30. May 2012
Kirjoittaja: Jaakko A. Palsanen
Companies: Jylhävaara, KCL, TKK
People: Ahti Syrjänen, Antti Arjas, Hannu Paulapuro, Jan-Erik Levlin, Jorma Lumiainen, Kaarlo Niskanen, Kari Ebeling, Niilo Ryti
2.5. Armeerausmassan kehitys
Armeerausmassan tehtävä on varmistaa paperirainalle riittävä lujuus, jotta se kulkee katkeamatta sekä paperi- että painokoneen läpi. Suomessa tehtiin 1970- luvulta alkaen paljon tutkimustyötä, jonka tuloksena opittiin ymmärtämään armeerausmassojen toimintamekanismeja ja siten ohjaamaan niiden valmistusta ja käyttöä eri paperilajeissa. Tätä työtä teki TKK:ssa Niilo Rytin koulukunta, johon kuului useita nimekkäitä jauhatuksen ja kuituverkoston tutkijoita, kuten Antti Arjas, Kari Ebeling ja myöhemmin Hannu Paulapuro sekä KCL:ssa Jan-Erik Levlinin ja myöhemmin Kaarlo Niskasen ryhmät.
Hyvän armeerausmassan kuidut ovat pitkiä, taipuisia, sekä riittävän lujia ja sitoutumiskykyisiä. Kuitujen armeerauskyky perustuu niiden lukumäärään massaseoksessa. Tällöin pituuden lisäksi myös kuitujen paino pituusyksikköä kohti tulee tärkeäksi, koska armeerausmassa lisätään massaseokseen painon mukaan. Näin ollen hyvän armeerausmassan lähtökohta on sopiva puulaji, jonka kuitujen pituuden ja pituuspainon suhde l/w on mahdollisimman suuri. Kuitujen armeerauskykyä kehitetään optimaalisella keitolla, valkaisulla ja jauhatuksella, jolloin morfologisesti sopivien kuitujen taipuisuutta ja sitoutumiskykyä kehitetään aiheuttaen mahdollisimman vähän kuituvaurioita.
Suomessa sekä männystä että kuusesta saadaan hyvää armeerausmassan raaka-ainetta. Molemmissa puulajeissa ja myös yksittäisen puun rungossa esiintyy kuitudimensioiden vaihteluita. Niinpä opittiin, että pintapuusta, käytännössä sahanhakkeesta, saadaan parhaat armeerausmassat. Myös puun kasvupaikka saattaa vaikuttaa siitä valmistetun armeerausmassan laatuun. Tietyt Pohjois-Amerikan, lähinnä Kanadan, havupuulajit ovat kuitumorfologiansa takia armeerausmassojen raaka-aineina pohjoismaisia havupuulajeja jossakin määrin paremmat.
Lehtipuista koivukuidun eukalyptusta edullisempi l/w-suhde antaa koivusellulle paremman täyteaineen kantokyvyn paperin lujuuden kärsimättä. Tämä sallii koivupohjaisissa papereissa hieman suuremman täyteainepitoisuuden ja parantaa siten jossain määrin koivusellun kilpailukykyä eukalyptusselluun nähden puuvapaissa painopapereissa.
Keittoprosessin saantoa, massan tasaisuutta ja siten sellukuidun lujuutta parannettiin kehittämällä haketusta, esim. hakepalan kokoa ja muotoa sekä hakkeen imeytystä, optimoimalla keiton lipeäkiertoja ja parantamalla prosessin hallintaa. Jatketun keiton menetelmillä, kuten esimerkiksi Super Batch (RDH), voitiin havusellun kappaluku viedä alle 20 kuidun lujuuden kärsimättä. Happidelignifiointi otettiin 2000-luvulle mentäessä käyttöön lähes kaikissa Suomen sellutehtaissa.
Massojen valkaisun osalta pyrittiin tasapainoon sellun laadun ja erittäin voimakkaiden, etenkin valkaisun jätevesien klooriyhdisteisiin kohdistuneiden ympäristövaatimusten välillä. Valkaisusekvenssi kehittyi 1970-luvulta lähtien näiden usein vastakkaisten vaatimusten myötä, jolloin hypokloriitin käytöstä luovuttiin ja kloorikaasun käyttö korvattiin klooridioksidilla. Sellutehtaan jätevesikuormitusta pyrittiin minimoimaan siirtämällä vesikierroltaan avoimen, kloorikemikaalein toteutetun valkaisun aloittamista yhä matalammasta kappaluvusta, jolloin sellun saanto ja kuidun lujuus olivat rajoittavia tekijöitä. Jatkettu keitto ja happidelignifiointi olivat keskeisiä tekijöitä tässä kehityksessä.
Happea ja peroksidia käytettiin yleisesti klooridioksidin ohella ns. ECF- eli Elemental Chlorine Free- valkaisussa, jolla voitiin samanaikaisesti valmistaa lujaa armeeraussellua ja minimoida tehtaan jätevesikuormitus.
Jauhatusta tutkittiin Suomessa paljon 1970- ja 1980-luvuilla Brecht ja Siewertin 1960-luvun alkupuolella kehittämän ominaissärmäkuormateorian pohjalta. Tällä saralla TKK:ssa työskentelivät aluksi Antti Arjas sekä myöhemmin Kari Ebeling ja Hannu Paulapuro. Tähän kokonaisuuteen liittyy suuri määrä opinnäytetöitä. Työn tuloksena opittiin suunnittelemaan jauhimet, niiden teritykset ja ajotavat oikein sekä optimoimaan jauhatusjärjestelmät siten, että energiatehokkaasti aikaansaatiin armeerauksessa mahdollisimman hyvin toimivat sellukuidut.
Jauhinten ja jauhatusjärjestelmien kehitystyötä tekivät hyvin paljon Jylhävaaran Ahti Syrjänen ja Jorma Lumiainen. Syrjänen kehitti Jylhävaaran TMP-jauhatustekniikkaa ja Lumiainen sellun LC-jauhatustekniikkaa. Lumiainen kehitti mm. oman version ominaissärmäkuormitusteoriasta, jota hän kutsui ominaispintakuormitusteoriaksi. Hän suositteli myös jauhatusjärjestelmän rakentamista käyttäen mieluummin useampaa kartiojauhinta kuin harvalukuista määrää isoja levyjauhimia, koska näin saavutetaan kuitujen kannalta hellävaraisempi käsittely ja siten parempi lopputulos.
Kaiken tämän kehitystyön seurauksena armeerausmassan määrä pystyttiin minimoimaan etenkin puupitoisissa painopapereissa. Tämä oli edullista niin kuitutalouden kuin paperin painettavuudenkin kannalta, koska sellukuitujen mekaanista massaa huonompi opasiteetti alentaa valmiin paperin opasiteettia. Toki myös paperikoneiden rainaustekniikan kehitys myötävaikutti armeerausmassan määrän vähenemiseen paperissa.
Edellä kuvatun monipuolisen kehitystyön ansiosta Suomesta tuli selvästi maailman johtava maa armeerausmassan valmistuksessa, käsittelyssä ja käytössä. Samalla tämä kehitys on malliesimerkki siitä, että onnistunut innovaatio saattaa käytännössä olla monen eri kehitysaskeleen summa.