Paperin ja kartongin lämmön- ja kosteudensiirtoilmiöiden karakterisointi

Työn tarkoituksena oli karakterisoida kuumapuristuksessa, kuten kalanteroinnissa, paperiin ja kartonkiin syntyviä lämmön- ja kosteudensiirtoilmiöitä, sekä kehittää tähän tarkoitukseen soveltuvia mittausmenetelmiä. Työssä määritettiin eri paperi- ja kartonkilajien lämmönjohtavuudet, kontaktin lämmönsiirtokertoimet sekä paperin ja kartongin rakenteeseen kehittyvät lämpö- ja kosteusjakaumat kuumapuristuskontaktissa. Lämmön- ja kosteudensiirtoilmiöiden tutkiminen toteutettiin puristamalla tutkittavia materiaaleja materiaalin testauslaitteella (MTS 810) lämmitettyjen metallipainimien välissä eri puristuspaineissa. Näytemateriaalit olivat tehdaspapereita, jotka koostuivat pääasiassa joko kemiallisesta tai mekaanisesta massasta ja sisälsivät eri määriä täyteainetta. Lämmönjohtavuuden ja kontaktin lämmönsiirtokertoimen määrittämiseksi eri korkuisia näytearkkipinoja puristettiin kuumennetun ja viileän kuparilevyn välissä. Näytemateriaalien lämmönsiirto-ominaisuudet määritettiin mittaamalla ja mallintamalla kuparilevyjen välistä lämmönsiirtoa. SC-, News- ja WFU-paperin sekä SBS-kartongin lämmönsiirtoparametrit riippuivat puristuspaineesta. Lämmönjohtavuus kasvoi kuitumateriaalin tihentymisen vaikutuksesta. Tutkittavan materiaalin koostumuksella todettiin myös olevan vaikutusta lämmönjohtavuuteen. Kuormituspaineen positiivinen vaikutus lämmönsiirtokertoimeen johtui paineen kasvun seurauksena pienenevästä paperin karheudesta ja kasvavasta kontaktialasta. SC-paperin ja SBS-kartongin rakenteeseen kehittyvien lämpöjakaumien määritys tapahtui arkkipinoon sijoitettujen termopariantureiden avulla. Kuormituspaineen kasvun todettiin nopeuttavan lämpöjakaumien kehittymistä. SC-paperiin ja SBS-kartonkiin kehittyvät kosteusjakaumat määritettiin kuumapuristamalla arkkipinoja ja määrittämällä arkkikohtaiset kosteudet MM55E-laitteella välittömästi puristuksen jälkeen. Kosteusjakaumien kehittyminen puristusajan suhteen selvitettiin eri puristuslämpötiloja ja puristuspaineita käyttäen. SC-arkkipinossa kuormituspaineen lisäys vähensi syntyvän kosteusgradientin suuruutta. SBS-kartongin tapauksessa paineen vaikutus syntyvään kosteusjakaumaan ei ollut merkittävä, mutta puristuslämpötilalla oli selvä vaikutus kehittyvään kosteusgradienttiin. Tehdyt kokeet osoittavat, että työssä käytetyt menetelmät lämmön- ja kosteudensiirtoilmiöiden tutkimiseksi ovat käyttökelpoisia ja saadut tulokset yhdenmukaisia kirjallisuuden kanssa. Kosteusjakaumien osalta tulokset olivat kokonaan uusia. Tässä työssä esitettyjä menetelmiä voidaan hyödyntää tulevaisuudessa tehtävässä jatkotutkimuksessa, kuten simulointimallien verifioinnissa