Vessel passivation strategies to reduce vessel picking

Coelho, João Pedro Rodrigues

Publication

Vessel passivation strategies to reduce vessel picking

2024-09-18Doctoral thesis

datacite.subject.fos	Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química	pt_PT
dc.contributor.advisor	Vaz, Álvaro Frederico Campos
dc.contributor.author	Coelho, João Pedro Rodrigues
dc.date.accessioned	2025-02-24T10:39:05Z
dc.date.embargo	2026-10-23
dc.date.issued	2024-09-18
dc.description.abstract	In recent decades, the paper industry has faced several challenges, both in terms of decarbonisation of the industrial sector and in terms of innovation and concomitant evolution of the digital era. One of the problems associated with the paper industry, and in particular the study case, Eucalyptus globulus (hardwood), is the presence of vessel elements in the wood structure. This problem stands out not in production (paper industry) but in the use (consumer) of the final product. In the case of printing from paper produced with this pulp, the poor adhesion of these elements to the surface of the paper can cause them to come loose and contaminate the printing system, a phenomenon called vessel picking and ink refusal. It is a problem commonly found in printing industries that need to make large quantities of prints and associated with the paper industry for the production of paper. During the printing process, this phenomenon occurs due to the stickiness of the inks involved in the printing process and can cause vessel elements torn from the paper surface to contaminate the printing machine circuit. This contamination can result in a drop in production due to the stopping of printing machines for cleaning, which can result in increased costs. Although it is not a directly felt problem in the paper industry, there is a continuous need to optimize the characteristics of a product, reducing the rate of complaints due to this problem. There is also a need to follow the evolution of the digital era and technologies, including printing technologies that increasingly print faster and with more colours, posing other types of challenges to the paper structure while at the same time accompanying the decarbonisation of the sector. This thesis aimed to understand the phenomenon allowing the creation of papers with a low level of vessel picking and following the studies carried out over the last decades on the subject, some approaches to this problem were attempted. The physical separation of vessel elements was attempted, using the Jacquelin method and also the Britt-Jar method. Some adaptations were made to separation methods (Britt-Jar) and others were created for the same purpose (adapted Strainer). The objective was to create a pure vessel fraction (>90%) to be able to use different analytical means and better understand the differences in behaviour between fibres and vessels, and to create a pulp fraction sufficiently rich in vessels to enable the vessel picking study. Morphological studies were carried out on the characteristics of the pulp and after achieving satisfactory separation levels (>90%) it was possible to carry out more concrete studies on the surface and global chemistry of the vessel elements and fibres. It was also possible to advance two treatment hypotheses, mechanical and enzymatic. With these studies it was possible to discover similarities and differences that could justify the different interaction between the elements (fibres and vessels) and thus try to better understand the vessel picking effect. It was also possible to perceive the effect of the treatments on the different pulp elements. The results reveal differences between vessels and fibres and point to a greater hydrophobicity of the vessels in relation to fibres (μ-FTIR spectrum with differences in the peak relative to the CH bonds and the COC ether group; it is possible that the presence of a higher concentration of hydrocarbons may be related to the greater hydrophobicity shown by the vessels, in agreement with surface free energy values, where the vessels present a higher dispersive/polar energy ratio, and with the higher values of water contact angle for the vessels (more hydrophobic)), a higher content of lignin and extractives in the vessels (low O/C content in XPS and EDX observed in the vessels can be explained by a higher content of lignin and extractives), a higher content of hemicelluloses in the vessels (having a higher content of total acids and hexenuronic acids) and a greater porosity for the vessels in relation to fibres (vessels with a higher content of mesopores and lower content of micropores). The use of enzymatic treatments revealed to have a positive effect on some of the characteristics presented by fibres and vessels (reduction in hemicellulose content and superficial reduction in the content of extractives and hemicelluloses) and also on the selectivity of enzyme action (greater effect on vessels, probably due to