Έρευνα των ποιοτικών χαρακτηριστικών των ινών ξύλου και της επίδρασης τους στις ιδιότητες των χαρτιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χαρτοκιβωτίων

Abstract

The overall goal of the thesis was to investigate fiber furnishes and fiber characteristics, and to correlate with the paper properties, presently used in the corrugated packaging industries. Special attention was paid to the qualities of recycled papers, because of its increased use in the production of corrugated packaging grade papers. The main fiber characterizing techniques, employed were fiber furnish analysis, morphological analysis of fiber, light microscopy, scanning electron microscopy (SEM). In addition, zero span tensile test was done to measure the average fibe strength of fiber. The required paper properties were measured by internationally recognized testers.The main object of the thesis was to determine the fiber composition on the basis of fiber sources (softwood, hardwood and nonwood), fiber type (whole length and broken) and pulping processes (chemical, semi-chemical and chemi-mechanical) in weight percentages; to identify the wood species and to measure fiber characteristics (fiber length, coarseness, fiber width, cell wall thickness, fiber cross sectional area, fiber volume index, kink index, curl, fines, fibrillation, fiber population, and fiber strength ) and paper properties (physical, mechanical, optical and surface properties).38 of different category papers from kraftliners (KL), testliners (TL), semichemical flutes (SCF) and recycled flutes (RF) were examined. Kraftliners and semichemical flutes are virgin grade papers, and testliners and recycled flutes are recycled grade papers. Study shows that softwood and hardwood fibers are the main source of paper making where nonwood fibers have also little contribution as well which are pulped under chemical, semi-chemical and chemi-mechanical methods. 32 species were identified consisting of 15 from softwood and 17 from hardwood. Nonwood species were not identified.In terms of quantitative determination, the average contribution of softwood, hardwood and nonwood fibers in weight percentage (wt%) is 47.44%, 47.75% and 4.81% respectively for kraftliners; 29.31%, 64.20% and 6.50% respectively for testliners; 13.81%, 82.96% and 3.24% respectively for semi-chemical flutes, and 26.86%, 64.52% and 8.62% respectively for recycled flutes, where the variation among the single category is very high. The contribution of whole length fiber is also quite higher in all grades counted 81.35%-93.71%. Semi-chemical flutes have very less quantity of fragmented fiber, i.e. only 6.29%. Kraftliners have highest percentage of chemical pulp countedvi61.53%, where other grades have more semi-chemical and chemi-mechanical pulp, i.e. 77.28% for SCF, 62.52% for TL and 47.53% for RF.Fiber characteristics were measured for individual grade and it was found that the average fiber length, coarseness, fiber width, cell wall thickness, kink index, curl, fibrillation, fine content and fiber population is 1.42mm, 0.183mg/m, 22.26μm, 5.45μm, 752 (n), 12.43%, 12.63%, 27.11% and 8813/mg, respectively for kraftliners; 1.02mm, 0.184mg/m, 20.05μm, 5.24μm, 947 (n), 12.59%, 14.31%, 33.74% and 11191/mg, respectively for testliners; 1.02mm, 0.162mg/m, 24.66μm, 5.78μm, 436 (n), 9.05%, 12.55%, 21.41% and 9638/mg, respectively for semi-chemical flutes; and 1.12mm, 0.183mg/m, 21.04μm, 5.66μm, 795 (n), 11.74%, 13.19%, 33.17% and 10634/mg, respectively, for recycled flutes. Fiber strength of KL, TL, SCF and RF is 17.38kN/m, 11.95kN/m, 16.85kN/m and 11.54kN/m, respectively, for machine direction and 12.52kN/m, 7.31kN/m, 9.67kN/m and 8.47kN/m, respectively, for cross direction. Wet fiber strength of KL, TL, SCF and RF is 13.84kN/m, 8.86kN/m, 11.36kN/m and 8.47kN/m respectively, for machine direction, and 10.44kN/m, 5.50kN/m, 8.13kN/m and 5.19kN/m, respectively for cross direction.Physical and mechanical properties were measured. The ranges of grammage, thickness, porosity, roughness are 112-189 (gm/m2), 