Wood as a model material for medical biomaterials. In vivo and in vitro studies with bone and Betula pubescens Ehrh

Novel biomaterials are needed to fill the demand of tailored bone substitutes required by an ever‐expanding array of surgical procedures and techniques. Wood, a natural fiber composite, modified with heat treatment to alter its composition, may provide a novel approach to the further development of hierarchically structured biomaterials. The suitability of wood as a model biomaterial as well as the effects of heat treatment on the osteoconductivity of wood was studied by placing untreated and heat‐treated (at 220 C , 200 degrees and 140 degrees for 2 h) birch implants (size 4 x 7mm) into drill cavities in the distal femur of rabbits. The follow‐up period was 4, 8 and 20 weeks in all in vivo experiments. The flexural properties of wood as well as dimensional changes and hydroxyl apatite formation on the surface of wood (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood) were tested using 3‐point bending and compression tests and immersion in simulated body fluid. The effect of premeasurement grinding and the effect of heat treatment on the surface roughness and contour of wood were tested with contact stylus and non‐contact profilometry. The effects of heat treatment of wood on its interactions with biological fluids was assessed using two different test media and real human blood in liquid penetration tests. The results of the in vivo experiments showed implanted wood to be well tolerated, with no implants rejected due to foreign body reactions. Heat treatment had significant effects on the biocompatibility of wood, allowing host bone to grow into tight contact with the implant, with occasional bone ingrowth into the channels of the wood implant. The results of the liquid immersion experiments showed hydroxyl apatite formation only in the most extensively heat‐treated wood specimens, which supported the results of the in vivo experiments. Parallel conclusions could be drawn based on the results of the liquid penetration test where human blood had the most favorable interaction with the most extensively heat‐treated wood of the compared materials (untreated, 140 degrees C and 200 degrees C heat‐treated wood). The increasing biocompatibility was inferred to result mainly from changes in the chemical composition of wood induced by the heat treatment, namely the altered arrangement and concentrations of functional chemical groups. However, the influence of microscopic changes in the cell walls, surface roughness and contour cannot be totally excluded. The heat treatment was hypothesized to produce a functional change in the liquid distribution within wood, which could have biological relevance. It was concluded that the highly evolved hierarchical anatomy of wood could yield information for the future development of bulk bone substitutes according to the ideology of bioinspiration. Furthermore, the results of the biomechanical tests established that heat treatment alters various biologically relevant mechanical properties of wood, thus expanding the possibilities of wood as a model material, which could include e.g. scaffold applications, bulk bone applications and serving as a tool for both mechanical testing and for further development of synthetic fiber reinforced composites.

New families of highly efficient, halogen-free flame retardants for polypropylene (PP)

