tarkoituksena oli laatia kattava referenssikir- jasto tulevaisuutta varten. Valituissa laaduissa oli kaksi 70 g/m2 ja kaksi 90 g/m2 paperia, joiden ominaisuuksia vertailtiin myös keskenään. Pohjapapereita tutkittaessa keskityttiin pääasiassa mekaanisiin ominaisuuksiin, joilla on vaikutusta lopputuotteeseen. Tutkimuk- set suoritettiin TAMK:n paperilaboratoriossa ISO 187:1990 standardiolosuhteissa.
Toisessa osassa perehdyttiin paperin vesiabsorptioon, raakareunaimeytymiseen ilmiönä sekä ekstruusiolaminaattituotteen pohjapaperin vesiabsorptioon ja siihen vaikuttaviin te- kijöihin. Vesiabsorptio on yleinen termi, joka kuvaa veden imeytymistä kuitupohjaan suunnasta riippumatta. Reunaimeytymä tai raakareunaimeytymä eli REP (raw egde pe- netration) taas on ilmiö, jossa ainoastaan paperin suojaamaton reuna on altis veden imey- tymiselle. Laminaattituotteesta ylä- ja alapinnat ovat suojattu polymeerikerroksilla ja/tai alumiinilla, mutta sivussa on paperin suojaamaton raakareuna.
Monikerroslaminaatista valmistetaan PUR- ja PIR-eristelevyjä eli polyuretaanieristeitä, joita käytetään rakennusten seinissä, lattioissa ja katoissa lämmöneristeenä useimmiten lasikuituvillan korvikkeena. Eristelevyjen pinnassa käytetyssä laminaatissa ongelmia voi aiheuttaa kosteuden imeytyminen monikerrosrakenteen sisään raakareunasta. Tällöin le- vyn muotoa ylläpitävä laminaatti menettää lujuusominaisuutensa, jolloin levyjen väliset saumat avautuvat heikentäen eristystehoa. Toinen osa pitää sisällään sekä kirjallisen osuuden, jossa käsitellään reunaimeytymistä laminaattituotteessa, sekä kokeellisen osuu- den, jossa pyrittiin selvittämään laminaatin reunaimeytymistä käytännössä.
Pohjapaperi on laminaatin suurin absorptioon vaikuttava tekijä, ja sen ominaisuuksien ja rakenteen kautta pyrittiin tutkimaan mahdollisia syitä veden imeytymiseen ja sen hallit- semiseen. Pohjapaperin absorption tulisi prosessiolosuhteissa olla hallittavissa, jotta lop- putuotteen ominaisuudet eivät kärsisi.
2 TOIMEKSIANTAJA
Toimeksiantajan historia alkaa vuodesta 1931, jolloin Paperituote aloitti tuotannon Val- keakoskella. Toimeksiantaja oli osa UPM Kymmene –konsernia vuoteen 2007 saakka, jolloin pääomasijoittaja CapMan Oyj osti yrityksen. Vuonna 2018 vahvistui kauppa, jossa yritys myytiin One Equity Partners -sijoitusyhtiölle. Nykyään yritys on jaettu kolmeen eri liiketoiminta-alueeseen, joihin kuuluvat Paper Packaging, Technical Products sekä Con- sumer Board.
Yritys on kansainvälinen teknisten laminaattien ja suojapakkausten valmistaja. Yritys on erikoistunut kuitupohjaisten, älykkäiden monikerroslaminaattituotteiden valmistukseen useisiin erilaisiin käyttökohteisiin rakennuspinnoitteista pakkausten sulkuratkaisuihin.
Konsernilla on toimipisteitä seitsemässä maassa, Suomessa, Saksassa, Alankomaissa, Puolassa, Isossa-Britanniassa, Venäjällä sekä Kiinassa. Konsernin henkilöstön määrä on noin 900 henkilöä, ja vuosittainen liikevaihto yli 300 miljoonaa euroa. Suomessa konser- nilla on tuotantolaitoksia Pietarsaaressa sekä Valkeakoskella. Valkeakoskella yritys työl- listää 190 henkilöä. Pietarsaaressa työskentelee 195 henkilöä.
Valkeakoskella yrityksellä on kolme tuotantolinjaa, joilla valmistetaan ekstruusiotuot- teita. Valkeakosken tehtaan yhteenlaskettu kapasiteetti on 60 000 tonnia vuodessa. Kah- della linjalla on mahdollista valmistaa monikerrosalumiinilaminaatteja. Tämän työn ai- heena oli valmistaa PE-2, PE-3 ja PE-4 linjoilla käytettävien pohjapaperien referenssikir- jasto, sekä perehtyä papereiden ja niistä valmistettujen laminaattituotteiden reunaimeyty- mään.
3 EKSTRUUSIO, ADHEESIO JA POHJAPAPERI
Ekstruusiopäällystys tarkoittaa yksinkertaisuudessaan radan päällystämistä muovifil- millä. Sula muovi valutetaan radalle ja jäähdytetään nopeasti puristaen se kiinni paperiin.
Kahden materiaalin toisissaan kiinnipysyvyyttä kuvataan käsitteellä adheesio, mikä usein on ekstruusiomenetelmän suurimpia haasteita. Yhdessä muovifilmissä voi myös olla useita kerroksia, joilla saadaan eri toiminnallisia ominaisuuksia tuotteeseen. Tällöin pu- hutaan koekstruusiosta. Ekstruusiomenetelmällä voidaan myös yhdistää kaksi rataa toi- siinsa, jolloin puhutaan ekstruusiolaminoinnista.
KUVA 1. Laminaattori
3.1 Ekstruuderi
Ekstruuderi on koneen osa, joka suorittaa ratojen varsinaisen laminoimisen. Sen tehtä- vänä on sulattaa muovi, asettaa eri polymeerikerrokset haluttuun järjestykseen ja levittää ne ohueksi filmiksi radalle. Ekstruuderin osia ovat hopperi, ruuvi, sihtipakka, jakokappale ja suutin.
KUVA 2. Ekstruuderin rakenne
Hopperi on suppilo, jonka kautta muovigranulaatit syötetään ekstruuderiin. Hopperin jäl- keen muovi siirtyy ruuviin. Ruuvi on sylinterin sisällä pyörivä kuljetin, jota pyörittää säh- kömoottori. Sen tehtävä on sulattaa granulaatit ja saada aikaan tasaisesti sula muovi- massa. Syöttövyöhyke ottaa vastaan halutun määrän muovia, sulatusvyöhykkeessä sylin- terin ja ruuvin välissä oleva tilavuus pienenee aiheuttaen muoviin sisäistä kitkaa luoden lämpöä ja sulattaen muovin. Sulatusvyöhykkeen jälkeen ruuvissa voi olla vielä sekoitus- vyöhykkeitä, joiden tarkoitus on varmistaa, että muovi on kauttaaltaan sulaa.
Ruuvin geometrialla on vaikutusta muovin sulamiseen. Sillä voidaan säädellä paineenko- rotusta, viskoosivoimien aiheuttamia ongelmia sekä kaasun poistoa. Ruuvin L/D-suhteen (lenght/diameter) kautta pystytään arvioimaan ekstruuderin maksimisuorituskykyä. [9]
Ruuvin jälkeen sula muovi kulkee sihtipakan läpi, joka poistaa massasta epäpuhtauksia ja geelimäisiä aineita. Sihtipakan jälkeen muovivirtaus on laminaarinen. Jos ekstruu- derissa on useampia ruuveja, muovivirtaukset yhdistyvät tämän jälkeen jakokappaleessa.
Jakokappaleen tehtävänä on asettaa muovikerrokset haluttuun järjestykseen.
Koekstruusiossa jakokappaleen oikea valinta on tärkeää, jotta saadaan haluttujen muo- vien ominaisuudet oikeille paikoilleen. Suuttimen valintaan vaikuttaa se, missä kohti su- lien muovivirtojen halutaan yhdistyvän; suuttimen sisällä, sen raossa vai ulkopuolella.
Muovien tarttuvuutta toisiinsa voidaan myös parantaa esimerkiksi johtamalla otsonia ker- rosten väliin.
Tämän jälkeen yhdistynyt virtaus levitetään suuttimessa oikean levyiseksi ja valutetaan radalle. Suuttimesta valuva muovi osuu rataan ja ajautuu puristustelan sekä jäähdytyste- lan muodostamaan nippiin. Nippipainetta pystytään säätelemään, kuten myös suuttimen etäisyyttä radasta, jota kutsutaan ilmaväliksi. Myös jäähdytystelan lämpötilaa voidaan usein säätää.
3.2 Adheesio
Adheesio voidaan määritellä olotilana, jossa kaksi toisistaan poikkeavaa materiaalia py- syy toisissaan kiinni siten, että mekaaninen voima voi kulkea yhdisteen lävitse [10]. Käy- tännössä adheesioon kuitenkin viitataan voimana, joka vaaditaan rikkomaan kahden ma- teriaalin välinen sidos. Ekstruusiolaminoinnissa adheesion aiheuttaa sulan muovifilmin tunkeutuminen paperiradan pinnan epätasaisuuksiin. Adheesion ollessa hyvä, paperin si- säinen palstautumislujuus on pienempi, kuin muovin ja paperin välinen lujuus. Muoveina käytetään usein PE-muovia.
Adheesiota mitataan erinäisillä repeämistestauksilla, jossa muovipäällystettä yritetään ir- rottaa radan pinnasta. Mikäli kuiturepeämää ei testauksessa tapahdu, voidaan adheesion todeta olevan erittäin huono. Tämänlainen tilanne voi tapahtua päällystettäessä pigmen- toitua kartonkia. Adheesioon vaikuttavia ajoparametrejä ovat esimerkiksi linjanopeus, ruuvien tuotto, ilmaväli, nippipaine, koronakäsittely sekä liekkikäsittely [6].
