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.

Gelatin as an additive in bio-based barrier films

The main objective of the present study was to verify the approach on starch-gelatin blending for the paperboard coating formulations with enhanced barrier and mechanical properties. Based on that, another objective was to find out, how the approach will function with wood-based polysaccharides (CMC, EHEC and HPC) by analyzing their barrier properties and convertibility. The last objective was to find out, if pigments can be used in the composition of polysaccharide-protein blends without causing any negative effect on stated properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied included pilot-scale coating and converting trials for the evaluation of mechanical properties of obtained coatings, namely their exposure to cracking with the loss of barrier properties. The results obtained indicated that the combination of starch with gelatin, in fact, improves the grease barrier properties and flexibility of starch-based coatings, thereby confirming the offered approach. The similar results were obtained for CMC, exhibited elevated barrier properties and surface coverage, proving that the approach also functions with wood-based polysaccharides. The introduction of equal amounts of talc gave various effects at different gelatin dosages on barrier properties of wood-based polysaccharides. Mainly, the elevation of grease barrier properties was observed. The convertibility of talc-filled coatings was not sufficient.

Possibility to add a barrier layer to a fibre tray package in the moulding stage

The main objective of the present study was to analyze the best approach on how to coat paperboard trays at the pressing stage. The coating gives the paperboard enhanced barrier and mechanical properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied includes obtaining the optimum temperature at which good adhesion and bonding is formed between paperboard and skin film. Evaluation of mechanical properties after the coatings; such as cracking, curling and barrier properties was performed.

Factors affecting tightness of package

Työn tarkoituksena oli tutkia kartonkipohjaisten pakkausmateriaalien läpäisyominaisuuksia sekä pakkausten tiiveyteen vaikuttavia tekijöitä. Työssä verrattiin skaivatun ja skaivaamattoman raakareunan sekä tölkkien pohjaratkaisujen ominaisuuksia vesihöyryn- ja hapen läpäisevyydessä, kun käytetty kartonki oli molemmin puolin polymeeripäällystetty. Tiiveysominaisuuksia tutkittiin myös vuotomittauksin, värjäyksin ja elektronimikroskoopilla. Kuivan elintarvikkeen säilytystestillä ja kilpailijapakkausanalyyseillä oli tarkoituksena myös saada selville eri pakkausmateriaalien ja pakkauksien läpäisevyys- ja tiiveysominaisuuksia. Pakkauksen saumoilla oli yhtä suuri tai suurempi vaikutus vesihöyryn läpäisyssä kuin itse materiaalilla, kun pakkaus oli molemmin puolin polymeeripäällystetty kartonkikuppi. Skaivatun sauman vesihöyrynläpäisy oli vain 4-10 % pienempi kuin raakareunallisen sauman. Pakkauksen ulkopuolisten raakareunojen suojaaminen pienensi vesihöyrynläpäisevyyttä 30 %. Kun pakkauksen sisäpuolen raaka-reuna oli suojattu teipillä, saumoilla ei ollut niin suurta vaikutusta vesihöyryn läpäisyyn verrattuna materiaaliin. Raakareunan määrällä tölkin pohjassa tai pienillä vuodoilla tölkin saumoissa ei ollut merkitystä vesihöyryn läpäisyyn. Hapenläpäisyssä oli tärkeää ehyt barrierkerros. Polymeerisen barrierkerroksen reiät ja sauman skaivaus vaikuttivat enemmän kuin vesihöyryn läpäisyssä. Mitä enemmän tölkin pohjassa oli raakareunaa, sitä suurempi oli sen hapenläpäisy. Pakkauksen konvertointi, koneen säädöt ja lämmön kohdistus, ovat saattaneet aiheuttaa värjäyksellä havaitut barrierkerroksen mikroreiät. Kaupalliset kuiva-ainepakkaukset sisälsivät pääasiassa alumiinilaminaatin vesihöyryn, hapen ja valon suojana, kun tuotteena oli maitojauhetta ja rasvaa sisältävä elintarvike. Kuitenkin, jos pakkausmateriaali sisälsi vain ohuen sumutetun alumiinikerroksen, sen barrieriominaisuus ei ollut yhtä hyvä kuin alumiinilaminaatin. Äidinmaidonkorvikkeen säilytystestissä seurattiin eri analyysein tuotteen laatua kolmen kuukauden säilytyksen ajan. Pakkauksen vesihöyryn läpäisyominaisuus osoittautui tärkeimmäksi, sillä kosteuden vaikutus tuotteen laadun heikkenemisessä oli suurin. Hapen vaikutus on myös olennainen ja siten hyvä hapenestokerros sekä tiiveys ovat myös tärkeitä pakkauksen ominaisuuksia.

