Interaction of prechilling, temperature, osmotic stress, and light in Picea abies seed germination

Summary

Väkevän urealiuoksen puhdistaminen kalvotekniikalla

Kirjallisuusosassa käsiteltiin nanosuodatus-, käänteisosmoosi- ja elektrodialyysitekniikoita liuosten puhdistuksessa. Nanosuodatuksella ja käänteisosmoosilla voidaan liuottimesta erottaa pienen moolimassan omaavia liuenneita aineita ohuen kalvon avulla. Nanosuodatuksessa ja käänteisosmoosissa ajavana voimana on paine, jonka tulee ylittää liuoksen osmoottinen paine. Elektrodialyysissä ajavana voimana toimii sähköpotentiaaliero. Tekniikka käyttää hyväkseen ionien tai molekyylien kykyä johtaa sähköä. Elektrodialyysillä voidaan liuoksesta erottaa toisistaan varauksettomat ja varaukselliset komponentit sähköä johtavan membraanin avulla. Kokeellisessa osassa väkevää ureavesiliuosta suodatettiin nanosuodatus- ja käänteisosmoosikalvoilla tutkien paineen, lämpötilan ja konsentroitumisen vaikutusta vuohonja retentioon. Tarkoituksena oli saada urea tuotteena permeaattiin ja epäpuhtaudet erottumaan retentaattiin. Permeaattien epäpuhtauksien pitoisuuksia verrattiin tuotteen spesifikaation raja-arvoihin. Suodatukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston tiloissa DSS Labstak M20 suotimella. Työssä käytettiin NF1-, NF2-, NF270-, NF-, NF90-, Desal-5 DK-, OPMN-P 70- ja TFC ULP-kalvoja. Nanosuodatuskalvot NF2- ja NF270 antoivat parhaan vuon ja erotuskyvyn suhteen puhdistettaessa urealiuosta. Paineen noustessa kalvojen retentiot paranivat. Lämpötilan noustessa vuo parani, joskin täytyy huomioida urean kiihtyvä hajoaminen lähestyttäessä 40 °C astetta. Kalvojen kestävyyttä ureasuodatuksissa ei voitu näiden kokeiden avulla varmentaa.

Puristinhuopien pesutehokkuuden vaikutus puristinosan ajettavuuteen

Työn tarkoituksena oli kehittää jatkuvatoimiseen pesuun soveltuva emäksinen ja hapan huovanpesuaine sekä tutkia huovanpesun parametreja laboratoriossa ja paperikoneella. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin paperikoneen puristinosaa, puristinhuopien ominaisuuksia, puristinhuovissa esiintyviä saostumia ja puristinhuopien kunnostusta sekä esiteltiin FeltPerm-vedenläpäisykykymittari. Kokeellisessa osassa analysoitiin käytetty huopa kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti ja kun huopaa tukkivien yhdisteiden kemiallinen luonne oli selvitetty, kehitettiin käynninaikaiseen pesuun soveltuva emäksinen ja hapan huovanpesuaine. Huovanpesuaineiden kehitystyössä pesuaineiden tehokkuutta tutkittiin kolmella eri menetelmällä, joista kaksi perustui huovan massan muutoksen määrittämiseen pesussa ja yksi huovan vedenläpäisykyvyn mittaamiseen. Kehitetyillä pesuaineilla optimoitiin laboratoriossa happo- ja emäspesun pH sekä vaikutusaika. Lisäksi tutkittiin huovan turpoamista emäspesussa ja lämpötilan vaikutusta pesutulokseen. Puristinhuopien vedenläpäisykykyä tutkittiin FeltPerm-laitteella kahdella eri SC-paperikoneella, joista toisella oli käytössä käynninaikainen jaksottainen pesu ja toisella pelkät seisokkipesut. Koneella, jossa huovat pestiin käynninaikaisesti, määritettiin pesuparametreja ja optimoitiin emäsvaiheen aikainen pH. Kehitetyillä pesuaineilla suoritettiin koeajo tehtaalla.

