Towards an understanding of surface hydrophobization of paper - Exploring the effect of polymer nanoparticles, starch, ionic strength and process parameters
Doktorsavhandling, 2017

Paper materials are cost effective and lightweight, they can easily be recycled and their use as an alternative to plastics is advantageous from an environmental and sustainability perspective. However, competing with plastics for packaging applications is a challenge for cellulosic products. The material needs to be strong and stiff also when exposed to liquids or moisture during transportation and storage. To achieve this for paper materials, which are intrinsically hydrophilic due to the nature of the cellulose, they need to be hydrophobized.  In the paper industry the hydrophobization process is referred to as sizing and sizing can be achieved in two ways: adding the hydrophobic compound to the pulp (internal sizing) or on the formed paper surface (surface sizing). Recent development in paper hydrophobization has been towards surface sizing since this method gives better retention of the hydrophobic compound and is also more effective on recycled fibers. There is a plethora of surface sizing products and these products are very efficient in making the paper surface more water resistant, but there is a lack of fundamental knowledge on how they work. The type of surface sizing products studied in this thesis is hydrophobic nanoparticle suspensions and four different particle types have been explored. They have the same polymeric core but different surface charges and chemistries. In the surface sizing application, the suspension is mixed with a starch solution where the starch is added to increase the surface strength of the paper. However, in this thesis it is shown that the starch can have a more active role in controlling the degree of hydrophobization. In the study of the colloidal systems it was found that cationic particles form aggregates with the starch and by maximizing this aggregation a paper surface takes up significantly less water. The aggregation behavior was thoroughly studied and the aggregation could be tuned by amylopectin content, temperature and time. An increased ionic strength had a pronounced effect on the electrosterically stabilized aggregates. Larger aggregates were formed at intermediate ionic strength and when the ionic strength was high enough the system collapsed and large flocs were formed. Both these effects were detrimental for the performance.    In the surface sizing procedure the particle/starch mixture is applied on the paper surface and the liquid penetrates into the paper matrix due to external pressure and capillary forces. The distribution of the hydrophobic polymer on and in the paper was evaluated with time of flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS). The surface distribution did not correlate with the water uptake results, indicating that it is not merely the outermost surface that needs to be hydrophobized in order to have a sufficiently low water uptake. Cross-section analyses revealed that a deeper penetration of the nanoparticles was needed to achieve a water resistant paper.

starch

ionic strength

paper hydrophobization

nanoparticles

penetration.

kinetics

charge ratio

temperature

aggregation

Surface sizing

KC, Kemigården 4
Opponent: Lars Wågberg, KTH, Sverige

Författare

Frida Iselau

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi

Role of the aggregation behavior of hydrophobic particles in paper surface hydrophobation

Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,; Vol. 483(2015)p. 264-270

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Formation and relaxation kinetics of starch-particle complexes

Soft Matter,; Vol. 12(2016)p. 9509-9519

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Surface Treatment by Hydrophobic Particles: Influence of Starch and Ionic Strength

ACS Sustainable Chemistry & Engineering,; Vol. 5(2017)p. 6107-6115

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Iselau, F, Malmborg-Nyström, K, Holmberg, K, Bordes, R. Parameters influencing the surface sizing performance

Pappersprodukter är ett naturligt inslag i vår vardag. Så naturligt att vi ofta tar dem för givna. Vi tar frukostflingorna ur en kartong som skyddar de spröda flingorna från att krossas. Häller upp mjölk ur en mjölkkartong. När vi spiller mjölk på vår morgontidning tar vi en bit hushållspapper och torkar upp för sedan fortsätta att läsa tidningen. Vi reflekterar nog inte ens över varför flingkartongen är styv medan hushållspappret är mjukt. Varför hushållspappret suger upp mjölken medan tidningen inte gör det lika snabbt. Vad är det som då gör att pappersprodukter gjorda av samma råvara, träfibrer, i samma process, kan ha så vitt skilda egenskaper?

Genom kemi och ingenjörsskap kan vi ge papper de önskade egenskaperna som styrka, styvhet, mjukhet, våtstyrka eller vattenavstötning.

Att stå emot vatten är en viktig egenskap för förpackningsmaterial. De måste kunna bibehålla sin styrka och form även när de exponeras för vatten eller fukt. Att hydrofobera pappersytan är ett mer miljövänligt alternativ än att lägga på en plastfilm och mer effektivt än att hydrofobera pappersfibrerna genom internlimning. Med så kallad ytlimning hamnar hydrofoberingsmedlet där det gör den främsta nyttan; på pappersytan, samtidigt som utbytet är 100%-igt. Ytlimningstekniken används inom pappersindustrin både för att öka ytstyrkan på pappret genom att lägga på en stärkelsefilm och för att göra ytan mer vattenavstötande genom att lägga på ett hydrofoberingsmedel. Denna process har vunnit ett ökande intresse eftersom den är särskilt effektiv på återvunnet papper. Det är en effektiv process men den grundläggande kunskapen om hur ytlimningsprocessen går till, vilka parametrar som påverkas och hur processen kan optimeras, är inte klarlagd. Syftet med denna avhandling är att utreda mekanismen bakom ytlimning. Den kolloidala stabilitetens inverkan har undersökts och vi har visat att ett aggregerat tillstånd är fördelaktigt så länge inte alltför stora aggregat bildas. Hur, och med vilken hastighet, aggregaten bildas har också utretts, och denna kunskap är tänkt att användas för att optimera ytlimningsprocessen genom t.ex. val av stärkelse och uppehållstid. Vi har studerat hur ett antal parametrar som ingår i papperstillverkning så som fiberkvalité, stärkelsekvalité, ytladdning på de hydrofoba partiklarna, processtemperatur och torktemperatur påverkar ytlimningsprocessen.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Pappers-, massa- och fiberteknik

Polymerteknologi

Annan kemi

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-661-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4342

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KC, Kemigården 4

Opponent: Lars Wågberg, KTH, Sverige

Mer information

Skapat

2017-11-06