Como qualquer material fabricado a partir de fibras de madeira, o papel também apresenta variações dimensionais decorrentes de modificações no seu teor de umidade. O presente trabalho aborda o comportamento desta propriedade do papel, denominada higroexpansibilidade, medida em papel reprográfico fabricado a partir de fibras de eucalipto, durante o processo de produção em uma máquina industrial. O estudo foi realizado com amostras de papel de 75 g/m2, coletadas em diversos pontos de uma máquina comercial, operando à velocidade de 1256 m/min. No estudo, encontram-se dados de higroexpansibilidade medidos ao longo da máquina de papel, desde a seção de formação até o acabamento, e na direção transversal da folha na enroladeira. A análise dos resultados permite a verificação de influências das operações e tratamentos envolvidos na fabricação do papel (formação, prensagem, secagem e acabamento) sobre a sua higroexpansibilidade. Os resultados das medições desta propriedade são discutidos em termos de efeitos provenientes das condições operacionais estabelecidas para a fabricação do papel, permitindo reconhecer influências da orientação de fibras, do processo de secagem e da restrição ao encolhimento, da aplicação de amido superficial e da aplicação de tensões na direção longitudinal e transversal do papel. Para comparação e suporte à discussão de resultados, foram também medidas propriedades estruturais, de resistência e propriedades elásticas do papel. Na conclusão do trabalho, são apresentadas sugestões para controle e minimização da higroexpansibilidade do papel destinado ao uso final, com enfoque em ações a serem tomadas, no que se refere ao ajuste do processo de fabricação. Finalmente, apresentam-se comentários sobre futuros trabalhos que poderão ser desenvolvidos, a fim melhor entender fenômenos adicionais relacionados à higroexpansibilidade e buscar alternativas para seu controle, por se tratar de uma propriedade cada vez mais importante para os processos de impressão e operações de conversão, cujos efeitos podem limitar o desempenho e a utilização final do papel. / Like any material made from wood fibers, the paper also exhibits dimensional changes as a result of change in moisture content. This work deals with the behavior of this paper property, called hygroexpansivity, which was measured in reprographic paper manufactured from eucalyptus fibers, during the production process in an industrial paper machine. The study was developed using 75 g/m2 paper samples collect in different positions of a commercial paper machine running at the speed of 1256 m/min. In the study, data of hygroexpansivity measured along the paper machine can be found from the forming section up to the finishing section and from the cross machine direction at the reel. The analysis of the results reveals the effects of the operations and treatments involved in the papermaking (formation, pressing, drying and finishing) on the hygroexpansivity. The measurements results of this property are discussed with focus on the effects of the operating conditions established for the papermaking operation, what leads to the recognition of the effects of the fiber orientation, drying process, shrinkage restraint, starch sizing and tensions applied to the paper in machine direction and cross machine direction. For comparison purposes and result discussion support, some structural, strength and elastic paper properties were also measured. In the conclusion of the study, some suggestions for control and minimization of hygroexpansivity of the end use paper are presented, focusing on actions to be taken, which are related to the adjustment of papermaking process. Finally, comments referred to future work for better understanding of additional hygroexpansivity mechanisms are also mentioned, in order to suggest future investigation of control alternatives for this property, since it’s importance has been more and more highlighted in printing and conversion operations because, at times, it can limit the performance and usefulness of paper.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Professores Carlos A. V. Costa e Mohamed Naceur Belgacem