difference in porosity). In this work, paper with different quantities of vessels was also simulated and treatments were carried out on them. The effect of beating was studied, the effect of two enzymes (xylanase and an enzymatic cocktail containing cellulase and laccase) and the two treatments simultaneously were studied. Beating proved to be the most effective method in reducing vessel picking (>90%), although both enzymes, with greater relevance for the enzymatic cocktail, showed some effectiveness (vessel picking decrease: xylanase ≈ 38%; enzymatic cocktail ≈ 53%). Enzymatic treatments mainly revealed changes in the behaviour of the vessels and consequently in their integration into the paper structure. A preferential attack on the vessels was detected, probably due to the greater porosity of the vessels; there was a consequent increase in porosity with the enzymatic treatment, where the effect was more pronounced in the vessels; reduced hydrophobicity, proven by water contact angle measurements as well as by the increase in the polar component of the sample’s surface energy. However, the combination of the two methods proved to be the most effective methodology (>91%), and there may be a balance between beating and the use of enzymes, resulting in a reduction in operating costs. Within the tests carried out, enzymatic tests were also carried out directly on a fraction of vessels, which revealed an effectiveness of 94% in reducing vessel picking. In short, the problem of vessel picking can be controlled through beating, which is not a 100% effective solution. Enzymatic treatments improve the beating effect, proving to be efficient in terms of reducing vessel picking, however, it is necessary not to neglect side effects in the tensile properties. From the point of view of the paper production industry, when subjected to a raise in vessel problems, enzymatic treatments should be considered, before beating, presenting a good solution to mitigate the vessel picking problem.	pt_PT
dc.description.abstract	Nas últimas décadas, a indústria papeleira tem sofrido vários desafios, quer ao nível da descarbonização do sector industrial, quer ao nível da inovação e acompanhamento da evolução da era digital. Um dos desafios associados à indústria papeleira, e em particular ao caso de estudo, o Eucalyptus globulus (hardwood), é a presença de elementos de vaso na estrutura da sua madeira. Este problema destaca-se não na produção (indústria papeleira) mas no uso (consumidor) do produto final. No caso da impressão a partir de papéis produzidos com esta pasta, a fraca adesão destes elementos à superfície do papel pode fazer com que estes se soltem e contaminem o sistema de impressão, fenómeno denominado por vessel picking e ink refusal. É um problema encontrado vulgarmente em indústrias gráficas que necessitam de fazer grandes quantidades de impressões, e associado à indústria papeleira pela produção do papel. Durante o processo de impressão, a ocorrência deste fenómeno deve-se à pegajosidade das tintas envolvidas no processo de impressão e pode causar que os vasos arrancados da superfície do papel contaminem o circuito da máquina de impressão. Esta contaminação pode resultar numa quebra de produção devido à paragem das máquinas de impressão para a sua limpeza, podendo traduzir-se em custos acrescidos. Embora não seja um problema diretamente sentido, na indústria papeleira, existe a necessidade contínua de otimizar as características de um produto, diminuindo a taxa de reclamações devido a este problema. Existe também a necessidade de seguir a evolução da era digital e das tecnologias, incluindo, tecnologias de impressão que cada vez imprimem mais rápido e com mais cores, colocando outro tipo de desafios à estrutura do papel ao mesmo tempo acompanhando a descarbonização do sector. Esta tese teve em vista a compreensão do fenómeno, permitindo a criação de papéis com baixo nível de vessel picking e seguindo os estudos feitos ao longo das últimas décadas sobre a temática foram tentadas algumas abordagens a este problema. Tentou-se a separação física de elementos de vasos, através do método de Jacquelin e também do método de Britt-Jar. Foram feitas algumas adaptações a métodos de separação (Britt-Jar) e foram criados outros para o mesmo propósito (Strainer adaptado). O objetivo foi criar uma fração de vasos pura (>90%) para se poderem utilizar diferentes meios analíticos e melhor compreender as diferenças de comportamento entre fibras e vasos, e criar uma fração de pasta suficientemente rica em vasos para possibilitar o estudo do arrancamento (vessel picking). Foram feitos estudos morfológicos às características da pasta e após se atingir níveis de separação satisfatórios (>90%) foi possível fazer estudos mais concretos sobre a química de superfície e global dos elementos de vasos e das fibras. Foi também possível avançar duas hipóteses de tratamento, mecânico e enzimático. Com estes estudos foi possível descobrir