okl 10 - Przegląd papierniczy
Transkrypt
okl 10 - Przegląd papierniczy
PRACE NAUKOWO - BADAWCZE Czwarta część cyklu artykułów dotyczących penetracji wody w papier opisuje możliwości użycia aparatów PDA i WSD do optymalizacji stopnia zaklejenia papieru gazetowego. Słowa kluczowe: wnikanie wody, PDA, WSD, zaklejenie w masie, warunki wytwarzania papieru, analiza czynnikowa, optymalizacja Part 4 illustrates contribution of PDA and WSD to optimization of internal sizing in newsprint. Keywords: water penetration, PDA, WSD, internal sizing, paper making conditions, multivariate correlations, optimization Porównawcza ocena testów penetracji wody w papier Część 4. Użyteczność testów PDA i WSD w optymalizacji stopnia zaklejenia w masie papieru gazetowego Critical Review of Water Penetration Tests Part 4. Contribution of PDA and WSD to optimization of internal sizing in newsprint JERZY W. SKOWROŃSKI Introduction Paper enters a printing press as a raw material and exits as physically finished printed matter and a carrier of information. Optical and physical appearance depends on the depth of printing liquids penetration (especially water) and wet expansion due to wetting (miss register). Internal sizing is a method of reducing the rate of liquid penetration into the paper fibrous structure by treating stock with hydrophobic substances which make the dried sheet water-repellent. Consequently, papermaker curries out size testing for three reasons: to meet customer specification, to control paper machine speed and to control chemical’s cost. To perform this test properly, he needs a suitable testing tools. This is especially true in the case of development of new sizing chemical and optimization of wet end process. The objective is to illustrate the contribution of PDA and WSD testing capabilities to optimization of internal sizing of newsprint. Background Papermaking fibers have a strong natural tendency to interact with water. This property is important to the development of strong interfiber bonds during papermaking and is also the reason that paper expands and loses its strength when penetrated by water (1). Liquid penetration into paper fibrous structure can take place either: - as liquid penetration into capillary system of the sheet, - as surface diffusion on the fibers, - as diffusion through the fibers, - as vaporous phase transport (2). Dr hab. inż. J.W. Skowroński, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 219, 90-924 Łódź, [email protected] Wprowadzenie Papier jest wprowadzany do drukarki jako nieprzetworzony materiał a wychodzi z niej jako zadrukowany produkt oraz nośnik informacji. Optyczne i fizyczne właściwości zadrukowanego papieru zależą od głębokości wniknięcia farb drukarskich oraz wydłużenia papieru po nawilżeniu wodą (miss register – utrata pasowania kolorów). Zaklejenie w masie jest metodą ograniczenia wnikania wody do papieru przez traktowanie masy włóknistej hydrofobowymi substancjami, które tworzą na włóknach ośrodki odpychające wodę i regulujące tym samym chłonność papieru. W związku z tym, papiernicy oznaczają stopień zaklejenia papieru z trzech powodów: wymagań zamawiającego papier, kontrolowania prędkości maszyny papierniczej oraz kosztu używanych chemikaliów. Aby oznaczenie to wypadło prawidłowo, trzeba używać stosownych testów. Jest to szczególnie ważne w przypadku wprowadzania nowych środków zaklejających oraz optymalizacji chemizacji papieru. Celem tej części artykułu jest przedstawienie użyteczności aparatów PDA i WSD w optymalizacji stopnia zaklejenia papieru gazetowego. Informacje podstawowe Włókna papiernicze mają bardzo silną naturalną tendencję do oddziaływania z wodą. Ta właściwość jest bardzo ważna z punktu widzenia tworzenia wiązań między włóknami w papierze. Jest także przyczyną wydłużania papieru i utraty wytrzymałości po wniknięciu do niego wody (1). Wnikanie cieczy w