The aim of this thesis was to investigate the difference between containerboard materials strength and stiffness properties in tension and compression, how the mechanisms behind compressive and tensile properties are affected by the relative humidity of the ambient air and how the relative humidity affects the compressive response of the fibre network. These properties are used to predict the lifetime performance of corrugated boxes and to prevent early collapses of the boxes and thereby waste or harm of the transported goods inside. The work also discusses the methods used to evaluate the different properties and how reliable the results are. The experimental part includes testing of linerboard and fluting materials from both virgin and recycled fibres, which have been conditioned at 50% and 90% relative humidity. The compression tests were filmed to evaluate if different compression failure modes can be related to the strength and stiffness of the material. The results indicated that the compressive strength and stiffness differ from the strength and stiffness values in tension at 90% relative humidity. Compressive strength is lower in both 50% and 90% relative humidity compared with the tensile strength. However, the compression stiffness shows a higher value than the tensile stiffness at 90% relative humidity. The study of the method for evaluating the compressive behaviour of the paper does not present a complete picture on what type of failure the paper actually experience.

This study first examined the kinetic changes of fiber carboxyl group content in bulk fiber, polysaccharide, and residual lignin of oxygen delignified pulps during one-stage oxygen delignification of a low kappa (32.5) kraft pulp. The carboxyl group contents determined in different chemical components of oxygen delignified pulps was used to establish the distribution of carboxyl groups in lignin and pulp polysaccharide and decouple the responses from residual lignin and polysaccharide. Following this study, two high kappa (~ 49.0) SW kraft pulps prepared were delignified through two-stage oxygen delignification. Fiber carboxyl group profiles of these pulps were elucidated to investigate the effect of lignin content of incoming unbleached kraft pulps on fiber carboxyl group formation. Due to a limitation to enhance fiber carboxyl groups only by parameter optimization during one- and two- stage oxygen delignification, a catalytic oxidation program was developed to enhance fiber carboxyl groups by 52.2 116.0 % employing 0.10 - 0.18% of a bismuth ruthenium pyrochlore oxide catalyst during oxygen delignification. The mechanism of fiber carboxyl group formation through the catalytic oxidation was proposed. The main factor on carboxyl group formation in pulp carbohydrate was identified to follow the order: NaOH > oxygen pressure> reaction temperature through a 3-factor at 3-level (L933) orthogonal experimental design and the optimal conditions were found at 2.5% NaOH, 85-100 oC, and 800-960 kPa O2 during the catalytic oxidation. ECF bleaching study was also conducted on these pulps with higher amount of fiber carboxyl group enhanced at early pulping and oxygen delignification processes. The bleaching results demonstrated that the early-stage enhanced fiber carboxyl groups were partially retained through ECF bleaching. Additionally, fiber carboxyl groups of fully bleached kraft pulps were ~ 20% different from typical bleaching protocols, depending on bleaching chemicals used and the bleaching sequences such as DEDED, (D+C)EDED, ODEDD, and OQPZP. This study finally demonstrated that an increase of fiber carboxyl groups by 17.4-62.1% through chemical oxidation resulted in reduced fiber curl, increased fiber WRVs, 4.3-25.5 % increase in paper tensile index at comparable pulp viscosity; and 4.4 -30.1% increase in paper dry tensile stiffness.

<p>Fibre-to-board is a simulation model developed at Stora Enso Research Centre Karlstad. Within this model isotropic hand sheet properties are used as input data for prediction of the final multi ply board properties. In order to improve and verify the calculations from simulations in Fibre-to-board so that these will correspond better with the results from the measurements on the paper/board machine, it was requested at RCK to investigate the possibility to optimize the input data to the model.</p><p>Standardized hand sheet forming always results in sheets with properties far away from those produced on a machine. Therefore the aim with this Master thesis was to modify the laboratory procedure to receive hand sheets with properties closer to machine sheets. To achieve this, it was investigated how different parameters affect the sheet properties and if the hand sheet making process could be improved.</p><p>When freely dried sheets were investigated it was found that sheets pressed with a wire clothing between the blotting paper and the hand sheet were less cockled than sheets pressed against only blotting papers. These sheets also tend to have a higher density. The cockling i.e. as a result from shrinkage was also reduced when the sheets were dried between slightly weighted wire clothing. Neither wire clothing nor orientated blotting papers during pressing eliminate the influence of anisotropic blotters on the shrinkage for isotropic hand sheets.</p><p>It was also examined how the fine material influences sheet properties. The results showed that an increase in fines content result in higher shrinkage, higher density, increased TSI, more cockling and decreased air permeability.</p><p>Different pressing loads and an increased density did not have much influence on the shrinkage. The density for freely dried sheets increased with higher load, but the results did not reach machine sheet densities, when the laboratory platen press was used. It might be difficult to receive freely dried hand sheets with higher densities. This is because fibres in freely dried sheets tend to relax after pressing, which will influence the density. Another press than the platen press used in these studies might compensate this matter. An increased pressing load resulted in less cockled sheets.</p><p>The basis weight did not seem to have that large affect on the shrinkage when using machine chest furnish, therefore the basis weight on hand sheets used as input data to the simulation model Fibre-to-board might not be that important.</p><p>It was studied how different plies and SW/CTMP pulp in a mixture affect the shrinkage. The results showed that the shrinkage increased with a higher SW content. It was also found that there is a linear relation between the total shrinkage of a SW/CTMP pulp mixture and the shrinkage for each individual pulp.