Publication
Design and Engineering of Tissue Papers using Cellulose-based Fibrous Materials 3D Simulations: an approach for Furnish Optimization
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química | pt_PT |
| dc.contributor.advisor | Curto, Joana Maria Rodrigues | |
| dc.contributor.advisor | Amaral, Maria Emília da Costa Cabral | |
| dc.contributor.advisor | Carta, Ana Margarida Martins Salgueiro | |
| dc.contributor.author | Morais, Flávia Pinto | |
| dc.date.accessioned | 2023-01-06T15:41:26Z | |
| dc.date.available | 2024-12-13T01:30:20Z | |
| dc.date.issued | 2022-11-22 | |
| dc.description.abstract | In recent years, the tissue paper industry has been exposed to several challenges related to the growing relevance and demand for raw materials (furnish) and sustainable products. Cellulose fibers are excellent raw materials, due to their intrinsic characteristics, leading to their use in various products, such as tissue papers. These materials serve multiple purposes, combining cost-effectiveness with increasingly demanding hygiene criteria. The knowledge of the different types of pulp fibers and the results of their modifications by engineering processes contributes to the design of tissue paper materials with the best combination of furnish, for the several types of final products. This work explores the furnish optimization of tissue products, through the development and application of advanced computational tools. A methodology that combines experimental and computational planning was implemented to establish relationships between the key fiber and structure properties, the process steps that modify them, and the structural and functional tissue paper properties. This led to the development of a simulator for furnish optimization and management, the SimTissue. This work presents a significant and innovative contribution in the 3D fiber characterization and modeling, in the application of experimental and computational approaches to evaluate the engineering of fiber and structure modification processes, and in the optimization using advanced computational tools to design soft, resistant, and absorbent tissue materials. The characterization of the fiber dimensions in the paper structure, in the three dimensions (3D), was fundamental to model them, using SEM images methodologies and advanced computational tools for fiber and structure modeling. As a result of this strategy, 3D fiber models were developed, implemented, and used as input variables in computational simulations to predict the structural properties. A representative set of cellulose pulps of industrial interest were selected and characterized, obtained from hardwood and softwood species with different cooking and bleaching processes. The contribution of these pulp fibers with different morphological, chemical and water interaction properties to the tissue properties was accessed through several correlations. Therefore, a planning was implemented from the point of view of engineering fiber and structure modification process variables, influencing the design of tissue paper materials. The pulps were subjected to enzymatic and mechanical treatment, and incorporation of additives in suspension, including micro/nanofibrillated cellulose (MFC/NFC) and biopolymers. All these sets of trials were investigated to quantify their influence, singular or in combination, on the key tissue properties: softness, strength, and absorption. A production methodology of laboratory-made isotropic structures of 20 g/m2 instead of 60 g/m2, with pressing step suppression, was proposed following an adaptation of ISO 5269-1, in order to mimic tissue papers and evaluate these tissue properties. The establishment of relationships between these pulp fibers, the multiple changes resulting from the different processes, and the functional tissue properties was obtained using several computational tools, such as decision/regression trees, multiple linear regressions, artificial neural networks, among others, used as models to support planning and decision-making in industrial production. Therefore, the validation of computational models with these structures was an innovative and irreplaceable milestone to obtain a 3D computational simulator with predictive capacity for tissue structures. This entire process allowed the computational implementation of the SimTissue through the programming of algorithms for the calculation engine and database integration, to be used in specific cases to support industrial furnish management. The design of tissue fibrous materials using these computational tools allowed the development of furnish combinations and process parameters that led to the optimization of each tissue paper. This assisted in the decision of which pulps were most suitable for a given product and which enzymatic and mechanical treatments or additives