Electrical and dielectric properties of uncoated and coated wood-free paper for electrophotography

The print substrate influences the print result in dry toner electrophotography, which is a widely used digital printing method. The influence of the substrate can be seen more easily in color printing, as that is a more complex process compared to monochrome printing. However, the print quality is also affected by the print substrate in grayscale printing. It is thus in the interests of both substrate producers and printing equipment manufacturers to understand the substrate properties that influence the quality of printed images in more detail. In dry toner electrophotography, the image is printed by transferring charged toner particles to the print substrate in the toner transfer nip, utilizing an electric field, in addition to the forces linked to the contact between toner particles and substrate in the nip. The toner transfer and the resulting image quality are thus influenced by the surface texture and the electrical and dielectric properties of the print substrate. In the investigation of the electrical and dielectric properties of the papers and the effects of substrate roughness, in addition to commercial papers, controlled sample sets were made on pilot paper machines and coating machines to exclude uncontrolled variables from the experiments. The electrical and dielectric properties of the papers investigated were electrical resistivity and conductivity, charge acceptance, charge decay, and the dielectric permittivity and losses at different frequencies, including the effect of temperature. The objective was to gain an understanding of how the electrical and dielectric properties are affected by normal variables in papermaking, including basis weight, material density, filler content, ion and moisture contents, and coating. In addition, the dependency of substrate resistivity on the electric field applied was investigated. Local discharging did not inhibit transfer with the paper roughness levels that are normal in electrophotographic color printing. The potential decay of paper revealed that the charge decay cannot be accurately described with a single exponential function, since in charge decay there are overlapping mechanisms of conduction and depolarization of paper. The resistivity of the paper depends on the NaCl content and exponentially on moisture content although it is also strongly dependent on the electric field applied. This dependency is influenced by the thickness, density, and filler contents of the paper. Furthermore, the Poole-Frenkel model can be applied to the resistivity of uncoated paper. The real part of the dielectric constant ε’ increases with NaCl content and relative humidity, but when these materials cannot polarize freely, the increase cannot be explained by summing the effects of their dielectric constants. Dependencies between the dielectric constant and dielectric loss factor and NaCl content, temperature, and frequency show that in the presence of a sufficient amount of moisture and NaCl, new structures with a relaxation time of the order of 10-3 s are formed in paper. The ε’ of coated papers is influenced by the addition of pigments and other coating additives with polarizable groups and due to the increase in density. The charging potential decreases and the electrical conductivity, potential decay rate, and dielectric constant of paper increase with increasing temperature. The dependencies are exponential and the temperature dependencies and their activation energies are altered by the ion content. The results have been utilized in manufacturing substrates for electrophotographic color printing.

