Characterisation of Laser Beam and Paper Material Interaction

It is known already from 1970´s that laser beam is suitable for processing paper materials. In this thesis, term paper materials mean all wood-fibre based materials, like dried pulp, copy paper, newspaper, cardboard, corrugated board, tissue paper etc. Accordingly, laser processing in this thesis means all laser treatments resulting material removal, like cutting, partial cutting, marking, creasing, perforation etc. that can be used to process paper materials. Laser technology provides many advantages for processing of paper materials: non-contact method, freedom of processing geometry, reliable technology for non-stop production etc. Especially packaging industry is very promising area for laser processing applications. However, there are only few industrial laser processing applications worldwide even in beginning of 2010´s. One reason for small-scale use of lasers in paper material manufacturing is that there is a shortage of published research and scientific articles. Another problem, restraining the use of laser for processing of paper materials, is colouration of paper material i.e. the yellowish and/or greyish colour of cut edge appearing during cutting or after cutting. These are the main reasons for selecting the topic of this thesis to concern characterization of interaction of laser beam and paper materials. This study was carried out in Laboratory of Laser Processing at Lappeenranta University of Technology (Finland). Laser equipment used in this study was TRUMPF TLF 2700 carbon dioxide laser that produces a beam with wavelength of 10.6 μm with power range of 190-2500 W (laser power on work piece). Study of laser beam and paper material interaction was carried out by treating dried kraft pulp (grammage of 67 g m-2) with different laser power levels, focal plane postion settings and interaction times. Interaction between laser beam and dried kraft pulp was detected with different monitoring devices, i.e. spectrometer, pyrometer and active illumination imaging system. This way it was possible to create an input and output parameter diagram and to study the effects of input and output parameters in this thesis. When interaction phenomena are understood also process development can be carried out and even new innovations developed. Fulfilling the lack of information on interaction phenomena can assist in the way of lasers for wider use of technology in paper making and converting industry. It was concluded in this thesis that interaction of laser beam and paper material has two mechanisms that are dependent on focal plane position range. Assumed interaction mechanism B appears in range of average focal plane position of 3.4 mm and 2.4 mm and assumed interaction mechanism A in range of average focal plane position of 0.4 mm and -0.6 mm both in used experimental set up. Focal plane position 1.4 mm represents midzone of these two mechanisms. Holes during laser beam and paper material interaction are formed gradually: first small hole is formed to interaction area in the centre of laser beam cross-section and after that, as function of interaction time, hole expands, until interaction between laser beam and dried kraft pulp is ended. By the image analysis it can be seen that in beginning of laser beam and dried kraft pulp material interaction small holes off very good quality are formed. It is obvious that black colour and heat affected zone appear as function of interaction time. This reveals that there still are different interaction phases within interaction mechanisms A and B. These interaction phases appear as function of time and also as function of peak intensity of laser beam. Limit peak intensity is the value that divides interaction mechanism A and B from one-phase interaction into dual-phase interaction. So all peak intensity values under limit peak intensity belong to MAOM (interaction mechanism A one-phase mode) or to MBOM (interaction mechanism B onephase mode) and values over that belong to MADM (interaction mechanism A dual-phase mode) or to MBDM (interaction mechanism B dual-phase mode). Decomposition process of cellulose is evolution of hydrocarbons when temperature is between 380- 500°C. This means that long cellulose molecule is split into smaller volatile hydrocarbons in this temperature range. As temperature increases, decomposition process of cellulose molecule changes. In range of 700-900°C, cellulose molecule is mainly decomposed into H2 gas; this is why this range is called evolution of hydrogen. Interaction in this range starts (as in range of MAOM and MBOM), when a small good quality hole is formed. This is due to “direct evaporation” of pulp via decomposition process of evolution of hydrogen. And this can be seen can be seen in spectrometer as high intensity peak of yellow light (in range of 588-589 nm) which refers to temperature of ~1750ºC. Pyrometer does not detect this high intensity peak since it is not able to detect physical phase change from solid kraft pulp to gaseous compounds. As interaction time between laser beam and dried kraft pulp continues, hypothesis is that three auto ignition processes occurs. Auto ignition of substance is the lowest temperature in which it will spontaneously ignite in a normal atmosphere without an external source of ignition, such as a flame or spark. Three auto ignition processes appears in range of MADM and MBDM, namely: 1. temperature of auto ignition of hydrogen atom (H2) is 500ºC, 2. temperature of auto ignition of carbon monoxide molecule (CO) is 609ºC and 3. temperature of auto ignition of carbon atom (C) is 700ºC. These three auto ignition processes leads to formation of plasma plume which has strong emission of radiation in range of visible light. Formation of this plasma plume can be seen as increase of intensity in wavelength range of ~475-652 nm. Pyrometer shows maximum temperature just after this ignition. This plasma plume is assumed to scatter laser beam so that it interacts with larger area of dried kraft pulp than what is actual area of beam cross-section. This assumed scattering reduces also peak intensity. So result shows that assumably scattered light with low peak intensity is interacting with large area of hole edges and due to low peak intensity this interaction happens in low temperature. So interaction between laser beam and dried kraft pulp turns from evolution of hydrogen to evolution of hydrocarbons. This leads to black colour of hole edges.

