The Influence of Certain Processing Factors on the Durability of Yttrium Stabilized Zirconia Used As Dental Biomaterial

In dentistry, yttrium partially stabilized zirconia (ZrO2) has become one of the most attractive ceramic materials for prosthetic applications. The aim of this series of studies was to evaluate whether certain treatments used in the manufacturing process, such as sintering time, color shading or heat treatment of zirconia affect the material properties. Another aim was to evaluate the load-bearing capacity and marginal fit of manually copy-milled custom-made versus prefabricated commercially available zirconia implant abutments. Mechanical properties such as flexural strength and surface microhardness were determined for green-stage milled and sintered yttrium partially stabilized zirconia after different sintering time, coloring process and heat treatments. Scanning electron microscope (SEM) was used for analyzing the possible changes in surface structure of zirconia material after reduced sintering time, coloring and heat treatments. Possible phase change from the tetragonal to the monoclinic phase was evaluated by X-ray diffraction analysis (XRD). The load-bearing capacity of different implant abutments was measured and the fit between abutment and implant replica was examined with SEM. The results of these studies showed that the shorter sintering time or the thermocycling did not affect the strength or surface microhardness of zirconia. Coloring of zirconia decreased strength compared to un-colored control zirconia, and some of the colored zirconia specimens also showed a decrease in surface microhardness. Coloring also affected the dimensions of zirconia. Significantly decreased shrinkage was found for colored zirconia specimens during sintering. Heat treatment of zirconia did not seem to affect materials’ mechanical properties but when a thin coating of wash and glaze porcelain was fired on the tensile side of the disc the flexural strength decreased significantly. Furthermore, it was found that thermocycling increased the monoclinic phase on the surface of the zirconia. Color shading or heat treatment did not seem to affect phase transformation but small monoclinic peaks were detected on the surface of the heat treated specimens with a thin coating of wash and glaze porcelain on the opposite side. Custom-made zirconia abutments showed comparable load-bearing capacity to the prefabricated commercially available zirconia abutments. However, the fit of the custom-made abutments was less satisfactory than that of the commercially available abutments. These studies suggest that zirconia is a durable material and other treatments than color shading used in the manufacturing process of zirconia bulk material does not affect the material’s strength. The decrease in strength and dimensional changes after color shading needs to be taken into account when fabricating zirconia substructures for fixed dental prostheses. Manually copy-milled custom-made abutments have acceptable load-bearing capacity but the marginal accuracy has to be evaluated carefully.

Bonding of Composite Resin to Alumina and Zirconia Ceramics with Special Emphasis on Surface Conditioning and Use of Coupling Agents

Dental oxide ceramics have been inspired by their biocompability and mechanical properties which have made durable all-ceramic structures possible. Clinical longevity of the prosthetic structures is dependent on effective bonding with luting cements. As the initial shear bond strength values can be comparable with several materials and procedures, long-term durability is affected by ageing. Aims of the current study were: to measure the shear bond strength of resin composite-to-ceramics and to evaluate the longevity of the bond; to analyze factors affecting the bond, with special emphasis on: the form of silicatization of the ceramic surface; form of silanization; type of resin primer and the effect of the type of the resin composite luting cement; the effect of ageing in water was studied regarding its effect to the endurance of the bond. Ceramic substrates were alumina and yttrium stabilized zirconia. Ceramic conditioning methods included tribochemical silicatization and use of two silane couplings agents. A commercial silane primer was used as a control silane. Various combinations of conditioning methods, primers and resin cements were tested. Bond strengths were measured by shear bond strength method. The longevity of the bond was generally studied by thermocycling the materials in water. Additionally, in one of the studies thermal cycling was compared with long-term water storaging. Results were analysed statistically with ANOVA and Weibull analysis. Tribochemical treatment utilizing air pressure of 150 kPa resulted shear bond strengths of 11.2 MPa to 18.4 MPa and air pressure of 450 kPa 18.2 MPa to 30.5 MPa, respectively. Thermocycling of 8000 cycles or four years water storaging both decreased shear bond strength values to a range of 3.8 MPa to 7.2 MPa whereas initial situation varied from 16.8. Mpa to 23.0 MPa. The silane used in studies had no statistical significance. The use of primers without 10-MDP resulted spontaneous debonding during thermocycling or shear bond strengths below 5 MPa. As conclusion, the results showed superior long-term bonding with primers containing 10-MDP. Silicatization with silanizing showed improved initial shear bond strength values which considerably decreased with ageing in water. Thermal cycling and water storing for up to four years played the major role in reduction of bond strength, which could be due to thermal fatigue of the bonding interface and hydrolytic degradation of the silane coupled interface.

