i 

    

Thesis for the degree of Doctor of technology, Sundsvall 2011   

ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND

TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS

Dmitri Gorski   

Supervisors: Prof. Per Engstrand 

MSc. Jan Hill Dr Lars Johansson 

 FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network 

Department of Natural Sciences Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall, Sweden 

 Norske Skog Industries, nsiFOCUS AS, Pulp Team 

NO‐1756 Halden, Norway   

ISSN 1652‐893X Mid Sweden University Doctoral Thesis 108 

ISBN 978‐91‐86694‐34‐0  

 

                         

ii 

Akademisk  avhandling  som  med  tillstånd  av  Mittuniversitetet  i  Sundsvall framläggs  till  offentlig  granskning  för  avläggande  av  teknologie doktorsexamen torsdagen den 5 maj 2011, klockan 13.15 i sal M102, Mittuniversitetet Sundsvall.  Seminariet kommer att hållas på engelska.             ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS

Dmitri Gorski   © Dmitri Gorski, 2011   FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network Department of Natural Sciences  Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall Sweden  Telephone:  +46 (0)771‐975 000  Printed by Kopieringen Mittuniversitetet, Sundsvall, Sweden, 2011 

iii 

       

Dr. Alf  de Ruvo –  I would  like  to  ask  you,  dr. Atack,  about  the  relationship  between energy  and  properties  that  we  have  in  refining.  As  you  know  we  have  improved  the properties of mechanical pulps due to TMP, CTMP, etc., but the disadvantages seem to be that we always  increase  the energy  input. Do you  think  there  is any chance  that we can break this vicious circle, so as to reduce the amount of energy and still get better properties in refining?  

Dr. Douglas Atack – Yes, I do think this can be done. But we need to do further work to be certain.  Fibre‐Water Interactions in Papermaking Symposium, Oxford, UK, 1977

iv 

ATMP PROCESS: IMPROVED ENERGY EFFICIENCY IN TMP REFINING UTILIZING SELECTIVE WOOD DISINTEGRATION AND TARGETED APPLICATION OF CHEMICALS

Dmitri Gorski

FSCN ‐ Fibre Science and Communication Network, Department of Natural Sciences, Mid Sweden University, SE‐851 70 Sundsvall, Sweden ISSN 1652‐893X, Mid Sweden University Doctoral Thesis 108;  ISBN978‐91‐86694‐34‐0  

ABSTRACT

This thesis  is focused on the novel wood chip refining process called Advanced Thermomechanical  Pulp  (ATMP)  refining.  ATMP  consists  of  mechanical  pre‐treatment  of  chips  in  Impressafiner  and  Fiberizer  prior  to  first  stage  refining  at increased  intensity. Process  chemicals  (this  study was  concentrated on hydrogen peroxide and magnesium hydroxide) are introduced into the first stage refiner.  It  is known  that  the use of chemicals  in TMP process and  first stage refining at 

elevated intensity can reduce the energy demands of refining. The downside is that they also alter the character of the produced pulp. Reductions in fibre length and tear index are usually the consequences of refining at elevated intensity. Addition of  chemicals  usually  leads  to  reduction  of  the  light  scattering  coefficient. Using statistical methods it was shown that it is possible to maintain the TMP character of the  pulp  using  the  ATMP  process.  This  is  explained  by  a  separation  of  the defibration and  the  fibre development phases  in  refining. This  separation allows defibration of  chips  to  fibres and  fibre bundles without addition of  chemicals or increase  in  refining  intensity.  Chemicals  are  applied  in  the  fibre  development phase  only  (first  stage  refiner).  The  energy  demand  in  refining  to  reach  tensile index  of  25 Nm/g was  reduced  by  up  to  1.1 MWh/odt  (42 %) using  the ATMP process on Loblolly pine. The energy demand in refining of White spruce, required to reach tensile index of 30 Nm/g, was reduced by 0.65 MWh/odt (37%).  Characterizations of  individual  fibre properties, properties of sheets made  from 

long  fibre  fractions  and model  fibre  sheets  with  different  fines  fractions  were carried out. It was established that both the process equipment configuration (i.e. the mechanical pre‐treatment and the elevated refining intensity) and the addition of  process  chemicals  in  the  ATMP  process  influence  fibre  properties  such  as 

v 

external and internal fibrillation as well as the amount of split fibres. Improvement of  these properties  translated  into  improved properties of  sheets, made  from  the long  fibre  fractions  of  the  studied  pulps.  The  quality  of  the  fines  fraction  also improved. However, the mechanisms of improvement in the fines quality seem to be  different  for  fines,  generated  using  improved  process  configuration  and addition of process chemicals. The first type of fines contributed to better bonding of model  long fibre sheets through the densification of  the structure. Fines which have been influenced by the addition of the process chemicals seemed in addition to improve bonding between long fibres by enhancing the specific bond strength.  The  improved  fibre  and  fines  properties  also  translated  into  better  air 

permeability  and  surface  roughness  of  paper  sheets,  properties  which  are especially  important  for  supercalendered  (SC) printing paper. The magnitude of fibre  roughening  after  moistening  was  mainly  influenced  by  the  process equipment  configuration while  the  addition of process  chemicals yielded  lowest final surface roughness due to the  lowest  initial surface roughness. There was no difference  in how  fines  fractions  from  the  studied processes  influenced  the  fibre roughening. However,  fines with better bonding yielded model  fibre sheets with higher  PPS,  probably  due  to  their  consolidation  around  fibre  joints. Hence,  the decrease in PPS can probably be attributed to the  improvements  in the  long  fibre fraction  properties  while  the  improvement  of  fines  quality  contributed  to  the reduction of air permeability.  The process chemicals, utilized  in  the ATMP process  (Mg(OH)2 and H2O2) also 

proved  to  be  an  effective  bleaching  system. Comparable  increases  in  brightness could  be  reached  using  the  ATMP  process  and  conventional  tower  bleaching. Maximum brightness of  the pulp was reached after approximately 10 minutes of high‐consistency storage after refining or 40 minutes of conventional bleaching.  This study was conducted using a pilot scale refiner system operated as a batch 

process.  Most  of  the  experiments  were  performed  using  White  spruce  (Picea glauca).  In  Paper  I,  Loblolly  pine  (Pinus  taeda) was  used.  It  is  believed  that  the results presented in this thesis are valid for other softwood raw materials as well, but this limitation should be considered.   

Keywords: ATMP, TMP, Hydrogen Peroxide, Magnesium Hydroxide, Mechanical Pre‐Treatment, Fibre Characterisation, Refiner Bleaching, SC paper, Newsprint 

vi 

SAMMANFATTNING

Avhandlingen  är  fokuserad  på massaegenskaper  och  energiförbrukning  hos den  nya  processen  för  raffinering  av  mekanisk  massa,  ATMP  (Advanced Thermomechanical Pulp). Processen består av mekanisk förbehandling av flis med Impressafiner  och  Fiberizer  före  förstastegsraffinering.  Intensiteten  i förstastegsraffineringen  har  ökats  genom  att  använda matande  raffinörsegment och/eller högre rotationshastighet hos raffinören. Processkemikalier (här har främst väteperoxid och magnesium hydroxid använts) satsas  i förstastegsraffinören efter defibrering av flis.  Det  är  känt  att  tillsats  av  kemikalier  och  förstastegsraffinering  vid  högre 

intensitet leder till sänkt energiförbrukning i raffineringen.  Nackdelen är dock att de  samtidigt  förändrar karaktären hos producerad massa.   Reducerad  fiberlängd och rivindex är vanliga vid raffinering med högre intensitet. Tillsats av kemikalier i raffineringsprocessen  leder  vanligen  till  att  producerad massa  får mer  ”CTMP‐karaktär”,  det  vill  säga  minskad  ljusspridning  jämfört  med  TMP  vid  samma dragindex.  Med  hjälp  av  statistisk  databehandling  (varians‐  och principalkomponentsanalys)  har  det  visats  att  det  är  möjligt  att  behålla  TMP‐karaktären hos ATMP massan även när kemikalier och högre raffineringsintensitet används. Det beror på att defibrering av flis och utvecklingen av fibrer sker i olika processteg.  Separationen medger  att genomföra defibrering  av  flis  till  fibrer och fiberknippen  under  TMP‐liknande  förhållanden  utan  tillsats  av  kemikalier  eller ökning  av  raffineringsintensiteten.  Kemikalierna  appliceras  endast  under fiberutveckligsfasen  (förstastegsraffinören  och  vidare).  Med  bibehållen  TMP‐karaktär  hos  producerad  ATMP‐massa  minskade  energiförbrukningen  till dragindex 25 Nm/g med 1.1 MWh/odt (42 %) när ATMP processen tillämpades på sydstatstall  (Pinus Taeda). Energiförbrukningen vid  raffinering av gran  för att nå dragindex 30 Nm/g minskade med 0.65 MWh/odt  (37 %) när White spruce  (Picea glauca) användes.  Karaktärisering  av  fibrer  och  ark  inklusive  långfiberfraktions‐  och 

finfraktionsark  – de  senare  tillverkade med  en  blandning  av TMP‐långfiber  och olika finfraktioner – har utförts. Både processutformningen för ATMP (det vill säga mekanisk förbehandling och raffinering vid högre  intensitet) och kemikalietillsats påverkar  fiberegenskapsutvecklingen  exempelvis  intern‐  och  externfibrillering samt  andel  splittrade  fibrer.  Bättre  fiberegenskaper  hos  ATMP  gav  bättre arkegenskaper hos ark  tillverkade av  långfiberfraktion  från ATMP än  från TMP. Både processutformning och kemikalietillsats påverkade och förbättrade kvaliteten 

vii 

hos  ATMP  finfraktion.  Förbättringarna  till  följd  av  ändrad  processutformning respektive kemikalietillsats tyder på att olika mekanismer bidrar.   Förbättrade egenskaper hos fibrer och finmaterial leder också till minskning av 

luftpermeabilitet och ytråhet hos pappersark. Dessa egenskaper är viktiga  för SC tryckpapper. Graden av fiberresning i pappersytan vid förhöjd fukthalt (mätt som ytråhetsdifferens  före  och  efter  befuktning)  påverkas  främst  av processutformningen. Ark,  tillverkade  av ATMP med kemikalietillsats, har dock lägst ytråhet efter befuktning till följd av lägsta ytråheten för torrt ark. Både TMP och  ATMP  finmaterial  hade  samma  inverkan  på  fiberresning.  Inblandning  av finfraktion med bättre bidningsförmåga  leder till högre ytråhet. Förmodligen kan detta  förklaras med  förhöjd koncentration av  finmaterial kring bindningspunkter mellan fibrerna. Följaktligen är minskningen i ytråhet för ATMP‐massor sannolikt relaterad  till  de  förbättrade  långfiberegenskaperna  samtidigt  som  den  bättre finfraktionen bidrar till viss reduktion av luftpermeabilitet.  ATMP  tillverkad  med  bruk  av  peroxid  och  magnesiumhydroxid  i 

förstastegsraffineringen  visade  sig  ge  ett  effektivt  system  för  massablekning. Jämförbar  ökning  i  ljushet  kunde  nås med ATMP  processen  och  konventionell peroxidblekning  i  torn vid  samma  kemikaliesatsning. Maximal massaljushet nås för ATMP efter cirka 10 minuters  lagring vid hög massakoncentration respektive efter 40 minuter för konventionell tornblekning vid laboratoriestudium.  De rapporterade försöken genomfördes i pilotskala med ett raffinörsystem som 

kördes  satsvis. White  spruce  (Picea  glauca)  användes  som  råvara  för  de  flesta försöken. Sydstatstall (Pinus taeda) användes i försöken beskrivna i Paper I. Det är sannolikt  att  resultaten  som presenterats  här,  gäller  för de  flesta  barrvedssorter. Denna begränsning bör dock tas i beaktning. 

viii 

TABLE OF CONTENTS ABSTRACT......................................................................................................................... IV

SAMMANFATTNING..................................................................................................... VI

LIST OF PAPERS................................................................................................................. X

AUTHOR’S CONTRIBUTIONS TO THE MANUSCRIPTS....................................XI

RELATED PUBLICATIONS.......................................................................................... XII

ABBREVIATIONS..........................................................................................................XIII

1 INTRODUCTION............................................................................................................. 1

1.1 BACKGROUND ................................................................................................................. 1 1.2 OBJECTIVES OF THE STUDY............................................................................................. 2 1.3 HYPOTHESES ................................................................................................................... 2 1.4 OUTLINE OF THE THESIS.................................................................................................. 3

2 LITERATURE OVERVIEW............................................................................................. 4

2.1 RAW MATERIAL............................................................................................................... 4 2.1.1 Wood ultrastructure ................................................................................................ 5 2.1.2 Chemistry and reactivity of wood........................................................................... 8

2.2 CONVENTIONAL CHIP REFINING ...................................................................................... 9 2.2.1 Softening of wood.................................................................................................... 9 2.2.2 Mechanisms of chip refining................................................................................. 11 2.2.3 Character and quality of refined pulp .................................................................. 15

2.3 MECHANICAL PRE-TREATMENT .................................................................................... 18 2.4 REFINING AT INCREASED INTENSITY............................................................................. 20 2.5 COMBINATION OF MECHANICAL PRE-TREATMENT WITH HIGH-INTENSITY REFINING... 23 2.6 PEROXIDE AND MAGNESIUM HYDROXIDE CHEMISTRY ................................................. 23 2.7 USE OF CHEMICALS IN REFINING................................................................................... 26 2.8 RELATIONSHIP BETWEEN FIBRE AND FINES PROPERTIES AND PAPER PROPERTIES........ 28

2.8.1 Fibre development and paper quality................................................................... 28 2.8.2 Contribution of fines to the paper quality ............................................................ 29

3 MATERIALS AND METHODS................................................................................... 32

3.1 PILOT SCALE TRIALS ..................................................................................................... 32 3.1.1. Conditions during the trials................................................................................. 33 3.1.2. Accuracy of the specific energy demand measurement....................................... 34 3.1.3. The ATMP process ............................................................................................... 35

3.2 STATISTICAL METHODS................................................................................................. 36

ix 

3.2.1 ANOVA.................................................................................................................. 36 3.2.2. PCA ...................................................................................................................... 37

3.3 LABORATORY TESTING ................................................................................................. 37 3.3.1 Whole pulp testing................................................................................................. 37 3.3.2 Physical testing of laboratory sheets.................................................................... 38 3.3.3. Fibre characterisation ......................................................................................... 39 3.3.5. Laboratory bleaching........................................................................................... 40

3.4 ATMP PROCESS IN MILL SCALE .................................................................................... 41 4 RESULTS AND DISCUSSION.................................................................................... 42

4.1 MECHANICAL PRE-TREATMENT .................................................................................... 42 4.2 CHARACTER OF ATMP ................................................................................................. 47 4.3 FIBRE AND FINES PROPERTIES ....................................................................................... 54

4.3.1. Properties of individual fibres ............................................................................. 54 4.3.2. Physical properties of long fibre sheets .............................................................. 58 4.3.3. Influence of fines on the paper quality ................................................................ 60

4.4 ENERGY EFFICIENCY IN REFINING................................................................................. 66 4.5 OPTICAL PROPERTIES AND BLEACHING EFFICIENCY ..................................................... 72

4.5.1. Brightness improvement....................................................................................... 72 4.5.2. COD generation................................................................................................... 74 4.5.3. Light scattering .................................................................................................... 77

5 SUMMARY AND CONCLUSIONS ........................................................................... 79

6 RECOMMENDATIONS FOR FUTURE WORK...................................................... 81

7 ACKNOWLEDGEMENTS............................................................................................ 83

8 REFERENCES................................................................................................................... 85

APPENDIX 1: DATA FROM PILOT TRIALS AND LABORATORY TESTING.............................................................................................................................................. 105

 

x 

LIST OF PAPERS

This thesis is mainly based on the following six papers, herein referred to by their Roman numerals:  Paper I  Review:  reduction  of  energy  consumption  in  refining  through 

mechanical pretreatment of wood chips   Gorski D., Hill J., Engstrand P., Johansson L.   International Mechanical Pulping Conference, Sundsvall, Sweden, 2009   Nordic Pulp and Paper Research Journal, 25(2), 2010, p. 156  Paper II  Improvement of energy efficiency in TMP process through selective 

wood disintegration and targeted addition of chemicals  Johansson L., Hill J., Gorski D., Axelsson P. 

  Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(1), 2011, p. 31  Paper III  Peroxide‐based  ATMP  refining  of  spruce:  influence  of  chemical 

conditions on energy efficiency, fibre properties and pulp quality Gorski D., Mörseburg K., Axelsson P., Engstrand P. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(1), 2011, p. 47 

 Paper IV  Role of equipment configuration and process chemicals in peroxide‐

based ATMP refining of spruce Gorski D., Mörseburg K., Johansson L. Nordic Pulp and Paper Research Journal, 26(2), 2011 

 Paper V  Using  ATMP  technology  to  improve  energy  efficiency  and  pulp 

quality in production of SC magazine paper   Gorski D., Kure K.‐A., Hill J. 

Submitted to Nordic Pulp and Paper Research Journal  Paper VI  Brightness  improvement  in  peroxide‐based  ATMP  process 

compared to conventional bleaching   Gorski D., Johansson L., Engstrand P.   Submitted to Holzforschung  

xi 

AUTHOR’S CONTRIBUTIONS TO THE MANUSCRIPTS

The author’s contributions to the papers in this thesis are as follows:  Paper I  Literature survey, review of the literature and writing the paper  Paper II  Literature  survey,  analyzing  the  results  in  cooperation  with  the 

other authors and writing the paper  Paper III  Literature survey, planning the  trials  together with Lars  Johansson, 

Patrik Axelsson and Jan Hill, helping to conduct the trials, analyzing the  results  in  cooperation with  the  other  authors  and writing  the paper 

 Paper IV  Literature survey, planning  the  trials  together with Lars  Johansson 

and  Jan Hill, helping  to conduct  the  trials, analyzing  the  results  in cooperation with the other authors and writing the paper 

 Paper V  Literature survey, planning  the  trials  together with Lars  Johansson 

and  Jan Hill, helping  to conduct  the  trials, analyzing  the  results  in cooperation with the other authors and writing the paper 

 Paper VI  Literature survey, planning  the  trials  together with Lars  Johansson 

and  Jan Hill, helping  to conduct  the  trials, analyzing  the  results  in cooperation with the other authors and writing the paper 

 

xii 

RELATED PUBLICATIONS

Mg(OH)2‐based  hydrogen  peroxide  refiner  bleaching:  influence  of  extractives content in dilution water on energy efficiency Gorski D., Engstrand P., Hill J., Axelsson P., Johansson L. 64th Appita Conference, Melbourne, Australia, 2010 Appita Journal, 63(3), 2010, p. 218  Combining selective bleaching chemistries and ATMP  technology  for  low energy mechanical pulping at higher brightness Hill J., Sabourin M., Johansson L., Mörseburg K., Axelsson P., Aichinger J., Braeuer P., Gorski D. 7th  International  Symposium  on  Fundamental  Mechanical  Pulping,  Nanjing,  China, 2010, p. 164  On  the  relationship  between  improved  energy‐efficiency  in  high  consistency refining, fibre and fines properties and critical paper properties Gorski D., Mörseburg K., Kure K.‐A. International Mechanical Pulping Conference, Xi’an, China, 2011  

xiii 

ABBREVIATIONS

TMP  Thermo Mechanical Pulping CTMP  Chemo Thermo Mechanical Pulping RTS©  TMP, where  first  stage  refining  is conducted at elevated  intensity 

by using higher refiner rotational speed ATMP  Advanced Thermo Mechanical Pulping, a novel thermo mechanical 

pulping  process  consisting  of  the  following modifications  to  the conventional TMP process: 

‐  Mechanical  pre‐treatment  of  chips  in  Impressafiner  and   Fiberizer units ‐ Elevated first stage intensity (using higher refiner rotational  speed and/or feeding segment pattern) ‐ Addition of process chemicals after chip defibration 

ATMP (aq.)  No process chemicals added into the dilution water ATMP (B)  With the addition of NaHSO3 into the first stage refiner ATMP (Mg+P)  With the addition of Mg(OH)2 and H2O2 into the first stage refiner ATMP (Na+P)  With the addition of NaOH and H2O2 into the first stage refiner ATMP (AA)  With the addition of CH3COOH into the first stage refiner ATMP (AA+P)  With  the  addition  of  CH3COOH  and  H2O2  into  the  first  stage 

refiner ATMP (P)  With the addition of H2O2 into the first stage refiner SEC  Specific Energy Consumption (also specific energy demand) S3A  Surface  area  index,  used  in  this  study  to  estimate  the  external 

development of individual fibres COD  Chemical Oxygen Demand SC‐paper  Super Calenderd printing paper usually used for heatset‐offset and 

rotogravure printing wish especially high demand on  the  surface quality 

LWC‐paper  Light Weight Coated printing paper PPS  Parker Print Surface, a measure of surface roughness of paper odt  Oven Dry Tonne PFI  Paper and Fibre Research Institute 

1 

1 INTRODUCTION

1.1 Background TMP (Thermo Mechanical Pulp) refining  is a very energy‐intensive process. For 

example,  the  electrical  energy  demand  in mechanical  pulping mills  in  Sweden, most  of  it  utilized  in  TMP  refining,  amounts  to  approximately  5%  of  the  total electrical  energy  used  in  the  country  (www.skogsindustrierna.org).  Substantial improvement of electrical energy efficiency in refining is needed in order to secure the long term operation of many TMP mills. With rapidly growing energy costs the problem of high energy demand has become acute in recent years.  Norske  Skog ASA  is  a major  producer  of mechanical  pulp  in Norway.  It  has 

cooperated  with  institutes  and  universities  in  the  areas  of  energy‐efficient mechanical pulp production for more then ten years (Kure 1999, Reme 2000).   During a pre‐study for a new pulping line at Norske Skog Pisa mill in Brazil in 

2002, a decision was made to look into a refiner‐based solution that would satisfy the mill’s pulp quality specifications using local raw material (Pinus taeda). Earlier trials showed that  the conventional TMP process produced pulp with  inadequate strength  properties  at  too  high  energy  demands.  The  research  conducted  by Norske  Skog,  Paper  and  Fibre  Research  Institute  (PFI)  and  the  equipment manufacturer Andritz resulted  in  the  idea of a novel mechanical pulping process named ATMP  (Advanced  Thermomechanical  Pulp). A  partial ATMP  process  is operational in the Pisa mill since 2006.   The ATMP process consists of three main features:  

Defibration of chips into fibres and fibre bundles, achieved during mechanical pre‐treatment in Impressafiner and Fiberizer units. 

Utilization of elevated refining intensity during primary refining using higher rotational speed and a high‐intensity segment pattern. 

Selective addition of chemicals after pre‐treatment during primary refining, aimed at improving the fibre development while not influencing the chip defibration.  

 FSCN  (Fibre  Science  and  Communication  Network)  is  a  multi‐disciplinary 

research centre at Mid Sweden University (Sundsvall, Sweden) which has an aim of  creating  leading‐edge  knowledge  and  foresights  for  innovative  products  and production  systems  for  the  forest  products  industry.  In  2007,  cooperation was established between FSCN, Andritz, PFI and Norske Skog ASA resulting in a PhD 

2 

project  related  to  the ATMP process. The ATMP  technology was commercialized for  softwood  in  2010  and  the  first  full  scale  line  has  now  been  built  in  the Steyrermühl paper mill in Austria (UPM Kymmene Corporation).  

1.2 Objectives of the study The goal of  this  thesis  is  to  find a way  to produce mechanical pulp  fibres with 

improved quality suitable  for printing papers while at  the same  time minimizing the energy demand in mainline high‐consistency refining. Large improvements in refining energy efficiency were shown to be possible using the ATMP process (Hill et al. 2009, 2010). The main objectives of this study were:  

To evaluate the potential for energy reduction using the ATMP process compared to the conventional TMP process for pine and spruce raw materials. 

To investigate if significant energy demand reduction is possible while preserving important mechanical pulp and printing paper properties such as strength combined with optical properties and surface characteristics on similar level for the ATMP and the TMP. 

To study how fibre and fines properties, important for printing paper quality, were developed in the mainline refining in the ATMP process compared to the TMP reference. 

To evaluate the bleaching efficiency of ATMP process with hydrogen peroxide and magnesium hydroxide as process chemicals and to compare it to conventional high‐consistency tower bleaching simulated in laboratory. 

 1.3 Hypotheses

By separation of chip defibration and fibre development process it is possible to optimize those two phases of TMP refining separately. Thereby it is possible to achieve better energy‐efficiency in the development of the fibre properties and produce pulp with better quality at lower energy demand.  

First stage refining of wood material, which is fiberized during compressive pre‐treatment, can be conducted using higher intensity and chemical treatment without altering the character of the produced pulp, i.e. preserving strength and optical properties typical for TMP.  

The chemical system used to soften the fibre material is also able to bleach the pulp with efficiency, comparable to conventional high‐consistency tower bleaching. 

 

3 

1.4 Outline of the thesis Chapter  1  includes  introduction,  objectives  of  the  study,  hypothesis  and  the 

outline of the thesis. In Chapter 2, literature related to this study is reviewed. This chapter  also  includes  results  from  Paper  I,  which  is  a  literature  review  of mechanical pre‐treatment, one of the key unit operations in ATMP refining  Chapter  3  describes  the  experimental  methods,  used  in  this  study.  Detailed 

description of statistical methods can be found in Paper II and fibre characterisation methods in Paper III.  In Chapter  4, main  findings  in  this  study  are  presented.  The  influence  of  the 

ATMP process on the energy efficiency and pulp quality in pilot scale refining of Loblolly pine (Pinus taeda) and White spruce (Picea glauca) is described. An attempt is made  to  link  the  influence  of  different mechanisms,  employed  in  the ATMP process,  on  individual  fibre  properties  to  pulp  quality  and  electrical  energy efficiency in refining. The influence of long fibre fractions and fines from different pulps, produced in this study, on properties of laboratory sheets is also described. Further, a possibility to use the ATMP refining process for production of pulp for SC printing paper with  its specific demands on pulp quality  is explored. Finally, the  bleaching  efficiency  and  COD  (Chemical  Oxygen  Demand)  generation  in ATMP process  is  studied  and  compared  to  conventional high‐consistency  tower bleaching.  Chapter 5 contains a summary and conclusions and Chapter 6 recommendations 

for future work.  

4 

2 LITERATURE OVERVIEW

In this chapter, a review of related literature is conducted. The choice of reviewed literature is based on its relevance for the ATMP process and this thesis. In‐depth descriptions  of wood  raw material,  refining  and  papermaking  processes  can  be found  elsewhere  (Panshin  and  de  Zeeuw  1980,  Fellers  and  Norman  1992, Sundholm 1999, Fengel and Wegener 2003).  2.1 Raw material Wood  consists  of  highly  heterogeneous  anisotropic  elements  with  a  lot  of 

variations  both  within  and  between  the  trees  (Lundqvist  et  al.  2003).  Large differences  in  such  fibre  properties  as  length, width,  content  of  extractives  and microfibril angle can also be found in fibres originating from the same tree. These differences depend on what height  from  the ground and where  in  the  trunk  the fibres originate  from  (Atmer and Thörnqvist 1982). Moreover,  the age of  the  tree plays an important role; younger trees consist of fibres with different properties as compared  to older  trees  (Sundholm 1999). Thus,  representative  sampling  is very important  in  evaluation  of  fibre  and  pulp  properties.  The  differences  in  fibre structure of Norway spruce are illustrated in Fig. 1 where it can be clearly seen that fibres from different periods in a tree’s life have different fibril alignment and wall layer thickness.  

 Figure 1. Cell wall models of Norway spruce tracheids. a). earlywood tracheid, b).

latewood tracheid from juvenile wood, c). latewood tracheid from mature wood. Different microfibril orientation is indicated in the layers of the models (Brändström 2002).

5 

This  thesis  is  based  on  trials  performed  using  softwood  raw material, mainly White  spruce.  In  one  of  the  trials,  Loblolly  pine  was  used.  There  are  some differences between those two softwood species, see Table 1. As can be seen, pine and  spruce  fibres  have  approximately  similar  length  but  there  are  considerable differences  in  fibre width, cell wall  thickness and specific gravity. Pine  fibres are thus more rigid and coarse, have higher ratio of  latewood (thick‐walled) fibres to earlywood (thin‐walled) fibres as well as higher amount of extractives (Sundholm 1999).   

Table 1. Properties of White spruce and Loblolly pine (Sundholm 1999)

Property  White spruce  Loblolly pine Average fibre length (mm)  3.5  3.6 Average fibre width (μm)  25‐30  35‐45 Cell wall thickness (μm)  2.4  3.3 Specific gravity (odg/cm3)  0.42  0.54 Extractives content, EtOH‐Benz. (%)  2.0  3.2‐5.4  2.1.1 Wood ultrastructure Wood  is  a  highly  hierarchical  composite material,  Fig  2.    90‐95%  of  softwood 

material  consists  of  tracheids,  commonly  referred  to  as  fibres  (Huber  and Prütz 1938). The tracheids function as mechanical support structure for the wood trunk and  also  transport  liquid  and  minerals  up  the  stem.  This  transport  is  more important during  the  initial phase of a  tree’s  life  (fibres have higher  fibril angles, thinner  walls  and  larger  inner  diameters),  while  mechanical  support  of  the growing  trunk  is more  important  in  the  later  phase  (fibres  have  smaller  fibril angles and thicker walls). This is one of the reasons for juvenile wood fibres having different  fibre dimensions compared to mature wood  fibres. In  the centre of each fibre there is a cavity, called the lumen. A thin layer of the secondary wall called S3 separates  the  lumen  and  S2.  The main  function  of  the  S3  is  to  withstand  the negative pressure  in  the  lumen caused by  the  transport of  liquid upwards  in  the trunk,  which  can  be  up  to  20  bars  (Booker  and  Sell  1998).  This  conclusion  is supported by a study which showed that S3  layer thickness and fibril orientation are important for the transverse properties of fibres (Bergander and Salmén 2000). S2 is the thickest layer of the secondary wall and contributes with as much as 70‐80%  to  the  total  fibre mass  (Vehniäinen 2008).  It determines most of  the stiffness and other mechanical characteristics of  the  fibre due  to  its high cellulose content and axially oriented fibrils. The S1 layer separates S2 layer from the primary wall, P. Middle  lamellae  (M)  is the amorphous  layer separating wood fibres from each other. Middle lamellae determines most of the rheological characteristics of wood due to its low glass transition temperature.  

