Neutralsulfitkokning av björk möjliggör ett högt utbyte av hemicellulosa, vilket bidrar positivt till flutingens egenskaper och minskar vedkostnaden. Neutralsulfitkoket ska avbrytas när delignifieringen nått tillräckligt långt för att veden ska kunna defibreras skonsamt med en rimlig energiinsats, men innan nedbrytningen av hemicellulosa hunnit accelerera. Syftet med detta examensarbete var att undersöka utbytets och malningens inverkan på NSSC-massans egenskaper. En laboratoriestudie genomfördes där massan kokades till olika utbyten och maldes vid olika insatser. Resultatet av den studien användes sedan för att ställa om kokaren och raffinörerna på lämpligt sätt vid fabriksförsöken. Massaprover togs ut efter det andra kvarnsteget och skickades för analys. De mest väsentliga egenskaperna för fluting testades genom CCT (Corrugated Crush Test), CMT (Concora Medium Test) och SCT (Short Span Compression test) men övriga konventionella egenskaper testades likväl. En avgörande egenskap för fluting är också dess krypstyvhet som undersöktes på laboratorie genom isokrona kryptester. För att få en djupare förståelse för NSSC-massans egenskaper samt kokningens och malningens inverkan på dessa utfördes även fiberkaraktärisering. Resultatet visar att styrkan på NSSC-massan kan påverkas genom att variera både utbytet och effekten i raffinörerna. För att åstadkomma en signifikant styrkeökning krävs ett lågt utbyte tillsammans med en hög effekt i raffinörerna. Kraftiga ändringar av dessa parametrar leder dessvärre till att papperets egenskaper förändras i den grad att körbarheten på maskin kan påverkas. Studien visar även att fluting som uppfyller dagens riktvärden kan framställas kostnadseffektivt genom ett högt utbyte i kokaren och en hög insats i raffinörerna. Samtidigt erhålls då en ljusare massa, vilket kan vara betydande i vissa fall. Krypmätningarna visar samtidigt att malningen i positiv bemärkelse påverkar krypstyvheten medan utbytets inverkan är mer svårtolkat. Ett allt för högt utbyte verkar dock vara negativt ur krypstyvhetssynpunkt. / Neutral sulphite cooking of birch enables a high yield of hemicelluloses. This contributes positively to the properties of the flute, reduces the amount of wood needed and hence the cost. The neutral sulphite cook is to be terminated when the delignification has gone sufficiently far so that the wood can be refined mercifully with a reasonable energy input, but before the delignification has gone so far that the degradation of hemicelluloses has started to accelerate. The objective with this thesis was to examine how yield and refining affects the properties of the NSSC pulp. A laboratory study was performed where the pulp was cooked to different yields and then beaten with different energy inputs. The results from this study were then used to determine how to set the boiler and the refiners appropriately in the paper mill trials. Pulp samples were collected after the second refiner and were then sent for analysis. The most important properties for flute were tested through CCT (Corrugated Crush Test), CMT (Concora Medium Test) and SCT (Short Span Compression test). More conventional properties were tested as well. Another important property for flute, the creep resistance, was tested in the laboratory through isochronous creep tests. To get a deeper understanding of the properties of NSSC-pulp, along with the effects of cooking and refining, fiber characterization was also performed.The results indicate that it is possible to affect the strength properties on the NSSC pulp by varying both the yield and the energy input in the refiners. To accomplish a large increase in strength, a relatively low yield is needed, along with increased refining. Large changes of those parameters may unfortunately lead to changes in paper properties in such a way that the runability on the paper machine is affected. The results also indicate that it is possible to manufacture flute in a more cost efficient way by lowering the H-factor in the boiler while increasing the degree of refining, still keeping the strength properties above the critical values.A pulp with a higher brightness is also acquired when running the mill this way, which can be important in some aspects. The creep studies indicate that increased refining has a positive effect on the creep resistance. It is harder to make conclusions about the impact of yield, but it seems as though all too high yields affects the creep resistance negatively.

