Enzyme convertedstarch in pigment coating

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää entsyymikonvertoinnin mahdollisuudet vaikuttaa sideainetärkkelyksen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Tärkein tehtävä oli etsiä vastaukset kysymykseen, kuinka paljon entsyymikonvertointia optimoimalla voidaan maksimoida tärkkelyksen positiivisia vaikutuksia. Tavoitteena oli myös tutkia, voiko lisäaineita käyttämällä ja tärkkelystä plastisoimalla säilyttää tärkkelyksen vaikutus paperin jäykkyyteen ja saada tärkkelysfilmille joustavuutta. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin tärkkelyksen entsyymikonvertointiin vaikuttavia tekijöitä, eri tärkkelysraaka-aineiden eroja, sekä konvertoinnissa käytettävien entsyymien ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin myöstärkkelyksen käyttöä sideaineena pigmenttipäällystyksessä. Kokeellisessa osassakeskityttiin selvittämään entsyymikonvertoinnin olosuhteiden, käytettävän raakatärkkelyksen ja entsyymin vaikutusta konvertoidun tärkkelyksen ominaisuuksiin. Konvertoiduista tärkkelyksistä valmistettiin päällystyspastat, ja tutkittiin niinpastan kuin päällystetyn paperin ominaisuuksia. Myös erilaisten pehmentimien vaikutusta niin päällystyspastaan, kuin paperin pinnalle tutkittiin. Havaittiin, että konvertoimalla tärkkelysketjua entsymaattisesti, voidaan tärkkelysketjun pituutta säädellä. Tarkoituksena oli konvertoida tärkkelystä niin, että tärkkelyksen molekyyliketjujakaumat sisältävät lyhyitä, keskipitkiä sekäpitkiä molekyylejä. Päällystämisen havaittiin olevan vaikeaa Helicoaterilla varsinkin pitkäketjuista tärkkelystä suuren määrän sisältävillä pastoilla. Myös tärkkelys/lateksi-suhde vaihteli eri pastoilla. Päällystyspastojen reologisia ominaisuuksia testattaessa huomattiin, että tärkkelysketjun pituuden kasvaessa pastanviskositeetti lisääntyy ja vesiretentio vähenee. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin tärkkelysketjun pituuden kanssa. Näitä olivat kiilto, Gurley-Hill huokoisuus, taivutusvastus, taivutuspituus sekä IGT pintalujuus. Pehmentimien ei havaittu vaikuttavan moneenkaan paperin eri tekniseen ominaisuuteen. Suurimmat erot huomattiin paperin taivutuspituudessa ja taivutusvastuksessa.

Spray coating technique asa surface treatment for woodcontaining paper grades

The objective of this work was to introduce the emerging non-contacting spray coating process and compare it to the existing coating techniques. Particular emphasis was given to the details of the spraying process of paper coating colour and the base paper requirements set by the new coating method. Spraying technology itself is nothing new, but the atomisation process of paper coating colour is quite unknown to the paper industry. The differences between the rheology of painting and coating colours make it very difficult to utilise the existing information from spray painting research. Based on the trials, some basic conclusion can be made:The results of this study suggest that the Brookfield viscosity of spray coating colour should be as low as possible, presently a 50 mPas level is regarded as an optimum. For the paper quality and coater runnability, the solids level should be as high as possible. However, the graininess of coated paper surface and the nozzle wear limits the maximum solids level to 60 % at the moment. Most likelydue to the low solids and low viscosity of the coating colour the low shear Brookfield viscosity correlates very well with the paper and spray fan qualities. High shear viscosity is also important, but yet less significant than the low shear viscosity. Droplet size should be minimized and besides keeping the brrokfield viscosity low that can be helped by using a surfactant or dispersing agent in the coating colour formula. Increasing the spraying pressure in the nozzle can also reduce the droplet size. The small droplet size also improves the coating coverage, since there is hardly any levelling taking place after the impact with the base paper. Because of the lack of shear forces after the application, the pigment particles do not orientate along the paper surface. Therefore the study indicates that based on the present know-how, no quality improvements can be obtained by the use of platy type of pigments. The other disadvantage of them is the rapid deterioration of the nozzle lifetime. Further research in both coating colour rheology and nozzle design may change this in the future, but so far only round shape pigments, like typically calcium carbonate is, can be used with spray coating. The low water retention characteristics of spray coating, enhanced by the low solids and low viscosity, challenge the base paper absorption properties.Filler level has to be low not to increase the number of small pores, which have a great influence on the absorption properties of the base paper. Hydrophobic sizing reduces this absorption and prevents binder migration efficiently. High surface roughness and especially poor formation of the base paper deteriorate thespray coated paper properties. However, pre-calendering of the base paper does not contribute anything to the finished paper quality, at least at the coating colour solids level below 60 %. When targeting a standard offset LWC grade, spraycoating produces similar quality to film coating, but yet blade coating being on a slightly better level. However, because of the savings in both investment and production costs, spray coating may have an excellent future ahead. The porousnature of the spray coated surface offers an optimum substrate for the coldset printing industry to utilise the potential of high quality papers in their business.

