The Sottunga-Jurmo shear zone : structure and deformation history of a crustal-scale ductile shear zone in SW Finland

The aim of this study is to gain a better understanding of the structure and the deformation history of a NW-SE trending regional, crustal-scale shear structure in the Åland archipelago, SW Finland, called the Sottunga-Jurmo shear zone (SJSZ). Approaches involving e.g. structural geology, geochronology, geochemistry and metamorphic petrology were utilised in order to reconstruct the overall deformation history of the study area. The study therefore describes several features of the shear zone including structures, kinematics and lithologies within the study area, the ages of the different deformation phases (ductile to brittle) within the shear zone, as well as some geothermobarometric results. The results indicate that the SJSZ outlines a major crustal discontinuity between the extensively migmatized rocks NE of the shear zone and the unmigmatised, amphibolite facies rocks SW of the zone. The main SJSZ shows overall dextral lateral kinematics with a SW-side up vertical component and deformation partitioning into pure shear and simple shear dominated deformation styles that was intensified toward later stages of the deformation history. The deformation partitioning resulted in complex folding and refolding against the SW margin of the SJSZ, including conical and sheath folds, and in a formation of several minor strike-slip shear zones both parallel and conjugate to the main SJSZ in order to accommodate the regional transpressive stresses. Different deformation phases within the study area were dated by SIMS (zircon U-Pb), ID-TIMS (titanite U-Pb) and 40Ar/39Ar (pseudotachylyte wholerock) methods. The first deformation phase within the ca. 1.88 Ga rocks of the study area is dated at ca. 1.85 Ga, and the shear zone was reactivated twice within the ductile regime (at ca. 1.83 Ga and 1.79 Ga), during which the strain was successively increasingly partitioned into the main SJSZ and the minor shear zones. The age determinations suggest that the orogenic processes within the study area did not occur in a temporal continuum; instead, the metamorphic zircon rims and titanites show distinct, 10-20 Ma long breaks in deformation between phases of active deformation. The results of this study further imply slow cooling of the rocks through 600-700ºC so that at 1.79 Ga, 2 the temperature was still at least 600ºC. The highest recorded metamorphic pressures are 6.4-7.1 kbar. At the late stages or soon after the last ductile phase (ca. 1.79 Ga), relatively high-T mylonites and ultramylonites were formed, witnessing extreme deformation partitioning and high strain rates. After the rocks reached lower amphibolite facies to amphibolite-greenschist facies transitional conditions (ca. 500-550ºC), they cooled rapidly, probably due to crustal uplift and exhumation. The shear zone was reactivated at least once within the semi-brittle to brittle regime between ca. 1.79 Ga and 1.58 Ga, as evidenced by cataclasites and pseudotachylytes. In summary, the results of this study suggest that the Sottunga-Jurmo shear zone (and the South Finland shear zone) defines a major crustal discontinuity, and played a central role in accommodating the regional stresses during and after the Svecofennian orogeny.

