Painatuksen UV-stabiilisuuden optimointi fenolihartsatussa paperissa

Tässä diplomityössä tutkittiin painetun paperin ja siitä fenoliformaldehydihartsilla impregnoimalla valmistetun pinnoituskalvon UV-stabiilisuuden parantamis-mahdollisuuksia. Työn kirjallisuusosassa käsitellään painetun pinnoituskalvon valmistusprosessia ja painatuksen UV-valonkestoon vaikuttavia tekijöitä. Painovärin pigmentti, sen määrä ja käsittely, painovärin sideaine sekä fenoliformaldehydihartsi ja sen lisäaineet vaikuttavat pinnoitetun betonoimisvanerin säänkesto-ominaisuuksiin. Erilaisilla epäorgaanisilla valkoisilla pigmenteillä ja kidemuodoilla on erilainen UV-valonkesto ja taitekerroin. Päällystämällä titaanidioksidi esimerkiksi alumiini- tai zirkoniumoksideilla sen UV-valonkestoa voidaan parantaa merkittävästi. UV-hajoaminen voidaan havaita painetun pinnoitteen liituuntumisena. Liituuntumista voidaan pitää veden ja hapen välisenä reaktiona, jota titaanidioksidi ja UV-säteily katalysoivat. Sen takia myös muiden valkoisten epäorgaanisten pigmenttien ominaisuuksia ja käyttöä selvitettiin. Kokeissa käytettiin yhdeksää eri painoväriä, kahta eri paksuista paperia ja kahta eri tyyppistä hartsia. Painovärejä ohennettiin vedellä ja paperin painopuolta vaihdeltiin. Kaikissa painatuksissa käytettiin kolmea eri rasterointiasteen laattaa, jolloin painovärin määrää paperissa saatiin vähennettyä. Painetuista papereista mitattiin densiteetti, värimäärä, pisara-absorptio vedellä ja kontaktikulma hartsilla. Myös painovärin tunkeumaa selvitettiin paperin poikkileikeistä tehtyjen SEM-kuvien avulla. Painetut paperit impregnoitiin fenoliformaldehydihartsilla kalvoksi. Pinnoituskalvot puristettiin vanerin pinnalle laboratoriopuristimella. Koekappaleet altistettiin UV-valolle, sateelle ja pakkaselle sääkaapissa 400 h ajan, mikä vastaa noin 1,5 vuotta ulkona Suomen oloissa. Kappaleista mitattiin kiilto, värinmuutos ja liituuntuminen. Pinnoitteen liituuntumista tapahtui vähiten niissä koepisteissä, joissa painatus oli tehty 30 % rasteroidulla laatallaSäänkestävä TiO2 osoittautui hyväksi, mutta myös ZnO-pigmentillä saatiin hyviä tuloksia. ZnO-koepisteessä liituuntumisreaktio ei ole niin voimakkaasti katalysoitu kuin TiO2-koepisteissä. Paksun paperin painatuspuolella näytti olevan merkitystä säänkestoon. Huopapuolelle painettuna pinnoitteen liituuntuminen oli vähäisempää

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

The Electronic Structure of Co-Sputtered Zinc Indium Tin Oxide Thin Films

Zinc indium tin oxide (ZITO) transparent conductive oxide layers were deposited via radio frequency (RF) magnetron co-sputtering at room temperature. A series of samples with gradually varying zinc content was investigated. The samples were characterized with x-ray and ultraviolet photoemission spectroscopy (XPS, UPS) to determine the electronic structure of the surface. Valence and conduction bands maxima (VBM, CBM), and work function were determined. The experiments indicate that increasing Zn content results in films with a higher defect rate at the surface leading to the formation of a degenerately doped surface layer if the Zn content surpasses 50%. Furthermore, the experiments demonstrate that ZITO is susceptible to ultraviolet light induced work function reduction, similar to what was earlier observed on ITO and TiO2 films.

Photocatalytic Activity of Nanostructured Anatase Coatings Obtained by Cold Gas Spray

This article describes a photocatalytic nanostructured anatase coating deposited by cold gas spray (CGS)supported on titanium sub-oxide (TiO22x) coatings obtained by atmospheric plasma spray (APS) onto stainless steel cylinders. The photocatalytic coating was homogeneous and preserved the composition and nanostructure of the starting powder. The inner titanium sub-oxide coating favored the deposition of anatase particles in the solid state. Agglomerated nano-TiO2 particles fragmented when impacting onto the hard surface of the APS TiO22x bond coat. The rough surface provided by APS provided an ideal scenario for entrapping the nanostructured particles, which may be adhered onto the bond coat due to chemical bonding; a possible bonding mechanism is described. Photocatalytic experiments showed that CGS nano-TiO2 coating was active for photodegrading phenol and formic acid under aqueous conditions. The results were similar to the performance obtained by competitor technologies and materials such as dip-coating P25 photocatalysts. Disparity in the final performance of the photoactive materials may have been caused by differences in grain size and the crystalline composition of titanium dioxide.