</p><p>In order to verify the Fibre-to-board model a simulation finally was performed. Furnishes and CD profiles of board were collected from a particular board machine within the Stora Enso Group. Properties from hand sheets made of furnishes were used as input data and the machine CD profiles were used as references. The CD TSI value corresponded with the value received from measurements on the machine board, but the MD TSI value did not. The shrinkage calculated on machine sheets did not coincide with the shrinkage from the simulation in Fibre-to-board.</p><p>There are insecurities in the results from shrinkage measurement on the board CD profile due to the lack of width measurement during the process, which complicates the validation of the Fibre-to-board model.</p> / <p>Fibre to board är en simulerings modell framtagen vid Stora Enso Research Centre Karlstad. Modellen används för att prediktera krympning och styrkeegenskaper hos en bestämd kartongbana. Indata till modellen hämtas ifrån isotropa laboratorieark. För att förbättra och verifiera erhållna resultat från simuleringsmodellen så att de korresponderar bättre med värden från kartongmaskinen fanns det ett önskemål från RCK om att undersöka möjligheten att optimera indata till modellen.</p><p>Laboratoriearktillverkning enligt standard resulterar alltid i ark med egenskaper som ligger långt från maskin arkens. Därför är syftet med detta examensarbete att modifiera arktillverkningsmetoden så att laboratorieark med egenskaper närmare de för maskinark kan erhållas. För att lyckas med detta undersöktes det hur olika parametrar påverkar pappersegenskaperna och om tillverkningsmetoden kunde förbättras.</p><p>Vid undersökning av fritorkade ark upptäcktes att ark som pressats med viraduk mellan läskark och laboratorieark blev mindre buckliga än ark som pressats med enbart läskark. Dessa ark hade också en något högre densitet. Buckligheten som är en följd av krympningen reducerades också när arken torkades mellan viraduk under lätt belastning. Läskarkens inverkan på de isotropa arken kunde inte elimineras genom att använda viraduk vid pressning, inte heller genom att växla läskarken så att deras MD riktning orienterades olika.</p><p>Även finmaterialets inverkan på pappersegenskaperna undersöktes. Resultaten visade att ett ökat finmaterial innehåll ger ökad krympning, högre densitet, ökat dragstyvhetsindex, buckligare ark och en minskad luft permeabilitet.</p><p>Det visade sig att olika presstryck ger arken en högre densitet men krympningen påverkades inte märkbart. Densitet i samma nivå som på maskinark kunde däremot inte erhållas med laboratorieplanpress. Detta kan bero på att fibrerna i fritorkade ark relaxerar efter pressning, vilket ger en lägre densitet. För att kunna få högre densitet kanske en annan press än den planpress som användes i dessa studier kan införas. Det kunde även konstateras att ett ökat presstryck ger mindre buckliga ark.</p><p>I dessa studier, där ark tillverkades av färdiga skiktblandningar från maskinkar, hade inte ytvikten på arken någon större inverkan på krympningen. Detta tyder på att ytvikten på arken som används som indata inte har så stor inverkan vid simulering i modellen Fibre-to-board.</p><p>Det undersöktes även hur skikten i ett två-skikts ark och en blandning av LF/CTMP massa påverkar krympningen. Resultaten visade att krympningen ökar med en högre andel LF och att det finns ett linjärt samband mellan den totala krympningen för en blandning av LF/CTMP massa och krympningen för de enskilda massorna.</p><p>För att kunna verifiera beräkningsmodellen Fibre-to-board utfördes slutligen en simulering. Skiktblandningar och tvärsprofiler från kartong togs ut från en specifik pappers maskin inom Stora Enso koncernen. Egenskaperna på laboratorieark gjorda av skiktblandningarna användes som indata till simuleringsprogrammet och kartongprofilerna från pappersmaskinen användes som referens. Dragstyvhetsindex i CD stämde bra överens med de mätningar som gjordes på maskinarken, men dragstyvhetsindex i MD skiljde sig. Krympningen som beräknades på maskinarken överensstämde inte med det simulerade resultatet. Det förekommer en osäkerhet i krympmätningarna som gjordes på kartong profilerna, då det idag inte förekommer någon mätutrustning på pappersmaskinen, som bestämmer bredden mellan press- och torkpartiet. Detta komplicerar valideringen av Fibre-to-board modellen.</p>

Fibre-to-board is a simulation model developed at Stora Enso Research Centre Karlstad. Within this model isotropic hand sheet properties are used as input data for prediction of the final multi ply board properties. In order to improve and verify the calculations from simulations in Fibre-to-board so that these will correspond better with the results from the measurements on the paper/board machine, it was requested at RCK to investigate the possibility to optimize the input data to the model. Standardized hand sheet forming always results in sheets with properties far away from those produced on a machine. Therefore the aim with this Master thesis was to modify the laboratory procedure to receive hand sheets with properties closer to machine sheets. To achieve this, it was investigated how different parameters affect the sheet properties and if the hand sheet making process could be improved. When freely dried sheets were investigated it was found that sheets pressed with a wire clothing between the blotting paper and the hand sheet were less cockled than sheets pressed against only blotting papers. These sheets also tend to have a higher density. The cockling i.e. as a result from shrinkage was also reduced when the sheets were dried between slightly weighted wire clothing. Neither wire clothing nor orientated blotting papers during pressing eliminate the influence of anisotropic blotters on the shrinkage for isotropic hand sheets. It was also examined how the fine material influences sheet properties. The results showed that an increase in fines content result in higher shrinkage, higher density, increased TSI, more cockling and decreased air permeability. Different pressing loads and an increased density did not have much influence on the shrinkage. The density for freely dried sheets increased with higher load, but the results did not reach machine sheet densities, when the laboratory platen press was used. It might be difficult to receive freely dried hand sheets with higher densities. This is because fibres in freely dried sheets tend to relax after pressing, which will influence the density. Another press than the platen press used in these studies might compensate this matter. An increased pressing load resulted in less cockled sheets. The basis weight did not seem to have that large affect on the shrinkage when using machine chest furnish, therefore