Como qualquer material fabricado a partir de fibras de madeira, o papel também apresenta variações dimensionais decorrentes de modificações no seu teor de umidade. O presente trabalho aborda o comportamento desta propriedade do papel, denominada higroexpansibilidade, medida em papel reprográfico fabricado a partir de fibras de eucalipto, durante o processo de produção em uma máquina industrial. O estudo foi realizado com amostras de papel de 75 g/m2, coletadas em diversos pontos de uma máquina comercial, operando à velocidade de 1256 m/min. No estudo, encontram-se dados de higroexpansibilidade medidos ao longo da máquina de papel, desde a seção de formação até o acabamento, e na direção transversal da folha na enroladeira. A análise dos resultados permite a verificação de influências das operações e tratamentos envolvidos na fabricação do papel (formação, prensagem, secagem e acabamento) sobre a sua higroexpansibilidade. Os resultados das medições desta propriedade são discutidos em termos de efeitos provenientes das condições operacionais estabelecidas para a fabricação do papel, permitindo reconhecer influências da orientação de fibras, do processo de secagem e da restrição ao encolhimento, da aplicação de amido superficial e da aplicação de tensões na direção longitudinal e transversal do papel. Para comparação e suporte à discussão de resultados, foram também medidas propriedades estruturais, de resistência e propriedades elásticas do papel. Na conclusão do trabalho, são apresentadas sugestões para controle e minimização da higroexpansibilidade do papel destinado ao uso final, com enfoque em ações a serem tomadas, no que se refere ao ajuste do processo de fabricação. Finalmente, apresentam-se comentários sobre futuros trabalhos que poderão ser desenvolvidos, a fim melhor entender fenômenos adicionais relacionados à higroexpansibilidade e buscar alternativas para seu controle, por se tratar de uma propriedade cada vez mais importante para os processos de impressão e operações de conversão, cujos efeitos podem limitar o desempenho e a utilização final do papel. / Like any material made from wood fibers, the paper also exhibits dimensional changes as a result of change in moisture content. This work deals with the behavior of this paper property, called hygroexpansivity, which was measured in reprographic paper manufactured from eucalyptus fibers, during the production process in an industrial paper machine. The study was developed using 75 g/m2 paper samples collect in different positions of a commercial paper machine running at the speed of 1256 m/min. In the study, data of hygroexpansivity measured along the paper machine can be found from the forming section up to the finishing section and from the cross machine direction at the reel. The analysis of the results reveals the effects of the operations and treatments involved in the papermaking (formation, pressing, drying and finishing) on the hygroexpansivity. The measurements results of this property are discussed with focus on the effects of the operating conditions established for the papermaking operation, what leads to the recognition of the effects of the fiber orientation, drying process, shrinkage restraint, starch sizing and tensions applied to the paper in machine direction and cross machine direction. For comparison purposes and result discussion support, some structural, strength and elastic paper properties were also measured. In the conclusion of the study, some suggestions for control and minimization of hygroexpansivity of the end use paper are presented, focusing on actions to be taken, which are related to the adjustment of papermaking process. Finally, comments referred to future work for better understanding of additional hygroexpansivity mechanisms are also mentioned, in order to suggest future investigation of control alternatives for this property, since it’s importance has been more and more highlighted in printing and conversion operations because, at times, it can limit the performance and usefulness of paper.