KUVA 3. Monikerroslaminaatin rakenne (digvijaygroup.in)
3.2.1 Linjanopeus ja ilmaväli
Linjanopeudella tarkoitetaan nopeutta, jolla ekstruusiolinja toimii. Yleisin linjanopeuden ilmoitusyksikkö on metriä minuutissa. Linjanopeudet voivat vaihdella muutamasta kym- menestä metristä pilot-koneilla useihin satoihin metreihin minuutissa teollisilla tuotanto- linjoilla. Linjanopeuden oikea määrittäminen on erittäin tärkeää hyvän adheesion saavut- tamiseksi. Filmikerroksen on oltava riittävästi kosketuksissa ilman kanssa hapettuakseen oikein. Hapettuminen on tärkeää saavutettavan adheesion kannalta. Muovifilmin hapet- tumiseen vaikuttaa myös suuttimen ja nipin ilmaväli, jota säädetään usein samalla linja- nopeuden kanssa.
Ilmavälillä tarkoitetaan suuttimen etäisyyttä nipistä. Se on erityisen tärkeä ektruusiolami- noinnissa, sillä se määrittelee, kuinka hapettunutta muovi on kohdatessaan laminoitavan materiaalin. Ilmaväli myös vaikuttaa siihen, kuinka paljon muovi ehtii jäähtyä ennen osu- mistaan radan pintaan ja nippiin joutumista [13]. Ilmaväliä säädettäessä tulisi myös sulan muovimassan lämpötilaa säätää, ettei jäähtyminen vaikuttaisi adheesioon negatiivisesti.
Ilmavälin ja lämpötilan lisäksi adheesioon vaikuttaa sulan muovin määrä. Määrän tippu- essa jäähtyminen kasvaa, vaikkei ilmaväliä säädettäisi. [13]
3.2.2 Ruuvituotto, nippipaine & jäähdtystela
Ruuvituotolla tarkoitetaan ekstruuderin tuottamaa muovimäärää. Muovimäärä ilmoite- taan yleensä grammoina neliötä kohden, joissain tapauksissa voidaan puhua myös filmi- kerroksen paksuudesta mikrometreissä. [17] Ruuvituoton tulee olla juuri oikea; liiallinen määrä ei hapeta kaikkea muovia tehokkaasti ja estää sopivan jäähtymisen jäähdytyste- lalla. Liian vähäinen määrä aiheuttaa reikiä ja katkoja filmiin, jolloin radat eivät lami- noidu toisiinsa eli syntyy ns. “kuplia”. Molemmat ääripäät aiheuttavat huonoa adheesiota lopputuotteessa. [10]
Nippipaine ja puristusaika vaikuttavat muovin kristallisoitumiseen. Nipissä tulisi tapah- tua minimipenetraatio 100% adheesion saavuttamiseksi. [13] Nippipaineen tulee olla kor- kea, mutta liian korkealla nippipaineella ei ole havaittu adheesiota nostavia vaikutuksia.
Nippipaineen tulee myös jakautua tasaisesti koko radan leveydeltä. [17]
Jäähdytystelan lämpötila on usein noin 10-20 °C. Jäähdytystela voi olla joko kiiltävä tai mattapintainen. Liian alhainen jäähdytystelan lämpötila voi johtaa huonoon adheesioon muovifilmin jäähtyessä liian nopeasti. Liian korkea jäähdytystelan lämpötila voi taas joh- taa muovin tarttumiseen jäähdytystelan pintaan ja hidastaa päällysteen jäähtymistä. [17]
3.2.3 Korona- ja leikkikäsittely
Koronakäsittelyllä tarkoitetaan varausten törmäyttämistä laminoitavan radan pintaan.
Törmäytettävät varaukset ovat erimerkkisiä kuin radan oma varaus. Käsittelyllä pinnan varaus kasvaa polaaristen ryhmien syntyessä pinnalle. Koronoinnissa tulee olla erittäin varovainen, sillä liiallinen käsittely johtaa helposti huonoon adheesioon tai kuituvaurioi- hin laminoitavassa materiaalissa. [10]
Liekkikäsittelyllä tarkoitetaan radan pintaan suunnatun propaaniliekin käyttöä. Sitä käy- tetään adheesion parantamiseksi. Se hapettaa käsiteltävä pintaa, sekä polttaa mahdollisia epäpuhtauksia. Liekkiä käytettäessä, jo yhdellä käsittelyllä saadaan adheesiota parantavia tuloksia. Useampi käsittelykerta ei toisi suuria parannuksia adheesioon. [10]
Liekkikäsittely mikrokarhentaa kuituradan pintaa. Tämä aktivoi pintaa sekä poistaa kon- taminointeja. Se myös parantaa adheesiota poistamalla kosteutta laminoitavasta radasta.
Liekkikäsittelyä voidaan myös verrata koronakäsittelyyn: liekkikäsittely säilyttää omi- naisuudet kauemmin ja ei aiheuta käsittelyä radan toiselle puolelle. [10]
3.3 Pohjapaperi
Paperi on useissa monikerroslaminaateissa koko rakenteen sydän. Se ei juurikaan tuo lämmöneristävyyttä, mutta lähes kaikki laminaattituotteen lujuusominaisuudet tulevat
siitä. Tästä syystä pohjapaperin valinnalla on iso merkitys koko laminaattituotteen kan- nalta.
Opinnäytetyössä tutkitut paperilaadut koostuvat pääasiassa valkaisemattomasta kemialli- sesta massasta. Kemiallinen massa koostuu pääasiassa pitkistä ja lujista kuiduista. Mas- san huokoskoko on pieni, ja sitä käytetään, kun lopputuotteelta vaaditaan hyviä lujuus- ominaisuuksia. Valkaisemattoman massan lujuus on suurempi, kuin valkaistun massan.
Kemiallisella massalla on suurempi tiiveys kuin mekaanisella massalla, joten vastaavasti vedenabsorptio on usein pienempi. Massan valinnan lisäksi merkittävässä asemassa pa- perinvalmistuksessa veden absorption kannalta on massaliimaus.
3.3.1 Massaliimaus
Paperinvalmistuksessa liimaus tarkoittaa usein kemiallista käsittelyä ja sen tavoitteena on usein vähentää nesteabsorptiota sekä lisätä kuivan tai märän paperin lujuuksia. Liimoista puhutaan usein hydrofobi-, kuivaluja-, sekä märkäliimoina. Jokainen niistä tarjoaa hyö- tyjä eri käyttötarkoituksia varten. Massaliimauksessa liima-aines lisätään ennen perälaa- tikkoa sulpun joukkoon sekoittumaan. Retention ollessa hyvä on liima-aines jakautunut tasaisesti valmiissakin paperissa. [8]
3.3.1.1 Massaliimaukseen vaikuttavat tekijät
Liimaukseen vaikuttavat monet tekijät; näistä merkittävimpiä ovat massasulpun koostu- mus ja lämpötila, paperin kuivatus, kiertoveden laatu täyteaineet sekä pH. Massalajien välillä liimautuvuudessa on selkeitä eroja. Valkaisematon sellu liimautuu selkeästi hel- pommin luonnollisesti esiintyvien karboksyyliryhmien ansiosta. Massan jauhatus lisää pinta-alaa, joka johtaa lisääntyneeseen liiman tarpeeseen. Myös täyteaineiden lisäänty- essä liimamäärä kasvaa. [5]
3.3.1.2 Hydrofobiliimat
Hydrofobiliimauksen tarkoituksena on luoda paperin pintaan pintaenergialtaan matala päällystepinta. Tämän ansiosta suuren pintaenergian omaavat nesteet muodostavat pape- riin nähden suuren kosketuskulman ja estyvät tunkeutumasta huokosiin. Hydrofiilinen
luonne paperille syntyy selluloosakuitujen suuresta ominaisenergiasta. Hydrofobisilla ai- neilla, kuten vahoilla ja hartsilla, saadaan parhaat tulokset hydrofobiliimausta tehdessä.
Vaahdonestoaineet heikentävät hydrofobiliimojen tehoa ja laskevat pintajännitystä. [5]
Hartsiliimausta käytetään ajettaessa paperikonetta happamalla pH-alueella. Sille optimi pH-alue on 4,5-5,5. Yleisesti voidaan sanoa, että hartsiliimat toimivat alle 6,5 pH:ssa.
Hartsiliiman etuina ovat hyvä liimausasteen säätely laajoissa rajoissa, nopea on-machine -päällystyksen kypsyminen sekä MG-kiillon saavuttaminen. On olemassa myös heikosti anionisia ja kationisia hartsiliimoja, jotka toimivat laajemmalla pH-alueella. Neutraalissa pH:ssa liimaus on harvinaista, sillä liiman kulutus nousee huomattavasti. Myös alunan kationisuus laskee pH:ta nostettaessa. Aluna voidaan kuitenkin neutraalioloissa korvata polyalumiinikloridilla, jolla kationisuus kestää pidempään prosessissa. Prosessin lämpö- tilan noustessa liimausteho heikkenee alunan menettäessä kationisuutta. [5, 8]
Paperikoneella liima annostellaan laimennettuna tai laimentamattomana konesäiliöön.