6 

 Figure 2. Schematic illustration of a softwood fibre (Persson 2000)

 Approximate  content  of  the  different  polymers  contained  in  wood  fibres  is 

shown  in  Fig.  3.  This  is  historically  the  figure  used most  often  to  describe  the polymer  composition  of  the  fibres;  however,  considerable  advances  have  been made in characterisation of wood fibre wall polymer structure since this figure was produced in the 1970‐s.   

 Figure 3. Different polymers, contained in wood fibre wall (Panshin and de Zeeuw 1980)

 

7 

It  was  recently  proposed  that  a  double  fibre  wall  should  be  considered  as fundamental  building  block  of wood  (Booker  and  Sell  1998,  Corson  2001).  The double wall  layer acts as an effective energy dissipation structure when a  tree  is subjected to mechanical stresses. The main source of mechanical stress in a tree is the  swaying  of  the  trunk  due  to  wind,  which  causes  axial  compressions  and vibrations. The stiff cellulose matrix  in the S2  layer provides mechanical support. This matrix, with  fibrils oriented at an angle  from  the  fibre axis,  flexes upon  the axial compression of the tree, see Fig. 4.   

 Figure 4. Flexing of the cellulose microfibril matrix upon axial compressions, caused by

swaying of a tree (Corson 2001).

 The flexing of the S2 layers of two adjustent fibres causes shearing of the middle 

lamellae, which  dissipates  this  energy  as  heat  due  to  its  amorphous  structure. Stresses,  activating  this  naturally  evolved mechanism  of  energy dissipation  in  a tree, are  similar  in many ways  to  the  stresses originating  from  refining of wood chips. In mechanical pulp refining, the wood structure is also subjected to repeated stressing aimed at  liberating  individual  fibres  (i.e. breaking up  the material).  It  is thus important to optimize the frequency and intensity of this cyclic stress so that the liberation of fibres from the wood matrix happens in an energy‐efficient way, not  trigging  the  natural  defensive mechanisms which  took millions  of  years  to evolve.   

8 

2.1.2 Chemistry and reactivity of wood Wood  polymer  composition,  previously  described  in  Fig.  3,  has  been 

characterized in a  lot more detail in the previous 30 years. Therefore, an updated version, based on the literature data, is suggested, see Fig. 5.   

 Figure 5. Approximate distribution of different polymers in wood fibre wall (drawn based

upon Lindgren and Mikawa 1957, Marton and Adler 1961, Panshin and DeZeeuw 1970, Sorvari et al. 1986, Westermark et al. 1986, Heitner and Min 1987, Bacic et al. 1988, Suckling 1991, Peng and Westermark 1997, David and Hon 2001, Fengel and Wegener 2003, Rowell 2005, Stevanic 2008)

 The main difference, compared to Fig. 3, is a much more detailed composition of 

the polymer group, previously named “hemicellulose”. An increased concentration of  the  coniferyl‐type  lignin  structures  in  the  P1  and  S1  fibre wall  layers  is  also accentuated. The main purpose of the figure is not to depict all details in cell wall composition, but  to  illustrate  that  there  is considerable difference  in  reactivity of the different areas in the fibre wall. Coniferyl lignin structures, pectin and protein, which are all highly reactive compounds compared to relatively inert cellulose, are all concentrated to the P1 and S1 fibre wall layers, i.e. the outer layers in the fibre structure. Thus,  the outer  fibre  layers  can be  considered  to be  the most  reactive parts  of  the  fibres.  Reactions  of  fibre  components with  hydrogen  peroxide  and alkali are described later in this thesis.  The reactivity of different chemicals towards fibre components is also influenced 

by the transport mechanisms of those chemicals in the fibres. As far as traditional 

9 

chemical  and  chemi‐mechanical  pulping  is  concerned,  there  are  two  possible mechanisms of chemical penetration into the chip and fibre structure, see Fig. 6:  

Penetration into the fibre lumen and then to the middle lamellae through the pit pores (Westermark et al. 1987, Peng et al. 1992). 

Penetration into the fibre lumen and then through S3, S2, S1 and P1 fibre wall layers, perpendicular to the fibre axis. 

 

 Figure 6. The two different ways of penetration of chemicals into fibre wall structure:

through the secondary wall layers and through the pit pores (Konn 2006)

 Note  that  both  of  these  mechanisms  imply  penetration  of  chemicals  firstly 

through the lumen of the fibres and then outwards, through S3, S2, S1 and P1 fibre walls. Penetration of chemicals through pit pores and into the amorphous middle lamellae  regions was  previously  reported  to  be  faster  compared  to  penetration through the secondary fibre wall layers (Konn 2006).  2.2 Conventional chip refining 2.2.1 Softening of wood Wood at room temperature is brittle and stiff; all three main groups of polymers 

are below their glass transition points. In order to process wood material without damaging it, the wood structure needs to be softened so that relatively intact fibres can be liberated from the wood matrix. In a traditional TMP process, this is done by means  of  increasing  temperature.  Increased moisture  content was  found  to influence  the softening  temperature of  lignin and hemicellulose but not cellulose, due  to  its  crystallinity  (Goring  1963).  The  plastization  of  lignin  by  water  was proposed  to happen due  to  the replacement of  intramolecular hydrogen bonding within  the  lignin  by  lignin‐water  bonding  linkages  (Irvine  1984).  Both  the 

10 

hemicellulose  and  amorphous  phases  of  the  cellulose  matrix  are  above  their softening points under wet conditions already at 20 °C (Cousins 1978). Thus, it  is proposed that the softening behaviour of lignin influences the refining process and the  quality  of  produced  pulp  at  the  conditions  under  which  mechanical  and chemimechanical pulps are manufactured (Norgren 2008).  Wood is a viscoelastic material, thus its softening properties are influenced by the 

frequency of the mechanical action it is subjected to. The softening temperature of lignin  is  around  90  °C  under  normal  conditions.  However,  at  higher  loading frequencies,  the  lignin softening  is shifted  towards higher  temperature.  In a chip refiner, where  frequency  can be around 30‐40 kHz,  the  softening  temperature of lignin is approximately 130 °C (Becker et al. 1977).  The softening temperature of lignin is influenced by chemical modifications. The 

mechanism  is  thought  to  be  swelling  of  the  polymer  structure  through  the introduction  of  charged  groups, which  leads  to  higher moisture  content. Water uptake in native lignin is restricted to approximately 5% (Back and Salmén 1982). Chemical modifications,  such as  sulphonation, carboxylation and  introduction of other  types  of  ionic  groups,  lead  to  increased  charge  and  increased  swelling (Salmén and Berthold 1997). The softening temperature of a polymeric material can thereby  be  lowered  in  proportion  to  the  extent  of  the  chemical  treatment,  see examples  in Figs. 7 and 8  (Atack and Heitner 1979, Corson and Fontebasso 1990, Salmén 1995).  

Figure 7. Softening temperature of residual lignin in spruce as a function of the degree of sulphonation (Atack and Heitner 1979).

 

11 

 Figure 8. The softening index for wood having different counterions to the charged

groups as a function of the content of charged groups in wood subjected to sulphonation or peroxide treatment (Salmén 1995)

 The wood  softening  also  depends  on  the  counter  ion  to  the  charged  groups 

(Scallan 1983, Salmén 1995, Hammar et al. 1995). More then 50% of the carboxylic groups in softwood were shown to be bound to metallic ions (Hammar et al. 1995). In  the  natural  state  of  the wood  the  counter  ions  are  calcium,  if  the wood was treated with  chemicals  they  can  for  example  be  sodium  (conventional  peroxide beaching)  or  magnesium  (bleaching  using  magnesium  hydroxide).  Swelling  of wood fibres is influenced by the counter ions in the following order:  

Li+ > Na+ > K+ > Ca2+ > Al3+  

A metal  counter  ion with  higher  charge  generally  leads  to  less  softening,  less swelling and also an increased energy demand in refining (Hammar et al. 1995).   2.2.2 Mechanisms of chip refining Refining  of  wood  chips  into  pulp  can  be  described  by  three  distinct  events 

(Luhde 1962):  

Decomposition of wood chips into a coarsely reduced form, at the entrance of the refining zone, to ensure uninterrupted feeding 

Disintegration of those coarse fibre bundles into papermaking fibres  Refining of the separated fibres 

 The  conventional  TMP  refining  process  can  be  concluded  to  consist  of  two 

distinct phases: defibration of wood chips into fibres and fibrillation (internal and 

12 

external) of those fibres (Campbell 1934, Koran 1981, Kano et al. 1982, Marton and Eskelinen 1982). Thus, the goals of the refining process are (Atack 1981):  

To reduce wood into its constituent fibres  To retain the integrity of a considerable fraction of these fibres  To induce a desired amount of flexibility and fibrillation into the separated fibres and fine fibre fragments 

 In  conventional  refining, defibration occurs  in  the breaker bar zone of primary 

refiner, where wood chips are transformed into coarse fibre bundles. This process involves  large  plastic  deformations  where  fibres  are  liberated  from  the  wood matrix.  Only  a  small  fraction  of  the  total  refining  energy  is  converted  during defibration of chips into fibres and the energy demand in defibration was reported to  be  almost  the  same  for  all  raw materials  (Corson  1989).  Conditions  during defibration are  crucial  for determining  the  final properties of  the produced pulp (Miles and Karnis 1995). There are two main aspects of how defibration influences the  final  pulp  properties.  The  magnitude  of  the  plastic  deformations  during defibration  (i.e.  refining  intensity)  influences  the particle  size distribution  of  the liberated  fibres. A certain  intensity  is required  to  initiate  the plastic deformations and  separate  the  fibres  from  the  wood  matrix.  Increased  intensity  leads  to increased amount of plastic deformations but also  to a decrease  in average  fibre length of liberated fibres (Strand 1997). Where in the chips defibration occurs also has a strong influence on the final pulp properties. If defibration proceeds mainly through  the middle  lamellae,  coarse  thick  fibres with  intact  lignin  layers  on  the surfaces will be liberated from the wood matrix. If the defibration proceeds deeper inside  the  fibre  structure,  through  S1  or  S2  fibre walls,  the  resulting  fibres  are thinner and more fibrillated. At the same time, more fine material, originating from the outer parts of the fibres is created. Thus, the mode of defibration influences the starting material for further fibre development in refining. Different modes of chip defibration are depicted  in Fig. 9. Softening of wood material prior  to defibration has major influence on where the fracture zones will be located. In a conventional TMP  process,  where  increased  moisture  content  and  temperature  are  the mechanisms of wood softening, the fracture zones are located within the secondary walls of  the  fibres  (Kibblewhite 1981, Franzén 1984,  Johnsen et al. 1995).  If wood chips are impregnated with chemicals, as in the CTMP process, the softening due to  swelling  of  the  reactive  middle  lamellae  and  the  primary  wall  regions  is predominant and  the defibration  fracture zones are  located  there. Thus  it can be concluded that softening of wood has a major influence on the properties of fibres liberated from the wood matrix during the defibration of chips.  

13 

 Figure 9. Fracture zones forming upon defibration of wood chips under different

conditions (Franzén 1984, modified by Htun and Salmén 1996).

When  wood  chips  are  separated  into  individual  fibres,  the  second  phase  of refining  called  fibre development  can  start, Fig.  10. Those  two  stages overlap  to some  extent.  The  vast majority  of  the  energy  applied  in  the  refining  process  is converted during  fibre development  (Campbell 1934, Neill and Beath 1963, May 1973,  Höglund  et  al.  1976,  Leider  and  Nissan  1977,  Kurdin  1979,  Atalla  and Wharen  1980, Koran  1981, Eskelinen  et  al.  1982, Kano  et  al.  1982,  Jackson  1985, Karnis 1994). During  the  fibre development phase, P and S1  layers are peeled off the surface of  individual  fibres, exposing  the S2  layer  (Reme 2000). This has  two implications;  firstly,  the  fines  fraction  is created  from  the peeled‐off material and secondly, fibrils are created on the surfaces of the long fibres which also decrease in  their  transverse  dimensions.  Fibre wall  thickness was  shown  to  be  reduced through  progressive  refining  (Jang  et  al.  1995,  Johnsen  et  al.  1995,  Kure  1997, Mohlin  1997).  Fibres  are  also  developed  internally  through  induction  of  small cracks  and  delamination  points  within  the  fibre  wall  structure.  Internal  fibre development  proceeds  through  elastic,  viscoelastic  and  small  plastic  straining (Reme 2000). All of the mechanisms mentioned above lead to development of fibre properties  needed  in  papermaking.  Flexible,  easily  conformable  and  collapsible fibres with  good  bonding  surface  are  created.  The  fines  fraction  formed  in  the refining process  contributes  to  the papermaking properties of  the pulps  through increasing the bonding and light scattering power of produced paper.  

14 

            

Figure 10. Phases of mechanical pulp refining (Sundholm 1993)

 First stage  refining was on many occasions claimed  to create a “fingerprint”  in 

the  final pulp quality  (Leask 1981, Corson 1989, Höglund and Wilhelmsson 1993, Karnis 1994, Heikkurinen et al. 1993, Stationwala et al. 1993, Høydahl et al. 1995). Since  it  is  the defibration phase  that  influences both  the particle size distribution and the character of fibres, liberated from wood matrix, it can probably be claimed that  it  is  more  precisely  the  defibration  phase  that  creates  that  “fingerprint”. Although both defibration and fibre development are today conducted in the same equipment  (first  stage  refiner)  it  would  seem  beneficial  to  separate  these  two refining  phases.  When  defibration  and  fibre  development  are  considered separately, they can be optimized  independently  to reach better energy‐efficiency and  quality  of  produced  pulp  at  the  same  time  as  the  “fingerprint”  or,  rather, character of the final pulp can be controlled in a more efficient way.  It was earlier concluded that the degree of softening of wood matrix has a major 

influence on the properties of fibres liberated during defibration of chips. Softening of already  liberated  fibres should also  influence  their development  in  the process of refining. This has not been studied so extensively in the past due to the simple reason that, as mentioned earlier, both defibration and fibre development proceeds today  in  the same equipment.  It was  therefore difficult  to obtain  fibres  that were liberated from the wood matrix (i.e. defibrated chips), but where the development of  their  properties  had  not  yet  started.  The  energy  needed  for  defibration, was calculated to be in the order of magnitude of 0.05‐0.4 MWh/odt or about 10‐20% of the total refining energy (Van der Akker 1958, Atack et al. 1961, Lamb 1962, Neill and  Beath  1963,  Leider  et  al.  1977, Kano  et  al.  1982, Karnis  1994).  In  an  earlier study,  where  development  of  already  separated  fibres  in  a  PFI  beater  was enhanced with  the  help  of  different  chemicals,  reduction  of  energy  demand  in 

15 

beating by over 50% was reported (Chang et al. 1979). Fibres were liberated from wood matrix using 470 kWh/odt of energy, which is in the range of the theoretical estimation  of  defibration  energy  demand.  Studies  where  fibre  softening  was increased  prior  to  reject  refining  can  also  offer  a  clue  as  to  how  much  effect increased softening has on energy demand  in  fibre development. Both chemicals which  introduce  sulphonic  acid  groups  (Gummerus  1987, Goel  1987, Nurminen and Sundholm 1995) and carboxylic acid groups (Sferrazza 1988, Strunk et al. 1986, 1990) as well as increased refining temperature (Höglund et al. 1997, Norgren 2008) can  be used  to  increase  fibre  softening. Results  suggest  improvement  in  energy efficiency  in  refining  by  0.2‐0.5 MWh/odt  or  10‐25 %  and  improvement  in  the quality of produced pulp.  It can be concluded  that softening of  individual  fibres after  chip  defibration  has  a  positive  effect  on  refining  energy‐efficiency. Carboxylation during hydrogen peroxide bleaching usually  increases  the content of carboxylic groups  in  the pulp  from approximately 100  to 150‐200 μekv/g. This increase should reduce the softening index from 97 to 94‐96 RH° depending on the counter‐ion  in  the  wood  (Salmén  1995).  In  order  to  selectively  influence  the softening of wood material prior to fibre development but after defibration, those two  refining phases  obviously  need  to  be  conducted  in  separate process  stages. This has been suggested on multiple occasions in the literature during the last 30 years (Salmén 1982, Sabourin 2003), but no such process exists today.  2.2.3 Character and quality of refined pulp Paper made from mechanical pulps can be characterized by high light scattering 

ability,  good  strength  and  smoothness,  fairly  high  brightness  and  high  bulk (Sundholm 1999). The combination of good strength and very high light scattering ability is what makes thermo‐mechanical pulp unique. High light scattering ability is obtained  through a high  content of  fine material, produced during  refining of chips  into  pulp.  Figs.  11  and  12  illustrate  the  difference  between  different mechanical  and  chemical  pulps.  Increased  content  of  fine  material  leads  to increased light scattering ability due to increase in the amount of available surface. Note  that  the  light  scattering ability of pulps produced using purely mechanical methods (TMP, PGW and GW) is considerably higher compared to CTMP, which was also produced using  refining. The  reason  for  this difference was previously illustrated  in Fig. 9.  Impregnation of chips with chemicals  leads  to defibration  in the middle  lamellae;  this  is unfavourable  from  the printing paper point of view due to decreased fines content and therefore also light scattering ability. It can be suggested that in mechanical pulping, the conditions under which the defibration of chips is carried out defines the character of produced pulp.   

16 

 Figure 11. Fibre fraction distributions of different mechanical pulps (Sundholm 1999)

Figure 12. Relationships between the light scattering coefficient and freeness for various pulps (Sundholm 1999).

Mechanical  pulps  are  mainly  used  for  production  of  printing  papers.  These papers can be characterized by good opacity and printability at low basis weight. The  major  grades  are  newsprint,  LWC  (light  weight  coated)  and  SC (supercalendered) papers. CTMP is mainly used for board grades, soft tissue and 

17 

absorbent where high bulk is required and high light scattering ability is not that important. The  relationship between  light  scattering  coefficient and  tensile  index for  TMP  and  CTMP  is  illustrated  in  Fig.  13.  As  can  be  seen,  light  scattering decreases  at  an  equal  tensile  index  with  increasing  degree  of  chemical  pre‐treatment of chips; the TMP pulp looses its TMP character and becomes more and more  “CTMP‐like”.  This  happens  because  chemical  pre‐treatment  of  chips influences the defibration mechanisms, as discussed earlier.  

 Figure 13. Relationship between light scattering coefficient and tensile index for

mechanical pulps without chemical pre-treatment with sulphite (TMP) and with various degrees of sulphite pre-treatment (CTMP) (Atack et al. 1980)

 Chemical treatment in CTMP manufacturing also has an effect on the content of 

shives  in mechanical pulps. As  can  be  seen  in  Fig.  14,  the  content  of  shives  in CTMP is considerably lower than TMP. This is explained by increased defibration of  chips and easier  liberation of  fibres  from  the wood  structure when  chips are softened by the swelling action of chemicals.  

18 

 Figure 14. Development of shive content as a function of pulp freeness in mechanical

(TMP) and chemimechanical (CTMP) pulping (Åkerlund and Jackson 1984).

 The most common raw material used for production of mechanical pulps today is 

spruce. Pine has several disadvantages when compared to spruce as a raw material for  mechanical  pulping:  it  requires  10‐30  %  more  energy  to  refine  and  paper produced from it has 10‐25 % lower tensile and tear strength (Lindström et al. 1977, Härkönen  et  al.  1989). These  properties  can  be  explained  by  thick‐walled  fibres (Yuan et al. 2006, Fernando and Daniel 2008) and higher extractives content (Reme 2000). In an earlier study, it was discovered that the initial defibration mechanisms differ significantly for spruce and pine (Fernando and Daniel 2008). Pine defibrates easier, but further out in the fibre wall towards the middle  lamellae while spruce requires more energy to defibrate, but the fracture occurs closer to the lumen.  2.3 Mechanical pre-treatment There are a number of publications dealing with compressive pre‐treatment prior 

to refining but few of them give a comprehensive overview of what has been done in this field. A review paper (Paper I) was written on this subject.  There exists a certain contradiction in the description of the goals of conventional 

chip refining. In the defibration phase,  large plastic deformations  in the chips are desired  since  these  are  the  mechanism  of  chip  defibration.  During  the  fibre development, on the other hand, large plastic deformations often mean that fibres are  damaged  and  average  fibre  length  is  decreased  (Koran  1980).  Carefully induced  small  plastic  and  elastic  cyclic  deformations  are  better  suited  for  fibre development  (Salmén  et  al.  1985,  1997). This  is  called  fatigue  and  it  is  the main mechanism  of  refining  used  today  both  for  defibration  and  fibre  development (Hartler 1980). However, fatigue is obviously not the most effective way to induce 

19 

large plastic deformations (i.e. to defibrate chips) since a lot of energy is converted to heat in a cyclic fashion. It would be theoretically possible to achieve defibration in a more effective process than refining, via a process that would utilize a lower number  of  stressing  cycles  (thereby minimizing  energy  conversion  to  heat)  and higher stress amplitude to induce permanent plastic deformations. This would also probably  be  more  energy‐efficient  in  respect  to  the  natural  energy‐dissipation mechanism that exists in a tree and prevents the structure from being damaged by low‐amplitude high‐frequency stresses originating from swaying of the tree trunk.  Effects of compressive pretreatment on wood morphology and energy demand in 

refining  were  first  described  in  a  study  of  axial  pre‐compression  of  Western hemlock blocks (Frazier and Williams 1982). Reductions in energy demand by 0.16 MWh/odt  (9  %)  for  TMP  and  0.7 MWh/odt  (40  %)  for  CTMP  were  achieved. Energy‐efficient  separation  of  chips  through  cracks within  S1  or  S2  fibre walls, resulting  from  the  pre‐compression,  was  thought  to  explain  the  better  pulp properties  and  reduction  of  energy  demand  observed.  If  the  fibres  are  more separated from one another already at the refiner inlet, more of the refiner energy can be directed to developing fibre properties instead of separating the fibres in a less efficient way. Formation of cracks within the S1 and S2 fibre walls as a result of compressive pre‐treatment was described also in later studies (Sabourin 1998, Kure et al. 1999, Johansson and Dahlqvist 2001), see example in Fig. 15.  

 Figure 15. Cross-sectional SEM images of wood chips subjected to compressive pre-

treatment. The chips in image “b” and “d” are treated with bromium, making the lignin-rich middle lamellae to appear bright compared to the rest of the fibre wall (Kure et al. 1999)

 

20 

Axial  pre‐compression was  proposed  to  lead  to  shearing  of  S1,  P  and middle lamellae between the S2 layers of adjacent cell walls (Booker and Sell 1998). Upon the  shearing  action,  fibre wall  delamination  occurs  at  the weakest  point which depends on  fibril  angle,  chemical  composition,  fibre wall  thickness  and  ambient conditions.  Other  studies,  where  reduction  of  electrical  energy  demand  was achieved, were  conducted  using different  equipment  such  as plug  screw  feeder (Thornton  and Nunn  1978),  Bi‐Vis  twin  screw  (de Choudens  and Anglier  1987, Kurdin and Tantalo 1987, de Choudens et al 1989) and PREX  impregnator  (Peng and Granfeldt 1996, Johansson et al 1999). A number of studies of compressive pre‐treatment were conducted using the Andritz RT Impressafiner, Fig. 15, which was also  used  as  part  of  compressive  pre‐treatment  in  this  study  (Kure  et  al.  1999, Robertsen  et  al.  2001,  Sabourin  1998,  Sabourin  et  al.  2003). Reduction  of  energy demand  in subsequent refining by 5‐15 % or 0.1‐0.3 MWh/odt could be achieved. Better  results were  reported  to be obtained with pine  raw material  compared  to spruce (Robertsen et al. 2001). This could have been explained by the differences in defibration behaviour between pine and spruce chips (Fernando and Daniel 2008). Other advantages of using the compressive pre‐treatment of chips prior to refining include more  even moisture  content  (Johansson  et  al.  1999), more homogeneous chip  size distribution  (Kurdin  and Tantalo  1987)  and  improved mass  transfer of chemicals (de Choudens et al. 1985). Compressive pre‐treatment of wood chips  is also an effective way of  removing extractives  (Tanase 2009). Extractives  in wood are contained in resin canals and in parenchyma cells. Compressive pre‐treatment of wood  leads  to a  release of extractives  from  the wood structure  (Thornton and Nunn 1978). It was earlier determined that more then 70% of the parenchyma cells were intact after compression of wood, while more then 90% were damaged after 1st stage refining (Cisneros and Drummond 1995). Thus, pre‐compression of wood leads to a release of extractives, contained mainly in the resin canals (Tanase 2009). Extractives  are  known  to  interfere  with  refining  and  possibly  have  a  negative impact on energy consumption in refining and pulp quality (Engstrand et al. 1995, Reme 2000, Svensson 2007). 

 Figure 16. RT Impressafiner (Andritz AG).

  

2.4 Refining at increased intensity The  most  common  quantitative  description  of  refining  action  is  the  Specific 

Energy,  i.e.  applied  net  power  per  fibre  mass  throughput.  However,  this 

21 

measurement is not enough to characterize the refining action since the energy can be expended  in different ways; a  large number of  low energy  impacts or a small number of high  energy  impacts give  the  same net power. Thus,  the net  specific energy in refining, E, can be described by Eq. 1 where N is the number of impacts on  fibres  and  S  is  the  intensity  of  each  impact  (i.e.  energy  expended  by  bar movement over fibre calculated as force multiplied by sliding distance).  

SNE ×=               (1)  

In pioneering work by Miles and May, S was estimated using the residence time inside  a  refiner.  The  calculation  was  based  on  the  radial  force  balance  where acceleration was  calculated  from  a  balance  between  centrifugal  force,  frictional force and  steam  flow drag  inside  the  refiner gap. This balance  can be  solved by using  the Miles  and May  equation  (May  et  al.  1988, Miles  and May  1990, Miles 1991).  Intensity can also be calculated using a floc‐based Fan‐Jeffrey approach based on 

a kinematic stochastic model (Fan 1987, Fan et al. 1994). Another way to calculate the  intensity  is with  the  help  of  various  computer  simulations  (Härkönen  et  al. 1997,  2000,  Huhtanen  2004).  The  number  of  impacts  applied  to  the  fibres,  is determined by  their residence  time  inside  the refiner gap,  the rotational speed of the  refiner  and  the  refiner  plate  geometry.  Residence  time  can  be  predicted theoretically,  but  the  existing  models  do  not  take  into  consideration  the phenomena of recirculation of  fibres  inside  the refiner gap,  i.e.  that a  fibre might circulate  inside  the  refiner gap  several  times before  exiting  it. This phenomenon has  been  illustrated  using  different means  to  empirically  track  fibres  inside  the refiner  gap.  It  was  studied  using  high‐speed  photography  (Atack  et  al.  1989, Stationwala  et  al.  1992, Alahautala  et  al.  1999)  and measured  using  tracer  dye materials  (Ouellet  et  al.  1995,  1996,  Senger  et  al.  1998),  radioactive  tracing (Härkönen  et  al.  1997,  2000,  Murton  et  al.  2002)  as  well  as  dynamic  sensor monitoring  (Senger et al. 2006). The  last study  is of special  interest  for  this work, since  measurements  of  refiner  residence  time  and  intensity  calculations  were performed on the same refiner using plates with the same pattern as in this study. The  results  of  the  residence  time measurements  can  be  seen  in  Fig.  16  where residence  time  of  fibres  in  refining  zone  is  shown  for  holdback  (low‐intensity pattern) and expel (high‐intensity pattern) segments at several different rotational speeds of the refiner.  

22 

 Figure 16. Inner to outer sensor delays and 95% confidence intervals, by rotational

speed/direction combination. Data pooled over all specific energy levels (Senger et al. 2006).

The  residence  time  increases  dramatically  when  switching  the  direction  of rotation from expel to holdback (i.e. when low‐intensity plates are used). When the rotational  speed  is  increased  over  a  range  from  1800  to  2300  rpm,  only  a  small effect on  the  intensity  could be observed when  refining with plates  in holdback mode. Under  expel mode no decrease  in  the  residence  time  could be measured. Measured residence times were also found to be significantly longer compared to theoretically calculated residence times.  Wood and wood  fibres are visco‐elastic materials.  It means  that when  they are 

subjected  to mechanical  impacts,  both  the magnitude  of  each  individual  impact (force) and how often the impacts are delivered (frequency) will have an affect on how the materials are influenced, i.e. on the quality of the produced pulp. Refining at increased intensity was shown to improve pulp quality development, i.e. reduce the  energy demand  to  reach  a  certain quality  in  refining. A  typical  reduction of energy demand  in  refining of pine and  spruce  raw materials was approximately 0.25‐0.40 MWh/odt  or  10‐20 % when  rotational  speed was  increased  by  300‐800 rpm (Muenster and Dahlqvist 1995, Kure et al. 1999, Sabourin 2000, Sabourin 2003). This  has  also  been  confirmed  at mill  scale  (Aregger  1997,  Fuglem  et  al.  2001). Reduction  of  energy  demand  by  0.1‐0.5 MWh/odt  or  10‐20%  has  been  reported when more aggressive  (pumping) refiner plates were used  (Huhtanen et al. 2004, Muhić 2010). Improved energy efficiency at elevated refining intensity is proposed to be  the  result of more energy‐efficient straining of  the  lignin component of  the fibre wall  (Goring  1963, Höglund  1976,  Salmén  et  al  1985,  1997,  Sabourin  et  al. 2003) which  dissipates  energy  in  a  less  efficient way  if  the  impact  frequency  is increased  (Booker  and Sell  1998, Corson  2001). The  challenge with  elevating  the 

23 

intensity  of  conventional  refining  is  that  it  has  a  negative  influence  on  the  chip defibration  phase.  Elevated  refining  intensity  leads  to  a  higher  level  of  plastic deformations in the material and decreased average length of the liberated fibres. In other words, defibration at elevated intensity damages the fibres because of too harsh mechanical action.  In a conventional refining process, both defibration and fibre development proceed concurrently in the first stage refiner and thus it is not possible to conduct them at different intensities.  