Pyridyyliryhmän sisältävien erotusmateriaalien ominaisuudet ja soveltaminen hydrometallurgiassa

Diplomityössä tutkittiin silikarunkoisen, pyridyyliryhmän sisältävän erotusmateriaalin kykyä erottaa selektiivisesti kuparia, nikkeliä, kobolttia ja kadmiumia sinkkisulfaattiliuoksista. Erotuskykyä verrattiin kolonnikokein toiseen kaupalliseen polystyreenidivinyylibentseenirunkoiseen (PS-DVB) erotusmate-riaaliin, jonka funktionaalinen ryhmä on samantyyppinen. Silikarunkoisen erotusmateriaalin happo-emäsominaisuuksia selvitettiin titrauksin. Metallien sitoutumisen kinetiikkaa ja eluointia verrattiin PS-DVB-runkoisen erotus-materiaalin kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Lisäksi määritettiin kummankin erotusmateriaalin partikkelikokojakaumat. Silikarunkoisen materiaalin havaittiin turpoavan noin 4 % muutettaessa se vapaastaemäsmuodosta happomuotoon. Turpoaminen oli huomattavasti vähäisempää kuin PS-DVB-runkoisella materiaalilla. Silikarunkoisen erotus-materiaalin titrauksen tuloksena voitiin todeta, että se oli heikosti emäksinen. Titrauskäyrä muistutti PS-DVB-runkoisen erotusmateriaalin titrauskäyrää, vaikka erotusmateriaalien protonoitumisalueet olivat hieman erilaiset. Tämä johtuu siitä, että silikarunkoisen materiaalin funktionaaliset ryhmät poikkeavat rakenteeltaan hieman PS-DVB-runkoisesta materiaalista. Tasapainokokeet osoittivat, että silikarunkoinen erotusmateriaali adsorboi tutkituista metalleista eniten kuparia ja nikkeliä ja vähiten sinkkiä. Kaikkien tutkittujen metallien eluointi silikarunkoisesta erotusmateriaalista onnistui rikkihapolla toisin kuin PS-DVB-runkoisesta erotusmateriaalista, jonka regenerointiin tarvitaan rikkihappoa tai ammoniumhydroksidia riippuen siitä, mitä metalleja siihen on ladattu.

The effect of oxygen delignification on fiber properties in kraft pulp production - a review

Fiber damages comprise fiber deformations, characterized as fiber curl, kink, dislocations and strength losses as well as some yet unidentified factors. This recently discovered phenomenon is especially evident in mill scale kraftpulps. Laboratory produced pulps tend to have less damages and superior strength properties compared to those produced in pulp mills. Generally fiber damages pose a problem in the production of reinforcement pulp because they tend to decrease the ability of fibers to transmit load. Previous studies on fiber damage have shown that most of the fiber damages occur during brown stock processing starting from cooking and discharging. This literature review gives an overall picture on fiber damages occurring during softwood kraft pulp production with an emphasis on the oxygen delignification stage. In addition the oxygen delignification stage itself is described in more detailed extent in order to understand the mechanisms behind the delignification and fiber damaging effect. The literature available on this subject is unfortunately quite contradictory and implicates a lotof different terms. Only a few studies have been published which help to understand the nature of fiber damages. For that reason the knowledge presented in this work is not only based on previous studies but also on research scientist and mill staff interviews.

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.

Treatment-related renal side-effects in pediatric cancer patients

Background: The long-term side-effects of cancer treatments are of growing importance, since the number of pediatric cancer survivors has considerably increased. Renal side-effects should be noted early to prevent further deterioration. Renal dysfunction may also develop long after cancer treatment. Easy and reliable methods for assessing renal function are needed. Aims: The aims were to find the mechanisms behind methotrexate-induced renal damage by studying renal tubular cells (LLC-PK1cells), and to evaluate the usefulness of laboratory tests in assessing glomerular function in pediatric cancer patients by comparing an isotope clearance method with alternative methods. The aim was also to study the long-term effects of bone marrow transplantation (BMT) and high-dose methotrexate (HD-MTX) treatment in renal function. Results: Methotrexate induced time-dependent renal tubular cell swelling and cell death. In patients treated with HD-MTX a significant decrease in GFR was noted after a follow-up time of one to ten years. One year after BMTthe GFR was reduced, especially in patients treated with total body irradiation (TBI). GFR recovered slightly but remained stable thereafter. In glomerular function assessment the serum cystatin C (cysC) concentration showed a significant association with GFR measured by the isotope method. Conclusions: Methotrexate induced acute damage in renal tubular cells. In assessing GFR the isotope method still remains the method of choice, but the assay of cystatin C was the most reliable of other alternatives. Long-term follow-up of renal function is needed in BMT patients and patients treated with HD-MTX.