Alunaa lisätään konesäiliön jälkeen, kunnes alunamäärä kuivana ylittää hartsin määrän 1,5-kertaisesti. Alunaa voidaan myös lisätä viirakaivoon. Viirakaivoon lisätessä prosessin pH pystytään pitämään korkeammalla, jolloin lipeän tarve prosessissa laskee. Myös vaah- toaminen on vähäisempää viirakaivoannostelussa. Alunan ylimäärä pienentää lujuusomi- naisuuksia, mutta liimausaste ei välttämättä kärsi yhtä paljoa. [5]
Hydrofobiliimaus tapahtuu aluna-hartsiflokin muodostaessa kuidun kanssa sähkökemial- lisen sidoksen, joka saattaa kuitenkin purkautua turbulenssin takia. Flokki sulaa ja sintrautuu kuituun kuivatusosalla. Tuloksena on alumiiniresinaatti, joka on hartsihapon alumiinisuola. Kationinen hartsiliima on itseretentoituvaa, mutta tarvitsee alumiinikemi- kaalia muodostaakseen alumiiniresinaattia. Alumiiniresinaatti sulaa noin 200 °C:ssa, jo- ten se kestää hyvin paperiradan kuivatuksen. Mikäli paperikoneella ei ole tarpeeksi suurta kuivatuskapasiteettia, tulee sintrautumisesta epätäydellinen ja loppukosteusvaihtelu ai- heuttaa liimausasteen heikentymistä. [8]
3.3.1.3 AKD & ASA
Kaupallisista neutraaliliimoista yleisimmin käytettyjä ovat AKD eli alkyyliketeenidi- meeri sekä ASA eli alkynyyli meripihkahapon anmeeri. Niitä nimitetään neutraalilii-
moiksi paperikoneella käytetyn pH-alueen mukaan. Neutraaliliimoja pidetään usein reak- tiivisina, sillä ne pystyvät muodostamaan kovalenttisen sidoksen selluloosamolekyyliin.
Hartsiliimat eivät kyseiseen ilmiöön pysty, vaan adsorboituvat ja saostuvat kuidun pin- nalle. Neutraaliliimauksella saadaan hartsiliimoja parempi liimausaste pienemmilläkin annoksilla (Kuvio 1), sekä paperin lujuudet paranevat. Haittoina neutraaliliimoista voi- daan mainita liukkauden lisääntyminen, liimauksen hidas kypsyminen AKD:llä, kuumien nesteiden heikohko vastustuskyky sekä vaikeampi liimausasteen säätely. [5]
KUVIO 1. Liimaustulos liima-annoksen funktiona. Alkuperäinen kuvio: Knowpap, 2005
Kuviossa 1 HST y-akselilla tarkoittaa Hercules liimausastetestausta, joka mittaa aikaa, jossa koeneste penetroituu paperiin.
ASA on rakenteeltaan öljymäinen, veteen liukenematon neste. Sen käyttöä on lisätty tai- vekartongin ja kipsikartongin liimauksessa sekä hienopaperia liimattaessa. ASA on kui- tenkin erittäin reaktiivista, ja reagoi myös kuidussa olevien OH-ryhmien lisäksi myös ve- den kanssa, jolloin muodostuu ASA-happoa, joka ei anna haluttua liimaustulosta. ASA:n reaktiot kuitujen kanssa tapahtuvat kuivatusosalla ja liima on usein ”kypsynyt” rullauk- seen edettyään. ASA ei vaadi niin korkeaa kuivatuslämpötilaa kuin AKD. Optimoimalla ASA:n emulgointi ja annostelu, voidaan sen ajettavuus saada paremmaksi kuin AKD:lla.
ASA:n käyttö ei myöskään alenna kitkaa, eikä siinä tapahdu liimauksen häviämistä ajan kuluessa. [5]
AKD on huoneenlämmössä kiinteä, vahaa muistuttava aine. Sen sulamispiste vaihtelee 40-60 asteen välillä. Tyypillinen AKD:n annos sakean massan joukkoon on noin 0,05- 0,2%. AKD:n sulamispiste on usein valittu paperikoneen kriittisen prosessilämpötilan pe- rusteella, esimerkiksi puristustelan lämpötila, johon saattaisi tulla AKD-jäämiä. AKD- molekyyli reagoi sekä kuidussa olevien OH-ryhmien sekä veden kanssa. Veden kanssa reagoidessaan AKD muodostaa tehotonta ketonia, joka tekee AKD:n reaktiosta hitaam- man kuin ASA:n reaktio. [5, 8]
AKD:n liimaustapahtuma selluloosan kanssa alkaa kuivatusosalle saavuttaessa, mutta lo- pullinen liimauksen ”kypsyminen” tapahtuu kuitenkin vasta valmiissa rullassa. Nopea kuivatus, korkea pH ja alkalisuus sekä alhainen kosteus rullassa ovat eduksi AKD:n kyspymisnopeudelle. PCC:tä eli saostettua kalsiumkarbonaattia (percipitated calcium carbonate) käytettäessä AKD:lla saattaa tapahtua liimauksen häviämistä. Tämän ilmiön taustalla pidetään PCC:n kalsiumhydroksidipitoisuutta, joka nostaa pH:ta ja hajottaa AKD:n sellusidoksia. Tästä aiheutuu myös hydrofobisuuden laskua. Myös PCC:n pin- nalle hydrolysoituva AKD huonontaa liimausta. Kaikki AKD ei reagoi kuitujen kanssa, vaan sitä löytyy kolmessa muodossa paperista: reagoineena, reagoimattomana sekä keto- nina. Reagoinut AKD on vastuussa pääosasta liimausvahvuudesta, mutta myös reagoi- maton AKD antaa hiukan liimauslujuutta. Ketoniksi hydrolysoitunut AKD ei anna lii- mausta paperille. [5, 8]
4 POHJAPAPERIN MITATUT OMINAISUUDET
Tämän opinnäytetyön kannalta tutkittavien papereiden tärkeimpiä ominaisuuksia ovat mekaaniset ominaisuudet. Ne ovat tärkeitä ajettavuuden ja tuotteen jatkokäsittelyn vuoksi. Optiset ominaisuudet ja niiden mittaaminen eivät ole tärkeitä paperia jalostetta- essa alumiinilaminaatiksi, sillä paperi jää polymeeri- ja/tai alumiinikerrosten väliin.
Valituille paperilaaduille suoritettiin sarja mittauksia, joissa selvitettiin kattavasti niiden tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet tuotantoprosessin kannalta. Saadut tulokset koottiin yhteen ja niistä muodostettiin referenssikirjasto, joka toimitettiin Toimeksiantajalle Val- keakoskelle (Liite 1).
4.1 Lujuusominaisuudet
Mekaanisista ominaisuuksista tärkeimpiä ovat lujuusominaisuudet, jotka kuvaavat pape- riradan kykyä kestää rasitusta eri suunnissa. Lujuusominaisuuksiin kuuluvat veto-, re- päisy-, puhkaisu- ja palstautumislujuus. Tuotteen ajettavuuden ja jatkokäsittelyn kannalta kriittisimmät näistä ovat veto- ja repäisylujuus.
4.1.1 Vetolujuus
Vetolujuus on suurin viivakuormitus, minkä paperi- tai kartonkiliuska kestää murtumatta pinnan suuntaisesti vedettynä. Paperilta ja kartongilta edellytetään riittävää vetolujuutta, jottei se aiheuta katkoja jatkojalostuksessa. Se on paperin ajettavuuden kannalta tärkein lujuusominaisuus.
Paperin ominaisuuksista vetolujuuteen vaikuttavat muun muassa kuituorientaatio, eli kui- tujen suunta suhteessa rainan suuntaan, paperin neliömassa, tuhkapitoisuus, formaatio ja kosteus sekä yksittäisen kuidun lujuus ja kuitujen sitoutumiskyky. Sitoutumista voidaan parantaa kuidutuksella, märkäpuristuksen lisäämisellä ja massan tiettyyn pisteeseen asti jauhatuksella. Jos neliömassaltaan erilaisten papereiden vetolujuutta halutaan vertailla
keskenään, voidaan lujuusominaisuuksista laskea indeksi, jossa otetaan huomioon näyt- teen neliömassa.
4.1.1.1 Vetolujuuteen vaikuttavat tekijät paperinvalmistuksessa
Vetolujuuteen vaikuttaa merkittävästi paperissa käytettyjen kuitujen laatu. Paras vetolu- juus saadaan pitkillä, lujilla, hyvin toisiinsa sitoutuvilla suorilla kuiduilla. Kuituverkos- tossa pitkät kuidut muodostavat enemmän vetysidoksia keskenään kuin lyhyet, lisäten verkoston lujuutta. Kihartuneet kuidut parantavat paperin murtovenymää, mutta kuitujen väliset sidoksen murtuvat helpommin yksitellen, kuin suorissa kuiduissa, jolloin vetolu- juus jää vähäisemmäksi. Myös yksittäisen kuidun lujuuden on oltava riittävän suuri, koska se määrittää vetolujuuden maksimitason. Tämä nähdään selvästi kuvassa 4, jossa tarkastellaan vetolujuusmittauksen murtumakohtaa ja nähdään, että osa kuiduista on yhä ehjiä.
KUVA 4. Vetolujuusmittauksen katkeamiskohdan kuidut
Muita vetolujuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat kuituorientaatio, märkäpuristus ja maltilli- nen kuitujen jauhatus. Paperin vetolujuus on sitä suurempi mittaussuunnassa, mitä voi- makkaammin kuidut ovat orientoituneet siihen nähden. Jauhatusta lisäämällä massanval- mistuksessa parannetaan kuitujen sitoutumiskykyä ja ominaispinta-alaa. Kuituja ei kui- tenkaan saa jauhaa liikaa, sillä silloin ne katkeilevat ja yksittäisen kuidun lujuus heikke- nee heikentäen vetolujuutta.
Myös märkäpuristuksen lisäämisellä on positiivinen vaikutus vetolujuuteen. Puristusta lisätessä kuidut lähenevät toisiaan muodostaen enemmän sidoksia. Märkäpuristusta ra- joittaa kuitenkin kasvava rainan rikkoutumisen mahdollisuus sekä bulkin pieneneminen.
[8]
4.1.1.2 Vetolujuuden mittaaminen
Vetolujuutta mitattaessa rasitus kohdistetaan paperiin yhdessä tasossa x-akselin suun- nassa mittalaitteessa, jossa suorakaiteen mallisen mittakappaleen päätyjä vedetään eri suuntiin. Tulos kirjoitetaan yleensä yksikössä kN/m. Maksimikuorman lisäksi laite mittaa myös murtumishetkeen asti tapahtuvan mittakappaleen pituuden muutoksen eli murtove- nymän. Vetolujuus mitattiin L&W Tensile Tester -mittalaitteella ISO 1924-3 standardin mukaisesti.