Enhancing performance of paper coatings by tailor-made plastic pigments

The paper industry is constantly looking for new ideas for improving paper products while competition and raw material prices are increasing. Many paper products are pigment coated. Coating layer is the top layer of paper, thus by modifying coating pigment also the paper itself can be altered and value added to the final product. In this thesis, synthesis of new plastic and hybrid pigments and their performance in paper and paperboard coating is reported. Two types of plastic pigments were studied: core-shell latexes and solid beads of maleimide copolymers. Core-shell latexes with partially crosslinked hydrophilic polymer core of poly(n-butyl acrylate-co-methacrylic acid) and a hard hydrophobic polystyrene shell were prepared to improve the optical properties of coated paper. In addition, the effect of different crosslinkers was analyzed and the best overall performance was achieved by the use of ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). Furthermore, the possibility to modify core-shell latex was investigated by introducing a new polymerizable optical brightening agent, 1-[(4-vinylphenoxy)methyl]-4-(2-henylethylenyl)benzene which gave promising results. The prepared core-shell latex pigments performed smoothly also in pilot coating and printing trials. The results demonstrated that by optimizing polymer composition, the optical and surface properties of coated paper can be significantly enhanced. The optimal reaction conditions were established for thermal imidization of poly(styrene-co-maleimide) (SMI) and poly(octadecene-co-maleimide) (OMI) from respective maleic anhydride copolymer precursors and ammonia in a solvent free process. The obtained aqueous dispersions of nanoparticle copolymers exhibited glass transition temperatures (Tg) between 140-170ºC and particle sizes from 50-230 nm. Furthermore, the maleimide copolymers were evaluated in paperboard coating as additional pigments. The maleimide copolymer nanoparticles were partly imbedded into the porous coating structure and therefore the full potential of optical property enhancement for paperboard was not achieved by this method. The possibility to modify maleimide copolymers was also studied. Modifications were carried out via N-substitution by replacing part of the ammonia in the imidization reaction with amines, such as triacetonediamine (TAD), aspartic acid (ASP) and fluorinated amines (2,2,2- trifluoroethylamine, TFEA and 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobuthylamine, HFBA). The obtained functional nanoparticles varied in size between 50-217 nm and their Tg from 150-180ºC. During the coating process the produced plastic pigments exhibited good runnability. No significant improvements were achieved in light stability with TAD modified copolymers whereas nanoparticles modified with aspartic acid and those containing fluorinated groups showed the desired changes in surface properties of the coated paperboard. Finally, reports on preliminary studies with organic-inorganic hybrids are presented. The hybrids prepared by an in situ polymerization reaction consisted of 30 wt% poly(styrene- co-maleimide) (SMI) and high levels of 70 wt% inorganic components of kaolin and/or alumina trihydrate. Scanning Electron Microscopy (SEM) images and characterization by Fourier Transform Infrared Spcetroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) revealed that the hybrids had conventional composite structure and inorganic components were covered with precipitated SMI nanoparticles attached to the surface via hydrogen bonding. In paper coating, the hybrids had a beneficial effect on increasing gloss levels.

Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää jätteenpolton typenoksidipäästöjen puhdistusmahdollisuuksia. Työssä käydään läpi typen oksidien muodostuminen poltossa ja typen oksidien poistomenetelmät. Poistomenetelmiä käsiteltäessä painotus on arinapoltossa ja erityisesti selektiivisessä ei-katalyyttimenetelmässä (SNCR). Työn kokeellinen osa tehtiin Ekokem Oy Ab:n jätevoimalassa Riihimäellä. Kokeellisessa osassa selvitettiin ensin ammoniakkiveden massavirran, SNCR-laitteiston veden massavirran ja räjähdysnuohouksen vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Samalla selvitettiin muita typenoksidipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus. Sen jälkeen selvitettiin parhaita toiminta-arvoja öljyisen veden massavirralle, SNCR-laitteiston massavirralle ja primääri- ja sekundääri-ilman suhteelle typenoksidipitoisuuden, ammoniakki-slip:n, ilokaasupitoisuuden, ammoniakkiveden kulutuksen ja höyryn tuotannon kannalta. Tulokseksi saatiin, että ammoniakkiveden massavirran lisääminen pienentää typenoksidipitoisuutta, mutta voi aiheuttaa ammoniakkipäästön. Paras SNCR-laitteiston veden massavirta on suurin tutkittu, 800 kg/h, jolloin typenoksidipitoisuus sekä typenoksidipitoisuuden hetkittäinen vaihtelu, ammoniakkiveden kulutus ja ammoniakkipäästö ovat pienimmät. Samalla tosin höyryn virtaama pienenee. SNCR-laitteiston puhdistustehokkuudeksi saatiin 60 %. Räjähdysnuohouksella ei ole havaittavaa, eikä öljyisen veden massavirralla merkittävää vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Ammoniakkiveden kulutuksen kannalta paras öljyisen veden määrä on 600 kg/h, kun taas ammoniakki-slip:n kannalta paras öljyisen veden määrä on 950 kg/h. Primääri-ilman osuuden pienentäminen pienentää ammoniakki-slip:iä ja ammoniakkiveden kulutusta.