the basis weight on hand sheets used as input data to the simulation model Fibre-to-board might not be that important. It was studied how different plies and SW/CTMP pulp in a mixture affect the shrinkage. The results showed that the shrinkage increased with a higher SW content. It was also found that there is a linear relation between the total shrinkage of a SW/CTMP pulp mixture and the shrinkage for each individual pulp. In order to verify the Fibre-to-board model a simulation finally was performed. Furnishes and CD profiles of board were collected from a particular board machine within the Stora Enso Group. Properties from hand sheets made of furnishes were used as input data and the machine CD profiles were used as references. The CD TSI value corresponded with the value received from measurements on the machine board, but the MD TSI value did not. The shrinkage calculated on machine sheets did not coincide with the shrinkage from the simulation in Fibre-to-board. There are insecurities in the results from shrinkage measurement on the board CD profile due to the lack of width measurement during the process, which complicates the validation of the Fibre-to-board model. / Fibre to board är en simulerings modell framtagen vid Stora Enso Research Centre Karlstad. Modellen används för att prediktera krympning och styrkeegenskaper hos en bestämd kartongbana. Indata till modellen hämtas ifrån isotropa laboratorieark. För att förbättra och verifiera erhållna resultat från simuleringsmodellen så att de korresponderar bättre med värden från kartongmaskinen fanns det ett önskemål från RCK om att undersöka möjligheten att optimera indata till modellen. Laboratoriearktillverkning enligt standard resulterar alltid i ark med egenskaper som ligger långt från maskin arkens. Därför är syftet med detta examensarbete att modifiera arktillverkningsmetoden så att laboratorieark med egenskaper närmare de för maskinark kan erhållas. För att lyckas med detta undersöktes det hur olika parametrar påverkar pappersegenskaperna och om tillverkningsmetoden kunde förbättras. Vid undersökning av fritorkade ark upptäcktes att ark som pressats med viraduk mellan läskark och laboratorieark blev mindre buckliga än ark som pressats med enbart läskark. Dessa ark hade också en något högre densitet. Buckligheten som är en följd av krympningen reducerades också när arken torkades mellan viraduk under lätt belastning. Läskarkens inverkan på de isotropa arken kunde inte elimineras genom att använda viraduk vid pressning, inte heller genom att växla läskarken så att deras MD riktning orienterades olika. Även finmaterialets inverkan på pappersegenskaperna undersöktes. Resultaten visade att ett ökat finmaterial innehåll ger ökad krympning, högre densitet, ökat dragstyvhetsindex, buckligare ark och en minskad luft permeabilitet. Det visade sig att olika presstryck ger arken en högre densitet men krympningen påverkades inte märkbart. Densitet i samma nivå som på maskinark kunde däremot inte erhållas med laboratorieplanpress. Detta kan bero på att fibrerna i fritorkade ark relaxerar efter pressning, vilket ger en lägre densitet. För att kunna få högre densitet kanske en annan press än den planpress som användes i dessa studier kan införas. Det kunde även konstateras att ett ökat presstryck ger mindre buckliga ark. I dessa studier, där ark tillverkades av färdiga skiktblandningar från maskinkar, hade inte ytvikten på arken någon större inverkan på krympningen. Detta tyder på att ytvikten på arken som används som indata inte har så stor inverkan vid simulering i modellen Fibre-to-board. Det undersöktes även hur skikten i ett två-skikts ark och en blandning av LF/CTMP massa påverkar krympningen. Resultaten visade att krympningen ökar med en högre andel LF och att det finns ett linjärt samband mellan den totala krympningen för en blandning av LF/CTMP massa och krympningen för de enskilda massorna. För att kunna verifiera beräkningsmodellen Fibre-to-board utfördes slutligen en simulering. Skiktblandningar och tvärsprofiler från kartong togs ut från en specifik pappers maskin inom Stora Enso koncernen. Egenskaperna på laboratorieark gjorda av skiktblandningarna användes som indata till simuleringsprogrammet och kartongprofilerna från pappersmaskinen användes som referens. Dragstyvhetsindex i CD stämde bra överens med de mätningar som gjordes på maskinarken, men dragstyvhetsindex i MD skiljde sig. Krympningen som beräknades på maskinarken överensstämde inte med det simulerade resultatet. Det förekommer en osäkerhet i krympmätningarna som gjordes på kartong profilerna, då det idag inte förekommer någon mätutrustning på pappersmaskinen, som bestämmer bredden mellan press- och torkpartiet. Detta komplicerar valideringen av Fibre-to-board modellen.

<p>Sammanfattning</p><p>I en pappersrulle är de yttre lagren utsatta för dragspänning. Om det finns variationer i rullens diameter i form av valkar finns det risk för att papperet förlängs irreversibelt i dessa positioner och orsaka slappa stråk. Den deformation som uppstår vid långvarig belastning av papper kallas krypning.</p><p>Uppgiften i detta arbete var, att på lab., simulera valkar genom att utsätta pappersremsor för konstant dragspänning av olika storlekar. En av frågeställningarna var om egenskapsförändringar kan påvisas när papper utsätts för konstant inspänningskraft under en längre tid. De parametrar som undersökts var töjning, kryphastighet och relaxation, även mätningar på papperets mekaniska egenskaper dragstyrka, brottöjning och dragstyvhet har utförts i detta arbete.</p><p>De papperskvalitéer som undersöktes var 71g/m2 MG-papper, 80g/m2 optisk liner och 135g/m2 liner. Inspänningskraften som papperet utsattes för motsvarade 10 %, 30 % och 50 % av dragstyrkan hos varje kvalité. Provremsor belastades under ett, fyra och sju dygn, för att sedan relaxeras.</p><p>Resultaten visar att dragstyrkan och dragstyvheten inte påverkas av att papperet varit utsatt för en inspänningskraft. Däremot blev brottöjningen mindre ju större den irreversibla förlängningen hos papperet var. Samtliga papperskvalitéer relaxerar tillbaka till ursprungslängd efter fyra dygn när belastningen var 10 %. Om belastningen däremot var 30 % och 50 % uppstod en irreversibel förlängning redan efter ett dygn. Vid belastning under sju dygn uppstod permanent förlängning hos samtliga kvalitéer och belastningar utom MG-papper 10 % som relaxerade till ursprungslängd. MG-papper är därmed den papperskvalité som står emot krypning bäst och är på så sätt minst känslig för valkar i pappersrullen.</p><p>En högre belastning ger en högre kryphastighet och större irreversibel förlängning. För att undvika uppkomsten av slappa stråk bör därför banspänningen som används vid upprullningen av papperet inte vara större än 10 % av dragstyrkan hos papperskvalitén.