4.1.2 Repäisylujuus
Repäisylujuus tarkoittaa paperiin tietyn mittaisen repeämän aikaan saamiseksi tarvittavan voiman määrää. Erityisesti poikkisuuntaista repäisylujuutta käytetään usein paperin vian- sietokyvyn arvioimiseen, koska jatkojalostuksessa tapahtuvat ratakatkot aiheutuvat usein rainan vioista ja epäpuhtauksista saaden aikaan poikkisuuntaisen repeämän.
Repäisylujuutta kasvattavia ominaisuuksia ovat paperin neliömassa ja bulkki sekä kui- dunpituus ja maltillinen jauhatus. Jauhatus lisää aluksi repäisylujuutta, mutta heikentää sitä pidemmälle vietynä. Muita repäisylujuutta heikentäviä ominaisuuksia ovat märkäpu- ristus ja kalanterointi.
4.1.2.1 Repäisylujuuteen vaikuttavat tekijät
Repäisylujuus koostuu kahdesta komponentista: repäistessä ehyinä säilyneiden kuitujen ulosvetämiseksi tehty työ, sekä revittäessä katkenneiden kuitujen katkaisemiseksi tehty työ. Näin ollen siihen vaikuttaa sekä yksittäisen kuidun lujuus, pituus sekä kuitujen sitou- tuminen. Repäisylujuus on sitä suurempi, mitä enemmän kuituja vedetään ehyinä tois- tensa lomasta ja mitä pidempiä nämä kuidut ovat. [5] Kuitujen katkeamiseen tarvittava
voima on suurempi kuin ulosvetämiseen, mutta vaikutusmatka on lyhyt. Tällöin re- päisyyn tarvittava työ pienenee.
4.1.2.2 Repäisylujuuden mittaaminen
Repäisylujuuden mittaaminen tapahtuu siihen suunnitellulla heilurikojeella. Paperinäyte tai näytenippu kiinnitetään toisesta reunasta kojeen kiinteään ja toisesta heiluriosaan ja näiden väliin leikataan aloitusviilto. Laukaistaessa painotettu heiluri, osa sen energiasta kuluu näytteen repäisemiseen. Kun matka on tunnettu, voidaan energian häviämisestä laskea repäisyvastus. Repäisylujuus määritellään sinä voimana, mikä vaaditaan yhteen paperiarkkiin tehdyn alkuviillon repäisyn jatkamiseen, ja ilmoitetaan useimmiten yksi- kössä mN. [5, 8]Opinnäytetyön repäisylujuusmittauksissa noudatettiin ISO 1974:1990 standardia.
4.1.3 Puhkaisulujuus
Puhkaisulujuus on suurin z-suunnassa kohdistetun pistemäisen hydraulisen paineen arvo, jonka paperi kestää rikkoutumatta. Puhkaisulujuus määräytyy mittauskohdan pienimmän murtovenymän mukaan, joka on usein paperin konesuunnassa. Siihen vaikuttavat samat tekijät kuin konesuuntaiseen vetolujuuteen ja sitä voidaan parantaa alentamalla rainan kireyttä kuivatusosalla. Puhkaisulujuutta pidetään paperin yleislujuuden mittarina, vaikka paperiin harvoin kohdistuu puhkaisulujuusmittauksen kaltaista kuormitusta.
Puhkaisulujuus mitataan laitteella, jossa näyte kiinnitetään rengasmaisesti pyöreän, kim- moisen kalvon ympärille, jota kautta voima kohdistetaan paperiin. Testikappaleen puh- kaisulujuus on käytetyn paineen maksimiarvo [5, 8]. Puhkaisulujuus ilmoitetaan useim- miten yksikössä kPa. Tässä opinnäytetyössä puhkaisulujuus mitattiin ISO 2758 standar- din mukaan.
4.1.4 Palstautumislujuus
Palstautumislujuus, jota toisinaan kutsutaan myös nimellä z-lujuus, määritellään työnä pinta-alayksikköä kohti, jolla näyte halkeaa, kun sitä kuormitetaan pintaa vasten kohti- suoraan. Näytteen haljetessa kerrosten välistä, puhutaan kerrosten välisestä lujuudesta (ply bond). Näytteen halkeaminen kerroksen sisältä kertoo heikosta sisäisestä lujuudesta (internal bond). Palstautumislujuutta papereilta vaaditaan etenkin offset-painatuksessa, mutta sitä tarvitaan myös laminoinnissa.
4.1.4.1 Palstautumislujuus paperinvalmistuksessa
Palstautumislujuuteen voidaan paperikoneella vaikuttaa erilaisilla keinoilla, kuten mas- satyypillä, massatärkkelyksen määrällä, formerin ajoparametreillä sekä formerityypillä, märkäpuristuksella ja lämpötilalla. Mekaanisessa massassa suurin osa z-lujuudesta syn- tyy hienojakeesta. Myös hienoaineen retentiolla ja jakaumalla on suuri merkitys z-suun- taiseen lujuuteen. Kemiallisen massan lujuutta parannetaan jauhatusta lisäämällä, mutta se kuitenkin pienentää rainan huokoisuutta. [8]
Massaliimauksessa vapaat hydroksyyliryhmät muodostavat vetysidoksia kuitujen kanssa, jolloin palstatumislujuus paranee. Pintaliimauksessa sisäinen lujuus paranee penetroitu- neen tärkkelyksen avulla. Kuitujen z-suuntaisen orientaation ollessa voimakasta, on sillä hyvä rakenteen lujuus sekä palstautumislujuus. Tämä on seurausta perälaatikon korkeasta sakeudesta. Paras palstautumislujuus saavutetaan tasoviiralla, jossa vesi poistuu vain yh- teen suuntaan, jolloin paperin paksuussuuntaan ei synny heikkoja kohtia. Retention pa- rannusaineet tekevät palstautumisesta helpompaa edistämällä hienoaineiden tarttumista kuituihin. [5]
4.1.4.2 Palstautumislujuuden mittaaminen
Palstautumislujuutta voidaan mitata kahdella eri menetelmällä: Scott Bond- ja Z-lujuus- menetelmällä. Scott Bond -menetelmässä kaksipuoleisella teipillä metallipalojen väliin
kiinnitetyn koepalan lujuutta koetellaan heilurimaisella liikkeellä. Voiman vaikutussuun- taa on hankala määritellä, sillä kokeessa esiintyy pinnan suuntaista voimaa sekä kohti- suoraan sitä vastaan vaikuttava voima, jolloin tulokset saattavat olla hieman epäluotetta- via. Scott Bond -testin yksikkönä käytetään J/m2.
Toisella menetelmällä näytteen lujuutta mitataan pintaa vasten kohtisuorassa olevien sy- lintereiden avulla. Sylinterit tarttuvat paperin pinnassa olevaan kaksipuoleiseen teippiin kiinni, ja alhaisella nopeudella määrittävät maksimivoiman, jolla testinäyte halkeaa. Mit- tauksen yksikkönä käytetään kPa. Tätä menetelmää käytettiin tutkittaessa tämän opinnäy- tetyön näytteitä. Mittaukset suoritettiin standardin ISO 15754 mukaisesti.
4.2 Muut mekaaniset ominaisuudet
Muut mekaaniset ominaisuudet kuvaavat muita paperin fyysisiä ominaisuuksia. Näihin kuuluvat muun muassa neliömassa, bulkki, formaatio ja huokoisuus. Nämä ominaisuudet antavat hyvän yleiskuvan paperista ja sen tasalaatuisuudesta.
4.2.1 Paksuus, tiheys ja bulkki
Yleisimpiä paperin ominaisuuksia kuvaavia suureita ovat neliömassa ja paksuus sekä nii- den avulla lasketut tiheys ja bulkki. Neliömassa tarkoittaa paperin massaa grammoina neliömetriä kohti. Paperin paksuus määritetään uloimpien pintojen välisenä etäisyytenä.
Paksuusmittaus voidaan suorittaa joko arkkipaksuutena yhdestä arkista, tai pinopaksuu- tena halutusta määrästä arkkeja. Pinopaksuus on yleensä pienempi, kuin arkkipaksuus, koska paperin pinnan epätasaisuudet asettuvat toistensa lomaan pinossa. [5] Paksuus mi- tattiin ISO 534 standardin mukaan.
Paperin tiheys lasketaan massana tilavuusyksikköä kohden. Se riippuu pääosin paperin raaka-ainetiheydestä ja paperin huokoisuudesta, eli ilmatilasta paperin kuitujen ja täyte- aineiden välillä. Yleisin käytetty yksikkö tiheydelle on kg/m3. Bulkilla tarkoitetaan tihey- den käänteisarvoa, joka on yleisimmin ilmoitettu muodossa cm3/g. Korkea bulkki usein implikoi hyvää repäisylujuutta, jäykkyyttä sekä suurta kokoonpuristuvuutta. Paperin bulkkiin vaikuttavat merkittävimmin rainan märkäpuristus ja kalanterointi. Usein korkea
bulkki on kuitenkin ristiriidassa muiden paperin tärkeiden ominaisuuksien, kuten vetolu- juuden kanssa [5].