2.5 Combination of mechanical pre-treatment with high-intensity refining

Elevated  refining  intensity  combined  with  mechanical  pre‐treatment  in Impressafiner  was  reported  to  yield  reduction  in  refining  energy  demand  by approximately  0.3‐0.8  MWh/odt  or  10‐30  %  (Kure  et  al.  1999,  Sabourin  2000, Johansson  and  Dahlqvist  2001,  Sabourin  et  al.  2003). When  Impressafiner  pre‐treatment was used and rotational speed of the refiner was increased from 1800 to 2600  rpm,  reduction  in  energy  demand  by  0.2‐0.3  MWh/odt  or  16‐17  %  was reported  (Sabourin  2001, Sabourin  et  al.  2003).  It  can be  concluded  that  the  two methods of  reducing  the energy demand  seem  to be  rather additive. Mechanical pre‐treatment was also  suggested  to make  the  chips more  susceptible  to harsher conditions at high  intensity  thus  leading  to  less  fibre  shortening and higher  tear index  (Sabourin  1998,  Kure  et  al.  1999).  This  was  explained  by  a  more homogeneous feed with reduced average particle size.  Further  opportunities  were  reported  if  a  Fiberizer  unit  was  added  to  the 

mechanical pre‐treatment. A Fiberizer is essentially a small moderately pressurized refiner  where  defibration  of  pre‐treated  chips  into  fibre  bundles  takes  place (Sabourin  et  al.  2003, Hill  et  al.  2009,  2010).  The  energy  demand  in  subsequent refining  was  reported  to  be  reduced  by  up  to  0.8  MWh/odt  or  30%  when  a combination of Impressafiner and Fiberizer pre‐treatment was used with elevated first stage refining intensity. Comparison was made to a TMP reference. Reduction in  energy  demand was  0.35 MWh/odt  or  15% when  compared  to  a  TMP with Impressafiner  pre‐treatment.  It  is  known  that  high  intensity  refining  leads  to smaller refining gap. Thus, a uniform feed is crucial to achieve stable and effective refiner operation. This could be one of the reasons for increased energy‐efficiency when  pre‐treatment  is  expanded  with  a  Fiberizer  unit  in  addition  to  an Impressafiner.   

2.6 Peroxide and magnesium hydroxide chemistry Hydrogen peroxide  (H2O2)  and magnesium hydroxide  (Mg(OH)2)  are used  for 

bleaching of pulp. Under alkaline conditions,  the predominant  form of hydrogen 

24 

peroxide is hydroperoxide anion, a strong nucleophile with nucleophilic constant 7.8  (Carey  and  Sundberg  1990).  The  bleaching  action  of  hydrogen  peroxide  is attributed to its nucleophilic character (Andrews and Singh 1979, Pan et al. 1994). Hydrogen  peroxide  reacts  differently  depending  on  the  pH  interval.  This  is because  pH  determines  which  of  the  species  formed  in  the  equilibrium  of hydrogen  peroxide  dominates.  If  hydrogen  peroxide  solution  contains  water (which it most often does), consideration must also be taken to the deprotonation of water  at  higher  temperatures,  since  this will  lead  to  formation  of  hydroxyl anions and influence the equilibrium of hydrogen peroxide. In order to determine the composition and reactivity of hydrogen peroxide solution, several factors must be  taken  into consideration. Temperature, pH, metal content and chemical purity of the system are important (Rämö 2003). It is well‐known that in order to optimize the stochiochemistry of conventional peroxide bleaching, the initial pH should be in  the  range of 11.2‐11.7. Thus, without an alkali  source,  the pH  in  conventional bleaching  is  too  low  and  stable perhydroxyl  anions  are not  formed  in  sufficient quantities (Agnemo 1981, Moldenius 1983). The dependence of hydrogen peroxide equilibrium on  temperature  is  illustrated  in Fig. 17.  It  can be  concluded  that  the behavior  of  hydrogen  peroxide  is  specific  to  the  system  of  other  chemicals  it  is used together with, and the conditions it is used at.   

 Figure 17. pH interval, where formation of perhydroxyl anion (HO2

-) is possible during normal tower bleaching temperature, is shifted when the temperature is increased (Presley and Hill 1996).

 The most  common  chemical  used  as  an  alkali  source  together with  hydrogen 

peroxide  for pulp bleaching  is  sodium hydroxide. Recently, however,  the use of magnesium  hydroxide  has  increased.  Its  advantages  are  lower  levels  of  COD, higher light scattering coefficient of produced pulp and no need for stabilizers by contrast to when sodium hydroxide is used (Johnson et al. 2002, Leduc et al. 2008, 

25 

Ni 2005, Ni et al. 2009). One important difference is that magnesium hydroxide is not  fully  dissolved  in  water  and  thus  is  added  as  slurry.  Hydroxyl  ions  are consumed first by the peroxide and then successively by the wood material while the slurry is gradually dissolved.  The  native  charge  of  softwood  raw  material  is  approximately  80‐100  μeq/g. 

Carboxylic  groups  are  ionized  already  at  pH  5‐7  (Scallan  1983).  Both  hydrogen peroxide  and  alkali  can  introduce  more  charge.  Charged  groups  in  fibres  are predominantly  located  in  hemicelluloses  and  they  can  be  titrated  by  alkali. Peroxide, however,  is known to induce additional charged carboxylic end‐groups (approximately 50 μeq/g) in lignin (Sjöström 1989, Thornton 1993, Sundberg 1999). Formation of charged groups is much faster in the presence of hydrogen peroxide. The  final charge  in  the presence of peroxide was  reported  to be up  to 255 μeq/g compared  to  195  μeq/g  when  only  alkali  is  used  (Pranovich  2003).  The  main chemical reactions of hydrogen peroxide and alkali with wood are shown  in Fig. 18.  Carboxylic acid groups are introduced in fibres by following mechanisms:  

Hydroperoxide anions react with quinonoid and other enone structures of lignin, leading to formation of carboxylic type end groups (Gierer and Imsgard 1977, Gellerstedt and Agnemo 1980). 

Hydroxyl radicals, superoxide anion radicals and oxygen that arise from transition‐metal‐ion‐catalyzed decomposition of hydrogen peroxide form carboxylic end groups in lignin structures (Gierer and Imsgard 1977, Gierer et al. 1992, Agnemo and Gellerstedt 1979). 

Carboxylic acid esters and lactones in the hemicellulose constituent of the pulp are hydrolised by alkali, yielding free carboxylic acid groups (Sjöström et al. 1965). The increase in carboxyl acid content arises from demythylation of galacturonic acid methyl ester groups in pectins (Holmbom 1997, Holmbom and Pranovich 1998). 

 

26 

 Figure 18. Chemical reactions of hydrogen peroxide and alkali with wood raw material

(Konn 2006).

 It was also proposed that certain reactions lead to breakage of the cross‐links in 

lignin  structure  which  facilitates  the  penetration  of  bleaching  reagents  (Gierer, Jansbo  and  Reitberger  1993).  This  could  also  facilitate  water  uptake  and  thus swelling of the material.  2.7 Use of chemicals in refining In  a  traditional  refining  process where  chips  are  refined  to  pulp,  addition  of 

chemicals  to  the  fibre material can either happen before, during or after refining. As described  earlier,  fracture  zones  in wood  chips will  be directed  towards  the middle lamellae if wood chips are impregnated with for example sodium sulphite or alkali. This will result in production of pulp with CTMP character, less suitable for production of high‐quality printing paper.  It can  therefore be suggested  that, from  a  printing  paper  point  of  view,  chemicals  used  for  chip  impregnation  in conventional  refining  process  have  a  negative  effect  on  chip  defibration  due  to unfavourable fracture mechanisms.   Chemicals can also be added during refining into the chip refiner. It was earlier 

reported  that  refining  energy  efficiency  and  pulp  quality  can  be  improved  if hydrogen  peroxide  and  magnesium  hydroxide  are  added  into  a  chip  refiner (Harrison  et  al.  2008).   However,  it  seems  to  be  possible  to  achieve  even  better results  if  the  chip  defibration  phase  is  separated  from  fibre  development completely  and  chemicals  are  introduced  selectively  in  the  fibre  development phase  (Sabourin et al. 2003, Hill et al. 2009, 2010). As described earlier, chemical 

27 

reactions,  inducing  charge  and  swelling  into  fibre material,  seem  to  facilitate  a more energy‐efficient fibre development.  Use  of  hydrogen  peroxide  and  alkali  in  the  refining  process  was  previously 

reported to yield pulp bleaching. Brightness improvement suggested to be on the same  level as conventional high‐consistency  tower bleaching  (Solinas 1976, Loras et al. 1976, Ryrberg 1978, Strunk and Meng 1986, Haynes et al. 2001, Harrison et al. 2008).  There  are  several  principal  differences  between  conventional  tower bleaching and refiner bleaching with hydrogen peroxide:  

The temperature during refiner bleaching is normally much higher compared to conventional tower bleaching. Most refiners today operate in the casing temperature range of 110‐160 ºC (Ryrberg 1978, Strunk and Meng 1986) and even higher temperatures (150‐200 ºC) are reached at the peak of the pressure profile (Engstrand et al. 1995, Backlund et al. 2003, Illikainen et al. 2006). 

Consistency in full scale refiner bleaching is normally very high, around 40% (Strunk and Meng 1986, Harrison et al. 2008). 

Pulp residence time during refiner bleaching is considerably lower (a couple of seconds) compared to tower bleaching (up to several hours) (Loras 1976, Ryrberg 1978, Härkönen 2000, Senger et al. 2006). 

Mixing is much more vigorous in a refiner (Ryrberg 1978, Strunk and Meng 1986, Sharpe and Rothenberg 1988, Harrison et al. 2008). 

Less capital expenditure is required for refiner bleaching due to simpler process layout (Ryrberg 1978, Soteland et al. 1981, Strunk and Meng 1986, Sharp and Rothenberg 1988, Nye and Fluet 1995, Springer et al. 1997). 

 Bleaching  results  depend  on  the  balance  between  brightening  and  darkening 

reactions.  Brightness  increase  is  favoured  by  high  consistency,  vigorous mixing and high temperature, though too short residence time can be limiting. Darkening reactions  accelerate  at  high  temperature  and  can  lead  to  brightness  loss  if  the residence time is too long.  If chemicals are added  into a refiner,  they may  influence refining variables. For 

example, decreased gap at constant hydraulic force was reported upon addition of magnesium hydroxide  (Gorski et al. 2010) and  increased gap was  reported upon sulphonation of fibres (Engstrand et al. 1995). These effects can only be studied in a system with very precise gap monitoring, which usually means in full scale. Use of chemicals in TMP refining could have a physical effect on equipment. If the pH of the used chemicals is very low (below 4), metal corrosion and equipment damage can occur. Sodium hydroxide based refiner bleaching was reported to cause scaling 

28 

problems in the equipment (Åkerlund et al. 1979, Strunk and Meng 1986, Harrison et al. 2008). This problem was reported  to be solved  in mill scale operation when the alkali source was changed to magnesium hydroxide (Harrison et al. 2008).   2.8 Relationship between fibre and fines properties and paper

properties As  discussed  earlier,  the  goal  of  TMP  refining  is  to  develop  the  properties  of 

fibres, coming from the raw material. Thus a relationship between fibre and fines properties development and quality of produced paper needs to be established.  2.8.1 Fibre development and paper quality Development of fibre properties in refining proceeds through the development of 

their external and internal fibrillation, i.e. the amount and character of the external surface and  the  flexibility of  the  fibres. External  fibrillation,  flexibility and  cross‐sectional  characteristics  have  been  shown  to  be  suitable  indicators  for  effects  of refining process on  fibres and paper  (Atack 1981, Koran 1981, Karnis 1994, Kure 1999, Reme 2000, Corson 2001).  External  fibrillation,  i.e.  formation  of  thin  fibrils  on  the  surface  of  the  fibres, 

contributes  to  the  bonding  strength  through  increasing  the  total  bonded  area within a fibre‐to‐fibre joint. The area of such joint also plays an important role for the  fibre  network  properties  and  can  be  increased  by making  the  fibres, which form the joint, more conformable through increasing their flexibility. Naturally, the cross‐sectional characteristics also play an  important role since coarse thick fibres have a poor ability to conform to each other and form a strong joint.  Good printability of paper, based on mechanical pulp, depends on how well the 

surface properties are developed. Several studies showed that the development of fibre  properties  in  refining  govern  the  development  of  paper  surface  properties (Bradway 1956, Hoc 1989, Corson 1989 and 2003, Aspler and Beland 1994, Forseth et al. 1997, Remé et al. 1998, Kure 1999). Such variables as for example the amount of  split  fibres  (Remé  et  al.  1998, Kure  1999),  fibre  flexibility  (Corson  1989),  fibre wall  thickness  (Braaten 2000, Ferluc et al. 2010),  fibre bonding  (Remé et al. 1998, Skowronski 1990) and  the  collapsibility of  fibres  (Forseth et al. 1997, Remé et al. 1998, Kure  1999)  all  influence  the  surface  properties  of  the  final  printing  paper product.  Surface  roughness  of  a  printing  paper  sheet  is  closely  related  to collapsibility of coarse fibres near its surface, Fig. 19. Fibres with thinner walls and fibres  with  axial  fibre  wall  splits  are  easier  to  collapse  during  refining  and papermaking.  It  was  earlier  discovered  that  axial  splits  in  fibre  walls,  Fig.  20, effectively prevent de‐collapse of the fibres on the paper surface, so called surface 

29 

roughening.  Collapsed  fibres  de‐collapse  due  to  release  of  stresses  in  their structure; an axial split in the fibre wall weakens the  integrity of the fibre and  its ability to de‐collapse to its original shape (Kure 1999, Reme 2000, Norgren 2008).  

 Figure 19. Fibre de-collapse when internal stresses in fibres near the paper surface are

released upon wetting (Norman and Höglund 2003).

 Figure 20. SEM micrograph of intact and split fibres from the same pulp (Reme et al.

2002).

 2.8.2 Contribution of fines to the paper quality The contribution of fines fraction to sheet properties has been thoroughly studied 

earlier. The fines fraction plays an important role in sheet consolidation and affects important paper properties such as tensile strength, elongation and light scattering ability  of  paper  (Holl  and  Brecht  1939,  Brecht  and  Klemm  1953,  Giertz  1977, 

30 

Lindholm 1980a, 1980b, Mohlin 1980, Corson 1980, Heikkurinen and Hattula 1993, Rundlöf 1996).   Decrease in fibre mass upon refining is approximately 30% which correlates well 

with the fraction of fines in a typical mechanical pulp (Höglund and Wilhelmsson 1993,  Rundlöf  1996).  The  fines  fraction  in  mechanical  pulps  is  not  uniform;  a distinction  is  made  between  flaky  fines  and  fibrillar  fines,  also  referred  to  as primary  fines  and  secondary  fines  (Giertz  1977, Luukko  et  al.  1997),  see Fig.  21. Primary, or flaky, fines originate from the outermost parts of fibre wall within the middle  lamellae.  These  are  created  upon  defibration  of  chips  to  fibres  and contribute  to  improved  light  scattering  but  not  so much  to  strength  of  paper. Secondary,  or  fibrillar,  fines  originate  from  within  the  S2  fibre  wall.  They contribute  to  improved strength but so much  to  light scattering compared  to  the flaky primary fines (Luukko and Paulapuro 1999). Secondary fines are created by peeling  off  fibre wall  layers  in  refining  (Heikkuranen  and Hattula  1993, Karnis 1994, Kure 1999). It was earlier shown that secondary  fines have greater bonding ability  compared  to primary  fines  (Corson  1989). Chemical  composition of  flaky and fibrillar fines differs as well. Flaky fines contain pectins and have higher lignin content  compared  to  fibrillar  fines  (Kangas  et  al.  2004,  Vehniäinen  2008).  The transition  of  fines  formed  in  refining  from  flaky  to  fibrillar  is  continuous, with gradually decreasing lignin content and changing shape (Kangas 2007, Vehniäinen 2008).  It  seems  to  follow  the  gradual  alteration  of  the  exposed  fibre  surface  in refining, with more ordered fibril structure, less lignin and more cellulose (Kangas 2007).  

 Figure 21. Difference between fibrillar (secondary) fines to the left and flaky (primary)

fines to the right (Luukko and Paulapuro 1999).

 Addition of a fines fraction to a model long fibre fraction was shown to lead to an 

increase in density, tensile index, light scattering and decrease in air permeability of  laboratory  sheets  (Brecht  and  Klemm  1953,  Lindholm  1980a,  Corson  1980, Retulainen et al. 1993, Moss and Retulainen 1995, Rundlöf 1996). The mechanism of densification and  improved strength  is considered  to be  formation of new bonds 

31 

between  long  fibres  by  fines  through  covering  the  area  around  fibre  joints (Retulainen and Nieminen 1992). Fines also  fill out  the  space between  the  fibres, thereby  contributing  to  decreased  air  permeability  through  the  fibre  network (Brecht and Klemm 1953). Fines also behave as loosely bonded filler material and this,  together with  large external surface area,  improves  light scattering  (Luukko 1999). A  schematic  illustration of how  fines  contribute  to  the properties of TMP sheets can be found in Fig. 22. Differences were found in the influence of fines with different morphological origins  (Heikkurinen and Hattula 1993),  fines originating from  different  mechanical  pulping  processes  (Lindholm  1980b)  and  fines, produced using different intensities in refining (Kangas 2004, Vehniäinen 2008).   

 Figure 22. A schematic illustration of how TMP fines contribute to bonding by settling in

the corners of bonded areas; and to activation by decreasing the effective length of free segments between interfibre bonds (Vainio 2007).

32 

3 MATERIALS AND METHODS

3.1 Pilot scale trials Production of ATMP in this study was performed in pilot scale since, at the time 

of the study, there was no full scale facility in existence. An overview of the pilot trials can be seen in Table 2.  Table 2. Overview of the pilot trials and their goals

Trial  Wood  Published  Goals 

1  Loblolly pine (Pinus taeda) 

Paper II 

- Study energy‐efficiency and pine pulp quality of the  ATMP process, where different chemicals were used 

 

2  White spruce (Picea glauca) 

Paper III 

‐  Compare  energy‐efficiency  and  spruce pulp  quality  of  TMP  process  to ATMP, where  H2O2  and  NaOH/Mg(OH)2  were used 

‐  Evaluate  the  effect  of  TMP  and  ATMP processes on individual fibre properties 

 

Paper IV 

- Separate the effects of mechanical pre‐treatment and high‐intensity refining from the effects of H2O2 and Mg(OH)2 on energy demand in refining, pulp quality, fines and long fibre fraction properties as well as individual fibre properties  

 

Papers V 

- Study the effects of different process solutions described in Paper IV on sheet surface and bulk properties, important for SC paper (PPS, air permeability and fibre roughening). 

 

3  White spruce (Picea glauca) 

Papers VI 

- Compare the bleaching efficiency and the COD generation in the ATMP process (Paper IV) to conventional laboratory bleaching. 

 There are both advantages and disadvantages with pilot scale trials compared to 

full  scale  trials.  It  is well  known  that  refiner  size  has  a major  influence  on  the 

33 

refining process, mainly through changes in the centrifugal force due to smaller or larger plate diameter. Typical full scale refiner size today is 60‐80 inches while the trials  in  this  study were performed  in a 36‐inch  refiner. The effects of decreased size  and  centrifugal  force were  to  some  degree  counteracted  by  decreasing  the consistency  of  the  pulp  to  approximately  20%  (pulp,  refiner  in  full  scale,  has approximately  35‐45  %  consistency)  which  increased  the  weight  of  the  fibres, increasing the centrifugal force.  One disadvantage  of pilot  scale  trials  is  the difficulty  in  optimization  of  some 

conditions  in  separate  trial  runs  in  relation  to  each other.  It was not possible  to change  the amount of  chemicals,  introduced  into  the  refiner with dilution water during each refining run. Thus, chemical dosages could only be changed between the runs which would complicate the evaluation of their influence on pulp quality  Accuracy  of  production  measurement  on  the  other  hand,  and  thus  also  the 

calculation of the specific energy demand, can be significantly higher in pilot scale compared to full scale. Accuracy in this study was calculated to be approximately 1.5 %  defined  as  coefficient  of  variation.  Errors  of  approximately  10 %  are  not uncommon in full scale measurements.  3.1.1. Conditions during the trials A  total  of  three  refining  trials  were  performed  in  the  Andritz  pilot  plant  in Springfield, OH, USA. In the first trial, Loblolly pine (Pinus taeda) was used as raw material.  In  the  rest  of  the  trials, White  spruce  (Picea  glauca)  was  used.  Trial conditions are given  in Appendix 1. Slightly different conditions were used  in  the three trials:  

In the first trial, refining was conducted in three stages and the first stage intensity was elevated using higher rotational speed and feeding segments. 

In the second trial, refining was conducted in three stages and the first stage intensity was elevated using feeding segments only 

In the third trial, refining was conducted in two stages and the first stage intensity was elevated using higher rotational speed and feeding segments. 

 Information on equipment configuration and refining variables from all three trials can be found in Appendix 1. Chemical recipes used in the ATMP trials can be found in Tables 3, 4 and 5.  

34 

Table 3. Chemical recipes, used in the first pilot trial using Loblolly pine (Paper II)

Trial  Chemical recipes  Residual pH (1st stage pulp) 

ATMP (AA)  AcOOH 4%  4.8 ATMP (M+P)  Mg(OH)2 1.5% + H2O2 2.5%  7.0 ATMP (AA+P)  AcOOH 4.2% + H2O2 2.2%  4.7 ATMP (B)  NaHSO3 1.7%  4.4 TMP  No chemicals added  5.8  Table 4. Chemical recipes, used in the second pilot trial using White spruce (Paper III)

Trial  Chemical recipes  Residual pH (1st stage pulp) 

ATMP (Mg+P) 3.5 bar  1.4% Mg(OH)2  + H2O2 2.8%  7.3 ATMP (Mg+P) 5.2 bar  1.3% Mg(OH)2  + H2O2 2.8%  7.2 ATMP (Na+P)  0.5% NaOH  + 3.5% H2O2  7.0 ATMP (P)  2.8% H2O2  5.2 TMP  No chemicals added  5.4  Table 5. Chemical recipes, used in the third pilot trial using White spruce (Papers IV, V

and VI)

Pulp  Chemical recipe  Residual pH (1st stage pulp) 

TMP  No chemicals used  5.4 ATMP (aq.)  No chemicals used  5.5 ATMP (Mg+P)  1.4% Mg(OH)2 + 2.6% H2O2  7.4  3.1.2. Accuracy of the specific energy demand measurement Specific energy demand (or Specific Energy Consumption, SEC) in the pilot trials 

was calculated according to Eq. 2.  

productiontimepowerSEC ×

=                (2) 

 The numerator consists of the logged motor power multiplied by the time it took 

to produce a batch of pulp during the trial (typically 15‐20 minutes). Gauge error in the measurement of power  is approximately 1% and  is an  independent variable. Time can be assumed to be measured accurately. The production calculation was based  on  the dry weight  of  a  raw material  sample. Prior  to  sampling,  a  careful homogenization  of  the  raw material was  carried  out  to minimize  the  sampling 

35 

error. Chips incoming to the pilot plant were mixed, soaked in water and drained before  the  measurement  was  performed.  The  mixing  was  repeated  also  after Impressafiner  and Fiberizer  runs. Thus  the  sampling  error  can be  approximated with  the  error  in  the  determination  of  dry  contents  (an  independent  variable), typically around 0.5%.   Apart  from  this  factor,  the production error has a second term: the volumetric error in the transport screw, delivering chips or pulp into the refiner. This screw is powered by a variable frequency drive which operates with an accuracy of approximately 1% (also an independent variable). Thus, the error in SEC depends on the error propagation which can be described by Eq. 3 where x, y and z are the error terms.  

222

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ×

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Δ×

∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ×

∂∂

=Δ zz

SECyy

SECxx

SECSEC     (3) 

 Since the Eq. 3 consists only of multiplication and division, it can be simplified as Eq. 4.   

222

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ=

Δzz

yy

xx

SECSEC

           (4) 

 If the three estimated measurement errors are inserted into the Eq. 4, it is possible 

to calculate the total error  in SEC which  is 1.5% or approximately 20‐40 kWh/odt for the pulps produced during this study.  3.1.3. The ATMP process The  ATMP  process  layout  consists  of  two  extra  units,  i.e.  Impressafiner  and 

Fiberizer.  Pre‐treatment  in  a  compression  screw  (Impressafiner)  followed  by defibration  in a Fiberizer unit  is used prior  to primary stage refining. During  the mechanical  pre‐treatment,  defibration  of  chips  to  fibre  bundles with  opened‐up structure  takes  place  (Sabourin  et  al.  2003).  After  defibration  chemicals  are introduced  into  the primary  refiner with dilution water,  see  Fig.  23. The ATMP process was described in the literature earlier (Hill et al. 2009, 2010).  Approximately  0.15‐0.25  MWh/odt  is  applied  to  the  chips  to  achieve  chip 

defibration  during  the  mechanical  pretreatment.  The  reactions  with  chemicals added in the primary refiner are directed to fibre surfaces exposed during the pre‐treatment. Primary refining intensity in the ATMP concept is increased compared to  TMP  using  higher  rotational  speed  and  feeding  plate  pattern.  The  energy 

36 

demand  in pulp production using ATMP process configuration  is defined  in  this thesis as including the energy input in the Impressafiner and Fiberizer units.  

 Figure 23.   Outline  of  the  ATMP  process  showing  combination  of  selective  wood 

disintegration and targeted addition of chemicals   3.2 Statistical methods Two methods for statistical evaluation of data were used in this study to compare 

the character of  the studied pulps, ANOVA (Papers II, III and  IV) and PCA  (Paper II). These  are  standard methods  and  their description  can be  found  in books on statistics (Box et al.2005).  3.2.1 ANOVA ANOVA is an abbreviation for “Analysis of Variations” and is an algorithm that 

is used  to determine  if  there  are  any  statistically  significant differences between values in a given data set. In this study, it is used as a basis for statistical analysis to  show  if  the  specified  ATMP  processes  are  different  in  character  (i.e.  differ significantly)  to  a  control  TMP.  The  character  of  the  pulp  is  here  defined  by  8 important  properties  such  as  the  light  scattering  coefficient,  sheet  density, elongation and average fibre length, Table 6. Those properties are evaluated using tensile  index  as  evaluation  criteria  (i.e.  if  ATMP  and  TMP  have  significant difference in one of the properties when compared at equal tensile index, it will be shown in ANOVA). Tensile index is used as an evaluation criteria since it is used to evaluate the energy demand in refining of the pulp.  

37 

Data sets obtained in refining trials are relatively small and comparison can often be made by simply looking at the graphical plots. Nevertheless, a proper statistical analysis with ANOVA  helps  to  obtain more  conclusive  results.  Since  only  one treatment  is evaluated  in  this study  (application of  the ATMP process  instead of the  conventional TMP process), one‐way ANOVA  analysis  could be  considered. However, several energy levels are used for refining and thus a two‐way analysis is necessary  in  this  study  since  the pulps  are not  refined applying  exactly  equal amounts of energy. P‐value,  the outcome of ANOVA,  indicates how  certain  it  is that all values belong  to  the  same dataset  (cluster). P‐value of,  for example, 0.03 indicates that there is only a 3% chance that there is a statistical difference between values  in a data set. Since 95% confidence interval is considered to be enough, P‐value must be smaller then 0.05  for  the differences to be considered  insignificant. ANOVA analysis  is often used  in other disciplines to prove significant difference of data within a data set (Moen et al. 2010).  3.2.2. PCA PCA, or Principal Component Analysis, is a way to reduce the dimensions of the 

data.  Pre‐processed  data  is  projected  onto  a  line  forming  the  first  principal component. The second component is derived from the data left after extraction of the  first  component.  The  components  are  orthogonal  to  each  other  and  are therefore independent. The score plot represents the samples and the load plot, the derived decomposition.  Ideally,  the  score  and  load matrixes  contain  information on all systematic variations in the data and all the noise is contained in the residual matrix.  In  this  study, PCA  is used  to  confirm  if  the data used  for ANOVA  and linear  regression  analysis  form  any  distinct  clusters which would  suggest  that there is a significant difference between pulps contained in those clusters. Thus, if ATMP and TMP samples would form distinct clusters in score and loading plots, this could be interpreted as statistical difference between them. Instead, they form a random pattern in both cases. PCA is described in more detail elsewhere (Wold 1987, Martens and Naes 1993, Jackson 1991).  3.3 Laboratory testing Pulps  and  standard  laboratory  sheets  for  Papers  III  and  IV were  tested  in  the 

Andritz pilot plant  lab  in Springfield, Ohio, USA. Pulps and standard  laboratory sheets for Paper II, calandered laboratory sheets for Paper V and fraction sheets for Papers IV and V were tested in the Norske Skog lab in Halden, Norway.   3.3.1 Whole pulp testing In  the Halden  lab, CSF  (Canadian  Standard  Freeness) was measured  on  pulp 

using  ISO  5267:2:2001  and  average  fibre  length was determined using PQM1000 

38 

(Sunds Defibrator). In the Springfield lab, CSF was determined according to T227 standard.  Pulp  was  fractionated  in  a  Bauer  McNett  according  to  T233.  Shive content was determined using a Pulmac Fractionator with a 0.10 mm slot screen.  To  estimate  the  available  surface  in  different  types  of  chips  and  fiberized 

material,  their  ability  to  absorb water was measured. This was done  by placing samples (10‐15 odg), contained in sealed water‐filled plastic bags,  in a water bath set to 60 °C. Samples were taken out after controlled periods of time (10, 30, 60, 180 and 240 minutes) and were allowed to drain for one hour on a metal netting. Their dry‐matter content was  then measured according  to SCAN CN 39:94 standard. A difference between final water content and initial water content was considered to be an  indication of water absorption, proportional  to  the available surface. Triple samples were measured to provide an estimation of accuracy.  3.3.2 Physical testing of laboratory sheets Standard  laboratory  sheets  (approximately  60  g/m2)  with  recirculated  white 

water were manufactured  in Halden  lab according to ISO 5269:2:1998. The sheets were dried restrained. Optical properties of the sheets were tested according to ISO 2470:1999  and  ISO  2471:1999.  Strength  properties were  tested  according  to  ISO 1924:2‐1994.  The  sheets  for  Paper  V  were  calendered  in  a  laboratory  calendar (Enfoplan OY EP‐210) at 150 kPa nip load (3 nips on each side). PPS was measured according to SCAN P21:67 and air permeability according to SCAN P19:78.   PPS measurement  was  also  used  to  evaluate  surface  roughening. Water  was 

applied  in a  laboratory printing press, see Fig. 24. This resembles the situation  in full scale HSWO (heatset offset) printing. PPS was first measured in marked places and  after  that  0.028g  of water was  applied  to  the  sheets  using  Prufbau Offset Attachment  to a Multi Purpose Printability Tester  followed by a heater. PPS was then measured again in the same places on the sheets and a measure of fibre rising could be obtained by comparing PPS before and after  the press nip where water was applied to the sheet surface.  