incorporation enabled an optimized tissue material. By applying this methodology, it was possible to produce tissue structures with maximization of eucalyptus fibers, minimizing the incorporation of softwood pulp fibers, and quantifying the implications of the choices on the final end-use tissue properties. Hence, SimTissue predicts the influence of various types of raw materials used in formulations to produce tissue materials, the influence of modification processes, and the incorporation of additives. The validation of the properties’ prediction was performed with experimental and simulated structures. Each simulation performed can also be compared with formulations with 100% eucalyptus fiber pulps, or with different percentages of other hardwood and softwood fiber pulps, which reflects the ratio used by the tissue paper industry. The present work describes an experimental and computational approach, with the design and development of a predictive capacity tool, with the integration of fundamental variables, to optimize innovative furnish formulations, saving laboratory and industrial resources. This multiscale system, with multiple inputs and multiple outputs, was integrated using computational tools, modeling, and optimization methods. The development of the SimTissue was an innovative milestone to obtain the predictive capability of tissue structures, to support industrial production in furnish management and optimization. The materials design strategy using this computational tool can also be applied to the development of value-added fibrous materials based on eucalyptus fiber and including additives and fibers with micro and nanoscale. | pt_PT |
| dc.description.abstract | Nos últimos anos, a indústria do papel Tissue tem sido confrontada com diversos desafios relacionados com a crescente relevância e procura de matérias-primas (furnish) e produtos sustentáveis. As fibras de celulose são excelentes matérias-primas devido às suas características intrínsecas, sendo utilizadas em diversos produtos como os papéis Tissue. Estes materiais cumprem múltiplos propósitos, combinando a relação custo-benefício, com critérios de higiene cada vez mais exigentes. O conhecimento dos diferentes tipos de fibras celulósicas e dos resultados das suas modificações por processos de engenharia contribui para o projeto de materiais de papel Tissue com a melhor combinação de furnish, para os diversos tipos de produto final. Este trabalho investiga a otimização do furnish para os produtos Tissue através do desenvolvimento e aplicação de ferramentas computacionais avançadas. Uma metodologia que combina um planeamento experimental e computacional foi implementada para estabelecer relações entre as propriedades chave das fibras e das estruturas, as etapas do processo que as modificam e as propriedades estruturais e funcionais do papel Tissue, que conduziu ao desenvolvimento de um simulador para otimização e gestão do furnish, o SimTissue. Este trabalho apresenta uma contribuição significativa e inovadora na caracterização e modelação 3D das fibras, na aplicação de abordagens experimentais e computacionais para avaliar a engenharia dos processos de modificação das fibras e das estruturas e na otimização utilizando ferramentas computacionais avançadas a fim de projetar materiais Tissue suaves, resistentes e absorventes. A caracterização das dimensões das fibras na estrutura do papel, nas três dimensões (3D), foi fundamental para modelá-las, utilizando metodologias de imagens SEM e ferramentas computacionais avançadas de modelação das fibras e das estruturas. Como resultado desta estratégia, modelos 3D de fibras foram desenvolvidos, implementados e usados como variáveis de entrada nas simulações computacionais para prever as propriedades estruturais. Um conjunto representativo de pastas de interesse industrial foi selecionado e caracterizado, sendo estas obtidas de espécies de fibra curta (hardwood) e de fibra longa (softwood), com diferentes processos de cozimento e de branqueamento. A contribuição destas pastas com diferentes propriedades morfológicas, químicas e de interação com a água para as propriedades Tissue foi avaliada por meio de diversas correlações. Assim, um planeamento foi implementado do ponto de vista da engenharia das variáveis de processo de modificação das fibras e das estruturas, influenciando o projeto de materiais de papel Tissue. Estas pastas foram submetidas a tratamento enzimático e mecânico, e incorporação de aditivos na suspensão, incluindo celulose micro/ nanofibrilada (MFC/NFC) e biopolímero. Todos estes conjuntos de ensaios foram investigados de forma a quantificar a sua influência, singular ou em combinação, nas propriedades chave dos papéis Tissue: suavidade, resistência e absorção. Uma metodologia de produção de estruturas isotrópicas laboratoriais de 20 g/m2 em vez de 60 g/m2, com supressão da