Fluid flow and dispersion predictions in porous media by utilizing advanced numerical methods

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella numeerisen virtauslaskennan avulla virtaukseen liittyviä ilmiöitä ja kaasun dispersiota. Diplomityön sisältö on jaettu viiteen osaan; johdantoon, teoriaan, katsaukseen virtauksen mallinnukseen huokoisessa materiaalissa liittyviin tutkimusselvityksiin, numeeriseen mallinnukseen sekä tulosten esittämiseen ja johtopäätöksiin. Diplomityön alussa kiinnitettiin huomiota erilaisiin kokeellisiin, numeerisiin ja teoreettisiin mallinnusmenetelmiin, joilla voidaan mallintaa virtausta huokoisessa materiaalissa. Kirjallisuusosassa tehtiin katsaus aikaisemmin julkaistuihin puoliempiirisiin ja empiirisiin tutkimusselvityksiin, jotka liittyvät huokoisen materiaalin aiheuttamaan painehäviöön. Numeerisessa virtauslaskenta osassa rakennettiin ja esitettiin huokoista materiaalia kuvaavat numeeriset mallit käyttäen kaupallista FLUENT -ohjelmistoa. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisten tutkimusselvitysten tuloksia. Kolmiulotteisen huokoisen materiaalinnumeerisessa mallinnuksesta saadut tulokset vaikuttivat lupaavilta. Näiden tulosten perusteella tehtiin suosituksia ajatellen tulevaa virtauksen mallinnusta huokoisessa materiaalissa. Osa tässä diplomityössä esitetyistä tuloksista tullaan esittämään 55. Kanadan Kemiantekniikan konferenssissa Torontossa 1619 Lokakuussa 2005. ASME :n kansainvälisessä tekniikan alan julkaisussa. Työ on hyväksytty esitettäväksi esitettäväksi laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) aihealueessa 'Peruskäsitteet'. Lisäksi työn yksityiskohtaiset tulokset tullaan lähettämään myös CES:n julkaisuun.

Influence of plasma modification on surface properties and offset printability of coated paper

The properties of the paper surface play a crucial role in ensuring suitable quality and runnability in various converting and finishing operations, such as printing. Plasma surface modification makes it possible to modify the surface chemistry of paper without altering the bulk material properties. This also makes it possible to investigate the role of the surface chemistry alone on printability without influencing the porous structure of the pigment-coated paper. Since the porous structure of a pigment coating controls both ink setting and optical properties, surface chemical changes created by a plasma modification have a potential to decouple these two effects and to permit a better optimization of them both. The aim of this work was to understand the effects of plasma surface modification on paper properties, and how it influences printability in the sheet-fed offset process. The objective was to broaden the fundamental understanding of the role of surface chemistry on offset printing. The effects of changing the hydrophilicity/ hydrophobicity and the surface chemical composition by plasma activation and plasma coatings on the properties of coated paper and on ink-paper interactions as well as on sheet-fed offset print quality were investigated. In addition, the durability of the plasma surface modification was studied. Nowadays, a typical sheet-fed offset press also contains units for surface finishing, for example UVvarnishing. The role of the surface chemistry on the UV-varnish absorption into highly permeable and porous pigment-coated paper was also investigated. With plasma activation it was possible to increase the surface energy and hydrophilicity of paper. Both polar and dispersion interactions were found to increase, although the change was greater in the polar interactions due to induced oxygen molecular groups. The results indicated that plasma activation takes place particularly in high molecular weight components such as the dispersion chemicals used to stabilize the pigment and latex particles. Surface composition, such as pigment and binder type, was found to influence the response to the plasma activation. The general trend was that pilot-scale treatment modified the surface chemistry without altering the physical coating structure, whereas excessive laboratory-scale treatment increased the surface roughness and reduced the surface strength, which led to micro-picking in printing. It was shown that pilot-scale plasma activation in combination with appropriate ink oils makes it possible to adjust the ink-setting rate. The ink-setting rate decreased with linseed-oil-based inks, probably due to increased acid-base interactions between the polar groups in the oil and the plasma-treated paper surface. With mineral-oil-based inks, the ink setting accelerated due to plasma activation. Hydrophobic plasma coatings were able to reduce or even prevent the absorption of dampening water into pigmentcoated paper, even when the dampening water was applied under the influence of nip pressure. A uniform hydrophobic plasma coating with sufficient chemical affinity with ink gave an improved print quality in terms of higher print density and lower print mottle. It was also shown that a fluorocarbon plasma coating reduced the free wetting of the UV-varnish into the highly permeable and porous pigment coating. However, when the UV-varnish was applied under the influence of nip pressure, which leads to forced wetting, the role of the surface chemical composition seems to be much less. A decay in surface energy and wettability occurred during the first weeks of storage after plasma activation, after which it leveled off. However, the oxygen/carbon elemental ratio did not decrease as a function of time, indicating that ageing could be caused by a re-orientation of polar groups or by a contamination of the surface. The plasma coatings appeared to be more stable when the hydrophobicity was higher, probably due to fewer interactions with oxygen and water vapor in the air.