Addition of stabilized wood ashes to Swedish coniferous stands on mineral soils : effects on stem growth and needle nutrient concentrations

Abstract

Monolithic zirconium dioxide as a full contour restorative material: With special emphasis on the optical and mechanical properties

Full contour monolithic zirconia restorations have shown an increased popularity in the dental field over the recent years, owing to its mechanical and acceptable optical properties. However, many features of the restoration are yet to be researched and supported by clinical studies to confirm its place among the other indirect restorative materials This series of in vitro studies aimed at evaluating and comparing the optical and mechanical properties, light cure irradiance, and cement polymerization of multiple monolithic zirconia material at variable thicknesses, environments, treatments, and stabilization. Five different monolithic zirconia materials, four of which were partially stabilized and one fully stabilized were investigated. The optical properties in terms of surface gloss, translucency parameter, and contrast ratio were determined via a reflection spectrophotometer at variable thicknesses, coloring, sintering method, and after immersion in an acidic environment. Light cure irradiance and radiant exposure were quantified through the specimens at variable thicknesses and the degree of conversion of two dual-cure cements was determined via Fourier Transform Infrared spectroscopy. Bi-axial flexural strength was evaluated to compare between the partially and fully stabilized zirconia prepared using different coloring and sintering methods. Surface characterization was performed using a scanning electron microscope and a spinning disk confocal microscope. The surface gloss and translucency of the zirconia investigated were brand and thickness dependent with the translucency values decreasing as the thickness increased. Staining decreased the translucency of the zirconia and enhanced surface gloss as well as the flexural strength of the fully stabilized zirconia but had no effect on partially stabilized zirconia. Immersion in a corrosive acid increased surface gloss and decreased the translucency of some zirconia brands. Zirconia thickness was inversely related to the amount of light irradiance, radiant exposure, and degree of monomer conversion. Type of sintering furnace had no effect on the optical and mechanical properties of zirconia. Monolithic zirconia maybe classified as a semi-translucent material that is well influenced by the thickness, limiting its use in the esthetic zones. Conventional acid-base reaction, autopolymerizing and dual-cure cements are recommended for its cementation. Its desirable mechanical properties give it a high potential as a restoration for posterior teeth. However, close monitoring with controlled clinical studies must be determined before any definite clinical recommendations can be drawn.