Hakun kulutusosien materiaalivaihtoehdot sellutehtaan puunkäsittelylaitoksen erilaisiin prosessiolosuhteisiin

Selluteollisuuden puunkäsittelylaitoksilla laitteiden kuluminen on prosessin luonteesta johtuen suurta ja kulumisen aiheuttamat kunnossapitokustannukset laitteiden elinkaaren aikana ovat huomattavia. Näissä olosuhteissa toimivan hakun osien kulumista on tutkittu ja tutkimusten pohjalta on kehitetty kulutusta kestäviä materiaalivaihtoehtoja. Vaihtoehtojen vertailut prosesseittain kuitenkin puuttuvat. Terävasteen osalta tutkimus- ja kehitystyötä on tehty vähän. Tässä diplomityössä selvitetään ja vertaillaan hakun kulutusosien kulumismekanismeja, osien materiaalivaihtoehtoja, valmistus- ja kunnostusmenetelmiä ja -kustannuksia laitteen elinkaaren aikana kolmessa erilaisessa puunkäsittelyprosessissa. Työssä annetaan suosituksia kuhunkin prosessiin ja kunnossapitostrategiaan parhaiten soveltuvista ratkaisuista. Työn Case-osuudessa tutkitaan uusia kulutusta kestäviä materiaalivaihtoehtoja terävasteelle. Case-tutkimuksen tuloksena löydettiin terävasteelle kolme uutta materiaalivaihtoehtoa sekä muita vaihtoehtoja, joiden käyttökelpoisuutta kannattaa tutkia lisää. Samalla saatiin terävasteelle parempaan laatuun pystyvä ja kilpailukykyisempi toimittaja. Tutkimuksen perusteella saatiin uusia suosituksia myös muiden kulutusosien materiaali- ja/tai pinnoitusvaihtoehdoiksi. Tuloksista voidaan mainita lisäksi, että kulutusosille löydettiin suositeltavimmat elinkaarikustannuksiltaan edullisimmat vaihtoehdot. Kulutusosien kunnostamiseen liittyen havaittiin, että kunnostaminen on kannattavaa yhtä poikkeusta lukuun ottamatta. Kunnostusprosessista löydettiin kehitettävää. Työn tuloksena saatiin myös useita uusia kehittämisideoita ja runsaasti suosituksia jatkotoimenpiteistä. Hakun kulutusosien nykytilasta saatiin hyvä käsitys ja kattava tietopaketti.

Uusintamurtumien ehkäisy kaatumisen aiheuttaman yläraajamurtuman kokeneilla yli 50-vuotiailla henkilöillä

