Effects of Surface Properties and Wood Modification into Direct Printing on Wood

Building industry is a high volume branch which could provide prominent markets for wood based interior decoration solutions. Competition in interior decoration markets requires versatility in appearance. Versatility in wood appearance and added value could be achieved by printing grain patterns of different species or images directly onto wood. The problem when planning wood printing’s implementing into durable applications is basically how to transfer a high quality image or print sustainably onto wood, which is porous, heterogeneous, dimensionally unstable, non-white and rough. Wood preservation or treating, and modification can provide durability against degradation but also effect to the surface properties of wood which will effect on printability. Optimal adhesion is essential into print quality, as too high ink absorbance can cause spreading and too low ink absorbance cause pale prints. Different printing techniques have different requirements on materials and production. The direct printing on wood means, that intermedias are not used. Printing techniques with flexible printing plates or in fact non-impact techniques provide the best basis for wood printing. Inkjet printing of wood with different mechanical or chemical surface treatments, and wood plastic composite material gave good results that encourage further studies of the subject. Sanding the wood surface anti-parallel to the grain gave the best overall printing quality. Spreading parallel to the grain could not be avoided totally, except in cases where wood was treated hydrophobic so adhesion of the ink was not sufficient. Grain pattern of the underlying wood stays clearly visible in the printed images. Further studies should be made to fine tune the methods that already gave good results. Also effects of moisture content of wood, different inks, and long-term exposure to UV-radiation should be tested.

Surface characterization of chemically modified fiber, wood and paper

Inorganic-organic sol-gel hybrid coatings can be used for improving and modifying properties of wood-based materials. By selecting a proper precursor, wood can be made water repellent, decay-, moisture- or UV-resistant. However, to control the barrier properties of sol-gel coatings on wood substrates against moisture uptake and weathering, an understanding of the surface morphology and chemistry of the deposited sol-gel coatings on wood substrates is needed. Mechanical pulp is used in production of wood-containing printing papers. The physical and chemical fiber surface characteristics, as created in the chosen mechanical pulp manufacturing process, play a key role in controlling the properties of the end-use product. A detailed understanding of how process parameters influence fiber surfaces can help improving cost-effectiveness of pulp and paper production. The current work focuses on physico-chemical characterization of modified wood-based materials with surface sensitive analytical tools. The overall objectives were, through advanced microscopy and chemical analysis techniques, (i) to collect versatile information about the surface structures of Norway spruce thermomechanical pulp fiber walls and understand how they are influenced by the selected chemical treatments, and (ii) to clarify the effect of various sol-gel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates. A special emphasis was on understanding the effect of sol-gel coatings on the water repellency of modified wood and paper surfaces. In the first part of the work, effects of chemical treatment on micro- and nano-scale surface structure of 1st stage TMP latewood fibers from Norway spruce were investigated. The chemicals applied were buffered sodium oxalate and hydrochloric acid. The outer and the inner fiber wall layers of the untreated and chemically treated fibers were separately analyzed by light microscopy, atomic force microscopy and field-emission scanning electron microscopy. The selected characterization methods enabled the demonstration of the effect of different treatments on the fiber surface structure, both visually and quantitatively. The outer fiber wall areas appeared as intact bands surrounding the fiber and they were clearly rougher than areas of exposed inner fiber wall. The roughness of the outer fiber wall areas increased most in the sodium oxalate treatment. The results indicated formation of more surface pores on the exposed inner fiber wall areas than on the corresponding outer fiber wall areas as a result of the chemical treatments. The hydrochloric acid treatment seemed to increase the surface porosity of the inner wall areas. In the second part of the work, three silane-based sol-gel hybrid coatings were selected in order to improve moisture resistance of wood and paper substrates. The coatings differed from each other in terms of having different alkyl (CH3–, CH3-(CH2)7–) and fluorocarbon (CF3–) chains attached to the trialkoxysilane sol-gel precursor. The sol-gel coatings were deposited by a wet coating method, i.e. spraying or spreading by brush. The effect of solgel coatings on surface structural and chemical properties of wood-based substrates was studied by using advanced surface analyzing tools: atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion spectroscopy. The results show that the applied sol-gel coatings, deposited as thin films or particulate coatings, have different effects on surface characteristics of wood and wood-based materials. The coating which has a long hydrocarbon chain (CH3-(CH2)7–) attached to the silane backbone (octyltriethoxysilane) produced the highest hydrophobicity for wood and wood-based materials.