Bacterial adhesion and biofilm formation on monolithic zirconia

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää bakteerien kiinnittymistä ja bakteeribiofilmin muodostumista implanttimateriaalien pinnalla. Monoliittisen zirkonian ja lasikeramien käyttö implanttikruunujen materiaaleina kasvaa jatkuvasti. Zirkoniaa käytetään myös abutmenttien materiaalina esteettisillä alueilla. Tällä hetkellä on vain vähän tutkimustietoa näiden implanttikruunumateriaalien sekä implanttikruunujen sementoimiseen käytetyn sementin pinnalla tapahtuvasta bakteeriadheesiosta ja biofilmin muodostumisesta. Bakteerien adheesiota ja biofilmin muodistumista tutkittiin neljän eri materiaalin pinnalla. Tutkimuksessa käytetyt materiaalit olivat: (1) Litiumdisilikaatti (LDS; IPS e.max CAD, Ivoclar Vivadent,kontrolli), (2) Kokonaan stabiloitu zirkonia (FSZ; Prettau Anterior, Zirkonzahn), (3) Osittain stabiloitu zirkonia (PSZ; Katana, Noritake), ja (4) Kaksoiskovetteinen sementti (DCC; Multilink hybrid abutment cement, Ivoclar Vivadent). Kaikki tutkimuksessa käytetyt materiaalit valmisteltiin ja kiillotettiin valmistajien ohjeiden mukaisesti Tutkittavat pinnat inkuboitiin Streptococcus mutans-suspensiossa +37°C:ssä asteessa. Bakteeriadheesiotestissä inkubointiaika oli 30 minuuttia ja biofilmitestissä vastaava aika oli 24 tuntia. Materiaalien pintoja tarkasteltiin myös elektronimikroskooppia käyttäen. Tutkimuksessa todettiin, että bakteeriadheesiossa oli eroja eri materiaalien välillä. Biofilmin. muodostumisessa ei todettu tilastollisesti merkittäviä eroja tutkittavien materiaalien välillä.

Effect of Shielding Gases in Laser Welding of Aluminium Alloys

High reflectivity to laser light, alloying element evaporation during high power laser welding makes aluminium alloys highly susceptibility to weld defects such as porosity, cracking and undercutting. The dynamic behaviour of the keyhole, due to fluctuating plasma above the keyhole and the vaporization ofthe alloying elements with in the keyhole, is the key problem to be solved for the improvement of the weld quality and stabilization of the keyhole dynamics isperhaps the single most important development that can broaden the application of laser welding of aluminium alloys. In laser welding, the shielding gas is commonly used to stabilize the welding process, to improve the welded joint features and to protect the welded seam from oxidation. The chemicalcomposition of the shielding gas is a key factor in achieving the final qualityof the welded joints. Wide range of shielding gases varying from the pure gasesto complex mixtures based on helium, argon, nitrogen and carbon dioxide are commercially available. These gas mixtures should be considered in terms of their suitability during laser welding of aluminium alloys to produce quality welds. The main objective of the present work is to study the effect of the shielding gascomposition during laser welding of aluminium alloys. Aluminium alloy A15754 was welded using 3kW Nd-YAG laser (continuous wave mode). The alloy samples were butt welded with different shielding gases (pure and mixture of gases) so that high quality welds with high joint efficiencies could be produced. It was observed that the chemical composition of the gases influenced the final weld quality and properties. In general, the mixture gases, in correct proportions, enabled better utilisation of the properties of the mixing gases, stabilized the welding process and produced better weld quality compared to the pure shielding gases.

Uutto-olosuhteiden vaikutus kasviperäisen indigon saantoon

Indigo on väriaine, jota valmistetaan petrokemianteollisuuden välituotteena syntyvästä aniliinista. Indigolla on kuitenkin pitkä historia. Sitä on valmistettu perinteisesti eri viljelykasveista, joista Euroopassa merkittävin on ollut morsinko. Luonnonmukaisten tuotteiden suosion kasvaessa on ryhdytty selvittämään morsingon viljelyn potentiaalia. Viljelyn kannattavuuden kannalta olennaista on kasvin lehdissä esiintyvien indigon esiasteiden mahdollisimman täydellinen eristäminen. Indigoa tuotetaan uuttamalla indigon esiasteet veteen. Esiasteet hajoavat synnyttäen indoksyyliä, josta hapen vaikutuksella muodostuu indigoa. Syntynyt indigo saostuu ja laskeutuu pohjalle. Samalla kuitenkin tapahtuu epätoivottuja sivureaktioita, jotka vähentävät indigon saantoa. Tutkimuksen tavoitteena oli laboratorio- ja kenttäkokeiden avulla löytää indigon saantoa parantavat uutto-olosuhteet. Kokeiden perusteella havaittiin, että indigon saantoon vaikuttavat positiivisesti pH:n laskeminen, lämpötilan nostaminen, morsingon lehtien pilkkominen ja uuttoliuoksen sekoittaminen. Uuttoliuoksen suolapitoisuuden havaittiin puolestaan vaikuttavan indigon saantoon negatiivisesti. Laboratoriokokeiden perusteella havaittu pH:n laskemisen vaikutus indigon saantoon todistettiin myös kenttäolosuhteissa. Kokeiden havaintojen perusteella esitettiin olosuhteiden indigosaantoa parantavien vaikutusten johtuvan kahdesta tekijästä: indoksyylin stabiloitumisesta happamassa ympäristössä, jolloin sivureaktioiden osuus vähenee, sekä aineensiirron paranemisella sekoituksen, faasien rajapinnan kasvamisen ja etenkin lehtien vahakerroksen rikkoutumisen kuuman veden ja hapon vaikutuksesta.