0.161-0.309 (mm), 53-523 (ml/min), 75-2827 (ml/min), respectively for kraftliners; 112-189 (gm/m2), 0.161-0.309 (mm), 53-523 (ml/min), 75-2827 (ml/min), respectively for testliners; 112-171(gm/m2), .217-.312(mm), 116-992 (ml/min), 2699-5443 (ml/min), respectively for SCF and 96-131 (gm/m2), 0.154-0.243 (mm), 289-796 (ml/min), 1425-4110 (ml/min) respectively for RF. Brightness was measured only for kraftliners and testliners, i.e. 14.8-83 (%ISO) and 14.8-83 (%ISO), respectively. Average tensile index (MD), tensile index (CD), SCT index (MD), SCT index (CD), tear index (MD), tear index (CD), bending resistance index (MD), bending resistance index (CD), folding endurance (MD), folding endurance (CD), burst index and RCT index are 58.55 Nm/g, 40.60 Nm/g, 46.96 Nm/g, 25.79 Nm/g, 10.03 mN.m2/g, 11.22 mN.m2/g, 0.0196 mN.m3/g, 0.0091 mN.m3/g, 2012 (n), 1075 (n), 4.65 kPa.m2/g and 12.61 kN.m/g respectively, for kraftliners; 58.50 Nm/g, 22.85 Nm/g, 38.25 Nm/g, 21.18 Nm/g, 5.47 mN.m2/g, 6.95 mN.m2/g, 0.0148 mN.m3/g, 0.0077 mN.m3/g, 125 (n), 29 (n), 2.04 kPa.m2/g and 8.43 kN.m/g respectively for testliners; 59.38 Nm/g, 31.85 Nm/g, 57.93 Nm/g, 30.97 Nm/g, 4.36 mN.m2/g, 6.57 mN.m2/g, 0.0208 mN.m3/g, 0.0096 mN.m3/g, 31 (n), 11(n), 3.31 kPa.m2/g, 14.59 kN.m/g respectively, for semi-chemicalviiflutes; and 61.67 Nm/g, 21.40 Nm/g, 38.51 Nm/g, 20.61 Nm/g, 5.81 mN.m2/g, 7.41 mN.m2/g, 0.0148 mN.m3/g, 0.0078 mN.m3/g, 109(n), 13(n), 1.92 kPa.m2/g and 8.41 kN.m/g, respectively for recycled flutes. Water absorption of KL, TL, SCF and RF is 21.85 g/m2, 99.65 g/m2, 167.20 g/m2 and 133.44 g/m2 respectively for 30 seconds, and 29.41 g/m2, 115.07 g/m2, 191.26 g/m2 and 139.68 g/m2 respectively for 60 seconds.Regression analyses for kraftliners, testliners and semi-chemcial flutes showed that fiber morphology, i.e. fiber length, coarseness, fiber width, cell wall thickness and fiber cross sectional area, is correlated with fiber furnishes. Consequently, fiber morphology along with some other properties has a greater impact on paper properties and has significant correlation with all the mechanical properties. The dominant factors affecting tensile index for machine direction (MD) of all grades of papers are length weighted fiber length, fiber coarseness, fiber width, fiber cell wall thickness, fine content, fiber curl, kink index, ash content and fiber population. Tensile Index for cross direction (CD) for all grades is not affected by any of the variables. SCT Index (MD) of kraftliners is significantly affected by length weighted fiber length, fiber coarseness, fiber width and ash content, though the testliners and semi-chemical flutes didn’t show any correlation with fiber characteristics. But both SCT Index (CD) of TL and SCF is highly influenced by length weighted fiber length, fiber coarseness, fiber width, cell wall thickness, curl, kink index, ash content and fiber population. No fiber characteristic is significantly correlated with tear index (MD) of any grades of papers. But, length weighted fiber length, fiber coarseness, fiber width, cell wall thickness, fine content, curl, kink index, ash content and fiber population are significantly correlated with tear index (CD) for all grades of papers. Folding endurance for MD and CD of all grades of papers is correlated with length weighted fiber length, fiber coarseness, fiber width, cell wall thickness, kink Index, fine content, ash content and fiber population. Burst Index is reasonably influenced by length weighted fiber length, coarseness, fiber width, cell wall thickness, kink index, curl and fiber population. Ring crush test (RCT) Index is significantly correlated with length weighted fiber length, coarseness, fiber width, curl, kink index, ash content, fine content, and fiber population. Pearson correlation also showed that fiber strength has positive and moderate to strong correlation with all the mechanical properties of papers at 95-100% confidence limit, i.e. mechanical strength increased with increasing fiber strength or decreased with decreasing fiber strength.