<p>Ved består huvudsakligen av tre typer av polymerer, cellulosa, hemicellulosa och lignin. Lignin bildas i naturen genom enzymatiskt initierad oxidativ koppling av tre olika typer av fenylpropan-enheter. Dessa bygger genom olika kol-kol- och kol-syre-bindningar upp en amorf tredimensionell polymer. När kemisk massa tillverkas bryts lignin ner och löses ut i kokluten. Luten innehåller de förbrukade kokkemikalierna och bränns generellt i en sodapanna för att regenerera kemikalierna och producera ånga. Sodapannan är emellertid dyr. Därför har den blivit produktionsbegränsande på många massabruk. Att avlägsna en del av ligninet från avluten vore därför önskvärt och att finna ekonomiskt intressanta produkter baserade på lignin från svartlut är därför ett viktigt forskningsområde .</p><p>Ett lämpligt område för ligninprodukter vore som tillsatts i oblekt massa. Oblekt massa används till stor del för tillverkning av kraftliner, topp- och bottenskikten på wellpapp. När lådor av wellpapp lagras i containrar som färdas över haven, förändras den relativa luftfuktigheten. Detta gör att lådorna kollapsar lättare än om de skulle ha lagrats vid konstant luftfuktighet, även en hög sådan. Detta är på grund av det så kallade mekanosorptiva- eller accelererade krypfenomenet. Genom tillsatts av våtstyrkemedel till kraftliner eller behandla den med hydrofoba ämnen, finns indikatoner på att mekanosorptiva effekten skulle kunna minska.</p><p>För att försöka minska den effekten har ett lågmolekylärt kraftlignin, som utvunnits med hjälp av tvärsflödesfiltrering av svartlut och svavelsyrafällning, använts. Genom derivatisering av detta lignin med linolja erhölls ett hydrofobt ligninderivat som uppvisar strukturella likheter med biopolymeren suberin. När detta suberinlika ligninderivat tillsätts till massa verkar det mekanosorptiva krypet minska. När lågmolekylärt lignin används tillsammans med ligninradikalinitiatorerna lackas eller mangan(III) i kraftlinermassa erhålls dessutom en våtstyrka på ca 5% av torrstyrkan. Efter aminering av detta lignin gav en tillsatts till kraftlinermassan en våtstyrka på upp till 10% av torrstyrkan. Det finns indikationer på att det mekanosorptiva krypet samtidigt minskar när dessa behandlingar görs som ger upphov till ökad våtstyrka.</p> / <p>Wood consists mainly of three types of polymers; cellulose, hemi cellulose and lignin. Lignin is formed in nature through enzymatic initiated oxidative coupling of three different kinds of phenyl propane units. These form by various carbon-carbon and carbon-oxygen bonds, an amorphous three-dimensional polymer. As chemical pulp is produced, lignin is degraded and dissolved into pulping liquors. These liquors contain the spent cooking chemicals and are generally burnt in a recovery boiler to regenerate cooking chemicals and produce steam. However, the recovery boiler is expensive. Hence, it has become the bottleneck for production in many pulp mills. Removal of some lignin from the spent cooking liquor would, for that reason, be desired and valuable products based on lignin from cooking liquors are searched for.</p><p>One suitable area for lignin products would be as additive in unbleached pulp. A major product from unbleached pulp is kraftliner, the top and bottom layers of corrugated board. When boxes of corrugated board are stored in containers travelling overseas the relative humidity is varying. This makes the boxes collapse more easily than if they were stored at constant humidity, even a high one. This is due to the so called mechano-sorptive or accelerated creep phenomenon. By addition of wet strength additive to kraftliner or treating it with hydrophobic compounds there are indications on that the mechano-sorptive effect would decrease.</p><p>Trying to decrease this effect, low molecular weight kraft lignin has been used. It was obtained by cross-flow filtration of black liquor and precipitation by sulphuric acid. By derivatisation of this lignin by linseed oil, a hydrophobic lignin derivative was obtained, similar in structure to units in the biopolymer suberin. As this suberin-like lignin-derivative was added to pulp the mechano-sorptive creep seemed to be lowered. Furthermore, when the low molecular weight lignin was used together with the lignin radical initiators laccase or manganese(III) in kraftliner pulp, a wet strength of about 5% of dry strength was obtained. An amination treatment of this lignin and addition to kraftliner pulp resulted in a wet strength of up to 10% of dry strength. There are indications of that the mechano-sorptive creep also decreases as these treatments, resulting in increased wet strength, are made.</p>

In both the chemical and mechanical pulping process, the logs are cut into wood chips by a disc chipper before fibre separation. To make the wood chipping process more efficient, one have to investigate in detail the coupling between process parameters and the quality of the chips. One objective of this thesis was to obtain an understanding of the fundamental mechanisms behind the creation of wood chips. Another objective with the thesis was to investigate whether it was possible to, in a way tailor the chipping process so as to reduce the energy consumption in a following mechanical refining process. Both experimental and analytical/numerical approaches have been taken in this work. The first part of the experimental investigations, were performed with an in-house developed chipping device and a digital speckle photography equipment. The results from the experimental investigation showed that the friction between the log and chipping tool is probably one crucial factor for the chip formation. Further more it was found that the indentation process is approximately self-similar, and that the stress field over the entire crack-plane is critical for chip creation. The developed analytical model predicts the normal and shear strain distribution and to be more specific, the model can predict the compressive stresses parallel to the fibre direction for an assumed linear elastic and orthotropic material. The analytical distributions were found to be in reasonable agreement with the corresponding distributions obtained from a finite element analysis. To be able to study the chipping process under realistic conditions, which for example means to use chipping rates representative for a real wood chipper, a laboratory chipper was developed. Details regarding the chipper and how to evaluate the force measurements are given together with an example of how the force on the