Comparison of Biomass Gasification Technologies for Natural Gas Substitution in Iron Ore Pelletizing Plants

The iron ore pelletizing process consumes high amounts of energy, including nonrenewable sources, such as natural gas. Due to fossil fuels scarcity and increasing concerns regarding sustainability and global warming, at least partial substitution by renewable energy seems inevitable. Gasification projects are being successfully developed in Northern Europe, and large-scale circulating fluidized bed biomass gasifiers have been commissioned in e.g. Finland. As Brazil has abundant biomass resources, biomass gasification is a promising technology in the near future. Biomasses can be converted into product gas through gasification. This work compares different technologies, e.g. air, oxygen and steam gasification, focusing on the use of the product gas in the indurating machine. The use of biosynthetic natural gas is also evaluated. Main parameters utilized to assess the suitability of product gas were adiabatic flame temperature and volumetric flow rate. It was found that low energy content product gas could be utilized in the traveling grate, but it would require burner’s to be changed. On the other hand, bio-SGN could be utilized without any adaptions. Economical assessment showed that all gasification plants are feasible for sizes greater than 60 MW. Bio-SNG production is still more expensive than natural gas in any case.

Kyberaseiden vaikutus kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiin

Työn tehtävänä on selvittää lähdemateriaalin avulla hyökkäys- ja puolustusmenetelmistä valtiolliseen kyberturvallisuuteen liittyvät keskeisimmät menetelmät ja niiden vaikutukset, tarkastelemalla niitä maailmalla tapahtuneiden kyberhyökkäyksien pohjalta. Tutkimuksella pyritään vastaamaan seuraaviin alakysymyksiin: minkä tyyppisiä kyberaseita käytetään kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiä vastaan, mikä on niiden vaikutus ja millaisia kyberhyökkäyksiä valtioiden kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmiä vastaan maailmalla on toteutettu sekä miten ne kyetään suojaamaan näiltä kyberuhilta? Tavoitteena on, että tutkimuksella kasvatetaan lukijan tietämystä kyberavaruuden vaaroista ja kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmistä. Keskeiset lähderyhmät ovat aiemmat tutkimukset, kirjallisuus, uutisartikkelit ja erityisesti sähköiset lähteet. Tärkeimpiä yksittäisiä lähteitä ovat muun muassa Suomen valtioneuvoston tuottama Suomen kyberturvallisuustrategia-periaatepäätös (2012) ja Mika-Jan Pullisen tekemä opinnäytetyö Kriittisten tietojärjestelmien suojaaminen kyberuhilta (2012). Tutkimusmenetelmänä käytetään kirjallisuuskatsausta. Tietojärjestelmiin hyökätessä käytetään yhä ammattimaisempia välineitä. Hyökkäystarkoituksen pohjalta suunnitellut ja valmistetut hienostuneet ohjelmistot ovat usein kyberterroristien tai jopa valtiollisten toimijoiden suunnittelemia. Kyberhyökkäyksistä vain prosentti on ollut varsinaisia valtioiden tuottamia kyberaseita. Merkittävinä kyberhyökkäyksinä voidaan pitää muun muassa Stuxnet-tietokonematoa, Flame-vakoiluohjelmaa ja Shamoon-tietokonevirusta. Kyberhyökkäyksistä Stuxnet-tietokonemadolla kyettiin tuottamaan fyysistä vahinkoa tietojärjestelmiin kohdistuvan vaikutuksen lisäksi. Kriittisen infrastruktuurin tietojärjestelmien suojaamisessa käytetään samoja menetelmiä kuin muissa yleisissä tietojärjestelmissä. Suojaus muodostuu kattavasta tietoturvasta, joka pitää sisällään hallinnollisen, henkilöstö-, fyysisen ja tietoliikenneturvallisuuden. Kriittisten tietojärjestelmien suojaus voidaan toteuttaa virustorjuntaohjelmistoilla, eristämällä kriittiset tietojärjestelmät yleisestä verkosta kokonaan, käyttämällä palomuuria, identiteetin- ja pääsynhallinnalla, vahvoilla salausmenetelmillä ja tekemällä omaa tietojärjestelmää vastaan koehyökkäyksiä, joilla löydetään tietojärjestelmän haavoittuvuudet.

Lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavien tekijöiden analytiikka: raaka-aineet, sydänlanka, rakenne ja olosuhteet

Työn tavoitteena oli tutkia lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä. Työn taustalla on yhteistyö suomalaisen kynttilävalmistajan kanssa. Kynttilävalmistajan lämpökynttilöissään käyttämän raaka-aineen hinnan noustessa, on valmistaja kiinnostunut käyttämään edullisempia raaka-aineita. Palamisen kriteerit saavuttavan kynttilän valmistaminen markkinoilla olevista uusista raaka-aineista on havaittu olevan haastavaa, ja vaatii edelleen kehitystyötä. Teoriaosassa käytiin läpi kynttilänvalmistusta yleisesti, RAL-laatustandardin asettamat kriteerit lämpökynttilälle, palamiseen vaikuttavia tekijöitä sekä työn kokeellisessa osassa käytettyjen analyysimenetelmien periaatteet. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin erilaisten kynttiläraaka-aineiden koostumusta ja ominaisuuksia sekä sydänlankojen rakennetta. Lisäksi tutkittiin, miten sydänlangan sisältämien säikeiden määrä, eri raaka-aineiden seossuhteiden muutos sekä jäähdytyslämpötilan muutos vaikuttavat lämpökynttilän palo-ominaisuuksiin. Työssä myös selvitettiin muutaman markkinoilla olevan kynttilän raaka-ainekoostumus. Tutkimuksissa havaittiin, että vaadittavan liekin korkeuden saavuttamiseksi viskositeetti on yksi raaka-aineen tärkeimmistä ominaisuuksista. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa tarvitaan paksumpi sydänlanka. Raaka-aineen viskositeetin kasvaessa liekin korkeus ei aina pienene, koska liekin korkeuteen vaikuttaa myös langalle tehty kemiallinen käsittely. Mitä korkeampi kynttilän liekki on, sitä suurempi on raaka-aineen kulutus eli palovuo ja tällöin liekin korkeus vaikuttaa myös kynttilän paloaikaan. Kokeissa havaittiin, että liekin korkeuden ollessa vakio, palovuo oli korkein steariinilla. Steariinin jälkeen tulivat palmuvaha ja parafiini. Tällöin parafiinia tarvittiin vähemmän vastaavan paloajan saavuttamiseksi. Nopean jäähdytyksen havaittiin vaikuttavan palmuvahan palovuohon alentavasti, vaikka jäähdytystavalla ei ollut vaikutusta liekin korkeuteen.

