Mikrofibrilloidun selluloosan tuotantokonseptin toimivuuden osoitus

Some of the major challenges of our time drive the use of renewable and biodegradable products, like cellulose. When cellulose is disintegrated into its elemental constituents, microfibrils, unique properties arise. Microfibrillated cellulose, with its high surface area and huge bonding capacity, can enhance the strength of many products from paper to thermoplastics. The purpose of this thesis is to prove that a continuous, commercial production of microfibrillated cellulose for papermaking applications by refining is feasible. Main experiments were carried out with ProLabTM laboratory refiner using bleached hardwood kraft pulp. Produced microfibrillated cellulose was characterized as itself and as a fraction in laboratory sheets. The literature review covers fundamentals of cellulose fibres, effects of processing on the fibres with focus on refining, and current and potential applications for microfibrillated cellulose with the focus on papermaking. According to literature and backed up by the experiments, it can be concluded that a feasible production of MFC by refining alone is possible. Furthermore, it is the most reasonable mechanical production method in terms of cost and scalability. No chemical or enzymatic pre-treatment seems necessary. Produced MFC enhanced the strength of chemical and mechanical pulp. It was found that refining far beyond specific energy consumption of 500 kWh/t might not be practical, as refining efficiency and process configuration cause challenges beyond that point. At 500 kWh/t, the product is highly heterogeneous, but it should not be a problem in the target applications. It was also found that automated optical fibre analysers can provide enough information for a controlled, continuous production of MFC.Monet aikamme suurimmista globaaleista haasteista ohjaavat uusiutuvien ja biohajoavien tuotteiden, kuten selluloosan, käyttöön. Selluloosasta saadaan esiin ainutlaatuisia ominaisuuksia hajotettaessa se pienimpiin rakenneosiinsa, mikrofibrilleihin. Näitä ominaisuuksia ovat muun muassa suuri ominaispinta-ala ja valtaisa kemiallinen sitoutumiskapasiteetti, jotka voivat lisätä lujuutta monissa tuotteissa paperista muoveihin. Tämän työn tavoitteena on osoittaa mikrofibrilloidun selluloosan jatkuvatoimisen tuotantomenetelmän toimivuus paperiteollisuuden parissa. Kokeellinen osuus suoritettiin pääasiallisesti ProLabTM-laboratoriojauhimella käyttäen valkaistua kemiallista koivumassaa. Tuotetun mikrofibrilloidun selluloosan luonnehdintaan käytettiin optisia ja fysikaalisia karakterisointimenetelmiä sekä mekaanisia kokeita laboratorioarkeille. Kirjallinen osuus kattaa selluloosan perusteet mikro- ja nanomittakaavassa, jauhatuksen ja muun prosessoinnin vaikutukset selluloosaan sekä nykyiset ja potentiaaliset sovellukset mikrofibrilloidulle selluloosalle erityisesti paperiteollisuudessa. Kirjallisuuden ja kokeellisen osuuden perusteella jauhatus osoittautui kannattavaksi ja käytännölliseksi tavaksi tuottaa mikrofibrilloitua selluloosaa. Lisäksi jauhatus vaikuttaa selvästi käytännöllisimmältä mekaaniselta tuotantomenetelmältä teollisessa mittakaavassa. Tuotettu mikrofibrilloitu selluloosa lisäsi sekä kemiallisen että mekaanisen massan lujuutta. Kokeellinen osuus antoi vahvoja viitteitä siihen, ettei jauhatusta kannata jatkaa kovin paljoa yli 500 kWh/t spesifisen energiankulutuksen, vaikka tuote tässä vaiheessa onkin hyvin heterogeenistä. Jauhatus yli tämän arvon alentaa huomattavasti energiatehokkuutta sekä monimutkaistaa tarvittavaa tuotantolaitteistoa. Lisäksi havaittiin, että automaattiset optiset kuituanalysaattorit ovat tarpeeksi hyviä luonnehtimaan mikrofibrilloitua selluloosaa kontrolloidun, jatkuvatoimisen tuotannon mahdollistamiseksi