papier może następować jako: - wnikanie wody w system porów w papierze, - dyfuzja poprzez powierzchnie włókien, - dyfuzja wewnątrz włókien, - przemieszczanie się fazy gazowej (2). PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010 583 PRACE NAUKOWO - BADAWCZE Dominacja któregoś z tych sposobów zależy m.in. od: właściwości wnikającej cieczy, struktury włóknistej papieru, ciśnienia wywartego na ciecz, czasu kontaktu cieczy z papierem oraz hydrofobowych właściwości włókien (2, 3). Wnikanie cieczy w papier jest dynamiczne i powinno być rozważone jako takie (2, 4). Zmiany zachodzące wewnątrz papieru podczas wnikania cieczy w papier są bardzo ważne (2, 4). Woda wnikając zrywa wiązania między włóknami. To pozwala na relaksacje naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie wymiarów papieru. Absorpcja wody w włókna powoduje ich pęcznienie i zmianę kształtu, co prowadzi do dalszego rozszerzenie się papieru. Zachodzące zmiany wpływają na proces drukowania oraz na właściwości końcowe zadrukowanego papieru, jak gęstość nadruku, przebicie druku oraz miss register (5). Dlatego ważne jest, aby wybrać testy, które określą dynamikę wnikania zarówno w pory papieru, jak również do wewnątrz włókien (6), aby prawidłowo zrozumieć efekty zaklejania wewnętrznego papieru. Zweryfikowano eksperymentalnie (7), że dynamiczny oraz złożony proces wnikania wody w papier powinien być mierzony aparatami PDA oraz WSD. Zdecydowanie nie może być mierzony statycznym HST. Rys. 1. Wskaźniki opisujące dynamikę wnikania cieczy w papier wyznaczane aparatem PDA Fig. 1. Parameters describing the dynamics of liquid penetration into paper obtained on PDA Metodyka badań Badane próbki papieru Do badań pobrano 5 próbek papieru gazetowego podczas próbnej przemysłowej optymalizacji jego zaklejania w masie środkiem jednej z firm chemicznych. Wielkość dodatku środka wynosiła: 0; 0,5; 1; 3 i 4 funty/tonę. Testy Badane próbki papieru były testowane w aparacie PDA w celu określenia dynamiki wnikania wody w pory papieru (rys. 1) oraz w aparacie WSD w celu wyznaczenia dynamiki wydłużenia papieru po namoczeniu (rys. 2), zgodnie z metodyką opisaną w części 2 i 3 (6, 7). Wyniki pomiarów oraz dyskusja wyników Rys. 2. Interpretacja wyników otrzymanych w aparacie WSD Fig. 2. Interpretation of results obtained on WSD Krzywe dynamiki wnikania wody w pory papieru (PDA) dla papierów z różnymi dodatkami kleju przedstawiono na rysunku 3. Zwilżanie wodą porów na powierzchni papieru było tak szybkie, że krzywe wnikania nie posiadają początkowej wzrastającej części wyznaczającej wartości “L” i “tB”. Jednakże można było wyznaczyć wskaźnik “A” (wnikanie wody w pory papieru) przy różnych czasach kontaktu między wodą i papierem “tP”. W tym opracowaniu zbadano następujące czasy “tP”: 0,1; 0,2; 0,3 oraz 0,5 sekundy (tabela 1). Zwiększenie dodatku kleju zmniejszyło prędkość wnikania wody w pory papieru. Wpływ dodatku kleju na dynamikę wydłużenia na mokro (WSD) przedstawiono na rysunku 4. Podobnie zmierzono wydłużenie na mokro przy różnych czasach “tP”. Wyniki zestawiono w tabeli 1. Zwiększenie dodatku kleju zmniejszyło prędkość wydłużania się papieru po namoczeniu. Rysunek 5 ilustruje zależność między wnikaniem wody w pory papieru i wydłużeniem na mokro. Każda krzywa przedstawia oba 584 Which of these processes dominates depends among other things on the properties of the liquid, on the fiber network structure, on the prevailing pressure situation, on the time available and on the hydrophobic properties of fibers (2, 3). Liquid penetration is dynamic and must be treated as such (2, 4). The changes occurred in the fiber network during transport process are extremely important (2, 4). The presence of water breaks some of hydrogen bonds in the paper. This permits a relaxation of the fibers and an expansion of the fiber network. Water absorption into the fibers causes swelling