Rheological characterization of polysaccharide gels

In this Master’s Thesis work the rheological properties of different polysaccharide gels have been studied. The results of this study are used as a starting point for further investigations of potential applications. In order to understand rheological behavior of studied materials, the commercial hydrocolloids such as sodium carboxymethyl cellulose, xanthan gum and guar gum were used as reference and comparison material for rheological studies. As a part the rheological research the development and implementation of proper measurement methods for studied materials were carried out. In the literature review, short introductions of studied materials and application areas of rheological modifiers are summarized. In addition, basic rheological concepts and key fundamentals are explained. In the experimental part the focus was on the rheological characterization of aqueous suspensions of studied materials. Especially, gel strength and solution stability were investigated. The rheological measurements included both rotational and oscillatory measurements in different conditions, where several chemical and physical properties were measured with Anton Paar MCR302 dynamic rotational rheometer. Studied polysaccharide gels can be clearly defined to be shear thinning and thixotropic materials. They have strong gel forming properties even at low concentrations, which explains the superior thickening behavior for some of the samples. Along with rheological characterization of selected materials the factors behind different phenomena were investigated. To reveal value and potential use of polysaccharide gels the influence of various factors such as concentration, temperature and ionic strength were determined. The measurements showed a clear difference between studied materials under investigated external parameters.

High speed release -mittausmenetelmän käyttäminen tarralaminaattiprosessin ohjaukses

Työn tavoitteena oli tutkia HSR(High Speed Release)-mittausmenetelmän käyttämistä tarralaminaattiprosessin ohjauksessa UPM Raflatacissa. Nykyisin käytössä olevaan LSR(Low Speed Release)-menetelmään verrattuna HSR-menetelmä kuvaa paremmin tarralaminaatin jatkojalostuksessa sekä etiketöinnissä tapahtuvaa irrotustyötä. Lisäksi työssä tutkittiin irrotusnopeuden vaikutusta HSR-arvoon. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin tarralaminaatin rakenteeseensekä valmistusprosessiin. Koska silikonin valinnalla on merkittävä vaikutus tarralaminaatin releasearvoon, kirjallisessa osassa syvennytään tarkastelemaan tarralaminaatin valmistuksessa käytettyjä silikoneja sekänäiden rakennetta. Kirjallisuusosassa on myös käsitelty muita releasetasoon vaikuttavia tekijöitä. Työn kokeellisessa osassa oli tarkoituksena tutkia HSR-mittausmenetelmän käytettävyyttä tarralaminaatin prosessinohjauksessa. Tätä tutkittiin selvittämällä nykyisin käytössä olevan LSR-menetelmän sekä HSR-menetelmän välistä korreloituvuutta. Mikäli näidenvälillä olisi korreloituvuutta, voitaisiin prosessinohjauksessa ajatella siirtyvän HSR-mittaukseen. Korrelaatiota näiden kahden menetelmän välille ei kuitenkaan löydetty. Työssä tutkittiin myös irrotusnopeuden vaikutusta tuotteen HSR-arvoon. Testeihin valittiin useita eri tuotteita useilta tuotantolaitoksilta. Kaikilla näillä tuotteilla releasearvo kasvoi irrotusnopeutta lisättäessä. Lisäksi työssä määritettiin uudet HSR-spesifikaatiot tietyille tuotteille. Kaikille UPM Raflatacin tuotteille on määritetty LSRspesifikaatiot, HSR-spesifikaatiot on asetettu vain tietyille tuotteille.