An Optimum Coating Colour Formula for CSWO-printing

Pigmenttipäällystyksen tarkoituksena on parantaa painopapereiden pintaominaisuuksia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää sopiva päällystyspasta päällystetylle coldset-paperille. Kirjallisuusosassa on käsitelty coldset-painatusta ja sen ongelmia. Päällystysmenetelmän perusteita, pastan ominaisuuksia ja niiden vaikutusta päällystystulokseen on myös käsitelty. Lisäksi on esitelty joitakin päällystetyn paperin pinnantutkimusmenetelmiä. Kokeellisessa osassa on tutkittu erilaisten pastakoostumusten ja päällystemäärien sekä kalanteroinnin vaikutusta paperin painettavuuteen. Paperit on päällystetty Helicoaterilla ja joitakin pastoja on testattu myös pilot-mittakaavaisessa päällystyksessä. Selitystä paperin käyttäytymiseen painatuksessa on etsitty päällystetyn paperin pintarakenteesta. Paras painettavuus saavutetaan päällysteellä, jossa pigmenttinä on vain karbonaatti. Painojälkeä voidaan parantaa käyttämällä kalsinoitua kaoliinia yhdessä karbonaatin kanssa, mutta tämän päällysteen pintalujuus ei ole riittävä CSWO-painatukseen. Tärkkipigmentti parantaa veden ja painovärin absorptiota ja siten tekee painetun tuotteen kuivemmaksi ja miellyttävämmän tuntuiseksi, mutta aiheuttaa smearingia. Tämä johtuu liian nopeasta musteen asettuvuudesta. "Pehmeä" SB-lateksi soveltuu paremmin offset-painatukseen kuin "kova" lateksi, joka sisältää myös PVAc:ta. "Pehmeällä" lateksilla saadaan parempi pintalujuus ja painojälki kuin "kovalla" lateksilla. Paperin pölyävyyttä painatuksessa voidaan vähentää nostamalla päällystemäärää ja laskemalla pastan kuiva-ainepitoisuutta. Kalanteroinnilla ei pintalujuutta tai painojälkeä voida parantaa. Selitys tutkimuksessa käsiteltyjen papereiden painojäljelle ja painettavuudelle löydetään tutkimalla päällysteen pintarakennetta. Painojälkeen vaikuttaa eniten päällysteen peittoaste. Huonoa peittävyyttä voidaan parantaa nostamalla päällystemäärää. Pölyäminen painatuksessa johtuu pigmenteistä, jotka eivät ole sidottuja paperin pintaan. Tämä taas johtuu pastan huonosta vesiretentiosta. Hyödyllisintä tietoa näiden papereiden pintarakenteesta saadaan tutkimalla pintaa pyyhkäisyelektonimikroskoopilla (SEM), atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja laserindusoidulla plasmaspektrometrilla (LIPS). LIPSin etuna on se, että päällystemääräjaukauma voidaan määrittää sekä x-y- että z-suunnassa samanaikaisesti samasta kohdasta. LIPSissä myös näytteen preparointitarve on hyvin vähäinen.