cutting tool (the knife) varies with time during cutting. To investigate the influence of a certain chipping process parameter, the chips were after production in the laboratory chipper, refined in a pilot refiner during conditions optimized for TMP (thermomechanical pulp) and CTMP (chemithermomechanical pulp) processes. It was concluded that the details concerning the chip process had a large impact on e.g. the energy consumption in both first stage and second stage refining. Results showing this are given in this thesis. / För både kemisk och mekanisk pappersmassa så tillverkas flis av trädstockar med hjälp av en skivhugg innan fibrerna separeras. För att göra flisningsprocessen mer effektiv, måste kopplingen mellan processparametrar och fliskvalitet studeras. Ett mål med denna avhandling är att ge fundamental kunskap om mekanismerna bakom bildandet av träflis. Både experimentella och analytiska/numeriska metoder har använts i detta arbete. De experimentella undersökningarna har gjorts med hjälp av egen utvecklad utrustning. Resultaten från den experimentella undersökningen visar att friktionen mellan stammen och flisningsverktyget har betydelse vid flisning. Vidare observerades det att inträngnings processen är approximativt självlik (self similar) och att det är spänningsfältet över hela sprickplanet som är kritiskt för bildandet av en flis. Den utvecklade analytiska modellen förutsäger normal- och skjuvspänningsfördelningen över sprickplanet och kan mer specifikt förutsäga den kompressiva belastning som verkar parallellt fiberriktningen i ett linjärt elastiskt och ortotropt material (trä). De analytiskt bestämda fördelningarna stämmer relativt väl överens med motsvarande fördelningar beräknad med finit element analys. För att kunna studera flisningsprocessen under realistiska förhållanden, vilket bl.a. betyder att skärhastigheter som är representativa för en verklig process skall användas, så utvecklades inom ramen för avhandlingsarbetet, en laboratoriesflishugg. Detaljer rörande flishuggen samt hur uppmätta lastsignaler skall utvärderas ges tillsammans med ett exmpel på hur kraften på skärverktyget (kniven) varierar under ett skärförlopp. Inverkan av en viss flisningsprocessparameter undersöktes genom att flis tillverkades i laboratorieflishuggen varefter de raffinerades i en pilotraffinör under förhållanden som var optimerade för TMP (termomekanisk massa) och CTMP (kemitermomekanisk massa) processerna. Det konstaterades att detaljer i flisningsprocessen hade stor inverkan på t.ex. energiåtgången i både första stegs – och andrastegsraffinering. Resultat som verifierar detta ges i avhandlingen. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 4: Submitted. Paper 5: Submitted.</p>

For paper producers, an understanding of the development of strength properties in the paper is of uttermost importance. Strong papers are important operators both in the traditional paper industry as well as in new fields of application, such as fibre-based packaging, furniture and light-weight building material. In the work reported in this thesis, three approaches to increasing paper strength were addressed: mixing different pulps, multilayering and reinforcement with man-made fibres. In specific: The effects of mixing Swedish softwood kraft pulp with southern pine or with abaca (Musa Textilis) were investigated. Handsheets of a softwood kraft pulp with the addition of abaca fibres were made in a conventional sheet former. It was seen that the addition of abaca fibres increased the tearing resistance, fracture toughness, folding endurance and air permeance. Tensile strength, tensile stiffness and tensile energy absorption, however, decreased somewhat. Still it was possible to add up to about 60% abaca without any great loss in tensile strength. As an example, with the addition of 30% abaca, the tear index was increased by 36%, while the tensile index was decreased by 8%. To study the effect of stratification, a handsheet former for the production of stratified sheets, the LB Multilayer Handsheet Former was evaluated. The advantage of this sheet former is that it forms a stratified sheet at low consistency giving a good ply bond. It was shown to produce sheets with good formation and the uniformity, evaluated as the variation of paper properties, is retained at a fairly constant level when the number of layers in the stratified sheets is increased. The uniformity of the sheets produced in the LB Multilayer Handsheet Former is generally at the same level as of those produced in conventional sheet formers. The effects of placing southern pine and abaca in separate layers, rather than mixing them homogeneously with softwood pulp were studied. Homogeneous and stratified sheets composed of softwood and southern pine or softwood and abaca were produced in the LB Multilayer Handsheet Former. It was found that by stratifying a sheet, so that a pulp with a high tear index and a pulp with a high tensile index are placed in separate layers, it was possible to increase the tear index by approximately 25%, while the tensile index was decreased by 10-20%. Further, by mixing a pulp with less conformable fibres and no fines with a pulp with more flexible fibres and fines, a synergy in tensile strength (greater strength than that predicted by linear mass fraction additivity) was obtained. The effects of stratifying sheets composed of softwood and abaca were compared to the effects of refining the softwood pulp. Homogeneous and stratified sheets composed of softwood with three different dewatering resistances and abaca were also produced in the LB Multilayer Handsheet Former. It was found that by stratifying the sheets the tear index was retained while the tensile index was increased by the refining. The effects of reinforcing softwood pulp of different dewatering resistances with man-made fibres with low bonding ability were also investigated. Man-made fibres (i.e. regenerated cellulose, polyester and glass fibres) were added in the amounts 1, 3, or 5 wt% to softwood pulp of three different dewatering resistances. It was found that with refining of a softwood pulp and subsequent addition of long fibres with low bonding ability the tensile-tear relationship can be shifted towards higher strength values. The bonding ability of the man-made fibres was evaluated by pull-out tests and the results indicated that, in relation to the fibre strength, regenerated cellulose (lyocell) was most firmly attached to the softwood network while the glass fibres were most loosely attached.

