Tiina Gäddnäs OHUET MUOVIKERROKSET RULLAKÄÄRESSÄ TEKNISET MAHDOLLISUUDET JA NIIDEN VAIKUTUS KUSTANNUSRAKENTEESEEN EKSTRUUSIOPÄÄLLYKSESSÄ

Tiina Gäddnäs OHUET MUOVIKERROKSET RULLAKÄÄRESSÄ TEKNISET MAHDOLLISUUDET JA NIIDEN VAIKUTUS KUSTANNUSRAKENTEESEEN EKSTRUUSIOPÄÄLLYKSESSÄ Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ylempi ammattikorkeakoulututkinto Teknologiaosaamisen johtaminen koulutusohjelma Huhtikuu 2007

KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Teknologiaosaamisen johtaminen - koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työntekijä: Tiina Gäddnäs Työn nimi: Ohuet muovikerrokset rullakääreessä tekniset mahdollisuudet ja niiden vaikutus kustannusrakenteeseen ekstruusiopäällystyksessä Päivämäärä: 09.04.2007 Sivumäärä 77 + 12 liitettä Työnohjaajat:DI Rune Skåtar KTL Pekka Nokso-Koivisto Eräs ratkaisevimmista yrityksen menestymisen edellytyksistä on asiakkaiden tarpeiden tyydyttämisen hallinta. Kannattava toiminta edellyttää kuitenkin sitä, että tuotteiden valmistamiseen käytetyt raaka-aineet optimoidaan mahdollisimman vähäisiksi ja laadunvaihdot joustaviksi. Tässä opinnäytetyössä optimoitiin rullakääreen muovimäärä ilman, että tuotteen laatuominaisuudet kärsivät. Kirjallisuusosiossa tutustuttiin pakkauksille ja rullakääreille asetettuihin tavoitteisiin, ekstruusiopäällystykseen ja siinä käytettäviin raaka-aineisiin, muovin tarttuvuuden parantamiseen sekä kustannusrakenteeseen yksikkötasolla ja minimikalkyylin pohjalta. Kokeellisessa osiossa vertailtiin eri raakapapereiden karheuden vaikutusta mikroreikien määrään ja adheesioon, mahdollisimman ohuen muovimäärän käyttöä päällystämällä erilaisia raakapapereita ja mahdollisimman hyvän kosteussulun saamista laminaatteihin eri muoviseoksia käyttäen. Kokeellisessa osiossa vertailtiin myös teollisesta koesuunnittelusta saatuja tuloksia "yksi kerrallaan-kokeen" tuloksiin. Näiden tulosten pohjalta laskettiin yksikkötason kustannukset nykyiseen tuotteeseen verrattuna. Laadullisesti riittävään kosteudensulkuun rullakääreissä päästään vähentämällä perusmuovin määrää 25 prosenttia nykyisestä muovimäärästä. Tätä alhaisemmilla muovimäärillä joudutaan perusmuoviin lisäämään lisäaineita, jotta kosteudensulkuominaisuudet säilyisivät asiakkaan vaatimalla tasolla. Nämä lisäaineet ovat kalliimpia kuin perusmuovi, joten niiden käyttöä on harkittava tuotekohtaisesti. Sileitä raakapapereita käytettäessä on adheesio parempi vähäisemmillä päällystysmäärillä kuin karheita raakapapereita käytettäessä. Koesuunnittelusta saadut tulokset antavat vastaavia tuloksia kuin "yksi kerrallaan - koe", joten sen laajempaa käyttömahdollisuutta Minitab 14 ohjelmalla laskettuna suositellaan kokeiltavaksi uusissa koeajosarjoissa. Avainsanat: ekstruusiopäällystys, rullakääre, kosteudensulku

CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENSES Master s Degree for Technology Competence Management ABSTRACT Author: Tiina Gäddnäs Name of thesis: Thin polethylene layers in reel wrappers technical possibilities and their impact on the cost structure in extrusion coating Date: 09.04.2007 Pages 77 + 12 appendices Supervisors: Rune Skåtar Pekka Nokso-Koivisto One of the most crucial factors in the success of a company is the effective management of customer needs satisfaction. Profitable operations require minimizing the amount of raw materials used in production as far as possible and ensuring maximum flexibility in quality changes. This thesis illustrates the optimization of polyethylene (PE) amounts without affecting moisture barrier properties. The theoretical part of the thesis presents the targets set for packaging and reel wrapping, extrusion coating and raw materials used, the improvement of PE adhesion and the costs of reel wrappers on the basis of unit level costs and minimum calculations. The experimental part compares the impact of base paper roughness on adhesion, use of the thinnest possible PE amount on various base paper grades and the achievement of an optimal moisture barrier on laminates by using different PE compounds. A comparison is made of the results by experimental design methods such as "off line quality control" and those by individual testing methods. The profitability level compared to the existing product is then calculated on the basis of these results. In qualitative terms, an adequate moisture barrier in reel wrappers can be achieved by decreasing the amount of base PE by 25 % from the present PE amount. If this figure exceeds 25% additives are needed to maintain moisture barrier properties on levels required by customers. Since these additives are more expensive than base PE their use is carefully considered product by product. Adhesion is more effective with less coating when using rough base paper grades than smooth base paper grades. The results by experimental design methods prove to be the same as those by individual testing methods. Therefore, experimental design methods are highly recommended in the development of new products. Key words: extrusion coating, reel wrap, water vapour permeability

ESIPUHE Helmen lailla tiedon, taidon mailla poimin pienen opin murun, onnen jyvän, hyvän olon. Tarja Raninen Talviset maisemat näkyvät ikkunasta, kun pakerran tämän opinnäytetyöni kanssa. Tietenkin kirjoittaminen tuli aloitettua liian myöhään, niin kuin tavallista. Jos minulla ei olisi viime tinkaa, en saisi mitään valmiiksi. Opiskelu tuntuu raskaalta ja sitä toivoo vain, että kaikki olisi ohi, mutta sitten tuo edellä mainittu runo pysäyttää. Tämä opiskelu onkin antanut valtavasti, ei ottanut. Olen saanut ihania ystäviä opiskelun tiimoilta. Yhdessä koetut ajat lähijaksojen aikana ja yhteydenotot niiden välillä ovat tukeneet minua ja heidän ansiostaan saan tämän valmiiksi, en enää pakosta vaan hymy huulilla. Haluan kiittää heitä tuesta opintojeni aikana sekä toivon, että yhteydenpitomme jatkuisi myös toukokuun jälkeen. Työnantajani on mahdollistanut tämän opiskelun, joten suuri kiitos kuuluu myös sinne erityisesti työantajan edustajalle eli esimiehelleni Runelle. Uffelle haluan antaa erityiskiitokset kaikista tunneista, joita hän on kuluttanut ajamalla tässä työssä olleet koepisteet. Markku on antanut minulle tietoa muoveista ja mahdollisti koeajon Porvoossa, joten kiitokset avusta. Haluan myös muistaa kaikkia Walki Wisan laborantteja ja Siggeä, joiden ansiosta näiden koeajojen tulokset ovat nyt kaikkien käytettävissä. Kielenkääntäjä Kirstille ja Alexille kuuluu osa kiitoksista, ilman teitä en olisi saanut joustavaa käännöstä aikaiseksi. Perheelleni kuuluu kuitenkin kaikista suurin KIITOS. He ovat huolehtineet siitä, että kotiin on aina ollut kiva palata opiskelemasta. Kiitos kaikille muillekin tuesta erikseen nimiä mainitsematta! Pietarsaaressa maaliskuussa 2007

