Biopohjaiset polymeerit dispersiopäällystyksessä

Työn aiheena oli tehdä muotoiltavissa oleva rasvankestävä pakkauskartonki. Polymeeridispersiopäällystettyjä pakkauskartonkeja käytetään kertakäyttöisissä tuotteissa kuten vuoissa, kupeissa ja lautasissa. Tuotteiden on kestettävä rasvaa niiden lopputarkoituksen mukaisesti. Pakkausala jatkaa vuosittaista kasvuaan vauhdilla. Uusia kierrätettäviä biopohjaisia ja luonnolle ystävällisempiä pakkaustuotteita on kehitettävä kasvun tyydyttämiseksi. Biopohjaiset pakkaustuotteet ovat mahdollisia ratkaisuja ympäristöön kohdistuvien ongelmien vähentämiseksi ja öljypohjaisten raaka-aineiden korvaajiksi. Diplomityön teoriaosuudessa keskityttiin dispersiopäällystyksessä käytettyihin biopolymeereihin ja niiden toimivuuteen suojaavina kalvoina. Teoriaosuudessa käsiteltiin myös rasvankestoa ja rasvankestävien tuotteiden materiaaliominaisuuksia. Kirjallisuuden perusteella havaittiin luonnonpolymeerien alhaisen kuiva-ainepitoisuuden ja korkean päällystemäärätarpeen muodostamat haasteet dispersiopäällystyksessä. Pohjakartongin karheudella ja tiiveydellä sekä suojaavan polymeerin kalvon rakenteella huomattiin olevan suuri merkitys rasvankeston saavuttamiseksi. Kokeellinen osa jakautui kolmeen osakokonaisuuteen: laboratoriokokeisiin, esipilotointiin ja varsinaiseen pilot-koeajoon. Esikokeiden perusteella suojaavat kalvot, joiden raaka-aineena käytettiin biopohjaisia dispersiopolymeerejä, antoivat riittäviä rasvankesto-ominaisuuksia, mutta eivät kestäneet konvertointia. Pienellä synteettisten polymeerien lisäyksellä pystyttiin parantamaan päällystettyjen kartonkien rasvankestoa sekä konvertoitavuutta. Pilot-koeajonäytteiden testaustulokset tukivat esikokeissa tehtyjä havaintoja. Tämän työn perusteella kohtuullinen lisäysmäärä synteettistä polymeeriä voi parantaa merkittävästi biopohjaisen suojaavan kalvon antamaa rasvankestoa sekä päällystetyn kartongin konvertoitavuutta.

Membraanin modifiointi happo- ja alkoholikäsittelyillä

Tässä diplomityössä tutkittiin alkoholilla ja orgaanisella hapolla tehtävien esikäsittelyiden vaikutusta nanosuodatuskalvon ominaisuuksiin. Työn tarkoituksena oli parantaa nanosuodatuskalvon fraktiointiominaisuuksia sekä kasvattaa monosakkaridien suotautuvuutta. Tarkasteluissa käytetty membraani oli GE Osmonicsin valmistamaa Desal-5 DL nanosuodatuskalvoa, jota modifioitiin erilaisilla maitohappo- ja isopropanoliesikäsittelyillä. Suodatukset tehtiin kahdella erilaisella laboratoriomittakaavan levysuotimella käyttäen malliaineina väkevää sokeriliuosta sekä laimeampaa sokeri-suola-liuosta. Happo- ja alkoholiesikäsiteltyjen kalvojen vuo- ja retentioarvoja verrattiin referensseinä käytettyjen vesiliotettujen kalvojen vastaaviin arvoihin. Puhtaat esikäsitellyt kalvot analysoitiin myös tarkemmin kalvoissa tapahtuneiden muutosten ymmärtämiseksi. Suodatusten ja analyysitulosten perusteella sekä alkoholi- että happoesikäsittelyt paransivat nanosuodatuskalvon ominaisuuksia parantaen sokerivuota, heikentämättä kuitenkaan kalvon fraktiointikykyä eri moolimassan omaavien sokereiden suhteen. Hapolla saavutettiin hieman alkoholikäsittelyä suotuisammat muutokset, mutta molemmilla käsittelyillä haluttujen komponenttien retentio monesti jopa parani referenssikalvoon verrattuna. Havaitut muutokset kalvoissa olivat pääosin fysikaalisia, mutta erityisesti happokäsittely muutti kalvon rakennetta myös kemiallisesti. Molemmat käsittelyt lisäsivät myös tarkasteltavan membraanin hydrofiilisuutta.