Calibration of time domain reflectometry (DTR) for soil moisture measurements in cultivated peat soils

Tiivistelmä: TDR-mittausten kalibrointi viljeltyjen turvemaiden kosteuden mittaamiseen

Nitrogen and phosphorus losses in surface runoff and drainage water after application of slurry and mineral fertilizer to perennial grass ley

Selostus: Typen ja fosforin kulkeutuminen pinta- ja salaojavalunnassa lietelannalla ja NKP-lannoitteella lannoitetulta nurmelta

Equilibrium moisture content of flax/linseed and fibre hemp straw fractions

Selostus: Pellavan ja kuituhampun korren jakeiden tasapainokosteus

Phosphorus extractability in surface soil samples as affected by mixing with subsoil

Selostus: Muokkauskerrokseen sekoitetun pohjamaan vaikutus maasta uuttuvan fosforin määrään

Effect of compression wood on surface roughness and surface absorption of medium density fiberboard

Abstract

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Methods for Region Based Paper Surface Roughness Measurement

Paperin pinnan karheus on yksi paperin laatukriteereistä. Sitä mitataan fyysisestipaperin pintaa mittaavien laitteiden ja optisten laitteiden avulla. Mittaukset vaativat laboratorioolosuhteita, mutta nopeammille, suoraan linjalla tapahtuville mittauksilla olisi tarvetta paperiteollisuudessa. Paperin pinnan karheus voidaan ilmaista yhtenä näytteelle kohdistuvana karheusarvona. Tässä työssä näyte on jaettu merkitseviin alueisiin, ja jokaiselle alueelle on laskettu erillinen karheusarvo. Karheuden mittaukseen on käytetty useita menetelmiä. Yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää on käytetty tässä työssä etäisyysmuunnoksen lisäksi. Paperin pinnan karheudenmittauksessa on ollut tarvetta jakaa analysoitava näyte karheuden perusteella alueisiin. Aluejaon avulla voidaan rajata näytteestä selvästi karheampana esiintyvät alueet. Etäisyysmuunnos tuottaa alueita, joita on analysoitu. Näistä alueista on muodostettu yhtenäisiä alueita erilaisilla segmentointimenetelmillä. PNN -menetelmään (Pairwise Nearest Neighbor) ja naapurialueiden yhdistämiseen perustuvia algoritmeja on käytetty.Alueiden jakamiseen ja yhdistämiseen perustuvaa lähestymistapaa on myös tarkasteltu. Segmentoitujen kuvien validointi on yleensä tapahtunut ihmisen tarkastelemana. Tämän työn lähestymistapa on verrata yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää segmentoinnin tuloksiin. Korkea korrelaatio näiden tulosten välillä osoittaa onnistunutta segmentointia. Eri kokeiden tuloksia on verrattu keskenään hypoteesin testauksella. Työssä on analysoitu kahta näytesarjaa, joidenmittaukset on suoritettu OptiTopolla ja profilometrillä. Etäisyysmuunnoksen aloitusparametrit, joita muutettiin kokeiden aikana, olivat aloituspisteiden määrä ja sijainti. Samat parametrimuutokset tehtiin kaikille algoritmeille, joita käytettiin alueiden yhdistämiseen. Etäisyysmuunnoksen jälkeen korrelaatio oli voimakkaampaa profilometrillä mitatuille näytteille kuin OptiTopolla mitatuille näytteille. Segmentoiduilla OptiTopo -näytteillä korrelaatio parantui voimakkaammin kuin profilometrinäytteillä. PNN -menetelmän tuottamilla tuloksilla korrelaatio oli paras.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Torque vibration model of axial-flux surface-mounted permanent magnet synchronous machine