KÄYTETYT KÄSITTEET JA MÄÄRITELMÄT a Adheesio Ajonopeus Barriääri Blendi BLMG Butaani C1S-paperi C2S-paperi C 2 H 4 Delta Dielektrinen Draw-down E Ekstruusiopäällystys Elektrodi Epoksi Estokerros Muovin leveys. Päällysteen tarttuminen alusrataan ja sen kiinni pysyminen. Paperin ratanopeus eli nopeus, jolla paperirata liikkuu päällystyskoneessa. Yksikkönä on yleensä m/min. Tiiveys. Muoviin granulaattivaiheessa kylmänä sekoitettu lisäaine. Valkaistu MG-laatu. Kts. MG-paperi. Butaani eli n-butaani (C 4 H 10 ) on väritöntä, tulenarkaa ja helposti nesteytettävää kaasua. Yksi puolisisti päällystetty paperi. Kaksi puolisesti päällystetty paperi. Eteeni. Muovin valmistuksen raaka-aine. Taguchi menetelmässä erotus. Eriste, jossa positiiviset ja negatiiviset varaukset on sidottu toisiinsa. PE:n vetoarvo. Karakteristinen aktivointienergia. Ratamuotoisen materiaalin päällystäminen sulalla muovikalvolla. Sähköisen virtapiirin osa, jossa tapahtuu siirtyminen metallisesta sähkönjohtumisesta ionien tai vapaiden elektronien sähkönjohtumiseen. Kertamuovi, joka kovettuu kovettajan avulla. Ainekerros, joka tavanomaisessa tai ennalta arvattavassa käytössä vähentää aineosien siirtymisen sen takana olevista kerroksista.

f Suuttimen etäisyys. f a Muovin kurouma. g/m²/ 24 h Grammaa neliömetrille yhden vuorokauden aikana. g/10 min Polyeteenin sulaindeksi ilmaistuna grammoina 10 minuuttia kohden. Granulaatti 100 prosenttinen muovirae. h Nippietäisyys. HDPE Korkean tiheyden polyeteeni (High density PE). Hydroksyyliryhmä Alkoholin funktionaalinen ryhmä. Impedanssi Sähköinen vaihtovirtavastus. jm Juoksumetrimäärä rullassa. Kertamuovi Muovi, jota ei voida jälkikäteen muovailla. Kestomuovi Muovi, jota voidaan toistuvasti muovata lämmön ja paineen avulla. Kitka Kahden kiinteän kappaleen ja niiden toisiaan koskettavan pinnan välissä ilmenevä liikettä tai liikkeen alkamista vastustava voima. Koekstruusio Menetelmä, jossa kahdella tai useammalla ekstruuderilla syötetään samaa suutinta. Koronakäsittely Radan käsittely, jotta muovin tarttuvuus saadaan paremmaksi. KS Konesuunta. Kurouma (Neck-in). Muovin kapeneminen. Kuumasaumautuminen Kahden materiaalin toisiinsa liittäminen lämmön avulla. LA 1 Lisäaine 1. LA 2 Lisäaine 2. LAM Laminaattori. LDPE Matalan tiheyden polyeteeni (Low density PE). LD/D 24D/ 114 mm Ruuvin pituus (pituus 24 * halkaisija 114).

L/D ruuvin pituuden ja halkaisijan suhde. Lepokitka Estää kappaletta lähtemästä liikkeelle. Lepokitka on muuttuva voima. Suurinta lepokitkan arvoa sanotaan lähtökitkaksi. Level Taguchi menetelmässä taso. Lipeä Natriumhydroksidi. LK Liekkikoronointi. Metaani (CH 4 ). Yksinkertaisin hiilivety ja alkaani. MB (Masterbach). Muoviin sekoitettava lisäaine. Syöttö tapahtuu erillisesti ruuvista. MF-paperi (Machine Finished). Konekiiltoinen paperi. Pinta karheahkoa, paperikoneen kalanterilla puristettua. MFI (Melt low index). Kts sulaindeksi. MG-paperi (Machine Glazed). Toispuolisesti konekiillotettu paperi. Molekyylipaino Atomimassayksiköissä ilmoitettu molekyylipaino. Muovi Polymeerien ja lisäaineiden kaupallinen yhdiste. m/ min Ajonopeuden yksikkö. Metriä minuutissa. Neck-in Kts. kurouma. Nippipaine Puristuspaine nipissä. Organoleptinen Aisteihin perustuva. Otsonointi Paperiradan yksi käsittelytapa, jotta tarttuvuus muovin ja alusradan välillä saadaan paremmaksi. P Vesihöyryn paine. P 0 Paperi Pintaenergia PE Polyeteeni Vesihöyryn normaalipaine. Kuiduista puristamalla valmistettu yleinen kulutustavara. Määrittää materiaalin tarttuvuuden. Polyeteenin lyhenne. (PE). Käytetyin muovi ympäri maailmaa.

Polymeeriketju Molekyyliketju. Polymerointi Raaka - aineen pienet molekyylit yhdistyvät katalyyttien vaikutuksesta isoiksi polymeerimolekyyleiksi. Polyolefiini Ryhmä, joka sisältää PE ja PP muovit. PS Pituussuunta. Puhkaisulujuus Paperin pintaa vastaan kohtisuoraan vaikuttavan paineen suurin arvo, jonka testikappale kestää tämän kokeen oloissa. Päällystys Yhden tai useamman kerroksen levittäminen ratamateriaalin päälle. R Yleinen kaasuvakio. Rank Taguchi menetelmässä järjestys. Rasvatiiveys Rasvaa hylkivän päällysteen ominaisuus. Repäisylujuus Keskimääräinen voima, joka vaaditaan repäisyn jatkamiseen yhteen paperiarkkiin tehdystä alkuleikkauksesta. RH Suhteellinen kosteus. rpm (Rotations per minute). Kierrosnopeuden yksikkö. Kierrosta minuutissa. Ruuvi Ekstruusiolinjassa muovin työstöön tarkoitettu kappale. SC-paperi (Super Calandered). Superkalanteroitu paperi, kalanterointi suoritetaan erillisenä jälkikäsittelynä. Shore Kovuuden vertailuluku. Saadaan, kun 205 kg:n painoinen vasara pudotetaan lasiputkessa tietyltä korkeudelta ja annetaan kimmota tutkittavaan aineeseen. SK Sähkökoronointi. SK/ Otsoni Sähkökoronointi ja otsonointi. Sulaindeksi Polymeerimäärä, mikä valuu standardoidun kokoisesta aukosta standardoidussa lämpötilassa standardoidun voiman alaisena

T' UG-paperi VICAT Voimapaperi WVTR (24 h) Yksikköprosessi 10 minuutissa. Taguchi - sarjassa keskiarvojen keskiarvo. (Unglazed). Kalanteroimaton eli kiillottamaton paperilaatu. Muovin pehmenemispiste. Luja paperi, joka on valmistettu lähes täysin valkaisemattomasta sulfaattisellusta. Vesihöyrynläpäisevyys yhden vuorokauden aikana. Koneen osatoiminto.

SISÄLLYS 1 JOHDANTO... 1 1.1 YLEISTÄ... 1 1.2 TUTKIMUSONGELMA... 1 1.3 TUTKIMUKSEN MENETELMÄT JA RAKENNE... 2 2 PÄÄLLYSTYS JA LAMINOINTI PAKKAUSMATERIAALEISSA... 4 3 EKSTRUUSIOPÄÄLLYSTYS... 10 3.1 AUKIRULLAIN... 11 3.2 KIINNIRULLAIN... 12 3.3 RUUVI JA SYLINTERI... 12 3.4 ADAPTERI... 14 3.5 SUUTIN... 14 3.6 LAMINAATTORI... 15 3.7 REUNANAUHALEIKKURIT... 17 4 MUOVIN TARTTUVUUTEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT... 18 4.1 PÄÄLLYSTYSMUOVIN LAATU... 18 4.2 PÄÄLLYSTETTÄVÄN MATERIAALIN LAATU... 18 4.3 PROSESSIOLOSUHTEET... 19 4.4 RADAN ESIKÄSITTELY... 20 4.4.1 Sähkökoronointi... 20 4.4.2 Liekkikorona... 22 4.4.3 Otsonikäsittely... 23 4.5 KOEKSTRUUSIO... 24 5 EKSTRUUSIOPÄÄLLYSTYKSESSÄ KÄYTETTÄVÄT RAAKA- AINEET... 25 5.1 PÄÄLLYSTYSMUOVIT JA NIIDEN OMINAISUUDET... 25 5.1.1 Polyeteeni PE... 26 5.1.1.1 Vesihöyryntiiveys... 27 5.1.1.2 Lujuusominaisuudet... 28 5.1.1.3 Pintaominaisuudet... 28