Ion-exchange resins as stationary phase in reactive chromatography

Dynamic behavior of bothisothermal and non-isothermal single-column chromatographic reactors with an ion-exchange resin as the stationary phase was investigated. The reactor performance was interpreted by using results obtained when studying the effect of the resin properties on the equilibrium and kinetic phenomena occurring simultaneously in the reactor. Mathematical models were derived for each phenomenon and combined to simulate the chromatographic reactor. The phenomena studied includes phase equilibria in multicomponent liquid mixture¿ion-exchange resin systems, chemicalequilibrium in the presence of a resin catalyst, diffusion of liquids in gel-type and macroporous resins, and chemical reaction kinetics. Above all, attention was paid to the swelling behavior of the resins and how it affects the kinetic phenomena. Several poly(styrene-co-divinylbenzene) resins with different cross-link densities and internal porosities were used. Esterification of acetic acid with ethanol to produce ethyl acetate and water was used as a model reaction system. Choosing an ion-exchange resin with a low cross-link density is beneficial inthe case of the present reaction system: the amount of ethyl acetate as well the ethyl acetate to water mole ratio in the effluent stream increase with decreasing cross-link density. The enhanced performance of the reactor is mainly attributed to increasing reaction rate, which in turn originates from the phase equilibrium behavior of the system. Also mass transfer considerations favor the use ofresins with low cross-link density. The diffusion coefficients of liquids in the gel-type ion-exchange resins were found to fall rapidly when the extent of swelling became low. Glass transition of the polymer was not found to significantlyretard the diffusion in sulfonated PS¿DVB ion-exchange resins. It was also shown that non-isothermal operation of a chromatographic reactor could be used to significantly enhance the reactor performance. In the case of the exothermic modelreaction system and a near-adiabatic column, a positive thermal wave (higher temperature than in the initial state) was found to travel together with the reactive front. This further increased the conversion of the reactants. Diffusion-induced volume changes of the ion-exchange resins were studied in a flow-through cell. It was shown that describing the swelling and shrinking kinetics of the particles calls for a mass transfer model that explicitly includes the limited expansibility of the polymer network. A good description of the process was obtained by combining the generalized Maxwell-Stefan approach and an activity model that was derived from the thermodynamics of polymer solutions and gels. The swelling pressure in the resin phase was evaluated by using a non-Gaussian expression forthe polymer chain length distribution. Dimensional changes of the resin particles necessitate the use of non-standard mathematical tools for dynamic simulations. A transformed coordinate system, where the mass of the polymer was used as a spatial variable, was applied when simulating the chromatographic reactor columns as well as the swelling and shrinking kinetics of the resin particles. Shrinking of the particles in a column leads to formation of dead volume on top of the resin bed. In ordinary Eulerian coordinates, this results in a moving discontinuity that in turn causes numerical difficulties in the solution of the PDE system. The motion of the discontinuity was eliminated by spanning two calculation grids in the column that overlapped at the top of the resin bed. The reactive and non-reactive phase equilibrium data were correlated with a model derived from thethermodynamics of polymer solution and gels. The thermodynamic approach used inthis work is best suited at high degrees of swelling because the polymer matrixmay be in the glassy state when the extent of swelling is low.

Erikoispaperin käyristymisen pienentäminen mittapysyvyyttä parantamalla

Diplomityössä on tutkittu Tervakoski Oy:n PK8:lla valmistettavan irrokepaperin mittapy-syvyysongelmaa. Tämä ilmenee asiakkaan jatkojalostusprosesseissa esim. silikonointi- ja liimausvaiheissa paperin huonona ajettavuutena. Työ pohjautuu PK8:lla suoritettavien tehdasmittakaavaisten koeajojen prosessiolosuhteiden ja mittapysyvyyttä kuvaavien analyysien tulosten tarkasteluun. Työn kirjallisuusosassa kerrotaan silikonointi- ja laminointiprosessin vaatimuksista irrokepaperille. Mittapysyvyyden teoreettista taustaa lähestytään puukuidun sorptio-ominaisuuksien tarkastelulla. Osassa perehdytään mm. paperin mittapysyvyyteen ja käyristymiseen vaikuttaviin eri tekijöihin. Osio sisältää myös katsauksen paperin mittapysyvyyden ja käyristymisen eri mittausmenetelmistä. Työn kokeellisessa osassa tarkastellaan PK8:n prosessiolosuhteiden vaikutuksia mittapysy- vyyden tasoon. Kokeellinen osa sisältää neljä tehdasmittakaavaista koeajosarjaa ja 23 eri koepistettä, joiden tarkoituksena on löytää PK8:lle mittapysyvyyden kannalta parhaimmat mahdolliset olosuhteet muiden laatuarvojen kärsimättä. Koesarjojen muuttujina on käytetty kuivatusviirojen kireyttä, konesuuntaista vetojännitystä sekä suihkusuhteen ja jauhatusasteen muutoksia. Lisäksi paperin käyristymiseen pyrittiin vaikuttamaan PK8:lla toispuoleisella kuivatuksella ja erilliskostutuskoneen toispuoleisella kostutusvesimäärällä. Koesarjojen prosessiolosuhteiden ja analyysitulosten perusteella PK8:lla muutettiin ajotapamallia jo työn kuluessa. Kokeellisen osan loputtua PK8:n tuotantolinjalle määriteltiin uusi ajotapamalli. PK8:n tuotantolinjalla valmistettavan glassiinin poikkisuuntainen kuivatuskutistuma aleni eräässä koesarjassa prosessiolosuhteiden muutosten myötä noin 13 %. Mittapysy-vyyttä kuvaavat kosteuslaajentuma, märkämuodonmuutos ja käyristyminen paranivat keskimäärin 11 %. Uuden ajotapamallin myötä PK8:n valmistaman irrokepaperin laatutaso on noussut, jolloin on jo nyt havaittu, että glassiinin ajettavuus on selkeästi parantunut asiakkaan jatkojalostusprosesseissa.

