Lämmönsiirto paperin päällysteiden läpi

Diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun Paperi- ja painatustekniikan laboratorioon yhteistyössä Omya Development AG, Oftringen, Switzerlandin kanssa. Työssä tarkasteltiin lämmönsiirtoa päällystyksessä käytetyn pigmentti-lateksi systeemin läpi. Lämmön siirtyminen päällysteessä on melko uusi tutkimuskohde, jonka tarkoituksena on parantaa ymmärrystä paitsi päällysteiden termisistä ominaisuuksista, mutta hyödyttää lisäksi jälkikäsittelyä sekä jatkojalostusta. Työssä käytettiin päällysteseoksesta paineastiassa muodostettuja ja kuivattuja makroskooppisia tabletteja, joiden pigmenttinä käytettiin kalsiumkarbonaattia ja sideaineena styreeni-akrylaatti-lateksia. Tablettien lateksipitoisuutta vaihdeltiin 8, 12, 20 sekä 25 pph välillä, joiden lisäksi lämmön siirtymistä tableteissa testattiin ilman sideaineita. Rakenteellisten erojen vaikutuksia tutkittiin käyttämällä flokkuloitunutta päällysteseosta sekä käyttämällä tableteille eri kuivatuslämpötiloja. Yksi tavoite oli arvioida lämmön jakautumista tutkimalla toiselta puolelta lämmitetyn tabletin lämpövastetta. Lämpövasteet käsiteltiin kohinanpoisto ja signaalintasoitusmenetelmillä. Lämmönjakautumisen ja lämpöhäviöiden ratkaisemiseen lämpövasteista käytettiin mukautuvaa iterointia. Mittausmenetelmän tarkkuutta arvioitiin sen toistettavuuden pohjalta sekä vertaamalla menetelmän virheettömyyttä tunnettujen referenssimateriaalien termisiin ominaisuuksiin. Tablettien sisäisiä lämpöjakaumia tutkittiin tablettien sisään upotettujen ohuiden termoparien avulla. Sisäisiä lämpöjakaumia tutkittiin kahdella eri menetelmällä, joita vertailtiin keskenään tarkastelemalla tulosten laatua sekä menetelmän sisältämiä virheitä. Sisäisten lämpöjakaumien tuloksia verrattiin lämmönjohtumisen laskennallisiin tuloksiin, jonka pohjalta tarkasteltiin tablettien isotropiaa. Mittausmenetelmä on riittävän tarkka sideaineiden vaikutusten tarkasteluun. On kuitenkin huomattava, että tablettien kuivatus lämpötilojen sekä kosteuspitoisuuksien suhteen tarkkuus ei kuitenkaan ole riittävä. Mittausmenetelmän tarkkuutta oli vaikea määrittää, koska erottelu liitännän rajapinnan ja materiaalin välillä ei ollut mahdollista. Tästä syystä kaikki arvot ovat näennäisarvoja. Suurimmat lämpötilanjohtavuudet mitatuista lämpövasteista saatiin, kun lateksin osuus päällystetabletissa oli 8 osaa. Tämä tarkoittaa sitä, että tällä osuudella saavutetaan parhaat tulokset tabletin pigmenttien pakkaantumisessa sekä kytkeytyneisyydessä. Mittaustulosten laatu on sama molemmilla sisäisten lämpöjakaumien mittausmenetelmällä ja niiden tulokset ovat verrattavissa lämmönjohtumisyhtälön arvoihin. Tulokset viittaavat tablettien rakenteelliseen anisotropiaan tabletin paksuussuunnassa. Jatkotutkimusten tulisi perustua tarkkuuteen ja virheettömyyteen, jotta tarkasteluun voitaisiin liittää useampia parametreja. Tämä mahdollistaisi tarkastelun laajentamisen myös todellisiin paperipäällysteisiin. Lisäksi jatkotutkimuksissa tulisi tehdä mittaustuloksia tukevia huokoisuus- sekä mikroskooppitutkimuksia