5.1.1.4 Haju ja maku... 29 5.1.1.5 Ajettavuus... 29 5.1.1.6 Kuumasaumautuvuus... 30 5.1.1.7 Pehmenemispiste, kovuus, kylmänkesto... 31 5.1.1.8 Kemiallinen kestävyys... 31 5.1.2 Lisäaineet... 31 5.2 EKSTRUDOITAVAT PAPERITUOTTEET JA NIIDEN OMINAISUUDET... 32 5.2.1 Lainerit... 33 5.2.2 Voimapaperit... 33 5.2.3 MF - paperit (Machine Finished)... 33 5.2.4 SC - paperit (Super Calandered)... 34 5.2.5 MG - paperit (Machine Glazed)... 34 5.2.6 Yksipuolisesti päällystetyt paperit C1S (Coated 1 Side)... 34 6 EKSTRUUSIOPÄÄLLYSTYKSEN LAADUNVALVONTA... 35 6.1 PÄÄLLYSTEEN MÄÄRÄ... 35 6.2 PÄÄLLYSTEEN TARTTUVUUS ELI ADHEESIO... 35 6.3 VESIHÖYRYNLÄPÄISEVYYS... 35 6.4 MUUT VAATIMUKSET... 37 7 MUOVIPÄÄLLYSTETYN PAPERIN KUSTANNUSRAKENNE... 38 8 TEOLLINEN KOESUUNNITTELU... 40 8.1 TAGUCHI - MENETELMÄ... 40 8.2 "YKSI KERRALLAAN KOE"... 42 9 KOKEELLINEN OSIO... 43 9.1 KÄYTETYT RAAKA - AINEET... 43 9.2 KOEAJOLAITTEISTOT... 45 9.2.1 Pilot - ekstruusiolinja PP4... 45 9.2.2 Beloit - päällystyslinja... 47 9.3 KOEAJOT... 49 9.3.1 Raakapapereiden karheuden vaikutus mikroreikiin ja adheesioon... 50 9.3.2 Esikäsittelyn vaikutus adheesioon ja mikroreikiin... 51 9.3.3 Eri raakapapereiden, päällystemäärien ja muoviyhdistelmien

vaikutus vesihöyrynläpäisevyyteen... 56 9.3.4 Teollinen koesuunnittelu eli Taguchi-menetelmä... 63 10 ANALYSOINTI JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 70 LÄHTEET... 73 LIITTEET

KAAVIO 1 Taguchi - menetelmän systeemisuunnittelun muuttujat esitettynä kalanruotokaaviona...41 KAAVIO 2 Raakapaperin karheudet suhteessa päällystemäärään...50 KAAVIO 3 Esikäsittelyn vaikutus mikroreikien määrään 125 TL1 - laadulla....52 KAAVIO 4 Esikäsittelyn vaikutus mikroreikien määrään 125 TL2 - laadulla....53 KAAVIO 5 Esikäsittelyn vaikutus mikroreikien määrään 125 KL - laadulla. 53 KAAVIO 6 Esikäsittelyn vaikutus mikroreikien määrään 120 UG - laadulla. 54 KAAVIO 7 Esikäsittelyn vaikutus mikroreikien määrään 80 BLMG - laadulla....54 KAAVIO 8 Raakapapereiden karheuden vaikutus adheesioon eri esikäsittelymenetelmiä käyttäen. Päällystemääränä kaikissa pisteissä 12 g/m² muovia...55 KAAVIO 9 Absoluuttinen kosteudensulku suhteessa päällystemäärään laminaatissa, jossa raakapaperina kaksi UG - laatua....57 KAAVIO 10 Absoluuttinen kosteudensulku suhteessa päällystemäärään laminaatissa, jossa raakapaperina kaksi KL - laatua...58 KAAVIO 11 Absoluuttinen kosteudensulku suhteessa päällystemäärään laminaatissa, jossa raakapaperina UG - ja TL - laatu....58 KAAVIO 12 Absoluuttinen kosteudensulku suhteessa päällystemäärään laminaatissa, jossa raakapaperina kaksi TL1 - laatua....59 KAAVIO 13 Absoluuttinen kosteudensulku suhteessa päällystemäärään laminaatissa, jossa raakapaperina KL - ja TL1 - laatu...59 KAAVIO 14 Lisäaine 1:n lisääminen perusmuovin joukkoon ja sen vaikutus kosteudensulkuun esimerkkinä laminaatissa UG// TL1 - laminaatti...60 KAAVIO 15 Muovisekoitusten neliöhinta suhteessa vesihöyryntiiveyteen laminaatissa UG// TL1...62 KAAVIO 16 Vesihöyrynläpäisevyyteen eniten vaikuttavat tekijät Minitab 14 - ohjelmalla laskettuna....66 KAAVIO 17 Haluttu lisäaine 2 määrä laminaatissa, kun päällystemääränä 15 g/m² muovia...69

KUVIO 1 Tutkimuksen kuvaus: "Ohuet muovikerrokset rullakääreessä tekniset mahdollisuudet ja niiden vaikutus ekstruusiopäällystyksessä...3 KUVIO 2 Raakapaperirullat pakattuina painettuun rullakäärelaminaattiin. (Nylund, 1996.)...6 KUVIO 3 Juomukuvion syntyminen pakkaamattomassa ja pakatussa rullassa. (Walki Reel Rullakääreet, 2006.)...7 KUVIO 4 Rullakääreen kosteuspitoisuuden ja ilmankosteuden välinen yhteys. (Walki Reel Rullakääreet, 2006.)...8 KUVIO 5 Ekstruusiolinja. (Skåtar, 2006, 7.)...10 KUVIO 6 Ekstruuderin muodostavat sylinteri ja sen sisällä pyörivä ruuvi. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 75.)...13 KUVIO 7 Sihtipakka. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 76.)...14 KUVIO 8 T - suutin ja henkarisuutin. (Savolainen, 1998, 142.)...15 KUVIO 9 Laminaattorin ja ekstruuderin säätömahdollisuudet. (Karzes, 1991.)...16 KUVIO 10 Reunanauhaleikkuri....17 KUVIO 11 Suuttimen etäisyys paperiradasta ja kurouman muodostuminen. (Savolainen, 1998, 175.)...19 KUVIO 12 Alusradan käsittelyyn tarkoitettu koronalaitteisto. (Gramm, 1998, 10.)...21 KUVIO 13 Vesijäähdytteinen liekkikäsittelypoltin. (Lindland, Granville, 1990, 897-904.)...23 KUVIO 14 Otsonikäsittelyn periaate. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 87.)...24 KUVIO 15 LDPE:n, LLDPE:n ja HDPE:n kemiallisten rakenteiden erot. (Polymeerien kemiallinen rakenne, 2004.)...27 KUVIO 16 PE:n tiheyden vaikutus vesihöyrynläpäisevyyteen eri päällystemäärillä. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 64.)...28 KUVIO 17 PE:n sulaindeksin ja tiheyden vaikutukset eri ominaisuuksiin. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 68.)...30 KUVIO 18 Voimapaperin, KL:n, VTL:n ja TL:n kerroskoostumus. (Nylund, 2006.)...33

KUVIO 19 Vesihöyrynläpäisevyys mittaus. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 57.)...36 KUVIO 20 Tuotekohtaiset, asiakaskohtaiset ja infrastruktuurikustannukset. (mukailtu, Cokins, 1996, 34.)...38 KUVIO 21 Minimikalkyylin kaava. (Karjalainen, 2005.)...39 KUVIO 22 WAW Pietarsaaren Pilot - ekstruuderi...46 KUVIO 23 Beloit päällystyslinja. (Borealis Polymers Oy, 2007.)...48 KUVIO 24 Laminaatin koostumus (alla) ja nykyiset Walki Wisan rullakäärelaadut. (mukailtu Nylund, 2006.)...56

TAULUKKO 1 Paperin/ kartongin yhdistelmien edut (mukailtu Borealis Polymers Oy, 1997)...5 TAULUKKO 2 Normaalin pakkauksen kääresuositukset (mukailtu Metsäteollisuuden vahinkotorjuntaneuvottelukunta, 1996)...9 TAULUKKO 3 LDPE:n tärkeimmät päällystelaadut ja ominaisuudet (mukailtu Seppälä ym. 1999, 65)...26 TAULUKKO 4 L12 - matriisi (mukailtu Karjalainen, 2006)...42 TAULUKKO 5 Kokeellisessa osiossa käytetyt raakapaperit...44 TAULUKKO 6 Käytettyjen muovien ominaisuudet (Borealis Polymers Oy, 2006)...45 TAULUKKO 7 Pilot - ekstruusiolinjan tekniset tiedot (mukailtu Walki Wisa, 2006)...47 TAULUKKO 8 Beloit - päällystys - linjan tekniset tiedot (Laiho, 2007)...49 TAULUKKO 9 Eri paperit ja päällystysmäärät Borealis Porvoo Oy:n Beloit - linjalla...51 TAULUKKO 10 Laminaattien kustannuslaskenta Pietarsaaressa olevalle ekstruusiolinja LAM 109:lle...61 TAULUKKO 11 Systeemisuunnittelun pohjalta valitut tärkeimmät kosteudensulkuun vaikuttavat tekijät...63 TAULUKKO 12 L12-matriisin perusteella suoritetut koeajopisteet...64 TAULUKKO 13 L12 - matriisin pohjalta tehdyn koeajon kosteudensulkutulokset......65 TAULUKKO 14 (AVE) - vastetaulukko...65

