OKSİDE NİŞASTA, CMC ve MUKAVEMET ARTIRICININ TESTLİNER KUŞELEMESİNDE KULLANILMA DENEMELERİ ÖZET

Transkript

1 III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs 2010 Cilt: V Sayfa: OKSİDE NİŞASTA, CMC ve MUKAVEMET ARTIRICININ TESTLİNER KUŞELEMESİNDE KULLANILMA DENEMELERİ Arif KARADEMİR¹, Hülya VARLIBA޹, Murat ERTA޹, Selim ¹ ¹Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, KAHRAMANMARAŞ ÖZET Kuşeleme işlemi, kağıtların tek veya çift yüzeyine üretim sırasında veya üretim sonrasında özel hazırlanmış kimyasal bir karışımın sürülmesi olarak ifade edilebilir. Bu araştırmanın ilk bölümünde kuşe sütü viskozitesini sıcaklık sabit iken düşüren bir katkı maddesi denemesi yapılmıştır. İkinci bölümde ise okside nişasta içerisine farklı karboksi-metil selüloz (CMC) katkıları ile hazırlanan kuşe sütlerinin, kağıtların bazı özelliklerindeki etkilerine bakılmıştır. Son bölümde ise okside nişasta içerisine farklı bir mukavemet artırıcı katkı maddesi eklenmiş ve kuşeleme denemeleri yapılmıştır. İşlem sonunda kağıtların patlama, RCT, CCT ve CMT gibi mukavemet özellikleri test edilmiş ve sonuçlar yorumlanmıştır. Çalışmanın kuşelemede karşılaşılan bazı sorunlara ışık tutacağı ve yeni öneriler getireceğine inanılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Okside nişasta, CMC, testliner kuşeleme, RCT, CMT. TRIALS of OXIDISED STARCH, CMC and STRENGHT ADDITIVE on TESTLINER COATING ABSTRACT Coating process can be expressed as the application of specially prepared chemical mixtures over paper s one or two surfaces during or after paper production. In the first part of this research, a trial was conducted on an additive which reduces the viscosity of a coating souse at constant temperature. In the second part, a variety of coating formulations with the mixture of oxidised starch and CMC at different proportions were prepared and their effects on some properties of coated papers were analysed. In the final part, the addition of a new strength promoter into oxidised starch was practiced and some coating applications were carried out. Burst, RCT, CCT and CMT values of coated papers were tested and results were discussed. The findings were believed to highlight some problems faced in coating operations and may brought some suggestions. Key Words: Oxide starch, CMC, testliner coating, RCT, CMT GİRİŞ Kağıtların yüzey ve mukavemet özelliklerini geliştirmek, son kullanım amacına uygun hale getirmek için, üretim sırasında veya üretimden sonra bazı yüzey işlemleri uygulanmaktadır (Lehtinen, 2000). Bazı kağıt makinelerinde kurutma bölümünün ortalarında bulunan size pres düzeneği ve/veya kurutma bölümünün sonunda bulunan kalenderleme bölümü, kağıtların yüzeylerinin daha da düzgünleştirilmesi ve sağlamlaştırılması amacıyla kullanılmaktadır (Eroğlu ve Usta, 2004). Size pres kısmında kağıt yüzeyine özel hazırlanmış kimyasal sos bir film oluşturacak şekilde tatbik edilir. Kalenderleme kısmında ise rutubeti oldukça düşmüş olan kağıda önce sıcak buhar uygulanarak yüzeyi yumuşatılır ve peşinden kontrollü hassas bir şekilde sıcak pres 1985