Dustiness and deagglomeration testing: interlaboratory comparison of systems for nanoparticle powders

Different types of aerosolization and deagglomeration testing systems exist for studying the properties of nanomaterial powders and their aerosols. However, results are dependent on the specific methods used. In order to have well-characterized aerosols, we require a better understanding of how system parameters and testing conditions influence the properties of the aerosols generated. In the present study, four experimental setups delivering different aerosolization energies were used to test the resultant aerosols of two distinct nanomaterials (hydrophobic and hydrophilic TiO2). The reproducibility of results within each system was good. However, the number concentrations and size distributions of the aerosols created varied across the four systems; for number concentrations, e.g., from 10(3) to 10(6) #/cm(3). Moreover, distinct differences were also observed between the two materials with different surface coatings. The article discusses how system characteristics and other pertinent conditions modify the test results. We propose using air velocity as a suitable proxy for estimating energy input levels in aerosolization systems. The information derived from this work will be especially useful for establishing standard operating procedures for testing nanopowders, as well as for estimating their release rates under different energy input conditions, which is relevant for occupational exposure.

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.

Suitability of human and mammalian cells of different origin for the assessment of genotoxicity of metal and polymeric engineered nanoparticles.

Nanogenotoxicity is a crucial endpoint in safety testing of nanomaterials as it addresses potential mutagenicity, which has implications for risks of both genetic disease and carcinogenesis. Within the NanoTEST project, we investigated the genotoxic potential of well-characterised nanoparticles (NPs): titanium dioxide (TiO2) NPs of nominal size 20 nm, iron oxide (8 nm) both uncoated (U-Fe3O4) and oleic acid coated (OC-Fe3O4), rhodamine-labelled amorphous silica 25 (Fl-25 SiO2) and 50 nm (Fl-50 SiO) and polylactic glycolic acid polyethylene oxide polymeric NPs - as well as Endorem® as a negative control for detection of strand breaks and oxidised DNA lesions with the alkaline comet assay. Using primary cells and cell lines derived from blood (human lymphocytes and lymphoblastoid TK6 cells), vascular/central nervous system (human endothelial human cerebral endothelial cells), liver (rat hepatocytes and Kupffer cells), kidney (monkey Cos-1 and human HEK293 cells), lung (human bronchial 16HBE14o cells) and placenta (human BeWo b30), we were interested in which in vitro cell model is sufficient to detect positive (genotoxic) and negative (non-genotoxic) responses. All in vitro studies were harmonized, i.e. NPs from the same batch, and identical dispersion protocols (for TiO2 NPs, two dispersions were used), exposure time, concentration range, culture conditions and time-courses were used. The results from the statistical evaluation show that OC-Fe3O4 and TiO2 NPs are genotoxic in the experimental conditions used. When all NPs were included in the analysis, no differences were seen among cell lines - demonstrating the usefulness of the assay in all cells to identify genotoxic and non-genotoxic NPs. The TK6 cells, human lymphocytes, BeWo b30 and kidney cells seem to be the most reliable for detecting a dose-response.

A fotocatálise heterogênea e sua aplicação ambiental

This article gives some basic principles of heterogeneous photocatalysis using titanium dioxide as photocatalyst and the state of art of its applications to the abatement of aqueous and atmospheric pollutants.

Suodatuskalvon puhdistaminen UV-valolla tai ultraäänellä aktivoidulla titaanidioksidilla