This thesis contributes to a development of a method for rheological characterization of microfibrillated cellulose. The intended use of the method is to be able to distinguish between different grades of microfibrillated cellulose. The method that was developed had preparation procedure of suspensions, pH, dry content and conductivity as well as measuring geometry and measuring sequence in mind. The method resulted in using a propeller mixer for sample preparation and the most suitable properties of the samples for comparison of different qualities of microfibrillated cellulose was evaluated to be pH 8 with a dry content of 2.0 wt% and a conductivity of 110 µS/cm. The rheology of the microfibrillated cellulose suspensions was examined by using a dynamic rotational rheometer and a splined bob and cup (C25G/PC25G). The complex viscosity from amplitude sweeps is used as the parameter to distinguish between different grades of 2 wt% microfibrillated cellulose suspensions. At 1.0 wt% the pH of the suspensions appeared to have a very small impact on the results from rheological measurements while an increased conductivity of the suspensions resulted in an increased complex viscosity. The dry content dependency appeared to be exponential in the range of 0.5 to 3.0 wt% and it was thus easier to distinguish between different grades of microfibrillated cellulose when the dry content is 2.0 wt% compared to 1.0 or 1.5 wt%.

År 2020 listade Världshälsoorganisationen (WHO) cancer som den globalt ledande dödsorsaken med över 10 miljoner dödsfall årligen. Av dessa 10 miljoner fall förekommer nästan 70% i låg- till medelinkomstländer - en siffra som på grund av den låga prioriteringen av cancerbehandling- och diagnostik förväntas öka till 85% redan år 2030. Att utveckla enkla, specifika och prisvärda verktyg för diagnostik kommer därför att bli avgörande för förebyggandet av cancer på en global nivå. För att komma ett steg närmare denna utveckling optimerades och testades i denna studie ett mikrofluidiskt system, utvecklat genom layer-bylayer- metoden, baserat på cellulosa nanofibriller med förmågan att isolera och fånga cirkulerande tumörceller. För att uppnå en termodynamisk jämvikt optimerades systemets hydrodynamiska parametrar optimerades för att uppnå en homogen fördelning med hög densitet av det cellulosa-baserade systemet i det mikrofluidiska chippet. Då jämvikt är grundläggande för att maximera det efterföljande beläggningen av antikroppar, och därmed hur effektivt celler isoleras, modifierades parametrar såsom koncentration, flödeshastighet, inkubationstid med fler tills att önskad effekt uppnåtts. Således koncepttestades systemet genom att fånga celler spetsade i blod och därmed demonstrera att systemet kan användas i syfte att isolera cancerceller från blodprov. Detta öppnar upp för utveckling av liknande diagnostiska verktyg som kan användas för att isolera lågfrekventa celler direkt från blod. / In 2020, the World Health Organization (WHO) listed cancer as the leading cause of death worldwide, reaching a staggering number of 10 million cancer-related deaths annually. Of these 10 million deaths, nearly 70% occurred in low- and middle-income countries; a number that is expected to increase to 85% by 2030 due to the lack of resources as well as low priority of the development of cancer treatment and diagnosis. Hence, the development of a sophisticated, specific and affordable diagnostic tool will be crucial for global cancer prevention and control. In this study, a cellulose nanofibril-based Layer-by-Layer system for immuno-capture of tumour cells in a microfluidic device was optimized and tested for the development of a simple and cost-effective diagnostic tool for use in resource-limited areas. In the pursuit of a thermodynamic equilibrium, the hydrodynamic parameters of the system were optimized to achieve a homogeneous distribution with a high surface density of the cellulose-based system across the microfluidic channels. Since an equilibrated system is essential to maximize the antibody coating, and thereby cell capture efficiency, parameters including but not limited to concentration, flow rate and incubation time were altered until a desired effect had been achieved. Thus, as proof-of-concept, the system was tested by capturing cancer cells spiked into whole blood, thereby demonstrating that the system can be utilized for the purpose of isolating cancer cells from blood samples. This paves the way for the development of similar clinical diagnostic tools for the isolation of rare cells directly from whole blood.