1 1 JOHDANTO 1.1 Yleistä Kääreen perustehtävänä on säilyttää pakattu tuote laadultaan ja ominaisuuksiltaan muuttumattomana valmistajalta käyttäjälle. Oikein suunnitellut ja toteutetut pakkaukset suojaavat tuotteita, säästävät tilaa, rahaa ja ympäristöä. Muovit muodostavat nykyään erittäin suuren osan pakkausteollisuuden raakaaineista. Samalla, kun kääremateriaalien jalostus on kehittynyt, ovat vaatimukset lisääntyneet ja paperin ominaisuudet eivät enää riitä. Koska usein yksi ainoa materiaali ei pysty aina täyttämään sille asetettuja vaatimuksia, antavat sopivasti valitut raaka-aineet ja jalostustekniikka tuotteelle asetetut ominaisuudet. Yhdistämällä paperin ja muovin, saamme materiaalin, joka täyttää sekä lujuus- että kosteudensuojavaatimukset. Määrätietoisen kehitystyön tuloksena kääremateriaalit ohenevat ilman, että niiden ominaisuudet huononevat. Näin on myös Walki Wisa Oy:n Pietarsaaren tehtaalla ja yksi tämän opinnäytetyön aiheista onkin muovin vähentäminen rullakääreessä ilman että tuotteiden lujuus- ja kosteudensulkuominaisuudet heikkenevät. Tässä opinnäytetyössä otetaan huomioon erilaiset raakapaperien karheudet, perusmuovi ja siihen lisättävät erikoismuovit, ajettavuus ja yksikkötason kustannuslaskelma sekä eri koronakäsittelyjen eroavuudet, jotta mahdollisimman kannattava ja asiakkaan tarpeita tyydyttävä rullakääre saadaan aikaiseksi. 1.2 Tutkimusongelma Tutkimusongelman keskeinen kysymys oli, miten muovimäärää voidaan vähentää hallitusti ilman, että laadulliset ominaisuudet heikkenevät. Alatutkimusongelmia olivat, miten tämä tehdään ja vaikuttaako tehdyt ratkaisut raaka ainekustannuksiin?

2 1.3 Tutkimuksen menetelmät ja rakenne Tämän opinnäytetyön päätavoite oli saada teollisen rullakääreen valmistaminen kannattavammaksi optimoimalla muovin määrä ja erilaiset raakapaperit, jotta laadulliset tavoitteet saavutetaan. Alatavoitteena oli määritellä eri paperien karheustasoille mahdollisimman alhainen muovimäärä. Alatavoitteen tuloksia tullaan jatkossa käyttämään kehitettäessä uusia alhaisempia muovimäärältään olevia tuotteita. Opinnäytetyö tehtiin Walki Wisa Oy Pietarsaaren tehtaille syksyn 2006 ja kevään 2007 aikana. Työ on osa koko UPM-Kymmene Oyj:tä koskevaa 300Tprojektia, jossa läpikäytiin erilaisia mahdollisia säästökohteita. Opinnäytetyö tehtiin ongelmalähtöisestä tilanteesta ja työ oli kokeilevaa tutkimusta. Työ suoritettiin kuviossa 1 olevan mallin mukaisesti. Aluksi määriteltiin yhdessä työnantajan edustajan kanssa työnaihe ja - ongelma. Määritetyn aiheen pohjalta etsittiin työhön liittyvää teoriaa. Kokeellisessa osassa käytettyjen muovien eri lisäaineiden mahdolliset vaikutukset kosteudensulkuun ja sen parantamiseen saatiin aikaisemmin vuoden 2005 Walki Wisa Oy:llä tehtyjen koeajojen perusteella. Tässä opinnäytetyössä johdattelu ja tutkimuksen menetelmät ja rakenteet käsiteltiin ensimmäisessä pääluvussa. Pääluvuissa 2 8 käytiin läpi opinnäytetyön teoreettista sanastoa. Pääluvussa 9 esiteltiin tämän kehitystyön kokeellinen osio. Analysointi ja johtopäätökset selvitettiin pääluvussa 10. Pääluvussa 10 pohdittiin myös mahdollisia jatkotutkimuksien aiheita, joita syntyi tehtäessä tätä opinnäytetyötä. Tutkimus rajattiin siten, että päällystysmenetelmistä käytiin läpi vain rullakääreiden valmistus ekstruusiopäällystystekniikalla. Raaka aineet rajattiin rullakääreissä käytettäviin raakapapereihin ja muovin osalta käsiteltiin vain LDPE ja siihen lisättävät kaksi eri lisäainetta. Laadullisista ominaisuuksista käsiteltiin vesihöyrynläpäisevyys, mikroreikien määrä ja adheesio ja kustannusrakenteessa otettiin huomioon vain LDPE:n ja lisäaineiden hinnat.

3 KUVIO 1 Tutkimuksen kuvaus: "Ohuet muovikerrokset rullakääreessä tekniset mahdollisuudet ja niiden vaikutus ekstruusiopäällystyksessä.

4 2 PÄÄLLYSTYS JA LAMINOINTI PAKKAUSMATERIAALEISSA Pakkausmateriaalien valmistuksessa päällystyksellä tarkoitetaan yhden tai useamman yleensä juoksevassa tai pastamaisessa olotilassa olevan kerroksen levittämistä ratamaisen materiaalin pinnalle ja sen kiinnittämistä ja kovettamista radan pintaan jollakin menetelmällä. Laminoinnissa paperi tai kartonki päällystetään filmi- tai muovikalvolla. Laminointi voi olla kiiltävää tai mattapintaista. Laminoinnilla tarkoitetaan vastaavasti kahden tai useamman pakkauskalvon tai - paperin liittämistä yhteen esimerkiksi liimaamalla tai kuumentamalla. (Stolpe, 1975, 16.) Pakkauksissa ja kääreissä tarvitaan käyttökohteesta riippuen vesi-, vesihöyry -, kaasu-, aromi - tai rasvatiiveyttä. Useimmat näistä ominaisuuksista edellyttävät täyttä reiättömyyttä mikrotasolla ja sopivaa kemiallista rakennetta, jota paperin kuituverkkorakenteella ei ole mahdollista saavuttaa. Puhutaan estokerroksesta tai barriääristä, (Seppälä, Grönstrand, Karhuketo, Törn, 1999, 22.) joka saavutetaan käyttämällä erilaisia muoveja tai niiden yhdistelmiä. Paperilla on vastaavasti ylivoimainen leikkaantumislujuus muoveihin nähden ja sen vuoksi paperipohjainen kääre kestää teräviä kulmia ja leikkaavia reunoja yllättävän hyvin kuljetuksen eri vaiheissa. (Järvi-Kääriäinen, Leppänen-Turkula, 2002, 152.) Taulukossa 1 on kuvattu paperin/ kartongin ja muovien yhdistelmien edut. Tärkeä tekijä kaikissa kuljetuspakkauksissa ja kääreissä on myös oikea kitka. Paperi on erinomaisen turvallinen kulkualusta myös vesisateessa tai talvella. Paperin ja muovin yhdistelmä on edullinen vaihtoehto kondensoivissa olosuhteissa, koska paperi pystyy varastoimaan itseensä jonkin verran kosteutta ja haihduttamaan sen pois myöhemmin muovin estäessä kosteutta pääsemään itse tuotteeseen. (Järvi-Kääriäinen, ym. 2002, 155.)