Kalvotekniikan suurin ongelma on edelleen kalvon likaantuminen, jonka tuloksena kalvon erotuskyky voi muuttua ja liuoksen vuo kalvon läpi pientyä huomattavasti. Kalvotekniikan teollisissa sovelluksissa kalvojen puhdistus on yksi tärkeimmistä pääkohdista, sillä se määrittää kalvon käyttöikää ja käyttötehokkuutta. Yleisimmin käytetyn kemiallisen pesun tuloksena muodostuu hävitettävä pesuliuos, joka sisältää sekä kemikaaleja, että kalvosta poistetun lian. Työssä on tutkittu kalvon puhdistusta ultravioletti-valo- tai ultraäänikäsittelyssä titaanidioksidin läsnäollessa. Menetelmien mahdollisina etuina ovat kalvosta poistetun lian hajotus harmittomiksi komponenteiksi ja mahdollisesti kalvon pienempi kuluminen pesussa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden hajottamista ultraviolettivalon tai ultraäänikäsittelyn avulla titaanidioksidin läsnäollessa sekä olosuhteiden vaikutusta menetelmien tehokkuuteen. Tämän lisäksi työssä on keskitytty polymeerikalvojen UV-valo- ja ultraäänikäsittelykestävyyteen. Kokeellisessa osassa on tutkittu UV-valo- ja ultraäänikäsittelyjen sopivuutta liatun PVDF-kalvon puhdistukseen titaanidioksidin läsnäollessa. Tavoitteena oli liatun kalvon permeabiliteetin palautus puhtaan kalvon tasolle käsittelyn avulla. Kalvon kestävyyttä on myös tutkittu. Tämän työn perusteella tutkittuja menetelmiä ei voida soveltaa tarkistettavan PVDF-kalvon puhdistukseen, ainakaan testeissä käytetyissä olosuhteissa, sillä kalvon ominaisuudet muuttuvat käsittelyissä.

Dióxido de titânio sol-gel: propriedades e comportamento eletrocrômico

Titanium dioxide was prepared by hydrolysis and polycondensation of titanium tetraisopropoxide. TiO2 films were obtained by spin coating of the precursor solution on ITO substractes (glass covered with indium doped tin oxide). Films were prepared using different temperatures and hydrochloric acid contents. The effect of the drying temperature of the films (100 or 400ºC) was also investigated. TiO2 films were characterized by cyclic voltammetry, chronoamperometry, ultraviolete-visible spectroscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffractrometry.

Estudo do biomaterial Ti-6Al-4V empregando-se técnicas eletroquímicas e XPS

The Ti-6Al-4V alloy used as biomaterial has been used over the last years. The literature shows controversies concerning the kind and the chemical composition of the film naturally and elctrochemically formed on the surface of the titanium alloy. The presente work studies the film composition before and after the electrochemical polarization tests using the x Ray photoelectron spectroscopy (XPS) technique. The results showed that the film naturally formed on the metallic surface is constituted of a variety of oxides which do not cover the whole surface of the metallic alloy and therefore, metallic Ti, Al and V can be found on the uncovered areas. The tests of XPS made after the polarization up to 4V (SCE) showed that the electrochemically formed film is constituted only of TiO2 and that the peak current observed around 1,5 V (SCE) is due to the oxidation of any kind of titanium oxide or the growth of the film.

Redução de poluentes de efluentes das indústrias de papel e celulose pela floculação/coagulação e degradação fotoquímica

The abatement of recalcitrant lignin macromolecules from effluents of pulp and paper industry was investigated by combined process. Flocculation and coagulation with aluminum sulfate and natural polyelectrolytes extracted from cactus Cereus peruvianus were used in the first step. After separation of solid residues by filtration, the photochemical methods using TiO2 as catalyst were employed for photocatalytic degradation of lignin compounds from solution. The abatement of lignin compounds after flocculation and coagulation was 46%, and after the overall process, the pollutants reduction observed were 66%. The remaining organic compounds may be removed by any biological treatment.

Proposição de um reator fotocatalítico para destruição de microrganismos em ambientes interiores

The TiO2/UV photocatalytic reactor was investigated as an alternative system to inactivate airborne microorganisms. The experiments performed in the absence of the catalyst showed that direct photolysis was not efficient to destruct microorganisms, with only 30% of inactivation. Similar inactivation percentage was obtained using TiO2 in absence of UV radiation. The destruction of microorganisms present in a contaminated indoor atmosphere, using the combination of TiO2/UV was very efficient, reaching more than 98% of destruction.

Fotocatálise eletroquímica de atrazina sobre dióxido de titânio: efeito de diferentes parâmetros experimentais

The atrazine photoelectrochemical degradation has been examined in solutions containing TiO2 on immobilized films under a variety of experimental conditions. It was possible to observe that the supporting electrolyte nature affects the intensity of the photocurrent, being an indicative of the adsorption process. The disappearance of the organic molecule follows approximately a pseudo-first order kinetic. As mineralization product, NH4+ and NO3- ion have been identified. These results indicated that the formation of NH4+ ion can be associated to the effect of atrazine adsorption, due to need of potential adaptation together with a variation in the supporting electrolyte concentration.

Inativação por oxidação fotocatalítica de Escherichia coli e Pseudomonas sp.

This study presents the bactericidal activity of titanium dioxide photocatalysis, using as model Escherichia coli and Pseudomonas sp. cells. It was observed that the process efficiency is related to initial cell concentration, light intensity, UV irradiation exposure time, TiO2 concentration increase. The ultimate removal efficiency was above 99.9%.