</p><p>Hur länge papperet är belastat påverkar också den slutliga irreversibla förlängningen. Det innebär att lagring ökar risken för att slappa stråk kommer att uppstå i efterbearbetningen.</p> / <p>Abstract</p><p>In a paper roll the outer layers are under tensile stress. If there are variations in the roll diameter there is a risk that the thicker parts of the roll will make the paper elongate more in these regions, because they will be under a higher tensile stress. This may cause baggy webs. The deformation that occurs during a long time under tensile stress is called creep.</p><p>Experiments have been performed with strips of paper that have been exposed to a constant load and constant climate (50 % RH, 23°C). The properties that have been examined are creep strain, creep rate and relaxation after creep. Studies of tensile strength, tensile stiffness and strain at break have also been made.</p><p>The paper qualities that have been examined were 71g/m2 MG-paper, 80g/m2 liner and 135g/m2 liner. The paper qualities in this study are exposed to loads that correspond to 10 %, 30 % and 50 % of their tensile strength. The paper strips were under load during 24h, four and seven days.</p><p>The results in these studies show that tensile strength and tensile stiffness remains the same after the paper has been exposed to a constant load. The strain at break, on the other hand, decreases with increasing irreversible elongation of the paper strips. All paper qualities recover to the initial length after four days under a load of 10 % of the tensile strength. If the load corresponds to 30 % or 50 % of the tensile strength a permanent elongation arose as early as after 24h. After seven days, only the MG-paper recovered to the initial length if the load corresponded to 10 % of the tensile strength. This means that MG-paper is more resistant to creep then the liner qualities. Consequently, MG-paper is the paper quality that is least sensitive to ridges.</p><p>A higher load gives a higher creep rate and larger irreversible elongation of the paper. To avoid baggy webs to arise, the load should not exceed 10 % of the paper’s tensile strength when winding the paper roll. The time under which the paper is under load also influence the final irreversible elongation. Therefore, to avoid baggy webs the paper roll shouldn’t be stored for too long.</p>

Sammanfattning I en pappersrulle är de yttre lagren utsatta för dragspänning. Om det finns variationer i rullens diameter i form av valkar finns det risk för att papperet förlängs irreversibelt i dessa positioner och orsaka slappa stråk. Den deformation som uppstår vid långvarig belastning av papper kallas krypning. Uppgiften i detta arbete var, att på lab., simulera valkar genom att utsätta pappersremsor för konstant dragspänning av olika storlekar. En av frågeställningarna var om egenskapsförändringar kan påvisas när papper utsätts för konstant inspänningskraft under en längre tid. De parametrar som undersökts var töjning, kryphastighet och relaxation, även mätningar på papperets mekaniska egenskaper dragstyrka, brottöjning och dragstyvhet har utförts i detta arbete. De papperskvalitéer som undersöktes var 71g/m2 MG-papper, 80g/m2 optisk liner och 135g/m2 liner. Inspänningskraften som papperet utsattes för motsvarade 10 %, 30 % och 50 % av dragstyrkan hos varje kvalité. Provremsor belastades under ett, fyra och sju dygn, för att sedan relaxeras. Resultaten visar att dragstyrkan och dragstyvheten inte påverkas av att papperet varit utsatt för en inspänningskraft. Däremot blev brottöjningen mindre ju större den irreversibla förlängningen hos papperet var. Samtliga papperskvalitéer relaxerar tillbaka till ursprungslängd efter fyra dygn när belastningen var 10 %. Om belastningen däremot var 30 % och 50 % uppstod en irreversibel förlängning redan efter ett dygn. Vid belastning under sju dygn uppstod permanent förlängning hos samtliga kvalitéer och belastningar utom MG-papper 10 % som relaxerade till ursprungslängd. MG-papper är därmed den papperskvalité som står emot krypning bäst och är på så sätt minst känslig för valkar i pappersrullen. En högre belastning ger en högre kryphastighet och större irreversibel förlängning. För att undvika uppkomsten av slappa stråk bör därför banspänningen som används vid upprullningen av papperet inte vara större än 10 % av dragstyrkan hos papperskvalitén. Hur länge papperet är belastat påverkar också den slutliga irreversibla förlängningen. Det innebär att lagring ökar risken för att slappa stråk kommer att uppstå i efterbearbetningen. / Abstract In a paper roll the outer layers are under tensile stress. If there are variations in the roll diameter there is a risk that the thicker parts of the roll will make the paper elongate more in these regions, because they will be under a higher tensile stress. This may cause baggy webs. The deformation that occurs during a long time under tensile stress is called creep. Experiments have been performed with strips of paper that have been exposed to a constant load and constant climate (50 % RH, 23°C). The properties that have been examined are creep strain, creep rate and relaxation after creep. Studies of tensile strength, tensile stiffness and strain at break have also been made. The paper qualities that have been examined were 71g/m2 MG-paper, 80g/m2 liner and 135g/m2 liner. The paper qualities in this study are exposed to loads that correspond to 10 %, 30 % and 50 % of their tensile strength. The paper strips were under load during 24h, four and seven days. The results in these studies show that tensile strength and tensile stiffness remains the same after the paper has been exposed to a constant load. The strain at break, on the other hand, decreases with increasing irreversible elongation of the paper strips. All paper qualities recover to the initial length after four days under a load of 10 % of the tensile strength. If the load corresponds to 30 % or 50 % of the tensile strength a permanent elongation arose as early as after 24h. After seven days, only the MG-paper recovered to the initial length if the load corresponded to 10 % of the tensile strength. This means that MG-paper is more resistant to creep then the liner qualities. Consequently, MG-paper is the paper quality that is least sensitive to ridges. A higher load gives a higher creep rate and larger irreversible elongation of the paper. To avoid baggy webs to arise, the load should not exceed 10 % of the paper’s tensile strength when winding the paper roll. The time under which the paper is under load also influence the final irreversible elongation. Therefore, to avoid baggy webs the paper roll shouldn’t be stored for too long.