Lämpötilamuutosten vaikutukset metallien liimaliitoksiin

Diplomityön tavoitteena oli tutkia lämpötilan ja sen muutosten vaikutusta kahden metallin tai metallin ja magneetin väliseen liimaliitokseen. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia magneettien liimaukseen käytetyn akryyliliiman lujuutta lämpösyklitysten jälkeen ja eri käyttölämpötilojen seurauksena. Teoriaosassa on käsitelty erilaisia liimauksen toteutukseen ja liimaliitoksen lujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset metallien liimaukseen soveltuvat liimatyypit ja niiden tarttumiseen liittyvät tekijät, kuten esikäsittelyt on myös käyty läpi teoriaosassa. Myös liiman- ja liimatyypin valintaa koskevia periaatteita ja tekniikoita on käsitelty. Käytännön osassa on esitelty koejärjestelyt sekä tutkittavat materiaalit ja niille suoritetut esikäsittelyt. Käytännön kokeissa suoritettavissa liimaliitoksissa käytettiin akryyli- ja silikoniliimoja, joille suoritettiin erilaisia vetokokeita. Akryyliliimalla liimatuille liitoksille suoritettiin myös lämpösyklityksiä, joita vertailtiin käsittelemättömiin liitoksiin. Magneettien ja metallien välisten liitosten lujuuden lisäksi liimalta saavutettavia lujuuksia arvioitiin rakenneterästen välisen liimaliitoksen sisältävillä vetosauvoilla. Suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin lämpötilan vaikuttavan radikaalisesti liimaliitosten lujuuteen. Magneettien liimaliitoksilla saavutettiin käytännön sovellukseen riittävän suuria leikkauslujuuden arvoja vain huoneenlämpötilassa vedettäessä. Lämpösyklitysten todettiin myös heikentävän liitosta selvästi. Silikoniliiman lujuus oli alle sovelluskohteessa vaikuttavien voimien optimaalisissakin olosuhteissa. Metallien välisten liimaliitosten lujuuden todettiin heikentyvän nopeasti kasvatettaessa vetokokeissa käytettyä lämpötilaa. Liitoksen heikkenemistä havaittiin myös lämpötilaa laskettaessa.

EDTA- and DTPA-functionalized silica gel and chitosan adsorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions

Adsorbents functionalized with chelating agents are effective in removal of heavy metals from aqueous solutions. Important properties of such adsorbents are high binding affinity as well as regenerability. In this study, aminopolycarboxylic acid, EDTA and DTPA, were immobilized on the surface of silica gel, chitosan, and their hybrid materials to achieve chelating adsorbents for heavy metals such as Co(II), Ni(II), Cd(II), and Pb(II). New knowledge about the adsorption properties of EDTA- and DTPA-functionalizedadsorbents was obtained. Experimental work showed the effectiveness, regenerability, and stability of the studied adsorbents. Both advantages and disadvantages of the adsorbents were evaluated. For example, the EDTA-functionalized chitosan-silica hybrid materials combined the benefits of the silica gel and chitosan while at the same time diminishing their observed drawbacks. Modeling of adsorption kinetics and isotherms is an important step in design process. Therefore, several kinetic and isotherm models were introduced and applied in this work. Important aspects such as effect of error function, data range, initial guess values, and linearization were discussed and investigated. The selection of the most suitable model was conducted by comparing the experimental and simulated data as well as evaluating the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent. In addition, modeling of two-component data was conducted using various extended isotherms. Modeling results for both one- and twocomponent systems supported each other. Finally, application testing of EDTA- and DTPA-functionalized adsorbents was conducted. The most important result was the applicability of DTPA-functionalized silica gel and chitosan in the capturing of Co(II) from its aqueous EDTA-chelate. Moreover, these adsorbents were efficient in various solution matrices. In addition, separation of Ni(II) from Co(II) and Ni(II) and Pb(II) from Co(II) and Cd(II) was observed in two- and multimetal systems. Lastly, prior to their analysis, EDTA- and DTPA-functionalized silica gels were successfully used to preconcentrate metal ions from both pure and salty waters

Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures

Immobilization of Burkholderia cepacia Lipase: Kinetic Resolution in Organic Solvents, Ionic Liquids and in Their Mixtures Biocatalysis opens the door to green and sustainable processes in synthetic chemistry allowing the preparation of single enantiomers, since the enzymes are chiral and accordingly able to catalyze chemical reactions under mild conditions. Immobilization of enzymes enhances process robustness, often stabilizes and activates the enzyme, and enables reuse of the same enzyme preparation in multiple cycles. Although hundreds of variations of immobilization methods exist, there is no universal method to yield the highly active, selective and stable enzyme catalysts. Therefore, new methods need to be developed to obtain suitable catalysts for different substrates and reaction environments. Lipases are the most widely used enzymes in synthetic organic chemistry. The literature part together with the experimental part of this thesis discusses of the effects of immobilization methods mostly used to enhance lipase activity, stability and enantioselectivity. Moreover, the use of lipases in the kinetic resolution of secondary alcohols in organic solvents and in ionic liquids is discussed. The experimental work consists of the studies of immobilization of Burkholderia cepacia lipase (lipase PS) using three different methods: encapsulation in sol-gels, cross-linked enzyme aggregates (CLEAs) and supported ionic liquids enzyme catalysts (SILEs). In addition, adsorption of lipase PS on celite was studied to compare the results obtained with sol-gels, CLEAs and SILEs. The effects of immobilization on enzyme activity, enantioselectivity and hydrolysis side reactions were studied in kinetic resolution of three secondary alcohols in organic solvents, in ionic liquids (ILs), and in their mixtures. Lipase PS sol-gels were shown to be active and stable catalysts in organic solvents and solvent:IL mixtures. CLEAs and SILEs were highly active and enantioselective in organic solvents. Sol-gels and SILEs were reusable in several cycles. Hydrolysis side reaction was suppressed in the presence of sol-gels and CLEAs.

Use of fiber-reinforced composite framework and thermochromic pigment in maxillofacial prostheses