Tarkoitus: Tarkoituksena oli selvittää murtumien tehostetun ehkäisyohjelman vaikutuksia yläraajamurtuman saaneiden yli 50-vuotiaiden henkilöiden elämäntapoihin, murtumien riskitekijöihin, kaatumisiin, kaatumisvammoihin ja elämänlaatuun. Aineisto: 219 yli 50-vuotiasta kotona asuvaa, kaatumisen seurauksena yläraajamurtuman saanutta henkilöä satunnaistettiin koe- (n = 105) ja kontrolliryhmiin (n = 114). Menetelmä: Koeohjelma sisälsi yksilöllisen, yhdessä lääkärin, terveydenhoitajan ja tutkittavan kanssa laaditun hoito- ja kuntoutussuunnitelman sekä kutsun murtumien ehkäisyn koulutusohjelmaan. Kontrolliryhmän tutkittavat saivat kehotuksen hakeutua murtumahoitajan ohjaukseen. Seuranta-aika oli 14 kuukautta. Tulokset analysoitiin ryhmissä tapahtuneina muutoksina alkuja loppumittausten välillä sekä ryhmien välisenä erona muutoksissa. Tulokset: Keskimääräinen luun tiheys lannerangassa lisääntyi koeryhmässä (p<0,001) ja kontrolliryhmässä (p = 0,038), ryhmien välinen ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä (p = 0,134). Reisiluun kaulassa luun tiheys ei muuttunut kummassakaan ryhmässä. Päivittäinen kalsiumin saanti lisääntyi koeryhmässä keskimäärin 167 mg (p<0,001) ja kontrolliryhmässä 30 mg (p = 0,475), ryhmien välinen ero oli tilastollisesti merkitsevä (p = 0,031). Kala-ateriat ja päivittäinen D-vitamiinilisä sekä kenkien liukuesteiden säännöllinen käyttö liukkaalla lisääntyivät molemmissa ryhmissä, mutta ryhmien välillä ei ollut eroa. Viiteen tuolilta nousukertaan käytetty aika vähentyi koeryhmässä keskimäärin 0,49 sekuntia (p = 0,185) ja lisääntyi kontrolliryhmässä 0,39 (p = 0,475), ero ryhmien välillä oli tilastollisesti merkitsevä (p = 0,02). Kymmenen metrin kävelyssä ei tapahtunut tulosten keskiarvossa muutoksia kummassakaan ryhmässä. Ortostatismi vähentyi kontrolliryhmässä (p = 0,049), ja masentuneisuus vähentyi koeryhmässä (p = 0,041), mutta ryhmien välillä ei näissä ollut merkitsevää eroa. Osteoporoosilääkkeiden käyttö lisääntyi molemmissa ryhmissä, ryhmien välillä ei ollut eroa. Alkoholin käytössä oli vähäisiä mutta ei merkittäviä muutoksia. Muissa testatuissa muuttujissa, kuten liikunnan viikoittainen määrä, tupakointi, näkökyky, tasapaino ja elämänlaatu, ei ollut merkitseviä muutoksia ryhmissä tai ryhmien välillä. Kaatumisten (koeryhmä 33, kontrolliryhmä 35) ja murtumien (koeryhmä 5 ja kontrolliryhmä 3) määrissä ei myöskään ollut merkitseviä eroja ryhmien välillä. Johtopäätökset: Noin neljällä viidestä kaatumisen seurauksena yläraajamurtuman saaneista, yli 50 vuotta täyttäneistä henkilöistä oli alentunut luun tiheys, ja noin joka toisella oli lisääntynyt kaatumisriski. Kaatumisen riskitekijöiden kliiniset mittaukset olivat nopeita toteuttaa ja auttoivat ehkäisytoimenpiteiden suunnittelussa. Murtuman saaneet olivat motivoituneita murtumien riskitekijöiden selvittämiseen ja myös toteuttamaan annettua lääkehoitoa. Elämäntavoissa helpoimmin toteutuivat muutokset ruokailutottumuksissa. Liikuntatottumuksien muuttaminen sen sijaan onnistui melko huonosti. Ryhmien välillä oli merkitsevä ero ainoastaan kalsiumin päivittäisessä käytössä ja tuolilta nousutestissä. Murtumariskien tunnistaminen, niiden syiden selvittäminen ja toimenpiteiden käynnistäminen riskien vähentämiseksi tulisi kuulua jokaisen pienienergisen murtuman saaneen potilaan kokonaisvaltaiseen hyvään hoitoon.

Upconverting Phosphor Technology: Exceptional Photoluminescent Properties Light Up Homogeneous Bioanalytical Assays

The aim of the present study was to demonstrate the wide applicability of the novel photoluminescent labels called upconverting phosphors (UCPs) in proximity-based bioanalytical assays. The exceptional features of the lanthanide-doped inorganic UCP compounds stem from their capability for photon upconversion resulting in anti-Stokes photoluminescence at visible wavelengths under near-infrared (NIR) excitation. Major limitations related to conventional photoluminescent labels are avoided, rendering the UCPs a competitive next-generation label technology. First, the background luminescence is minimized due to total elimination of autofluorescence. Consequently, improvements in detectability are expected. Second, at the long wavelengths (>600 nm) used for exciting and detecting the UCPs, the transmittance of sample matrixes is significantly greater in comparison with shorter wavelengths. Colored samples are no longer an obstacle to the luminescence measurement, and more flexibility is allowed even in homogeneous assay concepts, where the sample matrix remains present during the entire analysis procedure, including label detection. To transform a UCP particle into a biocompatible label suitable for bioanalytical assays, it must be colloidal in an aqueous environment and covered with biomolecules capable of recognizing the analyte molecule. At the beginning of this study, only UCP bulk material was available, and it was necessary to process the material to submicrometer-sized particles prior to use. Later, the ground UCPs, with irregular shape, wide size-distribution and heterogeneous luminescence properties, were substituted by a smaller-sized spherical UCP material. The surface functionalization of the UCPs was realized by producing a thin hydrophilic coating. Polymer adsorption on the UCP surface is a simple way to introduce functional groups for bioconjugation purposes, but possible stability issues encouraged us to optimize an optional silica-encapsulation method which produces a coating that is not detached in storage or assay conditions. An extremely thin monolayer around the UCPs was pursued due to their intended use as short-distance energy donors, and much attention was paid to controlling the thickness of the coating. The performance of the UCP technology was evaluated in three different homogeneous resonance energy transfer-based bioanalytical assays: a competitive ligand binding assay, a hybridization assay for nucleic acid detection and an enzyme activity assay. To complete the list, a competitive immunoassay has been published previously. Our systematic investigation showed that a nonradiative energy transfer mechanism is indeed involved, when a UCP and an acceptor fluorophore are brought into close proximity in aqueous suspension. This process is the basis for the above-mentioned homogeneous assays, in which the distance between the fluorescent species depends on a specific biomolecular binding event. According to the studies, the submicrometer-sized UCP labels allow versatile proximity-based bioanalysis with low detection limits (a low-nanomolar concentration for biotin, 0.01 U for benzonase enzyme, 0.35 nM for target DNA sequence).