Ο γενικός σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η έρευνα του υλικού των ινών (κυττάρων) των χαρτιών καθώς και των χαρακτηριστικών των ινών και η συσχέτισή τους με τις ιδιότητες των χαρτιών, που χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες παραγωγής χαρτονιού και χαρτοκιβωτίων συσκευασίας. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην ποιότητα των ανακυκλωμένων χαρτιών, λόγω της αυξημένης χρήσης τους στις ποιότητες παραγωγής κυματοειδούς χαρτονιού. Οι κύριες τεχνικές χαρακτηρισμού των ινών που εφαρμόστηκαν ήταν η ανάλυση του υλικού των κυττάρων, ο καθορισμός της μορφολογίας των κυττάρων με τη συσκευή ανάλυσης Fiberlab, η χρήση απλού μικροσκοπίου εφοδιασμένου με ψηφιακή κάμερα, και η χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM). Προσδιορίσθηκε επίσης η μηχανική αντοχή των ινών με δοκιμές εφελκυσμού δειγμάτων χαρτιού με μηδενική απόσταση υποστηριγμάτων (zero span tensile strength). Προσδιορίσθηκαν ακόμη βασικές φυσικές και επιφανειακές ιδιότητες {ειδική πυκνότητα (grammage), πάχος, προσρόφηση νερού, πορώδες, τραχύτητα (coarseness), φωτεινότητα (brightness)} και πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μηχανικής αντοχής σε διάφορες ιδιότητες (μηχανική αντοχή σε εφελκυσμό κατά μήκος της παραγωγής (MD - machine direction) και εγκάρσια της παραγωγής χαρτιού (CD = cross direstion), αντοχή (αντίσταση) σε κάμψη, αντοχή σε θλίψη με μικρή απόσταση υποστηριγμάτων (SCT) κατά μήκος της παραγωγής (MD) και εγκάρσια της παραγωγής χαρτιού (CD), αντοχή σε σχίση κατά μήκος της παραγωγής (MD) και εγκάρσια της παραγωγής χαρτιού (CD), αντοχή σε αναδίπλωση (folding endurance) κατά μήκος της παραγωγής (MD) και εγκάρσια της παραγωγής χαρτιού (CD), και αντοχή σε διάρρηξη (bursting strength) και αντοχή σε πλευρική θλίψη (ring crush resistance – RCT). Τέλος, έγιναν, συσχετίσεις μεταξύ χαρακτηριστικών της μορφολογίας των κυττάρων που ανευρίσκονται στις διάφορες κατηγορίες χαρτιών με τις ιδιότητες των χαρτιών, που προορίζονται για την παραγωγή χαρτοκιβωτίων συσκευασίας.Το κύριο αντικείμενο της μελέτης ήταν ο χαρακτηρισμός της προέλευσης των κυττάρων (από πλατύφυλλα, κωνοφόρα και μη ξυλώδη υλικά), ο καθορισμός του τύπου των κυττάρων (ολόκληρες ή σπασμένες) και το είδος του χαρτοπολτού από το οποίο προήλθαν (χημικός, ημι-χημικός, χημικός-μηχανικός) σε σχέση με το βάρος τους, και η μέτρηση χαρακτηριστικών των κυττάρων όπως: μήκος κυττάρων, βάρος/μήκος (coarseness), το πλάτος των κυττάρων, το πάχος των κυτταρικών τοιχωμάτων, οι εγκάρσιες διαστάσεις των κυττάρων, οι δείκτες όγκου των ινών (volume index), οι δείκτες kink (βαθμός παραμόρφωσης των ινών), η συστροφή (curl), το ποσοστό των πολύ μικρώνiiκυττάρων (fines), η πιλημματοποίηση (fibrillation), ο αριθμός των κυττάρων και το μήκος τους και ο προσδιορισμός φυσικών, επιφανειακών και μηχανικών ιδιοτήτων των χαρτιών.