39 

 Figure 24.   Drawing  of  the  laboratory  setup,  used  for  measurement  of  surface  fibre 

roughening  of  calendered  laboratory  sheets  (measurement  of  initial  PPS  is followed  by  wetting,  hot  nip  in  a  laboratory  printing  press  and  then measurement of final PPS) 

 In  the Springfield  lab,  laboratory sheets  (approximately 60 g/m2) were prepared 

according to T205 from pulp disintegrated according to the same standard method. Strength properties of the handsheets were evaluated according to T220 standard (TEA  was  determined  according  to  T494).  Optical  properties  were  evaluated according  to  T218  (brightness),  T425  (light  scattering)  and  T425/T220  (light absorption).   3.3.3. Fibre characterisation Characterization of the individual fibre properties such as external surface area 

index, bendability and split fibre index was carried out by PFI. The detailed descriptions of the methods used and the results are published in Paper II and Paper III.  

3.3.4. Quality of the long fibre fraction and Influence of fines on sheet quality To evaluate  the development of  long  fibre and  fine  fractions, each of  the pulps 

was  separated using a Britt Dynamic Drainage  Jar  (BDDJ) with 100‐mesh  screen according  to T261  (Britt  1973).  Pulps  refined with  approximately  similar  energy were used  for  the experiment. Laboratory sheets were made using  the  long  fibre fractions. The fines fraction was mixed with model long fibres (separated in BDDJ out of  the commercial disc  filter pulp  from Norske Skog Saugbrugs mill) since  it was  not  possible  to  produce  sheets  using  only  the  fines  fraction. Mixing  was performed  on  the  basis  of weight;  30%  of  fines were  used  for  each  pulp  type. Laboratory  sheet  properties  were  tested  according  to  standard  procedures described above. Fractionation using a BDDJ is not exactly similar to fractionation in a Bauer McNett used for fibre characterisation. Bauer McNett allows collecting more  fractions  which  are  also  more  defined.  However,  fractionation  in  Bauer McNett  is  very  cumbersome  and  BDDJ was  used  in  this  part  of  the  study  for 

40 

practical reasons. Even if fractions obtained using BDDJ are not the same as used in the fibre characterisation study, the general behaviour of the  fractions would still be very similar and the results are helpful in understanding the overall changes to  pulp quality and energy demand in refining.   Standard  laboratory  sheets were prepared  according  to  ISO  5269:2:1998  (using 

recirculated white water in the case of  mixed fines sheets and direct drain in case of  long  fibre  sheets). The  sheets were dried  restrained. Optical properties of  the sheets  were  tested  according  to  ISO  2470:1999  and  ISO  2471:1999.  Strength properties were tested according to ISO 1924:2‐1994.  3.3.5. Laboratory bleaching Refiner  bleaching  was  compared  to  conventional  high  consistency  tower 

bleaching, simulated in laboratory, in Paper VI. Unbleached second stage pulp from the pilot trial, described in Paper IV, was used for laboratory bleaching. The same mechanical pre‐treatment (including a DTPA dosage) and the same (high) intensity as in the ATMP process was used during its production. The pulp was mixed with H2O, Mg(OH)2  and H2O2  in  a Kenwood Major  kitchen  coffee  grinder  (bleaching consistency was  20 %,  the  same  as  blowline  consistency  of  pilot  scale  ATMP), sealed  in  plastic  bags  and  put  in  a  heated  water  bath  (75  ºC)  for  determined periods of time (15‐150 min). After that, it was cooled down, diluted and buffered with  acetate  to  control  the pH  before making  ISO pads. Magnesium hydroxide, Mg(OH)2  (62 %  slurry,  same batch as  for pilot  trials  from Univar USA  Inc.) and hydrogen  peroxide, H2O2  (40 %  solution, Merck) were  used  for  the  laboratory trials.  Brightness  was  measured  according  to  ISO  2470:1999.  The  amount  of residual peroxide was determined by titration.  To  evaluate  the  rate  of  consumption  of  chemicals during  the  storage  between 

refining  stages  in  the  trials  described  in Papers  III  and  IV,  a  batch  of  first‐stage blowline  pulp  was  collected  and  stored  in  an  insulated  box  at  80‐90  ºC  and approximately 20 % consistency. Samples were  taken out after 0, 1, 3, 10 and 30 minutes,  squeezed  in  a  potato‐press  to  collect  filtrate,  quenched  in  cold  acidic water  and  transported  to  the  laboratory,  where  ISO  brightness  was measured according  to  Tappi  T218  standard.  Residual  peroxide  and  pH  in  the  collected filtrate were also measured.  There is no well‐accepted standard method for measuring generation of COD by 

a pulp. In this study,  the STFI‐method “wash of COD” was used. Approximately 12‐15 oven‐dry grams of pulp and 500 ml of deionised 70ºC water were mixed in a hand mixer for 30 seconds. After that, another 400 ml of deionised 70ºC water were 

41 

added,  and  the  suspension  was  dewatered  on  a  Buchner  funnel  with  paper machine wire  cloth until  approximately  800 ml of  filtrate had  accumulated. The filtrate was collected and recirculated  though  the pulp  to avoid  loss of  fines. The whole procedure was repeated one more time, and the combined filtrate was used to measure the Chemical Oxygen Demand according to the Dr. Lange method, ISO 6060‐1989 standard.  A batch of pulp was additionally washed with DTPA before bleaching  to study 

the  influence of metal removal on  the bleaching efficiency. The wash of  the pulp was performed by adding DTPA solution to pulp (3 kg/odt), stirring at 50 °C for 30 minutes and dewatering on a wire cloth with recirculation of fines. After that, pulp was washed with deionized water. Metal content in the pulps was determined by ICP analysis according to the ISO 11885 standard.  3.4 ATMP process in mill scale When  this  study  was  performed,  no  full  scale  ATMP  installation  existed.  A 

partial  ATMP  process  utilizing  mechanical  pre‐treatment  in  Impressafiner  and addition of bisulphite had been operational in Norske Skog Pisa mill, Brazil, since 2006. First full scale ATMP installation was under construction in the Steyrermühl mill,  Austria,  and was  due  to  be  ready  in  2011.  In  Fig.  25,  a  principal model drawing of a full scale ATMP process can be seen. 

 

 Figure 25. Principal model drawing of a full scale ATMP process (Andritz AG)

42 

4 RESULTS AND DISCUSSION

4.1 Mechanical pre-treatment The mechanical pre‐treatment in the ATMP process consists of Impressafiner and 

Fiberizer  units.  Wood  chips  are  macerated  in  the  Impressafiner  (a  high‐compression screw) and then fed into the Fiberizer (small moderately pressurized refiner) where the chips are defibrated into fibres and fibre bundles. Optimization of the mechanical pre‐treatment was not in the scope of this study. However, a few conclusions  and  suggestions  can  still  be made,  based  on  operational  experience and other observations.  One of the purposes of the pre‐treatment in the Impressafiner is to induce cracks 

along  desired  interfaces  (within  the  S1/S2  fibre wall  layers)  in  the  chips.  These cracks  are  induced  in  an  energy‐efficient way  and were previously proposed  to lead  to  increased  energy  efficiency  in  sub‐sequent  refining. Chips, macerated  at low  impact  frequency,  are  also  better  prepared  for  the  increased  frequency  of impacts delivered by treatment in the Fiberizer unit. Cracks in the chips, induced by  the  Impressafiner  treatment  should  lead  to a more efficient and uniform pre‐heating  before  Fiberizer.  Removal  of  extractives  from  the  chips  in  the Impressafiner could also influence the efficiency of subsequent refining. It should be  noted  that  chips  still  retain  their  basic  structure  after  Impressafiner  pre‐treatment. They  still,  in  spite of  the  induced  cracks,  consist of a matrix of wood fibres,  connected  together  by  middle  lamellae.  On  the  other  hand,  after  pre‐treatment  in  the Fiberizer  the material can no  longer be described as chips but  is rather  a  very  coarse  pulp.  In  other words,  fiberized material  consists  of  fibres, which  are  separated  from  each other  to  a  certain degree  but  their papermaking properties are not yet developed. The Fiberizer is a refiner operated with very low energy  input. The exact amount energy  to be used  for Fiberizer pre‐treatment  is one  of  the  questions  best  answered  by  performing  optimization  on  a  full‐scale continuous process.   Mechanisms  for  how  chemicals  penetrate  the  fibres  in  traditional  TMP  and 

CTMP processes were described earlier. These mechanisms imply impregnation of whole chips and are not completely valid in ATMP refining, where chemicals are added  after  chip  defibration.  Instead,  the  chemical  reactions  in ATMP  refining probably proceed with little limitation from the transport of chemicals in the chips. The  reactions  happen  directly  on  the  exposed  surfaces  of  fiberized  material, entering the first stage refiner. Thus, the influence of chemicals on the defibration stage is minimized and it is mainly the fibre development stage that is influenced, Fig. 26. 

43 

Conventional chip impregnation 

 

ATMP process 

  Figure 26.   Different mechanisms of penetration by chemicals: through fibre lumens and 

outwards  to  the  middle  lamellae  in  the  conventional  chip  impregnation process and directly onto the fibre surfaces in the ATMP process (illustration by Mats Rundlöf, Capisco AB).

 It  can  be  concluded  that  the  objective of  the  Fiberizer  treatment  is  to  separate 

wood fibres from each other to such an extent that the subsequently added process chemicals  are  directed  to  the  outer  fibre  wall  layers  and  the  influence  of penetration through the lumens on chip defibration is minimized. As little energy as possible should be used to achieve this separation of fibres in order to minimize the  fibre  development  in  the  Fiberizer.  Fig.  27  shows  SEM  micrographs  and pictures of four fiberized material batches, refined in the Fiberizer with increasing energy  input.  All  four  batches  received  the  same  pre‐treatment  in  the Impressafiner. 

44 

 

   a). 100 kWh/odt (36 kWh/odt in the Impressafiner and 64 kWh/odt in the Fiberizer)  

   b). 241 kWh/odt (36 kWh/odt in the Impressafiner and 205 kWh/odt in the Fiberizer) 

   c). 375 kWh/odt (36 kWh/odt in the Impressafiner and 339 kWh/odt in the Fiberizer) 

   d). 729 kWh/odt (36 kWh/odt in the Impressafiner and 693 kWh/odt in the Fiberizer) 

Figure 27. Four fiberized material batches with different energy input in the Fiberizer. All four are from the same batch of chips and had the same Impressafiner pre-treatment (The SEM images are taken by Per Olav Johnsen, PFI)

  

45 

On the SEM micrographs and even on normal images, it can be clearly seen how fibre separation proceeds further and further upon increased energy input in   the Fiberizer. The last batch of fiberized material with energy input of 693 kWh/odt in  can be considered  to be a coarse  first stage pulp.  It should be noted,  that even at such a high energy input, the material is not defibrated completely. In an attempt to  estimate  the  available  surface of  fiberized material, defibrated using different energy  inputs  in  the  Fiberizer  unit,  the  kinetics  of  water  absorption  were measured, see Fig. 28.   

 Figure 28. Kinetics of water absorption by chips, chips after Impressafiner pre-treatment

and fiberized material with four different energy inputs (64-693 kWh/odt).

 Results  show  that  untreated  chips  have  the  lowest  rate  of  water  absorption, 

followed  by  chips, which were macerated  in  the  Impressafiner. Of  all  fiberized material batches, only one, defibrated using the  lowest energy input (64 kWh/odt in  the  Fiberizer)  shows  signs  of  slower  rate  of  water  absorption  compared  to others. How  this  difference would  have  influenced  the  efficiency  of  the ATMP process was not studied. However, it can be proposed that it took between 64 and 205  kWh/odt  applied  in  the  Fiberizer  to  defibrate  the  chips  to  the  point where absorption kinetics were no  longer  significantly  influenced by  additional  energy input. Hence, keeping in mind that as little energy as possible should be used for defibration,  approximately  100‐150  kWh/odt  seems  to  be  an  appropriate  energy input for chip defibration in the Fiberizer. This conclusion is also supported by the fact  that  almost  no  decrease  in  the  average  fibre  length  (1.75  and  1.74  mm respectively) was measured  during  Fiberizer  pre‐treatment  using  100  kWh/odt, Fig. 29. Average  fibre  length decreased somewhat  (from 1.75  to 1.66 mm) during 

46 

pre‐treatment in the Fiberizer using 205 kWh/odt. Mechanical pre‐treatment in the ATMP  process  seems  to  accomplish  separation  of  chip  defibration  and  fibre development  in  chip  refining,  allowing  them  to  proceed  under  different conditions.  

 Figure 29. Average fibre length in untreated chips, chips after Impressafiner pre-

treatment and fiberized material with four different energy inputs in the Fiberizer (64-693 kWh/odt). The fibre length was measured using FiberMaster in macerated material according to an earlier described method (Mörseburg 2000).

 Average  fibre  length  decreased  by  13  %  after  Impressafiner  pre‐treatment. 

However  it  remained  constant  after  subsequent  pre‐treatment  in  the  Fiberizer using  the  lowest energy  input  in  this study, 100 kWh/odt. When somewhat more energy,  205 kWh/odt, was  applied  in  the  Fiberizer  the  average  fibre  length was reduced by additional 4 %, i.e. 17 % less than untreated chips. Energy inputs of 339 kWh/odt and 693 kWh/odt in the Fiberizer yielded average fibre length reduction by 21 % and 29 % respectively. Keeping  in mind the fact that Fiberizer  is used to achieve chip defibration and that the lowest energy input seemed to be enough for that purpose, it can be suggested that the defibration of chips into fibres and fibre bundles  in the Fiberizer is very efficient when  it comes to preserving the average fibre  length.  There  could  be  several  reasons  for  that.  Chips,  pre‐treated  in  the Impressafiner, are macerated and  their structure  is more opened‐up compared  to the  untreated  chips.  An  opened‐up  structure  allows  for  a  more  efficient  heat transfer  into  the  chips  in  the Fiberizer. As  a  result,  the  chips are probably more uniformly heated and can withstand defibration without damage to the fibres. The 

47 

low  energy  input  and  intensity  in  the  Fiberizer  certainly  also  have  a  positive influence on fibre length preservation.  

4.2 Character of ATMP The TMP process became dominant for production of wood containing printing 

paper  because  pulp  produced  with  this  process  has  good  strength  properties, combined with a high light scattering ability which provides good opacity even at low basis weight  (Höglund and Wilhelmsson 1993, Heikkurinen et al. 1993).  It  is thus  essential  to preserve  this  character  of TMP when  attempting  to  reduce  the energy demand  in refining.  In  this work, energy demand was evaluated at equal tensile  index  (the  dependent  variable)  since  it  is  usually  the  target  variable  for newsprint  paper  machine  operations.  Pulps  produced  in  this  study  were considered to be of similar character if other important properties change in similar way with increasing tensile index (i.e. increasing energy demand). If the statistical analysis  shows  that  there  is,  for  example,  no  significant  difference  in  light scattering coefficient at equal  tensile  index for ATMP and TMP, the conclusion  is that  ATMP  and  TMP  have  similar  character  of  the  light  scattering  index development.  In  practice  it  means  that  light  scattering  is  preserved  in  ATMP compared  to TMP while  a  reduction of  electrical  energy demand  is  achieved. A typical case of when pulps do not have  the same character was shown  in Fig. 13, where TMP and CTMP have clearly different development when it comes to light scattering coefficient compared at equal tensile  index. Such  figures could be used for description of all properties, studied with  the help of analysis of variations  in this thesis. However, such an approach is much less efficient if many pulps are to be compared, a  total of 24  figures would be  required  instead of a single  table.  It would not include a statistical evaluation either, only a visual assessment.  To establish the character of produced ATMP, some important properties of the 

pulps were  chosen,  Table  6.  Their  development was  compared  at  equal  tensile index  for  ATMP  together  with  the  TMP  reference.  The  properties  are  not independent  –  a  change  in  the  size  of  fines  fraction  for  example would  lead  to changes in average fibre length (Forgacs 1963). Each of the properties was assessed using  analysis  of  variations  (ANOVA).  P‐values were  calculated  using ANOVA analysis to determine the significance of the results. For example, a P‐value of 0.01 means that there is a 1% of variation in the studied variable, that does not correlate with  the  variation  in  the  dependent  variable  (tensile  index).  Since  a  confidence interval of 95% was used to determine the significance, P‐values had to be higher than 0.05 for the difference to be considered significant.  

48 

Table 6. Chemical recipes, used in ATMP refining during the second pilot trial (paper III) ANOVA results for data from testing of all pulps, produced during this study (tensile index is used as dependent variable).

P‐values Property  Unit 

Paper II  Paper III  Paper IV Density  kg/m3  3.4*10‐8  4.0*10‐14  1.7*10‐11 Light scattering coefficient  m2/kg  2.6*10‐4  7.8*10‐10  8.1*10‐8 Z‐strength  kPa  7.7*10‐8  ‐  ‐ Canadian Standard Freeness  ml  4.6*10‐6  1.1*10‐17  5.9*10‐13 Fibre length (PQM1000)  mm  1.2*10‐2  2.9*10‐4  8.1*10‐5 BMN P200 fraction (fines)  %  2.6*10‐2  1.2*10‐4  1.2*10‐7 Elongation  %  8.8*10‐5  1.8*10‐8  4.6*10‐13 Tensile Energy Absorption  J/m2  5.4*10‐9  1.8*10‐15  3.5*10‐18  There are no significant differences in any of the pulp properties shown in Table 6.  The  low  P‐values  show  that  over  99%  of  variation  in  the  studied  properties correlate with the changes in the tensile index. The fact that ATMP and TMP have similar  fractional  compositions  is  probably  what  causes  the  preserved  light scattering  ability,  illuminating  the  importance  of  conducting  the  defibration  of chips prior to the addition of chemicals. Earlier, reduction of the fines and middle fraction  content  has  almost  always  been  reported  for  pulps  made  from impregnated chips  (Argyropoulos and Heitner 1991, Stationwala 1994) exhibiting CTMP‐like defibration which is unfavourable for printing papers.  Earlier  studies  showed  that  refining  at  increased  intensity  leads  to  fibre 

shortening,  i.e. the character of  the pulp  is altered. TMP and ATMP  in this study were shown to have very similar character with respect to average fibre length and fines content. This could indicate that mechanical pre‐treatment makes the material more  suitable  for  refining  at higher  intensity. This  has  been proposed  in  earlier studies  (Kure  et  al.  1999,  Sabourin  et  al.  2003). A possible  reason  could  be  that fiberized material has much  less variation  in size distribution compared  to wood chips. This should improve the stability of the feed to the primary refiner which is very  important  at  high‐intensity  refining,  known  to  lead  to  a  smaller  refiner segment  gap  compared  to  low‐intensity  TMP  refining.  It  was  also  concluded earlier  in  this  thesis  that  mechanical  pre‐treatment  in  the  Impressafiner  and Fiberizer is an efficient way to conduct chip defibration in respect to preservation of the average fibre  length. This  is because the separation of chip defibration and fibre development allows optimization of those phases separately.   

49 

 Figure 30.   Development of tear index in ATMP refining of Loblolly pine, compared to a 

TMP reference at equal tensile index (Paper II).   

 Figure 31.   Development of tear index in ATMP refining of White spruce, compared to a 

TMP reference at equal tensile index (Paper III).   Development of tear index as a function of tensile index can be seen in Figs. 30 and 31. The  results  show  that  there  is no  significant difference between TMP, ATMP (aq.)  and  ATMP.  This  confirmed  that  all  three  pulp  types  had  the  same  basic character.  

50 

 Figure 32.   Decrease  in  the  shives  content  with  refining  for  ATMP  and  TMP  pulps, 

Loblolly pine (Paper II).  

 Figure 33.   Decrease in the shives content with refining for ATMP and TMP pulps, White 

spruce (Paper IV).  The  content  of  shives decreases dramatically  for ATMP  compared  to  the TMP 

process,  Figs.  32  and  33. Results  from Paper  IV  indicate  that  the decrease  in  the shives  content  comes  from  using  compressive  pre‐treatment  and  high  intensity refining and not chemicals since the contents of shives in ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P)  were  approximately  equal  and  very  low.  High  intensity  refining  was shown  to decrease  the content of shives earlier. When  the rotational speed of  the refiner was increased from 1800 rpm to 2600 rpm, the content of shives in Norway 

51 

spruce pulp decreased from 3.1 to 0.2 measured using the same Pulmac screen as in  this  study  (Kure  et  al.  1999).  Similar  results were  reported  refining  a mix  of spruce and pine (Sabourin 2000). Introduction of Impressafiner pre‐treatment prior to the high‐intensity refining did not decrease the content of shives further (Kure et al.  1999).  This  is  consistent  with  later  findings  where  the  introduction  of Impressafiner pre‐treatment prior to TMP refining did not contribute to decreasing the shives content significantly (Sabourin et al. 2003). The influence of a combined pre‐treatment using both Impressafiner and Fiberizer on the shives content has not been reported earlier. Since very low shives contents were measured in the ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P) pulps in this study, it is possible that Fiberizer has positive effect  on  shive  content  reduction.  This  would  be  logical  since  increasing  the uniformity of size distribution of incoming material should increase the stability of refiner operation and thus possibly also lead to decreased content of shives in the pulp.  Air  permeability  and  surface  roughness  of  paper  are  important  for  SC‐paper 

since  they  influence  the performance of paper  in printing and  final print quality. These  two  variables  are  often  used  as  target  variables  in  SC  paper  machine operation and thus it is important to investigate if the use of the ATMP process has any influence on them. The influence of the process configuration (mechanical pre‐treatment  and  the  use  of  higher  intensity  in  refining)  was  separated  from  the influence of  the  added process  chemicals during  trials, described  in Paper VI.  In Figs. 34 and 35 it is shown that both the process configuration and the addition of process  chemicals have an effect on air permeability and  surface  roughness. The effect of process chemicals on the air permeability was not statistically significant and neither was  the effect of  the specific energy nor equipment configuration on the  PPS.  The measurement  results  show  a  large  variation,  probably  due  to  the inaccuracy of the standard methods used  in this study. In the future, it would be helpful  to  conduct  a  more  thorough  analysis  of  the  paper  surface  using,  for example, laser profilometry.  

52 

 Figure 34. Air permeability of calendered laboratory sheets. By using a multivariate linear

regression (R2=0.96) it was verified that the affects of the equipment configuration and the specific energy demand were significant on 90 % confidence level whereas the addition of the process chemicals was not (Paper VI)

 Figure 35. PPS of calendered laboratory sheets. By using a multivariate linear regression

(R2=0.72) it was verified that the addition of the process chemicals was significant on 90% confidence level, whereas the affects of specific energy and equipment configuration were not (Paper VI) 

 

53 

The  surface  roughening was  significantly  higher  for TMP  compared  to ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P), Fig. 36. The lowest initial surface roughness was achieved using the ATMP (Mg+P) process and it also gave the lowest final surface roughness of calendered laboratory sheets. The magnitude of roughening, however, seems to have been similar for ATMP (Mg+P) and ATMP (aq.) processes.   

  Figure 36. Surface roughening of calendered laboratory sheets after the application of

water on the surface and rapid drying in a laboratory printing press. By using a multivariate linear regression (R2=0.76) it was verified that the affects of specific energy and equipment configuration were significant on 90% confidence level, whereas the affect of addition of process chemicals was not (Paper VI).

When evaluating final papermaking properties of pulp produced for SC paper, it 

is important to consider that a pulping line in an SC paper mill normally includes extensive fractionation and selective reject refining. The scope of this study was to compare mainline  pulps  and  thus  aspects  connected  to  reject  refining were  not  covered. Selective  refining of pulp produced  for SC paper  is aimed at  thick  and coarse  fibres.  These  are  the  kind  of  fibres which  are  known  to  increase  surface roughness of paper  and  thus  they would be  treated much more  in  a  typical  SC pulping  line  compared  to  mainline  pulp.  Considering  that  ATMP  fibres  were found  to  be more  developed  at  a  similar  energy  input, ATMP would  probably behave  differently  when  subjected  to  fractionation  and  selective  refining.  Less energy application would be needed  in  the mainline refining  to achieve a certain fibre  quality  and  fewer  fibres would  need  the  selective  treatment. To  study  the 

54 

significance  of  this  for  the  final  paper  quality  and  the  total  energy  demand  in refining pulp, fractionation should be included in the scope of future experiments.  4.3 Fibre and fines properties 4.3.1. Properties of individual fibres The goals of treatment of pulp fibres in a refiner after the defibration of chips can 

be summarized as:  

Reducing the dimensions of the fibres to promote the desired functional properties in paper structure (strength and opacity). 

Making  the  fibres  flexible  so  that  their  surfaces  are  able  to  come  into close  enough  contact with  each  other  for  realization  of  their  bonding potential. 

Creating  the  desired  level  of  external  (surface)  fibrillation  that would promote  bonding  to  other  fibres  upon  contact  during  sheet consolidation. 

Inducing  enough  axial  splits  into  the  walls  of  the  thicker  fibres  to prevent their de‐collapse on the paper surface after sheet consolidation. 

 Characterization  of  individual  fibre  properties  was  carried  out  by  PFI  and 

published in Paper II and Paper III. Fibre development in TMP and ATMP refining was  compared  in Paper  II. The difference between TMP  and ATMP  consisted of several modifications to the refining process:  

Mechanical pre‐treatment of ATMP in Impressafiner and Fiberizer.  Elevated ATMP refining intensity by using feeding segment pattern.  Introduction of process chemicals in the ATMP concept. 

 The individual influences of these process modifications were not separated from 

each  other  in  that  study.  An  attempt  to  separate  the  influence  of  the  process configuration from the influence of process chemicals was made in Paper III. There, two pulp references were refined without the addition of chemicals and compared to the ATMP (Mg+P) process. One of the references was the standard low‐intensity TMP process, used  as  the  reference  also  in Paper  II. The  other  reference was  an ATMP  process  without  the  addition  of  process  chemicals,  ATMP  (aq.).  The differences between the ATMP (aq.) and the TMP were:  

Mechanical pre‐treatment in Impressafiner and Fiberizer  Elevated  refining  intensity  by  using  feeding  segment  pattern  and elevated rotational speed of the refiner (from 1800 to 2300 rpm) 

55 

The only difference between ATMP (Mg+P) and ATMP (aq.) was the addition of process chemicals (Mg(OH)2 and H2O2) into the first stage refiner.  When ATMP  (Mg+P) was compared  to  the TMP reference,  the difference of 1.1 

m2/g  in  the  specific  surface  area  index  (S3A) was  set  already  after  the  first  stage refining (Paper II).  This difference in the S3A index was extended to 2.5 m2/g after the third refining stage.   An  initial difference of 1.7‐1.8 m2/g  in  the specific  surface area  index  (S3A) was 

also measured after first stage refining between the TMP reference and ATMP (aq.) pulp  (Paper  III). The difference between TMP and ATMP  (aq.)  increased  slightly upon further refining and was 2.2 m2/g after the third refining stage. ATMP (Mg+P) had similar specific surface area  (S3A)  index as ATMP  (aq.) pulp at  lower energy input. However, the difference between ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P) increased significantly and was 1 m2/g after  the  third  refining stage. This suggests  that  the process  configuration  had most  effect  on  external  fibre development  in  the  first refining  stage  whereas  the  added  process  chemicals  had  a  gradual  impact, improving the fibre surface area development throughout all stages of refining. It is  also  possible  that  the  use  of  elevated  refiner  speed  during  trials  in  Paper  III caused  the  additional  increase  in  the difference  between  S3A  index  of TMP  and ATMP  of  approximately  0.6‐0.7  m2/g.  However,  such  a  conclusion  should  be drawn with  a  certain  element  of  caution  since different  batches  of  raw material were used in the trials, described in those two papers.  ATMP  (Mg+P) had  third  stage pulp  fibres with approximately 0.7 units higher 

bendability  than  the  reference TMP  fibres,  compared  at  about  the  same  level of specific energy demand (Paper II). The bendability of the ATMP (Mg+P) fibres was already  higher  after  the  first  refining  stage,  but  the  flexibilization  seemed  to progress at a faster rate upon second and third stage refining for ATMP compared to  TMP.  It  was  earlier  proposed  that  internal  fibrillation  in  mechanical  pulps develops  later  in  the  refining  process  because  it  is  restricted  by  the  lignin‐rich structure of the outer fibre walls (Stone et al. 1968, Eriksson et al. 1991). In Paper III, no significant differences were found between flexibility of the TMP, ATMP (aq.) and  ATMP  (Mg+P)  after  the  first  refining  stage.  The  difference  between  well‐refined TMP and ATMP (aq.) was 0.2 units and process chemicals seemed to have contributed with another 0.4 units to the flexibility of ATMP (Mg+P) fibres. In this case the difference between the fibres due to altered process configuration seemed to be already set after the first refining stage, whereas the process chemicals acted gradually,  contributing  to  the  improved  fibre development exhibited  later  in  the refining process. 