DPS-Like Peroxide Resistance Protein: Structural and Functional Studies on a Versatile Nanocontainer

Oxidative stress is a constant threat to almost all organisms. It damages a number of biomolecules and leads to the disruption of many crucial cellular functions. It is caused by reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O₂), superoxide (•O₂ -), and hydroxyl radical (•OH). The most harmful of these compounds is •OH, which is only formed in cells in the presence of redox-cycling transition metals, such as iron and copper. Bacteria have developed a number of mechanisms to cope with ROS. One of the most widespread means employed by bacteria is the DNA-binding proteins from starved cells (Dps). Dps proteins protect the cells by binding and oxidizing Fe2+, thus greatly reducing the production of •OH. The oxidized iron is stored inside the protein as an iron core. In addition, Dps proteins bind directly to DNA forming a protective coating that shields DNA from harmful agents. Moreover, Dps proteins have been found to elicit other protective functions in cells and to participate in bacterial virulence. Dps proteins are of special importance to Streptococci owing to the lack of catalase in this genus of bacteria.This study was focused on structural and functional characterization of streptococcal Dpslike peroxide resistance (Dpr) proteins. Initially, crystal structures of Streptococcus pyogenes Dpr were determined. The data confirmed the presence of a di-metal ferroxidase center (FOC) in Dpr proteins and revealed the presence of a novel N-terminal helix as well as a surface metal-binding site. The crystal structures of Streptococcus suis Dpr complexed with transition metals demonstrated the metal specificity of the FOC. Solution binding studies also indicated the presence of a di-metal FOC. These results suggested a possible role for Dpr in the detoxification of various metals. Iron was found to mineralize inside the protein as ferrihydrite based on X-ray absorption spectroscopy data. The iron core was found to exhibit clear superparamagnetic behaviour using magnetic and Mössbauer measurements. The results from this study are expected to further increase our understanding on the binding, oxidation, and mineralization of iron and other metals in Dpr proteins. In particular, the structural and magnetic properties of the iron core can form a basis for potential new applications in nanotechnology. From the streptococcal viewpoint, the results would help in understanding better the complicated picture of bacterial pathogenesis. Dpr proteins may also provide a novel target for drug design due to their tight involvement in bacterial virulence.

Improvement of Surface Strength of Paper

Offset printing is a popular printing method that is especially suitable for large and fast print jobs. Newspapers, magazines and books are typical examples of products printed with offset method. In high volume printing production high efficiency is essential. Offset printing uses tacky inks that cause serious stress to the paper surface. Dusting and linting are terms that describe how loose and weakly bonded particles are removed from the paper surface in the printing process. The removed particles accumulate in the process causing deteriorating print quality. This forces the printing operators to stop production for washing and cleaning. Time and money are lost. Dusting and linting tendency of paper can be decreased by improving the surface strength of paper. In the present work a method to increase the surface strength of paper was studied. In the literature part offset printing method and challenges related to offset printing are presented. A review of new methods for surface sizing of paper is also presented. The experimental part presents trials where an apparatus for improving paper surface strength was tested and developed in mill scale. Laboratory work supporting the actual mill scale operations is also presented. The acquired results provide a solid base of information to make decisions on how to proceed with research in the present field of study.