Wood-derived biomaterials for biomedical applications

Driven by the global trend in the sustainable economy development and environmental concerns, the exploring of plant-derived biomaterials or biocomposites for potential biomedical and/or pharmaceutical applications has received tremendous attention. Therefore, the work of this thesis is dedicated to high-value and high-efficiency utilization of plant-derived materials, with the focus on cellulose and hemicelluloses in the field of biomedical applications in a novel biorefinery concept. The residual cellulose of wood processing waste, sawdust, was converted into cellulose nanofibrils (CNFs) with tunable surface charge density and geometric size through 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (TEMPO)-mediated oxidation and mechanical defibrillation. The sawdust-based CNFs and its resultant free-standing films showed comparable or even better mechanical properties than those from a commercial bleached kraft pulp at the same condition, demonstrating the feasibility of producing CNFs and films thereof with outstanding mechanical properties from birch sawdust by a process incorporated into a novel biorefinery platform recovering also polymeric hemicelluloses for other applications. Thus, it is providing an efficient route to upgrade sawdust waste to valuable products. The surface charge density and geometric size of the CNFs were found to play key roles in the stability of the CNF suspension, as well as the gelling properties, swelling behavior, mechanical stiffness, morphology and microscopic structural properties, and biocompatibility of CNF-based materials (i.e. films, hydrogels, and aerogels). The CNFs with tunable surface chemistry and geometric size was found promising applications as transparent and tough barrier materials or as reinforcing additive for production of biocomposites. The CNFs was also applied as structural matrices for the preparation of biocomposites possessing electrical conductivity and antimicrobial activity by in situ polymerization and coating of polypyrrole, and incorporation of silver nanoparticles, which make the material possible for potential wound healing application. The CNF-based matrices (films, hydrogels, and aerogels) with tunable structural and mechanical properties and biocompatibility were further prepared towards an application as 3D scaffolds in tissue engineering. The structural and mechanical strength of the CNF matrices could be tuned by controlling the charge density of the nanocellulose, as well as the pH and temperature values of the hydrogel formation conditions. Biological tests revealed that the CNF scaffolds could promote the survival and proliferation of tumor cells, and enhance the transfection of exogenous DNA into the cells, suggesting the usefulness of the CNF-based 3D matrices in supporting crucial cellular processes during cell growth and proliferation. The CNFs was applied as host materials to incorporate biomolecules for further biomedical application. For example, to investigate how the biocompatibility of a scaffold is influenced by its mechanical and structural properties, these properties of CNF-based composite matrices were controlled by incorporation of different hemicelluloses (O-acetyl galactoglucomanan (GGM), xyloglucan (XG), and xylan) into CNF hydrogel networks in different ratios and using two different approaches. The charge density of the CNFs, the incorporated hemicellulose type and amount, and the swelling time of the hydrogels were found to affect the pore structure, the mechanical strength, and thus the cells growth in the composite hydrogel scaffolds. The mechanical properties of the composite hydrogels were found to have an influence on the cell viability during the wound healing relevant 3T3 fibroblast cell culture. The thusprepared CNF composite hydrogels may work as promising scaffolds in wound healing application to provide supporting networks and to promote cells adhesion, growth, and proliferation.

Puutuhkalannoituksen kannattavuus eräissä ojitusaluemänniköissä

Summary: the profitability of wood ash-fertilizing of drained peatland Scots pine stands

Puutuhkasta ja muista jäteaineista valmistetut pelletit rauduskoivun taimien ravinnelähteenä

Summary: Pellets made of wood ash and other wastes as nutrient sources for silver birch seedlings

The total material requirement -concept applied to agriculture : a case study from Finland

Selostus: Luonnonvarojen kokonaiskäyttö sovellettuna maatalouteen: esimerkki Suomesta

CO2 Laser Cutting of Particleboard, HDF and MDF

The purpose of this thesis is to reveal how the laser cutting parameters influence lasercutting of particleboard, HDF and MDF. The literature review introduces the basic principle of CO2 laser, CO2 laser equipment and its usage in cutting of wood-based materials. The experimental part focuses on the discussion and analysis ofthe test data and attempts to draw conclusions on the influence of various parameters, including laser power, focal length of the lens and cutting gas, on the cutting speed and kerf quality. The tested materials include various thicknesses of particleboard, HDF and MDF samples. A TRUMPF TLF2700 HQ laser equipment was used for the experiments. To obtain valid data, the test samples must be completely cut through without any bonding of wood fibre. The maximum cutting speed is linear dependent on the laser power in thecondition that the other parameters are constant. For each thickness of a specific material type, there is a minimum laser power for cutting. Normally, the topand bottom kerf widths increase with the enhancement of laser power. There may be a critical laser power which can generate the minimum cross-sectional kerf width. Lens of larger focal length may achieve higher cutting speed. As the focal length becomes larger, the top kerf width tends to increase while the bottom andcross-sectional kerf widths to the opposite. Of all cutting gases, oxygen can help achieve higher cutting speed. The gas pressure of nitrogen does not seem to have strong influence on the cutting result. Generally, 2 bar air is more preferable for higher cutting speed. For particleboard and MDF samples of larger thickness than 12 mm, 2 bar argon can be used to reach remarkably higher cutting speed than the 5 bar. Generally, the 190.5 mm lens can produce smallest total kerf width. The kerf sides of thicker samples are darker than the thinner ones. The sample darkness tends to be lower as laser power increased. 63.5 mm lens seemed tocause more darkness than other lens. 5 bar cutting gases can produce less dark side kerfs than 2 bar ones. Oxygen normally causes darker kerfs than other gases. No distinct differences were found between nitrogen and argon.