In order that the radius and thus ununiform structure of the teeth and otherelectrical and magnetic parts of the machine may be taken into consideration the calculation of an axial flux permanent magnet machine is, conventionally, doneby means of 3D FEM-methods. This calculation procedure, however, requires a lotof time and computer recourses. This study proves that also analytical methods can be applied to perform the calculation successfully. The procedure of the analytical calculation can be summarized into following steps: first the magnet is divided into slices, which makes the calculation for each section individually, and then the parts are submitted to calculation of the final results. It is obvious that using this method can save a lot of designing and calculating time. Thecalculation program is designed to model the magnetic and electrical circuits of surface mounted axial flux permanent magnet synchronous machines in such a way, that it takes into account possible magnetic saturation of the iron parts. Theresult of the calculation is the torque of the motor including the vibrations. The motor geometry and the materials and either the torque or pole angle are defined and the motor can be fed with an arbitrary shape and amplitude of three-phase currents. There are no limits for the size and number of the pole pairs nor for many other factors. The calculation steps and the number of different sections of the magnet are selectable, but the calculation time is strongly depending on this. The results are compared to the measurements of real prototypes. The permanent magnet creates part of the flux in the magnetic circuit. The form and amplitude of the flux density in the air-gap depends on the geometry and material of the magnetic circuit, on the length of the air-gap and remanence flux density of the magnet. Slotting is taken into account by using the Carter factor in the slot opening area. The calculation is simple and fast if the shape of the magnetis a square and has no skew in relation to the stator slots. With a more complicated magnet shape the calculation has to be done in several sections. It is clear that according to the increasing number of sections also the result will become more accurate. In a radial flux motor all sections of the magnets create force with a same radius. In the case of an axial flux motor, each radial section creates force with a different radius and the torque is the sum of these. The magnetic circuit of the motor, consisting of the stator iron, rotor iron, air-gap, magnet and the slot, is modelled with a reluctance net, which considers the saturation of the iron. This means, that several iterations, in which the permeability is updated, has to be done in order to get final results. The motor torque is calculated using the instantaneous linkage flux and stator currents. Flux linkage is called the part of the flux that is created by the permanent magnets and the stator currents passing through the coils in stator teeth. The angle between this flux and the phase currents define the torque created by the magnetic circuit. Due to the winding structure of the stator and in order to limit the leakage flux the slot openings of the stator are normally not made of ferromagnetic material even though, in some cases, semimagnetic slot wedges are used. In the slot opening faces the flux enters the iron almost normally (tangentially with respect to the rotor flux) creating tangential forces in the rotor. This phenomenon iscalled cogging. The flux in the slot opening area on the different sides of theopening and in the different slot openings is not equal and so these forces do not compensate each other. In the calculation it is assumed that the flux entering the left side of the opening is the component left from the geometrical centre of the slot. This torque component together with the torque component calculated using the Lorenz force make the total torque of the motor. It is easy to assume that when all the magnet edges, where the derivative component of the magnet flux density is at its highest, enter the slot openings at the same time, this will have as a result a considerable cogging torque. To reduce the cogging torquethe magnet edges can be shaped so that they are not parallel to the stator slots, which is the common way to solve the problem. In doing so, the edge may be spread along the whole slot pitch and thus also the high derivative component willbe spread to occur equally along the rotation. Besides forming the magnets theymay also be placed somewhat asymmetric on the rotor surface. The asymmetric distribution can be made in many different ways. All the magnets may have a different deflection of the symmetrical centre point or they can be for example shiftedin pairs. There are some factors that limit the deflection. The first is that the magnets cannot overlap. The magnet shape and the relative width compared to the pole define the deflection in this case. The other factor is that a shifting of the poles limits the maximum torque of the motor. If the edges of adjacent magnets are very close to each other the leakage flux from one pole to the other increases reducing thus the air-gap magnetization. The asymmetric model needs some assumptions and simplifications in order to limit the size of the model and calculation time. The reluctance net is made for symmetric distribution. If the magnets are distributed asymmetrically the flux in the different pole pairs will not be exactly the same. Therefore, the assumption that the flux flows from the edges of the model to the next pole pairs, in the calculation model from one edgeto the other, is not correct. If it were wished for that this fact should be considered in multi-pole pair machines, this would mean that all the poles, in other words the whole machine, should be modelled in reluctance net. The error resulting from this wrong assumption is, nevertheless, irrelevant.

Measuring irregularities and surface defects from printed patterns

Quality inspection and assurance is a veryimportant step when today's products are sold to markets. As products are produced in vast quantities, the interest to automate quality inspection tasks has increased correspondingly. Quality inspection tasks usuallyrequire the detection of deficiencies, defined as irregularities in this thesis. Objects containing regular patterns appear quite frequently on certain industries and science, e.g. half-tone raster patterns in the printing industry, crystal lattice structures in solid state physics and solder joints and components in the electronics industry. In this thesis, the problem of regular patterns and irregularities is described in analytical form and three different detection methods are proposed. All the methods are based on characteristics of Fourier transform to represent regular information compactly. Fourier transform enables the separation of regular and irregular parts of an image but the three methods presented are shown to differ in generality and computational complexity. Need to detect fine and sparse details is common in quality inspection tasks, e.g., locating smallfractures in components in the electronics industry or detecting tearing from paper samples in the printing industry. In this thesis, a general definition of such details is given by defining sufficient statistical properties in the histogram domain. The analytical definition allowsa quantitative comparison of methods designed for detail detection. Based on the definition, the utilisation of existing thresholding methodsis shown to be well motivated. Comparison of thresholding methods shows that minimum error thresholding outperforms other standard methods. The results are successfully applied to a paper printability and runnability inspection setup. Missing dots from a repeating raster pattern are detected from Heliotest strips and small surface defects from IGT picking papers.