Maidon ja heran mikrosuodatus

Työssä selvitettiin uudenaikaisten polymeerikalvojen soveltuvuutta maidon sekä heran mikrosuodatukseen. Kirjallisessa osassa perehdyttiin maidon ja heran koostumuksiin, mikrobikantoihin sekä erilaisiin maidon sekä heran rasvanpoisto- ja puhdistusmenetelmiin. Tämän lisäksi käsiteltiin mikrosuodatusmenetelmiä sekä niiden käyttöä heran ja maidon käsittelyssä meijeriteollisuudessa. Kokeellisessa osassa verrattiin kahdella eri suodatuslaitteistolla keraami- ja polymeerikalvojen suodatusominaisuuksia separoidun raakamaidon sekä heran poikkivirtausmikrosuodatuksessa. Tavoitteena oli erottaa suodatettavista liuoksista mikrobit sekä jäännösrasva ja tuottaa puhdasta, proteiinipitoista maitoa / heraa. Koeajoissa otetuista näytteistä analysoitiin ainesosakoostumus sekä mikrobipitoisuudet. Tuloksista määritettiin retentioarvot ja näiden perusteella vertailtiin polymeeri- ja keraamikalvojen erotustehokkuutta. Lisäksi kalvojen toimivuutta arvioitiin vuoarvojen avulla. Raakamaidon suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti jäännösrasvan ja mikrobit, mutta myös kaseiiniproteiinin. Tästä syystä yksikään polymeerikalvoista ei sovellu puhtaan maidon suodatukseen. Keraamikalvot soveltuvat tähän selkeästi paremmin ja yksikään toinen testatuista kalvoista ei päässyt samalle tasolle meijeriteollisuudessa jo käytössä olevan Membralox 1,4 μm -keraamikalvon kanssa. Heran suodatuksissa polymeerikalvot pidättivät täydellisesti tai lähes täydellisesti rasvan ja mikrobit, mutta keraamikalvo päästi huomattavasti enemmän haluttuja proteiineja permeaattiin. Membralox 0,8 μm -keraamikalvo pidätti täydellisesti mikrobit, mutta päästi jonkin verran jäännösrasvaa permeaattiin. Näin ollen kalvovalinta on kompromissi permeaatin puhtauden ja proteiinin saannon välillä. Keraamikalvojen vuohäviöt olivat merkittävästi pienemmät kuin polymeerikalvoilla molempien syöttöliuosten kanssa. Lisäksi keraamikalvojen puhdistus oli huomattavasti nopeampaa ja helpompaa. Tästä syystä keraamiset kalvot soveltuvat polymeerisiä paremmin maidon ja heran mikrosuodatukseen.

Hartsin likaantuminen ja kestävyys mustalipeän fraktioinnissa kokoekskluusiokromatografialla