Palmupohjaisten raaka-aineiden soveltuvuus lämpökynttilämateriaaliksi

Työssä tutkittiin palmupohjaisten raaka-aineiden soveltuvuutta lämpökynttilän valmistukseen steariinin ja parafiinin kanssa. Palmupohjaiset raaka-aineet ovat halvempia kuin steariini ja parafiini, joten raaka-aineen korvaaminen palmupohjaisilla raaka-aineilla voisi tuoda säästöä kynttilänvalmistajalle. Lisäksi niillä voidaan vaikuttaa lämpökynttilän ominaisuuksiin. Teoriaosassa käsiteltiin lämpökynttilän raaka-aineista steariini, parafiini ja palmusteariini. Osassa selitettiin RAL-laatustandardin Quality Mark Candles vaatimukset lämpökynttilälle sekä valuastialle ja keskusteltiin valulämpötilan, jäähdytyksen, viskositeetin ja haaroittuneiden yhdisteiden lukumäärän vaikutuksesta lämpökynttilän koostumukseen. Kokeellisessa osassa valmistettiin lämpökynttilöitä steariinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seoksista palmuraaka-aineiden määrillä 10, 20 ja 30 m- %:a. Parafiinin ja palmusteariinin sekä palmun mid-fraktion seokset valmistettiin palmuraaka-aineiden osuuksilla 10, 20, 40 ja 50 m- %:a ja myös palmusteariinin soft-fraktiolla kokeiltiin seosta 50 m- %:lla. Steariinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seokset eivät toimineet ainakaan käytetyillä sydänlangoilla. Liekinkorkeudet olivat alhaisia eivätkä visuaaliset vaatimukset täyttyneet. Parafiinin ja palmupohjaisten raaka-aineiden seoksista valmistetut kynttilät paloivat ideaalisesti palmuraaka-aineiden osuuksilla 35 – 50 m- %:a. Tulosten perusteella fraktion valinnalla ei näyttänyt olevan merkitystä, mutta palmusteariini on ominaisuuksiensa puolesta kynttilänvalmistukseen soveltuvin. Liekinkorkeus ja palovuo laskivat lineaarisesti palmuraaka-aineen osuuden kasvaessa parafiinikynttilässä.

Henkilöstöraportointi strategisen henkilöstöjohtamisen tukena - Case Eteva kuntayhtymä

Organisaatiot kohtaavat jatkuvasti uusia ja vaativia haasteita. Organisaatiot tarvit-sevat henkilöstön asiantuntemusta ja osaamista, jotta voisivat menestyä kaiken aikaa kovenevassa kilpailutilanteessa. Henkilöstön osaaminen, tiedot ja taidot on tunnistettu organisaation tärkeimmäksi voimavaraksi. Tämän tutkimuksen tavoit-teena oli selvittää, millaista tietoa henkilöstä organisaatiossa johtamis- ja esimies-työtä tekevät tarvitsevat strategisen henkilöstöjohtamisen tueksi. Tutkimus suoritettiin tapaustutkimuksena kehitysvammapalveluja tuottavassa or-ganisaatiossa. Empiirinen aineisto kerättiin ja analysoitiin määrällisin menetelmin kyselytutkimuksena. Analysoinnissa käytettiin lisäksi sisällön analyysia. Tutki-muskysely kohdennettiin kohdeorganisaatiossa johtamis- ja esimiestyötä tekevil-le. Kohdeorganisaation johtamis- ja esimiestyötä tekevät tarvitsevat strategisen hen-kilöstöjohtamisen tueksi monipuolista laadullista ja määrällistä tietoa henkilöstös-tä ja taloudesta sekä palautetta oman esimiestyön laadusta. Tieto henkilöstön työhyvinvoinnista ja työtyytyväisyydestä koettiin tärkeäksi. Tuotetut tiedot tulisi olla saatavissa yhdestä paikasta. Esimiehet tarvitsevat myös osaamisen vahvistamista tuotetun tiedon tulkintaan ja käsittelyyn.

Prodrug strategies of antiviral nucleotides: Studies on enzymatically and thermally removable phosphate protecting groups

Antiviral nucleosides are compounds that are used against viruses, such as human immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus (HCV). To act as therapeutic agent, the antiviral nucleoside needs to be phosphorylated to nucleotide in the body in three consecutive phosphorylation steps by cellular or viral enzymes. The first phosphorylation to the nucleoside monophosphate is often inefficient and leads to poor antiviral activity. The antiviral efficacy can be improved by applying a prodrug strategy and delivering the antiviral nucleoside directly as its monophosphate. In prodrug strategies of antiviral nucleotides, the negative charges on the phosphate moiety are temporarily masked with protecting groups. Once inside the cell, the protecting groups are removed by enzymatic or chemical processes. Many prodrug strategies apply biodegradable protecting groups, the removal of which is triggered by esterase enzymes. Several studies have, however, demonstrated that the removal rate of the second and subsequent esterase labile protecting groups significantly slows down after the first protecting group is removed due to the negative charge on the phosphodiester intermediate, which disturbs the catalytic site of the enzyme. In this thesis, esterase labile protecting group strategies where the issue of retardation could be avoided were studied. Prodrug candidates of antiviral nucleotides were synthesized and kinetic studies on the chemical and enzymatic stability were carried out. In the synthesized compounds, the second protecting group is cleaved from the monophosphate some other mechanism than esterase triggered activation or the structure of prodrug requires only one protecting group. In addition, esterase labile protecting group which is additionally thermally removable was studied. This protecting group was cleaved from oligomeric phosphodiesters both enzymatically and thermally and seems most attractive of the studied phosphate protecting groups. However, the rate of the thermal removal still is too slow to allow efficient protection of longer oligonucleotides and needs optimization. Key words: antiviral, nucleotide, prodrug, protecting group, biodegradable