Lämpötilan vaikutus kalvojen likaantumiseen erityisesti adsorptiolla

Työssä tutkittiin lämpötilan vaikutusta kalvon likaantumiseen mustalipeällä ja puuperäisellä hydrolysaatilla lämpötiloissa 20, 45 ja 70 °C:tta. Työn tavoitteena oli löytää lämpötila, jossa tutkimuksessa käytetyt puuperäiset liuokset likasivat kalvoja mahdollisimman vähän. Tutkimuksessa käytettiin Alfa Lavalin UFX5-ultrasuodatuskalvoa sekä Microdyn-Nadirin ultrasuodatuskalvoa UP010 ja nanosuodatuskalvoa NP010. Ennen puuperäisten liuosten adsorboimista kalvoihin säilöntäaineet poistettiin kalvoista sekä kalvojen toiminta stabiloitiin esikäsittelemällä kalvot. Esikäsittelyssä kalvoja pestiin alkalisella pesuaineella, puristettiin 8 bar:n paineessa sekä huuhdeltiin vedellä ja etikkahapolla. Esikäsitellyt kalvot karakterisoitiin mittaamalla malliaineliuoksen vuo ja malliaineiden retentiot suodattamalla polyetyleeniglykoliliuosta kolmikennosuodattimella paineissa 2, 4 ja 6 bar. Tämän jälkeen kalvot altistettiin lämpötiloissa 20, 45 ja 70 °C:tta mustalipeälle ja hydrolysaatille. Altistuksen jälkeen karakterisointi tehtiin uudelleen, jotta vuoarvoja ja retentioita vertaamalla voitiin arvioida altistuksen aikana tapahtunutta kalvojen likaantumista. Adsorboituneen lian puhdistusta kalvoista tutkittiin pesemällä kalvoja alkalisella pesuliuoksella 20 °C:ssa tehdyn altistuksen jälkeen. Mustalipeälle altistettujen kalvojen likaantuminen oli vähäisintä kokeissa, joissa lämpötila oli 20 °C. Alfa Lavalin UFX5-kalvolla 70 °C:ssa tehdyssä kokeessa kalvon likaantuminen oli myös erittäin vähäistä, sillä permeabiliteetti pieneni mustalipeäaltistuksen seurauksena alle 5 %. Hydrolysaatille altistetut kalvot likaantuivat adsorptiolla vähiten Alfa Laval UFX5-kalvoilla 20 °C:ssa tehdyissä kokeissa ja 45 °C:ssa Microdyn-Nadir NP010-kalvoilla tehdyissä kokeissa. Kokeiden perusteella tutkituista vaihtoehdoista korkein tutkimuksessa käytetty lämpötila 70 °C ja Alfa Lavalin UFX5-kalvo soveltuvatkin parhaiten mustalipeän kalvosuodatukseen adsorptiivisen likaantumisen kannalta.