and a change in their dimensions and shape, which leads to even more extensive changes in fiber network structure. Occurred changes impact paper product printing process as well as final product quality like low ink density, strike through or miss register (5). Therefore, it is critical to select the testing tools which can distinguish between paper pore penetration and intrafiber penetration (swelling) (6) PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010 PRACE NAUKOWO - BADAWCZE to better understand the effects of paper sizing. It was reported that dynamic and complex process of water penetration can not be controlled by HST, but it can be properly defined by testing paper on PDA and WSD (7). Experimental Material Five samples of tested papers were collected during trial of one of chemical suppliers in the newsprint mill with the intention to optimize the size dosage. The tested range of size dosage was 0; 0.5; 1.0; 3.0 and 4.0 pounds/ton. Testing Investigated samples were tested on PDA for dynamics of water penetration into paper pores (Fig. 1) and on WSD for wet stretch which reflects dynamics of water penetration into fibers (Fig. 2) as published in part 2 and 3 of a series (6, 7). Rys. 3. Krzywe wnikania z aparatu PDA dla papieru gazetowego o różnym stopniu zaklejenia Fig. 3. PDA penetration curves for newsprint with different sizing level Tabela 1. Wyniki PDA dla papieru gazetowego o różnym stopniu zaklejenia Table 1. PDA results for newsprint with different level of sizing Dozowanie Dosage T Results and discussion PDA penetration curves at different level of size dosage are presented on Fig. 3. The tested newsprint sample wet so fast that penetration curves do not have the initial raising part of the curves defining parameters “L” and “tB”. However, in such case, it is possible to measure parameter “A” (paper pore penetration) at different contact time between water and paper “tP”. In this study “tP” of interest were 0.1; 0.2; 0.3 and 0.5 sec (Table 1). Increase in size dosage slowed down the penetration of water into paper pores. Impact of increase of size dosage on water penetration into fibers and resulted wet expansion of paper is shown on Fig. 4. Wet stretch curve allowed identifying the wet stretch at specific time. For calculation reason the specific time was selected as: 0.1; 0.2; 0.3 and 0.5 sec (Table 1). Again, the increase of size dosage slowed down the wet stretch rate. Figure 5 illustrates the relationship between penetration of water into paper pores and wet stretch. Each curve represents both measurements at different contact time with changes in sizing dosage. Each curve has a different slope suggesting that dynamics of pore penetration and wet stretch are changing with time. Base on figures 3, 4 and 5 it is difficult to recommend the 0 0.5 1 3 4 0 0.5 1 3 4 0 0.5 1 3 4 0 0.5 1 3 4 Czas kontaktu Contact time s 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 Wnikanie w pory Pore penetration % 26 23 21 10 7 60 54 49 27 17 78 76 73 43 30 86 85 84 66 48 Wydłużenie na mokro (pęcznienie) Wet Stretch (swelling) % 0.25 0.15 0.1 0 0 1 0.8 0.78 0.3 0.15 1.65 1.55 1.5 0.95 0.3 2.7 2.55 2.49 2.2 1.42 Rys. 5. Zależność między wnikaniem w pory papieru a wnikaniem we włókna Fig. 5. Relationship between penetration into paper pores and inside the fibers Rys. 4. Krzywe wydłużenie na mokro (WSD) dla papieru gazetowego o różnym stopniu zaklejenia Fig. 4. WSD wet expansion curves for newsprint with different sizing level pomiary przy innym czasie pomiaru przy zmieniającej się dawce kleju. Każda z krzywych ma inne nachylenie, co sugeruje, że dynamika wnikania w pory papieru oraz wydłużenie na mokro (wet stretch) zmieniają się w miarę upływu czasu wnikania. Opierając się na rysunkach 3, 4 i 5 nie można określić optymalnej dawki PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010 585 PRACE