The tightness performance of pre-formed trays as package

Suojakaasupakkaaminen (MAP) on yleistynyt viime aikoina, koska sen avulla voidaan säilöä tuoreita tai vähän käsiteltyjä elintarvikkeita pidempään. Suurin syy hyllyiän pidentymiseen on hiilidioksidin aiheuttama mikrobien kasvun hidastuminen. Toisaalta huolena on patogeenisten mikrobien lisääntyminen anaerobisissa olosuhteissa. Pidempi säilyvyys voidaan saavuttaa myös käyttämällä vähemmän lisä- ja säilöntäaineita. Samalla suojakaasupakkaaminen kuitenkin vähentää myös pilaantuneiden tuotteiden määrää. Eniten suojakaasua käytetään lihan pakkaamisessa. Suojakaasupakkaamisessa elintarvikepakkaukseen syötetään normaalista huoneilmasta poikkeava kaasuseos. Pääasiassa kaasuseos koostuu hiilidioksidista, hapesta ja typestä. Lisäksi voidaan käyttää pieniä määriä hiilimonoksidia, argonia ja rikkidioksidia. Kaasuseoksen koostumus määräytyy elintarvikkeiden ominaisuuksien ja vaatimusten perusteella. Halutun kaasukoostumuksen tulee säilyä pakkauksessa muutamasta päivästä muutamaan kuukauteen riippuen elintarvikkeesta. Siksi tärkein pakkaukselta vaadittava ominaisuus on riittävä kaasutiiveys ja erityisesti hapenläpäisevyys. Koska suurin osa suojakaasupakkauksista on tällä hetkellä muovisia, tutkittiin kokeellisessa osiossa kartonkipakkausten tiiveysominaisuuksia. Kokeet tehtiin vertailemalla erilaisten vuoka- ja kansimateriaalien vaikutusta pakkausten tiiveyteen. Vuokien onnistuminen oli suurin yksittäinen tuloksiin vaikuttanut tekijä. Epäonnistuneen vuoan vaikutukset näkyivät myös saumauksessa, koska saumaustyökalun ja vuoan piti sopia yhteen. Lisäksi näkymättömät mikroreiät hankaloittivat todellisten vuotokohtien paikallistamista. Vuototestausten perusteella materiaaleille löydettiin kuitenkin viitteelliset optimiparametrit. Tärkein saumauksessa vaikuttanut tekijä oli sopivan saumauslämpötilan valinta. Prässättyjen vuokien laatu oli epätasainen. Siksi erityisesti rinnakkaisten kansitus- ja hapenläpäisymittausten väliset erot olivat merkitseviä. Lisäksi prässäys laski materiaalien hapenläpäisyominaisuuksia. Yksittäisten vuokien tiiveysominaisuudet täyttivät kuitenkin kaupallisille kaasupakkauksille asetetut vaatimukset. Vesihöyrynläpäisevyydessä materiaalin vesihöyrynläpäisy oli merkittävämpää kuin vesihöyryn kulkeutuminen vuotokohtien tai epäonnistuneiden saumojen kautta.