4.2.2 Formaatio
ISO-standardin mukainen määritelmä formaatiolle on tapa, jolla kuidut ovat järjestäyty- neet, jakautuneet ja sekoittuneet muodostaakseen paperin. Määritelmä on varsin laaja, koska se sisältää neliömassan vaihtelun lisäksi orientaation sekä z- suuntaisen materiaa- lijakauman. Näissä mittauksissa käytettiin suppeampaa formaation määritelmää, johon kuului paperin tai kartongin pienimittaista neliömassahajontaa. Pienimittainen neliömas- sahajonta tarkoittaa hajontaa, jonka aallonpituus on 0-100 mm. Formaatio on papereille ja kartongeille erittäin tärkeää, sillä se määrittelee neliömassavaihtelulle alttiita ominai- suuksia, ja se vaikuttaa suuresti loppu- ja jalostuskohteiden käytettävyyteen. Tärkeimmät formaatiosta riippuvat suureet ovat vetolujuus, opasiteetti, huokoisuus, sileys ja öljyn ab- sorptio. Formaatio mitattiin standardin SCAN-P 92:09 mukaan.
Formaatioon voidaan vaikuttaa monilla fysikaalisilla ja kemiallisilla tekijöillä. Esimer- kiksi lisäämällä koivun osuutta hienopaperimassaan, paranee sen formaatio. Formaa- tiomittaukseen vaikuttaa myös mittauspinta-ala ja sen kasvattaminen. Suurempi mittaus- pinta-ala ”suodattaa” ohuiden ja paksujen alueiden eroja. Yleisin formaatiopotentiaaliin vaikuttava tekijä on kuitujen jauhatus. Jauhettaessa kuituja ne katkeilevat, mutta pituus- massa ei muutu. Pituusmassaan voidaan vaikuttaa lähinnä raaka-ainevalinnoilla.
Käytännössä kuitenkin jauhatuksen lisääminen ei aina paranna formaatiota, sillä jauha- tusasteen kasvaessa suotautumisvastus kasvaa, joka johtaa korkeampaan perälaatikkosa- keuteen ja heikompaan formaatioon. Mikäli formaatioon halutaan vaikuttaa jauhatuk- sella, tulee jauhatustavaksi valita mahdollisimman katkova tapa. Jauhatus kuitenkin vai- kuttaa formaation ohella optisiin ominaisuuksiin, joten optimijauhatus on kompromissi optisten ominaisuuksien ja formaation välillä. [5, 8]
4.2.3 Kuituorientaatio
Kuituorientaatio on tyypillisin paperin rakennepiirteistä paperikoneella. Kuidut eivät ole asettuneet tasaisesti paperin tasossa, vaan konesuuntaisia kuituja on enemmän kuin poik- kisuuntaisia. Epäsymmetrisyyttä kuitujen suuntajakaumassa kutsutaan kuituorientaa- tioksi. Viiraosalla orientoituminen alkaa, ja sen aiheuttaa suotautuvan sulpun ja muodos- tuneen kuitumaton välinen nopeusero. Voimakkuus riippuu nopeuserosta, sekä kuitujen vapaudesta kääntyä voimien vaikutuksesta. Kuitujen sitoutuminen flokkeihin eli kuitu- kimppuihin estää orientaatiovoimien vaikutusta. Kuituorientaatiota kuvataan tilastolli- sella jakaumafunktiolla, jota kutsutaan kuitorientaatiojakaumaksi. Tyypillinen kuitorien- taatiojakauman muoto on ellipsi. Kuituorientaation vinoudella tarkoitetaan lukumäärälli- sesti eniten kuituja osoittaa konesuunnasta poikkeavaan suuntaan, eli ellipsin pääakseli poikkea konesuunnasta (Kuva 5). Vinouden mittana on kuituorientaatiokulma, joka il- maisee vinouman suunnan etumerkillään, sekä suuruuden. Kuituorientaatio mitattiin TSO-mittauksella.
KUVA 5. Kuituorientaatiokulma
Kuituorientaatiota mitattaessa käytetään myös konesuunta-poikkisuunta -suhdetta, josta selviää kuitujen suhde eri suunnissa. Mitä suurempi KS/PS-suhde, sitä enemmän kuituja on konesuuntaan kuin poikkisuuntaan verrattuna. Mitä suurempi KS/PS-suhde on, sitä anisotrooppisempaa paperi on. Anisotropialla tarkoitetaan paperin ominaisuuksien tai ra- kenteen välisiä eroja kone- ja poikkisuunnassa. Kuituorientaatiossa anisotropia tarkoittaa
yleensä kuituorientaation suunnan voimakkuutta tai intensiteettiä. Elliptisessä tarkaste- lussa anisotropiatekijää kuvataan usein ellipsin akselisuhteella. Anisotropiaan vaikuttavat myös kuitujen eri pituudet, käyryys sekä kuitujen välisten sidosten riippuvuus paperin rasitetusta suunnasta. Konesuuntaan olevat kuidut ovat usein suorempia kuin poikkisuun- taan olevat kuidut. Tämä johtuu paperin venytyksistä sekä poikkisuuntaisten kuitujen ku- tistumasta. [5,8]
Tason suuntainen anisotropia vaikuttaa moniin fysikaalisiin ominaisuuksiin paperissa.
Erityisen tärkeä se on kuitenkin lujuusominaisuuksien kannalta. Kuitujen orientaation käyryyden takia vähemmän sidoksia rasittuu, kun paperia kuormitetaan poikkisuunnassa.
Paperin rakenne on joustavampaa poikki- kuin konesuunnassa. Orientaation avulla pa- rannettaessa yhden suunnan ominaisuuksia, heikentyvät sitä kohtisuorassa olevat ominai- suudet. Usein paperilta vaaditaan lujuusominaisuuksia vain kone- tai poikkisuunnassa.
Tämän vuoksi anisotropian hallinta on tärkeää oikeiden funktionaalisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. [8]
Kuituorientaation suora mittaaminen on hankalaa, sillä se edellyttäisi värjättyjen kuitujen sekä kuva-analyysimenetelmän käyttöä. Käytännön sovellutuksissa kuituorientaatiota mitataan usein epäsuorasti optisilla, sähköisellä taikka mekaanisilla menetelmillä. Näiden menetelmien tarkoituksena on mitata ominaisuutta, jonka tiedetään korreloivan kui- tuorientaation kanssa. Mittauksista saadaan yleensä selville orientaatiokulma ja mahdol- lisesti muita paperin suuntariippuvuuteen kuuluvia tunnuslukuja. Tässä opinnäytetyössä näytteet mitattiin käyttämällä TSO-mittausta.
4.2.4 Ilmanläpäisy ja huokoisuus
Paperin rakenteessa kuituverkoston väliin jäävän ilmatilan suhdetta kiintoaineeseen kut- sutaan huokoisuudeksi. Huokoisuudella on suuri merkitys muun muassa paperin ilman- läpäisevyydelle ja vesiabsorptiolle. Näihin vaikuttavat sekä paperin huokostilavuus että huokoskoon jakautuminen. Huokosjakaumaan ja huokostilavuuteen vaikuttavat samat te- kijät, kuin kuituverkoston muodostumiseen. Paperin tiivistyessä märkäpuristuksen, jau- hatuksen tai kalanteroinnin vaikutuksesta kuitujen välinen ilmatila vähenee. Paperin huo- koisuutta mitataan useimmiten ilmanläpäisyllä. [5]
Ilmanläpäisevyys on yleisesti käytetty läpäisevyyden mittari. Siihen vaikuttaa paperiin muodostunut kuituverkosto. Ilmanläpäisevyys kertoo paperin tiiveydestä ja sen huoko- sista. Huokosilla on suuri merkitys nesteiden ja kaasujen penetroitumisessa paperiin.
Usein ilman virtaus paperin lävitse riippuu suurista huokosista, mutta nesteiden liikkumi- nen arkissa riippuu lähellä pintaa olevista pienistä kapillaareista.
Paperin formaation ollessa huono myös huokoisuusvaihtelu arkin tasossa lisääntyy. Tämä johtuu tiiviiden ja suurten neliömassa-alueiden paksuimpien kohtien tiivistymisestä, jol- loin sen viereisestä alueesta tulee huokoinen. Huokosrakenteeseen voidaan vaikuttaa jau- hatuksella, märkäpuristuksella ja kalanteroinnilla. Niiden vaikutuksesta huokostilavuus pienenee ja kuitujen väliset ilmatilat tiivistyvät. Huokoset suuntautuvat samalla tavalla kuin kuidut. Tämä aiheuttaa erilaisen absorption kone- ja poikkisuunnassa. Nesteet vir- taavat nopeammin konesuuntaan kuin poikkisuntaan, ja virtaus paksuussuuntaan on ver- rattain hidasta. [5] Tässä opinnäytetyössä ilmanläpäisy mitattiin käyttäen ISO 8791-2 standardin mukaan.
4.2.5 Karheus
Karheus voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään: makro-, mikro-, ja optiseen karheuteen.
Makrokarheuteen vaikuttavat eniten formaatio, mikrokarheuteen kuidut ja optiseen kar- heuteen pigmentit. Parhaiten paperin pinnan sileyteen vaikutetaan kalanteroinnilla ja päällystyksellä. Myös viiran pinnan tasaisuus, formaatio ja märkäpuristuksessa purista- van pinnan tasaisuus vaikuttavat karheuteen. [5]
Paperin epätasaisen pinnan kuvaamisen menetelmät antavat pinnasta vain luonnehtivan luvun. Se kuvaa rajallisesti pintakerroksen korkeussuhteita. Yleisin karheuden mittaus- tapa perustuu paperin ja sileäksi hiotun pinnan välisen raon ilman poistumisnopeuteen.
Tässä opinnäytetyössä käytetyssä Bendtsen – mittauksessa paperi painetaan paineella hiottua teräsrengasta vasten, ja paineistetun ilman nopeus mitataan. Yksikkönä mittauk- sessa käytetään ml/min. Ilmanläpäisevyysmittaus suoritettiin myös Bendtsen menetelmän avulla. Karheusmittaus suoritettiin ISO 8791-4 standardin mukaan ja ilmanläpäisevyys- mittaus ISO 8791-2 standardin mukaan.