3D-muodot tuoliaihion muotopuristuksessa

Diplomityössä tutkittiin muotopuristeissa käytettävien viilujen soveltuvuutta yhteistyöyrityksen, VK Valmiskaluste Oy:n, valmistaman lepotuolin materiaaliksi. Tuoliaihion muoto edellytti viilun taivuttamista kahteen suuntaan, eli kyseessä oli ns. 3D-muoto. Muotopuristeita valmistavissa yrityksissä tehtyjen haastattelujen perusteella valittiin viilumateriaalit ja mitattiin niiden murtovenymä. Materiaaleja testattiin puristamalla tuoliaihioita. Aihionmuoto edellytti viilulta vähintään 3,3 %:n venyvyyttä. Koepuristuksetvahvistivat murtovenymätestauksen tulokset, eli tutkitun aihion pintarakenne säilyi ehjänä käyttämällä paperitaustaista viilua tai 3D-muotoihin tarkoitettua 3D-viilua. Kirjallisuusosiossa on selvitetty taivutettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja viilun rakenteen muokkausta taivutettavuuden parantamiseksi .

Kasvihuonekaasujen päästökaupan ohjausvaikutus sellutehtaan prosessien ja laitteiden kehityksessä

EU:n päästökaupan ensimmäinen jakso alkoi 1.1.2005. Päästökauppa on aiheuttanut sen piiriin kuuluvalle teollisuudelle monia haasteita ja riskejä kasvavien kustannusten muodossa. Massa- ja paperiteollisuus on päästökaupanpiiriin kuuluva teollisuudenala, johon päästökaupan kustannukset vaikuttavat haitallisesti globaalin hinnoittelun vuoksi. Massa- ja paperiteollisuudelle päästökaupasta voi koitua kustannuksia päästöoikeuksien ostamisesta, sähkön, polttoaineiden ja kemikaalien hinnan noususta sekä raaka-ainehuollon vaikeutumisesta. Toisaalta tehtaat voivat hyötyä päästökaupasta alittaessaan päästöoikeutensa tai myydessään sähköä ulkopuoliseen verkkoon. Massa- ja paperiteollisuudessa sähköä kuluu enimmäkseen pumppauksiin eli massan siirtoon ja mekaanisen massan valmistukseen. Suurimpia sähköenergian kuluttajia sellun valmistuksessa ovat soodakattila, puunkäsittely, valkaisu ja lajittelu. Lämpöä tarvitaan haihdutus-, kuivaus- ja keittoprosesseissa. Kemikaaleista klooridioksidin valmistuksessa käytettävä natriumkloraatti on kustannusten kannalta merkittävin kemikaali. Tässä työssä tutkittiin päästökaupan aiheuttamien kustannusten vähentämismahdollisuuksia kohdetehtaalla. Suurin potentiaali liittyy meesauunissa poltettavan maakaasun korvaamiseen mäntyöljyllä tai biomassan kaasutuskaasulla. Kemikaalikulutuksen osalta happidelignifiointi on merkittävin mahdollisuuskustannusten alentamiseksi. Lisäksi päästökaupan kustannuksia voidaan alentaa muun muassa oikealla mitoituksella ja sekundäärilämpöjen optimaalisella käytöllä.

