Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

Sodaliittien Na8(AlSiO4)6(Cl,S)2 tenebresenssin ja luminesenssin tutkiminen NMR ja EPR spektroskopioita apuna käyttäen

Sodaliitit ovat mineraaleja, joiden ominaisuuksia ovat tenebresenssi, luminesenssi ja kestoluminesenssi. Sodaliitteja voidaan löytää luonnosta, mutta niitä pystytään valmistamaan myös laboratoriossa kiinteän olomuodon menetelmällä. Yksi sodaliittien erityistapauksista on hackmaniitti. Hackamiittiin tutustumalla voidaan helposti tutustua yleisesti sodaliitteihin. Hackamniitin rakenne perustuu rakennekaavaan Na8[AlSiO4]6[Cl,S]2. Rakenteeseen voidaan kuitenkin tehdä hienovaraisia muutoksia, joilla saadaan aikaan ominaisuuksien muutoksia syntyvissä tuotteissa. Työssä valmistettiin synteettisiä sodaliitteja, joiden kloori- ja rikkiatomien suhdetta ja vakanssien määrää muutettiin. Syntyneiden tuotteiden kiderakenne vastasi luonnollisen sodaliitin kiderakennetta. Kiderakenteen sisällä olevat muutokset vaikuttivat kuitenkin sodaliittien luminesenssin intensiteettiin ja tenebresenssissä syntyvän värin tummuuteen ja värin kestoon. Koska rakenne selkeästi vaikuttaa sodaliitin ominaisuuksiin, pyrittiin työssä löytämään parhaat menetelmät, joilla rakennetta voidaan tutkia. Perinteisten rakennetutkimusmenetelmien, (kuten XPD:n) lisäksi tutkittiin magneettiseen värähtelyyn perustuvien tekniikoiden (NMR ja EPR) käyttöä sodaliittien tutkimisessa. Sodaliitteja on tutkittu toistaiseksi kovin vähän. Tulevaisuudessa sodaliitit ovat kuitenkin mielenkiintoinen tutkimuskohde, sillä niissä saadaan aikaan useita optisia ominaisuuksia eri viritysaallonpituuksilla. Työssä esitettyjen tutkimusmenetelmien avulla sodaliitteja voidaan jatkossa tutkia entistä paremmin ja niiden rakenteesta

Epstein-Barr-virus -IgG-avidity : menetelmän pystytys ja evaluointi

Epstein-Barr-virus (EBV) on hyvin yleinen ihmispatogeeni. Primaarin EBV-infektion erottaminen viruksen reaktivaatiosta sekä oireiltaan samankaltaisista taudeista on tärkeää. EBV-IgG-aviditeettitutkimusta käytetään infektioajankohdan määrittämiseen. Työ tehtiin Helsingin yliopiston virustutkimusryhmässä. Työn tarkoitus oli tutkia, soveltuuko Diasorinin IgG-VCA tuotepaketti aviditeettitutkimukseen sekä selvittää antaako EPR-menetelmä vai index-menetelmä luotettavammat tulokset. Määritin Diasorinin aviditeettimenetelmällä yhteensä 101 seeruminäytettä. Näytteistä 35 oli vanhan immuniteetin näytettä ja loput akuutin infektion näytteitä. Referenssimenetelmänä toimi HUSLABin Dade Behringin menetelmä. Suurimmalle osalle näytteistä oli aviditeettitulos määritettynä myös referenssimenetelmällä. Aviditeettimenetelmän periaate on ELISA-menetelmän muunnos, jossa osaa vasta-aineproteiineista denaturoidaan urealiuoksella. Näin saadaan selville, onko vasta-aine tiukasti vai löyhästi kiinnittynyt antigeeniinsa. Matala aviditeetti viittaa akuuttiin infektioon ja taas korkea aviditeetti vanhaan immuniteettiin. Tulosten perusteella Diasorinin IgG-VCA tuotepakkaus soveltuu melko hyvin aviditeettitutkimukseen. Verratessani saatuja tuloksia referenssimenetelmän tuloksiin oli menetelmien välinen korrelaatio hyvä. Diasorinin 4-pisteen EPR-menetelmän sensitiivisyys ja spesifisyys olivat laskutavasta riippuen kummatkin noin 90 mikä on kohtalaisen hyvä. Verrattaessa eri tulostenlaskentatapoja keskenään antoi 4-pisteen EPR-menetelmä luotettavimmat tulokset. Index-menetelmän heikkous oli huono sensitiivisyys, joka jäi vain 77 in. Saatujen tuloksien perusteella voidaan todeta, että Diasorinin tuotepakkaus soveltuu aviditeettitutkimukseen. Aviditeettitutkimuksesta on usein hyötyä lisätutkimuksena tavallisten EBV-vasta-ainetutkimusten rinnalla. Todennäköisesti suuremmalla otoskoolla olisi menetelmän sensitiivisyys ja spesifisyys olleet vielä paremmat.

