Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Influence of fibre-fibre joint properties on the dimensional stability of paper
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0002-7410-0333
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Fibre and Polymer Technology.ORCID iD: 0000-0001-8622-0386
2008 (English)In: Cellulose (London), ISSN 0969-0239, E-ISSN 1572-882X, Vol. 15, no 4, 515-525 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Measurements have been performed to clarify the connection between fibre-fibre joint properties and dimensional stability using laboratory sheets prepared from never-dried fibres, from heavily hornified fibres having a low molecular contact area between the fibres, and from both hornified and never-dried fibres treated with a polyelectrolyte multilayer (PEM) technique to increase the molecular contact area in the fibre-fibre joint. The influence of the drying mode, i.e. whether the sheets are dried freely or under restraint, was also evaluated. The results showed that neither paper strength nor fibre-fibre joint contact area had any significant influence on the dimensional stability of sheets dried under restraint. On the other hand, when the sheets were dried freely, the PEM-treated sheets expanded to the same extent as, or to an even greater extent than the non-PEM-treated sheets, even though they adsorbed less water for a given change in relative humidity. There was also a correlation between drying shrinkage and dimensional stability, where greater shrinkage was associated with a greater hygroexpansion in the freely dried sheets.

Place, publisher, year, edition, pages
2008. Vol. 15, no 4, 515-525 p.
Keyword [en]
dimensional stability, drying, hornification, hygroexpansion, multilayer, polyelectrolytes, shrinkage, STRENGTH PROPERTIES, CELLULOSIC FIBERS, WOOD FIBERS, SURFACE, HYGROEXPANSIVITY, WATER, PULP
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-12168DOI: 10.1007/s10570-008-9203-yISI: 000256909700002Scopus ID: 2-s2.0-45949110424OAI: oai:DiVA.org:kth-12168DiVA: diva2:305239
Note

QC 20150630

Available from: 2010-03-23 Created: 2010-03-23 Last updated: 2017-12-12Bibliographically approved
In thesis
1. Hygro- and hydroexpansion of paper: Influence of fibre-joint formation and fibre sorptivity
Open this publication in new window or tab >>Hygro- and hydroexpansion of paper: Influence of fibre-joint formation and fibre sorptivity
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Paper is a versatile, cheap and environment-friendly material. Nevertheless, there are several factors limiting its usefulness, and one of the major issues is that cellulosic and ligno-cellulosic fibres spontaneously sorb water. At the same time, the water uptake changes the dimensions of the paper. This phenomenon is usually referred to as a lack of dimensional stability and is often evident as misregister during multicolour printing, or curl, cockle and wavy edges during printing, copying, and storage, or, in a widerperspective, as a shortened lifetime of boxes during storage due to mechano-sorptivecreep.

This thesis aims to improve the understanding of the mechanisms behind the dimensional(in)stability of paper. It looks beyond finding the best starting material and explores what can be done chemically to further improve the dimensional stability. Furthermore, it compares traditional hygroexpansion measurements, where the dimensional change is measured as a function of atmospheric relative humidity, and dimensional changes caused by liquid water, referred to here as hydroexpansion.

The main parameters which have been studied are the ability of the fibres to join together and their ability to sorb water. In other words, how the degree of molecular contact within the fibre joints, as well as how the fibres are dried, affect the dimensional stability of the final paper, and whether it is possible to reduce the sorptivity of the fibres, and thus their ability to expand, by chemically cross-linking the fibre-wall.

It was found that the degree of fibre-fibre contact, modified by drying or adsorption of polyelectrolyte multilayers, had little influence on the hygroexpansion or on the hydroexpansion if the sheets were dried under restraint, whereas freely dried sheets with a reduced degree of contact showed a slightly better dimensional stability, at least during hygroexpansion. What, however, had a positive effect on both hygro- and hydroexpansion was the fibre-wall cross-linking. In this work, cross-linking was achieved by oxidising the cellulose to dialdehydecellulose which can form cross-links with adjacent cellulose molecules, and thus reduce the rate of water diffusion into the fibre and hence the uptake of water. In the case of the most oxidised and cross-linked fibres, the diffusion coefficient was found to be 2–3 times lower than that of the non-oxidisedreference. The effect of the cross-linking was, however, the most prominent the first time the moisture content of the paper was increased since cycled samples no longer show this lower adsorption rate. It is suggested that this is due to the formation of a new pore system when the moisture content is increased, and the slow creation of this pore system reduces the moisture uptake of the sample.