Hermetic sealing of food packaging trays

Suojakaasupakkaaminen on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina elintarvikkeiden pakkaamisessa sillä pakkaamalla elintarvike suojakaasuun voidaan sen hyllyikää pidentää ilman säilöntäaineita. Tällainen pakkaaminen vaatii kuitenkin täysin kaasutiiviin pakkauksen, jonka kaasunläpäisevyys on myös alhainen. Yleisimmin käytetyt pakkausmateriaalit suojakaasupakkaamisessa ovat monikerroksiset muovimateriaalit, joissa yhdistyy monen eri muovin parhaimmat ominaisuudet. Yleisimmin käytettyjä muovilaatuja näissä monikerrosrakenteissa ovat PE, PET, PA ja EVOH polymeerit. Myös muita perinteisiä polymeerejä käytetään jonkin verran näissä rakenteissa. Uudemmat muovilaadut, kuten biohajoavat muovit, eivät ole vielä yleistyneet kaupallisessa käytössä pääasiallisesti niiden korkean hinnan vuoksi. Muovisten pakkausten korvaamista esimerkiksi muovipäällystetyillä kartonkipakkauksilla on viime vuosien aikana tutkittu enenevissä määrin. Muovipakkausten korvaamista helpommin kierrätettävillä ja mahdollisesti biohajoavilla materiaaleilla edistävät EU:n direktiivit, jotka käsittelevät pakkausjätteen käsittelyä. Kartonkivuokien saumaamista kaasutiiviisti tutkittiin myös tässä työssä. Tavoitteena oli löytää pakkaus, joka soveltuisi kanasuikaleiden pakkaamiseen suojakaasuun. Kana on herkkä mikrobiologiselle hajoamiselle, minkä johdosta se tulee pakata suojakaasuun jossa happipitoisuuden tulee olla alle 1 % pakkauspäivästä viimeiseen käyttöpäivään saakka. Suorittamalla erilaisia tiiveystutkimuksia voitiin osoittaa, että kartonkivuoka on mahdollista saumata kaasutiiviisti luotettavalla tavalla. Tämä vaatii kuitenkin kartonkivuokien valmistuksen optimoimista päällystemuovikerroksen ja kartongin paksuuden mukaan sekä kannen saumaamista optimoiduilla saumausparametreilla. Tiivein vuoka saavutettiin muovifilmikannella, jonka saumaus perustui samaan muoviin kuin vuoan saumaus. Polyeteenillä saavutettiin tiivein ja kestävin saumaustulos.

Customer Expectations and Organizational Buying Behavior in the Flexible Packaging Markets

Tämä työ on tehty yhteistyössä kansainvälisen metsäteollisuusyrityksen Stora Enson kanssa. Työ on osa Stora Enson strategiaa kehitettäessä uusia ja innovatiivisia pakkausmateriaaleja ja ratkaisuja joustopakkausmarkkinoille. Työn päätavoitteina oli selvittää, millaisia odotuksia tuotemerkkienomistajilla ja jatkojalostajilla on joustopakkauksista ja kuinka pakkausten ostopäätökset syntyvät monitahoisessa liikeympäristössä. Työn teoreettinen viitekehys jaettiin kahteen osaan. Asiakasodotuksia lähestyttiin tutkimalla eri palvelu- ja tuotelaadun ulottuvuuksia, ja teollisuuden ostokäyttäytymistä tutkittiin organisaatioiden ostokäyttämistä kuvaavien mallien avulla. Työn empiirisessä osuudessa käytettiin laadullista tutkimusmenetelmää käsittäen asiakashaastatteluja lähinnä Yhdysvalloissa. Haastateltavat yritykset koostuivat maailman johtavista kuluttajatuotteita valmistavista yrityksistä sekä jatkojalostajista. Tutkimustulosten mukaan odotukset pakkauksista liittyvät lähinnä tuotteen suojaamiseen sekä myynnin edistämiseen. Pääodotuksina on myös saada mahdollisimman edullisia papereita, mahdollisimman hyvillä barrier- ja paino-ominaisuuksilla. Tutkimustulokset osoittavat myös, että paperiyhtiöt ovat epäonnistuneet tekemään itseään tunnetuksi teollisuudelle ja heidän odotetaan olevan tulevaisuudessa aggressiivisempia ja innovatiivisempia. Tuotemerkkienomistajat ostavat pakkaukset ja pakkausmateriaalit normaalisti mieluiten jatkojalostajiensa kautta, mutta silti he toivovat yhteistyötä paperintoimittajien kanssa kunhan vain myös jatkojalostajat sisällytetään toimintaan mukaan.