Puutuotteiden kakkoslaadut: nykytilan analyysi ja toiminnan tehostaminen

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää erilaisten puutuotteiden kakkoslaatujen syntyä ja niiden aiheuttamaa negatiivista tulosvaikutusta. Lisätavoitteena oli kootapuutuotteiden kakkoslaaduille toimintasuunnitelma, jonka avulla yritys voisi vähentää kakkoslaatujen syntyä sekä pienentää niiden aiheuttamaa tappiota. Yrityksen puutuotteista tutkimukseen kohteina olivat viilut, vaneritja sahatavarajalosteet. Nykytilan selvittämiseksi kerättiin tietoa yrityksen tietojärjestelmistä ja haastattelemalla useita henkilöitä eri yksiköistä. Tutkimukseen haastateltiin henkilöitä myynti-, tuotanto-, sekä kehitysosastoilta. Tietoja analysoimalla etsittiin keinoja toiminnan tehostamiseksi ja yhtenäistämiseksi yksiköiden välillä. Tutkimuksen tuloksena syntyi toimenpide-ehdotuksia ja toimintasuunnitelmia. Tulosten mukaan eri yksiköille sopivat hieman erilaiset toimintamallit. Sahatavarajalosteiden osalta merkittävimpänä keinonaolisi panostettava sopivamman raaka-aineen hankintaan kakkosten välttämiseksi. Vaneriteollisuudessa merkittävimpiä tekijöitä ovat tuotannon sitominen kakkostentehokkaampaan hyödyntämiseen, sekä myynnin ohjeistaminen joustavampiin toimitusmääriin. Viiluteollisuudessa olisi etsittävä uusia käyttökohteita alemman laadunviilulle, jonka raaka-ainetta jää nyt tuotantolaitoksilla hyödyntämättä.

Hiokkeen laatuvaihteluja aiheuttavat tekijät ja vaihteluiden vaimentamismahdollisuudet

Myllykoski Paper Oy:n hiokkeen laadussa ja prosessivesien ominaisuuksissa tapahtuu vaihtelua ajan suhteen. Tämä käy ilmi useiden vuosien aikana kerätyistä laatuseurantatiedoista. Diplomityön tavoitteena oli selvittää hiokkeen ja kierto-vesien laatuun vaikuttavat tekijät ja kehittää laadunvaihtelua hillitseviä toimenpi-teitä. Työn kirjallisuusosassa pyrittiin löytämään tekijöitä, jotka voivat aiheuttaa valmiin hiokkeen laatuun vaihtelua. Lähtökohtaisesti laatuvaihteluita aiheuttavat tekijät jaettiin raaka-aine- tai prosessivaihteluksi. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin eri hioke- ja prosessivesiominaisuuksien kehittymistä tarkastelemalla eri mittaussuureista kerättyjä aineistoja erilaisin aika-välein. Aluksi tarkasteltiin hiokkeen ja vesien ominaisuuksia viiden vuoden ajan-jaksolla, josta siirryttiin tarkastelemaan lyhyempiä aikavälejä. Käytetty mittausaineisto oli peräisin DW-tietovarastosta ja PHD-reaaliaikatietokannasta. Työn tuloksista kävi muun muassa ilmi, että painehiokkeen lujuusominaisuudet ovat hienoisesti alentuneet viimeisen viiden vuoden aikana. Muutos selittyy hiokkeen pitkäkuituosuuden ja kuitupuun keskimääräisen läpimitan alenemisella. Lisäksi valkaisemattomien hiokkeiden vaaleudet ovat alentuneet samallakun prosessivedet ovat muuttuneet likaisemmiksi. Kehitykseen on vaikuttanut vesikiertojen kasvanut sulkemisaste ja uusi peroksidivalkaisulaitos. Jatkotoimenpide-ehdotukset painottuvat pääosin vesiajotilanteiden hallintaan. Vesiajoaiheuttaa aina suuria muutoksia niin hiokkeen kuin myös kiertovesien laatuun.