If hygroexpansion is compared with hydroexpansion, it is evident that a given change in moisture content does not correspond to the same absolute expansion, the maximum hydroexpansion being lower by a factor of 2–3 than the hygroexpansion of the same paper. This is probably because the applied liquid water is never equally distributed in the fibre network before it evaporates. Another effect of the more dynamic absorption of liquid water and the subsequent hydroexpansion is that at least in non-restrained samples there is first a rapid initial expansion which is followed 5 to 15 seconds later by a rapid in-plane contraction. It is suggested that this contraction is due to a combination of the release of dried-in strains, drying, and an increase in surface roughness.

Abstract [sv]

Papper är ett mångsidigt, billigt och miljövänlig material. Det finns dock ett antal faktorer som begränsar papperets användbarhet, och en av de mest problematiska är att cellulosa- och lignocellulosafibrer spontant tar upp vatten. Samtidigt som papperet tar upp vatten ändras dess dimensioner. Detta fenomen brukar kallas bristande dimensionsstabilitet och uppträder vanligen i form av registerfel vid flerfärgtryck eller som krökning ut ur planet, buckling eller vågiga kanter vid tryckning, kopiering och lagring eller, med en bredare definition, också som en förkortad livslängd hos lådor på grund av mekanosorptiv krypning.

Den här avhandlingen syftar till att öka förståelsen för mekanismerna bakom pappers dimensions(in)stabilitet och söker förbättringar bortom det bästa utgångsmaterialet genom att kemiskt försöka förbättra godtyckligt startmaterial. Vidare har syftet varit att jämföra resultaten från traditionella hygroexpansionsmätningar, där papperets dimensionsförändring mäts efterhand som fuktinnehållet ändras vid en given förändring i relativ luftfuktighet, med de dimensionsförändringar som uppstår då papperet utsätts för flytande vatten, som i den här avhandlingen benämns hydroexpansion.

De faktorer som huvudsakligen har studerats, är fibrernas förmåga att foga sig samman med varandra i pappersnätverket och deras förmåga att ta upp vatten. Med andra ord, hur påverkas dimensionsstabiliteten av en hög respektive låg grad av fiber-fiberkontakt samt fri respektive inspänd torkning och huruvida det går att minska fibrernas förmåga att ta upp vatten, och således deras förmåga att expandera, genom att kemiskt tvärbinda fiberväggen.

Det konstaterades att graden av fiber-fiberkontakt, förändrad genom torkning eller adsorption av polyelektrolytmultilager, hade ringa inflytande på såväl hygro- som hydroexpansionen om papperet hade torkats inspänt, medan en något ökad dimensionsstabilitet kunde uppnås för fritt torkade ark vid en minskad kontaktgrad. Det som däremot genomgående påverkade båda expansionssätten positivt var fiberväggstvärbindningen, som i det här arbetet åstadkoms genom att oxidera cellulosan till dialdehydcellulosa, vilken i sin tur kan bilda kovalenta bindningar med angränsande cellulosamolekyler. Detta minskade diffusionshastigheten, mätt som en minskning i effektiv diffusionsko efficient, med en faktor 2–3 jämfört med den obehandlade referensen. Det visade sig dock att tvärbindningen hade bäst effekt första gången fukthalten i papperet ökades, då papper som utsatts för fuktcykling inte längre uppvisade samma reducerade adsorptionshastighet. Detta misstänks bero på att det bildas ett nytt porsystem när fuktinne hålleti fibrerna ökar och att det är den långsamma bildningen av detta som är orsaken till det långsamma fuktupptaget. När expansion orsakad en av förändring i relativ luftfuktighet jämfördes med expansion orsakad av flytande vatten, det vill säga vid jämförelse mellan hygro- och hydroexpansion, visade det sig att vid en given förändring i ett givet pappers fuktinnehåll, orsakade flytande vatten en 2–3 gånger lägre expansion. Detta är troligen en effekt av att det pålagda vattnet inte hinner fördelas helt jämnt i fibernätverket innan det börjardunsta. En annan effekt av den snabbare och mer dynamiska absorptionen av flytande vatten är att efter en snabb initial expansion börjar papperet kontrahera efter 5 till 15 sekunder. Detta föreslås bero på en kombination av frigörelse av intorkad töjning, torkning och en ökad ytråhet.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH, 2010. xiii, 68 p.
Series
Trita-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2010:8
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-12171 (URN)978-91-7415-587-7 (ISBN)
Public defence
2010-04-09, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC20100709Available from: 2010-03-23 Created: 2010-03-23 Last updated: 2013-10-29Bibliographically approved
2. Dimensional Stability of Paper: Influence of Fibre-Fibre Joints and Fibre Wall Oxidation
Open this publication in new window or tab >>Dimensional Stability of Paper: Influence of Fibre-Fibre Joints and Fibre Wall Oxidation
2008 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other scientific)
Abstract [sv]