Συνολικά εξετάστηκαν 38 διαφορετικές κατηγορίες χαρτιού από kraftliners (KL), testliners (TL), semi-chemical flutes (SCF) και recycled flutes (RF). Τα kraftliners (KL) και semi-chemical flutes (SCF) αποτελούνταν από πρωτογενή πολτό διαφόρων ποιοτήτων, ενώ τα testliners (TL) και τα recycled flutes (RF) αποτελούνταν από ανακυκλωμένο χαρτί διαφόρων ποιοτήτων. Η έρευνα έδειξε ότι η κύρια πηγή κατασκευής χαρτιού ήταν ο πολτός από ανακυκλωμένα κύτταρα (ανακυκλωμένο χαρτί), ο οποίος αποτελούνταν από κύτταρα κωνοφόρων, πλατυφύλλων και μη ξυλωδών φυτών που είχαν παραχθεί με τη χημική, ημι-χημική ή με τη χημική-μηχανική μέθοδο παραγωγής. Αναγνωρίστηκαν 32 είδη, αποτελούμενα τα 15 από κωνοφόρα και τα 17 από πλατύφυλλα. Τα μη ξυλώδη είδη δεν αναγνωρίστηκαν.Όσον αφορά τον ποσοτικό προσδιορισμό, η μέση κατανομή σε κύτταρα κωνοφόρων, πλατυφύλλων και μη ξυλωδών φυτών σε ποσοστό βάρους ήταν 47,44%, 47,75% και 4,81% αντιστοίχως για kraftliners (KL), 29,31%, 64,20% και 6,50% αντιστοίχως για testliners (TL), 13,81%, 82,96% και 3,24% αντιστοίχως για semi-chemical flutes (SCF) και 26,86%, 64,52% και 8,62% για semi-chemical flutes (SCF)., όπου η μεταβλητότητα στην κατηγορία αυτή είναι πολύ υψηλή. Η σύνθεση σε ολόκληρα κύτταρα είναι αρκετά υψηλή σε όλες τις κατηγορίες, και κυμάνθηκε από 81,35%-93,71%. Τα semi-chemical flutes (SCF) αποτελούνταν μόνο από 6,29% σπασμένα κύτταρα. Τα kraftliners (KL) έχουν το υψηλότερο ποσοστό χημικού πολτού 61,53%, όταν οι υπόλοιπες κατηγορίες περιέχουν περισσότερο ημι-χημικό και χημικό-μηχανικό πολτό 77.28% για SCF, 62.52% για TL και 47.53% για RF.Επίσης, μετρήθηκαν τα χαρακτηριστικά των κυττάρων για κάθε ποιότητα και βρέθηκε ότι το μέσο μήκος κυττάρων, βάρος/μήκος (coarseness), το πλάτος των κυττάρων, η πυκνότητα του κυτταρικού τοιχώματος, οι δείκτες kink, η συστροφή (curl), η πιλημματοποίηση (fibrillation), το ποσοστό των πολύ μικρών κυττάρων (fines) και ο αριθμός των κυττάρων ήταν 1.42 mm, 0.183 mg/m, 22.26 μm, 5.45μm, 752 (n), 12.43%, 12.63%, 27.11% και 8813/mg, αντίστοιχα για τα kraftliners; 1.02 mm, 0.184 mg/m, 20.05 μm, 5.24 μm, 947 (n), 12.59%, 14.31%, 33.74% and 11191/mg, αντίστοιχα για τα testliners; 1.02 mm, 0.162 mg/m, 24.66 μm, 5.78 μm, 436 (n), 9.05%, 12.55%, 21.41% and 9638/mg, αντίστοιχα για τα semi-chemical flutes και 1.12 mm, 0.183 mg/m, 21.04 μm, 5.66 μm, 795 (n), 11.74%, 13.19%, 33.17% και 10634/mg, αντίστοιχα για τα recycled flutes. Η αντοχή των κυττάρων των KL, TL, SCF και RF