Development of Craniofacial Bone Defect Reconstruction Implant Based on Fibre-Reinforced Composite with Photopolymerisable Resin Systems. Experimental studies in vitro and in vivo.

Reconstruction of defects in the craniomaxillofacial (CMF) area has mainly been based on bone grafts or metallic fixing plates and screws. Particularly in the case of large calvarial and/or craniofacial defects caused by trauma, tumours or congenital malformations, there is a need for reliable reconstruction biomaterials, because bone grafts or metallic fixing systems do not completely fulfill the criteria for the best possible reconstruction methods in these complicated cases. In this series of studies, the usability of fibre-reinforced composite (FRC) was studied as a biostable, nonmetallic alternative material for reconstructing artificially created bone defects in frontal and calvarial areas of rabbits. The experimental part of this work describes the different stages of the product development process from the first in vitro tests with resin-impregnated fibrereinforced composites to the in vivo animal studies, in which this FRC was tested as an implant material for reconstructing different size bone defects in rabbit frontal and calvarial areas. In the first in vitro study, the FRC was polymerised in contact with bone or blood in the laboratory. The polymerised FRC samples were then incubated in water, which was analysed for residual monomer content by using high performance liquid chromatography (HPLC). It was found that this in vitro polymerisation in contact with bone and blood did not markedly increase the residual monomer leaching from the FRC. In the second in vitro study, different adhesive systems were tested in fixing the implant to bone surface. This was done to find an alternative implant fixing system to screws and pins. On the basis of this study, it was found that the surface of the calvarial bone needed both mechanical and chemical treatments before the resinimpregnated FRC could be properly fixed onto it. In three animal studies performed with rabbit frontal bone defects and critical size calvarial bone defect models, biological responses to the FRC implants were evaluated. On the basis of theseevaluations, it can be concluded that the FRC, based on E-glass (electrical glass) fibres forming a porous fibre veil enables the ingrowth of connective tissues to the inner structures of the material, as well as the bone formation and mineralization inside the fibre veil. Bone formation could be enhanced by using bioactive glass granules fixed to the FRC implants. FRC-implanted bone defects healed partly; no total healing of defects was achieved. Biological responses during the follow-up time, at a maximum of 12 weeks, to resin-impregnated composite implant seemed to depend on the polymerization time of the resin matrix of the FRC. Both of the studied resin systems used in the FRC were photopolymerised and the heat-induced postpolymerisation was used additionally.

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Unsaturated Polyester Resins from Recycled Polyethyleneterephthalate

