Puukuitulujitteiset muovikomposiitit puunjalostusteollisuudessa

Puukuitulujitteisten muovikomposiittien käyttömäärät ovat maailmanlaajuisesti kasvaneet jatkuvasti viimeisen 15 vuoden aikana.Kasvun on ennustettu jatkuvan voimakkaana myös tulevaisuudessa. Diplomityön tavoitteena oli selvittää puukuitulujitteisten muovikomposiittimateriaalien soveltuvuus erääseen, mahdollisesti rakennusteollisuuden käyttöön tulevaan, tuotteeseen. Tutkittaviksi materiaaliyhdistelmiksi valittiin sekä kerta- että kestomuovin ja puu- jauhon seos. Puujauho oli koivupuista sahaus- ja hiontajätettä. Molemmissa tapauksissa puun osuus komposiitissa oli 30 p-%. Koekappaleiden valmistuksessakäytettiin koivupuisia muotteja, joihin materiaali annosteltiin. Kertamuovin japuujauhon seos kovettui huoneenlämmössä. Kestomuovin ja puujauhon seoksen sulatukseen käytettiin lämmitettävillä puristinlevyillä varustettua aihiopuristinta. Koekappaleille määritettiin taivutuslujuudet taivutuskokeen avulla. Koekappaleiden taivutuslujuuksia verrattiin mm. lattialastulevyn ja koivuliimalevyn arvoihin. Liimalevyn taivutuslujuus muihin verrattuna oli huomattavasti suurempi. Komposiittimateriaalista valmistettujen koekappaleiden taivutuslujuus oli lähellä lattia-lastulevyn tasoa, osittain jonkin verran parempikin. Diplomityössä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta puukuitulujitteisilla muovikomposiiteilla olevan kehityspotentiaalia myös tutkimuskohteen tyyppisissä ratkaisuissa. Jatkotutkimusta tulisi kohdistaa ennen kaikkea kestomuovipohjaisen komposiittimateriaalinsuuntaan.

Kalvosuodatusprosessin tehostaminen paperiteollisuuden sovelluksissa

Tässä diplomityössä tutkittiin kalvosuodatuksen esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Työn kirjallisuusosassa käsitellään vuon alenemiseen vaikuttavia tekijöitä, esikäsittelymenetelmiä ja kalvonpesua. Kokeellisessa osassa tutkittiin kemiallisten esikäsittelyjen vaikutusta vuon alenemiseen paperitehtaan happaman kiertoveden kirkkaan suodoksen kalvosuodatuksessa. Esikäsittelykemikaalit olivat ympäristöystävällisiä ja paperinvalmistusprosessiin soveltuvia. Lisäksi tutkittiin kalvonpesuaineiden pesutehokkuuksia. Tutkitut esikäsittelyaineet olivat mikrokiteinen kitosaani, karboksimetyyliselluloosa, selluloosa- ja puukuitu sekä kaupallinen antiskalantti. Pesuaineista tutkittiin kolmea kaupallista kalvonpesuainetta, yhtä kalvopesun tehostusainetta sekä peretikkahappoa. Kokeet tehtiin kahdella laboratoriomittakaavaisella kalvosuodattimella. Kalvoina käytettiin kahta nanosuodatus- ja yhtä ultrasuodatuskalvoa. Vuon alenemista tutkittiin suodatuksen aikaisena alenemisena ja vesivuohon verrattavana alenemisena. Esikäsittelyjen vaikutusta erotustehokkuuteen tutkittiin ioni-, johtokyky-, orgaanisen hiilen kokonaispitoisuus-, sokeri-, sameus- ja ligniinireduktioilla. Lisäksi määritettiin kalvon likaantuminen suodatuksen aikana vesivuon määrityksillä ennen ja jälkeen suodatuksen. Pesutehokkuus määritettiin vesivuon määrityksillä suodatuksen jälkeen ja pesun jälkeen. Kitosaani- ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyillä oli vuon alenemista estävä vaikutus hydrofiilisellä nanosuodatuskalvolla suodatettaessa. Kitosaanikäsittelyn 5 g/dm3:n ja karboksimetyyliselluloosakäsittelyn 2 g/ dm3:n annostuksella vuot alentuivat suodatuksen aikana 8 %-yksikköä vähemmän kuin ilman esikäsittelyä. Puukuitukäsittely stabiloi 0,1 g/dm3:n annostuksella saman kalvon vuota, kun kiintoainetta ei poistettu syötöstä. Hydrofobisen nanosuodatuskalvon vuon alenemista ehkäisivät puu- ja selluloosakuitukäsittelyt sekä karboksimetyyliselluloosakäsittely. Karboksimetyyliselluloosakäsittely vähensi vuon alenemista 25 %-yksikköä ja puukuitukäsittely 13 %-yksikköä. Hydrofiilisellä ultrasuodatuskalvolla vuon aleneminen oli pientä ilman esikäsittelyä. Reduktioihin esikäsittelyt vaikuttivat parhaiten ultrasuodatuskalvolla. Kitosaanikäsittely nosti 1 g/dm3:n annostuksella alumiinireduktion 50 %:sta 96 %:iin ja 5 g/dm3:n annostuksella rautareduktion 30 %:sta 55 %:iin. Karboksyylimetyyliselluloosakäsittelyt vaikuttivat parantavasti mangaanin, magnesiumin, raudan ja kalsiumin reduktioihin. Optimi karboksyylimetyyliselluloosa-annostus oli 2 g/dm3. Merkittävin reduktion nousu oli kalsiumilla, jonka reduktio nousi esikäsittelyllä 4 %:sta 57 %:iin. Reduktiota nostava mekanismi oli kalvon pinnalle muodostuva sekundaarikerros. Pesuaineista tehokkain oli entsyymiä sisältävä kalvonpesuaine. Suurin vaikutus sillä oli hydrofobisen nanosuodatuskalvon pesussa. Optimiannostuksella (0,5 %) kalvon vesivuo pesun jälkeen oli 114 % pesua edeltäneestä vesivuosta. Muut kaupalliset pesuaneet oli tehokkaita hydrofiilisille kalvoille. Peretikkahappo oli yksittäisenä pesuaineena heikkotehoinen.