The driving forces for current research of flame retardants are increased fire safety in combination with flame retardant formulations that fulfill the criteria of sustainable production and products. In recent years, important questions about the environmental safety of antimony, and in particular, brominated flame retardants have been raised. As a consequence of this, the current doctoral thesis work describes efforts to develop new halogen-free flame retardants that are based on various radical generators and phosphorous compounds. The investigation was first focused on compounds that are capable of generating alkyl radicals in order to study their role on flame retardancy of polypropylene. The family of azoalkanes was selected as the cleanest and most convenient source of free alkyl radicals. Therefore, a number of symmetrical and unsymmetrical azoalkanes of the general formula R-N=N-R’ were prepared. The experimental results show that in the series of different sized azocycloalkanes the flame retardant efficacy decreased in the following order: R = R´= cyclohexyl > cyclopentyl > cyclobutyl > cyclooctanyl > cyclododecanyl. However, in the series of aliphatic azoalkanes compounds, the efficacy decreased as followed: R = R´= n-alkyl > tert-butyl > tert-octyl. The most striking difference in flame retardant efficacy was observed in thick polypropylene plaques of 1 mm, e.g. azocyclohexane (AZO) had a much better flame retardant performance than did the commercial reference FR (Flamestab® NOR116) in thick PP sections. In addition, some of the prepared azoalkane flame retardants e.g. 4’4- bis(cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) exhibited non-burning dripping behavior. Extrusion coating experiments of flame retarded low density polyethylene (LDPE) onto a standard machine finished Kraft paper were carried out in order to investigate the potential of azoalkanes in multilayer facings. The results show that azocyclohexane (AZO) and 4’4-bis (cyclohexylazocyclohexyl) methane (BISAZO) can significantly improve the flame retardant properties of low density polyethylene coated paper already at 0.5 wt.% loadings, provided that the maximum extrusion temperature of 260 oC is not exceeded and coating weight is kept low at 13 g/m2. In addition, various triazene-based flame retardants (RN1=N2-N3R’R’’) were prepared. For example, polypropylene samples containing a very low concentration of only 0.5 wt.% of bis- 4’4’-(3’3’-dimethyltriazene) diphenyl ether and other triazenes passed the DIN 4102-1 test with B2 classification. It is noteworthy that no burning dripping could be detected and the average burning times were very short with exceptionally low weight losses. Therefore, triazene compounds constitute a new and interesting family of radical generators for flame retarding of polymeric materials. The high flame retardant potential of triazenes can be attributed to their ability to generate various types of radicals during their thermal decomposition. According to thermogravimetric analysis/Fourier transform infrared spectroscopy/MS analysis, triazene units are homolytically cleaved into various aminyl, resonance-stabilized aryl radicals, and different CH fragments with simultaneous evolution of elemental nitrogen. Furthermore, the potential of thirteen aliphatic, aromatic, thiuram and heterocyclic substituted organic disulfide derivatives of the general formula R-S-S-R’ as a new group of halogen-free flame retardants for polypropylene films have been investigated. According to the DIN 4102- 1 standard ignitibility test, for the first time it has been demonstrated that many of the disulfides alone can effectively provide flame retardancy and self-extinguishing properties to polypropylene films at already very low concentrations of 0.5 wt.%. For the disulfide family, the highest FR activity was recorded for 5’5’-dithiobis (2-nitrobenzoic acid). Very low values for burning length (53 mm) and burning time (10 s) reflect significantly increased fire retardant performance of this disulfide compared to other compounds in this series as well as to Flamestab® NOR116. Finally, two new, phosphorus-based flame retardants were synthesized: P’P-diphenyl phosphinic hydrazide (PAH) and melamine phenyl phosphonate (MPhP). The DIN 4102-1 test and the more stringent UL94 vertical burning test (UL94 V) were used to assess the formulations ability to extinguish a flame once ignited. A very strong synergistic effect with azoalkanes was found, i.e. in combination with these radical generators even UL94 V0 rate could be obtained.