2 silindirlerinden geçirilerek yüzeyi son derece düzgün hale getirilir (Smook, 1992). Kağıtlar üretildikten sonrada kullanım amacına uygun olarak özel hazırlanmış sosların tatbik edilmesi ile yüzey işlemleri yapılmaktadır. Kağıt yüzeyine sürülen sos içerisinde dolgu maddesi ve renk pigmentleri var ise bu işleme genelde kuşeleme denmektedir (Smook, 1992; Bergh, 1997; Eroğlu ve Usta, 2004;. Kuşe sosunda kağıda aktarılan katı madde miktarı daha fazla olmakta, adeta bir sıva tabakası meydana gelmektedir. Bu nedenle kuşe sosu içerisinde sıvanın bütünlüğünü ve kağıda bağlanmasını sağlayan tutkalın bulunması ve taşıyıcı tabaka olan kağıdında sağlam olması gerekir. Oluklu mukavva üretiminde kullanılan üst kat kağıtların yüzeylerinin sıvılara karşı dirençli ve mukavemetli olması istenir. Bu amaçla genelde size pres kısmında kağıt yüzeyine nişasta sosu uygulanır (Kearney, 1990; Klass, 1991 ; Brouwer vd., 1998; Eroğlu ve Usta, 2004). Uygulamada, mümkün olan en az nişasta sosu ile kağıt yüzeyinde ince ve dayanıklı bir film oluşturmaya çalışılır. Uygulanan nişasta sosunun viskozitesi, sıcaklığı, katı madde miktarı, içerisindeki nişastanın tipi (düz zincir (amiloz) veya dallı yapı (amilopektin)), zincir uzunluğu gibi özellikler, işlemin uygulanışını ve kalitesini etkiler (Bergh, 1997). Yüzeyine nişasta sosu sürülen bir kağıt malzeme suya ve yüzey aşınmasına karşı daha dayanıklı hale gelir. Kağıt, ezilme, kopma ve patlamaya karşıda belli derecede direnç kazanmış olur. MATERYAL VE METOT Bu araştırmada kullanılan okside nişasta (ON), viskozite ayarlayıcı kimyasal katkı maddesi, karboksimetil selüloz (CMC) numuneleri ve mukavemet artırıcı katkı kimyasalları (MA) toz halde Caran Kimya dan temin edilmiştir. Kuşeleme işlemleri ise Kahramanmaraş Kağıt Fabrikası tarafından 120 gr/m 2 gramajda üretilen testliner kağıtları üzerine yapılmıştır. Kuşe sosu, saf su ile %14 kesafette hazırlanan okside nişasta katkı maddesi karışımının C de 20 dakika pişirilmesi ile elde edilmiştir. Hazırlanan sosun kesafeti %5 e, sıcaklığı 55 C e getirilmiş ve laboratuar tipi bir kuşeleyicide (Şekil 1) testliner kağıtlara makine yönünde çift taraflı tatbik edilmiştir. Laboratuar tipi kuşemele makinesi, 5 numaralı sabit hız ayarında çalıştırılmış ve 3 numaralı yivli aplikasyon çubuğu kağıtlara sos sürülmesinde kullanılmıştır. Çift taraflı olarak kuşeleme yapılan testliner kağıtları dört kenarından belli bir gergide kurutma kasnaklarına alınmış, önce 30 dakika oda sıcaklığında tutulduktan sonra 4 saat 105 C e etüvde kurutulmuştur. Kurutulan kuşelenmiş kağıtlar şartlandırma odasında 20 C de %65 bağıl nemde 24 saat tutulduktan sonra, sırasıyla aşağıda tablo 1 de belirtilen testler yapılmıştır. Testler Tablo 1: Yapılan kağıt testleri ve ilgili standartlar Metotlar Patlama SCAN-P 25:81 CCT SCAN-P 42:81 RCT SCAN-P 34:71 CMT SCAN-P 27:69 Kopma Uzunluğu SCAN-P 38:

3 Resim 1: Hız kontrollü ve farklı aplikasyon çubukları bulunan laboratuar tipi kuşeleyici BULGULAR VE TARTIŞMA Yapılan çalışma sonuçları üç ana bölüm olarak ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Nişasta Sütünde Viskozite Ayarı Size preste pişmiş nişastanın kağıt yüzeyine makine hızını olumsuz etkilemeyecek şekilde hızlı ve kesintisiz sürülmesi arzu edilmektedir. Nişasta çözeltisinin bu nedenle oldukça akışkan ve homojen olması gerekir. Ancak aynı zamanda kağıt üzerinde kesintisiz mukavemetli bir film tabakası oluşabilmesi için, kağıda belli miktarda nişastanın da aktarılabilmesi lazımdır. Fakat nişasta içerisinde katı madde miktarı artıkça, akışkanlık azalmakta, bu ise uygulamayı zorlaştırmakta, nişasta aplikasyon silindiri ile hızla hareket eden kağıt yüzeyi arasında yapışkan bir hat oluşumuna neden olmaktadır. Size pres kaldırması (size pick up) diye isimlendiren bu durumda, kağıt bir anlamda size presten ayrılmakta problem yaşamakta (yapışma), kağıtta gerilmeler oluşmakta ve bazen de kopmalar meydana gelmektedir (Andersen, 1997). Bu durumda, makine hızını düşürmek, viskoziteyi düşürmek (nişastayı seyreltmek) veya nişasta çözeltisini ısıtmak gibi çözümlerden birisi uygulanabilir. Bu çözümlere ek olarak çok daha pratik bir yöntem olarak geliştirilen viskozite ayarlayıcı kimyasal (VA) kullanılmıştır. Okside nişasta içerisine belli oranlarda VA karıştırılmış ve %14 kesafette C de 20 dakika pişirilmiştir. Daha sonra saf su eklenmesi ile kesafet %7 ye indirilmiş ve sıcaklık kontrollü olarak düşürülmüştür. Aşağıda grafik 1 de açıkça görüldüğü gibi sıcaklık sabit 37 C de iken yapılan viskozite ölçümlerinde, artan VA kimyasalın, pişirilen nişastanın viskozitesini oldukça düşürdüğü kaydedilmiştir. Katı madde miktarında ve sıcaklıkta herhangi bir değişiklik yapmadan sağlanmış olan bu viskozite ayarlaması, pratik uygulama açısından son derece önemlidir. 1987

4 Viskozite (cp) Viskozite (37 C) % VA Grafik 1: VA katılımı nişasta viskozitesini ciddi derecede düşürmüştür. Kontrol örneği olarak pişirilen okside nişasta jelleşme sağlandıktan sonra soğumaya bırakılmış, çok hızlı bir şekilde hava ile temas eden yüzeyde kabuk oluşumu, kütlede topaklanma, pelteleşme ve sertleşme izlenmiş, sıcaklık düşmesinin ise oldukça yavaş gerçekleştiği görülmüştür. Ancak içerisine viskozite ayarlayıcı (VA) katılarak pişirilen nişasta sütünde sıcaklık düşmesine rağmen, kıvamlı akışkanlıkta ciddi bir kayıp görülmemiş, kabuk bağlanması, pelteleşme ve topaklanma kesinlikle izlenmemiştir. Bu durum, nişasta sütünün yüksek katı madde içeriğinde, düşük ısılarda kâğıda transfer edilebilme imkanı sunması ve ayrıca silindirlerde ve/veya püskürtme aparatlarında tıkanma ve katman oluşumuna meydan vermeyeceği açısından oldukça önemlidir. Okside Nişasta ve Mukavemet Artırıcı Katkı Kullanımı Okside nişasta içerisine mukavemet artırıcı bir kimyasal katkı maddesi (MA) sırasıyla %2.5, 5.0, 15, 20, 25 ve 30 oranlarında karıştırılmış ve standart pişirme, seyreltme işlemleri takip edilerek %5 kesafette bir nişasta sosu elde edilmiştir. Nişasta çözeltisi sıcaklığı 55 C de sabit tutulmuş ve testliner kağıtlara çift taraflı tatbik edilmiştir. Kağıtlara ayrıca sadece saf su ve %100 mukavemet artırıcı kimyasal ile hazırlanmış çözeltide kontrol örnekleri olarak uygulanmıştır. İşlem görmüş kağıtların patlama, CCT ve CMT değerleri grafik 2 de sunulmuştur. 1988

5 Mukavemet Değeri Patlama (N) 1.0 CMT (N) (/100) 0.5 CCT (kn/m) 0.0 Saf Su ON %2.5 MA %5 MA %15 MA %20 MA %25 MA %30 MA %100 MA Kuşe Sütü İçeriği Grafik 2: MA katılımı nişasta viskozitesini ciddi derecede düşürmüştür. Mukavemet artırıcı kimyasalın, kuşe film tabakasının ve/veya kağıt içerisine nüfuz ederek kağıdın iç yapısında olan bağlanmaların kuvvetini artırmak suretiyle işlem görmüş kağıtta test edilen özelliklerde iyileşme sağladığı tahmin edilmektedir. Kağıt için mukavemet artırıcı herhangi bir katkı kimyasalının, kurumayla beraber üç boyutlu olarak çapraz bağlar geliştirmesi ve lifler arası bağ sayısını ve/veya kuvvetini artırması gerekmektedir. Okside Nişasta ve Karboksi Metil Selüloz (CMC)Kullanımı Okside nişasta içerisine %2 oranında üç adet farklı CMC ürünü ayrı ayrı karıştırılmış, standart işlemler sonunda üç adet farklı nişasta çözeltisi hazırlanmıştır. Kuşeleme sonunda elde edilen kağıtlara ait bazı değerler grafik 3 te verilmiştir. 1989

6 Mukavemet Değeri Patlama (N) CCT (kn/m) 0.5 RCT (kn/m) CMT (N) (/100) 0.0 Kontrol ON CMC 1 CMC 2 CMC 3 Kuşe Sütü İçeriği Grafik 3: CMC katılımı patlama ve CMT değerlerini iyileştirmiştir kağıt mukavemetine kısmen katkı yapmıştır Kontrol ve sadece okside nişasta ile yapılan kuşeleme sonunda, kağıtların test edilen özellikleri ele alındığında, CMC katılımları sonunda en fazla iyileşme patlama, CMT ve CCT değerlerinde görülmüştür. RCT değerinde çok ciddi bir değişme kaydedilmemiştir. Genel olarak değerlendirilecek olursa CMC 2 ürünü daha iyi performans göstermiştir denilebilir. Kuşelenen kağıtların ayrıca makine eni ve boyu yönünde kopma uzunlukları da tespit edilmiştir (Grafik 4). Kuşelenen kağıtların boyuna yönde kopma uzamasında daha fazla bir iyileşme olduğu görülmektedir. 1990

7 Kopma Uzunluğu (m) Boy Kopma (m) En Kopma (m) Kontrol ON CMC 1 CMC 2 CMC 3 Kuşe Sütü İçeriği Grafik 4: CMC katılımı kopma uzunluğunu artırmıştır Laboratuar ölçeğinde yapılan bu çalışmaların işletme denemeleri yapılmış ve sonuçlar genel itibariyle aynı düzeyde seyretmiştir. Laboratuar ortamında yapılan kuşeleme işlemleri kesinlikle gerçek işletme ortamı ve şartlarını temsil edemez. Kahramanmaraş Kağıt Fabrikasında yapılan testliner kağıtlara, kurutma bölümü ortalarında yer alan size pres üzerinde amaca uygun olarak özel reçetelerde hazırlanmış soslar yaklaşık 60 C e civarında sıcak olarak sürülmektedir. İşlem oldukça hızlı gerçekleşmekte (400 m/dk) ve kağıtlar hareket halinde boyuna yönde belli bir gerginlik altında önce temassız sonra sıcak silindirlerle kurutulmaktadır. Dolayısıyla bu tip çalışmalarda tam olarak net sonuçlardan ziyade, genel olarak yapılan işlemin yapmış olduğu etkinin yönü ve eğimi üzerinde durulması gerekmektedir. Biraz daha gerçekçi yaklaşım isteniyorsa, belki pilot tesislerde gerçek işletme şartları taklit edilerek araştırmalar yapılabilir. Ancak gerçek sonuç ve değerler bizzat işletmede yapılacak ön denemelerde çıkacaktır. Bununla birlikte işletmede yapılacak her denemenin üretimde yapacağı kesintiler, değişimler, zaman sarfiyatı ve maliyet hesaba katılmalıdır. Bu açıdan olay değerlendirildiğinde ön laboratuar denemelerinin önemi tartışılamaz. 1991

8 SONUÇ VE ÖNERİLER Okside nişasta ve farklı kimyasalların karıştırılmasıyla hazırlanan kuşe sosları ve kuşeleme işlemleri değerlendirilerek şunlar sıralanabilir; 1- Sadece %1 oranında VA kimyasal kullanımı ile katı madde miktarı ve sıcaklıkta değişiklik yapmadan nişasta viskozitesi ciddi seviyelere düşürülmüştür. 2- Kullanılan mukavemet artırıcı ve CMC numuneleri, kuşeleme yapılan kağıtların test edilen değerlerinde belli seviyelerde iyileştirmeler yapmıştır. Üzerine nişasta sosu sürülen ve kurutulan test kağıtlarının özellikle daha sert, gevrek bir yapıya ulaştığı ve ezilmelere karşı daha dirençli olduğu görülmüştür. 3- CMC kullanımı kağıtların özellikle boyuna yönde kopma uzunluklarında da artış sağlamıştır. 4- Laboratuarda yapılan kuşeleme denemelerinde üzerinde en fazla durulması gereken konu, muhtemelen Kuşelenen kağıdın özellikle kurutulmasıdır. Kurutmada iç gerilmeler ve deformasyonların oluşmamasına azami önem verilmelidir. 5- Elde edilen sonuçlar genel eğilim açısından işletme denemeleri ile paralellik göstermiştir. Bu açıdan laboratuar ön çalışmalarının, işletme denemelerinden önce yapılmasının oldukça faydalı olacağı görülmüştür. Teşekkür Bu araştırmada kullanılan kimyasalları temin eden Caran Kimya ya ve kuşeleme yapılan kağıtların testlerinin gerçekleşmesinde yardımlarını esirgemeyen Kahramanmaraş Kağıt Sanayi ne çok teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Andersen, J Surface Sizing, Surface Application of Paper Chemicals, Ed. Brander, J. and Thorn, Blackie Academic&Professional, London, UK. Bergh, N.O Starches. Surface Application of Paper Chemicals, Ed. Brander, J. and Thorn, Blackie Academic&Professional, London, UK. Brouwer, H.P., Mark, A., Johnson and Olsen, R.H Starch and Retention of Fines and Fillers During Papermaking, Ed. Gess, J.M., Tappi Press, Atlanta. Eroğlu, H. ve Usta, M Kağıt ve Karton Üretim Teknolojisi Ders Kitabı Cilt I, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon. Kearney, R.L Starch Binders in Coatings, Tappi Seminar Notes, Blade Coating, Tappi Press, Atlanta. Klass, C.P., Surface Sizing in Paper Machine Operations Ed. M.J. Kocurek, Tappi, Atlanta. Lehtinen, E Coating Pigments-General, in Pigment Coating and Surface Sizing of Paper, Ed. Esa Lehtinen, Gummerus Printing, Jyvaskyla, Finland. Smook, A.G Wet-end Operations, Handbook for Pulp & Paper Tecnologists, Angus Wilde Puplication, Vancouver, B.C. 1992