<p>Converting wood into paper is a complex process involving many different stages, one of which is pulping. Pulping involves liberating the wood fibres from each other, which can be done either chemically or mechanically. This thesis focuses on the most common chemical pulping method, the kraft cooking process, and especially on a recently developed improvement of the impregnation phase, which is the first part of a kraft cook.</p><p>Extended impregnation kraft cooking (EIC) technique is demonstrated to be an improvement of the kraft pulping process and provides a way to utilize softwood to a higher degree, at higher pulp yield. We demonstrate that it is possible to produce softwood (<em>Picea abies</em>) kraft pulp using a new cooking technique, resulting in a pulp that can be defibrated without inline refining at as high lignin content as 8% on wood, measured as kappa numbers above 90. Lignin is the wood constituent that holds the wood fibres together in the wood matrix. The new cooking technique uses the differences in reaction rate between the diffusion and consumption of hydroxide ions; it is used to ensure a homogenous impregnation of wood chips at lower impregnation temperatures and longer impregnation times than are generally used in the industry. The applied cooking temperatures are also substantially lower than those used in conventional kraft pulping systems, promoting uniform delignification. This results in a narrower kappa number distribution than in lab-cooked conventional kraft pulp.</p><p>High-kappa-number pulps were investigated for pulp sheet properties such as tensile strength, tensile stiffness, and compression strength. It was demonstrated that an EIC pulp of kappa number 95 has strength properties comparable to those of a conventional pulp of kappa number 82. Comparing the effects of starch multilayers on conventional and EIC pulps reveals similar effects. The use of the starch multilayer treatment increased the tensile index and decreased the tensile stiffness and short-span compression test (SCT) indices.</p><p>The EIC technique has also been used to produce a series of bleachable-grade pulps. The results indicate the possibility of increasing the lignin content of the pulp entering the oxygen delignification stage, since the reject content of gently defibered pulp is lower than 0.1% at kappa number 49.</p><p>In this thesis, we recommend that wood chips be impregnated for 2 h at 110 °C to neutralize acidic compounds in the wood and impregnate the chips with cooking chemicals, and that the ensuing cook be performed at 135–140 °C, depending on the target kappa number. We also recommend increasing the available amounts of cooking chemicals in the impregnation stage by using a higher liquor-to-wood ratio and keeping the alkali profile fairly high in the ensuing cook. This concept will reduce the amount of reject material, increase the pulping uniformity, and increase the selectivity towards lignin degradation in the kraft cook.</p> / <p>Omvandling av ved till papper är en komplicerad process som består av många olika steg där ett är massaframställningen (eng. <em>pulping</em>). Massaframställning medför att vedfibrerna frigörs från varandra på kemisk eller mekanisk väg. Denna avhandling fokuserar på den vanligaste kemiska metoden, sulfatkokning och speciellt den nyligen utvecklade förbättringen av impregnerings fasen, som är den första delen av ett sulfatkok. <em></em></p><p>Här visas att<em> Extended Impregnation kraft Cooking </em>(EIC) innebär en förbättring av sulfatkokningen och ett sätt att uppnå högre vedutnyttjande vid högre utbyte för barrved. Vi visar att det är möjligt att producera barrvedsmassa med en ny kokningsprincip som resulterar i en massa som är defibrerbar utan inline-raffinering vid så högt lignin innehåll som 8% (på ved), mätt som kappatal över 90. Lignin är den vedkomponent som håller ihop vedfibrerna i vedmatrisen. Kokningsprincipen utnyttjar skillnaderna i reaktionshastighet mellan diffusion och konsumtion av hydroxidjoner och nyttjas till att skapa en homogen impregnering av vedflisen vid lägre impregneringstemperatur och under längre tid än vad som vanligen används i industrin. De använda koktemperaturerna är också betydligt lägre än vid konventionell sulfatkokning vilket gynnar jämn delignifiering. Detta resulterar i en smalare kappatalsfördelning jämfört med laboratoriekokade konventionella massor.</p><p>Massor med höga kappatal undersöktes med avseende på egenskaper hos handark, såsom dragstyrka, dragstyvhet och kompressionsstyrka Det visades att handark från EIC massa vid kappatal 95 hade jämförbara styrkeegenskaper med konventionell massa vid kappatal 82. Vid jämförelse av effekten av stärkelse multilager på konventionella och EIC massor avslöjar liknande effekter. Användningen av stärkelsemultilager ökade dragindex och minskade dragstyvhets- och kompressions index (SCT, short-compression test).</p><p>Kokprincipen har även använts för att ta fram en serie blekbara massor. Resultaten visar på möjligheten att öka lignininnehållet i massan in till i syrgasdelignifierings-steget eftersom spetinnehållet för milt defibrerad massa var lägre än 0,1% vid kappatal 49.</p><p>I den här avhandlingen rekommenderar vi att vedflis impregneras i 2 timmar vid 110 °C för att neutralisera sura komponenter i veden och impregnera flisen med kokkemikalier, samt att utföra det efterföljande koket vid 135–140 °C beroende på önskat kappatal. Vi rekommenderar även att öka den tillgängliga mängden kokkemikalier i impregneringssteget genom att använda högre vätske-ved förhållande och att hålla alkali profilen relativt hög i det efterföljande koket. Detta koncept reducerar spetmängden, ger jämnare kokning och ökar selektiviteten för nedbrytning av lignin i sulfatkoket.</p>

Converting wood into paper is a complex process involving many different stages, one of which is pulping. Pulping involves liberating the wood fibres from each other, which can be done either chemically or mechanically. This thesis focuses on the most common chemical pulping method, the kraft cooking process, and especially on a recently developed improvement of the impregnation phase, which is the first part of a kraft cook. Extended impregnation kraft cooking (EIC) technique is demonstrated to be an improvement of the kraft pulping process and provides a way to utilize softwood to a higher degree, at higher pulp yield. We demonstrate that it is possible to produce softwood (Picea abies) kraft pulp using a new cooking technique, resulting in a pulp that can be defibrated without inline refining at as high lignin content as 8% on wood, measured as kappa numbers above 90. Lignin is the wood constituent that holds the wood fibres together in the wood matrix. The new cooking technique uses the differences in reaction rate between the diffusion and consumption of hydroxide ions; it is used to ensure a homogenous impregnation of wood chips at lower impregnation temperatures and longer impregnation times than are generally used in the industry. The applied cooking temperatures are also substantially lower than those used in conventional kraft pulping systems, promoting uniform delignification. This results in a narrower kappa number distribution than in lab-cooked conventional kraft pulp. High-kappa-number pulps were investigated for pulp sheet properties such as tensile strength, tensile stiffness, and compression strength. It was demonstrated that an EIC pulp of kappa number 95 has strength properties comparable to those of a conventional pulp of kappa number 82. Comparing the effects of starch multilayers on conventional and EIC pulps reveals similar effects. The use of the starch multilayer treatment increased the tensile index and decreased the tensile stiffness and short-span compression test (SCT) indices. The EIC technique has also been used to produce a series of bleachable-grade pulps. The results indicate the possibility of increasing the lignin content of the pulp entering the oxygen delignification stage, since the reject content of gently defibered pulp is lower