Studies in offset ink setting

The offset printing process is complex and involves the meeting of two essentially complex materials, printing ink and paper, upon which the final product is formed. It can therefore be expected that a multitude of chemical and physical interactions and mechanisms take place at the ink-paper interface. Interactions between ink and paper are of interest to both the papermakers and ink producers, as they wish to achieve better quality in the final product. The objective of this work is to clarify the combined influence of paper coating structure, printing ink and fountain solution on ink setting and the problems related to ink setting. A further aim is to identify the mechanisms that influence ink setting problems, and to be able to counteract them by changing properties of the coating layer or by changing the properties of the ink. The work carried out for this thesis included use of many techniques ranging from standard paper and printability tests to advanced optical techniques for detection of ink filaments during ink levelling. Modern imaging methods were applied for assessment of ink filament remain sizes and distribution of ink components inside pigment coating layers. Gravimetric filtration method and assessment of print rub using Ink-Surface-Interaction-Tester (ISIT) were utilized to study the influence of ink properties on ink setting. The chemical interactions were observed with the help of modified thin layer chromatography and contact angle measurements using both conventional and high speed imaging. The results of the papers in this thesis link the press operational parameters to filament sizes and show the influence of these parameters to filament size distribution. The relative importance between the press operation parameters was shown to vary. The size distribution of filaments is important in predicting the ink setting behaviour, which was highlighted by the dynamic gloss and ink setting studies. Prediction of ink setting behaviour was also further improved by use of separate permeability factors for different ink types in connection to filtration equations. The roles of ink components were studied in connection to ink absorption and mechanism of print rub. Total solids content and ratio of linseed oil to mineral oil were found to determine the degree of print rub on coated papers. Wax addition improved print rub resistance, but would not decrease print rub as much as lowering the total solids content in the ink. Linseed oil was shown to absorb into pigment coating pores by mechanism of adsorption to pore walls, which highlights the need for sufficient pore surface area for improved chromatographic separation of ink components. These results should help press operators, suppliers of printing presses, papermakers and suppliers to papermakers, to better understand the material and operating conditions of the press as it relates to various print quality issues. Even though paper is in competition with electronic media, high quality printed products are still in demand. The results should provide useful information for this segment of the industry.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Saostuman esto prosessiputken pinnalle

Työn tarkoituksena oli tutkia kirjallisuudessa esitettyjen menetelmien soveltuvuutta estää kalsiumkarbonaatin saostuminen PCC – prosessissa paperikonelinjan massansyöttöputkessa. Menetelmien heikkoudet ja toimivuudet arvioitiin lähdetietojen perusteella, joiden perusteella tehtiin johtopäätelmiä niiden toimivuudesta prosessissa ja käytettävyydestä kalsiumkarbonaattisaostuman muodostumiseen. Kirjallisuusselvitys osoittaa, että saostuma voidaan estää kemiallisesti ja sähkökemiallisesti sekä modifioimalla materiaalipintaa. Lisäksi sen muodostuminen voidaan estää ultraääniaaltojen avulla sekä indusoimalla mahdolliseen saostuskohtaan magneetti- tai sähkökenttä. Kokeellisessa osassa keskityttiin kirjallisuuden perusteella tutkimaan kalsiumkarbonaatin saostumista kaupallisilla menetelmillä. Tutkimuksissa käytettiin erilaisia pinnoitemateriaaleja, ultraääniaaltoja sekä magneettikenttää että liuossähkökemiaa. Näiden lisäksi tutkittiin saostumisen kehittymistä putkipinnalle ajan funktiona. Kokeellisten tulosten perusteella kirjallisuudessa esitetyistä menetelmistä ei suoraan mikään sovellu sellaisenaan tutkitussa prosessissa saostuman muodostumisen estoon. Koeparametrien optimointi muuttamalla tunnettuja parametreja prosessitilanteeseen paransi kalsiumkarbonaatin liukoisuutta. Tämän tutkimuksen tuloksena löytyi menetelmäkuvaus, jolla saostumien muodostuminen putkipinnoille voidaan estää.