etapa de prensagem, foi proposta seguindo uma adaptação da ISO 5269-1, a fim de mimetizar os papéis Tissue e avaliar as suas propriedades. O estabelecimento das relações entre estas pastas, as múltiplas alterações resultantes dos diferentes processos e as propriedades funcionais Tissue foi obtido por meio de diversas ferramentas computacionais, como árvores de decisão/ regressão, regressões lineares múltiplas, redes neurais artificiais, entre outras, utilizadas como modelos para apoiar à gestão e tomada de decisão na produção industrial. Assim, a validação de modelos computacionais com estas estruturas foi um marco inovador e insubstituível para a obtenção de um simulador computacional 3D com capacidade preditiva de estruturas Tissue. Todo esse processo permitiu a implementação computacional do SimTissue, programando os algoritmos do motor de cálculo, com integração de uma base de dados, para serem utilizados em casos específicos de apoio à gestão industrial do furnish. O design de materiais fibrosos Tissue recorrendo a estas ferramentas computacionais possibilitou o desenvolvimento de combinações de furnish e de parâmetros de processo que conduzem à otimização de cada papel Tissue, permitindo decidir quais as pastas mais aptas para um determinado produto e quais os tratamentos enzimáticos e mecânicos, ou incorporação de aditivos que permitem obter um papel Tissue otimizado. Aplicando esta metodologia, produziram-se estruturas Tissue com maximização de fibras de eucalipto, minimizando a incorporação de fibra longa e quantificando as implicações das escolhas nas propriedades finais Tissue. O SimTissue prevê a influência de vários tipos de matérias-primas, utilizadas em formulações para produzir os materiais Tissue, a influência dos processos de modificação e da incorporação de aditivos. As estruturas experimentais e simuladas contribuíram para a validação do modelo de previsão das propriedades chave Tissue. Cada simulação realizada pode ainda ser comparada com formulações com 100% de pastas de fibras de eucalipto, ou com diferentes percentagens de outras pastas de fibra curta e longa, que reflete a relação usada pela indústria de papel Tissue. O presente trabalho apresenta uma abordagem experimental e computacional, com projeto e desenvolvimento de uma ferramenta de capacidade preditiva, com integração das variáveis fundamentais, para otimizar formulações inovadoras do furnish, economizando recursos laboratoriais e industriais. Este sistema multiescala, com múltiplas entradas e múltiplas saídas, foi integrado recorrendo a ferramentas computacionais, métodos de modelação e otimização. O desenvolvimento do SimTissue foi um marco inovador para obter capacidade preditiva das estruturas Tissue, de forma a apoiar a produção industrial na gestão e otimização do furnish. A estratégia de design de materiais utilizando esta ferramenta computacional pode também ser aplicada ao desenvolvimento de materiais fibrosos de valor acrescentado, utilizando como base a fibra de eucalipto e incluindo aditivos e fibras em micro e nano-escala. | pt_PT |
| dc.identifier.tid | 101681526 | pt_PT |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/12602 | |
| dc.language.iso | eng | pt_PT |
| dc.relation | Fiber Materials and Environmental Technologies | |
| dc.subject | Celulose Micro/ Nanofibrilada (MFC/NFC) | pt_PT |
| dc.subject | Engenharia de Fibras de Celulose | pt_PT |
| dc.subject | Modelação 3D das Fibras | pt_PT |
| dc.subject | Otimização do Furnish | pt_PT |
| dc.subject | Projeto de Materiais de Papel Tissue | pt_PT |
| dc.subject | Simulação Computacional 3D | pt_PT |
| dc.title | Design and Engineering of Tissue Papers using Cellulose-based Fibrous Materials 3D Simulations: an approach for Furnish Optimization | pt_PT |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardTitle | Fiber Materials and Environmental Technologies | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDB%2F00195%2F2020/PT | |
| oaire.fundingStream | 6817 - DCRRNI ID | |
| person.familyName | Morais | |
| person.givenName | Flávia | |
| person.identifier.ciencia-id | 8A13-6D61-3607 | |
| person.identifier.orcid | 0000-0002-7286-0638 | |
| person.identifier.scopus-author-id | 57211522919 | |
| project.funder.identifier | http://doi.org/10.13039/501100001871 | |
| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
| rcaap.rights | openAccess | pt_PT |
| rcaap.type | doctoralThesis | pt_PT |
| relation.isAuthorOfPublication | e9444ff1-56fe-4fe3-aef5-5acfa13ce7d4 | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | e9444ff1-56fe-4fe3-aef5-5acfa13ce7d4 | |
| relation.isProjectOfPublication | b09976b0-3f30-46a0-b055-2387863d8f54 | |
| relation.isProjectOfPublication.latestForDiscovery | b09976b0-3f30-46a0-b055-2387863d8f54 | |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Ciência e Engenharia dos Materiais Fibrosos | pt_PT |