Transmission properties of high barrier coated paperboard packages

High barrier materiaaleilla pyritään pidentämään pakattujen elintarvikkeiden hyllyikää. Barrierin tärkein tehtävä on elintarvikkeen suojaaminen hapelta ja kosteudelta. Alumiinin käyttöä barriermateriaalina pyritään vähentämään korvaamalla alumiini polymeereillä, jotka täyttävät elintarvikkeiden asettamat korkeat säilyvyysvaatimukset. Etyylivinyylialkoholin (EVOH) hapenläpäisevyys on kuivissa olosuhteissa alhaisin kaupallisista muovilaaduista. EVOH tarjoaa myös erinomaisen suojan muita kaasuja, rasvoja, hajuja ja aromeja vastaan ja sitä on helppo prosessoida. Polyamideilla on erinomainen kaasutiiveys sekä hyvä lujuus ja sitkeys. Eri muovilaatuja sekoittamalla voidaan vähentää hapenläpäisyä ja parantaa prosessointia. Polyolefiineja käytetään yleisesti päällystysmateriaaleina, koska ne suojaavat tuotetta erinomaisesti kosteudelta. Hapenläpäisyllä tarkoitetaan hapen kulkeutumista materiaalin läpi joko permeaation kautta tai reikien ja vuotojen läpi. Kaasun permeoitumiseen materiaalin läpi vaikuttavat materiaalin vapaa tilavuus, kiteisyysaste, orientaatio, substituointi, suhteellinen kosteus, lämpötila, barrierkerroksen paksuus, paine-ero ja permeoituvan molekyylin ominaisuudet. Kokeellisessa osassa analysoitiin ja vertailtiin kartonkipohjaisia mehutölkkejä, joissa käytettävät high barrier materiaalit olivat EVOH ja PA. Kartonkipohjaisia alumiinitölkkejä käytettiin referenssinä. Pakkausten hapenläpäisevyysmittauksissa saatiin samasta näytteestä toistettavia tuloksia, vaikka vuotomittauksissa saadut tulokset eivät olleet vertailukelpoisia hapenläpäisytulosten kanssa. Tölkkien valmistus vaikutti oleellisesti pakkausten tiiveysominaisuuksiin. Hapenläpäisy vuotojen ja reikien läpi oli merkittävämpää kuin hapenläpäisy materiaalin läpi. Pakkausten tiiveysominaisuuksia analysoitiin mittaamalla appelsiinimehun askorbiini-happopitoisuus. Askorbiinihapon hajoaminen mitattiin koetölkkeihin pakatusta appelsiinimehusta, ja lämpötilan, valon ja hapen vaikutusta askorbiinihapon hajoamiseen tutkittiin 12 viikon ajan. Lämpötilalla oli suurin vaikutus askorbiinihapon hajoamiseen huolimatta käytetystä pakkausmateriaalista.

Determination of compression behaviour of coating layer

The strength properties of paper coating layer are very important in converting and printing operations. Too great or low strength of the coating can affect several problems in printing. One of the problems caused by the strength of coating is the cracking at the fold. After printing the paper is folded to final form and the pages are stapled together. In folding the paper coating can crack causing aesthetic damage over printed image or in the worst case the centre sheet can fall off in stapling. When folding the paper other side undergoes tensile stresses and the other side compressive stresses. If the difference between these stresses is too high, the coating can crack on the folding. To better predict and prevent cracking at the fold it is good to know the strength properties of coating layer. It has measured earlier the tensile strength of coating layer but not the compressive strength. In this study it was tried to find some way to measure the compressive strength of the coating layer and investigate how different coatings behave in compression. It was used the short span crush test, which is used to measure the in-plane compressive strength of paperboards, to measure the compressive strength of the coating layer. In this method the free span of the specimen is very small which prevent buckling. It was measured the compressive strength of free coating films as well as coated paper. It was also measured the tensile strength and the Bendtsen air permeance of the coating film. The results showed that the shape of pigment has a great effect to the strength of coating. Platy pigment gave much better strength than round or needle-like pigment. On the other hand calcined kaolin, which is also platy but the particles are aggregated, decreased the strength substantially. The difference in the strength can be explained with packing of the particles which is affecting to the porosity and thus to the strength. The platy kaolin packs up much better than others and creates less porous structure. The results also showed that the binder properties have a great effect to the compressive strength of coating layer. The amount of latex and the glass transition temperature, Tg, affect to the strength. As the amount of latex is increasing, the strength of coating is increasing also. Larger amount of latex is binding the pigment particles better together and decreasing the porosity. Compressive strength was increasing when the Tg was increasing because the hard latex gives a stiffer and less elastic film than soft latex.