Papper är ett mycket mångsidigt material. Trots detta finns det ett flertal egenskaper som begränsar papperets användbarhet. Ett av de större problemen med cellulosa- och lignocellulosafibrer är att de sänker sin fria energi genom att sorbera vatten, och denna sorption förändrar papperets dimensioner. Detta fenomen kallas vanligtvis för bristfällig dimensionsstabilitet och uppträder i form av registerfel vid flerfärgstryck eller som krullning, buckling och vågiga papperskanter vid utskrift, kopiering och lagring, eller med en vidare definition som förkortad livslängd hos lådor på grund av mekanosorptivt kryp.

Avsikten med denna avhandling har varit att studera och kvantifiera vilka egenskaper som styr, och hur de påverkar, den vatteninducerade dimensionsförändringen som sker hos ett fibernätverk, samt hur dess dimensionsstabilitet kan förbättras. Detta har studerats både genom att ändra fiberns fuktsorptionsegenskaper och genom att förändra adhesionen och kontaktgraden mellan fibrerna i fiber-fiberfogarna. Fogegenskaperna har också varierats genom att tillverka laboratorieark torkade under inspänning samt ark torkade fritt för att minimera mängden inbyggda spänningar i arket.

Blekt kraftmassa har behandlats med polyelektrolytmultilager (PEM) för att förbättra adhesionen mellan fibrerna och för att öka kontaktgraden mellan fibrerna i fogen. Kontaktgraden har även minskats genom förhorning av fibrerna före arkformning. För de ark som fick torka fritt gav PEM-behandlingen en ökad hygroexpansionskoefficient, det vill säga dimensionsförändringen normaliserad mot förändringen i fuktinnehåll, vid samma förändring i relativ luftfuktighet medan förhorningen minskade hygroexpansionskoefficienten något. Om arken emellertid torkades under inspänning observerades ingen skillnad i hygroexpansionskoefficient mellan de olika fibermodifieringarna. Detta tolkades som ett resultat av en ökad kontaktzon och en större utbredning ut ur fogens plan, när arken torkades utan inspänning. En utbredning som medför att en större del av fiberns transversella expansion överförs som expansion i pappersplanet.