Paperboard cup with a window

Packaging has to fulfill a lot of demands and the main purpose is to be able to protect the foodstuff packed inside. Typically requirements set on packaging materials reflect the consumer needs. Based on the consumer studies the importance of product visibility is considered as an important property among consumers. However, making the package more transparent the actual shelf life of the product might be reduced. It might have an effect on sensitive foods which contain ingredients vulnerable to light and start to deteriorate more rapidly. The aim for this Masters of Science Thesis was to develop a paperboard cup with a plastic window where different kind of fatty/dry foodstuffs could be stored. The main target was to be able to create an instruction manual how this kind of cup with a window had to be produced without decreasing air tightness and other barrier properties of cupboard material used as a base board. The focus in this work was on designing a shape of the window and finding critical limits for the size, shape and location of the window in the final paperboard cup. Windows were made by cutting holes with different sizes and shapes to different places in the cup blank by using a model cutter. For the windows one plastic film type was selected due to its low oxygen and water vapour transmission properties. The window film was attached to the cup blank by using hot bar and laser seaming methods. Cup manufacturing was done at Stora Enso InnoCentre, Imatra. As a result critical limits for the place, size and shape of the window could be found. The sealing method had a significant effect on the tightness of the cups. Windows didn’t decrease the grip stiffness of the cup. The cup itself gave better light protection than the plastic film used in the windows. The bigger the window, the less the cup could protect the possible foodstuff. Bursting strength was lower in the windows compared to the cup material itself. From environmental point of view DSD licence fees have to be paid due to the amount of used plastic.When using bigger windows the ratio of plastic to fibres increase. This would raise the DSD fee. However, the amount of material is overall reduced which lowers the fee.

Rasvankestävät paperit ja kartongit

Rasvankestävyydellä tarkoitetaan sitä, että materiaali hylkii tai kestää rasvaa tietyn ajan läpäisemättä sen pintaa. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja löytyy kaikkialta. Erilaiset ruuanvalmistuspaperit, kuten esimerkiksi leivinpaperi ja voipaperi, ovat rasvankestäviä. Myös pakkauksissa käytetään paljon rasvankestäviä papereita ja kartonkeja. Rasvankestäviltä tuotteilta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Pakkausmateriaaleilta vaaditaan esimerkiksi lujuutta ja kestävyyttä fyysistä rasitusta, valoa, hajuja ja mikrobeja vastaan. Ruuanvalmistusmateriaaleilta vaaditaan puolestaan lujuutta ja kestävyyttä lämpöä, kosteutta ja fyysistä rasitusta vastaan. Rasvankestäviltä papereilta vaaditaan rasvankestävyyden lisäksi hyvää vetolujuutta, märkälujuutta ja hyviä optisia ominaisuuksia. Neliömassan tulee asettua 20─80 g/m2 välille ja metallipitoisuudet eivät saa olla liian korkeat. Myös tuotteiden kierrätettävyys on nostanut asemaansa viimeaikoina. Tuotteen tuotannon ja itse tuotteen ympäristöystävällisyys ovat todella arvostettuja kuluttajan, tuottajan, Suomen, EU:n ja koko maailman näkökulmista. Jotta tuotteesta saadaan rasvankestävää, vaaditaan siltä erilaisia barrier-ominaisuuksia. Rasvankestävällä paperilla vaaditaan hyviä barrier-ominaisuuksia esimerkiksi rasvan, ilman, veden, vesihöyryn sekä hapen läpäisevyyksissä. Rasvankestäviä papereita ja kartonkeja voidaan valmistaa kemiallisilla ja mekaanisilla tavoilla. Happokäsittely ja fluorokemikaalien lisääminen ovat kemiallisia tapoja, kun taas sellun jauhaminen pitkään matalassa lämpötilassa on mekaaninen tapa valmistaa rasvankestävää paperia. Näiden tapojen lisäksi rasvankestäviä papereita voidaan tehdä erilaisten pinnoitusten avulla. Erilaiset muovit ovat yleisemmin käytettyjä pinnoitemateriaaleja. Esimerkiksi PE- ja PET-päällysteet ovat käytettyjä rasvankestävissä tuotteissa. Viime aikoina on kehitetty paljon erilaisia biomateriaaleja, joista voidaan tehdä rasvankestävä pinnoite. Lipideistä, hydrokolloideista ja erilaisista komposiiteista voidaan luoda uusien tekniikoiden avulla rasvankestäviä pinnoitteita. Rasvankestävyydestä voidaan saada jonkinlainen käsitys WVTR-asteen, Cobb-arvon ja kontaktikulman mittausten avulla. Rasvankestävyyttä voidaan myös mitata erilaisten standarditestien avulla. TAPPI:lla, ISO:lla ja ASTM:llä on useita erilaisia standardeja. Lähes kaikissa rasvankestävyysstandardeissa tuloksen saaminen perustuu visuaaliseen havaintoon, mikä aiheuttaa välillä hankaluuksia tulosten luotettavuuteen, koska tuloksen määrittää ihmissilmä, ja kaikilla testin tekijöillä on erilainen silmä, joka aistii eri tavalla.