56 

Third stage ATMP (Mg+P) contained nearly 1.3 times as much split fibre material as the reference TMP in the first study, Paper II. The level of fibre splitting was set at the first refining stage and additional splitting appeared to progress throughout subsequent stages at the same rate for ATMP and TMP. Both the TMP and ATMP were  refined at 1800  rpm  in  the primary  refining  stage. However, high  intensity directional feeding segments were used for the ATMP and low intensity segments for  the  TMP  series which  lead  to  decreased  residence  time  in  the  refiner  from approximately  3.5  to  approximately  1  second  (Senger  et  al.  2006).  Increased intensity of first stage refining was earlier found to cause increased fibre splitting (Kure  and  Dahlqvist  1998,  Kure  et  al.  1999,  2000,  Reme  2000,  Johansson  and Dahlqvist 2001, Sabourin et al. 2003). Of all characterized ATMP pulps, only ATMP (Mg+P) showed significant increase in the split fibre amount compared to TMP. It thus  appears  likely  that  the  increase was  a  result of  the  addition of magnesium hydroxide and hydrogen peroxide rather  than  the higher  intensity plates used  in ATMP refining. This contradicts to some extent earlier findings where bidirectional plates  with  the  same  pattern  (Durametal  36004)  operated  in  expel mode  were found to produce significantly more fibres with split circumferences compared to operation  in holdback mode  (Kure et al. 2000). The proportion of split  fibres was shown  to  be more  then  doubled when  a  combination  of  higher  intensity  expel plates and  increased rotational speed of  the  refiner  (from 1800 rpm  to 2300  rpm) was used compared to a conventional TMP process where the refiner was operated at holdback mode with 1800 rpm rotational speed (Johansson and Dahlqvist 2001).  Since hydrogen peroxide was used  for  several ATMP  series,  it  seems  to be  the 

addition  of Mg(OH)2  and  not  peroxide  that  increased  the  amount  of  split  fibre material  in  the  pulp.  The  effect  is  somewhat  unexpected  and  not  previously encountered in the literature. One explanation could be that Mg(OH)2 which is not entirely dissolved  in the pulp suspension causes some kind of abrasive treatment of  fibres due  to  its  crystalline  form. Abrasive  treatment of  fibres during  refining with the help of for example grits on the segments has been previously shown to increase  the degree  of  fibre  splitting  (Samboon  2009). However,  the mechanical action  must  be  very  different  when  abrasive  particles  are  used  in  a  refiner compared to an abrasive segment surface and this matter should be studied more closely to be able to draw any firm conclusions.  The  results  from  the  second  study  correlate  to  some  extent with  those  results. 

Increased amount of split fibre material was measured in both the ATMP (aq.) and the ATMP  (Mg+P)  compared  to  the TMP  reference  (Paper  III). The  increase was approximately 1.3 times using the ATMP (aq.) process configuration and 1.5 times using the ATMP (Mg+P) process configuration. The difference was measureable in 

57 

the  second  stage  refining,  but  not  in  the  first  stage  refining.  Thus,  the  results support the hypothesis that chemicals have impact on the fibre development only after a certain reaction time and not directly in the first stage refiner.  It  was  earlier  shown  that  PPS  and  density,  and  therefore  also  probably  air 

permeability, decreased with increased amount of split fibres (Kure and Dahlqvist 1998).  Increased  amount  of  split  fibres was  shown  to  lead  to  decreased  surface roughness  (Hallamaa  and  Heikkurinen  1997)  and  improved  surface  properties (Braaten 1997). Apart from the amount of split fibres, increased surface smoothness was also  correlated  to  improved  fibre bonding  (Amiri  et al. 1996, Hallamaa  and Heikkurinen 1997, Braaten 1997, Nesbakk and Helle 2002). The bonding ability of ATMP (Mg+P) fibres was improved compared to ATMP (aq.) and TMP fibres since they  had  higher degree  of  internal  and  external development  (Papers  II  and  III). Improved bendability  (internal  fibre development) was earlier shown  to  improve surface  roughness  (Nesbakk  and Helle  2002). The  improvements  in PPS  and  air permeability due to the use of the ATMP concept can probably be explained by the more  energy‐efficient development  of  fibre properties  in  refining.  It  can  also  be concluded,  based  on  the  fibre  characterisation,  that  both  the  equipment configuration and the addition of chemicals seem to have a positive affect.  It was earlier shown that an increase in the amount of split fibres correlates well 

with reduced surface roughness of calendered sheets (Kure 1999). This correlation was also found to be good in the present study, Fig. 37.  

 Figure 37. Correlation of surface roughness of calendered sheets with the split fibre

index of corresponding pulps (R2 = 0.80).  

58 

4.3.2. Physical properties of long fibre sheets Laboratory paper sheets were made using the BDDJ 100 mesh long fibre fraction. 

Tensile  index,  light  scattering  and  elongation of BDDJ  fibre  fraction  sheets  from TMP, ATMP  (aq.)  and ATMP  (Mg+P)  are  shown  as  functions  of  apparent  sheet densities in Figs. 38, 39 and 40. Fibre fraction sheets, made of the ATMP (aq.) pulp, had 40 kg/m3 (12%) higher apparent sheet density compared to the fibre fraction of TMP.  Sheets  made  of  ATMP  (Mg+P)  fibre  fraction  had  15  kg/m3  (4%)  higher apparent sheet density compared to ATMP (aq.).  Fibre  fraction  sheets made  of  the ATMP  (aq.)  pulp  had  5 Nm/g  (26%)  higher 

tensile  index  compared  to  the  fibre  fraction  sheets  from  TMP.  Sheets made  of ATMP (Mg+P) fibre fraction had 2.2 Nm/g (10%) higher tensile index compared to ATMP  (aq.)  sheets.  These  results  agree  with  the  fibre  characterisation  results. Specific surface area of the fibres  increased by 12 % for ATMP (aq.) and 17 % for ATMP  (Mg+P)  compared  to  the  TMP  reference.  The  corresponding  increase  for flexibility was  3 %  and  8 %. Measured differences  in  fibre  specific  surface  area index and bendability between TMP and ATMP pulps were  thus  translated    into improved  sheet  properties  and  reflected  the  enhanced  efficiency  in  fibre development due to the use of mechanical pre‐treatment, higher intensity refining and addition of chemicals. The effect of  the equipment configuration (mechanical pre‐treatment and higher refining intensity) seems to be more pronounced than the effect of process chemicals.   The  increase  in  light  scattering was 2 m3/kg  for ATMP  (aq.)  compared  to TMP 

and  another  1  m3/kg  for  ATMP  compared  to  ATMP  (aq.).  This  was  probably caused  by  increased  external  and  internal  fibrillation  of  the  fibres  as  a  result  of refining  (which  also  led  to  increased  sheet  density  due  to more  flexible  fibres). Elongation of  the sheets  increased with density  for TMP, ATMP  (aq.) and ATMP (Mg+P) as well. This suggests that even when the sheet structure became denser, a more  flexible  network  was  created  through  increased  flexibility  of  fibres  and higher bond strength, which is supported by individual fibre characterisation.    

59 

 Figure 38. Development of the tensile index of BDDJ R100 long fibre fraction sheets as a

function of apparent sheet density (Paper III).   

 Figure 39. Development of the light scattering coefficient of BDDJ R100 long fibre

fraction sheets as a function of apparent sheet density (Paper III).   

60 

 Figure 40. Development of the elongation of BDDJ R100 long fibre fraction sheets as a

function of apparent sheet density (Paper III).  These results confirm significant differences in fibre quality as developed in TMP, 

ATMP  (aq.)  and  ATMP  (Mg+P)  processes.  The  mechanical  pre‐treatment  and refining at elevated intensity in the ATMP (aq.) concept contributed to significantly improved  fibre properties, which were additionally enhanced by  the addition of process chemicals in the ATMP (Mg+P) concept.  4.3.3. Influence of fines on the paper quality It  is well‐documented  in  the  literature  that  the  addition  of  fines  to  long  fibre 

sheets leads to increased fibre bonding and sheet strength. In this study, the effect of  the  amount  of  added  fines was  not  studied,  but  rather  the  relative  effects  of addition of fines, originating from the three different process concepts. ATMP (aq.) and ATMP  (Mg+P)  fines  increased  the  tensile  index  of model  fibre  sheets more compared to TMP fines, Fig. 41. Tensile index increased with 3.5 Nm/g (6 %) when ATMP (aq.) fines were added instead of TMP fines and another 1.5 Nm/g (10% in total) when ATMP  (Mg+P)  fines were  added. At  the  same  time,  the  density  of sheets made with  addition of ATMP  (aq.)  fines, was  14 kg/m3 higher  compared with  sheets made with  addition  of TMP  fines. When ATMP  (Mg+P)  fines were added, no increase in density could be measured compared to sheets with ATMP (aq.)  fines.  Light  scattering  increased  less  with  addition  of  fines  from  ATMP compared  to TMP,  Fig.  42. Differences  in  elongation  between  sheets made with addition of the three different fines types were not significant, Fig. 43.  

61 

It  was  earlier  shown  that  an  equal  proportion  of  TMP  and  SGW  (Stone Groundwood)  fines  contribute  to  tensile  strength of  laboratory  sheets  in  slightly different ways  due  to  the  different  peeling mechanisms  involved  in  forming  of fines  in TMP and SGW processes  (Lindholm 1980b).  In  this study, all  three  fines types were probably of similar origin, since the starting material was the same and so were the dimensions of refined pulp fibres. Fines in this study came from pulps refined  using  approximately  equal  energy  input.  It  is  known  that  the  energy efficiency  in  refining  of  these  three  pulps  differed.  Compared  at  equal  tensile index, no differences  in  the  fines  content and average  fibre  length were  found – later  in  this paper,  it  is shown  that different amounts of energy were required  to produce  TMP,  ATMP  (aq.)  and  ATMP  (Mg+P)  with  equal  strength  properties. Tensile index was used to compare the energy demand in refining of pulps in this study  and  it would be  interesting  to  compare  the properties of  fines originating from  pulps  with  equal  tensile  index.  Unfortunately,  pulp  samples  with  equal tensile  index were not manufactured. Comparison at equal energy demand could potentially  mean  that  ATMP  (aq.)  and  ATMP  (Mg+P)  fines  contain  a  larger proportion of  fibrillar  fines, since  they were produced  in a more energy‐efficient way. This would certainly impact the results and should be kept in mind.  

 Figure 41. Development of the tensile index of model long fibre (BDDJ R100) sheets with

added fines fraction (BDDJ P100) as a function of apparent sheet density (Paper III).

 

62 

Figure 42. Development of the light scattering coefficient of model long fibre (BDDJ

R100) sheets with added fines fraction (BDDJ P100) as a function of apparent sheet density (Paper III).

Figure 43. Development of the elongation of model long fibre (BDDJ R100) sheets with

added fines fraction (BDDJ P100) as a function of apparent sheet density (Paper III).

63 

.  Figure 44. Total charge of the BDDJ fines (P100) and fibre (R100) fractions of the pulps

(Paper III).  It was  earlier  shown  that  addition  of  fines with  poor  bonding  ability  leads  to 

lower  tensile  index  in model sheets compared  to  fines with good bonding ability (Rundlöf 1996). Thus,  it  is possible  that  the  increase  in  tensile  index  seen  in  this study  is  caused  by  an  improved  bonding  ability  of  ATMP  (Mg+P)  fines. Carboxylation  of  the  fines  fraction,  which  caused  higher  charge,  could  have contributed to better bonding ability of the fines fraction. The total charge of ATMP (Mg+P) fines was found to be 30 μeq/g higher compared to TMP and ATMP (aq.) fines, Fig. 44. Total charge  is somewhat  lower  for ATMP  (aq.) when compared  to TMP, although no process chemicals were used in both cases. This could be caused by the Impressafiner pre‐treatment, where extractives and other compounds which could contribute with higher charge were squeezed out. Temperature  in  refining and  pre‐heating  in  ATMP  (aq.)  production  was  also  higher  which  could  have caused changes in the total charge of both the fines and the fibre fraction.  It  was  earlier  found  that  addition  of  TMP  fines  to  model  long  fibre  sheets 

increased  the  tensile  index  and  density  of  the  sheets,  while  addition  of polyelectrolyte (for example C‐PAM) improved the tensile index, but did not affect the density of the sheets or their elastic modulus (Koljonen et al. 2003, Lindström et al. 2005, Vainio 2007). It  is interesting that the effect of ATMP fines on the model fibre sheets is analogous to the effect polyelectrolytes were reported to have on the sheet  properties.  Increasing  density  was  earlier  found  to  increase  the  bond strength, with improvement in bonding caused by higher bonded area and number of bonds  (Retulainen et al. 1993, Retulainen et al. 1998). This seems to be  true for TMP  and ATMP  (aq.)  fines produced  in  refining  conducted without  addition of chemicals. Addition of the highly charged ATMP (Mg+P) fines, on the other hand, seems  to  lead  to  additional  improvement  of  sheet  properties  which  is  more 

64 

consistent with  influence  of  an  electrolyte. Electrolytes were  earlier proposed  to influence the behaviour of bonded areas within  the paper network, resulting  in a structure which  is more able  to resist straining. This effect was proposed  to arise from the changes in bond structure and water removal from the bonded area upon drying (Vainio 2007). A possible explanation could be that charged ATMP (Mg+P) fines form a layer inside the bonded area between the fibres, improving the bond strength. This would  also  explain  the  fact  that density of  the  sheets  seems  to be affected  less by ATMP  (Mg+P)  fines; while  fibres are drawn closer  to each other, forming new bonds,  the presence of ATMP  fines  in  the bonded area between  the fibres would counteract  the  increase  in density.  It could also be  that ATMP  fines form  complexes  with  other  fine  fragments  around  fibre  bonds,  making  these stronger. The mechanism of this is not yet understood and more detailed studies of this phenomenon should be undertaken in the future. Earlier, it was reported that TMP  fines primarily affect  the size of  the bonded area between  the  fibres with a secondary  effect  on  the  strength  of  the  bonded  area, while  polyelectrolytes  and dry‐strength  additives  primarily  impact  the  strength  of  the  bonded  area with  a secondary effect on the size of the bonded area (Vainio 2007). The findings in this study  seem  to  show  that  ATMP  fines  behave  in  a  comparable  way.  Possible mechanisms  of  how  TMP  and ATMP  fines  contribute  to  the  sheet  strength  are illustrated in Fig. 45.  TMP fines      ATMP (aq.) fines  ATMP (Mg+P) fines 

 Figure 45. Possible mechanism of how TMP and ATMP fines influence the long fibre

sheet structure. TMP and ATMP (aq.) fines contribute to the sheet strength through the densification while ATMP (Mg+P) fines also contribute by improved specific bonding strength (illustration by Mats Rundlöf, Capisco AB)

 An interesting effect of the different types of fines on PPS and fibre roughening 

was  discovered  in  this  study. When  these  properties were measured  for model fibre sheets with TMP, ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P) fines, it turned out that fines with  improved bonding also gave higher PPS but did not have any effect on  the 

65 

magnitude  of  fibre  roughening,  Fig.  46.  Earlier,  it  was  proposed  that  fibre roughening decreases  if fibres are better bonded  in the sheet structure (Moss and Retulainen 1997). Since higher tensile index of sheets with added ATMP (aq.) and ATMP  (Mg+P)  fines  compared  to TMP  fines was probably  caused  by  improved fibre bonding, a positive effect of those type of fines on PPS and fibre roughening could also be expected.   

 Figure 46. Initial PPS and PPS after re-wetting for model fibre sheets, manufactured with

addition of three different fines type.  The negative effect that fines with improved bonding seem to have on the surface 

roughness of paper could be explained by  the higher consolidation degree of  the fines fraction upon its increased bonding ability. This was not measured, but it is probable that a fines fraction with  increased degree of consolidation around fibre bonds would  yield  a  rougher  sheet  surface.  The  reason  for  this  is  that  a well‐consolidated  fines  fraction would  no  longer  fill  the  voids  between  the  fibres  as effectively as fines fraction with less bonding and less consolidation, Fig. 47.  

66 

 

TMP fines 

 

ATMP (aq.) fines 

 

ATMP (Mg+P) fines 

 Figure 47. Possible mechanism, leading to higher surface roughness upon addition of

the fines fraction with improved bonding ability to a model fibre sheet. Increased surface roughness is caused by increased consolidation of the fines fraction, leading to lower filling degree in the voids between the fibres close to the sheet surface (illustration by Mats Rundlöf, Capisco AB)

 4.4 Energy efficiency in refining Improvement of electrical energy efficiency in refining was assessed in three pilot 

trials, one on Loblolly pine (Paper II) and two on White spruce (Papers III and IV). Tensile  index of  laboratory paper  sheets was used  as  the  target  variable  for  the estimation of energy efficiency. This is because tensile index of produced paper is the target variable of most mills, producing newsprint. However, mechanical pulp is  also  extensively  used  in  production  of  SC  and  LWC  paper.  Thus,  such characteristics as paper surface roughness and air permeability, used as important quality  variables  in  SC  and LWC mills, were  studied  as well  and  are described earlier in this thesis.  Canadian  Standard  Freeness  (CSF)  is  very  commonly  used  for  evaluation  of 

energy demand in refining. This is despite the fact that it has been known for more than  a  century  that  freeness  is  not  suitable  for  accurate  description  of  pulp properties (Maartmann‐Moe 1924, Clarke 1970, Joris 2007) but gives, at its best, an indication  of  the  particle  size  reduction  in  refined  pulp,  saying  almost  nothing about its quality. It is also mistakenly considered that the freeness value serves as a good  prediction  of  dewatering  properties  on  the  paper machine.  Since  a  pulp suspension is a non‐Newtonian fluid, its drainage properties will vary depending on  the  applied  stresses.  Thus, dewatering  behaviour  in  a  freeness  test  does  not correlate with  dewatering  behaviour  on  a  paper machine, where  high  level  of stress and shear is applied there. In this study, dewatering characteristics of ATMP were not evaluated. However, it can be assumed that the dewatering is similar for TMP and ATMP, compared at equal tensile index, since the characters of the pulps were shown to be similar.  

67 

Refining curves from trials on Loblolly pine (Paper II) and White spruce (Paper III) can  be  seen  in  Figs.  48  and  49.  Refining  energy  demand,  interpolated  at  equal tensile  index  (25 Nm/g  for pine and 30 Nm/g  for  spruce) can be  seen  in Table 7. Results  showed  that  a  reduction  of  energy  demand  by  1.1 MWh/odt  or  42%  is possible in refining of pine. The corresponding figure for spruce is 0.65 MWh/odt or 37%.   

 Figure 48. Energy efficiency in ATMP refining, compared to a TMP reference, Loblolly

pine (Paper II)

Figure 49. Energy efficiency in ATMP refining, compared to a TMP reference, White

spruce (Paper III).

68 

Table 7. Electrical energy demand in refining interpolated at tensile index 30 and 50 Nm/g for spruce and 25 Nm/g for pine (error was calculated earlier (Johansson et al. 2011) based on the error in the input variables).

Energy reduction Loblolly pine (Paper II) 

Energy demand MWh/odt  MWh/odt  % 

  Needed to reach tensile index 25 N.m/g TMP   2.65 ± 0.04  Reference  Reference ATMP (B)   2.05 ± 0.03  ‐ 0.6  ‐ 23  ATMP (AA)   1.85 ± 0.03  ‐ 0.8  ‐ 30 ATMP (Mg+P)   1.55 ± 0.02   ‐ 1.1  ‐ 42 ATMP (AA+P)   1.75 ± 0.03   ‐ 0.9  ‐ 34           

Energy reduction White spruce (Paper III) 

Energy demand MWh/odt  MWh/odt  % 

  Needed to reach tensile index 30 N.m/g TMP  1.78 ± 0.03  Reference  Reference ATMP (Mg+P) 3.5  1.25 ± 0.02  ‐ 0.53  ‐ 30 ATMP (Mg+P) 5.2  1.13 ± 0.02  ‐ 0.65  ‐ 37 ATMP (Na+P)  1.40 ± 0.02  ‐ 0.38  ‐ 21 ATMP (P)  1.21 ± 0.02  ‐ 0.57  ‐ 32   Needed to reach tensile index 50 N.m/g TMP  2.79 ± 0.04  Reference  Reference ATMP (Mg+P) 3.5  2.35 ± 0.03  ‐ 0.44  ‐ 16 ATMP (Mg+P) 5.2  2.20 ± 0.03  ‐ 0.59  ‐ 21 ATMP (Na+P)  2.46 ± 0.04  ‐ 0.33  ‐ 12 ATMP (P)  2.40 ± 0.04  ‐ 0.39  ‐ 14  It was shown that fibre properties which are considered to represent external and 

internal  fibrillation  in  refining were  developed  faster  using  the  ATMP  process compared  to  the TMP  reference.  In addition, BDDJ  fines,  separated  from ATMP, were  shown  to  increase  the  bonding  strength  in model  fibre  sheets  to  a  greater extent  than  fines  separated  from  TMP.  The  results  were  also  confirmed  by measurement of properties of sheets made of ATMP and TMP long fibre fractions, separated using BDDJ. This  suggests  that  the  increased  energy  efficiency  in  the ATMP process compared to TMP is linked to a more energy efficient development of  fibre properties. A schematic  illustration of  the proposed relationship between input variables and quality of the produced product is presented in Fig. 50.  

69 

 Figure 50. Illustration of cause-and-effect relationships in mechanical pulp refining: the

effect of input variables on the outcome of the refining process.  It  is proposed  that altered refining conditions, such as elevated refiner speed or 

more aggressive segments, influence the behaviour of the fibre material inside the refiner. Shorter residence time, altered frequency of impacts etc. aim at minimizing the  elastic  and  viscoelastic  deformations  of  the  fibre  material,  which  lead  to dissipation of energy as heat.  Instead, plastic deformations  leading  to creation of new surfaces are maximized. This leads to less energy demand in the process and improved  quality  of  the  final  product.  Chemical  softening  of  fibres  inside  the refiner may also influence the refining conditions by, for example, swelling or de‐swelling the fibre material which leads to changes  in the plate gap due to altered properties of the fibre mat. There is also a possibility that chemical softening makes fibres more  susceptible  to  energy  transfer  from  the  refiner,  either  through  softer structure  or  by  increasing  the  coefficient  of  friction.  This  also  leads  to  reduced energy demand in refining and better quality of the final product. When it comes to  chemical  softening,  a  distinction  should  be  made  between  whole  chip impregnation,  where  defibration  of  chips  is  influenced,  and  a  process  such  as ATMP, where only fibre development phase is influenced by chemicals.  There  are  clearly  several mechanisms  contributing  to  the  energy‐efficiency  in 

ATMP process:  Mechanical pre‐treatment in Impressafiner and Fiberizer  First stage refining at increased intensity  Addition of process chemicals to the fibre development stage 

70 

Mechanical pre‐treatment and refining at elevated intensity impacts the residence time inside the refiner and the refiner gap. Process chemicals influence the swelling characteristics of  the  fibre material and  thus also  its behaviour  in  the refiner gap (Engstrand et al. 1995, Gorski et al. 2010). These mechanisms  together promote a more  energy‐efficient  development  of  fibre  and  fines  properties  in  the  ATMP process. The exact mechanism of this influence was not studied; however, certain proposals  can be made.  It was  earlier  shown  that more  than 95 % of  the energy used in refining was converted in enthalpy‐related processes and only less than 5 % in entropy‐related (Karlström et al. 2008, Eriksson and Karlström 2009). In other words, more then 95 % of the energy could be attributed to conversion of energy to heat and only 5 % to the development of fibre properties. It is obvious that even if the energy needed  for  fibre development could be  reduced  to zero  in  the ATMP process, a reduction of energy consumption by over 40 % would not be reached. Thus,  it  can  be  concluded  that most  of  the  energy  reduction  in ATMP  process probably  comes  from  minimizing  the  energy  loss  in  heat  generation.  Several different mechanisms can be proposed for this. Refining at higher  intensity could lead  to  less  elastic  and  visco‐elastic  and more  plastic  deformations  of  the  fibre material.  The  amount  of  heat  that  is  generated  in  elastic  and  visco‐elastic deformations  is  probably  reduced  in  the  ATMP  process  compared  to  TMP. Mechanical pre‐treatment in the Impressafiner and Fiberizer allows preserving the character of the pulp even when the number of plastic deformations is  increased. Process  chemicals  added  to  the  first  stage  refiner  are  known  to  influence  the coefficient of friction in the refiner gap (Engstrand et al. 1995, Svensson 2007). This could allow more energy‐efficient refining by maximizing the energy transfer from the refiner to the fibre material inside. Alkali and hydrogen peroxide are known to induce  charge  into  the  fibres  by  introducing  new  carboxylic  groups  to hemicellulose  (mainly by  alkali)  and  lignin  (mainly by hydrogen peroxide)  thus inducing  swelling  of  the material.  This  effect  is well‐documented,  but  previous studies have focused on wood chips. Thus it has not been possible to separate the effect of increased charge on defibration from the effect on fibre development.  An additional trial was made on White spruce (paper IV) in order to separate the 

effects  of  the  equipment  configuration  from  the  effect  of  chemicals,  Fig.  51. Unfortunately, the effectiveness of the process chemicals was poor in that trial due to reasons which could not be established.  It was earlier shown  that  the residual content of hydrogen peroxide in first stage ATMP from trials, described in paper IV, is only half of what could be measured during  trials, described  in paper  III. This seems  to have  influenced  the energy‐efficiency  improvement due  to  the action of chemicals and only minor  improvement of the energy demand  in refining by 100 kWh/odt  could  be  measured.  However,  this  difference  was  verified  by 

71 

measurement of fibre characteristics and fines quality. Raw material in the second trial generally required less energy, both in TMP and in ATMP refining. Since the batches of raw material used for trials in Paper III and Paper IV were collected with half a year  interval,  it  is highly probable  that  they did not have exactly  the same morphological properties, which could have caused difference  in  refining energy demand between the batches (Lundqvist et al. 2003, Fuglem et al. 2003).  

 Figure 51. Energy efficiency in ATMP refining, compared to TMP and ATMP (aq.)

references (Paper IV).   Table 8. Electrical energy demand in refining interpolated at tensile index 30 and 50

N.m/g (error was calculated earlier (Johansson et al. 2011) based on the error in the input variables).

Energy reduction White spruce (Paper IV) 

Energy demand MWh/odt  MWh/odt  % 

  Needed to reach tensile index 30 N.m/g TMP  1.49 ± 0.02  Reference  Reference ATMP (aq.)  1.07 ± 0.02  ‐ 0.42  ‐ 28 ATMP (Mg+P)  1.00 ± 0.02  ‐ 0.49  ‐ 33   Needed to reach tensile index 50 N.m/g TMP  2.32 ± 0.03  Reference  Reference ATMP (aq.)  2.00 ± 0.03  0.32  ‐ 14 ATMP (Mg+P)  1.91 ± 0.03  0.41  ‐ 18  

72 

If an assumption is made that ATMP (aq.) refining gave approximately the same procentual reduction in the energy demand in both trials, it can be proposed that the reduction in energy demand due to the addition of chemicals in Paper III was approximately 20% or in the order of magnitude of 0.4 MWh/odt.  In some cases, tensile index is not enough to evaluate the energy consumption in 

refining. Surface  roughness  and  air permeability  are often used  as papermaking process target variables when manufacturing SC and LWC paper. This means that roughness and air permeability of paper made  from ATMP has  to be on a  lower level compared to TMP for the energy reduction to be realized. This was shown to be the case earlier in this thesis. It should also be taken into consideration that the energy demand  in mainline TMP  refining  is approximately similar  for newsprint and SC paper production. The difference is mainly in extensive refining of screen and  cyclone  rejects  in SC paper production. Evaluation of  fractionated pulp was not in the scope of this thesis.  The  mechanism  of  energy‐efficiency  improvement  in  the  ATMP  process, 

compared  to  conventional  TMP,  is  clearly  dual.  Both  the  altered  mechanical treatment, due to differences  in the equipment configuration (i.e. mechanical pre‐treatment in the Impressafiner and Fiberizer and refining at higher intensity using feeding  plates  and  elevated  refiner  speed),  and  the  action  of  added  chemicals improve  the  energy‐efficiency  of  the  process.  To  determine  the  full  potential  of energy  reduction  using ATMP  process more  accurately,  an  optimization  of  the continuous process, preferably in full scale, is needed.  

4.5 Optical properties and bleaching efficiency To  study  the  efficiency  of  bleaching,  a  comparison was made  between  pulps, 

bleached  using  ATMP  process  and  conventional  laboratory  high‐consistency bleaching process. Pulps  from  the  trials, described  in Paper  IV were used. ATMP (aq.)  pulp was  bleached  using  a  conventional  bleaching  process  and  brightness development,  final  brightness, hydrogen peroxide  residual  and COD  generation were compared  to  the results obtained using  the ATMP process on  the same raw material batch. The results of the bleaching efficiency study are described in Paper VI.  4.5.1. Brightness improvement For refiner bleached pulp, (ATMP (Mg+P)), a dosage of 1.4% Mg(OH)2 and 2.6% 

H2O2  resulted  in  approximately  10  ISO%  increase  in brightness  compared  to  the unbleached ATMP  (aq.)  reference. A  similar  increase  in brightness  could also be 

73 

reached  in  conventional  laboratory  bleaching  (ATMP  (aq.)  lab)  using  the  same chemical recipe and raw material, see Fig. 52.   

 Figure 52. ISO  brightness  of  the  pulps;  ATMP  (Mg+P)  is  bleached  in  refiner; 

ATMP (aq.) lab is bleached in conventional way in a laboratory.  Results, reported  for refiner bleaching  in  the  literature, are  inconsistent. Figures 

ranging  from no bleaching  response  at  all  to brightness  increases  comparable  to conventional  tower  bleaching  can  be  found.  This  is  probably  caused  by  large differences  in  the refiners used  in different studies. Small atmospheric  laboratory refiners,  for  example,  operate  with  temperatures  far  below  100  °C,  while temperature  peaks  close  to  200  ºC  were  measured  in  big  pressurized  refiners (Engstrand et al. 1995, Backlund et al. 2003, Illikainen et al. 2006). Residence times also differ a  lot as well as handling of  collected  samples  (if collected pulp  is not diluted in cold acidic water at once, the bleaching reaction continues after the pulp is  removed  from  the  refiner).  Consistency  tends  to  be  much  lower  in  smaller refiners  in order  to  compensate  for  the  longer  residence  time  (Strunk  and Meng 1986, Harrison et al. 2008).  In this study, bleachability of the pulp in trials, described in Paper IV, is low. The 

reason  for  this  could  not  be  discovered. Wash  of  the  pulp with DTPA  prior  to bleaching  led  to  significantly  decreased  amount  of  metal  ions  and  increased amount of peroxide residual in the bleached pulp, but did not have any impact on final brightness. A hydrogen peroxide  residual was  also measured  in pulp  from trials,  described  in  Paper  IV;  it was  found  to  be  low when  compared  to  pulp, described  in Paper  III, see Table 9. This could witness a  reduction  in efficiency of 

74 

process chemicals in trials, described in Paper IV. This hypothesis is supported by low  improvement  of  energy  efficiency  in  refining due  to  addition  of  chemicals, described in Paper IV.  Table 9. Peroxide consumptions and brightness levels at 10 minutes storage time after

refiner bleaching (hydrogen peroxide dosage 2.6-2.8 % and magnesium hydroxide dosage 1.4 %).