Borrelia burgdorferi evades the effects of ceftriaxone treatment in a mouse model of Lyme borreliosis

Borrelia burgdorferi infektoitujen hiirten antibioottihoidon jälkeinen oireilu Lymen borrelioosi on puutiaisten välittämä monimuotoinen infektiotauti, jonka tunnetuin oire on ns. vaeltava ihottuma eli erythema migrans. Muita tavallisia ilmentymiä ovat erityisesti nivel- ja hermosto-oireet sekä harvemmin sydän- ja silmäoireet. Suurin osa potilaista paranee täysin terveeksi antibioottihoidon avulla, mutta jopa 10 % borrelioosiin sairastuneista oireilee suositusten mukaisesta hoidosta huolimatta. Pitkittyneen oireilun on ajateltu johtuvan mm. infektion laukaisemasta autoimmuunitaudista tai kroonisesta infektiosta, mutta teorioiden tueksi ei ole kyetty esittämään kiistattomia todisteita. Onkin todennäköistä, että antibioottihoidon jälkeisen oireilun takana on useampia mekanismeja eikä yksi teoria selitä kaikkien potilaiden oireilua. Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu hoidonjälkeistä borrelioosia hiirimallin avulla. Varhaisvaiheessa (2 viikkoa infektoinnin jälkeen) annettu antibiootti vähensi hiirten nivelturvotusta ja esti B. burgdorferi – bakteerin kasvun kudoksista otetuista näytteissä. Hoidettu¬jen hiirten B. burgdorferi -spesifiset IgG-luokan vasta-aineet pysyivät kuitenkin koholla ja osasta kudosnäytteistä löytyi B. burgdorferi:n DNA:ta PCR-tutkimuksen avulla. Mikäli hiiret hoidettiin myöhäisessä vaiheessa (yli 18 viikkoa infektoinnista) tulokset olivat muuten samanlaiset, mutta keftriaksoni ei vaikuttanut nivelturvotukseen. Näin hiirissä oli aikaansaatu tilanne, joka on hyvin samankaltainen ihmisen hoitoresistentin borrelia-artriitin kanssa: oireet jatkuvat, mutta taudinaiheuttajaa ei saada esiin. Inflammaatiota vaimentavaa anti-TNF-alphaa on käytetty nivelreuman hoidossa menestyksekkäästi huonosti muuhun hoitoon reagoivilla potilailla ja siitä syystä sen ajateltiin voivan vaikuttaa suotuisasti myös B. burgdorferi -infektoitujen hiirten hoidonjälkeiseen nivelturvotukseen. Sillä ei kuitenkaan ollut vaikutusta nivelturvotukseen, mutta yllättäen hoidon jälkeen osa hiirten kudosnäytteistä osoittautui viljelypositiivisiksi. On siis ilmeistä, että hiirimallissamme osa B. burgdorferi spirokeetoista pystyy välttämään keftriaksonihoidon vaikutuksen joko hakeutumalla elimistössä kudokseen, jossa antibiootin pitoisuus ei nouse riittävän korkeaksi, tai ne kykenevät muuntautumaan metabolisesti inaktiiviin tilaan eikä mikrobilääke yhdessä immuunipuolustuksen kanssa onnistu tappamaan niitä. Jatkotutkimuksissa selvitimme B. burgdorferi - spirokeetan mahdollista piilopaikkaa tutkimalla antibioottihoidon jälkeen useita eri kudoksia PCR-menetelmällä. Tulosten perusteella spirokeetta näyttää suosivan nivelkudosta tai soluja, joita esiintyy nivelessä runsaasti. On kuitenkin edelleen epäselvää, missä muodossa B. burgdorferi –spirokeetat säilyvät kudoksessa antibioottihoidon jälkeen.