Sellunkeiton sivutuotteena syntyvä mustalipeä sisältää arvokkaita orgaanisia yhdisteitä, kuten hydroksihappoja. Toistaiseksi hydroksihapot on käytetty muun mustalipeän tavoin sellutehtaan lämmöntuotantoon. Hydroksihappojen merkitys lämmöntuotannon kannalta on kuitenkin pieni verrattuna mustalipeän sisältämään ligniiniin. Viime vuosina kiinnostus hydroksihappoja kohtaan on kasvanut sillä ne voisivat toimia lähtöaineena monille kemikaaleille, joiden valmistukseen käytetään perinteisesti fossiilisia polttoaineita. Hydroksihappoja voidaan erottaa mustalipeästä useilla eri menetelmillä. Erotukseen soveltuvia menetelmiä ovat esimerkiksi ioniekskluusiokromatografia, kalvosuodatus ja kiteytys sekä kokoekskluusiokromatografia. Kromatografisissa menetelmissä käytetyt hartsit ja kalvosuodatuksessa käytettävät kalvot ovat kuitenkin alttiita eri yhdisteiden aiheuttamalle likaantumiselle. Tämän työn kirjallisuusosassa käsitellään mustalipeän koostumusta sekä mustalipeän sisältämiä hydroksihappoja ja niiden käyttökohteita. Lisäksi kirjallisessa osassa on kuvattu aikaisemmin tutkittuja menetelmiä hydroksihappojen erottamiseksi mustalipeästä. Viimeisin menetelmä mustalipeän fraktioimiseksi on kokoekskluusiokromatografia. Työssä on kuvattu kokoeksluusiokromatografian periaate ja selvitetty menetelmän soveltuvuutta mustalipeän fraktiointiin. Lisäksi on käsitelty kromatografisissa menetelmissä käytettyjen hartsien likaantumista, likaantumisen vaikutusta erotustehokkuuteen ja likaantumisen ehkäisyä. Kokeellisessa osassa käsitellään hydroksihappojen erotusta mustalipeästä kokoekskluusiokromatografialla sekä kokoekskluusiokromatografiassa käytettävän hartsin likaantumista ja kestävyyttä. Työssä selvitettiin toistokokein likaantumisen vaikutusta hartsin erotuskykyyn käsitellyn mustalipeän määrän kasvaessa. Malliaineena käytettiin ultrasuodatettua soodakeitettyä mustalipeää. Tulosten perusteella hartsin likaantuminen ei vaikuttanut hydroksihappojen erotukseen mustalipeästä. Kestävyyskokeissa hartsin vesiretentiossa ei havaittu mittausten perusteella johdonmukaista muutosta. HPLC-analyysien perusteella huomattiin liuoksista kuitenkin mahdollisia hartsin hajoamistuotteita, joita ei kuitenkaan pystytty tunnistamaan.

The Role of Structural Imperfections in Sr2FeMoO6 Thin Films

In this work, Sr2FeMoO6 (SFMO) thin films were studied with the main focus on their magnetic and magneto-transport properties. The fabrication process of pulsed laser deposited SFMO films was first optimized. Then the effects of strain, film thickness and substrate were thoroughly investigated. In addition to these external factors, the effect of intrinsic defects on the magnetic properties of SFMO were also clarified. Secondly, the magnetoresistivity mechanims of SFMO films were studied and a semiempirical model of the temperature dependence of resistivity was introduced. The films were grown on single crystal substrates using a ceramic target made with sol-gel method. The structural characterization of the films were carried out with X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy and high kinetic energy photoelectron spectroscopy. The magnetic properties were measured with SQUID magnetometer and the magneto-transport properties by magnetometer with a resistivity option. SFMO films with the best combination of structural and magnetic properties were grown in Ar atmosphere at 1050 °C . Their magnetic properties could not be improved by the ex situ post-annealing treatments aside from the treatments in ultra-high vacuum conditions. The optimal film thickness was found to be around 150 nm and only small improvement in the magnetic properties with decreasing strain was observed. Instead, the magnetic properties were observed to be highly dependent on the choice of the substrate due to the lattice mismatch induced defects, which are best avoided by using the SrTiO3 substrate. The large difference in the Curie temperature and the saturation magnetization between the SFMO thin film and polycrystalline bulk samples was connected to the antisite disorder and oxygen vacancies. Thus, the Curie temperature of SFMO thin films could be improved by increasing the amount of oxygen vacancies for example with ultra-high vacuum treatments or improving the B-site ordering by further optimization of the deposition parameters. The magneto-transport properties of SFMO thin films do not follow any conventional models, but the temperature dependence of resistivity was succesfully described with a model of two spin channel system. Also, evidences that the resistivity-temperature behaviour of SFMO thin films is dominated by the structural defects, which reduce the band gap in the majority spin band were found. Moreover, the magnetic field response of the resistivity in SFMO thin films were found to be superposition of different mechanisms that seems to be related to the structural changes in the film.