than 0.1% at kappa number 49. In this thesis, we recommend that wood chips be impregnated for 2 h at 110 °C to neutralize acidic compounds in the wood and impregnate the chips with cooking chemicals, and that the ensuing cook be performed at 135–140 °C, depending on the target kappa number. We also recommend increasing the available amounts of cooking chemicals in the impregnation stage by using a higher liquor-to-wood ratio and keeping the alkali profile fairly high in the ensuing cook. This concept will reduce the amount of reject material, increase the pulping uniformity, and increase the selectivity towards lignin degradation in the kraft cook. / Omvandling av ved till papper är en komplicerad process som består av många olika steg där ett är massaframställningen (eng. pulping). Massaframställning medför att vedfibrerna frigörs från varandra på kemisk eller mekanisk väg. Denna avhandling fokuserar på den vanligaste kemiska metoden, sulfatkokning och speciellt den nyligen utvecklade förbättringen av impregnerings fasen, som är den första delen av ett sulfatkok. Här visas att Extended Impregnation kraft Cooking (EIC) innebär en förbättring av sulfatkokningen och ett sätt att uppnå högre vedutnyttjande vid högre utbyte för barrved. Vi visar att det är möjligt att producera barrvedsmassa med en ny kokningsprincip som resulterar i en massa som är defibrerbar utan inline-raffinering vid så högt lignin innehåll som 8% (på ved), mätt som kappatal över 90. Lignin är den vedkomponent som håller ihop vedfibrerna i vedmatrisen. Kokningsprincipen utnyttjar skillnaderna i reaktionshastighet mellan diffusion och konsumtion av hydroxidjoner och nyttjas till att skapa en homogen impregnering av vedflisen vid lägre impregneringstemperatur och under längre tid än vad som vanligen används i industrin. De använda koktemperaturerna är också betydligt lägre än vid konventionell sulfatkokning vilket gynnar jämn delignifiering. Detta resulterar i en smalare kappatalsfördelning jämfört med laboratoriekokade konventionella massor. Massor med höga kappatal undersöktes med avseende på egenskaper hos handark, såsom dragstyrka, dragstyvhet och kompressionsstyrka Det visades att handark från EIC massa vid kappatal 95 hade jämförbara styrkeegenskaper med konventionell massa vid kappatal 82. Vid jämförelse av effekten av stärkelse multilager på konventionella och EIC massor avslöjar liknande effekter. Användningen av stärkelsemultilager ökade dragindex och minskade dragstyvhets- och kompressions index (SCT, short-compression test). Kokprincipen har även använts för att ta fram en serie blekbara massor. Resultaten visar på möjligheten att öka lignininnehållet i massan in till i syrgasdelignifierings-steget eftersom spetinnehållet för milt defibrerad massa var lägre än 0,1% vid kappatal 49. I den här avhandlingen rekommenderar vi att vedflis impregneras i 2 timmar vid 110 °C för att neutralisera sura komponenter i veden och impregnera flisen med kokkemikalier, samt att utföra det efterföljande koket vid 135–140 °C beroende på önskat kappatal. Vi rekommenderar även att öka den tillgängliga mängden kokkemikalier i impregneringssteget genom att använda högre vätske-ved förhållande och att hålla alkali profilen relativt hög i det efterföljande koket. Detta koncept reducerar spetmängden, ger jämnare kokning och ökar selektiviteten för nedbrytning av lignin i sulfatkoket. / QC 20120216

The rapid growth of plastic waste from food packaging around the world demands renewable substitutes, such as natural fibers and biocomposites. Wood fibers are natural fibers extracted from trees and are commonly used in packaging. In order for renewable alternatives to compete against plastics and other non-renewable materials, a better understanding of the mechanical properties of single fibers at the micro-scale are necessary. A great deal of previous research into the mechanical properties of single wood fibers has focused on their tensile behavior, however, little work has been published about their compressive behavior. It is difficult to measure the compressive strength of single fibers directly due to fiber buckling. The purpose of this study is to investigate how post-buckling of single wood pulp fibers affects the mechanical properties of fibers in tension. Two alternative hypotheses were tested through experiments in The Odqvist Laboratory for Experimental Mechanics at KTH. The major part of the thesis process has been invested in developing components called grippers, and testing methods for the Single Fiber Testing System, in order to be able to perform the experiments. The existing grippers were tested and alternative grippers were developed, as well as an alternative testing method without grippers, called the Paper frame method (PFM). PFM was used in the final experimental work to test the hypotheses. The main finding from this study is that there is not enough evidence to suggest that the tensile strength or tensile stiffness of single wood fibers are significantly reduced by post-buckling damage. This finding is mostly relevant in the research and development of fibrous material with larger distances between individual fibers, such as low-density fiber network materials. The main findings from the single fiber testing methods development were that the existing grippers cannot prevent fiber slippage. Furthermore, the alternative gripper 22A with its arc design generates higher grip force than previous grippers but lacks surface friction in the contact region in order to prevent fiber slippage. PFM has an experimental success rate of over 80 % for trained users and easy usage for the operator. The testing equipment Single Fiber Testing System displays several systematic errors occurring in the post-processing process of tests with cyclic loads. / Den snabba tillväxten av plastavfall från livsmedelsförpackningar runt om i världen kräver förnybara alternativ, såsom förpackningar gjorda av naturfibrer och biokompositer. Träfibrer är naturliga fibrer som utvinns från trä och används ofta i förpackningar. För att dessa förnybara alternativ ska kunna konkurrera mot plast och andra icke-förnybara material krävs en bättre förståelse av de mekaniska egenskaperna hos enskilda fibrer på mikronivå. Det finns en omfattande forskning om de mekaniska egenskaperna i drag hos enskilda träfibrer. Däremot existerar det lite publicerad forskning om träfibrers kompressionsegenskaper. Kompressionsegenskaperna är svåra att mäta direkt på grund av fiberknäckning. Syftet med denna studie är att undersöka hur skadan som uppstår efter knäckning av enskilda träfibrer påverkar de mekaniska egenskaperna hos fibrer i drag. Två alternativa hypoteser testades genom experiment i Odqvistlaboratoriet för experimentell mekanik vid KTH. Huvuddelen av examensarbetet har investerats i att utveckla grepparmar och testmetoder för testmaskinen Single Fiber Testing System, för att kunna utföra experiment. De befintliga grepparmarna testades och nya grepparmar utvecklades, och även en alternativ testmetod utan grepparmar som kallas Paper frame method (PFM) utvecklades. PFM användes i det sista experimentella arbetet för att pröva hypoteserna. Huvudslutsatsen från denna studie är att det inte finns tillräckligt med bevis för att stödja hypotesen att enskilda träfibrers draghållfasthet eller dragstyvhet reduceras av skada som uppstår efter knäckning. Detta resultat är mest relevant för forskning och utveckling av fibernätverks material med större avstånd mellan fibrerna, såsom fibermaterial med låg densitet. Huvudslutsatserna från utvecklingen av testmetoder var att de befintliga grepparmarna inte kunde förhindra fiberglidning. Den alternativa grepparmen 22A med sin bågkonstruktion genererade högre greppkraft än tidigare grepparmar men saknar rätt beläggning i kontaktområdet för att förhindra glidning av fiber. PFM har en hög test framgångsgrad med över 80 % för erfarna användare och den är enkel att arbeta med. Testmaskinen Single Fiber Testing System visar flera systematiska fel som blir märkbar under dataanalys av tester med cykliska belastningar.