Simulation and optimization tools in paper machine concept design

The last decade has shown that the global paper industry needs new processes and products in order to reassert its position in the industry. As the paper markets in Western Europe and North America have stabilized, the competition has tightened. Along with the development of more cost-effective processes and products, new process design methods are also required to break the old molds and create new ideas. This thesis discusses the development of a process design methodology based on simulation and optimization methods. A bi-level optimization problem and a solution procedure for it are formulated and illustrated. Computational models and simulation are used to illustrate the phenomena inside a real process and mathematical optimization is exploited to find out the best process structures and control principles for the process. Dynamic process models are used inside the bi-level optimization problem, which is assumed to be dynamic and multiobjective due to the nature of papermaking processes. The numerical experiments show that the bi-level optimization approach is useful for different kinds of problems related to process design and optimization. Here, the design methodology is applied to a constrained process area of a papermaking line. However, the same methodology is applicable to all types of industrial processes, e.g., the design of biorefiners, because the methodology is totally generalized and can be easily modified.

Tehokalastuksen vaikutukset Lappajärvessä : Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä -hankkeen vuosien 2001-2006 seurannan loppuraportti

Lappajärven, Etelä-Pohjanmaan suurimman järven, ekologinen tila on heikentynyt ja se luokitellaan nykyisin tyydyttäväksi. Rehevöityminen, 1990-luvun muikkukato ja yhteiskunnan rakennemuutos ovat vähentäneet kalastajien ja kalansaaliin määrää. Ammattikalastuksen edellytysten parantamiseksi toteutettiin vuosina 2001–2004 ”Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä” – hanke. Hankkeen vaikutuksia kalastoon ja järven ekosysteemiin seurattiin vuosina 2001–2006. Kokonaissaalis vuosina 2001–2004 oli 1655 tonnia (n. 29 kg/ha/vuosi). Vaikka saalistavoitetta (2100 tn) ei täysin saavutettu, oli hankkeella runsaasti myönteisiä, joskin osin vähäisiä tai epävarmoja vaikutuksia järven tilaan ja kalastoon. Kalastajien yksikkösaaliit etenkin kuhan ja isokokoisen ahvenen osalta nousivat hankkeen alussa. Loppuvuosina yksikkösaaliiden kehitys oli osittain ristiriitaista. Ulapan taloudellisesti vähempiarvoinen kalasto, varsinkin kuorekanta harveni selvästi. Muikku puolestaan lisääntyi ja pysyi runsaana. Kuhan ja isokokoisen ahvenen lisääntymistä selittivät pääosin lämpimät kesät ja kuhan onnistuneet istutukset. Petokalat, etenkin kuha, voivat osaltaan säädellä Lappajärven ulapan planktonsyöjäkalojen kantoja ja toisaalta estää särjen siirtymistä ulapalle. Tehokalastuksen loputtua alkoi näkyä merkkejä kalakantojen palautumisesta takaisin kohti lähtötilannetta. Rantavyöhykkeellä hankkeen vaikutukset jäivät selvästi vähäisemmiksi kuin ulapalla. Eläinplankton lisääntyi hieman ylemmissä vesikerroksissa, mutta tilanne alkoi palautua ennalleen hankkeen jälkeen. Sinileväkukinnot vaikuttivat vähentyneen hankkeen aikana, tosin kukintojen voimakas vaihtelu vaikeutti arviointia. Tehokalastus ja vesiensuojelun tehostuminen vähensivät fosforipitoisuuksia, tosin myös vähäsateiset vuodet vaikuttivat vähenemiseen. Pitoisuuksien lasku jatkui hankkeen jälkeen. Hanketta edeltänyt klorofyllipitoisuuksien kasvusuuntaus pysähtyi ja pitoisuustaso vakiintui. Tehokalastus pienensi klorofylli/fosfori-suhdetta ja vähensi sisäistä kuormitusta, mutta vaikutus alkoi heiketä hankkeen loputtua. Typpipitoisuuksiin, veden väriin tai näkösyvyyteen kalastus ei vaikuttanut. Tehokalastuksella voidaan parantaa Lappajärven tilaa, mutta kalastuksen on oltava jatkuvaa. Saalistavoitteeksi voisi riittää n. 20-30 kg/ha vuodessa, mutta samalla on jatkettava ulkoisen kuormituksen vähentämistä. Kalastuksen tulisi kohdistua arvokalojen lisäksi myös vähempiarvoisiin kalalajeihin ja samalla on tuettava petokalakantojen vahvistumista.