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia miten kuluttajien kierrättämästä polyeteenitereftalaatista ( PET ) voi valmistaa tyydyttymättömiä polyesterihartseja. Työssä valmistettiin yleiskäyttöön soveltuva laminointihartsi sekä 'gel coat' -hartsi jota käytetään esim. veneiden pintamaalina. Yleishartsin depolymerointiin käytettiin propyleeniglykolia ja 'gel coat' -hartsin valmistamiseen neopentyyliglykolia. Polykondensaatiovaiheessa reaktioon lisättiin maleiinihappoa ja lopuksi hartsit liuotettiin styreeniin. Kirjallisuusosassa esitetään eri menetelmiä PET:n depolymeroimiseksi. Lisäksi esitetään eri vaihtoehtoja glykolien, happojen, katalyyttien ja vinyylimonomeerien valitsemiseksi tyydyttymättömien polyesterihartsien valmistuksessa. Analyysimenetelmiä nestemäisten ja kovetettujen hartsien tutkimiseen ja vertailuun käydään läpi kuten myös erilaisia sovelluksia polyesterihartsien käyttämiseksi. Kokeellinen osa todisti että PET-pullojäte voidaan prosessoida hartsiksiilman uusia investointeja prosessilaitteistoon. PET:n glykolyysi kesti viidestäseitsemään tuntia ja polykondensaatiovaihe kahdesta ja puolesta viiteen tuntiin. Hartsien molekyylipainot ja mekaanisten testien tulokset olivat vertailukelpoisia kaupallisten hartsien antamien tulosten kanssa. Glykolyysivaiheen momomeeri- ja oligomeeripitoisuudet mitattiin geelipermeaatiokromatografialla, jotta nähtiin miten pitkälle depolymerisaatio oli edennyt. Tätä tietoa voidaan hyödyntää uusien hartsireseptin suunnittelussa. Polymeeriketjussa jäljellä olevien C=C kaksoissidosten määrä ja niiden isomeraatioaste maleaattimuodosta fumaraattimuotoon mitattiin 1H-NMR -menetelmällä. Tislevesien koostumus määritettiin kaasukromatografialla, ja tulokset kertoivat katalyytin sisältämän kloorin reagoineen glykolien kanssa, johtaen suureen glykolikulutukseen ja muihin ei-toivottuihin sivureaktioihin. Hartsien sietokykyä auringon valolle mitattiin niiden UV-absorption avulla. Kummastakin hartsista valmistettiin 'gel coat' -maalit jotkalaitettiin sääkoneeseen, joka simuloi auringonpaistetta ja vesisadetta vuorotellen. Näistä 'gel coateista' mitattiin niiden kellastumista. Kummastakin hartsista tehdyt valut asetettiin myös sääkoneeseen ja IR-spektreistä ennen jajälkeen koetta nähtiin että C=O ja C-O esterisidoksia oli hajonnut.

Fibre-reinforced composites as root canal posts

Fibre-reinforced composite (FRC) root canal posts are suggested to have biomechanical benefits over traditional metallic posts, but they lack good adhesion to resin composites. The aim of this series of studies was to evaluate the adhesion of individually formed fibre-reinforced composite material to composite resin and dentin, as well as some mechanical properties. Flexural properties were evaluated and compared between individually formed FRC post material and different prefabricated posts. The depth of polymerization of the individually formed FRC post material was evaluated with IR spectrophotometry and microhardness measurements, and compared to that of resin without fibres. Bonding properties of the individually formed FRC post to resin cements and dentin were tested using Pull-out- and Push-out-force tests, evaluated with scanning electron microscopy, and compared to those of prefabricated FRC and metal posts. Load-bearing capacity and microstrain were evaluated and failure mode assessment was made on incisors restored with individually formed FRC posts of different structures and prefabricated posts. The results of these studies show that the individually polymerized and formed FRC post material had higher flexural properties compared to the commercial prefabricated FRC posts. The individually polymerized FRC material showed almost the same degree of conversion after light polymerization as monomer resin without fibres. Moreover, it was found that the individually formed FRC post material with a semiinterpenetrating polymer network (IPN) polymer matrix bonded better to composite resin luting cement, than did the prefabricated posts with a cross-linked polymer matrix. Furthermore, it was found that, contrary to the other posts, there were no adhesive failures between the individually formed FRC posts and composite resin luting cement. This suggests better interfacial adhesion of cements to these posts. Although no differences in load-bearing capacity or microstrain could be seen, the incisors restored with individually formed FRC posts with a hollow structure showed more favourable failures compared to other prefabricated posts. These studies suggest that it is possible to use individually formed FRC material with semi-IPN polymer matrix as root canal post material. They also indicate that there are benefits especially regarding the bonding properties to composite resin and dentin with this material compared to prefabricated FRC post material with a cross-linked matrix. Furthermore, clinically more repairable failures were found with this material compared to those of prefabricated posts.