Biopohjaiset polymeerit dispersiopäällystyksessä

Työn aiheena oli tehdä muotoiltavissa oleva rasvankestävä pakkauskartonki. Polymeeridispersiopäällystettyjä pakkauskartonkeja käytetään kertakäyttöisissä tuotteissa kuten vuoissa, kupeissa ja lautasissa. Tuotteiden on kestettävä rasvaa niiden lopputarkoituksen mukaisesti. Pakkausala jatkaa vuosittaista kasvuaan vauhdilla. Uusia kierrätettäviä biopohjaisia ja luonnolle ystävällisempiä pakkaustuotteita on kehitettävä kasvun tyydyttämiseksi. Biopohjaiset pakkaustuotteet ovat mahdollisia ratkaisuja ympäristöön kohdistuvien ongelmien vähentämiseksi ja öljypohjaisten raaka-aineiden korvaajiksi. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin dispersiopäällystyksessä käytettyihin biopolymeereihin ja niiden toimivuuteen suojaavina kalvoina. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös rasvankestoa ja rasvankestävien tuotteiden materiaaliominaisuuksia. Kirjallisuuden perusteella havaittiin luonnonpolymeerien alhaisen kuiva-ainepitoisuuden ja korkean päällystemäärätarpeen muodostamat haasteet dispersiopäällystyksessä. Pohjakartongin karheudella ja tiiveydellä sekä suojaavan polymeerin kalvon rakenteella huomattiin olevan suuri merkitys rasvankeston saavuttamiseksi. Kokeellinen osa jakautui kolmeen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin, esipilotointiin ja varsinaiseen pilot-koeajoon. Esikokeiden perusteella suojaavat kalvot, joiden raaka-aineena käytettiin biopohjaisia dispersiopolymeerejä, antoivat riittäviä rasvankesto-ominaisuuksia, mutta eivät kestäneet konvertointia. Pienellä synteettisten polymeerien lisäyksellä pystyttiin parantamaan päällystettyjen kartonkien rasvankestoa sekä konvertoitavuutta. Pilot-koeajonäytteiden testaustulokset tukivat esikokeissa tehtyjä havaintoja. Tämän työn perusteella kohtuullinen lisäysmäärä synteettistä polymeeriä voi parantaa merkittävästi biopohjaisen suojaavan kalvon antamaa rasvankestoa sekä päällystetyn kartongin konvertoitavuutta.

Elektrolyyttinen nanopinnoitus

Diplomityö on osa Savonia-amk:n hallinnoimaa ENC- pinnoitushanketta, jossa tutkitaan uuden teknologian elektrolyyttisiä kromi (III) -nanopinnoitteita. Tavoitteena oli selvittää uudella menetelmällä saavutettavat parannukset pinnoitteiden mekaanisiin ominaisuuksiin. Työ toteutettiin rakentamalla pinnoitustutkimuksen toimintaympäristö osaksi Savo-nia-amk:n materiaalitekniikan laboratorioita sekä tutkimalla eri koe- ja sovelluspinnoitteiden mekaanisia ominaisuuksia eri pinnoitusparametreilla. Työssä tutkittiin, miten nanopartikkelit sekä erilaiset pinnoitusparametrit vaikuttavat kromipinnoitteiden rakenteeseen sekä mekaaniseen suorituskykyyn.