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.

Kytkentäaineet puumuovikomposiiteissa

Puumuovikomposiittien valmistuksessa yhdistetään kaksi toisistaan eroavaa materiaalia jolloin saadaan aikaan materiaalien ominaisuuksien ainutlaatuinen yhdistelmä. Polymeerimateriaaleina käytetään pääasiassa erilaisia kestomuoveja. Kuitumateriaaleina voidaan käyttää puujauhetta, sahanpurua, paperin- ja kartongin valmistuksessa käytettävää sellua, nanoselluloosaa tai muita puukuitumateriaaleja. Polaarisen puukuidun ja polaarittoman muovimateriaalin välinen materiaalien rajapinnan adheesio on yleensä riittämätöntä, mikä vaikuttaa lopputuotteen ominaisuuksien heikkenemiseen. Kyseinen ongelma on pyritty ratkaisemaan käyttämällä erilaisia kytkentäaineita. Tässä työssä keskitytään käsittelemään erilaisia puumuovikomposiittien kytkentäaineita, niiden toimintaa sekä vaikutuksia lopputuotteeseen. Lisäksi työssä esitellään myös puumuovikomposiittien valmistusmateriaaleja ja valmistusprosesseja.

Ohuiden päällystyskerrosten applikointi puukuitupohjaisille materiaaleille

Työn aiheena oli tutkia vaahdon soveltuvuutta ohuiden päällystyskerrosten applikointiin paperin tai kartongin pinnalle. Paperia ja kartonkia päällystetään teollisessa mittakaavassa eri menetelmillä, mutta niille kaikille yhteistä on päällystyspastan laimentaminen vedellä ennen applikointia ja laimennusveden haihduttaminen applikoinnin jälkeen päällysteen asettamiseksi. Laimennus on tärkeää pastan komponenttien tasaisen levittämisen vuoksi, mutta veden haihduttaminen kuluttaa valtavasti energiaa. Tekstiiliteollisuudessa on saavutettu merkittäviä säästöjä kuivausenergiassa korvaamalla laajalti vedellä laimentaminen vaahdottamisella. Diplomityön kirjallisessa osassa käytiin läpi vaahdon kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia sekä selvitettiin mitä kemikaaleja ja laitteita vaahdotukseen käytetään. Lisäksi luotiin katsaus vaahtoprosessien käyttöön tekstiiliteollisuudessa ja muilla aloilla. Kokeellinen osa koostui esikokeista, joissa selvitettiin pastan koostumuksen vaikutuksia vaahtoamiseen, ja pilot-mittakaavan koeajoista, joissa esikokeiden tuloksia hyödynnettiin. Esikokeissa huomiota kiinnitettiin varsinkin eri polyvinyylialkoholien (PVA) seosten erinomaiseen vaahtoavuuteen. Pilot-koeajoissa vaahtopäällystys vaikutti lupaavalta menetelmältä, joskaan täysin tyydyttävää päällystystulosta ei saavutettu. Suurimpana ongelmana esiintyi ilman pääseminen pohjapaperin ja päällysteen väliin ja siitä seuraava huono päällystejälki. Toisen ongelmakokonaisuuden muodostivat päällysteeseen jäävät reiät. Vaahtopäällystys vaikuttaa lupaavalta tekniikalta ohuiden päällystekerrosten applikointiin, mutta pastareseptejä tulee optimoida ja ratkaista päällysteen alle pääsevän ilman ongelma.