Venäjän imperiumin paluu

Venäläiset ovat eurooppalainen sivistyskansa, joka on vaikuttanut merkittävällä tavalla maailman kohtaloihin. Kommunismin kukistuttua ja Neuvostoliiton hajottua venäläiset joutuivat hämmennyksen tilaan. Kansakunnan uusi nousu alkoi maantieteellisestä, sivistykselliseltä ja historialliselta pohjalta. Länsimaille oli yllätys, ettei Venäjä seurannut läntisiä demokraattisia esikuvia, vaan lähti luomaan uutta yhteiskuntaa omaa tietään kulkien. Valtion johtoon astuivat turvallisuusmiehet, jotka määrittelivät Venäjän kehitysstrategiat ja poliittiset tavoitteet. Heidän mukaansa Venäjän federaatio on imperiumi, eikä se alistu muiden johdettavaksi. Venäjä ei hyväksy Yhdysvaltojen johtamaa yksinapaista maailmaa. Venäjän pyrkimyksenä on kohota yhdeksi tärkeäksi maailmanpolitiikan keskukseksi ja haastaa muiden vaikuttajien kuten EU:n, Kiinan, Japanin ja Intian kanssa Yhdysvaltojen johtoasema. Tavoitteeseen pääseminen edellyttää yhteiskunnan voimavarojen keskittämistä. Vuodesta 1996 lähtien poliittinen valta on keskitetty tiukasti presidentille ja hänen johtamalleen hallintokoneistolle. Vladimir Putinin johdolla yhteiskunta vakautettiin autoritaariseen tyyliin. Vuosina 2008–2012 muodollisena, joskin vaaleilla valittuna, presidenttinä oli Putinin luottomies Dmitri Medvedev. Tuolloin todellisena Venäjän johtajana toimi pääministeri Putin. Medvedevin nelivuotiskauden päätyttyä Putin jatkaa valtion johdossa presidenttinä. Taloudelliset edellytykset harjoitetulle politiikalle ovat Venäjällä itsellään. Maa on maailman ainoa suurvalta, joka on riippumaton ulkomaisista energia- ja raaka-ainelähteistä, ja vuodesta 2002 vuoden 2008 lopulle jatkunut energian ja raaka-aineiden hintojen nousu on tukenut Venäjän talouskehitystä. Lisääntyneillä tuloilla on voitu monipuolisesti kehittää yhteiskuntaa, ja väestön enemmistö on tyytyväinen harjoitettuun politiikkaan. Venäjä selvisi nopeasti vuonna 2009 maailmaa kuristaneesta taloudellisesta kriisistä ja pääsi jälleen kasvu-uralla. Suurena ongelmana on vientiteollisuuden yksipuolinen painottuminen energia- ja raaka-ainesektoreille, jolloin talous on hyvin riippuvainen maailmantalouden kehityksestä. Suurten valtion omistamien yhtiöiden hallitsema elinkeinoelämä ei myöskään ole omiaan edistämään yrittäjyyttä, joka on kaiken innovatiivisuuden perusedellytys. Valtiojohtoinen autoritaarisuus ei ole tyydyttänyt kaikkia, mutta vanhaan venäläiseen tyyliin protestit on tukahdutettu, ja ulkomaisille arvostelijoille venäläiset ovat kertoneet kehittävänsä venäläistä, ”ohjattua” demokratiaa. Imperiumille erittäin tärkeän instrumentin muodostavat vahvat asevoimat, ja valtiojohtoinen autoritaarinen talouselämä antaa mahdollisuudet niiden kehittämiselle. Asevoimien kehityksen esteenä ei ole niinkään talous, vaan teknologinen ja innovatiivinen jälkeenjääneisyys. Vuonna 2003 käynnistetty asevoimien reformi on lähtenyt liikkeelle ja sen tuloksia oli havaittavissa elokuussa 2008 käydyssä Venäjän ja Georgian välisessä sodassa, joka päättyi Venäjän aseille voitokkaasti. Tuolloin kuitenkin todettiin asevoimien tekninen ja taktinen jälkeenjääneisyys, mikä johti asevoimien ja niitä tukevan teollisuuden uudistamiseen tähtäävien uudelleenjärjestelyiden kiirehtimiseen ja kehittämiseen.

Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces

This thesis is devoted to understanding and improving technologically important III-V compound semiconductor (e.g. GaAs, InAs, and InSb) surfaces and interfaces for devices. The surfaces and interfaces of crystalline III-V materials have a crucial role in the operation of field-effect-transistors (FET) and highefficiency solar-cells, for instance. However, the surfaces are also the most defective part of the semiconductor material and it is essential to decrease the amount of harmful surface or interface defects for the next-generation III-V semiconductor device applications. Any improvement in the crystal ordering at the semiconductor surface reduces the amount of defects and increases the material homogeneity. This is becoming more and more important when the semiconductor device structures decrease to atomic-scale dimensions. Toward that target, the effects of different adsorbates (i.e., Sn, In, and O) on the III-V surface structures and properties have been investigated in this work. Furthermore, novel thin-films have been synthesized, which show beneficial properties regarding the passivation of the reactive III-V surfaces. The work comprises ultra-high-vacuum (UHV) environment for the controlled fabrication of atomically ordered III-V(100) surfaces. The surface sensitive experimental methods [low energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES)] and computational density-functionaltheory (DFT) calculations are utilized for elucidating the atomic and electronic properties of the crucial III-V surfaces. The basic research results are also transferred to actual device tests by fabricating metal-oxide-semiconductor capacitors and utilizing the interface sensitive measurement techniques [capacitance voltage (CV) profiling, and photoluminescence (PL) spectroscopy] for the characterization. This part of the thesis includes the instrumentation of home-made UHV-compatible atomic-layer-deposition (ALD) reactor for growing good quality insulator layers. The results of this thesis elucidate the atomic structures of technologically promising Sn- and In-stabilized III-V compound semiconductor surfaces. It is shown that the Sn adsorbate induces an atomic structure with (1×2)/(1×4) surface symmetry which is characterized by Sn-group III dimers. Furthermore, the stability of peculiar ζa structure is demonstrated for the GaAs(100)-In surface. The beneficial effects of these surface structures regarding the crucial III-V oxide interface are demonstrated. Namely, it is found that it is possible to passivate the III-V surface by a careful atomic-scale engineering of the III-V surface prior to the gate-dielectric deposition. The thin (1×2)/(1×4)-Sn layer is found to catalyze the removal of harmful amorphous III-V oxides. Also, novel crystalline III-V-oxide structures are synthesized and it is shown that these structures improve the device characteristics. The finding of crystalline oxide structures is exploited by solving the atomic structure of InSb(100)(1×2) and elucidating the electronic structure of oxidized InSb(100) for the first time.