5 TAULUKKO 1 Paperin/ kartongin yhdistelmien edut (mukailtu Borealis Polymers Oy, 1997) Alusrata/ kartonki Lujuus Jäykkyys Painettavuus Läpäisevyys Helppo käsiteltävyys, työstettävyys Taloudellisuus Saatavuus Kierrätettävyys LDPE Kosteussuoja Kuumasaumautuvuus Sopiva ulkonäkö (kiiltävä, matta) Puhtaus, hygieenisyys Kemikaalinkestävyys Helppo työstettävyys Hyvä adheesio Ei haju- eikä makuvaikeuksia Läpinäkyvyys Elintarvikepakkaushyväksyntä Taloudellisuus Sopivuus polttoon Teollisuuskääreitä, joita kutsutaan myös raskaiksi kääreiksi, käytetään pääasiassa paperi- ja kartonkiteollisuudessa, mekaanisessa puunjalostusteollisuudessa ja terästeollisuudessa. Kääreiden pääasiallinen tarkoitus on suojata tuotteita kuljetuksen ja varastoinnin aikana mekaanisilta vaurioilta, lialta, kosteudelta ja pölyltä. Kääreet toimivat myös mainosvälineenä, mutta tärkeämpää on, että kääreisiin voidaan painaa tuotetiedot ja käsittelyohjeet. Kokemus on osoittanut, että painettuja rullia käsitellään varovaisemmin kuin painamattomia rullia, koska ne yksinkertaisesti antavat arvokkaamman vaikutelman. Kääreen valinnassa on otettava huomioon muun muassa pakattavan rullan paino, käsittelykertojen määrä, kuljetuksen pituus, kuljetustapa ja paperin laatu. Lujaa käärettä tarvitaan vaativiin kuljetuksiin, suurille rullille ja arvokkaille paperilaaduille. Rullakäärelaminaatteja on saatavissa useita eri vahvuuksia. Markkinoilla on myös

6 erikoiskäärettä kuumasaumaus prosessiin (hotpack). Kuviossa 2 nähdään raakapaperi pakattuna rullakäärelaminaattiin. KUVIO 2 Raakapaperirullat pakattuina painettuun rullakäärelaminaattiin. (Nylund, 1996.)

7 Pakkaamaton paperirulla pääsee imemään kosteutta ympäristöstään rajattomasti. Tämä aiheuttaa paperiin juomukuvioita (piping), joita voi esiintyä usean senttimetrin syvyydessä paperirullassa (kuvio 3). Juomukuvioita on myös mahdoton poistaa yksittäisestä paperiarkista. Rullakääreen muovikerros estää tehokkaasti juomukuvioiden muodostumista. Normaaleja varastoaikoja noudattamalla ilmiö hidastuu, eikä rullaan tule lainkaan juomukuvioita (Walki Reel Rullakääreet, 2006). KUVIO 3 Juomukuvion syntyminen pakkaamattomassa ja pakatussa rullassa. (Walki Reel Rullakääreet, 2006.) Jotta rullakääre toimisi parhaalla mahdollisella tavalla, on kääreen kosteuspitoisuuden oltava tasapainossa pakkauskoneella vallitsevan suhteellisen ilmankosteuden kanssa. Tämä on erityisen tärkeää harvemmin käytetyissä kääreleveyksissä. Toimitettavan rullan kosteuspitoisuus on 8 12 prosenttia, jolloin ilmankosteuden pakkauskoneella tulee olla noin 40 prosenttia (kuvio 4). Mikäli suhteellinen ilmankosteus on liian matala, alkaa kääre kuivaa ja sen lujuusominaisuudet heikkenevät. Näiden lisäksi kääreen taite- ja käyristymisriski kasvavat. (Walki Reel Rullakääreet, 2006.)

8 KUVIO 4 Rullakääreen kosteuspitoisuuden ja ilmankosteuden välinen yhteys. (Walki Reel Rullakääreet, 2006.) Metsäteollisuuden vahinkotorjuntaneuvottelukunnan (VTN) rullapakkaussuositusryhmä on vuonna 1992 (päivitetty 1998) laatinut rullakääreitä koskevat yleiset pakkausvaatimukset. Pakkaukset jaotellaan rullapakkausryhmän mukaan kevyisiin -, normaaleihin - ja vahvistettuihin kääreisiin. Taulukosta 2 nähdään normaalin pakkauksen kääresuositukset.

9 TAULUKKO 2 Normaalin pakkauksen kääresuositukset (mukailtu Metsäteollisuuden vahinkotorjuntaneuvottelukunta, 1996) OMINAISUUS Kääremateriaali Käärekierrosten lukumäärä Neliömassa ARVO Paperipohjainen kosteussuojalaminaatti 3 kpl 220 g/m² Kitka 0,45 Hankauslujuus 100 Vesihöyrynläpäisy Vetolujuus KS Vetolujuus PS Repäisylujuus PS < 5 g/m²/ 24 h 18 kn/m 10 kn/m 4 N Venymä PS 6-7 % Kosteus 8 11 % Kosteusprofiili ± 2 % Pään käyristyminen Vaipan tukiliimaus/ saumaus Taitteen leveys Taitteen liimaus/ saumaus ei käyristy suositellaan 100 250 mm suositellaan

10 3 EKSTRUUSIOPÄÄLLYSTYS Ekstruusiopäällystys on tapahtuma, jossa lämmön ja mekaanisen työn avulla huoneenlämpöiset kiinteät 100 % muovigranulaatit plastisoidaan ja pakotetaan paineen avulla suuttimen läpi alusrataan. Tämä prosessi antaa muovituotteelle halutun muodon ja dimensiot. Suuttimesta tullut tuote jäähdytetään veden tai ilman avulla lopulliseen muotoonsa. Ekstrudoimalla valmistetulle tuotteelle eli ekstrudaatille on ominaista tuotteen poikkileikkauksen muuttumattomuus ja itse valmistusprosessille jatkuvatoimisuus tuottaa suurella nopeudella varsin ohutta sulaa filmiä mahdollisimman tasaisesti ja hallitusti. (Järvelä, Laaksonen, 2006.) Ekstruusiopäällystys ja laminointi ovat yksi taloudellisimmista ja monipuolisimmista tavoista valmistaa yhdistelmätuotteita. Päällystysmenetelmät jaetaan ekstruusio- ja koekstruusiopäällystykseen. (Laiho, 1991, 6.) Kuviossa 5 on tyypillinen ekstruusiopäällystyslinja, johon on merkitty molemmat aukirullaimet, esi ja jälkikorona, ekstruuderi ja kiinnirullain. Aukirullain Ekstruuderi Aukirullain Esikorona Jälkikorona Kiinnirullain KUVIO 5 Ekstruusiolinja. (Skåtar, 2006, 7.)

11 Ekstruusiolinja on ulkomitoiltaan huomattavasti pienempi kuin paperikone. Sen ulkomitat ovat kymmenestä kolmeenkymmeneen metriin, leveys kahdesta kuuteen metriin ja korkeus kahdesta viiteen metriin. Rataleveys on yleensä yhden ja neljän metrin välimaastossa. Ekstruusiolinjan ajonopeudet ovat 100 800 m/ min, usein 300 metrin tietämissä. (Seppälä ym. 1999, 27.) Ekstruuderin olennaiset ja muovin kulun kannalta tärkeimmät osat ovat: Siilo/ laatikko Raeimuri Syöttösuppilo Ruuvi/ sylinteri Adapteri Suutin Laminaattori/ jäähdytys ja puristintela Jotta päällystettävää materiaalia voitaisiin käsitellä, on ekstruusiolinjassa oltava myös samat perusosat kuin muissakin päällystyslinjoissa. Näillä yksikköprosesseilla tapahtuu tietty toimenpide ja prosessi saadaan hallintaan. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 7.) 3.1 Aukirullain Ratamuotoisen materiaalin syöttö ekstruusiokoneeseen tapahtuu aina jonkinlaisesta aukirullauspukista. Aukirullaimella on monta tehtävää. Sen ensimmäinen tehtävä on kannatella raakarullaa. Toinen rullapukkiin liittyvä tehtävä on rullan jarruttaminen ja oikean ratakireyden aikaansaaminen päällystettävälle radalle rullan halkaisijasta ja nopeudenmuutoksista huolimatta. Koska ekstruusiolinjan tuotteet ovat eri levyisiä, on aukirullaimen tehtävänä keskittää rata sivuttaissuuntaisesti oikealle kohdalle. Tämä tapahtuu useimmiten valosähköisen eli sähkösilmätuntijan avulla, joka asetetaan radan reunaan. Aukirullain mahdollistaa myös rullanvaihdon konetta pysäyttämättä täydessä vauhdissa, jolloin tuotantotehokkuus pysyy suhteellisen