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.

Utilization of non-wood pulp in different fibers products

The correct utilization of non-wood raw material allows reducing tree cutting and reduces emissions of carbon dioxide from burning of non-wood plants on farmers fields. Also it allows increasing economical situation in regions that non-wood plants are grown and where they are converted into pulp and paper. Also it gives positive effect on population pressure of work by addition of working place. In the literature survey included an overview of the historical meaning of non-wood pulp on developing paper production and structure of non-wood pulps. Moreover, anatomical and chemical composition of straw, reed and bamboo were studied more detailed. Also, an overview of the utilization of non-wood pulp in papermaking was made. Especially tissue, tree-free and release papers were reviewed. In the experimental part the goal was to investigate suitability of non-wood pulp like wheat straw pulp and bamboo pulp for different fiber products. Finally release and tree-free paper products were selected for experimental studies. It was discovered that wheat straw, especially screened wheat straw, showed good results for release paper. Also utilization of wheat straw and bamboo pulp in tree-free paper showed good results and suitability of these non-wood pulps for tree-free paper production. Also it was noticed that addition of wheat straw pulp gave positive effect on initial wet strength for release and tree-free paper.

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

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

Effects of the partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp

The objective of this work was to study the effects of partial removal of wood hemicelluloses on the properties of kraft pulp.The work was conducted by extracting hemicelluloses (1) by a softwood chip pretreatment process prior to kraft pulping, (2) by alkaline extraction from bleached birch kraft pulp, and (3) by enzymatic treatment, xylanase treatment in particular, of bleached birch kraft pulp. The qualitative and quantitative changes in fibers and paper properties were evaluated. In addition, the applicability of the extraction concepts and hemicellulose-extracted birch kraft pulp as a raw material in papermaking was evaluated in a pilot-scale papermaking environment. The results showed that each examined hemicellulose extraction method has its characteristic effects on fiber properties, seen as differences in both the physical and chemical nature of the fibers. A prehydrolysis process prior to the kraft pulping process offered reductions in cooking time, bleaching chemical consumption and produced fibers with low hemicellulose content that are more susceptible to mechanically induced damages and dislocations. Softwood chip pretreatment for hemicellulose recovery prior to cooking, whether acidic or alkaline, had an impact on the physical properties of the non-refined and refined pulp. In addition, all the pretreated pulps exhibited slower beating response than the unhydrolyzed reference pulp. Both alkaline extraction and enzymatic (xylanase) treatment of bleached birch kraft pulp fibers indicated very selective hemicellulose removal, particularly xylan removal. Furthermore, these two hemicellulose-extracted birch kraft pulps were utilized in a pilot-scale papermaking environment in order to evaluate the upscalability of the extraction concepts. Investigations made using pilot paper machine trials revealed that some amount of alkalineextracted birch kraft pulp, with a 24.9% reduction in the total amount of xylan, could be used in the papermaking stock as a mixture with non-extracted pulp when producing 75 g/m2 paper. For xylanase-treated fibers there were no reductions in the mechanical properties of the 180 g/m2 paper produced compared to paper made from the control pulp, although there was a 14.2% reduction in the total amount of xylan in the xylanase-treated pulp compared to the control birch kraft pulp. This work emphasized the importance of the hemicellulose extraction method in providing new solutions to create functional fibers and in providing a valuable hemicellulose co-product stream. The hemicellulose removal concept therefore plays an important role in the integrated forest biorefinery scenario, where the target is to the co-production of hemicellulose-extracted pulp and hemicellulose-based chemicals or fuels.