Calcination of aluminum hydroxide over pressure and residence time

This work investigates the possible effect of pressure and residence time to the reaction of aluminum hydroxide into aluminum oxide. Various pressurized conditions are used as well as the help of various residence times. The aim is to increase the conversion of the reaction with the use of different pressures and residence times. The tests were performed with a laboratory scale fluidized bed reactor at the Outotec R&D Center in Frankfurt. Additional test work such as particle size analysis and differential thermal analysis were also carried out. Some calcined samples were also characterized with X-ray diffraction at the University of Auckland to obtain a reaction pathway when using pressurized conditions. All of the results are then compared with previous results.

Suitability of foam coating on application of thin liquid films

This work aimed to find out the suitability of foam as medium in application of thin liquid films. This consists of research over phenomena related to foam physics and behaviour. Solutions and mixtures to be foamed, foaming agents, foam generation and application methods were evaluated. Over the evaluated solutions and mixtures coating paste and CMC did not foam well. Latex and PVA solutions were foamable and the best solution for foam use was starch. PVA and casein can be used as foaming agents, but the best results were achieved with sodium dodecyl sulphate (SDS). SDS works well with starch solutions producing fine and stable foam. Foaming was done with simple mixers where pressurized air was fed to the solution. The foaming works fine when enough shear force is used together with sufficient foaming agent concentration. Foam application with curtain, rod and cylinder methods with a gap between the application device and paper were not usable because of high coating amount. Coating amounts were smallest with the blade method which achieved 0.9 g/m2 starch layer. Although some strength decrease was expected because of the foaming agent, it dit not have significant effect. The targeted coating amount of 0.5 g/m2 was not achieved due to the limitations with the methods. More precise foam application methods are needed. Continuous foam generation and feed to the paper surface with controllable device such as application teeth could improve the results.

Granulation tissue formation -The effect of hydroxyapatite coating of cellulose on cellular differentiation

Haavan jyväiskudoksen muodostuminen – Hydroksiapatiittipinnoi-tetun selluloosasienen vaikutus solujen erilaistumiseen paranemisprosessin aikana Etsittäessä uusia luun bioyhteensopivia täytemateriaaleja selluloosasieni päällystettiin luun koostumusta muistuttavalla runsaasti piitä sisältävällä hydroksiapatiittikerroksella. Vastoin odotuksia hydroksiapatiittipinnoitettu selluloosa ei parantanut luun kasvua, vaan päinvastoin ylläpiti tulehdusta ja sidekudossolujen hakeutumista vamma-alueelle. Ihon alle implantoituna sama sienimateriaali edisti merkittävästi haavan verekkään jyväiskudoksen kasvua. Tämän löydöksen perusteella hydroksiapatiittipinnoitetun selluloosasienen vaikutusta haavan soluihin paranemisprosessin aikana tutkittiin tarkemmin ja havaittiin, että tulehdussolujen lisäksi sieniin kertyi tavallista enemmän sekä hematopoieettisia että mesenkymaalisia kantasoluja. Hematopoieettiset kantasolut sijaitsevat luuytimessä lähellä luun sisäpintaa. Luun hydroksiapatiitista vapautuu kalsiumioneja luun jatkuvan fysiologisen uudismuodostuksen ja hajottamisen yhteydessä. Kantasolut etsiytyvät luuytimeen kalsiumia aistivien reseptorien välityksellä. Koska luun pintakerrosta muistuttavasta hydroksiapatiittipinnoitteesta vapautuu kalsiumia, tämän ajateltiin toimivan selityksenä sille, että hematopoieettiset kantasolut hakeutuvat runsaslukuisesti juuri hydroksiapatiittipinnoitettuihin selluloosasieniin. Tämän hypoteesin mukaisesti hydroksiapatiittipinnoitettujen selluloosapalkkien läheisyydestä löydettiin suuria määriä kalsiumreseptoreja sisältäviä soluja. Jatkotutkimuksissa todettiin lisäksi, että hematopoieettiset kantasolut pystyivät sienissä erilaistumaan hemoglobiinia tuottaviksi soluiksi. Havaittujen punasolulinjan merkkiaineiden perusteella näyttäisikin siltä, että haavan paranemiskudoksessa tapahtuu paranemisen aikana ekstramedullaarista erytropoieesia. Nämä soluja ohjaavat vaikutukset saattavat olla hyödyllisiä vaikeasti paranevien haavojen hoidossa.

