Abstract Fouling in papermaking causes major economic drawbacks due to downtime of process and paper quality defects. The surface fouling is a complex phenomenon in a paper making process, which is affected by several interconnected factors such as process environment changes from wet to dry with increasing temperature along with the variety of sticky materials present in paper raw materials. These impurities, such as waxes, coating binders, hot melts and pressure-sensitive adhesives have a tendency to attach to the surfaces of machinery during paper production and cause surface fouling. The focus of this thesis was on the mechanisms of sticking and surface fouling on a paper machine surfaces caused by problematic sticky organic materials. The sticking potential of six styrene–butadiene latices varying in carboxylation degree, crosslinking density and viscoelasticity and one polyacrylate pressure sensitive adhesive were studied using a cylindrical probe tack method under dry and aqueous conditions. Sticking potential was measured using low and high energy surfaces as an adherent. Also a new practical method for the on-site evaluation of nonstick properties of cylinder coating materials was developed. This method enables monitoring the condition of the coating during its life cycle and also provides the opportunity to compare the performance of different drying cylinder coating materials. The research performed clearly showed that low viscoelastic modulus of latex increases sticking tendency. The results also showed that presence of water can either increase or decrease adhesion depending on the moisture content ant the physic-chemical properties of sticky materials. A low surface energy coating strongly decreases sticking compared to a high energy surface and have a lower susceptibility to fouling in the dry environment. In aqueous conditions, the use of high-energy surfaces decreases adhesion of latices due to their strong interaction with water. Also, the results indicated that carboxylation decreases sticking potential of latex in both dry and aqueous environments. / Tiivistelmä Paperikoneiden likaantuminen aiheuttaa suuria tuotannollisia menetyksiä johtuen tuotantoprosessin katkoksista ja paperin laadun ongelmista. Paperikoneen pintojen likaantuminen on monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet toisistaan riippuvat tekijät ja siten likaantumisilmiötä on vaikea hallita. Paperin raaka-aineet voivat sisältää epäpuhtauksia, kuten vahoja, kuumasulate- ja tarraliimoja, jotka tarttuvat paperikoneen pintoihin aiheuttaen niiden likaantumista. Lisäksi paperin prosessiympäristö muuttuu märästä kuivaan valmistusprosessin edetessä ja lämpötilan kasvaa samanaikaisesti. Tässä väitöskirjassa on kuvattu paperikoneen pintojen likaantumisen mekanismeja ja erityisesti orgaanisten lika-aineiden tarttumista. Tutkimuksessa selvitettiin probe tack -menetelmää käyttäen kuuden erilaisen styreeni-butadieenilateksin ja polyakrylaattitarraliiman tarttuvuutta matalan ja korkean pintaenergian pinnoilla sekä kuivissa että märissä olosuhteissa. Työhön oli valittu latekseja, joiden karboksylointiaste, ristisilloitustiheys ja viskoelastiset ominaisuuden olivat erilaisia. Lisäksi väitöskirjatyössä kehitettiin paikan päällä suoritettava mittausmenetelmä paperikoneen kuivaussylinterien pinnoitteen puhtaana pysyvyyden määrittämiseksi. Tällä menetelmällä voidaan mitata pinnoitteiden kuntoa niiden elinkaaren aikana ja myös vertailla erilaisia pinnoitteita keskenään. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että styreeni-butadieenilateksien matala kimmokerroin lisää niiden tarttumista paperikoneen pinnoille. Veden läsnäolo voi joko lisätä tai vähentää tarttumista riippuen veden määrästä ja lika-aineiden fysiokemiallisista ominaisuuksista. Myös paperikoneen pinnoitteen pintaenergia vaikuttaa tarttuvuuteen. Paperikoneen pinnoitteiden pieni pinta-energia vähentää tarttumista kuivissa olosuhteissa, kun taas korkean pintaenergian pinnoitteet vähentävät lateksien tarttuvuutta vesiolosuhteissa. Lisäksi lateksien karboksylointi vähentää niiden tarttumista sekä kuivissa että märissä olosuhteissa.

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Mustaque A. Hossain / Tack coat is a thin layer of asphaltic material used to bind a newly-placed lift of hot-mix asphalt (HMA) pavement to a previously-placed lift or a new HMA overlay/inlay and existing pavement. The purpose of a tack coat is to ensure that a proper bond occurs so that traffic loads are carried by the entire HMA structure. Proper bonding exists when HMA layers act as a monolithic structure, transferring loads from one layer to the next. This depends on appropriate selection of tack coat material type and application rate, and is essential to prevent slippage failure and premature cracking in the wearing surface. This study focuses on development of a three-dimensional finite element (FE) model of HMA pavement structure in order to assess HMA interface bonding. The FE model was constructed using commercially available ABAQUS software to simulate an Accelerated Pavement Testing (APT) experiment conducted at the Civil Infrastructure Systems Laboratory (CISL) at Kansas State University. Mechanistic responses measured in the CISL experiment, such as localized longitudinal strain at the interface, were used to calibrate the FE model. Once calibrated, the model was used to predict mechanistic responses of the pavement structure by varying the tack coat property to reflect material characteristics of each application. The FE models successfully predicted longitudinal strains that corresponded to APT results.