ήταν 17.38 kN/m, 11.95 kN/m,iii16.85 kN/m και 11.54 kN/m, αντίστοιχα κατά την κατεύθυνση παραγωγής του χαρτιού (MD = machine direction) και 12.52 kN/m, 7.31 kN/m, 9.67 kN/m και 8.47 kN/m, αντίστοιχα, κάθετα στην κατεύθυνση παραγωγής του χαρτιού (CD = cross direction). Η αντοχή των κυττάρων σε υγρή κατάσταση των KL, TL, SCF και RF ήταν 13.84 kN/m, 8.86 kN/m, 11.36 kN/m και 8.47 kN/m αντίστοιχα, κατά την κατεύθυνση παραγωγής του χαρτιού (MD = machine direction), και 10.44 kN/m, 5.50 kN/m, 8.13 kN/m and 5.19 kN/m, αντίστοιχα, κάθετα στην κατεύθυνση παραγωγής του χαρτιού (CD = cross direction).Ακόμη, μετρήθηκαν φυσικές, επιφανειακές, μηχανικές και χημικές ιδιότητες των χαρτιών. Το εύρος των ιδιοτήτων: ειδική πυκνότητα (grammage), πάχος, πορώδες, τραχύτητα, φωτεινότητα (brightness) των kraftliners ήταν 112-189(g/m2), 0.161-.309(mm), 53-523(ml/min), 75-2827(ml/min), 14.8-83(% ISO) αντίστοιχα, και 112-189(g/m2) 0.161-0.309(mm), 53-523(ml/min), 75-2827(ml/min), 14.8-83(% ISO) αντίστοιχα για τα testliners. Το εύρος των ιδιοτήτων: ειδική πυκνότητα (grammage), πάχος, πορώδες, τραχύτητα ήταν 112-171(gm/m2), 0.217-0.312(mm), 116-992(ml/min), 2699-5443(ml/min), αντίστοιχα για SCF και 96-131(gm/m2), 0.154-0.243(mm), 289-796(ml/min), 1425-4110(ml/min) αντίστοιχα για τα RF. Η μικρότερη προσρόφηση νερού σε χρόνο 30 sec και 60 sec παρατηρήθηκε στα χαρτιά kraftliners (21.85 g/m2 και 29.41 g/m2, αντίστοιχα), ενώ η μεγαλύτερη στα χαρτιά semichemical flutes (167.20 g/m2 και 191.26 g/m2, αντίστοιχα). Αντοχή σε εφελκυσμό (MD, CD), αξονική θλίψη (SCT) (CD), αντοχή σε σχίση (MD, CD), αντοχή σε αναδίπλωση (folding endurance σε MD και CD), αντοχή σε διάρρηξη (burst index), πλευρική θλίψη (RCT) ήταν 58.55N m/g, 40.60N m/g, 46.96N m/g, 25.79N m/g, 10.03 mN.m2/g, 11.22 mN.m2/g, 2012 (n), 1075 (n), 4.65 kPa.m2/g και 12.61 kN.m/g αντίστοιχα, για kraftliners, 22.85 Nm/g, 38.25Nm/g, 21.18 Nm/g, 5.47 mN.m2/g, 6.95 mN.m2/g, 125 (n), 29 (n), 2.04 kPa.m2/g και 8.43 kN.m/g αντίστοιχα για testliners, 59.38N m/g, 31.85N m/g, 57.93 Nm/g, 30.97 Nm/g, 4.36 mN.m2/g, 6.57 mN.m2/g, 31 (n), 11(n), 3.31 kPa.m2/g, 14.59 kN.m/g αντίστοιχα, για semi-chemical flutes και 61.67 Nm/g, 21.40 Nm/g, 38.51 Nm/g, 20.61 Nm/g, 5.81 mN.m2/g, 7.41 mN.m2/g, 109(n), 13(n), 1.92 kPa.m2/g and 8.41 kN.m/g, αντίστοιχα για flutes από ανακυκλωμένες ίνες.Οι αναλύσεις συσχέτισης (Regression analyses) για τους πολτούς kraftliners, testliners και semi-chemical flutes έδειξε ότι η μορφολογία των κυττάρων, δηλαδή το μήκος των ινών, το βάρος/μήκος (coarseness), το πλάτος των κυττάρων, το πάχος των κυτταρικών τοιχωμάτων και οι εγκάρσιες διαστάσεις των κυττάρων συσχετίζονται θετικά