Vertailuanalyysin käyttö termohydraulisten koelaitteistojen tulosten laitosmittakaavaan skaalautumisen tutkimisessa

Työn tavoitteena oli tarkastella termohydraulisten koelaitteistojen skaalauksessa käytettäviä periaatteita ja menettelyjä sekä vertailla Apros-simulaattoriohjelmalla laskettuja kanden koelaitteistomallin ja EPR-mallin tuloksia. Tarkoituksena oli saada käsitys siitä, miten hyvin tarkastellut koelaitteistot kuvaavat EPR-Iaitostyypin käyttäytymistä onnettomuustilanteessa. Malleilla tutkittiin jäähdytteen määrän vaikutusta primääripiirin käyttäytymiseen. Koelaitteistomallien tuloksissa toistuvat samat ilmiöt kuin EPR-mallin tuloksissa. Laskettuja PKL-koelaitteistomallin tuloksia vertailtiin myös koelaitteistolla suoritettuun kokeeseen. PKL-mallin todettiin toistavan hyvin kokeen tulokset. Koelaitteistojen tuloksien perusteella kelpoistetaan laskentaohjelmia, joita käytetään ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimuksessa. Erityistä harkintaa tulee käyttää koelaitteistojen tulosten hyödyntämisessä, sillä mittakaava vaikuttaa ilmiöiden esiintymiseen.

Suomen seuraavien ydinvoimalaitosehdokkaiden tyyppivertailu

Tässä kandidaatintyössä on esitelty ja vertailtu Suomeen ehdolla olevat ydinvoimalaitostyypit pääasiassa voimayhtiöiden periaatepäätöshakemusten pohjalta.

Rigid Rod Polymer Fillers in Acrylic Denture and Dental Adhesive Resin Systems

Polymeric materials have been used in dental applications for decades. Adhesion of polymeric materials to each other and to the tooth substrate is essential to their successful use. The aim of this series of studies was two-folded. First, to improve adhesion of poly(paraphenylene) based rigid rod polymer (RRP) to other dental polymers, and secondly, to evaluate the usability of a new dentin primer system based on RRP fillers. Poly(paraphenylene) based RRP would be a tempting material for dental applications because of its good mechanical properties. To be used in dental applications, reliable adhesion between RRP and other dental polymers is required. In this series of studies, the adhesion of RRP to denture base polymer and the mechanical properties of RRP-denture base polymer-material combination were evaluated. Also adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP was determined. Different surface treatments were tested to improve the adhesion of BisGMA-TEGDMA-resin to RRP. Results were based on three-point bending testing, Vickers surface hardness test and scanning electron microscope analysis (SEM), which showed that no reliable adhesion between RRP and denture base polymer was formed. Addition of RRP filler to denture base polymer increased surface hardness and flexural modulus but flexural strength decreased. Results from the shear bond strength test and SEM revealed that adhesion between resin and RRP was possible to improve by surface treatment with dichloromethane (DCM) based primer and a new kind of adhesive surface can be designed. The current dentin bonding agents have good immediate bond strength, but in long term the bond strength may decrease due to the detrimental effect of water and perhaps by matrix metalloproteinases. This leads to problems in longevity of restorations. Current bonding agents use organic monomers. In this series of studies, RRP filled dentin primer was tested in order to decrease the water sorption of the monomer system of the primers. The properties of new dentin primer system were evaluated in vitro by comparing it to commercial etch and rinse adhesive system. The results from the contact angle measurements and SEM showed that experimental primer with RRP reinforcement provided similar resin infiltration to dentin collagen and formed the resin-dentin interface as the control primer. Microtensile bond strength test and SEM revealed that in short term water storing, RRP increased bond strength and primer with BMEP-monomer (bis[2-(methacryloyloxy)-ethyl]phosphate) and high solvent concentration provided comparable bonding properties to the commercial control primers. In long term water storing, the high solvent-monomer concentration of the experimental primers decreased bond strength. However, in low solvent-monomer concentration groups, the long-term water storing did not decrease the bond strength despite the existence of hydrophilic monomers which were used in the system. These studies demonstrated that new dentin primer system reached the mechanical properties of current traditional etch and rinse adhesive system in short time water storing. Improved properties can be achieved by further modifications of the monomer system. Studies of the adhesion of RRP to other polymers suggest that adhesion between RRP and other dental polymers is possible to obtain by certain surface treatments.