Fibrernas fuktsorptionsegenskaper förändrades genom natriumperjodatoxidering av 1,4-glukanernas C2-C3-bindning. Detta skapade sannolikt tvärbindningar i fiberväggen som förbättrade fiberväggens tålighet både genom att låsa fibrillerna närmare varandra och genom att ta bort potentiella adsorptionssäten som annars är tillgängliga för vattenadsorption. Perjodatoxidationen minskar också fibrernas kristallinitet och således frigjorde oxidationen hydroxylgrupper där vattenmolekyler kan adsorbera. Detta innebar att oxidationen både minskade och ökade interaktionen mellan vatten och fibervägg, men dock på olika strukturell nivå. Tvärbindningarna visade sig också märkbart reducera sorptionshastigheten när arken utsattes för en förändrad luftfuktighet så länge de inte tidigare utsatts för relativa luftfuktigheter nära mättnad. Som ett resultat av den lägre förändringen i fuktinnehåll vid en förändring i luftfuktighet från 20 till 85 % RF minskade dimensionsförändringens amplitud för de tvärbundna arken upp till 30 %. Emellertid uppvisade de tvärbundna arken en högre hygroexpansionskoefficeint, vilket innebär att de blev mer känsliga för absoluta förändringar i fuktinnehåll.

Abstract [en]

Paper is a very versatile material. Nevertheless, there are several factors limiting its usefulness, and one of the major issues is that cellulosic and ligno-cellulosic fibres lower their free energy by sorbing water and this water changes the dimensions of the paper. This phenomenon is usually referred to as a lack of dimensional stability and is often evident as misregister during multicolour printing or curl, cockle and wavy edges during printing, copying and storage or, with a wider definition, also as a shortened life-time of boxes during storage due to mechano-sorptive creep.

The work described in this thesis aims to study and quantify the importance of the different mechanisms causing water-induced dimensional changes in a fibre network and to investigate how to improve the dimensional stability of ligno-cellulosic materials. This has been done both by altering the fiber properties such as the moisture sorptivity and by changing the adhesion and degree of contact within the fibre-fibre joints. The properties of the fibre-fibre joints have been varied by drying laboratory sheets both under restraint and freely to minimise the generation of built-in stresses.

Bleached kraft fibres were treated using the polyelectrolyte multilayer (PEM) technique to improve the adhesion between the fibres and to increase the molecular contact within the joints. In contrast, the degree of contact was impaired by hornifying the fibres before sheet preparation. For sheets allowed to dry freely, the PEM-treatment increased the hygroexpansion coefficient, i.e. the dimensional movement normalised with respect to the change in moisture content, when subjected to changes in relative humidity whereas the hornification process resulted in a slightly lowered hygroexpansion coefficient. However, when the sheets were dried under restraint, the different joint and fibre modifications led to no difference in hygroexpansion coefficient. This was interpreted as being a result of an increase in the total contact zone between the fibres when the sheets were dried under restraint, with a greater extension in the outof- plain direction of the joint resulting in a transfer of a larger part of the transverse swelling to the in-plane expansion.

The sorptivity of the fibres was changed by oxidising the C2-C3 bond of the 1,4- glucans with periodate. This most likely created covalent cross-links in the fibre wall both improved the integrity of the fibre wall by locking adjacent fibril lamellae to each other and also removed possible sites for water sorption onto the cellulose surfaces. Periodate oxidation also led to a decrease in the crystallinity of the cellulose within the fibres, making more cellulose hydroxyl groups available for the adsorption of water molecules. This means that the oxidation both decreased and increased the interaction between the fibre wall and moisture but, on two different structural levels. The crosslinks significantly reduced the sorption rate when the papers was subjected to changes in relative humidity, as long as the fibres were not subjected to humidities close to saturation. The smaller change in moisture content when the relative humidity was changed between 20 and 85 % RH meant that the dimensional stability of the crosslinked sheets was increased. On the other hand, the hygroexpansion coefficient was increased in the case of papers made from fibres with the highest degree of oxidation, i.e. the sheets became more sensitive to absolute changes in moisture content.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH, 2008. ix, 39 p.
Series
Trita-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2008:8
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-4635 (URN)978-91-7178-862-7 (ISBN)
Presentation
2008-02-22, STFI-salen, KTH, Drottning Kristinas väg 61, Stockholm, 14:00
Opponent
Supervisors
Note
QC 20101117Available from: 2008-02-12 Created: 2008-02-12 Last updated: 2013-10-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Larsson, Per A.Wågberg, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Larsson, Per A.Wågberg, Lars
By organisation
Fibre TechnologyFibre and Polymer Technology
In the same journal
Cellulose (London)
Chemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 247 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf