FI92875B

FI92875B - Apparatus for measuring the water retention of the paper coating compound

Info

Publication number: FI92875B
Application number: FI930015A
Authority: FI
Inventors: Olli Suontausta
Original assignee: Keskuslaboratorio
Priority date: 1993-01-04
Filing date: 1993-01-04
Publication date: 1994-09-30
Also published as: FI930015A0; FI930015A; FI92875C

Description

9287592875

LAITE PAPERIN PÄÄLLYSTYSPASTAN VESIRETENTION MITTAAMISEKSIAPPARATUS FOR MEASURING THE WATER RETENTION OF PAPER COATING PASTE

Keksinnön kohteena on laite paperin päällys-5 tyspastan vesiretention mittaamiseksi, johon laitteeseen kuuluu alusta, absorptiopaperi sijoitettavaksi alustaa vasten, seinämien rajoittama näytekammio, johon päällystyspasta on tarkoitettu sijoitettavaksi ja johon absorptiopaperi rajoittuu tiiviisti, sekä tunnistin 10 vesiretention mittaamiseksi absorptiopaperiin.The invention relates to a device for measuring the water retention of a paper coating paste, the device comprising a substrate, an absorption paper to be placed against the substrate, a wall-bound sample chamber in which the coating paste is intended to be placed and the absorption paper tightly confined, and a sensor 10 for measuring water retention.

Paperin päällystyspastan vesiretentiolla tarkoitetaan pastan kykyä vastustaa sen sisältämän neste-faasin kulkeutumista pohjapaperiin. Veden tunkeutuminen paperin huokosverkostoon aiheuttaa muutoksia kuitumat-15 riisin rakenteessa ja pastan virtausominaisuuksissa. Tietty määrä nesteen penetroitumista on kuitenkin toivottavaa, jotta päällyste sitoutuisi pohjapaperiin hyvin. Tärkeimmät paperin tunkeutumistavat ovat kapillaari- ja painepenetraatio. Lisäksi tapahtuu nesteen 20 diffuusiota. Pastan vedenpidätyskykyyn vaikuttavat pigmenttien ja sideaineiden ominaisuudet sekä pastan viskositeetti ja kuiva-ainepitoisuus. Pastaparametrien lisäksi vesiretentioon vaikuttavat pohjapaperin rakenteelliset ja kemialliset ominaisuudet, kuten paperin 25 karheus, huokoisuus ja kosteus sekä päällystysprosessi. Päällysteen aplikoinnin ja terän välissä tapahtuvaan kapillaaripenetraatioon vaikuttavat mm. nesteen pintajännitys ja kuituseinämää vasten syntyvän dynaamisen kontaktikulman suuruus. Paineen ollessa kyllin suuri 30 kapillaaripenetraatioon vaikuttavat kemialliset ominaisuudet menettävät merkityksensä ja penetraationopeus määräytyy paineen ja virtaushäviöiden välisestä vuorovaikutuksesta .The water retention of a paper coating paste refers to the ability of the paste to resist the migration of the liquid phase it contains into the base paper. The penetration of water into the pore network of the paper causes changes in the structure of the fiber-15 rice and in the flow properties of the paste. However, a certain amount of liquid penetration is desirable for the coating to adhere well to the base paper. The most important methods of paper penetration are capillary and pressure penetration. In addition, diffusion of the liquid 20 occurs. The water retention capacity of the paste is affected by the properties of the pigments and binders as well as the viscosity and dry matter content of the paste. In addition to the paste parameters, the water retention is affected by the structural and chemical properties of the base paper, such as the roughness, porosity and moisture of the paper, and the coating process. Capillary penetration between the application of the coating and the blade is affected by e.g. the surface tension of the fluid and the magnitude of the dynamic contact angle generated against the fiber wall. When the pressure is high enough, the chemical properties affecting the capillary penetration lose their significance and the penetration rate is determined by the interaction between the pressure and the flow losses.

Ennestään on tunnettua mitata vesiretentio 35 Warren-menetelmällä. Laite koostuu virtamittariin yhdistetyistä metallilevystä ja sen päälle sijoitetusta painosta. Kuivan testauspaperin ollessa levyn ja painon 92875 2 välissä, näyttää mittari nollaa. Kun pastanäyte saatetaan paperin kanssa kontaktiin, alkaa sähkönjohtavuus nousta vesifaasin siirtyessä pohjapaperiin. Tietyn virta-arvon saavuttamiseen kuluva aika kuvaa vesireten-5 tiota. Toisen sähkönjohtokyvyn mittaukseen perustuvan menetelmän ovat kehittäneet Thomin et ai. Laite koostuu kahdesta lokerosta, joiden takaseiniin on sijoitettu elektrodit. Lokerot erotetaan mitattavalla paperinäyt-teellä, ja pasta kaadetaan niihin. Suurin ero Warrenin 10 testiin on siinä, että mitattava pasta lisätään paperin molemmille puolille yhtä aikaa käyttämättä ulkoista painetta.It is already known to measure water retention by the 35 Warren method. The device consists of a metal plate connected to the flow meter and a weight placed on it. With the dry test paper between the plate and the weight 92875 2, the meter shows zero. When the paste sample is brought into contact with the paper, the electrical conductivity begins to increase as the aqueous phase moves to the base paper. The time taken to reach a certain current value describes the water retention. Another method based on the measurement of electrical conductivity has been developed by Thomin et al. The device consists of two compartments with electrodes placed on the back walls. The trays are separated by a measurable paper sample and the pasta is poured into them. The main difference with the Warren 10 test is that the paste to be measured is added to both sides of the paper at the same time without the use of external pressure.

Keskeisimpiä virhelähteitä sähkönjohtokykyyn perustuvissa menetelmissä on todettu olevan lämpötila, 15 testauksen manuaalisuus, so. asetusparametrit ja tes-tauspaperi. Menetelmillä ei voida mitata paineen vaikutusta vesiretentioon puhumattakaan painevaihteluiden vaikutuksesta.The most important sources of error in methods based on electrical conductivity have been found to be temperature, manuality of testing, i.e. setting parameters and test background paper. The methods cannot measure the effect of pressure on water retention, let alone the effect of pressure fluctuations.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on pois-20 taa edellä esitetyt epäkohdat. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen mittauslaite paperin päällystyspastan vesiretention mittaamiseksi, jolla vesiretentio voidaan mitata aiempaa tarkemmin ja siten, että asetusparametrit eivät vaikuta merkittäväs-25 ti lopputulokseen. Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin laite, jolla voidaan määrätä erilaisten aineiden ja painevaihtelujen vaikutus vesiretentioon.It is an object of the present invention to obviate the above drawbacks. In particular, it is an object of the invention to provide a novel measuring device for measuring the water retention of a paper coating paste, with which the water retention can be measured more accurately and in such a way that the setting parameters do not significantly affect the final result. It is a further object of the invention to provide an apparatus with which the effect of various substances and pressure variations on water retention can be determined.

Keksinnölle tunnusomaiset seikat on esitetty patenttivaatimuksissa.The features of the invention are set out in the claims.

30 Keksintö perustuu siihen perusajatukseen, että . mittauslaitteeseen kuuluu erityiset paineistuselimet « näytekammion saattamiseksi paineenalaiseksi ja vesiretention mittaamiseksi paineenalaisena. Mainitut paineistuselimet voivat muodostua esim. sylinteristä män-35 tineen ja käyttöelimineen, joiden avulla näytekammio on saatettavissa paineenalaiseksi. Mäntä voi muodostua . mekaanisesta männästä tai esim. nesteen tai suspension, «The invention is based on the basic idea that. the measuring device includes special pressure means «for pressurizing the sample chamber and for measuring the water retention under pressure. Said pressurizing means may consist, for example, of a cylinder with a piston-35 and drive means by means of which the sample chamber can be pressurized. A piston may form. mechanical piston or eg liquid or suspension, «

IIII

^2875 3 kuten päällystyspastan muodostamasta kerroksesta sijoitettuna pystyn sylinterin alaosaan vasten käytettävää paperia; paineistuselimet koostuvat tällöin esim. sy-linteritilaan nestemäisen männän yläpuolelle järjeste-5 tyistä esim. kaasumaista paineväliainetta johtavista paineensiirtoelimistä, kuten paineistetun kaasun putkistosta. Näytekammio voi sinänsä muodostaa sylinterin, johon mäntä on sijoitettu liikkuvasti; käyttöelimet voivat muodostua esim. voimalaitteesta männän purista-10 miseksi tai esim. vastapainetilasta paineväliainelait-teineen.^ 2875 3 such as a layer of coating paste placed vertically against the bottom of the cylinder against the paper to be used; the pressurizing means then consist, for example, of pressure-transmitting means, for example conducting a gaseous pressure medium, arranged in the cylinder space above the liquid piston, such as a line of pressurized gas. The sample chamber may itself form a cylinder in which the piston is movably placed; the actuating means may consist, for example, of a power device for compressing the piston or, for example, of a back-pressure space with pressure medium devices.

Edelleen laitteeseen voi kuulua alusta, joka on liikkuva absorptiopaperia vasten ja on varustettu erityisellä voimalaitteella sen liikuttamiseksi ja 15 siten absorptiopaperin tuennan paineen säätämiseksi.Furthermore, the device may comprise a base which is movable against the absorbent paper and is provided with a special power device for moving it and thus for adjusting the support pressure of the absorbent paper.

Tällöin myös absorptiopaperin tuentapainetta voidaan säätää näytekammion suuntaan.In this case, the support pressure of the absorption paper can also be adjusted in the direction of the sample chamber.

Edelleen, manuaalisesti suoritettavan mittauksen muuttujien vaikutuksen eliminoimiseksi, laitteeseen 20 voi kuulua erityinen suojalevy, joka on sijoitettu siirrettävästi painetiiviisti näytekammioon ja absorptiopaperin väliin sekä varustettu käyttölaitteella sen siirtämiseksi. Suojalevy on tällöin siirrettävissä nopeasti pois absorptiopaperin päältä, absorptiopaperin 25 ja näytekammion välistä, esim. vetämällä, absorptiopa perin saattamiseksi nopeasti alttiiksi näytekammioon sijoitetulle ja paineistetulle päällystyspastalle. Suojalevyn ja käyttölaitteen ansiosta ajan hetki, jolloin absorptiopaperi saatetaan alttiiksi näytekammioon 30 sijoitetulle päällystyspastalle, voidaan määrittää . täysin tarkasti. Suojalevyllä ja sen käyttölaitteella on suuri merkitys varsinkin tutkittaessa paineen vaikutusta vesiretentioon.Furthermore, in order to eliminate the effect of the variables to be performed manually, the device 20 may comprise a special cover plate movably placed in a pressure-tight manner between the sample chamber and the absorption paper and provided with an actuator for moving it. The cover sheet can then be quickly moved off the top of the absorbent paper, between the absorbent paper 25 and the sample chamber, e.g. by pulling, to rapidly expose the absorber to a pressurized coating paste placed in the sample chamber. Thanks to the cover plate and the actuator, the time at which the absorbent paper is exposed to the coating paste placed in the sample chamber 30 can be determined. completely accurately. The cover plate and its drive device are of great importance, especially when studying the effect of pressure on water retention.

Laitteeseen kuuluu tunnistin vesiretention 35 mittaamiseksi, so. veden imeytymisen mittaamiseksi ab-sorptiopaperiin. Tunnistin voi koostua esim. Warren-. laitteen tai Thomin et ai’n laitteen mukaisesta kytken- 4 92875 nästä paperin läpi kulkevan sähkövirran tai siihen verrannollisen suureen, kuten jännite-eron tai vastuksen mittauslaitteesta. Elektrodit voivat olla sijoitetut esim. yksi alustaan ja toinen mäntään tai esim.The device includes a sensor for measuring water retention 35, i.e. to measure the absorption of water into the absorbent paper. The sensor can consist of e.g. Warren-. from a device or a device according to the device of Thom et al. 4 92875 to an electrical current flowing through the paper or a proportional to it, such as a voltage difference or resistance measuring device. The electrodes can be placed e.g. one on the base and the other on the piston or e.g.

5 yksi suoraan absorptiopaperin alapintaa vasten ja toinen esim. kosketuksiin pastan kanssa.5 one directly against the lower surface of the absorbent paper and the other e.g. for contact with the paste.

Eräässä edullisessa keksinnön sovellutuksessa alusta on läpinäkyvä, ja tunnistin koostuu optisesta tunnistimesta, joka mittaa nesteen absorptiota pohjapa-10 periin optisesti alustan lävitse nesteen paperissa aiheuttamien optisten muutosten perusteella, esim. paperin veden vaikutuksesta tapahtuvan tummumisen perusteella. Optinen tunnistin voi olla esim. CCD-kamera tai muu optinen paperin tummuusastetta ja/tai muuta 15 kosteuteen verrannollista suuretta detektoiva mittari.In a preferred embodiment of the invention, the substrate is transparent, and the sensor consists of an optical sensor that measures the absorption of liquid into the bottom paper 10 optically through the substrate based on optical changes in the paper caused by the liquid, e.g. The optical sensor may be, for example, a CCD camera or other optical meter detecting the degree of darkness of the paper and / or another quantity proportional to the humidity.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisesti suoritusesimerkkien avulla viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviokuvaa keksinnön mukaisesta lait-20 teestä, ja kuva 2 esittää mittaustuloksia keksinnön mukaisella laitteella saavutetuista tuloksista.The invention will now be described in detail by means of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows a schematic diagram of a device according to the invention, and Figure 2 shows measurement results of the results obtained with a device according to the invention.

Kuvassa 1 on esitetty keksinnön mukainen laite paperin päällystyspastan vesiretention mittaamiseksi, 25 johon kuuluu alusta 1, jonka päälle absorptiopaperi 2 on sijoitettu, sylinteriseinämien 4 rajoittama näyte-kammio 5; tunnistin 6, so. esim. virtalähde 14 virta-mittauslaitteineen. Edelleen laitteeseen kuuluu pai-neistuselimet 7 näytekammion 5 saattamiseksi pai-30 neenalaiseksi.Figure 1 shows an apparatus according to the invention for measuring the water retention of a paper coating paste, comprising a substrate 1 on which an absorption paper 2 is placed, a sample chamber 5 delimited by cylindrical walls 4; sensor 6, i.e. e.g., power supply 14 with current measuring devices. The device further comprises pressure means 7 for pressurizing the sample chamber 5.

Absorptiopaperi 2 on sijoitettu alustan 1 päälle näytekammion 5 pohjalle. Näytekammioon 5 on sijoitettu päällystyspastaa. Lisäksi sylinterimäiseen näytekammioon 5 on sijoitettu mäntä 9, joka on varus-35 tettu käyttöelimillä 10, 11. Absorptiopaperin 2 ja päällystepastan väliin on sijoitettu erityinen suojale-vy 12 painetiiviisti hahlomaiseen rakoon 16 siten, ettäThe absorption paper 2 is placed on the base 1 at the bottom of the sample chamber 5. A coating paste is placed in the sample chamber 5. In addition, a piston 9 is provided in the cylindrical sample chamber 5, which is provided with drive members 10, 11. A special protective plate 12 is placed between the absorption paper 2 and the coating paste in a pressure-tight slotted gap 16 so that

IIII

92875 5 suojalevy voidaan vetää hetkellisesti pois pastan ja absorptiopaperin välistä paperin saattamiseksi alttiiksi päällystepastalle. Suojalevy 12 on varustettu erityisellä käyttölaitteella 13, kuten pneumaattisella 5 sylinterillä suojalevyn vetämiseksi nopeasti pois absorptiopaperin 2 ja näytekammion 5 välistä. Kuvassa 1 paperin 2 ja alustan 1 sekä paperin 2 ja suojalevyn 12 välit on esitetty liioitellusta suurennettuina laitteiston rakenteiden havainnollistamiseksi.92875 5 the cover sheet can be momentarily pulled between the paste and the absorbent paper to expose the paper to the coating paste. The cover plate 12 is provided with a special drive device 13, such as a pneumatic cylinder 5, for rapidly pulling the cover plate away between the absorption paper 2 and the sample chamber 5. In Figure 1, the gaps between the paper 2 and the substrate 1 and between the paper 2 and the cover plate 12 are shown exaggerated in order to illustrate the structures of the apparatus.

10 Laitetta käytettäessä absorptiopaperi sijoite taan alustalle 1 ja suojalevy 12 pannaan paikalleen absorptiopaperin päälle, so. suojapelti työnnetään sisään. Tämän jälkeen näytekammio 5 täytetään esim. tutkittavalla päällystepastalla, ja liikkuva mäntä 9 15 sijoitetaan paikalleen. Tämän jälkeen alusta 1, joka on eristetty näytekammion 5 seinämistä 4, ja liikkuva mäntä 9 kytketään virtapiiriin samalla mitaten virtapiirin läpi kulkevaa virtaa. Näytekammio saatetaan alttiiksi halutulle mittauspaineelle päästämällä vas-20 taava pneumaattinen paine vastapainetilaan 10 painevä-liainelaitteiden 10, 11 avulla. Aloitettaessa mittaus suojalevy 12 vedetään pois mitattavan pastan ja absorptiopaperin välistä, suojalevyyn liitetty valokenno 17 ilmaisee sähköisesti aloitushetken, so. suojalevyn 25 poiston paperin päältä. Virtamittari A voi olla kytketty esim. piirturiin 15, johon valokenno antaa aloi-tusarvon. Piirturi, kytkettynä virtamittariin, detektoi tämän jälkeen paperin läpi kulkevaa virtaa ja siten esim. paperin kastumista.10 When using the device, the absorbent paper is placed on the base 1 and the protective plate 12 is placed on top of the absorbent paper, i.e. the cover is inserted. The sample chamber 5 is then filled with e.g. the coating paste to be examined, and the movable piston 9 15 is placed in place. Thereafter, a base 1 isolated from the walls 4 of the sample chamber 5 and a movable piston 9 are connected to the circuit while measuring the current flowing through the circuit. The sample chamber is exposed to the desired measuring pressure by releasing the corresponding pneumatic pressure into the back pressure space 10 by means of pressure medium devices 10, 11. At the beginning of the measurement, the protective plate 12 is pulled out between the paste to be measured and the absorption paper, the photocell 17 connected to the protective plate electrically indicates the starting moment, i.e. removing the cover plate 25 from the paper. The current meter A can be connected, for example, to a plotter 15, to which the photocell gives an initial value. The plotter, connected to the flow meter, then detects the current flowing through the paper and thus, for example, the paper getting wet.