NAUKOWO - BADAWCZE kleju. Aby podjąć prawidłową decyzję rozważono użycie modelu wnikania wody w papier gazetowy. Rozważenie modelu wnikania wody Wstępny model wnikania wody został zidentyfikowany przy użyciu programu do analizy wieloczynnikowej SIMCA P+ firmy Umetrics (8), w oparciu o dane zawarte w tabeli 1. Wielkościami wejściowymi modelu były czynniki charakteryzujące zachowanie się papieru po kontakcie z wodą: - czas kontaktu między papierem i wodą, “tP”, - wnikanie wody w pory papieru, “A”, - wydłużenie na mokro, WSD. Wielkością wyjściową modelu była dawka kleju zastosowana podczas próby przemysłowej. Model zbudowany w ten sposób pozwala na wyliczenie odpowiedniej dawki kleju dla wymaganych: czasu kontaktu między papierem a wodą, wody wnikniętej w pory papieru oraz określonego wydłużenia na mokro. Użycie do modelowania wszystkich danych z tabeli 1 dało model, w którym “tP” jest najważniejszym czynnikiem (rys. 6). Rys. 8. Wykres prawdopodobieństwa przewidywania we wstępnym modelu Fig. 8. Normal probability plot of initially defined model optimal dosage of size. To clarify that matter the water penetration model was considered. Approach to Water Penetration Model Obserwacje (N) = 20, Zmienne (K) = 4 No. ModelTyp A R2X R2Y Q2(cum) Data 1 M1 PLS 2 0,992 0,791 0,753 8/5/2010 Observations (N) = 20, Variables (K) = 4 No. ModelType A R2X R2Y Q2(cum) Date 1 M1 PLS 2 0.992 0.791 0.753 8/5/2010 Tytuł Model wstępny Title Initial Model Rys. 6. Istotne zmienne wstępnie opracowanego modelu wnikania wody Fig. 6. Critical variable of initially defined Water Penetration Model Initial water penetration model was built using multivariate analysis software, SIMCA P of Umetrics (8) on data from mill trial presented in Table 1 which shows that trial was performed with different size dosage. The inputs to the model were characteristics defining paper behavior after contact with water: - contact time between water and paper “tP”, - penetration into paper pores (as “A” of PDA testing), - wet stretch, “WSD” (due to penetration into fiber micro pores). The output of the model was applied dosage of size in the mill trial. Model was built in a way that can be used to define the equation predicting the required size dosage for: a) specified contact time between water and paper, b) amount of water applied on paper and c) specified wet stretch. Consideration of all data from Table 1 resulted into model with contact time “tP” as critical variable (Fig. 6). However, the predictability of that model was poor (Fig. 7). Figures 3 suggests that dynamics of penetration are changing about 0.2 seconds and after that time pore penetration as well as wet stretch are changing. This is confirmed by contact time being a critical variable (Fig.6). Also, all considered results form two distinctive sets of data in the initial model (Fig. 7) as well as on Fig 8 (normal probability plot). Two models predicting required dosage for sizing Rys. 7. Zależność między zastosowaną a przewidywaną dawką kleju Fig. 7. Relationship between applied and predicted dosage of size 586 Based on observation from Fig.7 and 8, two distinctive models for short and longer contact times have being built with a similar strategy as the input and output in initial model. Short time model was build for range of 0.1 to 0.2 sec and longer contact time model was built for range of times of 0.2 to 0.5 sec. Predictability of models for two different ranges of time was much better. PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010 PRACE NAUKOWO - BADAWCZE Obserwacje (N) = 10, Zmienne (K) = 4 No. ModelTyp A R2X R2Y Q2(cum) Data 1 M1 PLS 2 0,999 0,991 0,971 8/5/2010 Observations (N) = 10, Variables (K) = 4 No. ModelType A R2X R2Y Q2 (cum) Date 1 M1 PLS 2 0.999 0.991 0.971 8/5/2010 Tytuł Czas od 0,1 do 0,2 s Title 0.1 to 0.2 sec time Rys. 9. Zależność między zastosowaną a przewidywaną