Plast- och kompositindustrin har växt i årtionden och den ständigt växande världen och ny teknik kräver ännu större mängder polymerkompositer för en mängd olika tillämpningar. Numera är de negativa miljöaspekterna av polymerproduktion och plastavfall kända, men trots detta är råoljafortfarande det primära råmaterialet för de flesta polymerer. Att hitta biobaserade material medtillräckliga egenskaper för att ersätta de fullt syntetiska materialen är avgörande för en hållbarutveckling. Detta examensarbete studerar både glasfiber och mikrokristallin cellulosaarmerade biooljebaserade polyamider, samt undersöker hur de kan kompatibiliseras, deras mekaniska egenskaper samt användbarheten för additiv tillverkning. Kompatibilisering är en viktig aspekt när två föreningar blandas för att göra en komposit. Enlämplig kompatibilisator kommer att förbättra vidhäftningen vid gränsytan mellan armeringsmaterialet och polymermatrisen och därmed öka de mekaniska egenskaperna hos materialet. Glasfiber / polyamid-kompositen kompatibiliserades med vinyltrimetoxisilan, medanmikrokristallin cellulosa / polyamid-kompositen kompatibiliserades med 4,4'-difenylmetandiiisocyanat. Båda kompositerna analyserades för att erhålla information om termiska, mekaniska och reologiska egenskaper. Yt- och sprickmorfologin undersöktes också. Resultaten indikerar att armeringen resulterade i förbättrade mekaniska egenskaper, även om den önskade kompatibiliseringen inte erhölls i experimentet. Det mest uppmuntrande resultatet var att den biobaserade cellulosaarmeringen förbättrade de mekaniska egenskaperna. Genom visuell undersökning fanns den helt biobaserade polymerkompositen vara mjukare än den glasfiberarmerade. Framtidsutsikterna visar att det finns vissa problem att ta itu med och övervinna för att dessa material ska göras lämpliga för additiv tillverkning. Nyckeln är att hitta en kompatibilisator som tålupprepad bearbetning vid höga temperaturer. För att upprätthålla enhetliga egenskaper krävskorrekt spridning av armeringsmaterialet, vilket uppnås genom att optimera tillverkningsmetoden. Dessutom är cellulosa benägen att termisk nedbrytning, så behandlingstemperaturerna för både armeringsmaterialet och polymermatrisen bör övervägas noggrant. / Plastics and composites have been a growing industry for decades, and the always growing worldand new technologies demand even greater amounts of polymeric composites for a variety ofapplications. Nowadays the negative environmental aspects of polymer production and plastic waste are known, but despite that crude oil is still the primary material for most polymers. Finding biobased materials with sufficient properties to replace the fully synthetic ones is crucial in sustainable development. This master’s thesis studies both glass fiber and microcrystalline cellulose reinforcedbio-oil based polyamide, how they could be compatibilized, the mechanical properties and applicability for additive manufacturing. Compatibilization is an important aspect when two compounds are mixed to make a composite. A proper compatibilizer will enhance the interfacial adhesion between the reinforcement and matrix, thus increasing the mechanical properties of the material. The glass fiber/polyamide11 composite was compatibilized with vinyltrimethoxysilane, and the microcrystalline cellulose/polyamide11 composite was compatibilized with 4,4'-diphenylmethane diisocyanate. Both composites were analyzed to obtain information about thermal, mechanical, and rheological properties. The surface and fracture morphology are examined, as well.The results indicate that reinforcing resulted to enhanced mechanical properties, even though the desired compatibilization was not acquired in the experiment. The most encouraging result was that the bio-based cellulose reinforcement enhanced mechanical properties, by visual examination thefully bio-based polymeric composite was found to be more ductile than the glass fiber reinforcedone. For future prospect, there are few issues to be addressed and overcome for these materials to bemade suitable for additive manufacturing. The key is finding a compatibilizer that can withstand high processing temperatures repeatedly. Maintaining uniform properties requires proper dispersion of reinforcement, which is achieved by optimizing the manufacturing method. In addition, cellulose is prone to thermal degradation, so the processing temperatures for both reinforcement and matrix should be considered carefully. / Muovit ja komposiitit ovat jo vuosikymmenien ajan ollut kasvava teollisuuden ala, ja alatikehittyvä maailma sekä uudenlainen teknologia vaatii entistä enemmän polymeerikomposiittejaerilaisiin käyttökohteisiin. Nykyään polymeerituotannon ja käytöstä poistuvien muovituotteidennegatiivisista ympäristövaikutuksista ollaan tietoisia. Tästä huolimatta raakaöljy on pääraaka-ainepolymeerien valmistuksessa. Ympäristövaikutusten minimoimiseksi olisi tärkeää löytääbiopohjaisia materiaaleja, jotka ominaisuuksiensa puolesta ovat riittäviä korvaamaan täysinsynteettisiä materiaaleja. Tässä työssä on tutkittu sekä lasikuidulla että mikrokiteisellä selluloosallavahvistetun bioöljypohjaisen polyamidin kompatibilisointia ja mekaanisia ominaisuuksia, sekäkyseisten komposiittien soveltuvuutta materiaalia lisääviin valmistusmenetelmiin.Kompatibilisaatio on tärkeää, kun yhdistetään kaksi eri komponenttia yhdeksikomposiittimateriaaliksi. Sen tarkoituksena on vahvistaa molekyylien rajapinnan adheesiotalujitteen ja sidemassan välillä, jolloin materiaalin mekaaniset ominaisuudet paranevat. Lasikuidullalujitettujen polyamidikomposiittien kompatibilisointiin käytettiin vinyylitrimetoksisilaanilla jamikrokiteisellä selluloosalla lujitettu polyamidikomposiitti kompatibilisoitiin 4,4'-difenyylimetaanidi-isosyanaatilla. Molempien komposiittien termiset, mekaaniset ja reologiset ominaisuudetarvioitiin. Lisäksi tutkittiin pinnan ja murtumakohdan morfologiaa.Tulokset osoittavat, että polymeerin lujittaminen parantaa mekaanisia ominaisuuksia, vaikkatavoiteltua kompatibilisaatioita materiaalien välillä ei tapahtunutkaan. Työn lupaavin tulos olibiopohjaisen mikrokiteisen selluloosan tuoma parannus materiaalin kestävyysominaisuuksille.Etenkin silmämääräisesti tarkastellessa täysin biopohjainen polymeerikomposiitti oli taipuisampaakuin lasikuidulla lujitettu komposiitti.Muutamaan asiaan tulee kiinnittää erityisesti huomiota, jos tämänkaltaisia materiaaleja halutaankäyttää materiaalia lisäävissä menetelmissä. Tärkeintä on löytää kompatibilisoija, joka kestääkorkeita lämpötiloja toistuvasti. Lujitteen tasainen dispersio on tärkeää, jotta saadaan aikaantasaista laatua ja ominaisuudet ovat samanlaiset koko materiaalissa. Tämä saavutetaanvalmistusmenetelmän optimoinnilla. Lisäksi tulee ottaa huomioon selluloosan taipumus termiseenhajoamiseen, jolloin sekä lujitteen että sidemassan prosessointilämpötilat tulisi ollasamansuuruiset.