Tiivispaperin rasvanläpäisyn luonnehtiminen

Työn tavoitteena oli kehittää Metsä Tissue Oyj:n Mäntän tehtaille uusi testimenetelmä leivinpaperin rasvanläpäisyn mittaamiseen. Uudella testimenetelmällä korvataan kaksi nykyisistä testimenetelmistä, jotka ovat aikaa vieviä ja epäluotettavia. Uudelta menetelmältä vaaditaan lyhyttä kestoa, hyvää toistettavuutta ja luotettavuutta sekä korreloivuutta nykyisiin testimenetelmiin. Nykyisissä testeissä leivinpaperilla paistetaan sikaa ja kanaa uunissa, jonka jälkeen tarkastetaan leivinpaperin läpäisseen rasvan määrää leivinpaperin alla olleen lautasen puhtauden perusteella. Sikatesti on huomattavasti kriittisempi kuin kanatesti, joten tässä työssä keskitytään sikatestin korvaamiseen uudella testimenetelmällä. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin rasvatiiviisiin papereihin, niiden valmistukseen ja ominaisuuksiin. Lähinnä keskityttiin tiivispaperin valmistukseen ja sen silikonointiin. Lisäksi esitettiin rasvanläpäisyn mekanismeja ja niihin vaikuttavia tekijöitä sekä rasvanläpäisyn mittaamiseen kehitettyjä menetelmiä. Kokeellisen osan alussa tehtiin esikokeita olemassa olevilla testeillä, kuten Helga- ja Tappi-rasvatiiveystestillä, DIN 53116 standardin mukaisella menetelmällä sekä DPM menetelmällä. Esikokeiden tarkoituksena oli selvittää missä määrin sikatesti korreloi muiden testimenetelmien kanssa. Näistä menetelmistä ei löydetty korrelaatiota sikatestiin, joten kehitettiin aivan uusi testimenetelmä. Kokeellisessa osassa tutkittiin sikatestissä leivinpaperin pidättämiä ja läpäisemiä aineita. Testeissä huomattiin, että leivinpaperin läpäisseet aineet olivat pääosin vesiliukoisia proteiineja. Leivinpaperin pidättämässä aineessa oli vettä, vesiliukoista proteiineja ja rasvaa, siasta riippuen hyvinkin erilaisissa suhteissa. Täten todettiin sikatestin huono toistettavuus ja luotettavuus. Uudessa testimenetelmässä leivinpaperia ja sen päällä olevaa koeainetta puristetaan määrätyllä paineella määrätyssä lämpötilassa, jonka jälkeen leivinpaperin läpäissyt rasva havainnoidaan leivinpaperin alla olevasta indikaattoripaperista. Lopuksi lasketaan tietynkokoisten läpimenotahrojen lukumäärän perusteella näytteelle rasvan läpäisyindeksi. Uusi menetelmä korreloi sekä sika- että kanatestin kanssa.

Supplier Evaluation on the Standard Material and Component Markets in the Electronic Manufacturing Equipment Industry

Työn tavoitteena oli arvioida ja selvittää toimittajasuhteeseen vaikuttavia tekijöitä JOT Automation Group Oyj.n ja sen alihankkijoiden välisessä yhteistyössä ja muodostaa yrityksen kilpailukykyä parantava toimittaja-arviointiprosessi. Työssä keskityttiin tarkastelemaan yleisillä materiaali- ja komponenttimarkkinoilla toimivia toimittajia elektroniikkateollisuuden tuotantojärjestelmien valmistuksessa. Ensin tutustuttiin toimittajasuhdetta ja sen arviointia käsitelleeseen kirjallisuuteen. Teorian tueksi tehtiin haastatteluja ja kartoitettiin ensisijaisia tarpeita ja tavoitteita arviointiprosessille. Valmis prosessi testattiin käytännössä kahden eri case-esimerkin avulla. Prosessista muodostui kahteen eri työkaluun jakautunut kokonaisuus, joista auditointi arvioi toimittajan kyvykkyyttä vastatta sille asetettuihin vaatimuksiin. Toimittajan suorituskyvyn mittaaminen puolestaan testaa ja vertaa jatkuvasti toiminnan todellista tasoa auditoinnissa saatuihin tuloksiin. Työ sisältää selvityksen ja ohjeistuksen toimittaja-arviointiprosessin käytöstä. Prosessin käyttö alentaa toimittajaan kohdistuvaa materiaalien saatavuuteen ja hankintaan liittyviä riskejä. Esimerkeistä saadut kokemukset osoittivat, että prosessin avulla päästään pureutumaan tärkeisiin ydinalueisiin ja kehittämään niitä sekä toimittajalle, että ostajayritykselle edullisella tavalla. Toimittaja-arviointiprosessista kehittyy toimintatapa yrityksen ja sen toimittajan välisen suhteen ylläpitämiseksi.