The purpose of this investigation was to evaluate the possibility to enhance certain qualities of facial prostheses. Polymethyl methacrylate is still being used as base mate¬rial or clip carrier material, but it is hard and heavy, and debonding of the silicone from the acrylic base material is a frequent problem. This thesis aims to evaluate the use of fiber-reinforced composite (FRC) as framework material for maxillofacial silicone prostheses. FRC has been used as reinforcement in removable and fixed partial dentures since the 1990s. This material is lightweight and can be fabricated to compress the margins of the prosthesis slightly, to keep it tightly against the skin during jaw movements and facial expressions. Additionally, the use of a thermochromic pigment, colorless in room temperature and red in a cold environment, was studied in order to evaluate the possibility of using this color changing pigment in facial prostheses to mimic the color change of facial skin in cold weather. The tensile bond strength between pre-impregnated, unidirectional FRC and maxillofacial silicone elastomer was studied. Three different bonding agents or primers were compared. Bond strength was improved by one of the primers and by roughening the surface. The effect of a skin compressing glass fiber-reinforced composite framework on facial skin blood flow was studied by using a face mask, constructed with a compression pad corresponding to the outer margin of a glass fiber-reinforced framework beam of a facial prosthesis. The skin blood flow of ten healthy volunteers, aged 23-25 years, was measured during touch, light, and moderate compression of the skin, by using laser Doppler imaging technique. None of the compressions showed any marked effects on local skin blood flow. There were no significant differences between blood flow during compression and at baseline. Maxillofacial silicone elastomer was colored intrinsically with conventional color pigments: a control group containing only conventional pigments was compared to two test groups with 0.2 wt% and 0.6 wt% thermochromic pigment added. The color of the material was measured with a spectrophotometer in room temperature and after storage in a freezer. The color stability of the maxillofacial silicone elastomer colored with thermo¬chromic pigment was evaluated by artificial aging. The color dif¬ference of the L* (lightness) and a* values (redness), comparing color after the samples were stored at room temperature and in a freezer (-19°C), was statistically significant for both 0.2 wt% and 0.6 wt% thermo¬chromic pigment groups. The differences in the b* values (yellowness) were statistically significant for the 0.6 wt% group. Exposure to ultraviolet (UV) radiation led to visually noticeable and statistically signifi¬cant color changes (ΔE) in all color values in both test groups. The specimens containing thermochromic pigment were very sensitive to UV radiation. In conclusion, a framework of fiber-reinforced composite can successfully be bonded to maxillofacial silicone elastomer, and a framework beam, compressing the facial skin, did not remarkably alter the skin blood flow on healthy, young adults. The thermochromic pigment showed color change in maxillofacial silicone elastomer. However, artificial aging showed that it was too sensitive to UV radiation to be used, as such, in maxillofacial prostheses.

Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta

Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa. Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina. Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen. Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.

Vaahtoamisen estäminen vesiohenteisissa sisäseinämaaleissa

Maalit ovat hyvin komplekseja seoksia, jotka sisältävät erilaisia pinta-aktiivisia aineita. Erilaisia pinta-aktiivisia apuaineita käytetään varsinkin vesiohenteisissa maaleissa veden korkean pintajännityksen takia. Nämä maalin komponentit saat-tavat kuitenkin aiheuttaa maaliin vaahtoamisongelmia. Maalien vaahtoaminen aiheuttaa esimerkiksi erilaisia pintavikoja maalikalvossa ja epäotpimaalista tuo-tantosäiliöiden ja pakkausten täyttöä. Joissain tapauksissa myös maalin funktio-naalisuus saattaa häiriintyä. Maalien vaahtoamista pyritään vähentämään pääasiassa vaahdonestäjiksi kutsu-tuilla apuaineilla. Tärkeimmät vesipohjaisissa maaleissa käytettävät vaahdonestäjät ovat mineraaliöljyjä sekä silikonipohjaisia vaahdonestäjiä. Tässä työssä tutkitaan kolmen eri vesiohenteisen sisäseinämaalin vaahtoamista ja mahdollisia keinoja vähentää sitä. Laboratoriossa kokeillaan nykyisten vaahdonestäjien tilalle mahdollisia korvaavia apuaineita. Lisäksi kullekin maalille luodaan koesuunni-telma, jonka mukaan toteutetaan tehtaalla sarja koeajoja, joilla pyritään löytämään sopiva vaahdonestäjän annostus sekä lisäystapa kullekin maalille, siten että maalien vaahtoaminen vähenee. Laboratoriokokeiden perusteella korvaavaa vaahdonestäjää nykyisten tilalle ei löydetty. Valmistusprosessin yhteydessä sen sijaan havaittiin, että vaahdonestäjän lisäystapaa muuttamalla voisi olla mahdollista vähentää maalien vaahtoamista merkittävästi lisäämättä käytettävää vaahdonestäjän annostusta.