12 hyvänä koko ajon ajan. (Martin, 1997.) 3.2 Kiinnirullain Ekstruusiolinjan loppupäässä on kiinnirullain, jossa syntyy ns. konerulla. Kiinnirullauspukin pitää pystyä rullaamaan tehty tuote koneen maksimi tuotantonopeudella oikeaan kireyteen aiheuttamatta virheitä juuri valmistettuun tuotteeseen. Rullanvaihto pitää pystyä tekemään mieluiten täydessä vauhdissa. Nykyään käytetään joko pope - rullaajaa tai keskiövetoista rullaajaa. Kantotelarullain on käytössä vanhemmissa koneissa ja leikkureilla. Kantotelarullain vaatii koneen pysäyttämistä rullan vaihdon yhteydessä, joten sen käytöstä on luovuttu lähes kokonaan ekstruusiolinjoissa. Puhtaasti keskiövetoista kiinnirullainta käytetään ohuille filmeille, yhdistettyä vetoa filmeille ja laminaateille ja pope - rullainta papereille, laminaateille ja kartongeille. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 18.) 3.3 Ruuvi ja sylinteri Granulaatti siirretään ilman avulla putkia pitkin (pölynimuria muistuttavalla tekniikalla) ekstruuderin hopperiin eli ruuvin päällä olevaan suppiloon. Varsinaisen ekstruuderin muodostavat sylinteri ja sen sisällä pyörivä ruuvi (kuvio 6). Ruuvin ja sylinterin sisäseinämän materiaalina on kova, kulutusta kestävä erikoisteräs ja sen pinnat ovat useimmiten kromatut. (Ekstruusio eli suulakepuristus, 2007.)

13 KUVIO 6 Ekstruuderin muodostavat sylinteri ja sen sisällä pyörivä ruuvi. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 75.) Muovin kulutusta säädetään ekstruuderin ruuvin kierroksilla, ei syötetyn granulaatin määrällä. Ruuvin halkaisijasta ja nopeudesta riippuu sen syöttämän muovin määrä. Ruuvin halkaisija on 80 150 mm ja kierrokset saattavat olla jopa 1200 rpm. Ruuvin alkupäässä, syöttövaiheessa, ruuvin keskiosa on ohuimmillaan ja vapaa tila suurimmillaan. Vapaa tila täyttyy granulaatilla. Puristusvyöhykkeessä muovi sulaa, rakeiden välissä oleva ilma poistuu taaksepäin ja muovimassan paine kasvaa johtuen ruuvin keskiosan paksunemisesta kohti loppupäätä. Sulamiseen tarvittava energia tulee pääosin sähkömoottorista vaihdelaatikon kautta ruuviin. Osa lämmöstä saadaan yhdessä sulamiseen tarvittavan lämmön kanssa muovin sisäisestä kitkasta ja kitkasta putken seinää vasten. Sylinterin vaipan ympärillä on sähkövastuksia ja lämpötilatuntijoita, joiden avulla tuodaan lisätehoa oikean lämpötilaprofiilin säätämiseen ruuvin pituussuunnassa. Muovin laadusta riippuen vastusten ja kitkalämmön osuus vaihtelee. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 75.) Lämpötilan hallintaan tarvitaan myös jäähdytystä. Yleensä putken ulkopuolella käytetään jäähdytysilmapuhaltimia ja ruuvin sisällä jäähdytysvettä. Kaikki toiminnot on kytketty ruuvin pituussuunnassa oleviin säätölohkoihin. Kullekin lohkolle voidaan valita haluttu muovin lämpötila, jota säätöjärjestelmä pyrkii automaattisesti ylläpitämään. (Seppälä ym. 1999, 49.)

14 3.4 Adapteri Muovin jättäessä sylinterin ja ruuvin loppupään se joutuu kulkemaan sihtipakan läpi. KUVIO 7 Sihtipakka. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 76.) Kuvion 7 sihtipakka koostuu kolmesta kuormitusta kestävästä "verkkokankaasta", jossa tihein verkko (keskellä) aiheuttaa alipaineen ja suodattaa pois vieraat partikkelit ja mahdollisesti huonosti sulaneet muoviaggloromaatit. Adapterin yhteydessä on myös vastapaineen lisäsäätöä varten paineensäätöventtiili. Paineensäätöventtiilillä voidaan paine säätää vakioksi ja kompensoida sihtipakan tukkeutuminen. Adapteri ohjaa muovisulan kulkua kääntäen sen ruuvilta 90 :n kulmassa alaspäin suuttimelle ja näin adapteri toimii suuttimen kannattajana. Adapterin yhteydessä on myös varoventtiili, joka toimii paineen noustessa liian korkeaksi. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 76.) 3.5 Suutin Suutin on ainoa osa ekstruuderissa, jolla voi vaikuttaa muovisulan profiiliin. Suuttimen alareunan muodostavat huulet, joiden välistä sula kalvo työntyy ulos. Suuttimen huulirako on normaalisti 0,5 0,8 mm. Sulan muovin profiilinsäätö tapahtuu suuttimen raossa ja sen vuoksi on erittäin tärkeää, että lämpötila suuttimessa

15 on hallinnassa. Suuttimen (kuvio 8) tehtävänä on levittää sula muovi alusradan levyiseksi ohueksi ja tasaiseksi filmiksi. (Martin, 1997.) Suutinta pidetään tasalämpöisenä lämmönsäätöautomatiikalla. Suutin on rakenteeltaan sellainen, että se voidaan purkaa kahteen puoliskoon ja näin sen ajoittainen puhdistus on helpompi suorittaa. Suuttimen muodosta riippuu myös se, miten leveysrajoittimet muotoillaan. (Kuusipalo, 2002.) KUVIO 8 T - suutin ja henkarisuutin. (Savolainen, 1998, 142.) 3.6 Laminaattori Suuttimen jälkeen filmi jatkaa matkaansa ilmaraossa sen alla olevaan laminaattoriin. Laminaattori muodostuu takapuristustelasta, kumitelasta, jäähdytystelasta ja irroitustelasta. Puristustelan tehtävänä on tukea kumitelaa niin, ettei se taivu keskeltä. Näin laminoinnissa saadaan tasainen puristus koko radan leveydeltä. Kumitelan tehtävänä on puristaa rata (paperi) ja suuttimesta tuleva muovisula yhteen, jotta mekaaninen tartunta saadaan aikaiseksi kahden materiaalin välille. Sula muovi puristetaan korkeassa paineessa paperiradan pintaan, jolloin se painuu sisään

16 paperikuitujen väliin. Kumitelan normaalikovuus on 65 shorea. Jäähdytystelan tehtävänä on jäähdyttää muovia niin paljon, että tartunta rataan on parempi kuin tartunta jäähdytystelaan. Näin muovi saadaan pysymään radalla, kun se irrotetaan jäähdytystelalta. Päällystyksessä jäähdytystelan pintakuvio määrittää muovin pinnan laadun. Mattapintaisella telalla saadaan matta pinta, kun taas kiiltävällä telalla saadaan kiiltävä, sileä pinta. (Martin, 1997.) Suuri osa muovin lämmöstä poistetaan jäähdytystelan avulla. Jäähdytystelan sisällä on toinen pienempi tela. Näiden telojen välissä on väliseinä, jossa vesi virtaa vieden tehokkaasti lämpöä mukanaan. (Seppälä ym. 1999, 50.) Telapinnan lämpötila pidetään yleensä noin 15 C:ssa. Muovi päällystetään yleensä hieman radan reunan yli ja tällöin on estettävä sulan muovin tarttuminen puristustelan kumipintaan. Tarttumisen ehkäisemiseksi voidaan käyttää Teflon - teippiä puristustelan ympärillä radan reunojen kohdalla. Teipin on oltava mahdollisimman ohut, jotta se ei kanna liikaa ja aiheuta markkeerausta rataan. Kun rata on koskettanut jäähdytystelan pintaa, tulee se irrotustelalle, jonka avulla saadaan estettyä radan liiallinen jäähdytystelan seuraaminen. (Martin, 1997.) Irrotustela voidaan imusylinterin avulla asettaa haluttuun asentoon ja se voi kumipäällysteisenä telana olla jopa jäähdytystelan pinnassa kiinni. Kuviossa 9 on esitetty laminaattorin ja ekstruuderin säätömahdollisuudet. KUVIO 9 Laminaattorin ja ekstruuderin säätömahdollisuudet. (Savolainen, 1998, 67.)