Paper for printed electronics and functionality

Mass-produced paper electronics (large area organic printed electronics on paper-based substrates, “throw-away electronics”) has the potential to introduce the use of flexible electronic applications in everyday life. While paper manufacturing and printing have a long history, they were not developed with electronic applications in mind. Modifications to paper substrates and printing processes are required in order to obtain working electronic devices. This should be done while maintaining the high throughput of conventional printing techniques and the low cost and recyclability of paper. An understanding of the interactions between the functional materials, the printing process and the substrate are required for successful manufacturing of advanced devices on paper. Based on the understanding, a recyclable, multilayer-coated paper-based substrate that combines adequate barrier and printability properties for printed electronics and sensor applications was developed in this work. In this multilayer structure, a thin top-coating consisting of mineral pigments is coated on top of a dispersion-coated barrier layer. The top-coating provides well-controlled sorption properties through controlled thickness and porosity, thus enabling optimizing the printability of functional materials. The penetration of ink solvents and functional materials stops at the barrier layer, which not only improves the performance of the functional material but also eliminates potential fiber swelling and de-bonding that can occur when the solvents are allowed to penetrate into the base paper. The multi-layer coated paper under consideration in the current work consists of a pre-coating and a smoothing layer on which the barrier layer is deposited. Coated fine paper may also be used directly as basepaper, ensuring a smooth base for the barrier layer. The top layer is thin and smooth consisting of mineral pigments such as kaolin, precipitated calcium carbonate, silica or blends of these. All the materials in the coating structure have been chosen in order to maintain the recyclability and sustainability of the substrate. The substrate can be coated in steps, sequentially layer by layer, which requires detailed understanding and tuning of the wetting properties and topography of the barrier layer versus the surface tension of the top-coating. A cost competitive method for industrial scale production is the curtain coating technique allowing extremely thin top-coatings to be applied simultaneously with a closed and sealed barrier layer. The understanding of the interactions between functional materials formulated and applied on paper as inks, makes it possible to create a paper-based substrate that can be used to manufacture printed electronics-based devices and sensors on paper. The multitude of functional materials and their complex interactions make it challenging to draw general conclusions in this topic area. Inevitably, the results become partially specific to the device chosen and the materials needed in its manufacturing. Based on the results, it is clear that for inks based on dissolved or small size functional materials, a barrier layer is beneficial and ensures the functionality of the printed material in a device. The required active barrier life time depends on the solvents or analytes used and their volatility. High aspect ratio mineral pigments, which create tortuous pathways and physical barriers within the barrier layer limit the penetration of solvents used in functional inks. The surface pore volume and pore size can be optimized for a given printing process and ink through a choice of pigment type and coating layer thickness. However, when manufacturing multilayer functional devices, such as transistors, which consist of several printed layers, compromises have to be made. E.g., while a thick and porous top-coating is preferable for printing of source and drain electrodes with a silver particle ink, a thinner and less absorbing surface is required to form a functional semiconducting layer. With the multilayer coating structure concept developed in this work, it was possible to make the paper substrate suitable for printed functionality. The possibility of printing functional devices, such as transistors, sensors and pixels in a roll-to-roll process on paper is demonstrated which may enable introducing paper for use in disposable “onetime use” or “throwaway” electronics and sensors, such as lab-on-strip devices for various analyses, consumer packages equipped with product quality sensors or remote tracking devices.