Puupohjaisten kuitukomposiittien materiaalitekniset mahdollisuudet veneteollisuudessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää puupohjaisten kuitukomposiittimateriaalien soveltuvuutta veneteollisuuden valmistusmateriaaliksi. Huviveneiden rakennusta säätelee huvivenedirektiivi ja lukuisat standardit. Standardien mukaan uusien materiaalien käyttö veneenrakennuksessa on mahdollista, mikäli materiaalin ominaisuudet todetaan muun muassa laboratoriotesteissä soveltuviksi kyseiseen käyttötarkoitukseen. Tutkimusta varten valmistettiin kuusi erilaista kuitukomposiittimateriaalia. Tutkimuksessa käytettiin myös neljän kaupallisen puumuovikomposiittivalmistajan materiaalia. Vertailumateriaaleiksi valittiin puuraaka-aineista mänty, saarni ja mahonki sekä muoviraakaaineista ABS – muovi. Tarkisteltaville materiaaleille määriteltiin standardien mukaisin testein taivutuslujuus, vetolujuus, Charpy – iskulujuus, Brinell – kovuus, veden absorptio sekä paksuusturpoama. Saatuja arvoja vertailtiin vertailumateriaalien kirjallisuudessa mainittuihin arvoihin. Puupohjaisten kuitukomposiittien ominaisuudet jäivät vertailumateriaalien vastaavista lukuun ottamatta Brinell – kovuutta. Taivutus- ja vetolujuuden osalta eräiden kaupallisten puumuovikomposiittivalmistajien ilmoittamat lujuusarvot olivat lähellä veneenrakennuksessa käytettyjen materiaalien vastaavia. Suurimpana yksittäisenä haasteena puukuitupohjaisilla kuitukomposiiteilla havaittiin Charpy – iskulujuus. Myös veden absorption saattaminen alhaiseksi havaittiin tärkeäksi veneilysovelluksissa. Ominaisuuksien kehittäminen on kuitenkin käytettävissä olevan tutkimustiedon perusteella mahdollista. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella on puupohjaisilla kuitukomposiiteilla potentiaalia veneteollisuudessa. Jatkotutkimusta tulisikin kohdistaa materiaalin ominaisuuksien kehittämiseen.

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Kullan uutto kloridiliuoksista

Työssä tutkittiin kullan neste-nesteuuttoa kloridiliuoksista kirjallisuustutkimuksen ja laboratoriokokeiden avulla. Uuttoreagenssina käytettiin Outotecin kehittämää kullanuuttoreagenssia. Teoreettisessa osassa tarkastellaan kullan käyttäytymistä happamissa vesiliuoksissa, jotka sisältävät kloridia ja bromidia. Lisäksi työssä käsitellään kultakloridiyhdisteiden käyttöturvallisuutta. Teollisuudessa vuonna 2012 käytettäviä neste-nesteuuttoon perustuvia kullan talteenottomenetelmiä esitellään lyhyesti. Kirjallisuusosassa käsitellään myös joidenkin teollisesti käytettävien polymeeristen rakennemateriaalien ominaisuuksia. Kokeellisessa osassa määritettiin kullanuuttoreagenssin fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen tiheys, viskositeetti, liukoisuus veteen sekä faasien selkeytyminen uuttoprosessissa. Tuloksista havaittiin, että eri modifiointiaineet vaikuttavat huomattavasti kullanuuttoliuoksen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Kullan uuttoa tutkittiin pienen mittakaavan laboratoriokokein käyttämällä synteettisiä kultaa sisältäviä lähtöliuoksia. Kokeissa tutkittiin lähtöliuoksen happopitoisuuden ja bromidipitoisuuden, sekä uuttoreagenssin modifiointiaineiden vaikutuksia kullan uuttotasapainoon. Lisäksi tutkittiin joidenkin epäpuhtausmetallien myötäuuttautumista. Materiaalitutkimuksissa tarkasteltiin kullanuuttoreagenssin ja autenttisen kullan halidiliuoksen vaikutuksia polymeerimateriaaleihin pitkäaikaisessa kontaktissa. Uuttoliuosten havaittiin aiheuttavan turpoamaa sekä pinnan pehmenemistä joissakin teollisissa muoveissa.

Thermodynamic properties of dilute HBr(aq) and HI(aq)

The theory of electrolyte solutions was described by explaining Debye–Hückel theory and deriving the Debye–Hückel equation for the mean activity coefficient. Simple two-parameter Hückel equation was used for the calculation of the activity coefficients of aqueous hydrobromic and hydriodic acids up to 0.5 mol/kg at temperatures from (0 to 60) °C and from (0 to 50) °C, respectively. The parameters were observed to be independent of the temperature. The Hückel equation for the osmotic coefficients of water in the studied solutions was compared to that of Pitzer model by predicting the vapor pressures up to 1 mol/kg at 25 °C. The experimental vapor pressures over the reference electrolyte solutions were calculated with the Pitzer equation for the osmotic coefficients for isopiestic data in this comparison. The simple Hückel model was found to be equally good as the Pitzer model for both hydrobromic and hydriodic acids up to 0.5 mol/kg at 25 °C but applies also to other temperatures studied.