N-tyypin johdepolymeerien tutkimus

Konjugoituneiden polymeerien sähkönjohtavuutta voidaan parantaa useita kertaluokkia varauksensiirtoreaktiona tapahtuvan seostuksen avulla. P-tyypin seostuksessa polymeeri hapettuu osittain ja saa positiivisen varauksen. N tyypin seostuksessa polymeeri taas pelkistyy osittain ja saa negatiivisen varauksen. Monia konjugoituneita polymeerejä on käytetty aukkoja kuljettavana p-tyypin materiaalina, mutta yhtä paljoa ei ole tutkittu elektroneja kuljettavia n-tyypin johdepolymeerejä. Kasvava kiinnostus orgaaniseen elektroniikkaan tekee kuitenkin uusien n-tyypin polymeerimateriaalien kehittämisen tarpeelliseksi. Tutkielmassa käsitellään n-tyypin johdepolymeerejä, niiden valmistusta ja ominaisuuksia sekä niiden hyödyntämistä orgaanisen elektroniikan sovelluksissa. Korkealaatuisten ohutkalvojen hallittu kasvatus on yksi tärkeimmistä edellytyksistä n tyypin johdepolymeerien hyödyntämiselle orgaanisessa elektroniikassa. Tutkielman kokeellisessa osassa tutkittiin menetelmiä, joilla kahdesta tarkastellusta n tyypin johdepolymeeristä, poly(etyleenioksidi)lla funktionalisoidusta poly(bentsimidatso-bentsofenantroliini)sta (BBL–PEO) ja poly(atsoantrakinoni)sta, voitaisiin toistettavasti valmistaa korkealaatuisia ohutkalvoja. Valmistettujen ohutkalvojen laatua ja ominaisuuksia tutkittiin spektroskooppisin, mikroskooppisin ja sähkökemiallisin menetelmin. Lisäksi tutkittiin materiaalien valosähköisiä ominaisuuksia ja niiden soveltuvuutta aurinkoenergiaa hyödyntäviin sovelluksiin. Molemmista tutkituista johdepolymeereistä onnistuttiin valmistamaan ohutkalvoja, kun niille löydettiin sopivat liuottimet ja esikäsittelymenetelmät. Laadukkaimmat polymeeriohutkalvot valmistettiin spin–spray-pinnoitusmenetelmällä sekä dynaamisella spin coating -menetelmällä, joissa polymeeriliuosta sumutettiin (spin¬–spray) tai pipetoitiin (spin coating) pyörivän substraattilevyn pintaan. Näillä pinnoitus-menetelmillä pystyttiin hyvin hallitsemaan polymeeriohutkalvojen kasvatusta. BBL–PEO-ohutkalvot olivat tutkimusten perusteella selvästi laadukkaampia kuin poly(atsoantrakinoni)kalvot. BBL–PEO-kalvot olivat huomattavasti tasaisempia ja niiden valon absorbointikyky oli merkittävästi parempi. BBL–PEO näyttäisikin soveltuvan erinomaisesti korkealaatuisten ohutkalvojen valmistukseen. Valosähköisiä ominaisuuksia tutkittaessa havaittiin, että kohdistamalla valoa sähkökemiallisesti pelkistettyyn BBL–PEO-ohutkalvoon pystytään tuottamaan pieniä määriä sähkövirtaa. Vaikka tuotettujen virtojen suuruudet olivat hyvin pieniä, tulokset olivat lupaavia, kun huomioidaan valaisuun käytettyjen ledien pienet tehot. BBL–PEO-ohutkalvoja tulisi kuitenkin tutkia ja kehittää huomattavasti lisää, jotta niitä tulevaisuudessa voitaisiin hyödyntää orgaanisissa valosähköisissä sovelluksissa.