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.

Surface characterization of chemically modified fiber, wood and paper

Inorganic-organic sol-gel hybrid coatings can be used for improving and modifying properties of wood-based materials. By selecting a proper precursor, wood can be made water repellent, decay-, moisture- or UV-resistant. However, to control the barrier properties of sol-gel coatings on wood substrates against moisture uptake and weathering, an understanding of the surface morphology and chemistry of the deposited sol-gel coatings on wood substrates is needed. Mechanical pulp is used in production of wood-containing printing papers. The physical and chemical fiber surface characteristics, as created in the chosen mechanical pulp manufacturing process, play a key role in controlling the properties of the end-use product. A detailed understanding of how process parameters influence fiber surfaces can help improving cost-effectiveness of pulp and paper production. The current work focuses on physico-chemical characterization of modified wood-based materials with surface sensitive analytical tools. The overall objectives were, through advanced microscopy and chemical analysis techniques, (i) to collect versatile information about the surface structures of Norway spruce thermomechanical pulp fiber walls and understand how they are influenced by the selected chemical treatments, and (ii) to clarify the effect of various sol-gel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates. A special emphasis was on understanding the effect of sol-gel coatings on the water repellency of modified wood and paper surfaces. In the first part of the work, effects of chemical treatment on micro- and nano-scale surface structure of 1st stage TMP latewood fibers from Norway spruce were investigated. The chemicals applied were buffered sodium oxalate and hydrochloric acid. The outer and the inner fiber wall layers of the untreated and chemically treated fibers were separately analyzed by light microscopy, atomic force microscopy and field-emission scanning electron microscopy. The selected characterization methods enabled the demonstration of the effect of different treatments on the fiber surface structure, both visually and quantitatively. The outer fiber wall areas appeared as intact bands surrounding the fiber and they were clearly rougher than areas of exposed inner fiber wall. The roughness of the outer fiber wall areas increased most in the sodium oxalate treatment. The results indicated formation of more surface pores on the exposed inner fiber wall areas than on the corresponding outer fiber wall areas as a result of the chemical treatments. The hydrochloric acid treatment seemed to increase the surface porosity of the inner wall areas. In the second part of the work, three silane-based sol-gel hybrid coatings were selected in order to improve moisture resistance of wood and paper substrates. The coatings differed from each other in terms of having different alkyl (CH3–, CH3-(CH2)7–) and fluorocarbon (CF3–) chains attached to the trialkoxysilane sol-gel precursor. The sol-gel coatings were deposited by a wet coating method, i.e. spraying or spreading by brush. The effect of solgel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates was studied by using advanced surface analyzing tools: atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion spectroscopy. The results show that the applied sol-gel coatings, deposited as thin films or particulate coatings, have different effects on surface characteristics of wood and wood-based materials. The coating which has a long hydrocarbon chain (CH3-(CH2)7–) attached to the silane backbone (octyltriethoxysilane) produced the highest hydrophobicity for wood and wood-based materials.