semelhanças e diferenças que possam justificar a diferente interação entre os elementos (fibras e vasos) e assim tentar perceber melhor o efeito do vessel picking. Foi também possível perceber o efeito dos tratamentos nos diferentes elementos da pasta. Os resultados revelam diferenças entre vasos e fibras e apontam para uma maior hidrofobicidade dos vasos em relação às fibras (espectro de μ-FTIR com diferenças no pico relativo às ligações CH e ao grupo éter COC; é possível que a presença de uma maior concentração de hidrocarbonetos possa estar relacionada com a maior hidrofobicidade mostrada pelos vasos, em concordância com os valores de energia de superfície, onde os vasos apresentam um maior rácio de energia dispersiva/polar, e com os valores mais elevados de ângulo de contacto com a água para os vasos (mais hidrofóbicos)), um maior conteúdo de lenhina e extrativos nos vasos (baixo teor O/C no XPS e EDX observado nos vasos pode ser explicado por maior conteúdo de lenhina e extrativos), um maior teor de hemiceluloses nos vasos (possuindo maior teor de ácidos totais e de ácidos hexenurónicos) e uma maior porosidade para os vasos em relação às fibras (vasos maior conteúdo de mesoporos e menor de microporos). O uso dos tratamentos enzimáticos revelou ter um efeito positivo nalgumas das características apresentadas pelas fibras e pelos vasos (redução no conteúdo de hemicelulose e redução superficial do conteúdo de extrativos e hemiceluloses) e também na seletividade de atuação das enzimas (maior efeito nos vasos, provavelmente devido a diferença de porosidade). Neste trabalho fez-se ainda a simulação de papéis com diferentes quantidades de vasos e foram efetuados tratamentos nos mesmo. Foi estudado o efeito da refinação, foi estudado o efeito de duas enzimas (xilanase e um cocktail enzimático contendo celulase e lacase), e dos dois tratamentos em simultâneo. A refinação revelou ser o método mais eficaz na diminuição do vessel picking (>90%), embora ambas as enzimas, com maior relevância para o cocktail enzimático, mostraram trazer alguma eficácia (diminuição de vessel picking: xilanase ≈ 38%; cocktail enzimático ≈ 53%). Os tratamentos enzimáticos revelaram principalmente mudanças no comportamento dos vasos e consequentemente na sua integração na estrutura do papel. Foi detetado um ataque preferencial aos vasos provavelmente devido à maior porosidade dos vasos; houve um consequente aumento da porosidade com o tratamento enzimático, onde o efeito foi mais acentuado nos vasos; redução da hidrofobicidade, comprovado por medições de ângulo de contacto da água assim como pelo aumento da componente polar da energia de superfície da amostra. Contudo, a junção dos dois métodos revelou ser a metodologia mais eficaz (>91%), podendo existir um equilibro entre a refinação e o uso de enzimas, potenciando uma redução nos custos de operação. Dentro dos ensaios realizados, foram ainda feitos ensaios enzimáticos diretamente numa fração de vasos que revelou uma eficácia de 94% na diminuição do vessel picking. Em suma, o problema do vessel picking pode ser controlado através da refinação, o que não é uma solução 100% eficaz. Os tratamentos enzimáticos melhoram o efeito da refinação, mostrando-se eficientes na redução do vessel picking, porém é necessário não descurar os efeitos colaterais nas propriedades mecânicas. Do ponto de vista da indústria papeleira, quando sujeita a um aumento de problemas de vasos, devem ser considerados tratamentos enzimáticos, antes do recurso ao aumento da refinação, significando uma boa solução para mitigar o problema do vessel picking.	pt_PT
dc.description.sponsorship	To the InPaCTus project – Innovative Products and Technologies from Eucalyptus, project Nº 21874 funded by Portugal 2020 through the European Regional Development Fund (ERDF) in the frame of COMPETE 2020 nº246/AXIS II/2017, for funding the Doctoral Scholarship.	pt_PT
dc.identifier.tid	101706723	pt_PT
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10400.6/15118
dc.language.iso	eng	pt_PT
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/	pt_PT
dc.subject	Eucalyptus globulus	pt_PT
dc.subject	E.globulus	pt_PT
dc.subject	Vessel picking	pt_PT
dc.subject	Ink refusal	pt_PT
dc.subject	Tratamentos enzimáticos	pt_PT
dc.subject	Refinação PFI	pt_PT
dc.title	Vessel passivation strategies to reduce vessel picking	pt_PT
dc.type	doctoral thesis
dspace.entity.type	Publication
person.familyName	Coelho
person.givenName	João
person.identifier.ciencia-id	EE16-08D5-9836
person.identifier.orcid	0000-0003-3576-7503
rcaap.embargofct	Dados temporariamente confidenciais e compromisso com edição comercial ou patenteamento	pt_PT
rcaap.rights	embargoedAccess	pt_PT
rcaap.type	doctoralThesis	pt_PT
relation.isAuthorOfPublication	63ec4df7-f4a1-49d6-894e-cffbf4ade6c4
relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery	63ec4df7-f4a1-49d6-894e-cffbf4ade6c4
thesis.degree.name	Doutoramento em Ciência e Engenharia dos Materiais Fibrosos	pt_PT