Cuticular and Suberin Polymers of Edible Plants. Analysis by Gas Chromatographic-Mass Spectrometric and Solid State Spectroscopic Methods

Cutin and suberin are structural and protective polymers of plant surfaces. The epidermal cells of the aerial parts of plants are covered with an extracellular cuticular layer, which consists of polyester cutin, highly resistant cutan, cuticular waxes and polysaccharides which link the layer to the epidermal cells. A similar protective layer is formed by a polyaromatic-polyaliphatic biopolymer suberin, which is present particularly in the cell walls of the phellem layer of periderm of the underground parts of plants (e.g. roots and tubers) and the bark of trees. In addition, suberization is also a major factor in wound healing and wound periderm formation regardless of the plants’ tissue. Knowledge of the composition and functions of cuticular and suberin polymers is important for understanding the physiological properties for the plants and for nutritional quality when these plants are consumed as foods. The aims of the practical work were to assess the chemical composition of cuticular polymers of several northern berries and seeds and suberin of two varieties of potatoes. Cutin and suberin were studied as isolated polymers and further after depolymerization as soluble monomers and solid residues. Chemical and enzymatic depolymerization techniques were compared and a new chemical depolymerization method was developed. Gas chromatographic analysis with mass spectrometric detection (GC-MS) was used to assess the monomer compositions. Polymer investigations were conducted with solid state carbon-13 cross polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C CP-MAS NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and microscopic analysis. Furthermore, the development of suberin over one year of post-harvest storage was investigated and the cuticular layers from berries grown in the North and South of Finland were compared. The results show that the amounts of isolated cuticular layers and cutin monomers, as well as monomeric compositions vary greatly between the berries. The monomer composition of seeds was found to differ from the corresponding berry peel monomers. The berry cutin monomers were composed mostly of long-chain aliphatic ω-hydroxy acids, with various mid-chain functionalities (double-bonds, epoxy, hydroxy and keto groups). Substituted α,ω-diacids predominated over ω-hydroxy acids in potato suberin monomers and slight differences were found between the varieties. The newly-developed closed tube chemical method was found to be suitable for cutin and suberin analysis and preferred over the solvent-consuming and laborious reflux method. Enzymatic hydrolysis with cutinase was less effective than chemical methanolysis and showed specificity towards α,ω-diacid bonds. According to ₁₃C CP-MAS NMR and FTIR, the depolymerization residues contained significant amounts of aromatic structures, polysaccharides and possible cutan-type aliphatic moieties. Cultivation location seems to have effect on cuticular composition. The materials studied contained significant amounts of different types of biopolymers that could be utilized for several purposes with or without further processing. The importance of the so-called waste material from industrial processes of berries and potatoes as a source of either dietary fiber or specialty chemicals should be further investigated in detail. The evident impact of cuticular and suberin polymers, among other fiber components, on human health should be investigated in clinical trials. These by-product materials may be used as value-added fiber fractions in the food industry and as raw materials for specialty chemicals such as lubricants and emulsifiers, or as building blocks for novel polymers.

Vaikutusalakirjastojen muodostaminen Serpent-ARES-laskentaketjussa

Tässä diplomityössä on esitetty työn yhteydessä toteutetun Serpent-ARES-laskentaketjun muodostamiseksi tarvittavat toimenpiteet. ARES-reaktorisydän-simulaattorissa tarvittavien homogenisoitujen ryhmävakiokirjastojen muodostaminen Serpentiä käyttäen tekee laskentaketjusta muiden käytössä olevien reaktorisydämen laskentaketjujen mahdollisista virhelähteistä riippumattoman. Monte Carlo-laskentamenetelmään perustuvaa reaktorifysiikan laskentaohjelmaa käyttämällä ryhmävakiokirjastot muodostetaan uudella menetelmällä ja näin saadaan viranomaiskäyttöön voimayhtiöiden käyttämistä menetelmistä riippumaton laskentaketju reaktorien turvallisuusmarginaalien laskentaan. Työn yhteydessä muodostetun laskentaketjun ja tehtyjen vaikutusalakirjastojen muodostamisrutiinien sekä parametrisovitteiden toimivuus on todettu laskemalla Olkiluoto 3 - reaktorin alkulatauksen säätösauvojen tehokkuuksia ja sammutusmarginaaleja eri olosuhteissa. Menetelmä on todettu toimivaksi parametrien pätevyysalueella ja saadut laskentatulokset ovat oikeaa suuruusluokkaa. Parametrimallin tarkkuutta ja pätevyysaluetta on syytä vielä kehittää, ennen kuin laskentaketjua voidaan käyttää varmentamaan muilla menetelmillä laskettujen tulosten oikeellisuutta.