17 3.7 Reunanauhaleikkurit Päällystettäessä tai laminoitaessa alusrataa syntyy ns. reunapatti, kun muovisula vedetään suutinraosta nippiin. Tätä reunapattia ei voida ajaa valmiiseen rullaan, koska se aiheuttaa lopputuotteeseen vekkiä tai ryppyä. Pahimmassa tapauksessa koko paperirata voi katketa liian paksujen reunojen takia. Tätä varten on rakennettu reunanauhasysteemi (kuvio 10) heti nipin jälkeen, jolla saadaan reunapatit poistettua ennen kiinnirullainta. (Kuorikoski, 1997.) KUVIO 10 Reunanauhaleikkuri.

18 4 MUOVIN TARTTUVUUTEEN VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Muovin tarttumiseen vaikuttaa kaksi luonteeltaan erilaista tapahtumaa. Tarttuminen voi tapahtua joko mekaanisesti, kun sula päällyste tunkeutuu kuitujen väliin tai kemiallisesti. Ekstruusiopäällystyksessä on otettava huomioon viisi eri tekijää tarttuvuuteen vaikuttavina kokonaisuuksina. Nämä pääryhmät ovat: päällystysmuovin laatu päällystettävän materiaalin pinnan laatu prosessiolosuhteet erilaiset esikäsittelyt koekstruusio. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 88.) 4.1 Päällystysmuovin laatu Muovin sulaindeksi on määräävä tekijä prosessoitavuuden kannalta. Sulaindeksillä ilmaistaan muovin molekyylipainoa eli se kuvaa muovin viskositeetin mittaamista tiettyjen olosuhteiden vallitessa. (Holti, 1997.) Alhaisempi viskositeetti antaa paremman tunkeutumismahdollisuuden paperin kuitujen väliin kuin korkeampi viskositeetti. Eri muovien pintaenergia on erilainen ja tällä on oma merkityksensä siinä, miten hyvin kyseinen aine pystyy kostuttamaan päällystettävän materiaalin ja tarttumaan siihen kiinni. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 88.) 4.2 Päällystettävän materiaalin laatu Ratamateriaalin karheus ja huokoisuus ovat tärkeimpiä tekijöitä mekaaniseen tarttuvuuteen. Mitä sileämpi paperin pinta on, sitä useammin paperin huokoisuus pienenee ja muoville ei jää tilaa tunkeutumiseen, tarttumispinta jää pieneksi ja tarttuvuus heikkenee. Sileiden ja huokosettomien materiaalien kemiallinen tarttuvuus on huono ja sen takia niille on tehtävä erilaisia käsittelyjä tarttuvuuden

19 parantamiseksi. Päällystettävän materiaalin pintaenergian pitää olla sellainen, että päällystysmuovi pystyy sen kostuttamaan. Radan lämpötilan nosto ennen laminointia edistää tarttuvuutta, koska tällöin tuleva kuuma muovi ei jäähdy niin nopeasti kylmemmän radan vaikutuksesta. Paperin kosteus pitäisi olla hyvän tarttuvuuden kannalta mahdollisimman alhainen. Normaaleissa kosteuspitoisuuksissa 5 7 % ei merkitys ole ratkaiseva, mutta korkeammilla prosenttipitoisuuksilla kosteuden haihtuminen paperista ekstruusiotapahtuman kontaktissa kuuman muovin kanssa aiheuttaa tarttuvuuden heikkenemistä. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 88.) 4.3 Prosessiolosuhteet Ekstruusiotapahtumaa säädellään suurelta osin paineen ja lämpötilan avulla. Myös suuttimen etäisyys nipistä eli nippietäisyys on tarttuvuuden kannalta olennaista polyeteeni - laatuja käytettäessä. Nipissä vaikuttaa tietty nippi - eli puristuspaine, jolla rataa ja sulaa muovia puristetaan yhteen puristustelan ja jäähdytystelan välissä. Puristustelan kovuudella on myös oma merkityksensä nipin leveyteen. Tämän lisäksi tarttuvuuteen vaikuttavat jäähdytystelan pintarakenne ja sen lämpötila. Lisäksi tarttuvuuteen vaikuttavat radan nopeus ja päällysteen määrä. (Holti, 1997.) Kuviossa 11 nähdään nipin etäisyys suuttimesta (h) ja sen vaikutus päällysteen leveyteen ja kuroumaan. KUVIO 11 Suuttimen etäisyys paperiradasta ja kurouman muodostuminen. (Savolainen, 1998, 175.)

20 4.4 Radan esikäsittely Päällystyksen onnistumiseksi päällysteen on tartuttava kiinni alusrataan. Tarttumista ja kiinnipysymistä nimitetään adheesioksi. Jotta pinnat voisivat tarttua toisiinsa, on niiden päästävä kosketuksiin keskenään aivan molekyylitasolla. (Seppälä ym. 1999 35.) Päällystysmuovin adheesio kuitupohjaiseen materiaaliin eli lähinnä kartonkiin ja paperiin perustuu osaltaan mekaaniseen tarttumiseen. Mekaanisen teorian mukaan päällyste tunkeutuu alusradan huokoiseen rakenteeseen ja kiinnittyy mekaanisesti ankkuroitumalla. Muovisula leviää alusradalle muodostaen kiinteän mekaanisen lukkiintuneen faasin. Jos alusrata on sileä ja huokoseton materiaali, kuten alumiini tai muovikalvo, perustuu adheesio lähinnä pintojen välisiin kemiallisiin sidoksiin. Syntyviä sidoksia pyritään muokkaamaan erilaisilla esikäsittelymenetelmillä, jotta tarttuvuus saadaan paremmaksi. (Guilotte, 1980, 129 137.) 4.4.1 Sähkökoronointi Sähkökoronakäsittely on ehkä tunnetuin ja käytetyin esikäsittelymenetelmä ekstruusiopäällystyksessä alusradan pinnan tarttuvuuden parantamiseksi. Sähkökoronakäsittelyssä käytetään korkeataajuuksista ja jännitteistä vaihtovirtaa, jolla saadaan aikaan ympäröivän ilman ionisoituminen. Tässä prosessissa syntyy otsonia, joka hapettaa käsiteltävän pinnan ja saa aikaa pintaenergian nousun ja pinnan tarttuvuus paranee. Tarttuvuuden paraneminen perustuu käsiteltävälle pinnalle syntyvien polaaristen ryhmien sähköistä jännitystä neutraloivaan ja pintajännitystä laskevaan vaikutukseen. (Gramm, Bibee, 1998, 1 10.) Koronalaitteisto muodostuu: suurtaajuusgeneraattorista korkeajännitemuuntajasta otsoni imurista käsittelyasemasta (kuvio 12).

21 KUVIO 12 Alusradan käsittelyyn tarkoitettu koronalaitteisto. (Gramm ym. 1998, 10.) Suurtaajuusgeneraattori tuottaa korkeataajuuksista jännitettä (1 50 khz). Korkeiden taajuuksien ansiosta saadaan yhtenäinen ja tasainen koronan käsittelytulos radan pintaan suurillakin ajonopeuksilla. Korkeampi taajuus alentaa myös laitteiston melutasoa, mikä puolestaan parantaa työympäristön viihtyisyyttä. Tämän jälkeen jännite syötetään edelleen suurjännitemuuntajalle, joka muuntaa sen tehollisarvoltaan sopivaksi (6-30 kv) tuottamaan koronapurkauksen. Muuntaja sovittaa myös laitteiston toiminnan tehokkuudelle tärkeän elektronisen impedanssin sopivaksi syötetyn tehon, ratanopeuden, ilmavälin ja käsittelypinta - alan suhteen. Impedanssin sovitus on tärkeää, koska se lisää elektronisten komponenttien ikää ja takaa generaattorin mahdollisimman tehokkaan käytön. (Markgraf, 2007, 9.) Käsittelyasema koostuu elektrodista ja maadoitustelasta, jotka on suojattu koronalaatikkoon syntyvän otsonin vuoksi. Ylimääräinen otsoni imetään systeemistä erillisellä imurilla. Ontto, teräksestä valmistettu maadoitustela on päällystetty dielektrisellä, kestävällä pinnoitteella. Pinnoitteen tarkoituksena on estää kipinöitä polttamasta reikiä käsiteltävään materiaaliin ja lisätä resistanssia aiheuttaen tasaisen