Pastalietteen hyödyntäminen raaka-aineena.

Pastalietettä syntyy metsäteollisuudessa päällystettyä paperia ja kartonkia valmistavissa yksiköissä, joissa on pastapitoisten vesien erilliskäsittely. Pastalietettä syntyi Suomessa vuonna 1998 noin 50 000 tw. Pastapitoisille vesille on kehitetty käsittelymenetelmiä, joilla pasta voidaan kierrättää takaisin prosessiin. Näistä menetelmistä mainittakoon ultrasuodatus, joka on jo käytössä eräillä tehtailla, sekä dispergointi-menetelmä, joka on pastalietteen osalta koekäyttöasteella. Pastalietteen soveltuvuutta sorateiden kulutuskerrosmateriaaliksi tutkittiin alustavasti koelaatikoin ja laboratoriokokein. Pastalietteellä on näiden tutkimusten mukaan murskeen tiivistyvyyttä parantavia ominaisuuksia. Koelaatikoista sitoutumista ja käyttäytymistä sään vaihdellessa on seurattu silmämääräisesti ja alustavat arviot ovat varovaisen lupaavia Pastalietteen arvioitu menekki on 37 t/km, jolloin koko Suomessa syntyvällä pastalietemäärällä voitaisiin käsitellä 1 350 soratiekilometriä Kuivatun pastalietteen käyttöä kiviainesteollisuuden raaka-aineeksi on kartoitettu tiilen, kevytsoran ja vuorivillan valmistuksessa. Tiilen valmistuksessa pastalietettä on jo käytetty, tulokset ovat olleet vaihtelevia. Pastalietteen hyötykäyttöpotentiaalia nykyisillä tiilitehtailla on arvioiden mukaan 15 000 t/a. Käyttö kevytsoran ja vuorivillan valmistuksessa vaatisi lisätutkimuksia

Puuperäiset polymeerit synteettisten sideaineiden korvaajina

Tämän kandidaatintyön aiheena oli löytää biojalostamon näkökulmasta käyttökelpoisia tuotantoreittejä puuperäisistä materiaaleista bioperäisiin kemikaaleihin, joilla olisi mahdollista korvata synteettisiä sideaineita. Tällä hetkellä suurin osa sideaineista ja päällystemateriaaleista tuotetaan uusiutumattomista luonnonvaroista, kuten maakaasusta ja öljystä. Lopputuotteiden kierrätettävyyden ja vihreyden ohella yksi metsäteollisuuden tulevaisuuden trendejä on pyrkiä irti öljy- ja maakaasuriippuvuudesta. Muutoksella voidaan säästää sekä ympäristöä, että rahaa. Biopohjaisilla drop-in kemikaaleilla ja muilla biopohjaisilla vaihtoehdoilla tämä on mahdollista Tässä työssä tutkittiin ja havainnollistettiin mahdollisin tuotantoreitein useiden tällä hetkellä käytössä olevien sideaineiden korvaamista biopohjaisilla versioilla. Työ tehtiin kirjallisuustutkielmana, eikä siihen kuulunut laboratoriokokeita. Työn ensimmäisessä osassa painopiste on biojalostamossa ja dispersiopäällystyksessä. Toisessa osassa esitellään tällä hetkellä käytettyjä sideaineita ja niiden mahdollisia biopohjaisia korvaajia tuotantoreitteineen. Työn toissijainen tarkoitus oli selvittää lyhyesti mitä muita puuperäisiä komponentteja voidaan käyttää suoraan paperin ja kartongin päällystämiseen. Viimeiseksi on esitelty vielä lyhyesti kaupallisesti käytössä olevia biomuoveja ja päällysteitä.