Features of a Ziegler-Natta catalyst prepared with the Sirius emulsion-based catalyst production technology

Traditionellt har man ansett att Ziegler-Natta katalysatorer för framställning av polypropen bör ha stor inre yta och hög porositet för att ge hög aktivitet och bra polymerpartikelmorfologi. Den av Borealis utvecklade Sirius emulsionsbaserade katalysatortillverkningsteknologin ger katalysatorer utan mätbar inre yta och porositet. Katalysatorn ger, trots sin kompakthet, polymerpartiklar med utmärkt morfologi och har hög aktivitet. Sirius katalysatorns prestanda, beträffande polymerisationskinetik och polymerstruktur, undersöktes i detta doktorsarbete. En jämn och kontrollerad tidig fragmentering av katalysatorn är av största vikt för att uppnå bra partikelmorfologi i en kommersiell process. Det visades att fragmenteringen av Sirius katalysatorn under de första sekunderna och minuterna av reaktionen framskred på ett homogent sätt. Oligomerhalten i den slutliga produkten är viktig i många applikationer, tex. i applikationer där polymeren kommer i kontakt med mat. Polymerer producerade med Sirius katalysatorn hade en låg oligomerhalt på grund av den smala molekylviktsfördelningen. Analys av kedjeändorna avslöjade att Sirius katalysatorn hade en hög frekvens av kedjeöverföring till monomer, vilket förklarade Sirius katalysatorns något begränsade förmåga att producera polymerer med hög molekylvikt. Sampolymerer av propen och eten producerade med Sirius uppvisade jämnare eten fördelning mellan långa och korta kedjor samt en mera randomiserad fördelning av eten längs med kedjorna än med den konventionella referenskatalysatorn. Tillsammans med den smala molekylviktsfördelningen indikerade resultaten att fördelningen av typer av aktiva centrum i Sirius katalysatorn är smal. Då man producerar polypropen med hög slagseghet skall polymerpartiklarna ha hög porositet för att kunna ackumulera eten/propen gummit. SiO2 nanopartiklar tillsatta under framställningen av Sirius katalysatorn ökade polymerpartikelns porositet, vilket möjliggjorde en dramatisk ökning av gummihalten.