  Brightness (ISO %)  H2O2  residual (%)  pH Paper IV  62  1.0  7.5 Paper III  65  1.9  7.7  Bleaching efficiency in the ATMP process was found to be similar to conventional 

tower bleaching, simulated in the lab. The same maximum brightness response (10 ISO %) could be achieved after 50 minutes of conventional bleaching and after 10 minutes  of  high‐consistency  storage  after  refiner  bleaching.  Brightness  increase measured  directly  after  refiner  bleaching without  storage was  approximately  5 ISO%. The high brightness improvement rate in the refiner bleaching can probably be explained by high temperature inside the refiner (> 160 ºC), which enhanced the formation of hydroperoxide anion.  4.5.2. COD generation Generation of COD in the bleaching process is interesting to study since it has an 

impact on production economy. The more COD is produced, the less the yield of the pulp will be. It can be expected that COD generation will differ between refiner and  tower  bleaching  because  of  large  differences  in  temperature  and  residence time  between  these  two  processes.  52  kg/odt  COD  is  generated  during  ATMP refining when hydrogen peroxide and magnesium hydroxide are used for refiner bleaching, Fig. 53. Less COD (31 kg/odt) is generated  in ATMP (aq.) compared to TMP (39 kg/odt) due to the Impressafiner pre‐treatment where COD‐rich filtrate is squeezed  out  (Tanase  2009).  Conventional  laboratory  bleaching  of  ATMP  (aq.) seems  to generate somewhat  less COD  (46 kg/odt) compared  to refiner bleaching with the same chemical recipe to equal brightness.  

75 

  Figure 53. COD generation after a wash of the bleached pulps from trial II (error bars are

deviation from average for two measurements)  The  difference  in  COD  between  ATMP  bleached  in  the  refiner  and  in  the 

laboratory corresponds  to yield  increase  from 96.2 %  to 96.6 %  (COD discharges from the Impressafiner and plug screw are not taken into account). The yield was calculated according  to Eq. 5 which  is based on previous studies  (Åkerlund 1978, Bertolotti  et  al.  1982).    This  probably  happens  due  to  the  harsher  conditions  in refiner bleaching. However, the need of less alkali in refiner bleaching compared to conventional  bleaching  has  been  reported  earlier.  In  this  study,  no  alkali optimization  was  performed  for  the  refiner  bleaching  trial.  Since  alkali  is  the bleaching recipe component causing most of the COD generation (Pranovich et al. 1994, Konn  2006),  it  is possible  that  a  lower COD discharge  can  be  achieved  in refiner bleaching after alkali optimization.  Pulp yield (%) = 1000 / (COD [kg/t] x 0.75 + 1000)          (5)  

76 

 Figure 54. Sources of COD in the described process configurations: COD 1 is measured

in the Impressafiner discharge, COD2 is measured in the plug screw feeder discharge (same for both pilot and laboratory bleached pulps). COD3 is measured when refiner bleached pilot ATMP is dewatered. COD4 is measured when laboratory bleached pilot ATMP (aq.) is dewatered.

 There are several challenges in comparing the COD amount generated in refiner 

bleaching and conventional bleaching due to the differences in process layouts. An overview of different COD sources for both bleaching methods is given in Fig. 54. Plug  screw  filtrates  always  contain  some  COD.  In  conventional  laboratory bleaching  the  refined  pulp  is  washed  with  DTPA,  which  generates  effluent containing  COD.  Most  of  the  COD  is  generated  during  bleaching.  In  ATMP refining,  chips  are  washed  with  DTPA  in  the  Impressafiner  and  the  filtrate, containing COD, is discharged. Specific to this unit operation is that the discharged filtrate  is  concentrated  and  rich  in  extractives.  Another  COD  source  is  the discharge from the plug screw feeder into the first stage refiner. Finally, the COD is measured in the filtrate from the bleached third stage pulp.   In  this  study, pulps  refined using  same process unit operations were used  for 

comparison  of  bleaching  performance;  COD1  and  COD2  are  equal  for  both processes. Only COD3 and COD4 were affected by bleaching and are compared.  It should be noted that where in the process COD is generated can be specific to a 

particular mill  configuration  and  this  should  be  taken  into  consideration when evaluating  a  bleaching  system’s  performance.  If  a  concentrated  stream  is discharged from an Impressafiner unit situated early in the process before the first stage, it is possible to contain the COD generation by, for example, separating the organic compounds and even creating an added value for the mill by selling them. If, on  the other hand, most of  the COD  is released  late  in  the process  in a bleach press,  there  is  a  risk  that COD  is diluted  and discharged  into  the process water 

77 

loops connected with the paper machines, causing problems there. In addition, it is probable  that different  types  of COD  are  generated depending  on where  in  the process the discharge is located. In the Impressafiner, it is mostly resin channels in the chips that are opened up causing a discharge of mainly resin acids (Tanase et al.  2009)  while  later  in  the  process,  other  types  of  extractives  situated  in parenchyma cells and also compounds generated during bleaching are discharged.  4.5.3. Light scattering As described in the literature review, one of the challenges when using chemicals 

to  reduce  the  energy  demand  in  TMP  refining  is  the  loss  of  light  scattering coefficient  and  thus  opacity.  This  happens  due  to  the  negative  influence  of increased wood  softening  in  the  initial  refining  phase,  the  defibration  of  chips. When wood chips are softened using elevated temperature or chemicals, inducing charged groups, the defibration occurs  in the middle  lamellae between the fibres, leading  to more  “CTMP‐like”  pulp with  less  fines material  and  decreased  light scattering.  In  the  ATMP  process,  this  challenge  is  solved  by  conducting  the defibration  in  separate  equipment  by  mechanical  pre‐treatment  in  the Impressafiner  and  the  Fiberizer.  This  happens  without  increasing  the  wood softening  since  the  chemicals  are  only  introduced  afterwards,  in  the  first  stage refiner.  It was earlier  shown using  statistical analysis  that TMP and ATMP have the same relationship between the developments of light scattering coefficient and the tensile index of sheets. An example can be seen in Fig. 55, where light scattering of TMP, ATMP (aq.) and ATMP (Mg+P) is plotted against their tensile index.  

 Figure 55. Development of light scattering coefficient of TMP and ATMP with and without

addition of process chemicals plotted vs. tensile index of the sheets. 

78 

Undissolved magnesium hydroxide  in ATMP  (Mg+P) could act as  filler and be one of the reasons for higher light scattering of this pulp. However, no differences in the relationship between light scattering and tensile index were earlier found for ATMP where magnesium hydroxide, bisulphite or acetic acid were used (Paper II).  It should also be kept in mind that very little magnesium hydroxide is added to the pulp  in ATMP refining. The dosage used  in  this study varied between 1.2 % and 1.5 % and the magnesium content in pulp was measured to be approximately 0.5 % (Paper V). This suggests that the preservation of light scattering in ATMP refining is the result of separation of defibration and fibre development and not the presence of magnesium hydroxide particles in the pulp. ATMP also has a similar amount of fines  compared  to  TMP  at  equal  tensile  index, which  is  the  probable  cause  of preserved light scattering coefficient.   An increase in light scattering could be a result of higher surface are of fibres due 

to increased proportion of split fibre material. However, light scattering was earlier found to have poor correlation with the amount of split fibre material in the pulp (Kure 1999). This was also the case in this study, Fig. 56.  

 Figure 56. Development of light scattering coefficient of TMP and ATMP with and without

addition of process chemicals plotted vs. tensile index of the sheets (R2 = 0.46). 

79 

5 SUMMARY AND CONCLUSIONS

Statistical  analysis  showed  that  the  characters of pulps produced using ATMP and  TMP  concepts  in  this  study  were  very  similar. Mechanical  pre‐treatment, during which the defibration of chips was accomplished, allowed the use of higher intensity refining and addition of chemicals  to enhance  fibre development, at  the same  time  as  the  character of  the produced pulp was  fully preserved. This was confirmed  during  three  separate  pilot  trials  using  two wood  species  (pine  and spruce) as raw materials. In this study pulp character was defined as the ability of the pulp  to maintain  such properties as  light  scattering  coefficient, density,  fibre length and elongation compared at equal tensile index.  Reduction of energy demand of up  to 1.1 MWh/odt  (42 %) compared  to a TMP 

reference at equal tensile index (25 Nm/g) was reached in this study using pine raw material  (Pinus  taeda)  when  the  ATMP  concept  with  hydrogen  peroxide  and magnesium hydroxide was utilized. The  corresponding  figure using  spruce  raw material (Picea glauca) was 0.65 MWh/odt (37 %) in one trial and 0.49 MWh/odt (33 %) in another trial (compared at 30 Nm/g).   Improvement of refining energy efficiency using ATMP concept could be linked 

to a more energy‐efficient development of individual fibre properties such as fibre flexibility, external surface area and the amount of split fibres in the pulp. Both the long fibre fraction and the fines fraction contributed to improvement of laboratory sheet  quality.  However,  the  mechanisms  for  the  contribution  were  slightly different.  Fibres  in  the  long  fraction  were  better  developed  and  could  form  a denser network with higher tensile index both when higher intensity refining was used with mechanical pre‐treatment (ATMP (aq.)) and when chemicals were added to enhance  the  fibre development  (ATMP  (Mg+P)). The  fines  fraction, added  to a model long fibre, contributed to sheet densification and higher tensile index when high  intensity  refining  and mechanical  pre‐treatment  were  used  (ATMP  (aq.)). However, ATMP (Mg+P)  fines did not contribute to the densification of the sheet above  the  levels of ATMP (aq.)  fines. Instead, higher specific bonding strength of ATMP  (Mg+P)  fines  seemed  to  additionally  increase  the  tensile  strength  of  the model fibre sheets without further densification of the sheet structure.  Paper  sheets  with  lower  air  permeability,  surface  roughness  (PPS)  and  fibre 

roughening  could  be  produced  using  the  ATMP  concept  compared  to  TMP refining at equal SEC. Improvement in PPS was mainly due to improvement in the properties of the long fibre fraction. Addition of the fines fraction from ATMP to a model  long  fibre  fraction  resulted  in  higher  PPS  and  lower  air  permeability compared  to  the  addition  of  TMP  fines.  The  fact  that  model  fibre  sheet  PPS increased with  increased bonding ability of the added fines fraction suggests that 

80 

the better bonding ability a fines fraction has, the higher its consolidation degree in the sheet will be. Higher consolidation around fibre joints is what probably causes rougher sheet surface and higher PPS.  Bleaching  efficiency  in  ATMP  (Mg+P)  refining  was  found  to  be  similar  to 

conventional  tower  bleaching  efficiency.  Similar  final  brightness  levels  could  be reached  after  40  minutes  of  conventional  bleaching  or  10  minutes  of  high‐consistency  storage  after  refiner  bleaching.  Slightly  more  COD  was  generated during refiner bleaching. Alkali levels in the bleaching systems were not optimized in this study. 

81 

6 RECOMMENDATIONS FOR FUTURE WORK

There is certainly more left to study when it comes to the mechanisms involved in ATMP refining. By separating  the defibration and  fibre development phases, a whole  new  opportunity  for  addition  of  process  chemicals  in  order  to  achieve improved  fibre  development  without  influencing  chip  defibration  opens  up. Chemicals  used  in  this  study,  are  known  to  induce  charge  into wood  fibres  by creating  new  carboxylic  and  sulphonic  acid  groups.  This  led  to  swelling  of  the material and more  energy‐efficient  refining. However, other  chemical  treatments are  certainly  possible  and  should  be  attempted  in  the  future.  The  fact  that  the chemical  system used  in  this  study was not optimized  suggests  that  even  larger improvements  in  the  energy‐efficiency  than  those  demonstrated  in  this  thesis could be achievable.  It is known that chemicals introduced in the refiner affect refining variables such 

as gap,  temperature,  friction  etc. With different  types of  sensors mounted  in  the refiner gap  it would be possible  to study  these changes. This could give valuable information about  the mechanisms  involved  in  the  refining of  fibres, assisted by chemicals. The role of extractives on fibre surfaces should also be studied; a layer of extractives on fibre surfaces was shown to decrease refining efficiency in one of the  papers  related  to  this  study.  Friction  between  the  refiner  plates  and  the material inside the gap probably plays an important role for the energy‐efficiency in refining. It is likely to be influenced by both the presence of extractives and the addition of process chemicals  to  the refiner.  It  is possible  that changes  in  friction are the key to minimizing the undesired conversion of energy to heat.  There are also several new possibilities  to be studied when  it comes  to process 

and  equipment  configuration.  It  was  earlier  proposed  that  mechanical  pre‐treatment makes  it possible  to apply high  intensity  in  first stage refining without sacrificing fibre length. It was confirmed in this thesis, but there is still a question of  how  far we  can  push  the  first  stage  intensity  in  the ATMP  concept without damaging the fibres. The question of refiner plate design should also be addressed. It is possible that a different design is optimal for a process like ATMP, where the first stage refiner is fed with fiberized material and not wood chips.  Fractionation  of  pulp was  not  in  the  scope  of  this  study. However,  it  is well‐

known  that  the main difference between  refining of pulp  for newsprint and SC‐paper production is in pulp fractionation and selective refining. The ATMP process was shown  to be very efficient at elimination of shives and development of  fibre properties, which would impact the efficiency of fractionation and reject refining. 

82 

The  impact of ATMP refining on  the subsequent  low consistency refining should also be studied. Temperature and pressure in the first stage refiner could probably also  be  elevated  in  ATMP  refining,  compared  to  conventional  TMP  refining. Increased softening of wood due to increased temperature in the first stage refiner could have positive  influence on  the pulp quality  in  the ATMP process since  the defibration  of  chips would  not  be  affected. An  optimization  of wood  softening, both with respect to process chemicals and refining temperature, should be carried out.  Finally, the bleaching efficiency in ATMP concept was studied only briefly in this 

thesis. More  thorough  trials  should  be made  since  there  is  a  possibility  that  a refiner  bleaching  concept, with  its high  temperature  and  efficient mixing,  could improve  the  bleachability  ceiling  of  mechanical  pulp  and  thus  open  new possibilities for its use in high‐bright product grades. 

83 

7 ACKNOWLEDGEMENTS

Many people  and organisations have  contributed  to  this  thesis  – without  their help and advice, this work would not have been possible. Even more people have shown indirect support and here, I would like to thank all my family and friends. Especially my mother, who wrote a  thesis of her own some  time ago, helped me with her guidance and advice – from all the way back in 1982 to the present time.  This  project was  a  collaboration  between Norske  Skog,  PFI, Andritz  and Mid 

Sweden University  and  I  am  grateful  to  those  organisations  for  giving me  the opportunity  to  complete  this  thesis.  Naturally,  my  supervisors  Jan  Hill,  Lars Johansson and Per Engstrand deserve a special gratitude  for putting up with me during  the  last  four  years  and  for  sharing  all  their  inspiration,  knowledge  and guidance. Mark Sabourin (Andritz) is acknowledged for running the refining pilot trials  and,  together with  Johann Aichinger  (Andritz),  for discussions  concerning mechanical pulping.  Several more people contributed to my progress in understanding the mechanical 

pulping process. Kjell‐Arve Kure  and Patrik Axelsson  (Norske  Skog  Saugbrugs) shared a wealth of their knowledge in the subject and were co‐authors of some of the articles in this thesis. Everyone else at Saugbrugs (Karl, Hanne and others) gave me an  introduction  to mill work and were  excellent  colleagues during  the work with this thesis. My co‐workers in nsiFOCUS (Sofia, Max, Peter, Aanon, Hans‐Erik and others) provided me with a very pleasant working environment and spirit of collaboration. Everyone at PFI, whom I already knew from my master thesis work, continued to support me during my time as a PhD student. Kathrin Mörseburg is especially  acknowledged  for  her  introduction  to mechanical pulp  fibres  and  co‐authoring some of the articles in this thesis. Berit Leinsvang and Kenneth Aasarød are gratefully acknowledged  for performing  the  fibre characterization which was so useful in understanding the principles behind ATMP refining.  Everybody at Mid Sweden University and FSCN helped me out a lot during my 

visits  there  and  showed  a  good  spirit  of  companionship  and  cooperation. Discussions with, for example, Myat Htun, Per Gradin and Hand Höglund led to a lot of  thinking  and  re‐evaluating  the  results  from  a different point of view. The much  appreciated  discussions  of  the  refining  process with Mats Ullmar  (Metso Paper) had  the same  influence. Anna Sundberg (Åbo Academy)  is acknowledged for  sharing her knowledge of  extractives  and Leena‐Sisko  Johansson  for helping me  with  the  ESCA measurements,  which  were  included  in  one  of  the  related articles. Magnus Paulsson  (Eka Chemicals) shared some of his vast knowledge of 

84 

pulp bleaching with me and is acknowledged for that. Mats Rundlöf (Capisco AB) is  acknowledged  for  discussions  about  the  properties  and  behaviour  of  fines  in mechanical  pulp  and  also  for  providing  illustrations  in  this  thesis.  Elisabet Brännvall  and Per  Stenius  are  acknowledged  for  their  help with  publishing  the results  obtained  in  this  study  in  the Nordic  Pulp  and  Paper  Research  Journal. Gunnar Magnusson  (Innventia  Library)  is  acknowledged  for  his  help with  the literature search.  During  the  work  on  this  thesis,  I  enjoyed  the  cooperation  with  my  fellow 

industrial PhD students, working at other companies.  I would  like  to  thank Erik Nelson, Dino Muhic and Stefan Andersson at Holmen Paper and also their mentor Christer Sandberg for all the fruitful discussions we had and also for giving me an opportunity  to  use  some  of  their  equipment  I  otherwise  had  no  access  to  for fractionation of my pulps. Sofia Reyier (Stora Enso Kvarnsveden) is acknowledged for all  the discussions of  fibres and  for her help with  the analysis of some of my samples, which  unfortunately was  not  published.  Anette  Karlsson  and  Kerstin Andersson as well as others at SCA R&D Centre are acknowledged for letting me use the equipment for VRW and charge determination.   Troedssons  Papperstekniska  Stiftelse  and  Anders  Pettersson  (Innventia)  are 

acknowledged  for providing  the  additional  financing, which made  it possible  to conduct  a  longer  trip  to  Australia  and  New  Zealand  with  presentation  at  the Appita  Conference  and  study  trips  to  paper  mills  and  universities.  A  lot  of knowledge was acquired during my project work at Norske Skog Tasman mill in New  Zeeland.  John  Richardson,  Steve  Brine  and  others  at  the  Tasman mill  are acknowledged  for  their  support,  guidance  and  companionship  during my  time there. Mark  de Young, Roger Hare  and  everyone  else  at  the Albury  and Boyer paper mills are acknowledged for their hospitality during my visits there.  Mark  Dougherty  (Dalarna  University)  is  acknowledged  for  the  linguistic 

supervision  of  this manuscript  and  Kaarlo  Niskanen  (Mid  Sweden  University, FSCN) for providing valuable comments on its content. Last, but by no means the least,  May  Nilsen  (nsiFOCUS)  and  Anna  Haeggström  (FSCN,  Mid  Sweden University)  are  gratefully  acknowledged  for  all  the  help with  practical matters during my time as PhD student.     

85 

8 REFERENCES

Agnemo  R.  (1981):  Reactions  of  lignin  with  alkaline  hydrogen  peroxide  (in Swedish), PhD thesis, Umeå University, Sweden  Agnemo R., Gellerstedt G. (1979): The reactions of lignin with alkaline hydrogen peroxide.  Part  II:  factors  influencing decomposition  of  phenolic  structures, Acta Chem. Scan., B33, p. 337  Van  der  Akker  J.A.  (1958):  Energy  considirations  in  the  beating  of  pulp, Fundamentals of papermaking fibers, Bolam F. (ed.), Tech. Sect. British Pap. And Board Makers Ass., p. 435  Argyropoulos D.  S., Heitner C.  (1991): Ultra‐high  yield  pulping.  Part VII.  The effect of pH during  impregnation on  the quality of  lightly sulphonated CTMP,  J. Pulp Pap. Sci., 17(2), p. 137  Alahautala T., Vattulainen  J., Hernberg R.  (1999): Quantitative  visualisation  of pulp refining  in a production  line refiner, Int. Mech. Pulp Conf., Tappi, Houston, USA, p. 87  Amiri, R., Stephen, G., Wood,  J.  (1996): TMP processing  conditions  to produce pulps for mechanical printing papers‐ effects on surface properties, Tappi Pulping Conf., Nashville, TN, USA, p. 265  Andrews  D.H.,  Singh  R.P.  (ed.)  (1979):  The  bleaching  of  pulp,  TAPPI  press, Atlanta, USA, p. 211  Aregger H.J.  (1997): The TMP system at Perlen using  the RTS process, Int. Mech. Pulp. Conf., SPCI, Stockholm, Sweden, p. 251  Aspler J.S., Bèland M.‐C. (1994): A review of fibre rising and surface roughening effects in paper, J. Pulp Paper Sci., 20(1), p. 27  Atack D., May D., Morris E.L., Sproule R.N.  (1961): The  energy  of  tensile  and cleavage fracture of black spruce, Tappi J., 44(8), p. 555  Atack D., Heitner C. (1979): Dynamic mechanical properties of sulphonated Black spruce, Int. Mech. Pulp. Conf., Toronto, Canada, p. 1  

86 

Atack D., Heitner C., Karnis A.  (1980): Ultra‐high yield pulping of eastern black spruce: part 2, Svensk Papperstidn., 83(5), p. 133  Atack  D.  (1981):  Fundamental  differences  in  energy  consumption  between  the mechanical pulping processes, Int. Mech. Pulp. Conf., PTF, Oslo, Norway, p. 1  Atack D., Stationwala M.I., Fontebasso  J., Huusari E., Perkola M., Ahlqvist P. (1989): High‐speed  photography  of  pulp  flow  patterns  in  a  5 MW  pressurized refiner, Paperi Puu, 71(6), p. 690  Atalla, R.H., Wahren, D.  (1980): On  the energy requirement  in refining, Tappi  J., 63(6), p.121  Atmer B., Thörnqvist T. (1982) (in Swedish): The properties of tracheids in spruce (Picea  abies  Karst.)  and  pine  (Pinus  silvestris  L.),  Swedish  University  of Agricultural  Sciences, Department  of  Forest  Products, Uppsala,  Sweden,  Report 134   Åkerlund  G.  (1978):  Pulp  yield  measurement  simplified  with  new  technique, Defibrator News, 78(2)  Åkerlund G., Danielsson B., Falk B., Ryrberg G. (1979), Defibrator bleaching – a new concept  in TMP,  Int. Mech. Pulp Conf., CPPA, Toronto, Ontario, Canada, p. 237  Åkerlund G., Jackson M. (1984): CTMP – the pulp of the future, World Pulp Pap. Week, SPCI, Stockholm, Sweden, p. 42  Bacic A., Harris P.J., Stone B.A. (1988): Structure and Function of Plant Cell Walls, Preiss J. (ed.), Academic Press, New York, p. 297  Back  E.L.,  Salmén  L.  (1982):  Glass  transitions  of  wood  components  hold implications for molding and pulping processes, Tappi J., 65(7), p. 107   Backlund H.‐O., Höglund H., Gradin P.  (2003):    Study of  tangential  forces  and temperature  profiles  in  commercial  refiners,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf.,  Paptac, Quebec, Canada, p. 379   Becker H.,  Höglund H.,  Tistad G.  (1977):  Frequency  and  temperature  in  chip refining, Paperi Puu, 59(3), p. 123 

87 

Bergander  A.,  Salmén  L.  (2000):  Variations  in  transverse  fibre‐wall  properties: relations between elastic properties and structure, Holzforschung, 54(6), p. 654  Bertolotti H., Lüttgen W., Göttsching L.  (1982): Definition and determination of the loss of yield in mechanical pulping, Das Papier, 36(3), p. 105  Box G.E.P., Hunter  J.S., Hunter E.G.  (2005): Statistics  for  experimenters: design, innovation and discovery, 2nd edition, Hoboken, New Jearsy, Wiley, UK, ISBN 0‐471‐71813‐0  Booker R.E., Sell J. (1998): The nanostructure of the cell wall of softwoods and its functions in the living trees, Holz als Roh‐ und Wekstoff, 56(1), p. 1  Braaten K. R.  (1997): The  impact of  fibre geometry,  fibre splitting and  fibrillation on the light scattering, Int. Mech. Pulp. Conf., SPCI, Stockholm, Sweden, p. 349  Braaten K.R. (2000): Fibre and fibril properties versus light scattering and surface smoothness for mechanical pulps, Pulp Paper Can., 101(5), p. 122  Bradway  K.E.  (1956):  Factors  which  affect  printing  smoothness  of  handsheets, Tappi J., 56(8), p. 118  Brecht W., Klemm K. (1953): The mixture of structures in a mechanical pulp as a key to the knowledge of its technological properties, Pulp Pap. Can., 51(1), p. 72  Britt  K.W.  (1973):  Mechanisms  of  retention  during  paper  formation,  Tappi  J., 56(10), p. 46  Brändström J.  (2002): Morphology of Norway spruce tracheids with emphasis on cell wall  organization,  PhD  thesis,  Swedish University  of Agricultural  Sciences, Department of Wood Science, Uppsala, Sweden  Campbell W.B.  (1934):  Groundwood  studies.  Theoretical  efficiency,  Pulp  Pap. Can., 35(4), p. 218  Carey F.A., Sundberg R.J.  (1990): Advanced organic  chemistry part A:  structure and mechanisms, 3rd edition, Plenum Press, New York and London, p. 286  

88 

Chang H.M.,  Abson D.,  Pan G.Y.  (1979):  Improving  the  bond  strength  of  TM pulps  by  physical  and  chemical  treatments,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf.,  Toronto, Canada, p. 269‐275  Cisneros  H.A.,  Drummond  J.G.  (1995):  Release  of  resins  during  mechanical pulping, 81st Annual Meeting, CPPA Technical Section, Montreal, Canada, p. B97  Clark J.D. (1970): Freeness fallacies and facts, Tappi J., 53(1), 1970  de Choudens C., Lombardo G., Michalowicz G., Robert A. (1985): Destruction of wood chips in a cylinder press”, Paperi ja Puu, 67(3), p. 108  de Choudens C., Angelier R. (1987): Improvement of kinetics of the sulphonation and bleaching action in the manufacture of bleached chemomechanical pulps, Int. Symp. Wood and Pulp Chem., Paris, France, p. 37  de  Choudens  C.,  Angelier  R.,  Devic  M.,  Kervennal  J.  (1989): Chemithermomechanical pulps at high  level of brightness obtained by  the BiVis process associated with a sulphonation in reducing medium, Int. Mech. Pulp Conf., Helsinki, Finland., p. 226  Corson S.R. (1980): Fibre and fines fractions influence strength of TMP, Pulp Pap. Can., 81(5), p. T108  Corson, S.R. (1989): Aspects of mechanical pulp fibre separation and development in a disc refiner, Paperi Puu 71(7), p.801  Corson S.R., Fontebasso  J.  (1990): Viscoelastic energy absorption of sulphonated Radiata pine, Appita J., 43(3), p. 300  Corson  S.  (2001):  Fibre  –  redefining  the  boundaries,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf., Helsinki, Finland, KCL, p. 275  Corson S.R., Flowers A.G., Morgan D.G., Richardson J.D. (2003): Manipulation of paper structure and printability by control of the fibrous elements, Int. Mech. Pulp. Conf., PAPTAC, Quebec, Canada, p. 33   Cousins W.J.  (1978):  Young’s modulus  of  hemicellulose  as  related  to moisture content, Wood. Sci. Tech., 12(1), p. 161  

89 

David N.S. (ed.), Hon N.‐S. (ed.) (2001): Wood and cellulosic chemistry. Chemistry of Cell Wall Polysaccharides, Marcel Dekker Inc., Basel, Switzerland, p. 175, ISBN 978‐0824700244  Engstrand P., Karlström A., Nilsson L. (1995): The impact of chemical addition on refining parameters, Int. Mech. Pulp Conf., CPPA, Ottawa, Canada, p. 281  Eriksson, I., Haglind, I., Lidbrandt, O., Salmén, L. (1991): Fiber swelling favoured by lignin softening. Wood Sci. Technol., 25(2), p. 135  Eriksson  K.,  Karlström  A.  (2009):  Modelling  approaches  for  critical  process limitations in the operation of thermomechanical pulp refiners, Nord. Pulp Pap. J., 24(2), p. 231  Eskelinen  E.,  Hu  S.H.,  Marton  R.  (1982):  Wood  mechanics  and  mechanical pulping, Appita J., 36(1), p.32  Fan  X.  (1987):  Material  flows  in  a  wood‐chip  refiner,  M.Eng.  thesis,  McGill University, Montral, Canada  Fan X., Jeffrey D.J., Ouellet D. (1994): A stochastic model for the flow of pulp in a singe‐disc chip refiner, J. Pulp Pap. Sci., 20(11), p. J343  Fellers  C.,  Norman  B.  (1998)  (In  Swedish):  Pappersteknik,  Institutionen  för pappersteknik, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, Sverige,  ISBN 91‐7170‐741‐7  Fengel D., Wegener G.  (2003): Wood  chemistry, ultrastructure,  reactions, Verlag Kessel, Remagen, Germany, ISBN 3935638‐39‐6  Ferluc A., Lanouette R., Bousquet  J.‐P., Bussiere S.  (2010): Optimum  refining of TMP pulp by fractionation after the first refining stage, Appita J., 63(4), p. 308  Fernando  D.,  Daniel  G.  (2008):  Exploring  Scots  pine  fibre  development mechanisms  during  TMP  processing:  impact  of  cell  wall  ultrastructure (morphological and topochemical) on negative behaviour, Holzforschung, 62(5), p. 597  Forgacs O. (1963): The characterization of mechanical pulps, Pulp Pap. Can. 64, p. 89 