Laser-TIG–hybridihitsauksen soveltuvuustutkimus

Tässä tutkimuksessa selvitetään ilman hitsauslisäainetta tapahtuvan laser–TIG–hybridihitsausprosessin soveltuvuus 6 mm ja 8 mm paksujen päittäisliitettyjen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsaukseen. Hitsien tarkastelussa huomio kiinnitetään hitsausnopeuteen, hitsien tunkeumaan, liittämistehokkuuteen, hitsien kovuuteen ja hitsausliitoksen ulkonäköön. Muita tutkittavia asioita ovat laser-TIG-hybridihitsattujen levyjen muodonmuutokset ja suuresta hitsausnopeudesta sekä pienestä t8/5 jäähtymisajasta johtuvat mahdolliset kylmähalkeamat. Laser-TIG-hybridihitsejä verrataan robotti-MAG- ja käsin MAG-hitseihin sekä kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 hitsiluokkien mukaisiin raja-arvoihin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessissa TIG-valokaari mahdollistaa tasaisen ja lähes roiskeettoman hitsin ja lasersäde aikaansaa syvän tunkeuman sekä tasalaatuisen juurihitsin. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla 6 mm paksut S355 K2 rakenneteräslevyt on mahdollista hitsata levyn yhdeltä puolelta kerralla valmiiksi. Paksummat 8 mm levyt voidaan hitsata levyn yhdeltä tai molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla hitsatut hitsit ovat hyvin siistejä ja lähes roiskeettomia. Verrattaessa laser-TIG-hybridihitsausprosessia muihin hitsausprosesseihin sen voidaan todeta olevan erittäin kilpailukykyinen 6 mm paksujen päittäisliitettyjen rakenneterästen hitsaamisessa, mutta se soveltuu myös 8 mm paksujen rakenneterästen hitsaamiseen. Tutkitut hitsit täyttävät kaarihitsausstandardin SFS-EN ISO 5817 B- ja D-hitsiluokkien mukaiset raja-arvot. Vertailukokeet 6 mm paksulla S355 rakenneteräksellä osoittavat, että yhdeltä puolelta suoritettavan laser-TIG-hybridihitsauksen hitsausnopeus on robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna yli nelinkertainen ja MAG-käsinhitsaukseen verrattuna yli viisinkertainen. Laser-TIG-hybridihitsauksessa liittämistehokkuus on noin viisinkertainen robotti-MAGhitsaukseen verrattuna. Molemmilta puolilta suoritettavalla laser-TIG-hybridihitsauksella voidaan 8 mm paksulla S355 rakenneteräksellä saavuttaa noin kolminkertainen hitsausnopeus ja liittämistehokkuus robotti-MAG-hitsaukseen verrattuna. Laser-TIG-hybridihitsauksessa TIG-kaaren tuoman lisälämmön ansiosta suurillakin hitsausnopeuksilla (1 m/min) voidaan saavuttaa edulliset kovuusarvot. Kovuusmittausten tulosten perusteella 6 mm ja 8 mm paksujen S355 K2 ja Laser 355 MC rakenneterästen hitsit eivät ylittäneet kaarihitsausstandardin määrittelemää 350 HV kovuuden enimmäisrajaa. Laser-TIG-hybridihitsauksen edullisesta lämmöntuonnista johtuen levyjen pituus- ja poikittaissuuntaiset muodonmuutokset ovat noin 80 prosenttia pienemmät kuin käsin suoritettavassa MAG-hitsauksessa. Laser-TIG-hybridihitsausprosessilla käytetään I-railoa, mutta robotti-MAG- ja käsin MAG-hitsausprosesseilla joudutaan käyttämään V-railoa, jolloin lämmöntuonti ja siitä johtuvat muodonmuutokset ovat suuremmat. Korkea liittämistehokkuus ja edullinen lämmöntuonti merkitsevät vähäisempiä muodonmuutoksia ja siten merkittäviä säästöjä työ-, materiaali- ja energiakustannuksissa. 8 mm ja sitä paksummilla S355 rakenneteräksillä levyn yhdeltä puolelta suoritettava päittäisliitoksen hitsaaminen on laser-TIG hybridihitsauksella haastavaa, koska yli 200 A:n TIG-kaarivirralla suuri metallisula aiheuttaa avaimenreiän sulkeutumisen ja avaimenreiän alaosaan muodostuu kaasukuplia. Tästä voidaan tehdä sellainen johtopäätös, että päittäisliitettävien levyjen ilmarakoa pitäisi kasvattaa niin suureksi, että avaimenreiän sulavirtaus ei pääse estymään. Yli 0,25 mm:n ilmarako edellyttää lasersäteen vaaputusta tai säteen halkaisijan kasvattamista. Ilmaraon kasvattaminen edellyttää myös lisäaineen käyttöä. Tutkimustulosten perusteella laser-TIG-hybridihitsausprosessilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja ja kustannussäästöjä, joten sen hyödyntämistä kannattaa harkita 8 mm ja sitä ohuempien päittäisliitettävien tuotteiden konepaja- ja tehdastuotannossa. Laser-TIGhybridihitsausprosessi soveltuu esimerkiksi seuraavien tuotteiden hitsaamiseen: päittäisliitettävät levyt, palkit, koneenosat, putket, säiliöt ja erilaiset pyörähdyskappaleet.