Printed platforms for paper-based analytical applications

Paper-based analytical technologies enable quantitative and rapid analysis of analytes from various application areas including healthcare, environmental monitoring and food safety. Because paper is a planar, flexible and light weight substrate, the devices can be transported and disposed easily. Diagnostic devices are especially valuable in resourcelimited environments where diagnosis as well as monitoring of therapy can be made even without electricity by using e.g. colorimetric assays. On the other hand, platforms including printed electrodes can be coupled with hand-held readers. They enable electrochemical detection with improved reliability, sensitivity and selectivity compared with colorimetric assays. In this thesis, different roll-to-roll compatible printing technologies were utilized for the fabrication of low-cost paper-based sensor platforms. The platforms intended for colorimetric assays and microfluidics were fabricated by patterning the paper substrates with hydrophobic vinyl substituted polydimethylsiloxane (PDMS) -based ink. Depending on the barrier properties of the substrate, the ink either penetrates into the paper structure creating e.g. microfluidic channel structures or remains on the surface creating a 2D analog of a microplate. The printed PDMS can be cured by a roll-ro-roll compatible infrared (IR) sintering method. The performance of these platforms was studied by printing glucose oxidase-based ink on the PDMS-free reaction areas. The subsequent application of the glucose analyte changed the colour of the white reaction area to purple with the colour density and intensity depending on the concentration of the glucose solution. Printed electrochemical cell platforms were fabricated on paper substrates with appropriate barrier properties by inkjet-printing metal nanoparticle based inks and by IR sintering them into conducting electrodes. Printed PDMS arrays were used for directing the liquid analyte onto the predetermined spots on the electrodes. Various electrochemical measurements were carried out both with the bare electrodes and electrodes functionalized with e.g. self assembled monolayers. Electrochemical glucose sensor was selected as a proof-of-concept device to demonstrate the potential of the printed electronic platforms.

Roll-to-roll atomic layer deposition process for flexible electronics applications

Atomic Layer Deposition (ALD) is the technology of choice where very thin and highquality films are required. Its advantage is its ability to deposit dense and pinhole-free coatings in a controllable manner. It has already shown promising results in a range of applications, e.g. diffusion barrier coatings for OLED displays, surface passivation layers for solar panels. Spatial Atomic Layer Deposition (SALD) is a concept that allows a dramatic increase in ALD throughput. During the SALD process, the substrate moves between spatially separated zones filled with the respective precursor gases and reagents in such a manner that the exposure sequence replicates the conventional ALD cycle. The present work describes the development of a high-throughput ALD process. Preliminary process studies were made using an SALD reactor designed especially for this purpose. The basic properties of the ALD process were demonstrated using the wellstudied Al2O3 trimethyl aluminium (TMA)+H2O process. It was shown that the SALD reactor is able to deposit uniform films in true ALD mode. The ALD nature of the process was proven by demonstrating self-limiting behaviour and linear film growth. The process behaviour and properties of synthesized films were in good agreement with previous ALD studies. Issues related to anomalous deposition at low temperatures were addressed as well. The quality of the coatings was demonstrated by applying 20 nm of the Al2O3 on to polymer substrate and measuring its moisture barrier properties. The results of tests confirmed the superior properties of the coatings and their suitability for flexible electronics encapsulation. Successful results led to the development of a pilot scale roll-to-roll coating system. It was demonstrated that the system is able to deposit superior quality films with a water transmission rate of 5x10-6 g/m2day at a web speed of 0.25 m/min. That is equivalent to a production rate of 180 m2/day and can be potentially increased by using wider webs. State-of-art film quality, high production rates and repeatable results make SALD the technology of choice for manufacturing ultra-high barrier coatings for flexible electronics.

Research progress in wood-plastic composites: A review

The interest towards wood-plastic composites (WPCs) is growing due to growing interest in materials with novel properties, which can replace more traditional materials, such as wood and plastic. The use of recycled materials in manufacture is also a bonus. However, the application ofWPCs has been limited because of their often poor mechanical and barrier properties, which can be improved by incorporation of the reinforcing fillers. Nanosized fillers, having a large surface area, can significantly increase interfacial interactions in the composite on molecular level, leading to materials with new properties. The review summarizes the development trends in the use on nanofillers for WPC design, which were reported in accessible literature during the last decade. The effect of the nanofillers on the mechanical properties, thermal stability, flammability and wettability ofWPC is discussed.