90 

Forseth T., Wiik K., Helle T. (1997): Surface roughening mechanisms for printing paper containing mechanical pulp, Nordic Pulp Paper J., 12(1), p. 67  Franzén R.  (1984): General  and  selective  upgrading  of mechanical  pulps, Nord. Pulp Pap. Res. J., 3(1), p. 4  Fuglem G., Kure K.‐A.,  Løbben O.P., Helle T.  (2001):  Full  scale  comparison  of TMP fibre properties – RTS and conventional conditions, Pulp Pap. Can., 102(8), p. 31  Fuglem  G.,  Sabourin  M.,  Lundqvist  S.O.  (2003):  Influence  of  spruce  wood properties  on  thermomechanical  pulping  –  pilot  scale,  Int. Mech.  Pulp.  Conf., Quebec, Canada, p. 75  Gellerstedt G., Agnemo R. (1980): The reactions of lignin with alkaline hydrogen peroxide.  Part  III:  the  oxidation  of  conjugated  carbonyl  structures, Acta  Chem. Scand., B34(4), p.275  Gierer  J.,  Imsgard  F.  (1977):  Reactions  of  lignin  with  oxygen  and  hydrogen peroxide in alkaline media, Svensk Papperstidning – Nord. Cell., 80(16), p. 510  Gierer J., Yang E.Q., Reitberger T. (1992): The reactions of hydroxyl radicals with aromatic  rings  in  lignins,  studied  with  creosol  and  4‐methylveratrol, Holzforschung, 46(6), p. 495  Gierer  J.,  Jansbo K., Reitberger T.  (1993):  Formation  of  hydroxyl  radicals  from hydrogen  peroxide  and  their  effect  on  bleaching  of mechanical  pulps,  J. Wood Chem. Tech., 13(4), p. 561  Giertz  H.  (1977):  Basic  wood  material  properties  and  their  significance  in mechanical pulping, Int. Mech. Pulp. Conf., Helsinki, Finland, p 1  Goring, D.  (1963): Thermal softening of  lignin, hemicellulose and cellulose, Pulp Paper Mag. Canada, 64(12), T517‐T528.  Gorski D., Hill  J., Engstrand P.,  Johansson L.  (2010): Mg(OH)2‐based hydrogen peroxide  refiner  bleaching:  influence  of  extractives  content  in  dilution water  on pulp quality energy efficiency, Appita J., 63(3), p. 218  

91 

Goel K., (1987): Upgrading mechanical pulps by chemical treatment of rejects prior to refining, Pulp Pap. Mag. Can., 1987, 88(11), p. T415  Gummerus M.,  (1987): Studies on upgrading mechanical pulp  through  chemical modification  of  the  long  fiber  fraction  or  screen  rejects,  PhD  thesis,  Helsinki University of technology, Helsinki, Finland  Hallamaa T., and Heikkurinen A. (1997): Effect of fiber properties on sheet surface roughening, Int. Mech. Pulp. Conf., SPCI, Stockholm, Sweden, p 361  Hammar L.‐Å., Htun M., Ottestam C., Salmén L., Sjögren B. (1995): Utilising the ionic  properties  of  the wood  polymers  in mechanical  pulping,  Int. Mech.  Pulp. Conf., CPPA, Ottawa, Canada, p. 183  Harrison  R.,  Parrish  T.,  Gibson  A.,  Knapp  C., Wajer M.,  Johnson  D.  (2008): Refiner bleaching with magnesium hydroxide (Mg(OH)2) and hydrogen peroxide, Tappi J., 7(9), p. 16  Hartler N. (1980): How energy can be reduced in refiner mechanical pulping, Pulp Pap. Can., 81(6), p. 119  Haynes  K.,  Campbell  R.,  Brooks  Z.,  Parrish  A.,  Hamilton  R.  (2001):  High temperature bleaching of mechanical pulps, US patent 6,743,332 B2  Härkönen  E.J.,  Heikkurinen  A.,  Nederström  R.  (1989):  Comparison  between different  species of  softwood as TMP  raw material,  Int. Mech. Pulp. Conf., KCL, Helsinki, Finland, p. 390  Härkönen E., Ruottu S., Ruottu A., Johansson O. (1997): A theoretical model for a TMP refiner, Int. Mech. Pulp. Conf., SPCI, Stockholm, Sweden, p. 95  Härkönen E., Huusari E., Ravila P. (2000): Residence time of fibre in a single disc refiner, Pulp Pap. Can., 101(11), p. 45  Heikkurinen A., Hattula  T.  (1993): Mechanical  pulp  fines,  characterisation  and implication  for  defibration  mechanisms,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf.,  PTF,  Oslo, Norway, p. 294  Heikkurinen, A., Vaarasalo, J., Karnis, A. (1993): Effect of Initial defiberization on the properties of refiner mechanical pulp”, J. Pulp Pap. Sci., 19(3), p. J119 

92 

Heitner C., Min T. (1987): The effects of sulphite treatment on the brightness and bleachability of  chemithermomechanical pulp. 4th  Int. Symp. Wood Pulp. Chem., Paris, France, Vol. 1, p. 327  Hill  J.,  Sabourin  M.,  Aichinger  J.,  Johansson  L.  (2009):  Enhancing  fibre development at reduced energy consumption using TMP sub‐process and targeted chemical application – pilot and commercial scale  results,  Int. Mech. Pulp. Conf., Sundsvall, Sweden, SPCI, p. 36  Hill  J.,  Sabourin M.,  Johansson  L., Mörseburg  K.,  Axelsson  P.,  Aichinger  J., Braeuer  P.,  Gorski  D.  (2010):  Combining  selective  bleaching  chemistries  and ATMP technology for low energy mechanical pulping at higher brightness, 7th Int. Symp. Fund. Mech. Pulp., Nanjing, China, p. 164  Hoc M. (1989): Fibre rising in papers containing mechanical pulp, Tappi J., 72(4), p. 165  Holl M., Brecht W. (1939): Standardized methods in gaging the quality of ground‐ wood pulps, Der Papier‐Fabrikant, 37(10), p. 74   Holmbom,  B.  (1997): Molecular  interactions  in wood  fibre  suspensions,  9th  Int. Symp. Wood Pulp. Chem., Montreal, PL3, p. 1  Holmbom  B.,  Pranovich  A.  (1998):  Fibre  Chemistry  of  alkaline  treatment  and peroxide  bleaching  of  mechanical  pulp,  5th  European  Workshop  on Lignocellulosics and Pulp (EWLP), Aveiro, Portugal, p. 559  Höglund H., Sohlin U., Tistad G. (1976): Physical properties of wood in relation to chip refining, Tappi J., 59(6), p. 144  Höglund, H., Wilhelmsson, K.  (1993): The product must determine  the choice of wood type in mechanical pulping, Int. Mech. Pulp. Conf., PTF, Oslo, Norway, p. 1  Höglund H., Bäck R.,  Falk B.,  Jackson M.  (1997): Thermopulp  –  a  new  energy efficient mechanical pulping process, Pulp Pap. Can., 98(6), p. T215  Høydahl,  H.‐E.,  Solbakken, M.,  Dahlquist,  G.  (1995):  TMP  for  SC‐grades  ‐  a challenge in fiber modelling, Int. Mech. Pulp. Conf., CPPA, Ottawa, Canada, p. 233   

93 

Htun M., Salmén  L.  (1996):  The  importance  of  understanding  the  physical  and chemical properties of wood to achieve energy efficiency in mechanical pulping”, Wochenblatt für Papierfabrikation, 124(6), p. 232  Huhtanen  J.‐P.  (2004): Modelling  of  fibre  suspension  flows  in  refiner  and  other papermaking  processes  by  combining  non‐newtonian  fluid  dynamics  and turbulence,  PhD  thesis,  Tampere  University  of  Technology,  Tampere,  Finland, Publication 497, ISBN 952‐15‐1248‐2  Huber, B., Prütz, G. (1938): Über den Anteil von Fasern, Gefässen und Parenchym am Aufbau verschiedener Hölzer, Holz als Roh‐ und Werkstoff, 1(10), p.377  Illikainen M., Härkönen E., Ullmar M., Niinimäki J. (2006): Distribution of power dissipation in a TMP refiner plate gap, Paperi Puu, 88(5), p. 293  Irvine  G.M.  (1984):  The  glass  transition  of  lignin  and  hemicellulose  and  their measurements by differential thermal analysis, Tappi J., 67(5), p. 118  Jackson M.  (1985):  The manufacture,  physical  properties  and  end  uses  of  high yield pulps, Pap. Tech. Ind. 26(6), p.258  Jang, H.F., Amiri, R., Seth, R.S., Karnis, A.  (1995):  Fibre  characterization  using confocal microscopy  ‐  collapse behaviour of mechanical pulp  fibres,  81st Annual Meeting, CPPA Technical Section, Montreal, Canada, p. B147  Jackson J.E. (1991): A user’s guide to principal components, John Wiley and Sons, New‐York, NY  Johansson L., Peng  F.F.,  Simonson R., Granfeldt T.  (1999): The  effect  of  screw press pretreatment in CTMP pulping process, Paperi Puu, 81(8), p. 559  Johansson L., Dahlqvist G. (2001): Energy reduction in different refining concepts, Int. Mech. Pulp. Conf., Helsinki, Finland, p. 557  Johnsen, P.O., Skinnarland, I., Helle, T., Houen, P.J. (1995): Distribution of Lignin and  other Materials  on  Particle  Surfaces  in Mechanical  Pulps,  Int. Mech.  Pulp. Conf., CPPA, Ottawa, Canada, p. 93  

94 

Johnson  D.A.,  Park  S.,  Genco  J.M.,  Gibson  A., Wajer M.,  Branch  B.  (2002): Hydrogen  peroxide  bleaching  of  TMP  pulps  using Mg(OH)2,  Tappi  Fall  Tech. Conf., San‐Diego, USA, p. 483  Joris G. (2007): Industrial refining process vs theory, Tappsa J.  Kangas,  H.,  Pöhler,  T.,  Heikkurinen,  A.,  Kleen,  M.  (2004):  Development  of mechanical pulp  fibre  surface  as  a  function of  refining  energy.  J. Pulp Pap. Sci., 30(11), p. 298  Kangas H.  (2007):  Surface  chemical  and morphological properties of mechanical pulps, fibres and fines, PhD thesis, KCL, Espoo, Finland, ISSN 1457‐6252  Kano  T.,  Iwamida  T.,  Sumi  Y.  (1982):  Energy  consumption  in  mechanical pulping”, Pulp Pap. Can., 83(6), p. 80  Karlström A., Eriksson K., Sikter D., Gustavsson M.  (2008): Refining models for control purposes, Nord. Pulp Pap. J., 23(1), p. 129  Karnis, A.  (1994): The Mechanism of  fibre development  in mechanical pulping,  J. Pulp Pap. Sci., 20(10), p. J280  Kibblewhite, R.P.  (1981): The  fibres of mechanical pulps,  Int. Mech. Pulp. Conf., PTF, Oslo, Norway, p. 1  Koljonen K., Vainio A., Hiltunen  E.,  Laine  J.,  Stenius  P.  (2003).  The  effect  of polyelectrolyte adsorption on the strength properties of paper made from mixtures of  mechanical  and  chemical  pulps,  5th  Int.  Pap.Coat.  Chem.  Symp.,  Montreal, Canada, p. 223  Konn J. (2006): Process chemistry in thermomechanical pulping, Ph.D. thesis, Åbo Academy University, Åbo, Finland  Koran Z.  (1980): Energy consumption  in mechanical  fibre separation, 66th annual CPPA meeting, Montreal, Canada, p. 173  Koran Z. (1981): Energy consumption in mechanical fibre separation as a function of temperature, Tappi J., 7(2), p. 40  

95 

Kurdin J.A. (1979): Can energy costs for TMP and RMP be reduced?, Pap. Trade J., 163(11), p. 23   Kurdin J.A., Tantalo L.  (1987): Mechanical pulping by extrusion,  Int. Mech. Pulp Conf., CPPA, Vancouver, Canada, p. 105  Kure K.‐A.  (1997): The alteration of  the wood  fibres  in  refining,  Int. Mech. Pulp. Conf., SPCI, Stockholm, Sweden, p. 79  Kure, K.‐A., Dahlqvist, G.  (1998): Development  of  structural  fiber properties  in high intensity refining, Pulp Pap. Canada, 99(7), p. T233  Kure K.‐A.  (1999): On  the relationship between process  input variables and  fibre characteristics  in  thermomechanical  pulping,  PhD  thesis,  NTNU,  Trondheim, Norway  Kure K.‐A., Dahlqvist G., Sabourin M.J., Helle T. (1999): Development of spruce fibre properties by a combination of a pressurized compressive pretreatment and high intensity refining, Int. Mech. Pulp Conf., Tappi, Houston, Texas, USA, p. 427  Kure  K.‐A.,  Sabourin  M.,  Dahlqvist  G.,  Helle  T.  (2000):  Adjusting  refining intensity  by  changing  refiner  plate  design  and  rotational  speed  –  effects  on structural fibre properties, J. Pulp Pap. Sci., 26(10), p. 346  Lamb G.E.R. (1962): Energy consumption in mechanical pulping, Tappi J., 45(5), p. 364  Leask R.A.  (1981): The  theory of  chip  refining  ‐ a  status  report,  Int. Mech. Pulp. Conf., PTF, Oslo, Norway, p. 1  Leduc  C., Martel  J., Deneault  C.  (2008):  Use  of magnesium  hydroxide  for  the bleaching  of  mechanical  pulps  (softwood  and  hardwood)  and  deinked  pulp  – efficiency  and  environmental  impact,  Intl.  Pulp  Bleach.  Conf.,  Quebec  City, Canada, p. 1‐6 Leider P.J., Nissan A.H.  (1977): Understanding  the disk  refiner. The mechanical treatment of the fibers, Tappi J., 60(10), p. 85  Lindgren B.O., Mikawa O.  (1957):  The  presence  of  cynnamil  alcohol  groups  in lignin, Acta Chem. Scand., 11, p. 826   

96 

Lindholm  C.A.  (1980a):  Comparison  of  some  papermaking  properties  of groundwood,  pressure  groundwood  and  thermomechanical  pulps  by means  of artificial blends of pulp fractions. Part 1: primary results, Paperi Puu, 62(12), p.593  Lindholm  C.A.  (1980b):  Comparison  of  some  papermaking  properties  of groundwood,  pressure  groundwood  and  thermomechanical  pulps  by means  of artificial blends of pulp fractions. Part 1: the fines fractions, Paperi Puu, 62(12), p. 803  Lindström C., Bovin A., Falk B., Lindahl A. (1977): Scots pine as raw material in mechanical pulping,  Int. Mech. Pulp. Conf., Finnish Paper Engineers Association, Helsinki, Finland, p. 41  Lindström, T., Wågberg L., Larsson T.  (2005): On  the nature of  joint  strength  in paper ‐ a review of dry and wet strength resins used  in paper manufacturing. In: I’Anson, S. J. (ed.): Advances in Paper Science and Technology, Vol. 1, 13th Fund. Res. Symp., Pulp and Paper Fundamental Research Society, Cambridge, UK, p. 457  Loras V. (1976): Brightening of thermomechanical pulps, Tappi J., 59(11), p. 99   Luhde  F.  (1962):  Der  Aufschluβ  des  Holzes  beim  Schleifverfahren  und  beim Hackschnitzel‐Refinerverfahren, Das Papier, 16, p. 655  Lundqvist S.‐O., Ekenstedt F., Grahn T., Hedenberg Ö., Olsson T., Wilhelmsson L. (2003): Selective use of European resources of Spruce  fibres  for  improved pulp and paper quality, Int. Mech. Pulp. Conf., Quebec, Canada, p. 59  Luukko K. (1999) Characterization and Properties of Mechanical Pulp Fines, Acta Polytech. Scand., Chem. Tech. Series No. 267, The Finnish Academy of Technology, Espoo, Finland, p. 60  Luukko  K.,  Kemppainen‐Kajola  P.,  Paulapuro  H.  (1997):  Characterization  of mechanical pulp fines by image analysis. Appita J., 50(5), p. 387  Luukko K., Paulapuro H. (1999): Mechanical pulp fines: effect of particle size and shape, Tappi J., 82(2), p. 95  Maartmann‐Moe  K.  (1924)  (in  Swedish):  Modern  sliperidrift  oh  moderna sliperimaskiner, Svensk Papperstidning, 27(4), p.2  

97 

Martens  H.,  Naes  T.  (1993):  Multivariate  calibration,  John  Wiley  and  Sons, Chichester  Marton,  J.,  Adler,  E.  (1961):  Carbonyl  groups  in  lignin.  III.  Mild  catalytic hydrogenation of Björkman lignin, Acta Chem. Scand., 15, p. 370  Marton R., Robie  J.D.  (1969): Characterisation of mechanical pulps by a  settling technique, Tappi J., 52(12), p. 2400  Marton R., Eskelinen E. (1982): Impact testing in the study of chip refining, Tappi J., 65(12), p. 85  May W.D. (1973): A theory of chip refining  ‐ the origin of fibre  length, Pulp Pap. Mag. Can., 74(1), p. 70  May W.D., McRae M.R., Miles  K.B.,  Lunan W.E.  (1988):  An  approach  to  the measurement of pulp residence time in a chip refiner, J. Pulp Pap. Sci., 16(2), p. J47  Miles K.B, May W.D.  (1990): The  flow of pulp  in chip  refiners,  J. Pulp Pap. Sci., 16(2), p. J63  Miles  K.B.  (1991):  A  simplified method  for  calculating  the  residence  time  and refining intensity in a chip refiner, Paperi Puu, 73(9), p. 852   Miles K.B., Karnis A.  (1995): Wood Characteristics  and Energy Consumption  in Refiner Pulp. J. Pulp Pap. Sci., 21(11), p. J383   Moen G., Sprecht K., Taxt T., Sunndal E., Grønning M., Thorsen M., Troland K., Irgens Å., Gruner R. (2010): Cerebral diffusion and perfusion deficits in North Sea divers, Acta Radiologica, 51(9), p. 1050  Mohlin  U.‐B.  (1980):  Properties  of  TMP  fractions  and  their  importance  for  the quality  of  printing  properties.  Part  2:  the  influence  of  particle  properties  and particle size distribution on pulp properties, Svensk Papperstidn., 83(18), p. 513  Mohlin U.‐B.  (1997): Fibre development during mechanical pulp refining,  J. Pulp Pap. Sci., 23(1), p. J28  Moldenius S. (1983): Peroxide bleaching affects the strength ans surface properties of mechanical pulps, Int. Mech. Pulp. Conf., Tappi, Washington, USA, p. 51 

98 

 Moss  P.A.,  Retulainen  E.  (1995):  The  effect  of  fines  on  fibre  bonding:  cross‐sectional dimensions of TMP fibres at potential bonding sites, Int. Pap. Phys. Conf., Ontario, Canada, p. 97  Moss  P.A.,  Retulainen  E.  (1997):  The  effect  of  fines  on  fibre  bonding:  cross‐sectional  dimensions  of  TMP  fibres  at  potential  bonding  sites,  J.  Pulp  Pap.  Sci., 23(8), p. J382  Mörseburg  K.  (2000):  Development  and  characterization  of  Norway  spruce pressure groundwood fibres, PhD Thesis, Åbo Academy University, Åbo, Finland  Muenster H., Dahlqvist G. (1995): Operating experience with the first commercial high  speed  refiner  at  Perlen  Paper  AG,  Switzerland,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf., Ottawa, Canada  Muhić  D.  (2010):  Improved  energy  efficiency  in  double  disc  chip  refining, Licentiate  Thesis,  Mid  Sweden  University,  Sundsvall,  Sweden,  ISBN 978‐91‐86073‐94‐7  Murton K., Duffy G., Corson S. (2002): Pulp residence time influence on refining intensity and pulp quality, 56th Appita Conf., Rotorua, New Zealand, p. 185  Neill M.T., Beath L.R. (1963): Supergroundwood: It’s manufacture from chips and use as sole newsprint furnish, Pulp Pap. Mag. Can., 64(7), p. T299  Nesbakk T., Helle T. (2002): The influence of the pulp fibre properties on supercalendered mechanical pulp handsheets, J. Pulp Pap. Sci., 28(12), p.406  Ni Y. (2005): A review of recent technological advances in the brightening of high‐yield pulps, Can. J. Chem. Eng., 83(4), p. 610  Ni Y., He Z. (2009): Magnesium hydroxide based peroxide bleaching of mechanical pulps: process  chemistry and  industrial  implementation,  Intl. Mech. Pulp. Conf., Sundsvall, Sweden, SPCI, p. 122  Norgren  S.  (2008):  Effects  of  reject  refining  at  high  temperature  on  TMP  fibre properties, PhD  thesis, Mid Sweden University, Sundsvall, Sweden, ISBN 978‐91‐86073‐17‐6  

99 

Norman  F.,  Höglund  H.  (2003): Moisture‐induced  surface  roughness  in  TMP‐based  paper  –  the  influence  of  fibre  cross‐section  dimenstions,  Int. Mech.  Pulp Conf., PAPTAC, Quebec, Canada, p. 57  Nurminen I., Sundholm J. (1995): Chemical treatments of coarse fibres – a way to reduce  fibre  roughening  of  TMP‐based  LWC,  Int.  Mech.  Pulp.  Conf.,  Ottawa, Canada, p. 243  Nye J., Fluet A. (1995): In‐refiner bleaching with sodium hydrosulfite: thiosulfate, sulfur dioxide and corrosion control, Int. Mech. Pulp. Conf, Ottawa, Canada, p. 69  Ouellet  D.,  Bennington  C.P.J.,  Potkins  D.  (1995):  Wood  comminution  and material flow in a laboratory chip refiner, J. Pulp Pap. Sci., 21(12), p. J415  Ouellet D., Bennington C.P.J., Potkins D. (1996): Measurement of pulp residence time in a high‐consistency refiner, J. Pulp Pap. Sci., 22(8), p. J301  Pan X., Lachenal D., Lapierre C., Monties B., Neirinck V., Robert D.  (1994): On the behaviour os spruce thermomechanical pulp lignin during hydrogen peroxide bleaching, Holzforschung, 48(45), p. 429  Panshin  A.J.,  de  Zeeuw  C.  (1980):  Textbook  of  wood  technology:  structure, identification, properties and uses of  the commercial woods of  the United States and Canada, McGraw‐Hill Book Company, New‐York, ISBN 0‐07‐048441‐4  Peng F., Granfeldt T. (1996): Changes in the microstructure of spruce wood chips after screw press treatment, J. Pulp Pap. Sci, 22(4), p. 140  Peng  F.,  Westermark  U.  (1997):  Distribution  of  coniferyl  alcohol  and coniferaldehyd groups in the cell wall of spruce fibres, Holzforschung, 51(6), p. 531  Persson K. (2000): Micromechanical modelling of wood and fibre properties, PhD thesis, Lund University, Department of Mechanics and Material, Lund, Sweden  Pranovich  A.V.,  Sundberg  A.,  Holmbom  B.  (2003):  Chemical  changes  in thermomechanical pulp at alkaline conditions, J. Wood Chem. Tech., 23(1), p. 89   Presley J.R., Hill R.T.  (1996): Peroxide bleaching of  (chemi) mechanical pulps,  in Dence C.W. (ed.), Reeve D.W. (ed.), Pulp bleaching: principles and practice, Tappi press, Atlanta, USA, p. 459  

100 

 Rämö  J.  (2003): Hydrogen peroxide – metals –  chelating agents;  interactions and analytical  techniques, Ph.D. Thesis, University of Oulu, Oulu, Finland,  ISBN 951‐42‐6975‐6 Reme P.A., Helle T., Johnsen P.O. (1998): Fibre characteristics of some mechanical pulp grades, Nordic Pulp Paper J., 13(4), p. 263  Reme P.A. (2000): Some effects of wood characteristics and the pulping process on mechanical  pulp  fibres,  Ph.D.  thesis,  Department  of  Chemical  Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim  Reme  P.A.,  Johnsen  P.O.,  Helle  T.  (2002):  Assessment  of  fibre  transverse dimensions using SEM and image analysis, J. Pulp Pap. Sci., 28(4), p. 122  Retulainen E., Nieminen K. (1992): The effects of starch and fines material on the strength of fibre networks, Pap. Phys. Sem., Otaniemi, Finland, p. 28  Retulainen E., Moss P., Nieminen K.  (1993): Effects of  fines on  the properties of fibre networks, 10th Fund. Res. Symp., Oxford, UK, p. 727  Retulainen E., Niskanen K., Nilsen N. (1998): Fibers and bonds. In: Niskanen, K. (ed.),  Paper  Physics,  Papermaking  Science  and  Technology  Book  16,  Fapet Oy, Jyväskylä, p. 55  Robertsen L., Lukkonen S., Sabourin M. (2001): TMP from compressed pine and spruce chips, Int. Mech. Pulp Conf., Helsinki, Finland, p. 353  Rowell R.M.  (ed.)  (2005): Handbook  of wood  chemistry  and wood  composites, Taylor and Francis, CRC Press, Florida, USA, ISBN 0‐8493‐1588‐3  Rundlöf M.  (1996): Quality  of  fines  of mechanical  pulp,  licentiate  thesis,  Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden, ISSN 1104‐7003  Ryrberg G.K. (1978): Refiner bleaching looks promising, Pulp & Paper Int., p. 47  Sabourin  M.  (1998):  Optimizing  thermomechanical  pulping  of  southern  pine species using a compression pretreatment, TAPPSA annual conf., South Africa  Sabourin M. (2000): Evaluation of a compressive pre‐treatment on TMP properties and energy requirements, Pulp Pap. Can., 101(2), p. 54 

101 

 Sabourin M., Vaughn  J., Wiseman N.  (2001):  Industrial  scale  evaluation of  low retention, high temperature, high speed (RTS) TMP pulping of southern pine, Int. Mech. Pulp. Conf., Helsinki, Finland, vol. 2, p. 341 Sabourin  M.  (2003):  Methods  of  reducing  energy  consumption  in thermomechanical pulping, PhD thesis, UMIST, Manchester, England  Sabourin, M., Aichinger,  J., Wiseman, N.  (2003): Effect of  increasing wood chip defibration on thermomechanical and chemi‐thermomechanical refining efficiency, Int. Mech. Pulp. Conf., CPPA, Canada, Quebec City, p.163  Salmén L.,  (1982): Temperature and water  induced softening behaviour of wood fibre based materials, PhD Thesis, The Royal  Institute of Technology, Stockholm, Sweden  Salmén L., Tigerström A., Fellers C. (1985): Fatigue of wood – characterisation of mechanical defibration, J. Pulp Pap. Sci., 11(3), p. 68  Salmén  L.  (1995):  Influence  of  the  ionic  groups  and  their  counterions  on  the softening properties of wood materials, J. Pulp Pap. Sci., 21(9), p. J310  Salmén L., Berthold J. (1997): The swelling ability of pulp fibres, Fundamentals of Papermaking Materials 2, p. 687  Samboon P. (2009): On the application of grits to thermomechanical pulp refining, PhD Thesis, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, ISBN 978‐951‐22‐9750‐4  Scallan A.M. (1983): The effect of acidic groups on the swelling of pulps: a review, Tappi J., 66(11), p. 73  Sell M., Doshi M.R., Hawes J.M. (1988): Sedimentation behavior of various pulp fibres, Chemical Engineering Communications 73, p. 217  Senger J., Ouellet D., Bennington C.P.J. (1998): Effects of pulp furnish and refiner speed on residence time in a high‐consistency refiner, Tappi J., 81(4), p. 152  Senger  J., Ouellet D., Wild  P.,  Byrnes  P.,  Sabourin M., Olender D.  (2006): A technique  to measure  residence  time  in TMP  refiners based on  inherent process fluctuations, J. Pulp Pap. Sci., 32(2), p. 83 

102 

 Sferrazza,  M.,  Strunk,  W.,  McConnell,  J.P.,  Hills,  W.A.,  Klein,  R.  J.,  (1988): Alkaline  peroxide  treatment  of  Southern  pine  TMP  rejects,  TAPPI  pulping conference, 1988, New Orleans, LA, USA, p. 617 Sharpe  P.E.,  Rothenberg  S.  (1988):  Refiner  hydrogen  peroxide  bleaching  of mechanical pulps, Tappi J., 71(5), p. 109  Sjöström E., Jansson J., Haglund P., Enström B. (1965): Acidic groups in wood and pulp as measured by ion exchange. J. Polym. Sci., Part C., 11, p. 211  Sjöström E. (1989): The origin of charge on cellulosic fibres, Nordic Pulp Pap. Res. J., 4(2)  Skowronski  J.  (1990):  Surface  roughening  of  pre‐calendered  basesheets  during coating, J. Pulp Paper Sci., 16(3), p. 102  Solinas  M.  (1976):  Brightening  response  of  western  refiner  groundwood  to hydrogen peroxide, Pulp Pap. Mag. Can., 77(3), p. 59  Sorvari J., Sjöström E., Klemola A., Laine J.E. (1986): Chemical characterization of wood consistuents, especially  lignin,  in  fractions separated  from middle  lamellae and secondary wall of Norway spruce (Picea Abies), Wood Sci. Tech., 20(1), p. 35  Soteland N., Sandberg S., Morris J.A. (1981): Peroxide bleaching of TMP in refiner and flash dryer, Int. Mech. Pulp. Conf, Oslo, Norway p. 1  Springer  R.,  Huang  Y.,  Davies  D.,  Kronis  J.,  Heimburger  S.  (1997):  Refiner peroxide bleaching  at Daishova Port Angeles, TAPPI Pulp. Conf., San Francisco, California, USA, p. 463  Stationwala M.I., Atack D., Karnis A.  (1992): Distribution  and motion  of  pulp fibres on refiner bar surface, J. Pulp Pap. Sci., 18(4), p. J131  Stationwala, M.I., Miles, K.B., Karnis, A. (1993): The Effect of First‐Stage Refining Conditions on Pulp Properties and Energy Consumption, J. Pulp Pap. Sci., 19(1), p. J12  Stationwala  M.  I.  (1994):  Production  of  high  quality  and  low  energy chemithermomechanical pulp, Tappi J., 77(2), p. 113  