5 EKSTRUUSIOLAMINAATIN POHJAPAPERIN VESIABSORPTIO
Ekstruusiolaminaatin vesiabsorption mittaaminen ja hallinta on tärkeää sen loppukäytön kannalta. PIR- ja PUR-levyjen pintaan tulevan laminaatin täytyy vastustaa veden imey- tymistä tarpeeksi hyvin, jotta se pitää muotonsa ja levy ei väänny muodottomaksi. Pieni- kin veden imeytyminen on merkittävää, sillä eristelevyn on tarkoitus olla käyttökohtees- saan jopa kymmeniä vuosia. Levyn vääntyessä levyjen väliset saumat aukeavat ja niiden eristysteho heikkenee huomattavasti. Laminaatissa suurin absorptiota aiheuttava tekijä on paperi. Alumiini- sekä polymeerikerrokset eivät absorboi vettä.
5.1 Paperin absorptio-ominaisuudet
Veden imeytyessä paperiin se käyttää neljää eri mekanismia: painepenetraatiota huoko- sissa, kapillaariabsorptiota kuiduissa, veden diffuusiota huokosissa sekä höyryn dif- fuusiota huokosissa. [3, 18]Näistä mekanismeista nopeimmat sekä merkityksellisimmät ovat kaksi ensin mainittua. Hydrofobiliimausta käytettäessä huokosimeytyminen on var- sin heikkoa, mutta paperi vettyy silti diffuusion kautta. [14]
Sorptio-ilmiöllä on kaksi eri esiintymismuotoa: adsorptio ja absorptio. Adsorptiolla tar- koitetaan kaasun tai nesteen kerääntymistä toisen aineen pinnalle. Mikäli adsorboitunut aine tunkeutuu toisen aineen sisään ja muuttaa sitä rakenteellisesti, puhutaan absorptiosta.
Yleisnimityksenä molemmista ilmiöistä käytetään sorptiota. [8]
Sorption syntyminen paperinvalmistuksessa alkaa raaka- ja lisäaineiden vesisuspensiossa muodostamassa kolloidisessa järjestelmässä. Kolloidikemiassa käsitellään suspensiot, joiden hiukkaskoko on niin pieni, että pintavoimat ja pintakemian ilmiöt ovat tärkeässä osassa kolloidisen järjestelmän käyttäytymistä. Tärkeimpiä näistä voimista ovat Van der Waalsin voimat, eli dispersiovoimat. Ne ilmenevät molekyylien ollessa korkeintaan 0,3- 0,4 nanometrin päässä toisistaan. Nämä voimat ovat varsin heikkoja, eivätkä pysty mur- tamaan edes veden pintajännitystä. Kuitujen väliset etäisyydet (1-20μm) ovat kooltaan suurempia kuin kuidun seinämän ja päällysteen huokoset (0,02-1μm). Huokosten pienen- tyessä tulee kapillaaripaineesta suurempi, mutta niitten sisäinen kapillaarivirtaus piene-
nee viskoottisten voimien takia. [11] Paperin valmistuksessa olosuhteilla ja ominaisuuk- silla on kiinteä suhde, joten niitä joudutaan käsittelemään yhtenä pakettina. Tärkeimpiä näistä ovat hienoaineretentio, lisäaineretentio, formaation tasaisuus, vedenpoistonopeus ja paperin optiset- sekä lujuusominaisuudet.
Kemiallinen massa koostuu pitkistä ja lujista kuiduista. Massan huokoskoko on pieni, ja sitä käytetään, kun lopputuotteelta vaaditaan hyviä lujuusominaisuuksia. Valkaisematto- man massan lujuus on suurempi, kuin valkaistun massan. Kemiallisesta massasta valmis- tetun materiaalin reunaimeytymävastus on suurempi kuin vastaavalla mekaanisesta mas- sasta valmistetulla, sillä sen tiheys sekä kuitujen koko on suurempi. [5]
Kemiallisen massan turpoamispotentiaali on pienempi kuin mekaanisella massalla joh- tuen sen kuiduista ja niiden rakenteesta. Myös suurempi hemiselluloosan määrä kasvattaa turpoamista. Käsittelemättömällä massalla reunaimeytymä tapahtuu helpommin johtuen heikoista sisäisitä voimista. Havupuusta valmistetulla massalla on suurempi huokoskoko, koska kuidut ovat pidempiä kuin muilla puulajeilla. Lyhyemmät kuidut muodostaisivat myös tiheämmän kuituverkoston. Havupuukuitujen kuitujen pituus on yli kaksinkertainen muihin puulajeihin nähden. Ne sisältävät myös vähemmän selluloosaa ja hemiselluloo- saa, mutta enemmän ligniiniä. [4, 22]
Valmiilla paperilla on usein suuri sorptio huokosrakenteen ja pintaominaisuuksien vuoksi, ellei sitä ole käsitelty lisäaineilla. Paperin luontaista nesteimeytymää rajoitetaan usein eri menetelmillä ja lisäaineilla, esimerkiksi pinta- ja massaliimauksella sekä pääl- lystyksellä. Paperin pintaliimauksella täytetään huokosrakennetta pienillä partikkeleilla tai muodostetaan nesteen imeytymistä vähentävä kalvo.
Täyteaineiden käytöllä on myös vaikutuksia paperin huokoisuuteen sekä absorptioon.
Täyteaineiden ansiosta suurten huokosten määrä vähenee ja huokosjakauma tasaantuu.
Karkeita täyteaineita käytettäessä paperin huokoisuus kasvaa ja samalla pienten kapillaa- rien määrä lisääntyy. Nopeat ja spontaanit tunkeutumiset paperiin johtuvat Van der Waal- sin kuvaamista attraktiovoimista kiinteän aineen ja nesteen välillä. [11]
Paperin sorptioon vaikuttaa merkittävästi nesteen ja pinnan välinen kosketuskulma. Kul- maa on kuitenkin hankala määrittää, sillä paperin pinta on karhea, huokoinen sekä epä- homogeeninen. Paperilla on myös paikallisia absorption vaihteluita kuitujen epätasaisen
jakautuneisuuden takia taso- sekä paksuussuunnassa. Ylä- ja alapintojen ominaisuuksien poikkeavuutta voidaan selittää hieno- ja täyteaineiden epäsymmetrisestä jakaantumisesta, joka on aiheutunut epäsymmetrisestä vedenpoistosta. [19] Pinnan karheuden lisääntyessä myös kastuvuus lisääntyy, mikäli paperilla on suuri pintaenergia. [11]
Käsittelemättömien kuitujen ja veden välinen kosketuskulma on terävä ja aiheuttaa veden nopean tunkeutumisen paperin huokosiin. Kosketuskulmaa hallitaan lisäaineilla ja mene- telmällä, jota kutsutaan hydrofobiliimaukseksi. Sen tavoitteena on ehkäistä paperin ab- sorptiota muuttamalla kosketuskulma yli 90 asteeseen. [11]
5.1.1 Nestesorptioon vaikuttavat fysikaalis-kemialliset ilmiöt
Nestepisaran tullessa kontaktiin kiinteän ja sileän pinnan kanssa, se joko leviää täydelli- sesti, tai muodostaa pisaran, jonka pinta on kiinteää ainetta vasten tietyssä kulmassa. Olet- taen, että pintavoimat voi esittää pintajännityksinä pintojen suunnissa, saadaan siitä ad- heesiotyön yhtälö, jota kutsutaan Young-Dupreen yhtälöksi.
𝑊𝑠/𝑙 𝐴 = 𝑦𝑙/𝑔 (1 + cos (𝜃)) (1)
missä 𝛾𝑙/𝑔 on nesteen ja ilman välinen rajapintaenergia, toisin sanoen pintajännitys ja θ on nesteen ja kiinteän aineen välinen kulma.
Pintaenergia voidaan määrittää kontaktikulmamittauksella. Siinä käytetään vähintään kahta poolisuudeltaan erilaista nestettä, jolla saadaan määriteltyä nesteen kulma paperin pinnassa kolmessa rajapinnassa. [11]
KUVA 6. Nesteen eri kontaktikulmat
Mikäli neste kastelee kiinteän aineen pinnan täydellisesti ja kulma θ = 0°, täytyy nesteen ja kiinteän aineen välisen vetovoiman olla vähintään yhtä suuri kuin nesteen molekyylien välillä vallitseva voima, eli koheesiotyö. Jos kulma on 90°, niin kiinteän aineen ja nesteen välillä oleva vetovoima on puolet nesteen sisäisestä voimasta. [11] Yllä olevat attraktio- voimat aiheuttavat pienissä kapillaareissa nestepinnan kaareutumista. Ne myös tekevät paine-eron rajapinnan kuperalle sekä koveralle puolelle. Kulman θ ollessa terävä, paine- erot rajapinnan molemmin puolin aiheuttavat nesteen spontaanin tunkeutumisen kapillaa- riin. Mikäli kulma on tylppä, tunkeutumiseen vaaditaan hydrostaattista painetta.