dawką kleju Fig. 9. Relationship between applied and predicted dosage of size Rys. 10. Istotne zmienne modelu wnikania wody przy krótkim czasie kontaktu Fig. 10. Critical variable of short contact time Water Penetration Model Model for 0.1 to 0.2 seconds Model developed for short contact times (0.1 to 0.2 sec) have very high coefficients of correlation and its predictivity is high (Fig. 9). Most critical variable is contact time (Fig. 10). Model for 0.2 to 0.5 seconds Model developed for longer contact times (0.2 to 0.5 sec) have very high coefficients of correlation and predictivity is high (Fig. 11). But at longer time, the most critical variable is paper pore penetration (not contact time like in short time model) and a second critical variable is the stretch (Fig.12). Predictive equations Two improved Water Penetration Models delivered two different predictive equations: 1. “Model A” for short time penetration (0.1 to 0.2 second): Size dosage = (-0.925963) + (30.5889 * contact time) – (0.0563082 * penetrated volume) – (1.91517 * WSD), Obserwacje (N) = 15, Zmienne (K) = 4 No. ModelTyp A R2X R2Y Q2(cum) Data Tytuł 1 M1 PLS 2 0,995 0,93 0,913 8/8/2010 Model 0,2–0,5 s Observations (N) = 15, Variables (K) = 4 No. ModelType A R2X R2Y Q2(cum) Date Title 1 M1 PLS 2 0.995 0.93 0.913 8/8/2010 0.2 to 0.5 sec model Rys. 11. Zależność między zastosowaną a przewidywaną dawką kleju Fig. 11. Relationship between applied and predicted dosage of size Rys. 12. Istotne zmienne modelu wnikania wody przy dłuższym czasie kontaktu Fig. 12. Critical variable of longer contact time Water Penetration Model Przewidywalność tego modelu jest jednak bardzo mała (rys. 7). Rysunek 3 sugeruje, że dynamika penetracji wody w pory papieru zmienia się w ciągu ok. 0,2 s. Zmienia się także relacja penetracji w pory papieru do wydłużenia na mokro (rys. 4). Tę obserwację potwierdza fakt, że czas kontaktu “tP” jest najważniejszą zmienną we wstępnym modelu (rys. 6). Konsekwencją tego jest, że modelowane dane tworzą dwie oddzielne grupy na rysunkach 7 i 8 (prawdopodobieństwo przewidywania we wstępnym modelu). Dwa modele przewidujące prawidłową dawkę kleju W związku z powyższymi rozważaniami, zidentyfikowano dwa oddzielne modele – dla krótkiego oraz dla dłuższego czasu wnikania – przyjmując tę samą strategię na wejściu i wyjściu modelu, jak w modelu wstępnym. Model dla krótkiego czasu wnikania pokrył zakres 0,1–0,2 s, a model dłuższego czasu wnikania 0,2–0,5 s. Przewidywalność obu modeli była dużo lepsza niż modelu wstępnego. PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010 587 PRACE NAUKOWO - BADAWCZE Model dla 0,1–0,2 s Model zbudowany dla krótkich czasów kontaktu (0,1–0,2 s) ma bardzo wysokie współczynniki korelacji oraz wysoką zdolność przewidywania dawki kleju (rys. 9). Najważniejszą zmienną jest czas kontaktu “tP” (rys. 10). Model dla czasu 0,2–0,5 s Model zidentyfikowany dla dłuższych czasów kontaktu (0,2–0,5 s) ma także bardzo wysokie współczynniki korelacji oraz wysoką zdolność przewidywania dawki kleju (rys. 11). Jednakże, najważniejszą zmienną w tym modelu jest penetracja w pory papieru “A”, a drugą z kolei – wydłużenie na mokro (rys. 12). Równania predykcji Dwa ulepszone modele wnikania wody w papieru gazetowy dały dwa różne równania predykcji: 1. „Model A” dla krótkich czasów kontaktu (0,1–0,2 s) Dawka kleju = (-0,925963) + (30,5889 * czas kontaktu) – (0,0563082 * objętość wniknięta) – (1,91517 * WSD), 2. „Model B” dla dłuższych czasów kontaktu (0,2–0,5 s) Dawka kleju = (3,19721) + (10,2591 * czas kontaktu) – (0,0719047 * objętość wniknięta) – (0,529255 * WSD). Przykład przewidywalności modelu dla dłuższego czasu kontaktu Dwa przedstawione modele zostały zidentyfikowane z ograniczonej liczby informacji, dlatego też mogą być użyte tylko w sytuacji opisanej próby przemysłowej. Uogólniony model wymaga włączenia do niego więcej