Paper for printed electronics and functionality

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

Topochemistry of physical and chemical pretreatments of biomass as investigated by FE-SEM, XPS and ToF-SIMS

Surface chemistry is of great importance in plant biomass engineering and applications. The surface chemical composition of biomass which includes lignin, carbohydrates and extractives influences its interactions with chemical agents, such as pulp processing/papermaking chemicals, or enzymes for different purposes. In this thesis, the changes in the surface chemical composition of lignocellulosic biomass after physical modification for the improvement of resulting paper properties and chemical treatment for the enhancement of enzymatic hydrolysis were investigated. Low consistency (LC) refining was used as physical treatment of bleached softwood and hardwood pulp samples, and the surface chemistry of refined samples was investigated. The refined pulp was analysed as whole pulp while the fines-free fibre samples were characterized separately. The fines produced in LCrefining contributed to an enlarged surface specific area as well as the change of surface coverage by lignin and extractives, as investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The surface coverage by lignin of the whole pulp decreased after refining while the surface coverage by extractives increased both for pine and eucalyptus. In the case of pine, the removal of fines resulted in reduction of the surface coverage by extractives, while the surface coverage by lignin increased on fibre sample (without fines). In the case of eucalyptus, the surface coverage by lignin of fibre samples decreased after the removal of fines. In addition, the surface distribution of carbohydrates, lignin and extractives of pine and eucalyptus samples was determined by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). LC-refining increased the amounts of pentose, hexose and extractives on the surface of pine samples. ToF-SIMS also gave clear evidence about xylan deposition and reduction of surface lignin distribution on the fibre of eucalyptus. However, the changes in the surface chemical composition during the physical treatment has led to an increase in the adsorption of fluorescent whitening agents (FWAs) on fibres due to a combination of electro-static forces, specific surface area of fibres and hydrophobic interactions. Various physicochemical pretreatments were conducted on wood and non-wood biomass for enhancing enzymatic hydrolysis of polysaccharides, and the surface chemistry of the pretreated and enzymatically hydrolysed samples was investigated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), XPS and ToF-SIMS. A hydrotrope was used as a relatively novel pretreatment technology both in the case of wood and non-wood biomass. For comparison, ionic liquid and hydrothermal pretreatments were applied on softwood and hardwood as well. Thus, XPS analysis showed that the surface lignin was more efficiently removed by hydrotropic pretreatment compared to ionic liquid or hydrothermal pretreatments. SEM analysis also found that already at room temperature the ionic liquid pretreatments were more effective in swelling the fibres compared with hydrotropic pretreatment at elevated temperatures. The enzymatic hydrolysis yield of hardwood was enhanced due to the decrease in surface coverage of lignin, which was induced by hydrotropic treatment. However, hydrotropic pretreatment was not appropriate for softwood because of the predominance of guaiacyl lignin structure in this material. In addition, the reduction of surface lignin and xylan during pretreatment and subsequent increase in cellulose hydrolysis by enzyme could be observed from ToF-SIMS results. The characterisation of the non-wood biomass (e.g. sugarcane bagasse and common reed) treated by hydrotropic method, alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments were carried out by XPS and ToF-SIMS. According to the results, the action for the removal of the surface lignin of non-wood biomass by hydrotropic pretreatment was more significant compared to alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments, although a higher total amount of lignin could be removed by alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatment. Furthermore, xylan could be remarkably more efficiently removed by hydrotropic method. Therefore, the glucan yield achieved from hydrotropic treated sample was higher than that from samples treated with alkaline or alkaline hydrogen peroxide. Through the use of ToF-SIMS, the distribution and localization of lignin and carbohydrates on the surface of ignocelluloses during pretreatment and enzymatic hydrolysis could be detected, and xylan degradation during enzymatic hydrolysis could also be assessed. Thus, based on the results from XPS and ToF-SIMS, the mechanism of the hydrotropic pretreatment in improving the accessibility of enzymes to fibre and further ameliorating of the enzymatic saccharification could be better elucidated.

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.