Chemical derivatization of galactoglucomannan for functional materials

In the framework of the biorefinery concept researchers aspire to optimize the utilization of plant materials, such as agricultural wastes and wood. For most of the known processes, the first steps in the valorisation of biomass are the extraction and purification of the individual components. The obtained raw products by means of a controlled separation can consecutively be modified to result in biofuels or biogas for energy production, but also in value-added products such as additives and important building blocks for the chemical and material industries. Considerable efforts are undertaken in order to substitute the use of oil-based starting materials or at least minimize their processing for the production of everyday goods. Wood is one of the raw materials, which have gained large attention in the last decades and its composition has been studied in detail. Nowadays, the extraction of water-soluble hemicelluloses from wood is well known and so for example xylan can be obtained from hardwoods and O-acetyl galactoglucomannans (GGMs) from softwoods. The aim of this work was to develop water-soluble amphiphilic materials of GGM and to assess their potential use as additives. Furthermore, GGM was also applied as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels for the removal of toxic metals and metalloid ions from aqueous solutions. The distinguished products were obtained by several chemical approaches and analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), size exclusion chromatography (SEC), thermal gravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope SEM, among others. Bio-based surfactants were produced by applying GGM and different fatty acids as starting materials. On one hand, GGM-grafted-fatty acids were prepared by esterification and on the other hand, well-defined GGM-block-fatty acid derivatives were obtained by linking amino-functional fatty acids to the reducing end of GGM. The reaction conditions for the syntheses were optimized and the resultant amphiphilic GGM derivatives were evaluated concerning their ability to reduce the surface tension of water as surfactants. Furthermore, the block-structured derivatives were tested in respect to their applicability as additives for the surface modification of cellulosic materials. Besides the GGM surfactants with a bio-based hydrophilic and a bio-based hydrophobic part, also GGM block-structured derivatives with a synthetic hydrophobic tail, consisting of a polydimethylsiloxane chain, were prepared and assessed for the hydrophobization of surface of nanofibrillated cellulose films. In order to generate GGM block-structured derivatives containing a synthetic tail with distinguished physical and chemical properties, as well as a tailored chain length, a controlled polymerization method was used. Therefore, firstly an initiator group was introduced at the reducing end of the GGM and consecutively single electron transfer-living radical polymerization (SET-LRP) was performed by applying three different monomers in individual reactions. For the accomplishment of the synthesis and the analysis of the products, challenges related to the solubility of the reactants had to be overcome. Overall, a synthesis route for the production of GGM block-copolymers bearing different synthetic polymer chains was developed and several derivatives were obtained. Moreover, GGM with different molar masses were, after modification, used as a crosslinker in the synthesis of functional hydrogels. Hereby, a cationic monomer was used during the free radical polymerization and the resultant hydrogels were successfully tested for the removal of chromium and arsenic ions from aqueous solutions. The hydrogel synthesis was tailored and materials with distinguished physical properties, such as the swelling rate, were obtained after purification. The results generated in this work underline the potential of bio-based products and the urge to continue carrying out research in order to be able to use more green chemicals for the manufacturing of biorenewable and biodegradable daily products.

Silicon-containing species in used lube oil re-refining

Nowadays, the re-refining of the used lube oils has gained worldwide a lot of attention due to the necessity for added environmental protection and increasingly stringent environmental legislation. One of the parameters determining the quality of the produced base oils is the composition of feedstock. Estimation of the chemical composition of the used oil collected from several European locations showed that the hydrocarbon structure of the motor oil is changed insignificantly during its operation and the major part of the changes is accounted for with depleted oil additives. In the lube oil re-refining industry silicon, coming mainly from antifoaming agents, is recognized to be a contaminant generating undesired solid deposits in various locations in the re-refining units. In this thesis, a particular attention was paid to the mechanism of solid product formation during the alkali treatment process of silicon-containing used lube oils. The transformations of a model siloxane, tetramethyldisiloxane (TMDS), were studied in a batch reactor at industrially relevant alkali treatment conditions (low temperature, short reaction time) using different alkali agents. The reaction mechanism involving solid alkali metal silanolates was proposed. The experimental data obtained demonstrated that the solids were dominant products at low temperature and short reaction time. The liquid products in the low temperature reactions were represented mainly by linear siloxanes. The prolongation of reaction time resulted in reduction of solids, whereas both temperature and time increase led to dominance of cyclic products in the reaction mixture. Experiments with the varied reaction time demonstrated that the concentration of cyclic trimer being the dominant in the beginning of the reaction diminished with time, whereas the cyclic tetramer tended to increase. Experiments with lower sodium hydroxide concentration showed the same effect. In addition, a decrease of alkali agent concentration in the initial reaction mixture accelerated TMDS transformation reactions resulting in solely liquid cyclic siloxanes yields. Comparison of sodium and potassium hydroxides applied as an alkali agent demonstrated that potassium hydroxide was more efficient, since the activation energy in KOH presence was almost 2-fold lower than that for sodium hydroxide containing reaction mixture. Application of potassium hydroxide for TMDS transformation at 100° C with 3 hours reaction time resulted in 20 % decrease of solid yields compared to NaOH-containing mixture. Moreover, TMDS transformations in the presence of sodium silanolate applied as an alkali agent led to formation of only liquid products without formation of the undesired solids. On the basis of experimental data and the proposed reaction mechanism, a kinetic model was developed, which provided a satisfactory description of the experimental results. Suitability of the selected siloxane as a relevant model of industrial silicon-containing compounds was verified by investigation of the commercially available antifoam agent in base-catalyzed conditions.