Utilization of recycled mineral wool as filler in wood plastic composites

The impact of a recycled mineral wool filler on the various properties of wood plastic composites was studied and the critical factors affecting the formation of the properties were determined. An estimation of the volume of mineral wool fiber waste generated in the European Union between the years 2010-2020 was presented. Furthermore, the effect of fiber pre-treatment on the properties of the wood plastic composites were studied, and the environmental performance of a wood plastic composite containing recycled mineral fibers was assessed. The results showed that the volumes of construction and demolition waste and new mineral wool produced in the European Union are growing annually, and therefore also the volumes of recycled mineral wool waste generated are increasing. The study showed that the addition of recycled mineral wool into composites can enhance some of the mechanical properties and increase the moisture resistance properties of the composites notably. Recycled mineral wool as a filler in wood plastic composites can also improve the fire resistance properties of composites, but it does not protect the polymer matrix from pyrolysis. Fiber pre-treatment with silane solution improved some of the mechanical properties, but generally the use of maleated polypropylene as the coupling agent led to better mechanical and moisture resistance properties. The environmental performance of recycled mineral wool as the filler in wood plastic composites was superior compared to glass fibers. According to the findings, recycled mineral wool fibers can provide a technically and environmentally viable alternative to the traditional inorganic filler materials used in wood plastic composites.

Wood species identification by visual characterization of fibers

Kandidaatintyö tehtiin osana PulpVision-tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää kuvapohjaisia laskenta- ja luokittelumetodeja sellun laaduntarkkailuun paperin valmistuksessa. Tämän tutkimusprojektin osana on aiemmin kehitetty metodi, jolla etsittiin kaarevia rakenteita kuvista, ja tätä metodia hyödynnettiin kuitujen etsintään kuvista. Tätä metodia käytettiin lähtökohtana kandidaatintyölle. Työn tarkoituksena oli tutkia, voidaanko erilaisista kuitukuvista laskettujen piirteiden avulla tunnistaa kuvassa olevien kuitujen laji. Näissä kuitukuvissa oli kuituja neljästä eri puulajista ja yhdestä kasvista. Nämä lajit olivat akasia, koivu, mänty, eukalyptus ja vehnä. Jokaisesta lajista valittiin 100 kuitukuvaa ja nämä kuvat jaettiin kahteen ryhmään, joista ensimmäistä käytettiin opetusryhmänä ja toista testausryhmänä. Opetusryhmän avulla jokaiselle kuitulajille laskettiin näitä kuvaavia piirteitä, joiden avulla pyrittiin tunnistamaan testausryhmän kuvissa olevat kuitulajit. Nämä kuvat oli tuottanut CEMIS-Oulu (Center for Measurement and Information Systems), joka on mittaustekniikkaan keskittynyt yksikkö Oulun yliopistossa. Yksittäiselle opetusryhmän kuitukuvalle laskettiin keskiarvot ja keskihajonnat kolmesta eri piirteestä, jotka olivat pituus, leveys ja kaarevuus. Lisäksi laskettiin, kuinka monta kuitua kuvasta löydettiin. Näiden piirteiden eri yhdistelmien avulla testattiin tunnistamisen tarkkuutta käyttämällä k:n lähimmän naapurin menetelmää ja Naiivi Bayes -luokitinta testausryhmän kuville. Testeistä saatiin lupaavia tuloksia muun muassa pituuden ja leveyden keskiarvoja käytettäessä saavutettiin jopa noin 98 %:n tarkkuus molemmilla algoritmeilla. Tunnistuksessa kuitujen keskimäärinen pituus vaikutti olevan kuitukuvia parhaiten kuvaava piirre. Käytettyjen algoritmien välillä ei ollut suurta vaihtelua tarkkuudessa. Testeissä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kuitukuvien tunnistaminen on mahdollista. Testien perusteella kuitukuvista tarvitsee laskea vain kaksi piirrettä, joilla kuidut voidaan tunnistaa tarkasti. Käytetyt lajittelualgoritmit olivat hyvin yksinkertaisia, mutta ne toimivat testeissä hyvin.

Short-term effects of prescribed burning on wood-rotting fungi

Summary