Today, the focus lies on the state of the environment and how we can choose more sustainable alternatives to oil based materials. One material of interest is microfibrillated cellulose (MFC).The microfibril exhibits interesting properties, which one is its excellent barrier properties, that is expected to come in good use for the conversion to a more sustainable society. It is believed that the use of biobased barriers will increase with these new materials and MFC is showing promising results. But in order to develop the material to its full potential, it is important to investigate how MFC behaves in different situations, which can be examined with rheological measurements. The aim of the thesis is to examine how the rheological properties of suspensions containing MFC are affected by temperature and time storing and how the learning from this work can be used for influencing dispersion properties. Four samples were investigated, containing different amounts of MFC and modified waxy maize starch. The samples were analyzed with a dynamic rotational rheometer (Kinexus Pro +) with a splined cup and bob. The following steps were included in the method development used in this work: sample preparation, the repeatability, rest time and statistical analysis. An oscillatory shear and steady shear measurement was performed on the samples, and selected samples were studied with microscopy. The results show that the temperature has affected the samples. The shear viscosity of all samples decreased with increasing temperature and the samples followed the temperature dependence of Arrhenius' equation. For samples containing MFC, the structure was affected, and the initial viscosity was not recovered. The complex viscosity did also decrease at the beginning to then suggestively increase, creating a stronger network at higher temperatures. With the raised temperature the bonding between the fibrils became weaker, which in turn made the dispersion less viscous. Then, depending on the applied force, the shear viscosity and complex viscosity acted differently. To conclude, both the shear viscosity and the complex viscosity in these dispersions containing MFC are dependent on the temperature and time storing. By the learnings from this work, a method has been developed to understand how to use temperature and storing time to lower the shear viscosity and lower, or increase, the complex viscosity. / Idag ligger det ett stort fokus på miljöns tillstånd och hur vi kan välja mer hållbara alternativjämfört med oljebaserade material. Ett material av intresse är mikrofibrillerad cellulosa (MFC).Denna mikrofibrill besitter intressanta egenskaper, varav en är enastående barriäregenskaper,som förväntas komma till god användning i omställningen till ett mer hållbart samhälle. Det tros att biobaserade barriärer kommer att användas mer i dessa nya material och här visar MFC lovande resultat. Men för att kunna utveckla materialet till sin fulla potential är det viktigt att undersöka hur MFC beter sig i olika situationer, som kan undersökas genom reologiska mätningar. Syftet med arbetet är att undersöka hur de reologiska egenskaperna för suspensioner innehållande MFC påverkas av temperatur och lagringstid samt hur lärdomen från det här arbetet kan användas för att påverka dispersionsegenskaper. Fyra prover undersöktes,innehållande olika mängd MFC och modifierad majsstärkelse. Proverna analyserades med en dynamisk rotations reometer (Kinexus Pro +) med räfflad kopp och bob. Följande steg ingick i metodutvecklingen som användes i detta arbete: provberedning, repeterbarhet, vilotid och statistisk analys. En oscillerande skjuvning och jämn skjuvmätning utfördes på de olika proverna samt att utvalda prover studerades med mikroskopi. Resultatet visade att temperaturen hade påverkat proverna. Skjuvviskositeten för alla prover minskade med en ökande temperatur och proverna följde temperaturberoendet av Arrhenius ekvation. För prover innehållande MFC påverkades strukturen och startviskositeten återficks inte. Den komplexa viskositeten minskade också till en början för att sedan suggestivt öka, vilket skapade ett starkare nätverk vid högre temperaturer. Med en högre temperatur blev bindningarna mellan fibrillerna svagare, vilket bidrog att dispersionerna blev mindre viskösa. Beroende på den applicerade kraften, verkade skjuvviskositeten och den komplexa viskositeten olika. Slutsatsen var att både skjuvviskositeten och den komplexa viskositeten i dessa prover innehållande MFC beroende av temperaturen och lagringstid. Från lärdomen av arbetet har en metod tagits fram för att kunna använda temperatur och lagringstid för att sänka skjuvviskositeten och sänka, eller öka, den komplexa viskositeten.