Terpenoid transformations over gold catalysts

Nowadays biomass transformation has a great potential for the synthesis of value-added compounds with a wide range of applications. Terpenoids, extracted from biomass, are inexpensive and renewable raw materials which often have a biological activity and are widely used as important organic platform molecules in the development of new medicines as well as in the synthesis of fine chemicals and intermediates. At the same time, special attention is devoted to the application of gold catalysts to fine chemical synthesis due to their outstanding activity and/or selectivity for transformations of complex organic compounds. Conversion of renewable terpenoids in the presence of gold nanoparticles is one of the new and promising directions in the transformation of biomass to valuable chemicals. In the doctoral thesis, different kinds of natural terpenoids, such as α-pinene, myrtenol and carvone were selected as starting materials. Gold catalysts were utilized for the promising routes of these compounds transformation. Investigation of selective α-pinene isomerization to camphene, which is an important step in an industrial process towards the synthesis of camphor as well as other valuable substrates for the pharmaceutical industry, was performed. A high activity of heterogeneous gold catalysts in the Wagner-Meerwein rearrangement was demonstrated for the first time. Gold on alumina carrier was found to reach the α-pinene isomerization conversion up to 99.9% and the selectivity of 60-80%, thus making this catalyst very promising from an industrial viewpoint. A detailed investigation of kinetic regularities including catalyst deactivation during the reaction was performed. The one-pot terpene alcohol amination, which is a promising approach to the synthesis of valuable complex amines having specific physiological properties, was investigated. The general regularities of the one-pot natural myrtenol amination in the presence of gold catalysts as well as a correlation between catalytic activity, catalyst redox treatment and the support nature were obtained. Catalytic activity and product distribution were shown to be strongly dependent on the support properties, namely acidity and basicity. The gold-zirconia (Au/ZrO2) catalyst pretreated under oxidizing atmosphere was observed to be rather active, resulting in the total conversion of myrtenol and the selectivity to the corresponding amine of about 53%. The reaction kinetics was modelled based on the mechanistic considerations with the catalyst deactivation step incorporated in the mechanism. Carvone hydrogenation over a gold catalyst was studied with the general idea of investigating both the activity of gold catalysts in competitive hydrogenation of different functional groups and developing an approach to the synthesis of valuable carvone derivatives. Gold was found to promote stereo- and chemoselective carvone hydrogenation to dihydrocarvone with a predominant formation of the trans-isomer, which generally is a novel synthetic method for an industrially valuable dihydrocarvone. The solvent effect on the catalytic activity as well as on the ratio between trans- and cis-dihydrocarvone was evaluated.

Voimalaitostuhkan Hyödyntämismahdollisuudet - Case: Kouvolan Seutu

Maailman laajuisen kasvihuoneilmiön kiihtyminen ja EU:n tiukentuneet jäsenmailleen asettamat tavoitteet uusiutuvien polttoaineiden käytön lisäämiseksi ovat lisänneet puupolttoaineiden käyttöä Suomessa. Lisääntynyt puupolttoaineiden käyttö ja entistä tehokkaampi hakkuutähteiden hyödyntäminen on lisännyt metsistä poistuvien ravinteiden määrää. Huoli metsien maaperän ravinteiden niukkenemisesta sekä tiukentunut lainsäädäntö tuhkien kaatopaikkasijoittamisesta ovat lisänneet energiayhtiöiden kiinnostusta lisätä tuhkien hyötykäyttöä. Tuhka täytyy esikäsitellä, eli stabiloida ennen hyötykäyttöä. Stabiloinnissa tuhkaa kostutetaan, jolloin siitä muodostuu rakeita. Hyödynnettäessä tuhkaa metsälannoitukseen tuhka tulee usein myös terästää typellä, sillä tuhka ei sisällä lainkaan typpeä. Muita tuhkan hyötykäyttömahdollisuuksia ovat peltolannoitus, betonin valmistus, maarakentaminen sekä jätevedenpuhdistus. Näistä vaihtoehdoista betonin valmistus ja maarakentaminen ovat melko yleisiä. Kouvolassa tuhkaa muodostuu noin 14 000 tonnia vuodessa. Kaupungin omistama metsäalue Saaramaalla voitaisiin lannoittaa lähes samoilla kustannuksilla kuin mitä kaatopaikkasijoittaminen maksaisi. Sen sijaan tuhkan käytöllä tierakentamiseen Tähteen alueella saavutetaan tuhansien eurojen säästöt kaatopaikkasijoitukseen verrattuna ja samalla tuhka saadaan hyötykäyttöön kiviaineksia säästäen.  

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.