30 Haluttaessa laite voi olla varustettu esim.30 If desired, the device can be equipped with e.g.

ohjauspiirillä, joka ohjaa mittaustapahtumaa ja esim. paineen vaihtelua näytekammiossa 5, so. ohjauspiiri voi ohjata näytekammion 5, so. sylinterin 4 männän liikettä käyttöelimien 10 ja 11, so. paineväliainelaitteiden 35 avulla. Edelleen ohjauspiiri voi ohjata suojalevyn 12 käyttölaitteen 13 toimintaa, ohjauspiiriin voi olla kytketty valokenno 17 tai muu ilmaisin ilmaisemaan 92875 6 aloitushetki, so. absorptiopaperin 2 paljastus alttiiksi pastanäytteelle. Kuten edellä on mainittu, mäntä 9 voi muodostua myös nestepatjasta, kuten mitattavasta päällystepastasta tai muusta nesteestä. Tällöin sylin-5 teri 4 on sijoitettu pystyyn, paperi 12 sylinterin alapäätä vasten. Tällöin paineväliaine on edullisesti kaasua, esim. ilmaa ja se johdetaan nesteväliaineesta muodostuvan männän yläpuolelle vastapainetilaan 10.with a control circuit which controls the measurement event and e.g. the pressure variation in the sample chamber 5, i.e. the control circuit can control the sample chamber 5, i.e. the movement of the piston of the cylinder 4 between the actuators 10 and 11, i.e. by means of pressure medium devices 35. Furthermore, the control circuit may control the operation of the drive 13 of the cover plate 12, a photocell 17 or another detector may be connected to the control circuit to detect the start time 92875 6, i.e. exposing the absorbent paper 2 to a paste sample. As mentioned above, the piston 9 may also consist of a liquid mattress, such as a coating paste or other liquid to be measured. In this case, the blade 4 of the cylinder-5 is placed vertically, the paper 12 against the lower end of the cylinder. In this case, the pressure medium is preferably a gas, e.g. air, and is led above the piston consisting of the liquid medium to the back pressure space 10.

Esimerkki 1 10 Tässä tutkimuksessa määrättiin paineen vaiku tus CMC-pastan (FF10, 8 %) tunkeutumisnopeuteen. Tutkimuksessa käytettiin kuvan 1 mukaista laitetta. CMC, jonka Brookfield-viskositeetti oli yli 1000, tarvitsi nollapaineessa paperiin penetroituessaan 0,5 mA sähkön-15 johtokyvyn saavuttamiseen 60 s. 0,5 bar paineen alaisena penetroituminen tapahtui 0,4 sekunnissa. Paineen vaikutus vesiretentioon oli aluksi voimakas ja pieneni paineen kasvaessa. Tulokset on esitetty kuvassa 2.Example 1 10 In this study, the effect of pressure on the penetration rate of CMC paste (FF10, 8%) was determined. The device shown in Figure 1 was used in the study. CMC with a Brookfield viscosity of more than 1000 required 60 s to penetrate the paper at zero pressure at zero pressure to achieve electrical conductivity of 15 mA. At 0.5 bar, the penetration occurred in 0.4 s. The effect of pressure on water retention was initially strong and decreased with increasing pressure. The results are shown in Figure 2.

Suoritusesimerklt on tarkoitettu ainoastaan 20 havainnollistamaan keksintöä ja keksinnön sovellutukset voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.The exemplary embodiment is intended to illustrate the invention only, and embodiments of the invention may vary within the scope of the appended claims.

Claims

92875

An apparatus for measuring the water retention of a paper coating paste, the apparatus comprising a substrate (1); 5 absorption paper (2) to be placed against the substrate; a sample chamber (5) delimited by the walls (4), in which the coating paste is intended to be placed and in which the absorbent paper is tightly bound; a sensor (6) for measuring the water retention on the absorption paperf and 10 pressurizing means (7) for pressurizing the sample chamber (5) so that the water retention can be determined under pressure; characterized in that the device comprises a cover plate (12) movably disposed in a pressure-tight manner in the sample chamber (5) and between the absorbent paper and provided with a drive device (13) so that the cover plate can be moved quickly off the absorbent paper to expose the absorbent paper to the sample chamber. and pressurized coating paste.

Device according to Claim 1, characterized in that the sample chamber (5) is associated with a cylinder (4) in which a piston (9) is provided, which is provided with operating means (10, 11).

Device according to Claim 2, characterized in that the drive elements (10, 11) consist of a back-pressure space (10) with pressure medium devices (11).

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the sensor (6) 30 consists of a current source (14) and a current meter (A) arranged to measure the electric current flowing through the absorption paper (2).

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the substrate (1) is transparent and that the sensor (6) consists of an optical sensor which measures the absorption of liquid into the base paper optically through the substrate by optical changes in the liquid paper 92875.

Device according to Claim 5, characterized in that the sensor (6) is a CCD camera. «92875