New methods forevaluation of tissue

New methods for
evaluation of tissue creping
and the importance of
coating, paper and adhesion
Jonna Boudreau
DISSERTATION | Karlstad University Studies | 2013:47
Chemical Engineering
Faculty of Health, Science and Technology
DISSERTATION | Karlstad University Studies | 2013:47
New methods for evaluation
of tissue creping and the
importance of coating, paper
and adhesion
Jonna Boudreau
urn:nbn:se:kau:diva-29317
Distribution:
Karlstad University
Faculty of Health, Science and Technology
Department of Engineering and Chemical Sciences
SE-651 88 Karlstad, Sweden
+46 54 700 10 00
© The author
ISBN 978-91-7063-525-0
Print: Universitetstryckeriet, Karlstad 2013
ISSN 1403-8099
Karlstad University Studies | 2013:47
DISSERTATION
Jonna Boudreau
New methods for evaluation of tissue creping and the importance of coating,
paper and adhesion
WWW.KAU.SE
Abstract
Increased competition on the tissue market forces tissue makers to continuously
raise their product quality and increase their operating efficiency. The creping
process and the conditions on the Yankee cylinder are the key factors in the
production process and they therefore need to be kept under good control in order
to maintain a high and uniform quality. Due to evaporation, dissolved substances
from the wet end and fiber fragments remain on the surface and a natural coating
layer always develops on the surface of the Yankee cylinder. However, coating
chemicals are also needed and these are continuously sprayed onto the Yankee
surface in order to modify the adhesion between the paper and the dryer cylinder.
To make it possible to control the process better, on-line measurements of coating
thickness as well as of the crepe structure of the tissue paper produced would be
very valuable.
The fiber furnish affects the adhesion between the paper web and the cylinder
dryer. The strength and uniformity of the adhesion of the paper to the cylinder
affects the creping process tremendously and more information about parameters
affecting the adhesion is of great interest. To perform trials on a full scale, or even
on a pilot machine, is very costly and therefore laboratory equipment is sought in
order to be able to measure the adhesion force in a cheaper way.
In the work described in this thesis, the coating layer was analyzed both chemically
and morphologically to obtain information about the coating layer before on-line
measurements were started. The chemicals added and the constituents of the pulps
are known by the paper producers, but exactly what type of material is left on the
cylinder and whether there are different layers of coating material still remains to
be investigated. The chemical analysis indicated that the adhesive content was
higher in the inner layer than in the outer layer of the coating. The relative amount
of polyamide-amine epichlorohydrin resin calculated on the basis of the nitrogen
content in the resin was low, indicating that the coating layer consisted of a
significant amount of carbohydrates or other substances from the wet end. The
coating layer could not be considered transparent. It was observed that the coating
was not uniform i.e. it was thick, had a patch-wise appearance and contained fiber
fragments.
An uneven coating layer affects the adhesion and creping of the paper. Therefore,
it was desirable to develop an on-line method to measure the coating thickness.
The coating layer contains a lot of fiber fragments and the new method cannot rely
on a transparent coating layer. Measurements on a laboratory scale, to be further
applied on-line on the tissue machine, have been investigated. The thickness of the
i
coating layer on a laboratory dryer has been measured, using a method based on
fluorescence with an optical brightener added to the coating chemicals sprayed on
the Yankee dryer. With a UV-LED (Ultra Violet - Light Emitting Diode), the
coating layer was exposed to UV-radiation and the intensity of the light emitted by
the optical brightener in the layer was measured. The equipment clearly measures
the signal strength of emitted light, but to be able to make good measurements on
the coating layer further investigations must be carried out. Trials are for example
required to see whether the adhesive itself disturbs the measurement method, and
most important to investigate the reason for the disturbances in the measurements
when cylinder is rotating.
In this project, new laboratory creping equipment and a new laboratory adhesion
method where the equipment can operate with different creping angles was
developed. The equipment is connected to a tensile tester to make it possible to
measure the force needed to scrape off the adhered paper. It was found that
beating of the pulp increased the adhesion. This was expected, since the fiber
surface area increases with increasing beating and a larger area for adhesion will
then be created. The adhesive used is not particularly reactive and fairly unaffected
by pH changes. In the industry, the coating layer is builds up over time to reach a
steady state. In this study, the papers with different pH’s probably did not have
sufficient time to affect the coating layer as much as in a commercial process. This
is probably why the pH did not affect the adhesion. The pulp with the highest
creping force was a Eucalyptus pulp consisting of 75% Grandis and 25%
Globulus, which has a higher hemicellulose content than the other pulp types and
also a larger amount of fines which increase the bonding strength in the coating
layer.