Tesis por compendio / [ES] Todas estructuras, especialmente las conformadas con hormigón armado, no solo deben cumplir con la seguridad necesaria bajo los Estados Límites Últimos (ULS), además es imprescindible que garanticen un comportamiento adecuado frente a condiciones de servicio. En general, los requisitos fundamentales de servicio que debe cumplir este tipo de estructuras son: la funcionalidad, comodidad para el usuario y la apariencia. Sin embargo, estos no se pueden verificar de forma directa; por lo tanto, ha sido necesario definir criterios de desempeño tales como control de deflexión, control de vibración y control de agrietamiento para dar cumplimiento a lo indicado anteriormente. Además, se dificulta el cálculo de la capacidad de servicio debido al fenómeno de agrietamiento, el efecto de rigidez por tensión, la contracción y los efectos de fluencia. Por lo tanto, el control de la fisuración en estructuras de hormigón armado generalmente se logra limitando la tensión en el refuerzo de acero y la matriz de hormigón. Siendo así que, en los diseños incluidos en códigos relevantes a hormigón, especifican la tensión máxima del refuerzo de acero después de la fisuración y el ancho máximo de fisura para los miembros estructurales de CR o FRC, no obstante los aspectos de capacidad de servicio del diseño para el hormigón reforzado con fibras de ultra alto rendimiento reforzado (R-UHPFRC), no han sido incluidos en los códigos o recomendaciones de UHPFRC. A pesar de que se han realizado muchos esfuerzos en la investigación tanto experimental como teórica sobre el comportamiento de servicio de los elementos estructurales de CR o FRC durante las últimas décadas, para el R-UHPFRC se debe desarrollar aún más su conocimiento relacionado con los requisitos para el diseño de capacidad de servicio, incluyendo su comportamiento de tensión y agrietamiento. En este marco, el objetivo principal de la presente tesis doctoral es evaluar el comportamiento de servicio de R-UHPFRC. Por tal razón, es fundamental realizar la evaluación del comportamiento de deformación y fisuración de los elementos de tracción R-UHPFRC. Para ello, se abordaron y cumplieron adecuadamente dos puntos principales. El primero, diseñar una metodología de prueba innovadora y adecuada para ejecutar los experimentos requeridos para este proyecto de doctorado. En segundo lugar, se llevó a cabo la evaluación de la respuesta de rigidez a la tensión y el comportamiento de agrietamiento del R-UHPFCR, que son parámetros primordiales para el diseño de capacidad de servicio. Para estudiar estos dos parámetros, se consideraron algunos parámetros importantes tales como: el efecto del volumen del contenido de fibra, el tipo de fibra, el efecto del tamaño, el efecto de la relación de refuerzo y el efecto de la contracción. Finalmente, para evaluar los parámetros mencionados, se presentan cuatro campañas experimentales. Cada una de ellas, representa un nivel diferente de estudio. El primero corresponde a la validación de la metodología de ensayo de tracción propuesta y examinar los datos experimentales obtenidos, para emplearlos en futuros estudios de este proyecto. El segundo nivel consistió en establecer y realizar experimentos completos con dos tipos de fibra de acero, modificando además su cantidad, es así como se utilizaron diferentes proporciones de refuerzo y sección transversal para evaluar el efecto tanto del tamaño como del contenido de fibra, respectivamente. También, en un estudio experimental específico se indagó sobre el efecto de la combinación de micro y microfibras de acero en la deformación y el comportamiento de agrietamiento de los elementos R-UHPFRC de tracción. El tercer nivel corresponde a una prueba de contracción intensiva, necesaria para obtener el valor de contracción del UHPFRC utilizado en esta investigación. El último nivel comprende la modificación de la geometría de la probeta y el uso de probetas en forma de hueso de perro para evaluar el ancho medio y máximo de fisura (valor / [CA] Totes les estructures, especialment les conformades amb formigó armat, no només han de complir amb la seguretat necessària sota els Estats Límits Últims (ULS), a més és imprescindible que garanteixin un comportament adequat davant de condicions de servei. En general, els requisits fonamentals de servei que ha de complir aquest tipus d'estructures són: la funcionalitat, la comoditat per a l'usuari i l'aparença. Això no obstant, aquests no es poden verificar de forma directa; per tant, ha calgut definir criteris d'acompliment com ara control de deflexió, control de vibració i control d'esquerdament per a donar compliment al que s'ha indicat anteriorment. A més, es dificulta el càlcul de la capacitat de servei a causa del fenomen d'esquerdament, l'efecte de rigidesa per tensió, la contracció i els efectes de fluència. Per tant, el control de la fissuració en estructures de formigó armat generalment s'aconsegueix limitant la tensió al reforç d'acer i la matriu de formigó. És així que en els dissenys inclosos en codis rellevants a formigó, especifiquen la tensió màxima del reforç d'acer després de la fissuració i l'amplada màxima de fissura per als membres estructurals de CR o FRC, no obstant els aspectes de capacitat de servei del disseny per al formigó reforçat amb fibres d'ultra alt rendiment reforçat (R-UHPFRC), no han estat inclosos als codis o recomanacions d'UHPFRC. Tot i que s'han realitzat molts esforços en la investigació tant experimental com teòrica sobre el comportament de servei dels elements estructurals de CR o FRC durant les últimes dècades, per al R-UHPFRC s'ha de desenvolupar encara més el seu coneixement relacionat amb els requisits per al disseny de capacitat de servei, incloent el comportament de tensió i esquerdament. En aquest marc, l'bjectiu principal de la present tesi doctoral és avaluar el comportament de servei de R-UHPFRC. Per aquesta raó, és fonamental fer l'avaluació del comportament de deformació i fissuració dels elements de tracció R-UHPFRC. Per això, es van abordar i van complir adequadament