Microscopic simulation of pigment coating consolidation

The control of coating layer properties is becoming increasingly important as a result of an emerging demand for novel coated paper-based products and an increasing popularity of new coating application methods. The governing mechanisms of microstructure formation dynamics during consolidation and drying are nevertheless, still poorly understood. Some of the difficulties encountered by experimental methods can be overcome by the utilisation of numerical modelling and simulation-based studies of the consolidation process. The objective of this study was to improve the fundamental understanding of pigment coating consolidation and structure formation mechanisms taking place on the microscopic level. Furthermore, it is aimed to relate the impact of process and suspension properties to the microstructure of the coating layer. A mathematical model based on a modified Stokesian dynamics particle simulation technique was developed and applied in several studies of consolidation-related phenomena. The model includes particle-particle and particle-boundary hydrodynamics, colloidal interactions, Born repulsion, and a steric repulsion model. The Brownian motion and a free surface model were incorporated to enable the specific investigation of consolidation and drying. Filter cake stability was simulated in various particle systems, and subjected to a range of base substrate absorption rates and system temperatures. The stability of the filter cake was primarily affected by the absorption rate and size of particles. Temperature was also shown to have an influence. The consolidation of polydisperse systems, with varying wet coating thicknesses, was studied using imposed pilot trial and model-based drying conditions. The results show that drying methods have a clear influence on the microstructure development, on small particle distributions in the coating layer and also on the mobility of particles during consolidation. It is concluded that colloidal properties can significantly impact coating layer shrinkage as well as the internal solids concentration profile. Visualisations of particle system development in time and comparison of systems at different conditions are useful in illustrating coating layer structure formation mechanisms. The results aid in understanding the underlying mechanisms of pigment coating layer consolidation. Guidance is given regarding the relationship between coating process conditions and internal coating slurry properties and their effects on the microstructure of the coating.

Blade and rod coating of low solid dispersions

Työn aiheena oli tehdä ohut barrierkalvo terä- tai sauvapäällystys menetelmällä. Erilaisissa elintarvikepakkauksissa käytetään hyviä barrier-ominaisuuksia omaavia ohuita päällysteitä. Elintarvikepakkauksen tehtävä on suojata pakattua tuotetta ympäristöltä, mahdollistaa helppo kuljetus ja säilytys sekä antaa tarvittavat tiedot tuotteesta tuotteen käsittelijöille ja loppukäyttäjille. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin barrierpäällystykseen, eri päällystysmenetelmiin, niiden erityisvaatimuksiin ja ominaisuuksiin. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös vaadittavia barrier-ominaisuuksia ja haasteita niiden saavuttamisessa. Kirjallisuuden perusteella haasteiksi nousivat helposti muodostuvat mikroreiät. Kokeellinen osa jakautui kahteen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin ja pilot-koeajoon. Laboratoriokokeita tehtiin ennen pilot-ajoa, jotta pilot-koeajoon voitiin valita parhaat päällystereseptit. Pilot-koeajonäytteiden päällystemäärät osoittautuivat liian pieniksi ja siksi laboratoriossa tehtiin jatkotutkimuksia riittävän päällystemäärän saavuttamiseksi. Tämän työnperusteella pohjakartongin ominaisuuksilla, erityisesti karheudella, on merkittävä vaikutus päällystyksen onnistumisessa ja yksinkertaisilla resepteillä ja päällystysmenetelmillä ei saada tarpeeksi laadukasta kalvoa.

Conical aluminum can

The current beverage (cylindrical shape) cans are stacked on each other after production, thus consuming a lot of space. Indirectly, this could result to high carbon emission during transportation. The problem is how to minimize the carbon emission based on different contradicting viewpoints. It was suggested that a conical shape of "the beverage can" could be a solution for the space optimization of empty beverage can transportation, thus creating the title for this research “Conical aluminum can”. They would be stacked inside each other before filling. This was based on design for sustainability and the consumer perspective and willingness toward sustainability. However, it was noticed that the industry is unwilling to incorporate this change.