Paperin kastuvuutta kuvataan pintaenergian avulla. Kiinteän pinnan vapaa pintaenergia pyrkii kumoamaan nesteen pintajännitystä. Mitä suurempi on vapaan pintaenergian ja pintajännityksen suhde, sitä laajemmalle nestepisara leviää. Hydrofobisella pinnalla kos- ketuskulma on suurempi kuin 90 astetta ja hydrofiilisella alle 90. [11]
5.2 Kapillaari-ilmiö
Kapillaari-ilmiö tarkoittaa nesteen taipumusta kulkeutua eteenpäin kapillaarisia putkia pitkin, joita löytyy esimerkiksi paperin kuiturakenteesta. Nämä putket ovat ohuita “käy- täviä” paperin rakenteessa kuitujen välissä. Ilmiö on seurausta nesteen pintajännityksestä, mikä ilmenee putken seinämä-neste rajapinnassa. Kapillaaripenetraation tapahtumiseksi paperissa tarvitsee pinnan ensin kastua. Vaihetta, jolloin neste ei vielä siirry paperiin, kutsutaan kastumisviiveeksi. Kastumisviive voi olla muutamista millisekunneista useisiin sekunteihin, riippuen paperin päällystyksestä sekä valmistusmassasta. Kastumisviive syntyy pienistä ilmakuplista paperin pinnan ja nesteen välillä. Nesteen täytyy ensin syr- jäyttää nämä ilmakuplat ennekuin se voi absorboitua paperiin. [3]
Kapillaari-ilmiön vaikutusta voidaan laskea yhtälöllä 2 cos
𝑔𝑟 (2)
missä on pintajännitys, on kontaktikulma, on nesteen tiheys, g putoamiskiihtyvyys ja r on kapillaarin säde. [2]
Veden tunkeutumisnopeuteen vaikuttaa näin ollen myös kapillaarin säde. Säteen pienen- tyessä jauhatuksen tai kokoonpuristuksen avulla tunkeutumisnopeus pienenee. Paperin monimutkaisen huokosrakenteen takia tutkimuksissa käytetään yleensä ekvivalent- tisädettä, joka kuvaa paperin kapillaarirakennetta. Rakenteen vaihtelu eri suunnissa vai- kuttaa sorptio-ominaisuuksiin selkeästi.
Teoreettisten mallien käyttäminen paperin nestepenetraatiota kuvattaessa on kuitenkin hankalaa, sillä paperilla ei ole homogeenistä kolmiulotteista rakennetta. Myös nestepenet- raatioilmiön dynaamisuus tekee mallien tarkkuudesta ongelmallisen. Paksuussuunnassa nesteen penetraatio ei ole yhtä nopeaa kuin pinnan tason suunnassa. Tämä johtuu kuitujen suuntautumisesta arkin tason mukaan, sekä hienoaineen kasautumisesta paperin pinnalle.
Epätasainen formaatio aiheuttaa myös eri sorptioita paperin kohdasta riippuen. Tiheyden mukana huokosrakenne sekä sileys muuttuvat. Sorptionopeus on kuitenkin riippuvainen paperin fysikaalis-kemiallisesta aktiivisuudesta. Aktiivisuus ei synny huokosrakenteen geometriasta, vaan fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista. [11]
Toinen yleisesti käytetty nesteen penetraatiota kuvaava yhtälö on Lucas-Washburnin yh- tälö. Se ei kuitenkaan ole toimiva nesteille, joilla on vuorovaikutusta kuitujen kanssa.
Veden penetroituminen paperiin sekä läpivirtaus paperissa eli permeaatio turvottaa kui- tuja muuttaen huokosverkoston ominaisuuksia imeytymisen aikana. Lucas-Washburnin yhtälö soveltuu parhaiten öljypohjaisten ja polaarittomien nesteiden penetraation kuvaa- miseen. Malli myös olettaa, että huokoset ovat sylinterimäisiä sekä yhdensuuntaisia, ja että kontaktikulma olisi vakio. [11]
5.3 Raakareunaimeytyminen
Raakareunaimeytymisellä tarkoitetaan jatkokäsitellyn ja pituusleikatun paperin paljaan reunan kautta tapahtuvaa sorptiotapahtumaa. Raakareunaimeytymistä voi tapahtua nes- teiden, kuten veden tai kahvin, kontaktissa näkyvään raakareunaan. Myös kaasuja, kuten vesihöyryä, voi tiivistyä raakareunan kuituihin.
Nesteen absorptiotapahtumassa vaikuttavia tekijöitä ovat sen viskositeetti, pintajännitys sekä poolisuus. Paperissa neste voi absorboitua sekä kuituihin että huokosiin. Inertit nes- teet, esimerkiksi öljy, absorboituvat pelkästään huokosiin, mutta vesi absorboituu sekä kuituihin että huokosiin. Veden penetraatio huokoisiin tapahtuu kapillaaripenetraatiolla ja kuituihin diffuusion avulla. [16] Veden penetraation takia kuitusidoksia purkaantuu ja fysikaalis-kemialliset ominaisuudet muuttuvat. Kuitujen turpoaminen aiheuttaa muutok- sia huokosten välisiin tilavuuksiin, joka vaikuttaa nesteen kapillaaripenetraatioon huo- kosten kautta. [16]
6 KOKEELLINEN OSUUS
Kokeellisessa osuudessa oli tarkoituksena tutkia raakareunaimeytymistä eri menetelmillä sekä eri lämpötiloissa ja selvittää niiden vaikutuksia absorptioon. Kaikki testien mittauk- set suoritettiin ilmastointistandardi ISO 187:1990:n mukaisissa olosuhteissa.
Kokeellinen osuus koostuu eri koesarjoista, joissa pyrittiin selvittämään paperin raaka- reunaimeytymiseen sopiva mittaustapa, ja sitä kautta selvittämään veden absorptioon vai- kuttavia ominaisuuksia. Raakareunaimeytymisen mittaamiselle ei ole olemassa minkään- laista yleisesti hyväksyttyä standardia, joten kaikki mittaustavat ja -ajat määritettiin itse.
6.1 Kokeellisen osuuden tavoite
Ymmärrys raakareunaimeytymisestä on tärkeä valmistettaessa monikerroslaminaatteja, sillä esimerkiksi valmiin polyuretaanieristelevyn reunoissa on laminaattipinnassa suojaa- maton paperin raakareuna. Laminaattituotteen valmistaja on kiinnostunut ilmiöön vaikut- tavista tekijöistä, ja siitä, miten lisätä tuotteen vastustuskykyä reunaimeytymiselle. Myös laminaatin loppukäyttäjä, eli uretaanilevyjen valmistaja on kiinnostunut absorptiosta. Lii- allinen absorptio heikentää laminaatin lujuuksia, jolloin eristelevy vääntyy ja levyjen vä- liset saumat aukeavat, tehden niistä käyttökelvottomia.
On huomattu, että pohjapaperin ominaisuudet vaikuttavat huomattavasti laminaattituot- teen reunaimeytymään, mutta myös itse laminointiprosessin muuttujilla on vaikutusta.
Näistä syistä syystä ilmiötä on haluttu tutkia tarkemmin. Kokeellisen osuuden toinen ta- voite oli löytää reunaimeytymisen mittaamiselle jokin helposti toistettavissa oleva yksin- kertainen mittaustapa. Kokeissa käytetyt paperilaadut ovat käytössä Toimeksiantajan Valkeakosken tuotannossa.
6.2 Reunaimeytymätestien muuttujat
Reunaimeytymätestejä suoritettiin kaikille valituille paperilaaduille, joista myös aiemmin tehtiin paperireferenssit. Testien muuttuvina tekijöinä olivat suojaamattoman raakareu-
nan suuruus, veden lämpötila, näytteen päällystystekniikka sekä mittausaika. Ilmasto la- boratoriossa oli ISO 187:1990 standardin mukainen. Lämpötilan sekä ilmankosteuden oletettiin pysyvän vakioina. Reunaimeytymään pyrittiin pääsemään kiinni sulkemalla avoimet pinnat, ja jättämällä yksi raakareuna näkyviin joko kone- tai poikkisuunnassa, sillä paperin konesuunnalla arveltiin olevan vaikutusta veden kulkeutumiseen huokosver- kostossa. Myös eri leikkaustekniikoita tutkittiin niitten mahdollisen vaikutuksen elimi- noimiseksi. Osa näytteistä leikattiin laboratoriossa olevilla giljotiinileikkureilla ja osa te- rävällä paperiveitsellä. Leikattu reuna myös puhdistettiin mahdollisesta irtonaisesta kui- tumateriaalista. Myöhemmin huomattiin, että kahden edellä mainitun leikkaustavan vä- lillä ei ollut havaittavaa eroa veden imeytymisen kannalta. Näytteitä valmistellessa pyrit- tiin samanlaiseen leikkausjälkeen, joka laminaatille syntyy pituusleikkauksessa.
6.2.1 Reunaimeytymäkoe kontaktimuovipäällysteellä
Ensimmäisessä kokeessa paperin pinnat suojattiin käyttäen kontaktimuovia. Paperi pääl- lystettiin molemmilta puolilta reilusti paperin reunojen yli, jonka jälkeen paperi leikattiin halutun kokoiseksi testikappaleeksi. Näytteiden leikkaus suoritettiin paperilaboratoriosta löytyvillä leikkureilla tai terävällä paperiveitsellä. Kahden eri menetelmän käytöllä eli- minoitiin leikkaustavan vaikutus lopputuloksiin. Jokaisesta paperilaadusta otettiin testiin näytteitä, joissa suojaamaton raakareuna oli joko kone- tai poikkisuunnassa. Veden ole- tettiin imeytyvän näytekappaleen keskustaa kohti, eli samaan suuntaan miten näyte oli leikattu.
Testin koeajaksi valittiin 24 tuntia. Koeajan arveltiin olevan sopiva riittävien erojen ai- kaansaamiseen, vaikka suojaamattoman reunan pituus oli vain 80 mm jokaisessa näyt- teessä. Näytteet upotettiin astiaan ja pidettiin vaakatasossa pienten painojen avulla. Painot oli aseteltu näytteiden päälle siten, etteivät ne olleet lähellä näytteen suojaamatonta reu- naa vaikuttaen mittaustuloksiin. Yksikään näytteiden absorboivista pinnoista ei myös- kään ollut toista näytteen absorboivaa pintaa vasten. Vesipatsaan korkeus näytteiden päällä oli 100 mm. Testin imeytymisnesteenä käytettiin vesijohtovettä, ja näytteitä pidet- tiin huoneenlämmössä noin 23 °C.