The IKEA customers are looking for new solutions to mount products in their homes and IKEA has embraced the request for this type of applications in bathroom environments as it is of the largest challenges for the customer. Double sided tape has been identified as a possible solution, hence why this project was put together. The research aims to give the reader a deeper understanding regarding double sided tape and the influences of external variables such as material, substrate and surface tension to mention a few. Extensive tests have been carried out where samples from double sided tape suppliers are examined. The test that was developed and carried out in this project aimed to include some of IKEA´s most commonly used materials together with common substrates in bathroom environments. The test data was compiled and the outcome was used to give recommendations to IKEA regarding future product development when using double sided tape and also recommend suitable tape suppliers for continued cooperation.

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Nous avons étudié les mécanismes qui sont à la base des phénomènes d'adhérence et d'autohésion des élastomères non réticulés.<br />Nous avons déterminé les mécanismes de formation et de rupture d'interfaces entre deux polymères identiques de masse moléculaire et microstructure contrôlées. Nous avons ainsi développé une méthode de mesure de l'adhérence adaptée aux polymères fondus.<br />En utilisant cette méthode, nous avons comparé les mesures d'adhérence entre polymères immiscibles à l'équilibre thermodynamique et l'épaisseur de l'interface caractérisée par réflectivité des neutrons. Nous avons montré clairement que le paramètre de Flory pilote le degré d'adhérence entre deux polymères fondus immiscibles.<br />Cette corrélation entre interdiffusion et adhésion nous a finalement permis d'étudier la cinétique de diffusion mutuelle de ces polymères à partir des cinétiques de montée en adhésion et de prouver expérimentalement que cette cinétique est fortement ralentie par l'immiscibilité des polymères.