danych o procesie produkcyjnym. Zdolność przewidywania potrzebnej dawki kleju przez “Model B” jest przedstawiona w tabeli 2 dla czterech stateczności wymiarowej papieru na mokro (wet stretch), przyjmując że: - czas między kontaktem papieru z wodą i farbą w pierwszej sekcji drukującej a kontaktem papieru z farbą drugiej sekcji wynosi 0,25 s, - objętość nałożonej wody wynosi 60 (w jednostkach PDA). Tabela 2 przedstawia dawki kleju potrzebne w przypadku czterech poziomów stateczności wymiarowej na mokro (0,3; 0,5; 1 oraz 1,5%). Równanie predykcji wpisane do kolumny “dawka” w tabeli, obliczonej arkuszem kalkulacyjnym Excel dostarcza wynik modelowania. Tabela pozwala zmienić także parametry “tP”, “A” i/lub “WSA” jako jedną zmianą lub też wszystkie jednocześnie, aby otrzymać wynik w określonych warunkach próby przemysłowej. Podsumowanie Aparaty PDA i WSD mierzą ważne wskaźniki charakteryzujące dynamikę zachowania się wody na papierze oraz papieru po kontakcie z wodą. Kombinacja informacji otrzymanych w tych dwóch aparatach daje podstawę do zidentyfikowania modelu, który może być użyty do optymalizacji dawki kleju podczas próby przemysłowej. 588 2. “Model B” for longer penetration times (0.2 to 0.5 second): Size dosage = (3.19721) + (10.2591 * contact time) – (0.0719047 * penetrated volume) – (0.529255 * WSD). Example of predictivity of longer penetration time model Two presented above models have been build with limited data. Therefore, they can be used to specific situation of performed trial. General model will need to include more detail information (data) on papermaking process. Predicting capability of “Model B” is illustrated in Tab.2. If paper passage time from first printing press nip to second printing station nip is 0.25 second and amount of applied water is 60 (in PDA units) than required size dosage will depend on required wet stability of printing paper. Table 2 shows predicted size dosage for four different wet expansions (0.3; 0.5; 1.0 and 1.5). Predictive equation written into “Dosage” column of Excel sheet delivered the results. Tabela 2. Przewidywana dawka kleju dla różnych wydłużeń na mokro Table 2. Prediction of size dosage for different wet stretch requirements Czas wnikania Contact time S Obj. wniknięta Penetration Wydłuż. na mokro Wet stretch PDA unit % Doza kleju Dosage pound/t 0.25 60 1.5 0.65 0.25 60 1 0.92 0.25 60 0.5 1.18 0.25 60 0.3 1.29 Summary PDA and WSD measure the critical parameters characterizing the dynamic behavior of paper after contact with water. The combination of both of them can form the base to build the model for paper mill’s sizing trial using multivariate analysis software and optimize the dosage of sizing. LITERATURA/LITERATURE 1. Scott W. E.: “Principle of Wet End Chemistry”, Tappi Press, Atlanta, GA, s. 85 (1998). 2. Eklund D., Lindstrom T.: “Water penetration and internal sizing” in “Paper Chemistry”, Grankulla, Finland, s. 192 (1991). 3. Neimo L.: “Internal sizing in paper” in “Papermaking Chemistry”, Tappi Press, Helsinki, Finland, s. 151 (1999). 4. Skowronski J.W.: “A Clarification of the Complexity of Ink – Paper Interactions in Inkjet Printing and their Impact on Printed Paper Properties”, Praca Habilitacyjna, Politechnika Łódzka, Łódź 2009. 5. Miyanishi T.: “Wet end optimization for a neutral PCC filled newsprint machine”, Tappi 82, 1, 220 (1999). 6. Skowronski J.W.: “Critical review of water penetration tests. Part 2. Novel methodology for testing liquid penetration into paper”, Przegl. Papiern. 66, 7, 271 (2010). 7. Skowronski J.W.: “Critical review of water penetration tests. Part 3. Impact of papermaking variables on penetration of water based ink and Optical Ink Density”, Przegl. Papiern. 66, 8, 531 (2010). 8. SIMCA – P+, multivariate analysis software of Umetrics, www.Umetrisc. com PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 66 · PAŹDZIERNIK 2010