24 tunnin jälkeen näytteet poistettiin vesiastiasta ja huomattiin, että näytteet olivat kastu- neet lähes kokonaan. Testin epäonnistumisen syyksi selvisi uusilla koepaloilla ja lyhy- emmällä testiajalla kontaktimuovin vesidispersioliima, joka liukeni veteen muutamien tuntien jälkeen paljastaen liikaa paperin pinta-alaa. Testin tulokset eivät näinollen olleet luotettavia ja ne jouduttiin hylkäämään.
KUVA 7. Kontaktimuovipällysteiset testikappaleet 5 tunnin jälkeen
6.2.2 Reunaimeytymäkoe PET-taskuun laminoinnilla
Kontaktimuovikokeen epäonnistuttua päätettiin kokeilla täysin uutta lähestymistapaa so- pivan mittaustavan löytämiseksi. Seuraavan mittaussarjan näytteiden pinnat suojattiin käyttäen GBC 3500 -lämpölaminointilaitetta. Sen avulla testikappale saatiin laminoitua muoviseen PET-kalvotaskuun. Laminoinnissa käytetty lämpötila oli 130 °C, ja sitä käy- tettiin kaikille paperilaaduille. Tässäkin testissä näytekappaleista leikattiin kone- ja poik- kisuuntaisia näytteitä.
Laminointitavan selvästi paremman adheesion takia koeajaksi valittiin tälläkin kertaa 24 tuntia. Sitä pidettiin sopivana näytteiden hyvän adheesion, sekä pienemmän raakareunan koon takia. Näytteet leikattiin jäähdyttyään kokoon 150 x 50 mm, ja raakareunan leveys oli 50 mm. Sen arveltiin estävän näytekappaleiden vettymistä, mutta olevan silti riittävä veden imeytymiselle. Laminoitujen papereiden jäähdyttyä niitä leikattiin paperiveitsellä sekä laboratorion leikkureilla leikkaustavan aiheuttamien muuttujien eliminoimiseksi.
Laminoidut näytteet upotettiin 10 cm syvyyteen. Mikään näytteiden raakareuna ei ollut toista raakareunaa lähellä taikka sen päällä. Näytteet olivat vaakatasossa astioissa, ja tes- tinesteenä oli jälleen tavallinen vesijohtovesi. Näytteistä tehtiin mittaussarja sekä huo- neenlämmössä 23 °C että jääkaapissa 4 °C 24 tunnin ajan.
24 tunnin koeajan jälkeen testinäytteet nostettiin pois astioista ja kuivattiin Cobb-vesiab- sorptiomenetelmän tavoin kahden imupaperin välissä messinkitelan avulla. Kuivaamisen jälkeen näytteet punnittiin ja tulokset kirjattiin ylös. Tuloksista selvisi, että kuumalami- nointilaite oli puristanut testikappaleen niin tiiviiksi, että edes 24 tunnin jälkeen niistä juuri yksikään ei ollut absorboinut vettä (KUVIO 2).
KUVIO 2. Vesiabsorptio näytteille 24 tunnin jälkeen massaprosenttina
Mittakappaleiden kuiva- ja märkäpainojen olemattomien erojen vuoksi myös tällä mene- telmällä saadut tulokset jouduttiin hylkäämään. Testiaikaa pidentämällä oltaisiin saatettu saada mitattavia tuloksia, mutta yli 24 tunnin koeaikaa ei pidetty järkevänä pelkille poh-
0,0 % 0,5 % 1,0 % 1,5 % 2,0 % 2,5 %
1 2 3 4 5 6 7 8
Vedenabsorptio
KS PS
japaperinäytteille. Samalla laminointimenetelmällä leikattiin myös näytteitä, joissa raa- kareunan leveys oli huomattavasti suurempi veden imeytymisen parantamiseksi, mutta tälläkin tavalla veden absorptio oli lähes olematonta.
6.2.3 Reunaimeytymäkoe sovelletulla COBB-menetelmällä
Kolmantena mittauksena suoritettiin Cobb60-mittauksen sovellettu versio. Sovelletun kokeen idea saatiin TAPPI Journalista, jossa työryhmä oli tutkinut reunaimeytymää ja käyttänyt myös virtuaalisia mallinnuksia tulosten hahmottamiseen. [1]
Työn pääperiaatteena oli päällystää haluttu näyte PE-muovilla ja leikata sen keskelle ha- lutun kokoinen reikä, jonka reunoilta vesi pääsee imeytymään paperiin.
KUVA 8 Reunaimeytymäkoe COBB-menetelmää soveltaen
Muovikalvo puristettiin tasaisesti näytekappaleen pintaan Cobb-menetelmän messinkite- laa käyttäen puristuksen vaihtelun poistamiseksi. Mittakappaleiden huomattiin imevän vettä jo muutamien minuuttien päästä veteen asettamisesta. Ennen lopullisen koeajan va- lintaa, mitattiin koepaloille aika, joka vaadittiin niiden läpi asti vettymiseen. Tällä mene- telmällä vettymiseen vaadittava aika oli noin 35 minuuttia. Lopulliseksi koeajaksi valit- tiin 15 minuuttia, sillä sen arveltiin olevan sopiva hyvän imeytymän ja vertailukelpoisten tulosten saamiseksi.
Menetelmän toteutus suoritettiin Cobb-menetelmän tavoin: näytteet oli ilmastoitu yli 24 tuntia ennen kokeen aloittamista, näytteet valmisteltiin ja leikattiin samalla leikkurilla eroavaisuuksien poistamiseksi ja punnittiin reiän leikkaamisen jälkeen. Reiän leikkaami- seen käytettiin siihen tarkoitettua välinettä (liite 2), jolla sen halkaisija saatiin pysymään vakiona joka mittauksessa. Laitevalmistajan mukaan reiän halkaisija oli 4,7071204 cm eli suojaamattoman raakareunan pituus mittakappaleilla oli noin 14,79 cm. Näyte suljet- tiin tiiviisti rengasta ja kumialustaa vasten, ettei vesi päässyt tihkumaan pois mittauksen aikana. Vesipatsaan korkeus oli vakio 10 mm joka mittauksessa. 15 minuutin jälkeen vesi poistettiin ja näyte kuivattiin imupaperien välissä liikuttaen messinkitela kerran edesta- kaisin näytteen yli. Kuivattu näyte punnittiin ja tulokset merkittiin ylös analysointia var- ten. Kokeen imeytysnesteenä käytettiin ionivaihdettua vettä veden epäpuhtauksien ai- heuttaman vaihtelun poistamiseksi. Vesi oli huoneenlämpöistä (noin 23 °C) ja ulkoista painetta ei muutettu tätä testiä tehdessä.
Menetelmän avulla saatiin luotettavia ja toistettavia tuloksia. Kokeen edetessä papereissa esiintyi selkeitä eroja, joita voidaan selittää niitten eri valmistustavoilla ja erilaisella ra- kenteella. Tämän menetelmän suurin heikkous on se, ettei kone- ja poikkisuuntaa voida erotella erikseen. Kuvassa 9 on kuitenkin nähtävissä selkeä ero poikki- ja konesuunnan imeytymässä.
KUVA 9. Konesuunnan vaikutus reunaimeytymään (konesuunta merkitty nuolella)
Samanlainen sovellettu koe tehtiin myös laminaattinäytteille, jotka valmisteltiin samojen ohjeiden sekä tapojen mukaan. Laminaattinäytteiden kanssa käytettiin samaa mittausai- kaa kuin paperinäytteiden kanssa. Saaduista tuloksista voitiin laskea reunaimeytymäin- deksi käyttäen hyväksi kaavaa:
𝐸𝑊𝐼 =
∆𝑚2𝜋𝑟0ℎ
[𝑘𝑔/𝑚
2]
(3)jossa ∆m on testatun näytteen massan ero kuivana sekä testin suorittamisen jälkeen, r0 on leikatun ympyrän säde ja h näytteen paksuus. [1] Laminaattinäytteiden paksuudet mitat- tiin yksittäisinä arkkipaksuuksina standardin ISO 534 mukaan. Mitatuista tuloksista saa- tiin muodostettua indeksien kuvaajat, jotka havainnollistavat paperi- sekä laminaattinäyt- teiden reunaimeytymää.
KUVIO 3. Paperilaatujen reunaimeytymäindeksit
7,67
54,81
8,84 6,39
1,90
31,91
1,50 1,08
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
70gm 70gm (2) 40gm 60gm 120gm 90gm (KL) 90gm 150gm
Paperilaatujen indeksit
KUVIO 4. Laminaattien reunaimeytymäindeksit
Kuviossa 3 paperin reunaimeytymää testattaessa näytteiden 70 gm ja 90 gm(KL) tulokset ja indeksit eivät ole verrattavissa muihin, sillä niitten mittausaika oli vain 5 minuuttia, verrattuna muiden näytteiden 15 minuuttiin. Mittausaikaa jouduttiin lyhentämään paperi- näytteissä näkyneen selkeän nopean imeytymisen vuoksi, jolloin pidempi mittausaika ei olisi ollut järkevää. Laminaattinäytteissä näytteen 90 gm(KL) kohdalla käytettiin myös mittausaikana 5 minuuttia, jotta sen tulosta voitaisiin verrata vastaavaan paperinäyttee- seen.
Kuvioista 3 ja 4 nähdään, että paperinäytteiden reunaimeytymäindeksi on huomattavasti suurempi kuin vastaavilla laminaattinäytteillä. Erot johtuvat suurimmaksi osaksi valmiin laminaatin valmistustavasta. Laminaatissa pohjapaperi on sivelty liimalla kammiokaava- rimenetelmällä ja liimattu puristuksella märkänipissä alumiinikerrokseen. Liima täyttää pohjapaperin huokosia ja turvottaa kuituja, jolloin vesi ei voi absorboitua yhtä voimak- kaasti.
0,86
0,66
1,14
0,20
0,41 0,51
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40
40gm 60gm 90gm(KL) 90gm 120gm 150gm