It is in the nature of the human species to find solutions of complex technical problems and always strive for improvements. The development of new materials is not an exception. One of the many man-made materials is carbon fibre (CF). Its excellent mechanical properties and low density have made it attractive as the reinforcing agent in lightweight composites. However, the high price of CF originating from expensive production is currently limiting CF from wider utilisation, e.g. in the automotive sector.   The dominating raw material used in CF production is petroleum-based polyacrylonitrile (PAN). The usage of fossil-based precursors and the high price of CF explain the strong driving force of finding cheaper and renewable alternatives. Lignin and cellulose are renewable macromolecules available in high quantities. The high carbon content of lignin is an excellent property, while its structural heterogeneity yields in CF with poor mechanical properties. In contrast, cellulose has a beneficial molecular orientation, while its low carbon content gives a low processing yield and thus elevates processing costs.   This work shows that several challenges associated with CF processing of each macromolecule can be mastered by co-processing. Dry-jet wet spun precursor fibres (PFs) made of blends of softwood kraft lignin and kraft pulps were converted into CF. The corresponding CFs demonstrated significant improvement in processing yield with negligible loss in mechanical properties relative to cellulose-derived CFs. Unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp performed as good as more expensive retentate lignins and dissolving grade kraft pulp, which is beneficial from an economic point of view.   The stabilisation stage is considered the most time-consuming step in CF manufacturing. Here it was shown that the PFs could be oxidatively stabilised in less than 2 h or instantly carbonised without any fibre fusion, suggesting a time-efficient processing route. It was demonstrated that PF impregnation with ammonium dihydrogen phosphate significantly improves the yield but at the expense of mechanical properties.   A reduction in fibre diameter was beneficial for the mechanical properties of the CFs made from unfractionated softwood kraft lignin and paper grade kraft pulp. Short oxidative stabilisation (&lt;2 h) of thin PFs ultimately provided CFs with tensile modulus and strength of 76 GPa and 1070 MPa, respectively. Considering the high yield (39 wt%), short stabilisation time and promising mechanical properties, the concept of preparing CF from lignin:cellulose blends is a very promising route. / Det ligger i människans natur att hitta lösningar på komplexa tekniska problem, samt att alltid sträva efter förbättringar. Utvecklingen av nya material är inget undantag. Ett av flera material utvecklade av människan är kolfiber. Dess utmärkta mekaniska egenskaper samt låga densitet har gjort det attraktivt som förstärkningsmaterial i lättviktskompositer. Det höga priset på kolfiber, vilket härstammar ur en kostsam framställningsprocess, har förhindrat en mer utbredd användning i exempelvis bilindustrin.   Det dominerande råmaterialet för kolfiberframställning är petroleumbaserad polyacrylonitril (PAN). Användandet av fossila råvaror och det höga priset på kolfiber förklarar den starka drivkraften att hitta billigare och förnyelsebara alternativ. Lignin och cellulosa är förnyelsebara makromolekyler som finns tillgängliga i stora kvantiteter. Det höga kolinnehållet i lignin gör det mycket attraktivt som råvara för kolfiberframställning, men dess heterogena struktur ger en kolfiber med otillräckliga mekaniska egenskaper. Däremot har cellulosa en molekylär orientering som är önskvärd vid framställning av kolfiber, men dess låga kolinehåll ger ett lågt processutbyte som i sin tur bidrar till höga produktionskostnader.             Det här arbetet visar att många av de problem som uppstår med kolfiber från respektive råvara kan kringgås genom att utgå från blandningar av desamma. Prekursorfibrer från blandningar av kraftlignin och kraftmassa från barrved tillverkade med luftgapsspinning konverterades till kolfiber. Utbytet för kolfibrerna som framställdes var mycket högre än vid framställning från endast cellulosa. Ofraktionerat barrvedslignin och kraftmassa av papperskvalitet presterade lika bra som de dyrare retentatligninen och dissolvingmassan, vilket är fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv.   Stabilisering är det mest tidskrävande processteget i kolfibertillverkning. I det här arbetet visades det att prekursorfibrerna kunde stabiliseras på kortare än två timmar, eller direktkarboniseras utan någon sammansmältning av fibrerna. Detta indikerar att en tidseffektiv produktion kan vara möjligt. Impregnering av prekursorfibrerna med ammoniumdivätefosfat ökade utbytet avsevärt, men med lägre mekaniska egenskaper som bieffekt.           Kolfibrernas mekaniska egenskaper ökade vid en diameterreduktion. En kort oxidativ stabilisering under två timmar i kombination med tunna prekursorfibrer gav kolfiber med en elasticitetsmodul på 76 GPa och dragstyrka på 1070 MPa. Att göra kolfiber från blandningar av lignin och cellulosa är ett lovande koncept om det höga utbytet (39%), den korta stabiliseringstiden samt de lovande mekaniska egenskaperna tas i beaktande. / <p>QC 20190226</p>