Verhopäällystyspastojen analyysimenetelmät

Diplomityön tarkoitus oli selvittää verhopäällystyspastoille sopivia analyysimenetelmiä. Verhopäällystyksessä onnistunut päällystystapahtuma vaatii venymäviskositeetin ja pintajännityksen hyvää hallintaa. Kirjallisuusosassa käsiteltiin verhopäällystystä, verhopäällystyspastojen koostumusta, reologiaa ja pintajännitystä. Kirjallisuusosassa käsiteltiin lisäksi verhopäällystyspastojen reologian ja pintajännityksen mittaamiseen soveltuvia mittausmenetelmiä. Verhopäällystyksen luonteen vuoksi kirjallisuusosassa syvennyttiin venymäviskositeetin ja dynaamisen pintajännityksen mittaamiseen tarkoitettuihin menetelmiin. Kokeellisessa osassa tutkittiin päällystyspastasarjojen reologiaa ja pintajännitystä verhopäällystystä varten. Osaan päällystyspastoista luotiin venymäviskositeettia ja osasta laskettiin pintajännitystä. Venymäviskositeetin mittaamista varten työssä käytettiin ACAV A2 -reometriin liitettyjä teräsreikälevyjä. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten työssä käytettiin KSV BPA-800P -pintajännitysmittaria. ACAV A2 -reometriin liitettyjen teräsreikälevyjen (reiän sisähalkaisija 0,5 tai 0,7 mm) avulla mitattiin venymäviskositeettia kuvaavia Eulerin lukuarvoja onnistuneesti suurilla kiintoainepitoisuuksilla (50, 60 tai 65 p %). Erikoispaksuntajan määrää lisäämällä onnistuttiin luomaan huomattavaa venymäviskositeettia. Kiintoainepitoisuuden kasvaessa kasvoi myös venymäviskositeetti. Tavanomaisille paksuntajille mitattiin hieman kohonneita venymäviskositeetteja verrattuna referenssipäällystyspastaan. Pigmenttikoostumuksella (kalsiumkarbonaatti/kaoliini) ei näyttänyt olevan vaikutusta venymäviskositeettiin, tai vaikutus oli suhteellisen pieni. Dynaamisen pintajännityksen mittaamista varten käytössä ollut KSV BPA-800P -pintajännitysmittari ei toiminut luotettavasti, vaikka näytteitä laimennettiin. Kiintoainepitoisuudessa 10 p-% olleilla laimennoksilla saavutettiin analysoinnin kannalta parhaat tulokset. Tuloksista saatiin kuitenkin viitteitä, että kyseinen mittari voisi olla potentiaalinen menetelmä dynaamisen pintajännityksen mittaamiseksi.

Repair of segmental bone defects with fiber-reinforced composite: a study of material development and an animal model on rabbits

The Repair of segmental defects in load-bearing long bones is a challenging task because of the diversity of the load affecting the area; axial, bending, shearing and torsional forces all come together to test the stability/integrity of the bone. The natural biomechanical requirements for bone restorative materials include strength to withstand heavy loads, and adaptivity to conform into a biological environment without disturbing or damaging it. Fiber-reinforced composite (FRC) materials have shown promise, as metals and ceramics have been too rigid, and polymers alone are lacking in strength which is needed for restoration. The versatility of the fiber-reinforced composites also allows tailoring of the composite to meet the multitude of bone properties in the skeleton. The attachment and incorporation of a bone substitute to bone has been advanced by different surface modification methods. Most often this is achieved by the creation of surface texture, which allows bone growth, onto the substitute, creating a mechanical interlocking. Another method is to alter the chemical properties of the surface to create bonding with the bone – for example with a hydroxyapatite (HA) or a bioactive glass (BG) coating. A novel fiber-reinforced composite implant material with a porous surface was developed for bone substitution purposes in load-bearing applications. The material’s biomechanical properties were tailored with unidirectional fiber reinforcement to match the strength of cortical bone. To advance bone growth onto the material, an optimal surface porosity was created by a dissolution process, and an addition of bioactive glass to the material was explored. The effects of dissolution and orientation of the fiber reinforcement were also evaluated for bone-bonding purposes. The Biological response to the implant material was evaluated in a cell culture study to assure the safety of the materials combined. To test the material’s properties in a clinical setting, an animal model was used. A critical-size bone defect in a rabbit’s tibia was used to test the material in a load-bearing application, with short- and long-term follow-up, and a histological evaluation of the incorporation to the host bone. The biomechanical results of the study showed that the material is durable and the tailoring of the properties can be reproduced reliably. The Biological response - ex vivo - to the created surface structure favours the attachment and growth of bone cells, with the additional benefit of bioactive glass appearing on the surface. No toxic reactions to possible agents leaching from the material could be detected in the cell culture study when compared to a nontoxic control material. The mechanical interlocking was enhanced - as expected - with the porosity, whereas the reinforcing fibers protruding from the surface of the implant gave additional strength when tested in a bone-bonding model. Animal experiments verified that the material is capable of withstanding load-bearing conditions in prolonged use without breaking of the material or creating stress shielding effects to the host bone. A Histological examination verified the enhanced incorporation to host bone with an abundance of bone growth onto and over the material. This was achieved with minimal tissue reactions to a foreign body. An FRC implant with surface porosity displays potential in the field of reconstructive surgery, especially regarding large bone defects with high demands on strength and shape retention in load-bearing areas or flat bones such as facial / cranial bones. The benefits of modifying the strength of the material and adjusting the surface properties with fiber reinforcement and bone-bonding additives to meet the requirements of different bone qualities are still to be fully discovered.