A modified nominal stress method for fatigue assessment of steel plates with thermally cut edges

Thermal cutting methods, are commonly used in the manufacture of metal parts. Thermal cutting processes separate materials by using heat. The process can be done with or without a stream of cutting oxygen. Common processes are Oxygen, plasma and laser cutting. It depends on the application and material which cutting method is used. Numerically-controlled thermal cutting is a cost-effective way of prefabricating components. One design aim is to minimize the number of work steps in order to increase competitiveness. This has resulted in the holes and openings in plate parts manufactured today being made using thermal cutting methods. This is a problem from the fatigue life perspective because there is local detail in the as-welded state that causes a rise in stress in a local area of the plate. In a case where the static utilization of a net section is full used, the calculated linear local stresses and stress ranges are often over 2 times the material yield strength. The shakedown criteria are exceeded. Fatigue life assessment of flame-cut details is commonly based on the nominal stress method. For welded details, design standards and instructions provide more accurate and flexible methods, e.g. a hot-spot method, but these methods are not universally applied to flame cut edges. Some of the fatigue tests of flame cut edges in the laboratory indicated that fatigue life estimations based on the standard nominal stress method can give quite a conservative fatigue life estimate in cases where a high notch factor was present. This is an undesirable phenomenon and it limits the potential for minimizing structure size and total costs. A new calculation method is introduced to improve the accuracy of the theoretical fatigue life prediction method of a flame cut edge with a high stress concentration factor. Simple equations were derived by using laboratory fatigue test results, which are published in this work. The proposed method is called the modified FAT method (FATmod). The method takes into account the residual stress state, surface quality, material strength class and true stress ratio in the critical place.

Lignoselluloosapohjaisten väkevähappohydrolysaattien kromatografinen fraktiointi

Väkevän hapon katalysoiman hydrolyysin avulla lignoselluloosasta on mahdollista valmistaa arvokkaita sokereita. Katalyyttinä toimiva happo voidaan käyttää uudelleen hydrolyysissä, jos se saadaan erotettua sokereista ilman neutralointia. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää, soveltuuko happoretardaatiotekniikka väkevähappohydrolysaatin fraktiointiin. Työssä verrattiin happoretardaatiotekniikkaa elektrolyyttiekskluusiotekniikkaan. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin happoretardaation ja elektrolyyttiekskluusion teoriaa. Lisäksi esiteltiin elektrolyyttiekskluusioon ja happoretardaatioon liittyviä tutkimuksia. Työn kokeellisessa osassa suoritettiin panoskromatografiakokeita käyttäen syöttöliuoksena rikkihappoa, etikkahappoa, glukoosia ja ksyloosia sisältävää synteettistä liuosta. Erotusmateriaaleina käytettiin neljää eri anionin- ja yhtä kationinvaihtohartsia. Kokeiden perusteella tutkittiin anioninvaihtohartsin tyypin ja kolonnin latauksen vaikutusta happoretardaatiotekniikalla saavutettavaan erotustulokseen sekä verrattiin elektrolyyttiekskluusiota happoretardaatioon. Työn tulosten perusteella rikkihappo laimeni happoretardaatiotekniikalla jopa 20-kertaisesti kromatografiakolonniin syötettyyn liuokseen verrattuna, riippumatta kolonnin latauksesta ja anioninvaihtohartsista. Rikkihapon laimenemisen vuoksi happoretardaatio ei soveltunut lignoselluloosapohjaisten väkevähappohydrolysaattien fraktiointiin. Elektrolyyttiekskluusiotekniikalla rikkihapon laimeneminen oli merkittävästi vähäisempää, minkä vuoksi elektrolyyttiekskluusion todettiin soveltuvan happoretardaatiota paremmin lignoselluloosapohjaisten väkevähappohydrolysaattien fraktiointiin.