<p>Converting wood into paper is a complex process involving many different stages, one of which is pulping. Pulping involves liberating the wood fibres from each other, which can be done either chemically or mechanically. This thesis focuses on the most common chemical pulping method, the kraft cooking process, and especially on a recently developed improvement of the impregnation phase, which is the first part of a kraft cook.</p><p>Extended impregnation kraft cooking (EIC) technique is demonstrated to be an improvement of the kraft pulping process and provides a way to utilize softwood to a higher degree, at higher pulp yield. We demonstrate that it is possible to produce softwood (<em>Picea abies</em>) kraft pulp using a new cooking technique, resulting in a pulp that can be defibrated without inline refining at as high lignin content as 8% on wood, measured as kappa numbers above 90. Lignin is the wood constituent that holds the wood fibres together in the wood matrix. The new cooking technique uses the differences in reaction rate between the diffusion and consumption of hydroxide ions; it is used to ensure a homogenous impregnation of wood chips at lower impregnation temperatures and longer impregnation times than are generally used in the industry. The applied cooking temperatures are also substantially lower than those used in conventional kraft pulping systems, promoting uniform delignification. This results in a narrower kappa number distribution than in lab-cooked conventional kraft pulp.</p><p>High-kappa-number pulps were investigated for pulp sheet properties such as tensile strength, tensile stiffness, and compression strength. It was demonstrated that an EIC pulp of kappa number 95 has strength properties comparable to those of a conventional pulp of kappa number 82. Comparing the effects of starch multilayers on conventional and EIC pulps reveals similar effects. The use of the starch multilayer treatment increased the tensile index and decreased the tensile stiffness and short-span compression test (SCT) indices.</p><p>The EIC technique has also been used to produce a series of bleachable-grade pulps. The results indicate the possibility of increasing the lignin content of the pulp entering the oxygen delignification stage, since the reject content of gently defibered pulp is lower than 0.1% at kappa number 49.</p><p>In this thesis, we recommend that wood chips be impregnated for 2 h at 110 °C to neutralize acidic compounds in the wood and impregnate the chips with cooking chemicals, and that the ensuing cook be performed at 135–140 °C, depending on the target kappa number. We also recommend increasing the available amounts of cooking chemicals in the impregnation stage by using a higher liquor-to-wood ratio and keeping the alkali profile fairly high in the ensuing cook. This concept will reduce the amount of reject material, increase the pulping uniformity, and increase the selectivity towards lignin degradation in the kraft cook.</p> / <p>Omvandling av ved till papper är en komplicerad process som består av många olika steg där ett är massaframställningen (eng. <em>pulping</em>). Massaframställning medför att vedfibrerna frigörs från varandra på kemisk eller mekanisk väg. Denna avhandling fokuserar på den vanligaste kemiska metoden, sulfatkokning och speciellt den nyligen utvecklade förbättringen av impregnerings fasen, som är den första delen av ett sulfatkok. <em></em></p><p>Här visas att<em> Extended Impregnation kraft Cooking </em>(EIC) innebär en förbättring av sulfatkokningen och ett sätt att uppnå högre vedutnyttjande vid högre utbyte för barrved. Vi visar att det är möjligt att producera barrvedsmassa med en ny kokningsprincip som resulterar i en massa som är defibrerbar utan inline-raffinering vid så högt lignin innehåll som 8% (på ved), mätt som kappatal över 90. Lignin är den vedkomponent som håller ihop vedfibrerna i vedmatrisen. Kokningsprincipen utnyttjar skillnaderna i reaktionshastighet mellan diffusion och konsumtion av hydroxidjoner och nyttjas till att skapa en homogen impregnering av vedflisen vid lägre impregneringstemperatur och under längre tid än vad som vanligen används i industrin. De använda koktemperaturerna är också betydligt lägre än vid konventionell sulfatkokning vilket gynnar jämn delignifiering. Detta resulterar i en smalare kappatalsfördelning jämfört med laboratoriekokade konventionella massor.</p><p>Massor med höga kappatal undersöktes med avseende på egenskaper hos handark, såsom dragstyrka, dragstyvhet och kompressionsstyrka Det visades att handark från EIC massa vid kappatal 95 hade jämförbara styrkeegenskaper med konventionell massa vid kappatal 82. Vid jämförelse av effekten av stärkelse multilager på konventionella och EIC massor avslöjar liknande effekter. Användningen av stärkelsemultilager ökade dragindex och minskade dragstyvhets- och kompressions index (SCT, short-compression test).</p><p>Kokprincipen har även använts för att ta fram en serie blekbara massor. Resultaten visar på möjligheten att öka lignininnehållet i massan in till i syrgasdelignifierings-steget eftersom spetinnehållet för milt defibrerad massa var lägre än 0,1% vid kappatal 49.</p><p>I den här avhandlingen rekommenderar vi att vedflis impregneras i 2 timmar vid 110 °C för att neutralisera sura komponenter i veden och impregnera flisen med kokkemikalier, samt att utföra det efterföljande koket vid 135–140 °C beroende på önskat kappatal. Vi rekommenderar även att öka den tillgängliga mängden kokkemikalier i impregneringssteget genom att använda högre vätske-ved förhållande och att hålla alkali profilen relativt hög i det efterföljande koket. Detta koncept reducerar spetmängden, ger jämnare kokning och ökar selektiviteten för nedbrytning av lignin i sulfatkoket.</p>