Orbitaali-TIG-hitsauksen kehittäminen compoundputkien hitsaamisessa

Tässä työssä tutkittiin orbitaali-TIG-hitsauksen hyödyntämistä paineenalaisten compoundputkien jatkohitsien hitsaamiseen. Tutkimus tehtiin Warkaus Works Oy:n omistamalle konepajalle. Tutkimuksen tavoitteena oli laatia standardin SFS-EN ISO 15613 mukaan hyväksytty hitsausmenetelmä. Työn kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin orbitaalihitsauksessa käytettävät hitsausprosessit ja laitteistot eri liitosmuodoille. Työssä esiteltiin myös kuumavedettyjen compoundputkien valmistusprosessia ja rakennetta. Tämän lisäksi kerrottiin putkien hitsattavuudesta ja hitsauksen esivalmisteluista, sekä käyttökohteista voimalaitoskattilassa. Ennen menetelmäkokeen hitsausta suoritettiin suuri määrä koehitsauksia yrityksen orbitaali-TIG-laitteistolla. Onnistuneiden koehitsausten perusteella laadittiin hitsausohjelma, jolla hitsattiin testiputket menetelmäkokeeseen. Hitsausmenetelmää varten valittiin Sandvikin valmistama compoundputki. Testihitseille suoritettiin rikkomattomia ja rikkovia tarkastuksia. Hyväksyttyjen tarkastusten pohjalta laadittiin hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjan. Lisäksi diplomityössä verrattiin mekanisoidun hitsauksen hitsausaikaa käsinhitsauksen hitsausaikaa. Orbitaali-TIG-hitsauksen käyttäminen edellyttää hitsattavalta railolta aina mahdollisimman samanlaisen lähtötilanteen, jotta sen suoritusvarmuus saadaan mahdollisimman korkeaksi. Railon valmistamisen tarkkuudella on mahdollista saada riittävän tarkkoja railoja hitsien laadukkaaseen hitsaukseen. Hitsaus edellyttää laitteiston langansyötön ja elektrodin tarkkoja asetuksia, jotta hitsaus on laadukasta. Lisäaineen jähmeä sula ja hitsin tunkeumavaatimus hankaloittavat orbitaalihitsausta.

Controlling full penetration in MAG welding by the application of infrared thermography and neural network

In this study, an infrared thermography based sensor was studied with regard to usability and the accuracy of sensor data as a weld penetration signal in gas metal arc welding. The object of the study was to evaluate a specific sensor type which measures thermography from solidified weld surface. The purpose of the study was to provide expert data for developing a sensor system in adaptive metal active gas (MAG) welding. Welding experiments with considered process variables and recorded thermal profiles were saved to a database for further analysis. To perform the analysis within a reasonable amount of experiments, the process parameter variables were gradually altered by at least 10 %. Later, the effects of process variables on weld penetration and thermography itself were considered. SFS-EN ISO 5817 standard (2014) was applied for classifying the quality of the experiments. As a final step, a neural network was taught based on the experiments. The experiments show that the studied thermography sensor and the neural network can be used for controlling full penetration though they have minor limitations, which are presented in results and discussion. The results are consistent with previous studies and experiments found in the literature.