Title: Studies on fiber strength and its effect on paper properties
Author(s): Wathén, Rolf
Pages: 98, [60]
ISBN: 951-22-8525-8
Series: KCL communications, 11
Keywords: fibre properties, strength properties, cellulose, hemicellulose, zero span tensile strength, runnability, degradation, fracture, deformation, damage, ultrastructure, fibril, angle
The objective of this work was to study factors affecting the strength of pulp fibers used in papermaking and how their strength affects the properties of the fiber network, i.e. the paper. All the structural levels contributing to fiber strength starting from the organization of cellulose chains in microfibrils through to visible defects and fiber deformations were considered. Due to its wide availability, zero-span strength was used as an indication of fiber strength.
Industrially made pulp fibers are mechanically damaged and thus weakened in the fiber line. Fiber strength may also degrade chemically. Chemical degradation may be homogeneous or heterogeneous, and the effects of these on fiber and paper properties differ. In this work, acid vapor-induced degradation was found to cause more heterogeneous degradation of fibers compared to ageing treatment at elevated temperature and humidity. In both treatments degradation occurs via the same mechanism – acid hydrolysis – but the difference is attributed to initial fast reaction of the acid vapors at fiber disorder sites. Z-directional fiber strength is less sensitive to fiber degradation than axial fiber strength. Spruce pulp fibers require the viscosity to drop below 400 ml/g before any difference can be detected in the Scott-Bond values. For birch pulp fibers the same happens at a viscosity of 700 ml/g. Neither treatment was observed to affect inter-fiber bonding.
Zero-span strength measurements were shown to follow a normal distribution. This was expected based on the Central Limit Theorem and was also predicted by modeling. The variation in zero-span strength was found to increase as functions of decreasing sheet thickness and increasing span length. The former was predicted by the model. The reason for the latter is that the properties of the fiber network start to show in the measurement.
Contrary to some earlier studies, it is suggested here that fiber curl itself maybe does not affect the zero-span measurement results. One reason for the often observed increase in zero-span strength during beating could be the favorable organization of fibrils. The Jentzen effect was not observed in the experiments probably because the test pulps likely had very few misaligned fibrils and on average a low fibrillar angle.
Fiber properties have a significant effect on the fracture properties of paper. In general, decreases in fiber length and strength lead to a decrease in fracture energy. Higher fiber curl means higher fracture energy, lower breaking tension and higher breaking strain of a paper web. Once the fracture process of paper has initiated, strains deviating from the ordinary breaking strain occur in the fracture process zone. The most significant contribution to these strains comes from the fibers orienting towards the direction of the tension. Even though significant to fracture energy, fiber strength did not have a clear effect on the strains in the fracture process zone.
Työn tarkoituksena oli tutkia paperinvalmistuksessa käytetyn kuidun lujuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä tämän lujuuden vaikutusta paperin ominaisuuksiin. Huomioon otettiin eri rakenteelliset tasot selluloosamikrofibrillien järjestäytymisestä kuidussa näkyviin vikoihin ja kuitudeformaatioihin. Kuidun lujuuden mittana käytettiin ns. zero-span -mittausta sen hyvän yleisen saatavuuden vuoksi.
Teollisessa massan valmistuksessa kuidut kärsivät kuitulinjoilla mekaanisia vaurioita, jotka heikentävät niiden lujuutta. Kuidun lujuus saattaa pudota myös kemiallisista syistä. Kemiallisista syistä johtuva lujuuden pudotus voi olla luonteeltaan homogeenista tai heterogeenista, joilla on erilaiset vaikutukset kuitujen ja paperin lujuuteen. Tässä työssä happohöyryllä aiheutettu lujuuden pudotus oli luonteeltaan heterogeenisempaa kuin pudotus, joka saatiin aikaan vanhennuskäsittelyllä korotetussa lämpötilassa ja kosteudessa. Molemmissa käsittelyissä hajoamismekanismi oli sama - happohydrolyysi - mutta happohöyryillä reaktionopeus on alussa nopeampi kuitujen epäjärjestyskohdissa. Kuitujen z-suuntainen lujuus ei ole yhtä herkkä kuidun hajoamiselle kuin aksiaalinen lujuus. Kuusimassoilla Scott-Bond-mittauksessa havaittiin pudotus viskositeetissa 400ml/g, koivumassoilla viskositeetissa 700ml/g. Kummankaan käsittelyn ei havaittu vaikuttavan kuitujen väliseen sitoutumiseen.
Zero-span-mittausten todettiin noudattavan normaalijakaumaa. Tämä oli odotettavissa keskeisen raja-arvolauseen (Central Limit Theorem) perusteella ja sama tulos saatiin myös mallintamalla. Vaihtelu mitatussa zero-span-lujuudessa kasvoi arkin paksuuden pienetessä tai vetovälin kasvaessa. Johdettu malli ennusti arkin paksuuden vaikutuksen vaihtelulle. Vetovälin kasvun ja vaihtelun yhteyteen on syynä verkosto-ominaisuuksien näkyminen mittauksissa.
Vastoin joitakin aikaisempia tutkimustulosten tulkintoja, tässä työssä esitetään tulkinta, jonka mukaan kuitujen kiharuudella ei ole vaikutusta zero-span-mittaukseen. Syy usein nähtyyn zero-span-arvon kasvuun jauhatuksessa voi olla mikrofibrillien suotuisa järjestäytyminen. Ns. Jentzen-efektiä ei havaittu tässä työssä tehdyissä kokeissa, mahdollisesti koska tutkituissa kuiduissa todennäköisesti oli hyvin vähän epäjärjestäytyneitä kohtia sekä keskimäärin pieni fibrillikulma.
Kuitujen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus paperin murtumaominaisuuksiin. Yleisesti ottaen alhaisempi kuidunpituus ja lujuus johtavat matalampaan murtoenergiaan. Kiharammat kuidut johtavat verkoston korkeampaan murtoenergiaan, alhaisempaan vetolujuuteen sekä korkeampaan murtovenymään. Murtoprosessin alettua murtovyöhykkeellä tapahtuu normaalista murtovenymästä poikkeavia venymiä. Näihin venymiin vaikuttavat eniten vedon suuntaan orientoituvat kuidut. Vaikka kuidun lujuus vaikuttaa murtoenergiaan, sillä ei todettu olevan selkeää vaikutusta venymiin murtovyöhykkeellä.
Wathén, R., Rosti, J., Alava, M., Salminen, L. and Joutsimo, O. (2006): Fiber strength and zero-span strength statistics – some considerations, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 21 (2): 193-201.
Wathén, R., Joutsimo, O. and Tamminen, T. (2005): Effect of different degradation mechanisms on axial and Z-directional fiber strength, Transactions of the 13th Fundamental Research Symposium, Cambridge, UK, September 2005, pp. 631-647.
Wathén, R., Batchelor, W., Westerlind, B. and Niskanen, K. (2005): Analysis of strains in the fracture process zone, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 20 (4): 392-398.
Joutsimo, O., Wathén, R. and Robertsén, L. (2005): Role of fiber deformations and damage from fiber strength to end user, Transactions of the 13th Fundamental Research Symposium, Cambridge, UK, September 2005, pp. 591-611.
Joutsimo, O., Wathén, R. and Tamminen, T. (2005): Effects of fiber deformations on pulp sheet properties and fiber strength, Paperi ja Puu – Paper and Timber, 87 (6): 392-397.
Permanent link to this item: http://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008588