Os novos processos de impressão têm exigido novas características do papel. Entre os novos processos encontram-se as impressões digitais, em especial, a impressão por jato de tinta. Este tipo de impressão é baseado na ejeção de uma gota de tinta por um orifício em uma cabeça de impressão, que atinge o substrato formando um pixel. A definição das imagens formadas neste tipo de impressão é, portanto, dependente das características da tinta e, principalmente, do substrato. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as propriedades do papel que são importantes para a impressão por jato de tinta, desde o momento em que a tinta atinge a superfície do papel até a sua absorção. As propriedades consideradas neste estudo foram: a rugosidade, a porosidade e as propriedades químicas da superfície. A rugosidade foi avaliada pelos métodos tradicionais da área de papel e celulose (baseados em vazão de ar), por método perfilométrico e, qualitativamente, por imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a porosidade foi utilizado um método tradicional, além de porosimetria de intrusão de mercúrio e microtomografia de raios X, e a composição química da superfície foi avaliada por espectroscopia por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia Raman. A partir dos resultados obtidos, as propriedades do papel foram qualificadas e as suas influências no espalhamento e absorção de líquidos em geral foram identificadas. Além da caracterização das propriedades superficiais e porosimétricas do papel, as correlações entre as propriedades e os diferentes métodos utilizados na sua determinação foram discutidas. Os métodos de análise tradicional não conseguem caracterizar os papéis em níveis de resolução capazes de fornecer informações sobre a influência das propriedades estudadas na impressão por jato de tinta. Ao mesmo tempo, a caracterização do papel para este tipo de impressão e a compreensão das influências das propriedades do papel no espalhamento e absorção de tinta e líquidos em geral só é possível quando as propriedades são analisadas em conjunto. / The new printing processes have required new features of the paper. Among the new printing processes are the digital printing, in particular, the inkjet printing. This type of printing is based on the ejection of an ink drop through a hole in a print head, which reaches the substrate forming a pixel. The resolution of the images formed in this type of printing is therefore dependent on the characteristics of the ink, and especially of the substrate. The present work aims to characterize the properties of paper that are important to the inkjet printing, from the moment the ink hits the paper surface to its absorption. The properties considered in this study were: roughness, porosity and chemical properties of the surface. The roughness was evaluated by traditional methods in pulp and paper sector (based on air flow), by profilometry and qualitative using images obtained by scanning electron microscopy (SEM). For the porosity, a traditional method was used, and also mercury intrusion porosimetry and X-ray microtomography. The chemical composition of the surface was evaluated by energy dispersive spectroscopy (EDS) and Raman spectroscopy. From the results obtained, the paper properties were described and their influence on the spreading and absorption of liquids in general have been identified. Besides the characterization of the paper surface properties and porosity, the correlations between the properties and the different methods used for measurement were discussed. The traditional analysis methods can not characterize the paper in levels of resolution capable of providing information about the influence of the properties studied in inkjet printing. At the same time, to characterize paper for this printing process and to understand the influences of the paper properties on the spreading and absorption of inks and liquids in general the paper properties have to be analyzed together.

Os novos processos de impressão têm exigido novas características do papel. Entre os novos processos encontram-se as impressões digitais, em especial, a impressão por jato de tinta. Este tipo de impressão é baseado na ejeção de uma gota de tinta por um orifício em uma cabeça de impressão, que atinge o substrato formando um pixel. A definição das imagens formadas neste tipo de impressão é, portanto, dependente das características da tinta e, principalmente, do substrato. O presente trabalho tem por objetivo caracterizar as propriedades do papel que são importantes para a impressão por jato de tinta, desde o momento em que a tinta atinge a superfície do papel até a sua absorção. As propriedades consideradas neste estudo foram: a rugosidade, a porosidade e as propriedades químicas da superfície. A rugosidade foi avaliada pelos métodos tradicionais da área de papel e celulose (baseados em vazão de ar), por método perfilométrico e, qualitativamente, por imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a porosidade foi utilizado um método tradicional, além de porosimetria de intrusão de mercúrio e microtomografia de raios X, e a composição química da superfície foi avaliada por espectroscopia por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia Raman. A partir dos resultados obtidos, as propriedades do papel foram qualificadas e as suas influências no espalhamento e absorção de líquidos em geral foram identificadas. Além da caracterização das propriedades superficiais e porosimétricas do papel, as correlações entre as propriedades e os diferentes métodos utilizados na sua determinação foram discutidas. Os métodos de análise tradicional não conseguem caracterizar os