22 ja yhtenäisen koronakäsittelyn koko elektrodin leveydeltä. Sähköä johtavilla materiaaleilla, kuten alumiinifoliolla, ei koronakäsittelyä voida suorittaa normaaleilla käsittelylaitteilla. Tällöin käsittelijänä toimiva korkeajänniteelektrodi on päällystetty dielektrisellä materiaalilla ja maadoitustela toimii vain rataa kantavana vastatelana. Elektrodien muoto on tällöin telamainen, jotta käsittely pysyy tasaisena. (Gramm ym. 1998, 11.) 4.4.2 Liekkikorona Liekkikäsittely perustuu kuumaan ilma-kaasuseoksesta synnytettyyn liekkiin, joka ohjataan käsiteltävää rataa kohti tietyssä kulmassa ja tietyltä etäisyydeltä. Liekkikäsittelylaitteisto (kuvio 13) on neste - tai maakaasun ja ilmansekoituslaitteisto, joka muodostuu rei'itetystä putkipolttimesta sekä kaasun ja palamisilman puhaltimista. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 86.) Kaasuna käytetään yleensä propaania, metaania, butaania tai näiden seosta. Palamisliekki on hapettava ja hapen ja kaasun seoksen on pysyttävä vakiona tasaisen käsittelyn aikaansaamiseksi. Kaasuseoksen paineen on pysyttävä myös vakiona. (Lindland, Peach, 1985.) Liekkikäsittely on varustettava hyvillä varosysteemeillä ratakatkojen varalta tulipalon estämiseksi. Liekin saaminen on sidottu myös ratanopeuteen niin, että alhaisilla nopeuksilla liekki on poiskytkettynä. (Thompson, 1987, 213 216.) Liekkikoronakäsittely polttaa pölyn, roskat ja pystyssä olevat kuidut radan pinnasta höyrystää pintaan absorboituneen veden tai muun mahdollisen epäpuhtauden pois hapettaa pintaa, jolloin muodostuu hydroksyyli -, karboksyyli - tai karbonyyliryhmiä lämmittää rataa saattaa rikkoa polymeeriketjuja ja aiheuttaa vapaita radikaaleja Kaikki nämä tekijät edesauttavat hyvän adheesion syntyä. (Seppälä ym. 1999, 37.)

23 KUVIO 13 Vesijäähdytteinen liekkikäsittelypoltin. (Lindland, Granville, 1990, 897-904.) 4.4.3 Otsonikäsittely Otsonoinnin tarkoituksena on nostaa sulan ekstruuderista tulevan muovin hapettumisastetta ja parantaa sen tarttuvuutta alusrataan. Koska otsoni on molekyylinä epästabiili verrattuna happikaasuun, se luovuttaa helposti yhden happiatomin ja on siksi hyvä hapetin. (Valdosta State University, 2007.) Otsoni valmistetaan johtamalla tietyssä paineessa ja lämpötilassa olevaa puhdasta, kuivaa ilmaa otsonigeneraattorille, jossa se johdetaan voimakkaan sähkökentän läpi (kuvio 14). Tällöin muodostuu otsonia, joka johdetaan erikoisvalmisteista putkea pitkin suuttimelle. Puhallettava otsoni on lämmitettävä, jottei se jäähdyttäisi liikaa sulaa muovia. Sopiva lämpötila on 100 200 C. Tätä korkeammissa lämpötiloissa otsoni hajoaa. Puhalluksen voimakkuus ei saa olla liian suuri, jottei se puhalla sulafilmiä pussille. Rakosuutin on varustettu rajoittimilla, jotka asetetaan muutamaa senttimetriä kapeammaksi kuin sulafilmin leveys. Näin estetään otsonin pääsy filmin taustapuolelle. (Gregory, Mc Intyre, Michiels, 1982, 166 172.) Kokemuksen mukaan otsonointi on järkevä keino adheesion parantamiseen joissakin kriittisissä sovelluksissa. Sen suurin haittapuoli on kuitenkin moninkertainen hinta koronointiin nähden. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 37.)

24 KUVIO 14 Otsonikäsittelyn periaate. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 87.) 4.5 Koekstruusio Koekstruusiossa yhdistetään kaksi tai useampi muovivirta käyttäen samaa suutinta. Koekstruusiossa rataa vasten tuleva muovi voidaan ajaa tarttuvuuden kannalta paremmin soveltuvaksi tai siinä voidaan käyttää korkeampaa lämpötilaa tai paremmin tarttuvaa muovia. Ohuemmat kerrokset alentavat käyttökustannuksia, koska kallis ja hyviltä ominaisuuksiltaan oleva kerros voidaan ajaa muiden sulafilmien kannattelemana paperirataan. Myös kalliiden lisäaineiden ja pigmenttikerrosten käyttäminen pintakerroksessa pienentää kustannuksia ja parantaa lopputuotteen ominaisuuksia. Koekstruusiosta tekee kustannustehokkaan myös se, että ajokertoja tulee vähemmän ja kapasiteetin lisäys on mahdollista kahdella ekstruuderilla. Koekstruusiossa saadaan myös parempi tiiveys. Saman muovin ajo kahdessa tai useammassa kerroksessa vähentää mikroreikien mahdollisuutta ja muovien valinnalla voidaan myös parantaa sitä. (Kuusipalo, 2002.)

25 5 EKSTRUUSIOPÄÄLLYSTYKSESSÄ KÄYTETTÄVÄT RAAKA- AINEET 5.1 Päällystysmuovit ja niiden ominaisuudet Muoveilla tarkoitetaan yleensä polymeerien ja lisäaineiden kaupallisia yhdisteitä. Muovi on paineen tai lämmön avulla halutun muotoiseksi kappaleeksi muovautuva polymeerimateriaali, jolla on vain rajallinen venyvyys. (Valtamuovit, 2007.) Muovien nimet alkavat yleensä liitteellä poly -. Muovit voidaan jakaa toisistaan alkuperän -, kemiallisen rakenteen ja valmistustavan mukaan. Muovattavuuden perusteella tehtävässä jaossa muovit luokitellaan joko kesto - tai kertamuoveiksi. Kestomuovi on materiaali, jota voidaan toistuvasti muovata lämmön ja paineen avulla. Sen molekyylejä yhdessä pitävät voimat heikkenevät, kun muovia lämmitetään ja vahvistuvat muovia jäähdytettäessä (Tekniset muovit, 2007) Kertamuovit muodostuvat polymeeriverkoista. Kertamuoveja ei voida jälkikäteen muovailla, vaan lämmitettäessä riittävästi kertamuovien polymeeriverkot hajoavat alkuaineiksi. Kertamuovit sisältävät usein suuren määrän hartsia. (Taideteollinen korkeakoulu, 2007.) Ekstruusiopäällystyksessä sulan kestomuovin työntyessä ulos suuttimen raosta kohdistuu siihen välittömästi raju venytysvoima. 15-50 cm:n matkalla filmi ohenee 20-50 kertaisesti ja sen nopeus kasvaa samalla kertoimella saavuttaakseen paperiradan nopeuden laminointinipissä. Vain muutama prosentti maailmassa valmistettavista muovilaaduista selviytyy tästä prosessista. Muovin polymeeriketjun on rakenteeltaan oltava sopiva, jotta venymisviskositeetti olisi riittävä. Sulan on oltava rasitusjäykistyvää. Rasitusjäykistyvyydellä tarkoitetaan sitä, että jos kalvoon on syntymässä venymisen vuoksi ohuempi kohta, muovi jäykistyy tältä kohdin ja venyminen siirtyy viereiselle alueelle, kunnes sekin on yhtä ohut. Kalvo siis säätää itse itsensä tasapaksuiseksi. Vastakkaisessa tapauksessa filmi katkeaisi. Niin käy monille muovilaaduille. Haluttu ominaisuus saavutetaan esimerkiksi pitkäketjuisilla sivuhaaroilla päämolekyyliketjussa. Samalla kalvon yleinen sulalujuus kasvaa. (Metsäteollisuuden työnantajaliitto, 1982, 47.)