dos punts principals. El primer, dissenyar una metodologia de prova innovadora i adequada per executar els experiments requerits per a aquest projecte de doctorat. En segon lloc, es va fer l'avaluació de la resposta de rigidesa a la tensió i el comportament d'esquerdament del R-UHPFCR, que són paràmetres primordials per al disseny de capacitat de servei. Per estudiar aquests dos paràmetres, es van considerar alguns paràmetres importants com ara l'efecte del volum del contingut de fibra, el tipus de fibra, l'efecte de la mida, l'efecte de la relació de reforç i l'efecte de la contracció. Finalment, per avaluar els paràmetres mencionats, es presenten quatre campanyes experimentals. Cadascuna representa un nivell diferent d'estudi. El primer correspon a la validació de la metodologia dassaig de tracció proposada i examinar les dades experimentals obtingudes, per a emprar-les en futurs estudis daquest projecte. El segon nivell va consistir a establir i realitzar experiments complets amb dos tipus de fibra d'acer, modificant-ne a més la quantitat, és així com es van utilitzar diferents proporcions de reforç i secció transversal per avaluar l'efecte tant de la mesura com del contingut de fibra, respectivament. També, en un estudi experimental específic, es va indagar sobre l'efecte de la combinació de micro i macrofibres d'acer en la deformació i el comportament d'esquerdament dels elements R-UHPFRC de tracció. El tercer nivell correspon a una prova de contracció intensiva, necessària per obtenir el valor de contracció de l'UHPFRC utilitzat en aquesta investigació. L'últim nivell comprèn la modificació de la geometria de la proveta i l'ús de provetes en forma d'os de gos per avaluar l'amplada mitjana i màxima de fissura (valor real detectat) provocat per esforços de tracció en els elements de tracció R-UHPFRC . És important esmentar que es van fer diferents anàlisis per a cada investigació experimental i es van ac / [EN] All structures, particularly reinforcement concrete structures, apart from meeting necessary security against Ultimate Limit States (ULS), must exhibit appropriate behaviour under service conditions. Generally, the fundamental serviceability requirements that concrete structures should meet are functionality, user comfort and appearance. These requirements cannot, however, be directly checked. Therefore, performance criteria, such as deflection control, vibration control and cracking control, are defined to meet these requirements. Serviceability calculation is complicated because of the cracking phenomenon, the tension stiffening effect, shrinkage, and creep effects. Cracking control in reinforced concrete (RC) structures is generally achieved by limiting stress in steel reinforcement and the concrete matrix. Many concrete code designs specify a maximum steel reinforcement stress after cracking and a maximum crack width for RC or fibre-RC (FRC) structural members, while the design serviceability aspects for Reinforced Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (R-UHPFRC) are poorly considered in UHPFRC codes or recommendations. Many efforts have been made in experimental and theoretical research into the serviceability behaviour of RC or FRC structural elements in the last few decades. However, for R-UHPFRC, knowledge about tension and cracking behaviour must improve and serviceability design requirements have to be further studied. Within this framework, the main purpose of the present PhD thesis is to evaluate the serviceability behaviour of R-UHPFRC. For this purpose, the evaluation of the deformation and cracking behaviour of R-UHPFRC tensile elements is essential. To that end, two main items were addressed and adequately met. The first one was to design an innovative and adequate test methodology to carry out the experiments required for this PhD project. The second involved evaluating the tension stiffening response and cracking behaviour of R-UHPFRC, which are fundamental parameters for R-UHPFRC structures' serviceability design. To study these two parameters, important parameters were considered, such as fibre content, fibre type, size effect, reinforcement ratio and shrinkage effect. In order to evaluate the aforementioned parameters, four experimental campaigns are presented. Each campaign represents a different study level. The first corresponds to the validation of the proposed tensile test methodology and to the examination of the obtained experimental data for future studies required for this PhD project. The second experimental study level corresponds to establishing and undertaking comprehensive experimental programmes with two different steel fibre types and fibre contents. Different cross-section and reinforcement ratios were used to evaluate the size effect and fibre content effect, respectively. The effect of the micro- and macro-steel fibres combination on the deformation and cracking behaviour of tensile R-UHPFRC elements was investigated in a specific experimental study. The third level corresponds to an intensive shrinkage test, which was conducted to obtain the shrinkage value of the UHPFRC used in this PhD study. The final level corresponds to a specific experimental study, done by modifying the specimen's geometry and using the dog bone-shaped specimens to evaluate the average and maximum crack width (real detected value) caused by tensile stresses in R-UHPFRC tensile elements. It is worth mentioning that different analyses were performed for each experimental research and appropriate results were achieved to fulfil the thesis aims. Keywords: cracking behaviour, design criteria, durability, fragility curve, post-cracking tensile stiffness, serviceability behaviour, shrinkage, SLS requirements, structural design, tensile elements, tension stiffening, test method, tie, UHPFRC. / This work is part of Project “BIA2016-78460-C3-1-R” supported by the State Research Agency of Spain / Khorami, M. (2023). Serviceability Behaviour of Reinforced UHPFRC Tensile Elements [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192683 / Compendio