papéis em níveis de resolução capazes de fornecer informações sobre a influência das propriedades estudadas na impressão por jato de tinta. Ao mesmo tempo, a caracterização do papel para este tipo de impressão e a compreensão das influências das propriedades do papel no espalhamento e absorção de tinta e líquidos em geral só é possível quando as propriedades são analisadas em conjunto. / The new printing processes have required new features of the paper. Among the new printing processes are the digital printing, in particular, the inkjet printing. This type of printing is based on the ejection of an ink drop through a hole in a print head, which reaches the substrate forming a pixel. The resolution of the images formed in this type of printing is therefore dependent on the characteristics of the ink, and especially of the substrate. The present work aims to characterize the properties of paper that are important to the inkjet printing, from the moment the ink hits the paper surface to its absorption. The properties considered in this study were: roughness, porosity and chemical properties of the surface. The roughness was evaluated by traditional methods in pulp and paper sector (based on air flow), by profilometry and qualitative using images obtained by scanning electron microscopy (SEM). For the porosity, a traditional method was used, and also mercury intrusion porosimetry and X-ray microtomography. The chemical composition of the surface was evaluated by energy dispersive spectroscopy (EDS) and Raman spectroscopy. From the results obtained, the paper properties were described and their influence on the spreading and absorption of liquids in general have been identified. Besides the characterization of the paper surface properties and porosity, the correlations between the properties and the different methods used for measurement were discussed. The traditional analysis methods can not characterize the paper in levels of resolution capable of providing information about the influence of the properties studied in inkjet printing. At the same time, to characterize paper for this printing process and to understand the influences of the paper properties on the spreading and absorption of inks and liquids in general the paper properties have to be analyzed together.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Brazil is a major producer of paper, highlighted worldwide for producing and supplying the markets with large volumes of paper packaging, printing and writing paper and cardboard. Although the wood is the main source of raw material used in cellulose industries in Brazil, the use of non-timber fiber may be a satisfactory alternative for manufacturing of papers with different and special properties. In this sense, the objective of this study was to evaluate the productivity, morphology, anatomy and chemical composition of the fibers, as well as the properties of the pulps produced papers of Schoenoplectus californicus (C.A. Mey.) Soják (popularly known as reed), pure or mixed with eucalyptus pulp. We conducted chemical, morphological and productivity analysis. Thus the kraft pulping process and production roles in different treatments were performed. Through research and analysis, it can be noted that reed had low productivity and short fibers. Chemical analysis showed that the fibers have a high level of the reed extractives and silica, which makes it a favorable raw material for pulp production, on the other hand, the kraft pulping process resulted in reed pulp with low contents of hexenuronic acid suitable for the bleaching of pulp factor. The strength properties of the papers were negatively affected by the addition of reed pulp papers and the highest values of bulk and opacity were achieved with the lowest levels of refining of the pulps. It was concluded that reed did not show satisfactory for the production of papers of high strength characteristics. / O Brasil é um grande produtor de papel, destacando-se mundialmente por produzir e abastecer os mercados com expressivos volumes de papel de embalagem, papéis de imprimir e escrever e papel-cartão. Apesar de a madeira ser a principal fonte de matéria prima utilizada nas indústrias de celulose no Brasil, o emprego de fibras não madeireiras pode ser uma alternativa satisfatória para a fabricação de papéis com propriedades diferenciadas e especiais. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi avaliar a produtividade, morfologia, anatomia e composição química das fibras, assim como as propriedades dos papéis produzidos de polpas celulósicas de Schoenoplectus californicus (C.A. Mey.) Soják (popularmente conhecido como junco), puros e misturados com polpa de eucalipto. Realizou-se análise química, morfológica e de produtividade. Desta forma foram realizados cozimentos pelo processo kraft e produção de papéis em diferentes tratamentos. Por meio das pesquisas e análises, pode-se constar que o junco apresentou baixa produtividade e fibras curtas. As análises químicas demostraram que as fibras de junco apresentam alto teor de extrativos e de sílica, o que o torna uma matéria prima desfavorável para a produção de polpa celulósica, por outro lado, o processo de polpação kraft do junco resultou em polpas com baixo teor de ácidos hexenurônicos, fator satisfatório para o branqueamento da polpa. As propriedades de resistência dos papéis foram afetadas negativamente pela adição de polpa de junco nos papéis e os mais altos valores de volume específico aparente e opacidade foram alcançados com os menores níveis de refino das polpas. Foi concluído que o junco não apresentou características satisfatórias para a produção de papéis de alta resistência.