High dimensional stability papers

Abstract

O papel é um material dimensionalmente ativo, sofrendo deformações no plano e/ou fora do plano com a ocorrência de variações da temperatura e/ou da humidade relativa. A ondulação do papel, ou curl, é a deformação fora do plano mais comum, sendo uma propriedade crítica para a qualidade (CPQ), uma vez que pode impactar significativamente a produtividade de operações de impressão. Apesar dos mecanismos responsáveis por estes fenómenos serem razoavelmente bem conhecidos, ainda existem desafios e questões em aberto sobre como operacionalizar esse conhecimento na prática e sobre como caraterizar os principais fatores responsáveis pelo seu desenvolvimento. Por outras palavras, é necessário trabalho de investigação adicional para integrar o conhecimento teórico e experimental relativo a estes fenómenos dimensionais em protocolos, tecnologias e métodos que sejam eficientes e fáceis de implementar, e que assegurem valor acrescentado para as empresas. Deste modo, desenvolveu-se uma abordagem integrada para apoiar a indústria papeleira na produção de papéis de impressão e escrita com elevada estabilidade dimensional. Dedicou-se um foco especial à variação da orientação de fibras (OF) nas duas faces do papel, o principal fator estrutural responsável pelo desenvolvimento de curl. As principais linhas de investigação realizadas no âmbito desta tese são descritas brevemente nos próximos parágrafos. Desenvolveu-se e validou-se uma metodologia para inferir as propriedades elásticas e dimensionais do papel, consistindo na integração de resultados isotrópicos com relações teóricas baseadas em energia. A metodologia requer a realização de trabalho experimental reduzido, permitindo ao produtor de papel correlacionar análises laboratoriais com o desempenho na fábrica, para atuar proactivamente no processo de produção para evitar potenciais problemas de qualidade. Desenvolveu-se e implementou-se com sucesso uma metodologia baseada em análise de imagem para estimar a OF no plano na superfície do papel. Esta metodologia é portátil e económica, fornecendo resultados exatos e consistentes, e apresentando potencial para aplicação na indústria, nomeadamente para medição em linha da OF. Desenvolveu-se e validou-se uma metodologia baseada na delaminação do papel para caraterizar a OF ao longo da espessura (ou direção ZD) do papel. A metodologia fornece informação sobre a variação da OF entre as duas faces do papel, e faculta conhecimento associado à dinâmica do fluxo na seção de formação da máquina de papel. Esta metodologia pode ser usada para otimização do processo, desenvolvimento de produto, e para atividades de resolução de problemas de curl. O método da placa aquecida dobrada (ou hot bend) para medição de curl foi também testado e desenvolvido. Este teste é rápido e garante a obtenção de resultados precisos. Desenvolveu-se e testou-se um procedimento para diagnosticar as causas de problemas de curl. O procedimento é simples e fácil de implementar, fornecendo resultados confiáveis de modo rápido. O procedimento integra diversos métodos experimentais, incluindo os que foram desenvolvidos neste trabalho para caraterizar a OF do papel (na superfície e na direção ZD) e para medir o potencial para desenvolvimento de curl. A implementação industrial das metodologias/procedimentos desenvolvidos nesta tese deve permitir reduzir o tempo de diagnóstico necessário para encontrar as causas das falhas, e, com a acumulação do conhecimento adquirido pela sua aplicação ao longo do tempo, o número de eventos relacionados com o desenvolvimento de curl também deve diminuir, como consequência da aplicação de ações de mitigação para minimizar a ocorrência e/ou o impacto das causas-raíz identificadas. Com a produção de papéis com maior estabilidade dimensional, espera-se um aumento do nível de satisfação dos clientes, uma vez que a eficiência das operações finais de conversão (ex., impressão) será superior.

Paper is a dimensionally active material, which suffers in-plane and/or out-of-plane deformations with changes of temperature and/or relative humidity. Curl is the most common out-of-plane deformation, and is a critical to quality (CTQ) property, since it can significantly impact the productivity of printing operations. Although its underlying mechanisms are reasonably well understood, there are still open questions and challenges on how they can be operationalized in practice and how the relevant drivers can be characterized. In other words, more research work is required to integrate the experimental and theoretical knowledge concerning these phenomena into value-adding, efficient and actionable protocols, methods and technology. With this in mind, an integrated approach was developed to support the papermakers producing fine papers with improved dimensional stability. A special focus was devoted to the fiber orientation (FO) two-sidedness, the main papermaking structural factor behind the development of curl. The main research lines conducted in this thesis’ research work, are briefly described in the next paragraphs. A framework was devised and validated to infer elastic and dimensional properties of paper, combining isotropic results with theoretical energy-based relationships. The framework requires minimal experimental work, allowing the papermaker to correlate laboratory experiments with plant performance, and proactively act on the production process, to avoid potential quality problems. An image-based methodology was successfully developed and implemented to estimate the in-plane FO at the paper surface. This portable and inexpensive methodology provides accurate and consistent results, presenting good potential for industrial translation, namely for online assessment of FO. A sheet-splitting based methodology to characterize the FO across the thickness (or ZD) of paper was developed and validated, providing the level of FO two-sidedness of paper, and offering insights into the flow dynamics in the forming section of the paper machine. This technique can be used for process optimization, product development, and curl troubleshooting activities. The hot bend curl method was also tested and fine-tuned. This test is fast and leads to precise results. A procedure to diagnose the causes of curl-related problems in the paper industry was developed and tested. The procedure is simple and easy to implement, providing fast and reliable results. It integrates several experimental methodologies, including those that were developed in this work to characterize the FO of paper (both at the paper surface and in the ZD direction) and to assess the curl potential. The implementation by papermakers of the methodologies/procedures developed in this thesis’ work should reduce the diagnosis time to find the root causes of curl, and, with the accumulation of knowledge from its usage over time, the number of curl-related events are also expected to decrease, as a consequence of implementing mitigating actions to minimize the occurrence and/or impact of the identified root-causes. With the production of papers that are more dimensionally stable, the level of satisfaction of customers is also expected to increase, as the efficiency of the final conversion operations (e.g., printing) will be higher.