Kuitujen välinen sitoutuminen ja kuitusegmenttiaktivaatio paperissa – Ilmiöiden ja niiden paperin lujuusominaisuuksiin kohdistuvien vaikutusten tarkastelua

The objective of this thesis work was to examine interfibre bonding and fibre segment activation as basic phenomena: how different papermaking processes affect bonding and activation, and in turn, how bonding and activation relate to the end properties of paper, especially to different mechanical properties. Fibre-to-fibre bonding is very well known and the variables that affect bonding have been widely studied over the years. Activation, however, has not been examined very extensively, so the objective of the experiments carried out in this thesis work was to investigate activation in a comprehensive way. By linking activation with a better known phenomenon, bonding, any findings can be verified in a scientifically reliable manner. Furthermore, the objective was to use common, widely used paper strength tests and analyses, and to study how well these can be used in examining bonding and activation. The findings of the thesis work confirm what has already been established about bonding and bond strength: raw material parameters such as the type of fibre, fibre treatments, pulp properties and process parameters all play a significant role in bonding and bond development. Factors such as internal and external fibrillation, fines, fibre swelling, increased flexibility and strength-increasing polymers contribute strongly to the initial bonding potential of fibres. These benefits seem to be extensively and negatively affected by drying stress. Different polyelectrolytes affected bonding positively, but more importantly, it seems that certain polyelectrolytes and their complexes may have the ability to change the relationship between bonding and activation, and may affect the behaviour of paper during drying. Fibre segment activation is also affected by fibre properties such as internal fibrillation, fibre strength, and the conformability and collapsibility of the fibres. Naturally, activation also requires sufficient bonding and bond strength. However, the drying strategy plays a major role for its development. In most sheets, activation increases linearly with increasing drying stress. In mechanical pulp sheets, the overall extent of activation is rather small, which can be explained by the poor swelling ability and conformability of mechanical pulp fibres, but contrary to what was believed before, fines present in mechanical pulp seem to have a significant effect on the activation of a mechanical pulp fibre network. Based on the results of this work, an explanation of the mechanism in which fines influence activation is put forward.Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli tarkastella sitoutumista ja aktivaatiota paperin perusilmiöinä: kuinka erilaiset paperinvalmistusprosessit vaikuttavat niihin, ja toisaalta kuinka sitoutuminen ja aktivaatio liittyvät paperin loppuominaisuuksiin, erityisesti lujuusominaisuuksiin. Kuitujen välinen sitoutuminen on hyvin tunnettua ja siihen vaikuttavia tekijöitä on tutkittu laajasti. Aktivaatio sen sijaan on vähemmän tunnettu ilmiö, joten väitöskirjatyön kokeiden tarkoituksena oli tutkia sitä mahdollisimman kattavasti. Liittämällä aktivaation paremmin tunnettuun ilmiöön, sitoutumiseen, tuloksia voidaan arvioidan tieteellisesti luotettavalla tavalla. Lisäksi työn tavoitteena oli hyödyntää yleisesti käytössä olevia paperin lujuuden mittausmenetelmiä, ja tarkastella, miten hyvin näitä menetelmiä voi käyttää sitoutumisen ja aktivaation tutkimiseen. Väitöskirjatyön tulokset vahvistavat aiemmin esitettyjä tutkimuksia sitoutumisesta ja sidoslujuudesta: raaka-aineen ominaisuudet, kuitujen käsittelyt, paperinvalmistusmassan ominaisuudet sekä prosessimuuttujat ovat kaikki huomattavia tekijöitä sitoutumisessa ja sen kehittymisessä. Sisäinen ja ulkoinen fibrillaatio, hienoaine, kuitujen turpoaminen, kuitujen taipuisuus ja lujuutta lisäävien polymeerien adsorbointi vaikuttavat positiivisesti kuitujen sitoutumispotentiaaliin kun taas kuivatusjännityksen vaikutus on merkittävissä määrin negatiivinen. Erilaiset polyelektrolyyttien adsorbointi kuitujen pinnalle vaikutti sitoutumiseen positiivisesti, ja ennen kaikkea tietyt polyelektrolyytit näyttävät muuttavan sitoutumisen ja aktivaation suhdetta sekä paperin kuivatuskäyttäytymistä. Myös kuitusegmenttiaktivaatio riippuu kuitujen ominaisuuksista (sisäinen fibrillaatio, kuitujen lujuus, mukautuvuus sekä luhistumispotentiaali). Luonnollisesti aktivaation kehittyminen vaatii kuituverkostolta myös riittävää sitoutumista ja sidoslujuutta. Eniten aktivaatioon näyttäisi kuitenkin vaikuttavan kuivatus; useimmissa koearkeissa aktivaatio kasvoi lineaarisesti kasvavan kuivatusjännityksen suhteen. Mekaanisesta massasta valmistetuissa arkeissa aktivaatio jää melko vähäiseksi kuitujen heikon turpoamispotentiaalin ja muotoutuvuuden vuoksi, mutta toisin kuin aiemmin on oletettu, mekaanisen massan hienoaineen vaikutus aktivaatioon näyttäisi olevan merkittävä. Väitöskirjatyön tulosten perusteella on esitetty selitys mekaanisen massan hienoaineen aktivaatiota lisäävästä mekanismista.reviewe