Abstract

Fouling in papermaking causes major economic drawbacks due to downtime of process and paper quality defects. The surface fouling is a complex phenomenon in a paper making process, which is affected by several interconnected factors such as process environment changes from wet to dry with increasing temperature along with the variety of sticky materials present in paper raw materials. These impurities, such as waxes, coating binders, hot melts and pressure-sensitive adhesives have a tendency to attach to the surfaces of machinery during paper production and cause surface fouling. The focus of this thesis was on the mechanisms of sticking and surface fouling on a paper machine surfaces caused by problematic sticky organic materials.

The sticking potential of six styrene–butadiene latices varying in carboxylation degree, crosslinking density and viscoelasticity and one polyacrylate pressure sensitive adhesive were studied using a cylindrical probe tack method under dry and aqueous conditions. Sticking potential was measured using low and high energy surfaces as an adherent. Also a new practical method for the on-site evaluation of nonstick properties of cylinder coating materials was developed. This method enables monitoring the condition of the coating during its life cycle and also provides the opportunity to compare the performance of different drying cylinder coating materials.

The research performed clearly showed that low viscoelastic modulus of latex increases sticking tendency. The results also showed that presence of water can either increase or decrease adhesion depending on the moisture content ant the physic-chemical properties of sticky materials. A low surface energy coating strongly decreases sticking compared to a high energy surface and have a lower susceptibility to fouling in the dry environment. In aqueous conditions, the use of high-energy surfaces decreases adhesion of latices due to their strong interaction with water. Also, the results indicated that carboxylation decreases sticking potential of latex in both dry and aqueous environments.

Tiivistelmä

Paperikoneiden likaantuminen aiheuttaa suuria tuotannollisia menetyksiä johtuen tuotantoprosessin katkoksista ja paperin laadun ongelmista. Paperikoneen pintojen likaantuminen on monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet toisistaan riippuvat tekijät ja siten likaantumisilmiötä on vaikea hallita. Paperin raaka-aineet voivat sisältää epäpuhtauksia, kuten vahoja, kuumasulate- ja tarraliimoja, jotka tarttuvat paperikoneen pintoihin aiheuttaen niiden likaantumista. Lisäksi paperin prosessiympäristö muuttuu märästä kuivaan valmistusprosessin edetessä ja lämpötilan kasvaa samanaikaisesti. Tässä väitöskirjassa on kuvattu paperikoneen pintojen likaantumisen mekanismeja ja erityisesti orgaanisten lika-aineiden tarttumista.

Tutkimuksessa selvitettiin probe tack -menetelmää käyttäen kuuden erilaisen styreeni-butadieenilateksin ja polyakrylaattitarraliiman tarttuvuutta matalan ja korkean pintaenergian pinnoilla sekä kuivissa että märissä olosuhteissa. Työhön oli valittu latekseja, joiden karboksylointiaste, ristisilloitustiheys ja viskoelastiset ominaisuuden olivat erilaisia. Lisäksi väitöskirjatyössä kehitettiin paikan päällä suoritettava mittausmenetelmä paperikoneen kuivaussylinterien pinnoitteen puhtaana pysyvyyden määrittämiseksi. Tällä menetelmällä voidaan mitata pinnoitteiden kuntoa niiden elinkaaren aikana ja myös vertailla erilaisia pinnoitteita keskenään.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että styreeni-butadieenilateksien matala kimmokerroin lisää niiden tarttumista paperikoneen pinnoille. Veden läsnäolo voi joko lisätä tai vähentää tarttumista riippuen veden määrästä ja lika-aineiden fysiokemiallisista ominaisuuksista. Myös paperikoneen pinnoitteen pintaenergia vaikuttaa tarttuvuuteen. Paperikoneen pinnoitteiden pieni pinta-energia vähentää tarttumista kuivissa olosuhteissa, kun taas korkean pintaenergian pinnoitteet vähentävät lateksien tarttuvuutta vesiolosuhteissa. Lisäksi lateksien karboksylointi vähentää niiden tarttumista sekä kuivissa että märissä olosuhteissa.