103 

Stevanic  J.  (2008):  Ultrastructure  of  the  primary  cell  wall  of  softwood  fibres studied using dynamic FT‐IR spectroscopy, Licentiate thesis, STFI‐Packforsk/KTH, Stockholm, Sweden  Stone, J.E., Scallan, A.M. and Abrahamson, B. (1968): Influence of beating on cell wall swelling and internal fibrillation. Svensk Papperstidn., 19(10), p. 687  Strand  B.  (1997):   Quality  control  of  high‐consistency  refiners,  Int. Mech.  Pulp. Conf., SPCI, Stockholm Sweden, p. 127   Strunk  W.G.,  Meng  T.  (1986):  Status  report:  pulp  bleaching  with  hydrogen peroxide during refining, Pulp & Paper, 60(11), p. 111  Strunk, W., Sferrazza, M., Pourciau, J. (1989): Treating groundwood screen rejects with alkaline peroxide ups pulp value, Pulp Pap., 63(11), p. 99  Strunk, W., Sferrazza, M., Pourciau, J., (1990): High alkalinity peroxide treatment of groundwood screen  rejects, 76th CPPA Annual meeting, Montreal, Canada, p. 71  Suckling,  I.D.  (1991):  The  effects  of  coniferaldehyde  sulphonation  on  the brightness  and  absorption  spectra  of  chemithermomechanical  pulps,  Int.  Symp. Wood Pulp. Chem., Appita, Melbourne, Australia, Vol. 1, p. 587  Sundberg A.  (1999): Wood  resin  and  polysaccharides  in mechanical  pulp,  PhD Thesis, Åbo Academy University Press, Åbo, Finland   Sundholm, J.  (1993): Can we reduce energy consumption  in mechanical pulping, Int. Mech. Pulp. Conf., PTF, Oslo, Norway, 1(2): p. 133  Sundholm  J.  (ed.)  (1999):  Papermaking  science  and  technology,  mechanical pulping, Fapet Oy, Helsinki, Finland, ISBN 952‐5216‐00‐4  Svensson B.  (2007): Frictional studies and high strain rate  testing of wood under refining conditions”, PhD thesis, Mid Sweden University, Sundsvall, Sweden  Tanase M., Stenius P., Johansson L., Hill J., Sandberg C. (2009): Mass balance of extractives  around  Impressafiner  in mill  and  pilot  scale,  Int. Mech.  Pulp Conf., SPCI, Sundsvall, Sweden, p. 22  

104 

Thornton D.S., Nunn  B.E.  (1978):  The  effect  of  a  plug  screw  feeder  on  ether‐solubles  removal  and  power  reduction  during  TMP  manufacture,  Tappi  Eng. Conf., San‐Francisco, USA, p. 341  Thornton  J.,  Ekman R., Holmbom B.,  Eckerman C.  (1993): Release  of  potential anionic trash in peroxide bleaching of mechanical pulp, Paperi Puu, 75(6), p. 426  Wakelin R.F., Dahlqvist G.K., Isaksen J.E. (1999):  Balancing the roles of refiners, screens and hydrocyclones in the production of high quality mechanical pulps, 53rd Appita annual conference, Rotorua, New Zealand, vol. 2, p. 509  Wakelin,  R.F.  (2004):  Evaluation  of  pulp  quality  through  sedimentation measurements, 58th Appita conf., Canberra, ACT, Australia, p. 9  Westermark U., Hardell H.‐L., Iversen T. (1986): The content of protein and pectin in the middle lamella/primary wall from spruce wood, Holzforschung, 40(2), p.65  Wold S. (1987): Principal component analysis, Chemomech. Intel. Lab. Syst., 2, p. 27  Vainio  A.  (2007):  Interfibre  bonding  and  fibre  segment  activation  in  paper  – observations on  the phenomena and their  influence on paper strength properties, PhD thesis, Helsinki University of Technology, Helsinki, Finland, ISBN 978‐951‐22‐9057‐4  Vehniäinen A.  (2008): Single  fibre properties – a key  to characteristic defibration patterns from wood to paper fibres, PhD thesis, KCL, Helsinki, Finland, ISSN 1457‐6552  Yuan Z., Heitner C., McGarry P.  (2006): Evaluation of APMP process  for mature and juvenile lobloly pine, Tappi J., 5(7), p. 24  

105 

APPENDIX 1: DATA FROM PILOT TRIALS AND LABORATORY TESTING

Table 10. Refining and testing data for TMP, Pinus taeda (Paper II)

 

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

SD361CP 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.72  0.63  0.75  1.00  1.30 Total energy  MWh/odt  0.72  1.35  2.10  2.35  2.65 Refiner speed  rpm  1800  1800  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  2.8  2.8  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  142  142  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Holdback  Holdback  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A2  A3  A4  A5  A6 Input sample   ‐  Chips  A2  A3  A3  A3 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  ‐  3.14  0.94  0.36  0.24 Brightness, ISO  %           BMN 14 mesh  %  ‐  26.3  18.7  10.8  14.4 BMN 28 mesh  %  ‐  31.1  30.7  28.7  27.5 BMN 48 mesh  %  ‐  11.3  14.1  15.8  14.1 BMN 100 mesh  %  ‐  5.6  9.4  9.7  8.9 BMN 200 mesh  %  ‐  2.7  4.4  4.8  5.1 BMN <200  %  ‐  23  22.7  30.2  29.9 

SCAN testing, NSI laboratory, Halden, Norway Freeness (CSF)  ml  736  643  311  171  165 Tensile index  N.m/g  ‐  ‐  20.5  22.3  24.6 Tear index  mN.m2/g  ‐  ‐  6.85  6.22  6.87 Elongation  %  ‐  ‐  1.99  1.93  2.12 z‐strength  kPa  ‐  ‐  298.2  352.2  383.4 TEA  J/m2  ‐  ‐  18.9  20.2  24.7 Light scattering  m2/kg  ‐  ‐  42.2  48.9  49.5 Light abs.  m2/kg  ‐  ‐  4.42  5.4  5.92 Fibre length*  mm  1.78  1.68  1.42  1.25  1.36  * Area weighted average fibre length measured using PQM1000

106 

Table 11. Refining and testing data for ATMP (B), Pinus taeda* (Paper II)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

SD361CP 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.47  0.86  0.83  1.07  1.26 Total energy  MWh/odt  0.69  1.55  2.38  2.62  2.81 Refiner speed  rpm  2300  1800  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.8  2.8  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  163  142  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  Holdback  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A8  A9  A10  A11  A12 Input sample   ‐  A7  A8  A9  A9  A9 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  2  0.78  0.24  0.14  0.06 Brightness, ISO  %  46.3  50.7  52.1  53.1  53.4 BMN 14 mesh  %  21.5  20.8  12.6  11.4  12 BMN 28 mesh  %  37.5  29.5  28.5  27.1  26.5 BMN 48 mesh  %  16.7  13.5  14.4  14.6  15.1 BMN 100 mesh  %  10.3  9.2  9.7  9.7  10 BMN 200 mesh  %  3.6  4.2  4.5  5.3  6.5 BMN <200  %  10.4  22.8  30.3  31.9  29.9 

SCAN testing, NSI laboratory, Halden, Norway Freeness (CSF)  ml  748  399  141  102  80 Tensile index  N.m/g  ‐  20.5  26.2  31.1  33.4 Tear index  mN.m2/g  ‐  6.96  6.76  6.74  6.80 Elongation  %  ‐  1.96  2.13  2.33  2.55 z‐strength  kPa  ‐  315.9  439.4  499.3  515.4 TEA  J/m2  ‐  18.8  25.6  34.1  39.9 Light scattering  m2/kg  ‐  41.1  48.2  51.4  52.8 Light abs.  m2/kg  ‐  3.95  5.28  5.80  5.89 Fibre length**  mm  1.53  1.38  1.25  1.28  1.21  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 779 ml CSF 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000

107 

Table 12. Refining and testing data for ATMP (AA), Pinus taeda* (Paper II)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

SD361CP 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.31  0.57  0.78  0.95  1.06 Total energy  MWh/odt  0.55  1.11  1.89  2.07  2.18 Refiner speed  rpm  2300  1800  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.8  2.8  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  164  142  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  Holdback  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A14  A15  A16  A17  A18 Input sample   ‐  A13  A14  A15  A15  A15 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  2.72  1.98  0.5  0.4  0.18 Brightness, ISO  %  35.5  35.7  36.2  37  36.7 BMN 14 mesh  %  31.2  19.9  14.9  13.7  13 BMN 28 mesh  %  34.2  33.6  29.1  28.1  27.7 BMN 48 mesh  %  15.4  15  13.4  14.2  14.3 BMN 100 mesh  %  8.4  9.4  8.8  9.3  9.7 BMN 200 mesh  %  3.1  4  4.1  4.7  5.1 BMN <200  %  7.7  18.1  29.7  30  30.2 

SCAN testing, NSI laboratory, Halden, Norway Freeness (CSF)  ml  748  507  200  146  108 Tensile index  N.m/g  ‐  15.9  24.7  26.6  29.5 Tear index  mN.m2/g  ‐  6.27  7.04  6.77  6.60 Elongation  %  ‐  1.89  2.03  1.97  2.28 z‐strength  kPa  ‐  241.5  373.8  438.0  484.2 TEA  J/m2  ‐  13.4  24.3  24.1  31.9 Light scattering  m2/kg  ‐  35.4  45.4  52  49.3 Light abs.  m2/kg  ‐  7.69  11.26  13.63  12.58 Fibre length**  mm  1.63  1.42  1.35  1.28  1.23  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 788 ml CSF 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

108 

Table 13. Refining and testing data for ATMP (Mg+P), Pinus taeda* (Paper II)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

SD361CP 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.35  0.75  0.84  1.09  1.32 Total energy  MWh/odt  0.60  1.35  2.19  2.44  2.67 Refiner speed  rpm  2300  1800  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.8  2.8  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  164  142  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  Holdback  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A20  A21  A22  A23  A24 Input sample   ‐  A19  A20  A21  A21  A21 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  ‐  1.06  0.22  0.04  0 Brightness, ISO  %  ‐  58.6  59.8  60.5  61.1 BMN 14 mesh  %  ‐  16.5  12.1  14.6  10.8 BMN 28 mesh  %  ‐  29.5  26.4  25.1  24.3 BMN 48 mesh  %  ‐  15.3  14  14  14.5 BMN 100 mesh  %  ‐  10.3  10.4  8.9  9.8 BMN 200 mesh  %  ‐  5.9  5.8  6.2  7.3 BMN <200  %  ‐  22.5  31.3  31.2  33.3 

SCAN testing, NSI laboratory, Halden, Norway Freeness (CSF)  ml  ‐  211  88  72  47 Tensile index  N.m/g  ‐  23.6  31  33.3  37 Tear index  mN.m2/g  ‐  6.61  6.81  6.63  6.29 Elongation  %  ‐  2.03  2.09  2.41  2.46 z‐strength  kPa  ‐  369.8  438.4  498.4  521.1 TEA  J/m2  ‐  22.3  29.6  37.8  41.3 Light scattering  m2/kg  ‐  49.1  55.2  54.9  59.5 Light abs.  m2/kg  ‐  2.12  2.56  2.42  2.62 Fibre length**  mm  1.57  1.29  1.20  1.22  1.18  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 774 ml CSF 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

109 

Table 14. Refining and testing data for ATMP (AA+P), Pinus taeda* (Paper II)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

SD361CP 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.33  0.57  0.60  0.78  1.01 Total energy  MWh/odt  0.55  1.12  1.72  1.90  2.13 Refiner speed  rpm  2300  1800  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.8  2.8  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  164  142  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  Holdback  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A26  A27  A28  A29  A30 Input sample   ‐  A25  A26  A27  A27  A27 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  ‐  0.1  0.28  0.12  0.1 Brightness, ISO  %    36.9  39  38.4  38.6 BMN 14 mesh  %  ‐  19.3  13  14.3  11.1 BMN 28 mesh  %  ‐  29.3  26.5  29.9  26.3 BMN 48 mesh  %  ‐  14.4  14.1  14.5  12.6 BMN 100 mesh  %  ‐  8.5  8.9  10.2  9.4 BMN 200 mesh  %  ‐  4.3  5.1  5.9  6.2 BMN <200  %  ‐  24.2  32.4  25.2  34.4 

SCAN testing, NSI laboratory, Halden, Norway Freeness (CSF)  ml  ‐  466  151  124  73 Tensile index  N.m/g  ‐  17.6  25  27.6  30.8 Tear index  mN.m2/g  ‐  6.36  6.24  6.36  5.95 Elongation  %  ‐  1.81  2.11  1.97  2.22 z‐strength  kPa  ‐  247.4  408.5  443.3  495.6 TEA  J/m2  ‐  14.6  24.4  25.2  31.6 Light scattering  m2/kg  ‐  38.7  45.2  49.1  61.6 Light abs.  m2/kg  ‐  6.06  9.21  9.91  13.15 Fibre length**  mm  1.56  1.41  1.18  1.28  1.26  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 782 ml CSF 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

110 

Table 15. Refining and testing data for TMP, Picea glauca (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.94  0.97  0.55  0.79  1.07 Total energy  MWh/odt  0.94  1.90  2.45  2.69  2.97 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  2.8  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  142  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Holdback  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A38  A39  A40  A41  A42 Input sample   ‐  Chips  A38  A39  A39  A39 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  19.6  3.34  1.22  0.68  0.62 Brightness, ISO  %  50.2  55.4  55.9  56.2  56.3 BMN 14 mesh  %  30  17  14.6  10.3  9.1 BMN 28 mesh  %  11.9  31.8  30.3  30.6  29.2 BMN 48 mesh  %  10.4  16.8  15.2  16.8  17.0 BMN 100 mesh  %  1.4  8.7  8.6  9.5  9.6 BMN 200 mesh  %  12.4  3.5  4.3  4.7  5.0 BMN <200  %  33.9  22.2  27  28.1  30.1 Freeness (CSF)  ml  625  290  177  124  82 Tensile index  N.m/g  11.4  35.3  45.3  48.6  50.6 Tear index  mN.m2/g  6.8  16.7  11.9  12.7  10.2 Elongation  %  1.06  2.20  2.49  2.81  3.07 TEA  J/m2  4.04  29.9  41.8  55.0  59.1 Light scattering  m2/kg  37.9  48.9  55.6  58.2  64.2 Light abs.  m2/kg  3.68  3.60  3.90  4.08  4.95 Fibre length**  mm  ‐  1.56  1.53  1.55  1.53  * Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

111 

Table 16. Refining and testing data for ATMP (Mg+P) 3.5, Picea glauca* (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.68  0.91  0.52  0.71  1.01 Total energy  MWh/odt  0.97  1.89  2.41  2.59  2.90 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  3.5  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  148  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A27  A28  A29  A30  A31 Input sample   ‐  A1  A27  A28  A28  A28 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  2.54  0  0  0  0 Brightness, ISO  %  66.1  67.2  68.3  68.8  69.1 BMN 14 mesh  %  8.5  6.6  6.7  5.9  3.8 BMN 28 mesh  %  29.5  27.8  28  30.1  23.7 BMN 48 mesh  %  22.1  21  21.3  22.5  18.7 BMN 100 mesh  %  13.5  14.1  15.2  16.2  13.5 BMN 200 mesh  %  6.2  7.2  8.4  9.4  7.5 BMN <200  %  20.2  23.3  20.4  15.9  32.8 Freeness (CSF)  ml  494  155  86  68  42 Tensile index  N.m/g  23.6  44.2  51.5  53.6  60.8 Tear index  mN.m2/g  10.5  9.6  9  8.7  7.7 Elongation  %  1.69  2.44  2.62  2.5  2.71 TEA  J/m2  14.6  40.7  51.2  48.2  62 Light scattering  m2/kg  52.2  57.6  60.5  62.3  61.9 Light abs.  m2/kg  1.38  1.54  1.67  1.66  1.82 Fibre length**  mm  ‐  1.25  1.25  1.27  1.20  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 50 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 728 ml CSF, 248 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

112 

Table 17. Refining and testing data for ATMP (Mg+P) 5.2, Picea glauca* (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.62  0.89  0.52  0.72  0.90 Total energy  MWh/odt  0.92  1.81  2.33  2.53  2.71 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.2  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  161  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A22  A23  A24  A25  A26 Input sample   ‐  A1  A22  A23  A23  A23 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  0.52  0  0  0  0 Brightness, ISO  %  66.8  68.3  69  69.6  70.3 BMN 14 mesh  %  8.7  5.9  4.9  4.7  4.3 BMN 28 mesh  %  28.6  27.1  24.8  24.9  23.2 BMN 48 mesh  %  22.4  21.5  19.6  19.7  19.1 BMN 100 mesh  %  15.2  6.9  14.6  15.1  14.8 BMN 200 mesh  %  7.3  8.3  8  8.5  8.6 BMN <200  %  17.8  30.3  28.1  27.1  30.0 Freeness (CSF)  ml  429  157  89  63  51 Tensile index  N.m/g  26  46.5  51.6  53.5  59.4 Tear index  mN.m2/g  10.1  9.8  8.5  8.6  8.0 Elongation  %  1.67  2.17  2.33  2.64  2.55 TEA  J/m2  17.7  41.4  40.0  52.2  60.3 Light scattering  m2/kg  52.8  58.2  60.5  61.4  59.3 Light abs.  m2/kg  1.20  1.31  1.33  1.42  1.29 Fibre length**  mm  ‐  1.27  1.27  1.24  1.22  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 50 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 728 ml CSF, 248 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

113 

Table 18. Refining and testing data for ATMP (Na+P), Picea glauca* (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.66  0.96  0.54  0.76  1.00 Total energy  MWh/odt  0.96  1.92  2.46  2.68  2.92 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.2  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  161  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A3  A5  A9  A10  A11 Input sample   ‐  A1  A3  A5  A5  55 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  1.84  0.16  0  0  0 Brightness, ISO  %  64.3  66.2  68  69  69.9 BMN 14 mesh  %  14.1  9.9  9.4  8.9  6 BMN 28 mesh  %  33.4  30.8  30.2  28.4  24.2 BMN 48 mesh  %  20.8  19.7  19.2  18.3  16.8 BMN 100 mesh  %  11.3  12.1  12.3  11.9  11.2 BMN 200 mesh  %  4.6  5.3  5.8  5.9  5.7 BMN <200  %  15.8  22.2  23.1  26.6  36.1 Freeness (CSF)  ml  586  244  141  110  73 Tensile index  N.m/g  20.4  41.9  50.9  52.2  58.5 Tear index  mN.m2/g  8.9  10.3  10.1  10.0  9.1 Elongation  %  0.7  2.19  2.49  2.40  2.46 TEA  J/m2  12.9  34.7  56.1  49.9  60.6 Light scattering  m2/kg  46  54.8  55.3  57.7  59.1 Light abs.  m2/kg  1.35  1.37  1.38  1.36  1.51 Fibre length**  mm  ‐  1.43  1.46  1.35  1.38  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 50 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 728 ml CSF, 248 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

114 

Table 19. Refining and testing data for ATMP (P), Picea glauca* (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.59  0.96  0.48  0.73  0.95 Total energy  MWh/odt  0.88  1.84  2.33  2.57  2.80 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.2  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  161  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A12  A14  A15  A16  A17 Input sample   ‐  A1  A12  A14  A14  A14 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  1.06  0.16  0  0  0 Brightness, ISO  %  57.5  61.0  61.0  61.3  61.8 BMN 14 mesh  %  6.0  4.2  4.8  3.7  3.4 BMN 28 mesh  %  28.6  25.4  25.7  23.3  10.1 BMN 48 mesh  %  23.2  21.7  21.1  20.7  19.7 BMN 100 mesh  %  15.7  15.7  15.6  15.3  14.7 BMN 200 mesh  %  7.8  7.8  5.3  7.9  7.5 BMN <200  %  25.2  25.2  27.5  29.1  34.6 Freeness (CSF)  ml  461  164  105  84  78 Tensile index  N.m/g  23.6  41.8  49.0  55.6  53.4 Tear index  mN.m2/g  7.9  9.7  9.3  8.9  8.4 Elongation  %  1.77  2.19  2.18  2.46  2.31 TEA  J/m2  15.0  34.3  42.6  57.2  55.0 Light scattering  m2/kg  47.5  52.0  58.8  60.0  59.5 Light abs.  m2/kg  2.39  2.42  2.71  2.97  2.69 Fibre length**  mm  ‐  1.33  1.27  1.22  1.27  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 50 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 782 ml CSF, 248 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

 

 

115 

Table 20. Fibre characterisation data, Picea glauca (Paper III)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

3rd  stage 

DD401 

Fibre characterisation, PFI laboratory, Trondheim, Norway TMP    A38  A39  A40  A41  A42 S3A index  m2/g  9.43±0.92  12.67±1.12  ‐  ‐  17.81±1.60 Bendability  %  5.17±0.06  6.38±0.4  ‐  ‐  6.68±0.12 Coarseness  ug/m  160±59  152±41  ‐  ‐  90±7.5 Wall thickn.  μm  2.21±0.06  2.12±0.05  ‐  ‐  1.99±0.05 Split fibre index  %  5.1  6.5  ‐  ‐  7.9 ATMP (Mg+P)    A27  A28  A29  A30  A31 S3A index  m2/g  10.53±0.41  14.03±0.95  ‐  ‐  19.55±0.82 Bendability  %  5.39±0.2  6.98±0.16  ‐  ‐  7.31±0.13 Coarseness  ug/m  128±10.7  120±7.0  ‐  ‐  99±3.7 Wall thickn.  μm  2.08±0.05  2.08±0.05  ‐  ‐  2.04±0.05 Split fibre index  %  8.3  8.0  ‐  ‐  11.0 ATMP (Na+P)    A3  A5  A9  A10  A11 S3A index  m2/g  ‐  ‐  ‐  ‐  19.05±1.65 Bendability  %  ‐  ‐  ‐  ‐  7.07±0.21 Coarseness  ug/m  ‐  ‐  ‐  ‐  92±7.5 Wall thickn.  μm  ‐  ‐  ‐  ‐  2.05±0.05 Split fibre index  %  ‐  ‐  ‐  ‐  8.2 ATMP (P)    A12  A14  A15  A16  A17 S3A index  m2/g  ‐  ‐  ‐  ‐  19.68±1.72 Bendability  %  ‐  ‐  ‐  ‐  6.61±0.07 Coarseness  ug/m  ‐  ‐  ‐  ‐  96±3.8 Wall thickn.  μm  ‐  ‐  ‐  ‐  2.09±0.05 Split fibre index  %  ‐  ‐  ‐  ‐  8.5   

116 

Table 21. Refining and testing data for TMP, Picea glauca (Papers IV, V and VI)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  1.17  0.97  1.10  1.22  1.52 Total energy  MWh/odt  1.17  2.14  2.26  2.39  2.68 Refiner speed  rpm  1800  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  2.8  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  142  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Holdback  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A1  A2  A3  A4  A5 Input sample   ‐  Chips  A1  A2  A2  A2 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  15.05  2.48  2.22  2.20  1.98 Brightness, ISO  %  54.1  56.2  56.1  56.3  56.9 BMN 14 mesh  %  26.6  14.9  11.2  11.2  9.2 BMN 28 mesh  %  22.9  26.9  26.5  25.1  24.9 BMN 48 mesh  %  15.7  16.5  17.2  17.0  17.2 BMN 100 mesh  %  9.1  10.3  10.9  10.5  11 BMN 200 mesh  %  5.3  5.6  5.8  5.7  6.5 BMN <200  %  20.4  25.8  28.4  30.5  31.2 Freeness (CSF)  ml  356  108  84  76  44 Tensile index  N.m/g  21.1  48.6  51.7  49.1  57.2 Tear index  mN.m2/g  8.5  9.4  9.2  9.1  8.2 Elongation  %  1.57  2.36  2.50  2.36  2.60 TEA  J/m2  11.8  42.2  47.7  43.2  56.8 Light scattering  m2/kg  46.0  55.4  57.0  55.2  62 Light abs.  m2/kg  4.21  4.60  4.60  4.76  5.35 Fibre length*  mm  1.2  1.1  1.09  1.05  1.01 

Calendered sheets testing (150 kN/m), NSI laboratory, Halden, Norway  Density  kg/m3  ‐  ‐  897  917  929 PPS  μm  ‐  ‐  1.59  1.59  1.52 PPS (rewetted)  μm  ‐  ‐  2.43  2.19  2.18 Air perm.  ml/min  ‐  ‐  11.7  8  5.1  * Area weighted average fibre length measured using PQM1000 

117 

Table 22. Refining and testing data for ATMP (aq.) Picea glauca* (Papers IV, V, VI)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.59  0.90  1.09  1.26  1.45 Total energy  MWh/odt  0.83  1.73  1.92  2.09  2.28 Refiner speed  rpm  2300  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.2  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  161  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A10  A12  A13  A14  A15 Input sample   ‐  A6  A10  A10  A10  A10 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  3.26  0.08  0.06  0.04  0.04 Brightness, ISO  %  52.7  54.9  54.9  55.0  55.9 BMN 14 mesh  %  14.8  7  8.3  8.1  6.8 BMN 28 mesh  %  28.5  27.4  26.7  25.8  25.1 BMN 48 mesh  %  18.8  19.1  17.4  17.2  17.1 BMN 100 mesh  %  11.5  12.2  13  13.4  12.8 BMN 200 mesh  %  6.5  7.3  7.4  7.7  7.6 BMN <200  %  19.9  27  27.2  29.8  30.8 Freeness (CSF)  ml  501  164  116  76  52 Tensile index  N.m/g  24.1  44.9  48.6  53.8  54.3 Tear index  mN.m2/g  8.4  10.2  9.4  8.5  8.1 Elongation  %  1.41  2.24  2.32  2.44  2.29 TEA  J/m2  13.3  40.7  45.9  52.9  50.6 Light scattering  m2/kg  51.2  54.3  58.6  57.4  58.1 Light abs.  m2/kg  3.98  3.99  4.35  4.32  4.34 Fibre length**  mm  1.12  1.06  1.04  1.03  0.98 

Calendered sheets testing (150 kN/m), NSI laboratory, Halden, Norway  Density  kg/m3  ‐  ‐  923  933  946 PPS  μm  ‐  ‐  1.58  1.48  1.53 PPS (rewetted)  μm  ‐  ‐  2.14  2.02  2.00 Air perm.  ml/min  ‐  ‐  15.5  11.6  8.5  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 36 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 770 ml CSF, 205 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length measured using PQM1000

118 

Table 23. Refining and testing data for ATMP (Mg+P) Picea glauca* (Papers IV- VI)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

Applied energy  MWh/odt  0.66  0.96  1.13  1.32  1.50 Total energy  MWh/odt  0.90  1.86  2.03  2.22  2.39 Refiner speed  rpm  2300  1200  1200  1200  1200 Casing pressure  bar  5.2  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Casing temp.  °C  161  Atm.  Atm.  Atm.  Atm. Refiner mode  ‐  Expel  ‐  ‐  ‐  ‐ Sample   ‐  A23  A24  A25  A26  A27 Input sample   ‐  A6  A23  A23  A23  A23 

TAPPI testing, Andritz laboratory, Springfield, USA Shives (Pulmac)  %  1.22  0.1  0.04  0.02  0 Brightness, ISO  %  58.9  63.1  64.9  66.1  66.3 BMN 14 mesh  %  12.0  9.0  7.8  7.3  6.2 BMN 28 mesh  %  28.9  27.2  25.4  25.1  23.8 BMN 48 mesh  %  19.2  18.1  17.6  18.0  17.6 BMN 100 mesh  %  11.9  13.6  12.5  13.0  12.9 BMN 200 mesh  %  6.3  7.6  7.7  8.1  8.4 BMN <200  %  21.7  24.5  29.0  28.5  31.1 Freeness (CSF)  ml  460  111  76  51  48 Tensile index  N.m/g  26.9  50.2  53.4  58.8  57.3 Tear index  mN.m2/g  9.0  9.4  8.5  8.1  7.9 Elongation  %  1.58  2.41  2.47  2.75  2.51 TEA  J/m2  17.2  46.5  50.5  62.4  55.1 Light scattering  m2/kg  51.3  57.7  57.9  57.4  60.2 Light abs.  m2/kg  1.82  1.63  1.55  1.47  1.59 Fibre length**  mm  1.14  1.05  1.02  0.99  0.97 

Calendered sheets testing (150 kN/m), NSI laboratory, Halden, Norway Density  kg/m3  ‐  938  922  938  ‐ PPS  μm  ‐  1.55  1.50  1.44  ‐ PPS (rewetted)  μm  ‐  2.16  2.04  1.92  ‐ Air perm.  ml/min  ‐  14.8  11.8  8.1  ‐  * Data for the mechanical pre‐treatment 

‐ Impressafiner: 38 rpm, 1.5 bars pressure, 15 s. residence time, 36 kWh/odt ‐ Fiberizer (SD361CP): 1.7 bars, 138 °C, expel, 770 ml CSF, 205 kWh/odt 

** Area weighted average fibre length, measured using PQM1000 

119 

Table 24. Fibre characterisation data, Picea glauca (Papers IV, V, VI)  

Unit 

1st  stage 

SD361CP 

2nd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

2rd  stage 

DD401 

Fibre characterisation, PFI laboratory, Trondheim, Norway TMP    A1  A2  A3  A4  A5 S3A index  m2/g  11.10 

±0.25 ‐  16.68 

±0.52 16.29 ±1.23 

17.99 ±1.08 

Bendability  %  6.1±0.3  ‐  6.8±0.2  6.9±0.3  7.3±0.3 Coarseness  ug/m  168±28  ‐  98±3  98±8  94±2 Wall thickn.  μm  2.24 

±0.07 ‐  2.09 

±0.06 2.02 ±0.05 

2.12 ±0.05 

Split fibre index  %  6.5  ‐  7.7  8.7  8.9 ATMP (aq.)    A10  A12  A13  A14  A15 S3A index  m2/g  11.42 

±0.70 ‐  16.78 

±0.84 17.71 ±1.06 

18.29 ±1.65 

Bendability  %  5.7±0.2  ‐  6.8±0.1  6.9±0.2  7.0±0.2 Coarseness  ug/m  118±4  ‐  97±3  95±2  94±3 Wall thickn.  μm  2.26 

±0.06 ‐  2.11 

±0.05 2.06 ±0.05 

2.19 ±0.06 

Split fibre index  %  8.3  ‐  9.6  12.5  10.1 ATMP (Mg+P)    A23  A24  A25  A26  A27 S3A index  m2/g  11.88 

±0.58 16.76 ±0.91 

19.46 ±1.0 

18.51 ±1.34 

‐ 

Bendability  %  5.6±0.1  6.9±0.2  7.2±0.1  7.1±0.1  ‐ Coarseness  ug/m  118±6  96±5  93±2  91±2  ‐ Wall thickn.  μm  2.23 

±0.06 2.22 ±0.06 

2.16 ±0.05 

2.16 ±0.05 

‐ 

Split fibre index  %  8.3  10.3  11.2  13.2  ‐