The coating thickness is important for the adhesion between the paper and the
Yankee cylinder and the coating thickness measurements could give a good idea of
how the adhesion and therefore the structure of the creped paper vary. A more
direct measurement can investigate the structure of the paper produced. From
previous studies, it is known that a paper with a finely creped structure has a
smoother surface than a coarsely creped paper. A finely creped structure
corresponds to a short wavelength and vice versa. Wavelength measurements were
made on the tissue paper with an optical fiber sensor which was mounted either
perpendicular to or at angles of 10º and 45º to the paper surface. The paper was
travelling at a low speed while the measurements were made. The collected signal
was mathematically analyzed and the characteristic wavelength was calculated. The
values for different paper samples were in close agreement with the wavelengths
measured with an off-line method using a commercial crepe analyzer.
ii
Sammanfattning
Vid mjukpapperstillverkning torkas papperet på en stor torkcylinder,
Yankeecylinder, med ånga inuti cylindern och med hjälp av torkkåpor som blåser
på hetluft på pappersbanan. Papperet klistras fast vid cylindern och efter ungefär ¾
rotation skrapas papperet av cylindern. Papperet rynkas (kräppas) vid
avskrapningen och bildar ett papper med en viss kräppstruktur som påverkar
papperets bulk, stretch och absorptionsförmåga.
Ökad konkurrens på mjukpappersmarknaden tvingar papperstillverkare att
kontinuerligt öka sin produktkvalité och tillverkningskapacitet.
Kräppningsprocessen och betingelserna runt Yankeetorkcylindern är
huvudfaktorer i mjukpapperstillverkning och är viktiga att ha god kontroll över för
att hålla en hög och jämn papperskvalité. Ämnen som lösts ut i processvattnet och
fiberfragment från pappersbanan sätter sig fast på torkcylindern och ger en naturlig
beläggning som byggs upp på cylinderytan. Emellertid behövs även
beläggningskemikalier som kontinuerligt sprayas på Yankeecylindern, för att kunna
modifiera vidhäftningen mellan papper och torkcylinder samt för att skydda
metallytan. Mätmetoder för att mäta beläggningstjockleken och papperets
kräppstruktur under drift behövs för att kunna kontrollera processen bättre.
Massan som papperet är tillverkat av påverkar vidhäftningen mellan papper och
torkcylinder. Hur stark och jämn denna vidhäftning är inverkar på
kräppningsprocessen och mer vetskap om hur olika massaparametrar påverkar är
av högt värde. Att genomföra försök i fullskala och även i pilotskala, är mycket
kostsamt och därför är en utrustning för att mäta kraften i vidhäftningen i
labbskala eftersökt.
I den här avhandlingen har beläggningen på Yankeecylindern analyserats både
kemiskt och morfologiskt, för att få nödvändig information om beläggningen
innan val av utrustning till mätningar under drift. Papperstillverkare vet vilka
kemikalier som sprayas på cylindern och vad som finns i pappersmassan, men vad
som blir kvar på Yankeecylindern är mindre känt. Den kemiska analysen indikerade
att det finns en gradient av adhesive i beläggningslagret, med högre koncentration
närmast cylinderytan. Andelen kolhydrater från fibrer var hög och beläggningen
kan inte anses vara genomskinlig, vilket påverkar valet av mätmetod för att mäta
tjockleken på beläggningslagret. Lagret var inte jämntjockt utan förekom fläckvis
tjockare och innehöll även delar av fibrer.
Ett ojämnt beläggningslager påverkar adhesionen och kräppningen av papper. Det
är därför önskvärt att kunna mäta lagrets tjocklek och ojämnhet under drift.
iii
Eftersom beläggningen innehöll en stor andel fiberfragment, kunde inte
mätmetoden baseras på en teknik som kräver ett genomskinligt lager. En metod,
för framtida mätning under drift, har undersökts och utvärderats.
Beläggningsskiktet på en labbtork har mätts. Metoden baserades på fluorescens
med ett optiskt vitmedel i kemikalierna som sprayas på torkcylindern. Med en UVLED (Ultra Violet - Light Emitting Diode), belystes cylindern med UV-ljus och
intensiteten i det emitterade ljuset från vitmedlet mättes. Utrustningen mätte
signalstyrkan från det emitterade ljuset, men för att kunna göra mätningar under
drift måste metoden vidareutvecklas.
En kräpputrustning, med justerbar vinkel, och adhesionsmetod för labbruk har
utvecklats. Utrustningen är ansluten till en dragprovare för att göra det möjligt att
mäta kraften som krävs för att skrapa av det vidhäftade pa