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Los adhesivos de poliuretano se han empezado a usar en medicina. Además, en la actualidad debido al desarrollo de la química verde se busca la obtención de polímeros biodegradables, y hasta donde sabemos no existen precedentes del desarrollo de adhesivos de poliuretano biodegradables. Desde el desarrollo del primer poliuretano hasta nuestros días la mayoría de los polioles y extendedores de cadena utilizados para la obtención de poliuretanos derivan de subproductos del petróleo. Una alternativa a la utilización de subproductos del petróleo, una materia prima no renovable, son los derivados naturales, tales como la colofonia (componente principal de la resina de los pinos) y de aceites vegetales, ya que son abundantes y de origen natural, los cuales además podrían proporcionar biodegradabilidad a los adhesivos de poliuretano, obteniéndose poliuretanos ecológicos. Este trabajo se centra en la síntesis y caracterización de nuevos adhesivos de poliuretano obtenidos empleando un diol de un aceite natural (el aceite de tung) y colofonia, así como el estudio de su degradación térmica y en medios biológicos. La incorporación de colofonia como extendedor de cadena en la síntesis de adhesivos de poliuretano le afecta tanto a las propiedades de los poliuretanos termoplásticos como a los adhesivos de poliuretano. Debido a la existencia de un ácido carboxílico en la estructura de la colofonia, la reacción con los grupos isocianato finales del prepolímero de uretano es factible, produciéndose el anclaje de las moléculas de colofonia en el extendedor de cadena en el extremo de las cadenas del poliuretano, proporcionando hot tack a los adhesivos de poliuretano. La incorporación de solamente colofonia como extendedor de cadena produce la aparición de cristalización fría en el poliuretano. La estabilidad térmica de los poliuretanos disminuye al adicionar colofonia en el extendedor de cadena, disminuyendo la cantidad de segmentos blandos, generando la aparición de nuevos segmentos duros uretano-amida. Se produce una mayor separación de fases entre los segmentos duros y blandos. Además, la adición de colofonia disminuye la cristalinidad de los poliuretanos, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el extendedor de cadena. La adición de colofonia produce un aumento de la pegajosidad, particularmente a temperaturas inferiores a 60ºC. Sin embargo, las fuerzas de pelado en T de uniones serraje/adhesivo de poliuretano/serraje son bajas debido al descenso de la cristalinidad y aumento del contenido de segmentos duros uretano-amida en los poliuretanos. Sin embargo, las fuerzas de cizalla de uniones aluminio/adhesivo de poliuretano/aluminio son altas. La degradación térmica produce una disminución del módulo elástico en los poliuretanos con colofonia en el extendedor de cadena, ya que su estructura segmentada cambia produciéndose la degradación preferiblemente en los segmentos duros. Las propiedades adhesivas también disminuyen tras la degradación térmica cuando los poliuretanos contienen colofonia en el extendedor de cadena. Por otra parte, la degradación de los poliuretanos en medios biológicos produce también un cambio en la estructura de los poliuretanos disminuyendo su estabilidad térmica, aunque es menos pronunciado que el producido por la degradación térmica. La adición de diol de aceite de tung en el poliol imparte cristalización fría y disminuye la cristalinidad de los poliuretanos, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el poliol. Además, la estabilidad térmica de los poliuretanos disminuye al adicionar diol de aceite de tung en el poliol y cambia la estructura segmentada de los poliuretanos, favoreciendo la formación de nuevos segmentos duros, de manera que dominan las propiedades elásticas en todo el rango de temperaturas estudiado. Por otra parte, la pegajosidad de los poliuretanos disminuye al adicionar diol de aceite de tung en el poliol, las fuerzas de pelado en T son bajas y las fuerzas de cizalla son altas, disminuyendo gradualmente al incrementar el contenido de diol de aceite de tung en el poliol. La adición de diol de aceite de tung en el extendedor de cadena disminuye la estabilidad térmica de los poliuretanos debido a que disminuye la cantidad de segmentos blandos en los poliuretanos y se crean nuevos segmentos duros. Por otra parte, la temperatura y entalpía de fusión de los poliuretanos disminuyen al adicionar diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, tanto más cuanto mayor es su cantidad en el extendedor de cadena. Además, la cristalinidad de los poliuretanos disminuye y el módulo elástico aumenta al adicionar diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, tanto más cuanto mayor es su cantidad, debido a la creación de una estructura menos reticulada, produciéndose una mayor separación de fases, lo que da lugar a una disminución de la temperatura de transición vítrea. Por último, la pegajosidad de los poliuretanos disminuye drásticamente con la adición de diol de aceite de tung en el extendedor de cadena, y las fuerzas de pelado en T y de cizalla aumentan. La adición de diol de aceite de tung como parte del extendedor de cadena facilita la degradación térmica de los poliuretanos de forma más efectiva que al introducirlo como parte del poliol. Además, la degradación térmica cambia la estructura segmentada de los poliuretanos obtenidos con diol de aceite de tung de forma diferente dependiendo de si se incorpora como parte del poliol o como parte del extendedor de cadena durante la síntesis de los poliuretanos. La degradación térmica de los poliuretanos se produce preferentemente en los segmentos duros y las propiedades adhesivas disminuyen drásticamente tras la degradación térmica. / Este trabajo de tesis doctoral se enmarca en el proyecto europeo del séptimo programa Marco Disc Regeneration No. NMP3-LA-2008-213904, así como los proyectos MAT2010-19904 del Ministerio de Economía y Competitividad y ACOMP/2011/254 de la Generalidad Valenciana.

Los adhesivos hot melts sensibles a la presión (HMPSAs) se caracterizan por no contener disolventes (100 % sólidos), y su formulación consta principalmente de polímero y resina. La cualidad más relevante de un adhesivo HMPSA es que posee la capacidad de formar enlaces a temperatura ambiente al aplicar una ligera presión durante un corto tiempo, presentando pegajosidad permanente y permitiendo realizar uniones adhesivas reposicionables y reversibles. En lo que respecta a aplicaciones que requieren temperaturas de uso inferiores a la ambiental, los adhesivos HMPSAs se emplean en etiquetas de envasado de productos alimenticios que se conservan en frigorífico (5-10 ºC). Los adhesivos HMPSAs actuales de caucho sintético SBS (estireno-butadieno-estireno) contienen aceites que, debido a su bajo peso molecular, pueden migrar a la superficie y transferirse al alimento, lo que limita su uso. Para solventar esta limitación, en la actualidad se propone el empleo de adhesivos sensibles a la presión (PSAs) acrílicos, los cuales presentan un buen comportamiento a baja temperatura, pero poseen limitada pegajosidad y contienen pequeñas cantidades de disolventes orgánicos. Por ello, se precisa el desarrollo de nuevas formulaciones de adhesivos HMPSAs que superen estas limitaciones, siendo las basadas en copolímeros de etileno las que constituyen una potencial y prometedora alternativa. En este trabajo se propone desarrollar nuevas formulaciones de adhesivos sensibles a la presión basados en copolímeros de etileno basados en mezclas de copolímero de etileno y acrilato de n-butilo (EBA27). La adición de diferentes cantidades (20-62% en peso) de una resina de éster de colofonia y glicerol hidrogenado (ECH) proporciona propiedades adhesivas optimizadas, ya que se obtienen buenos valores de tack (tack se mantiene hasta 5 ºC, y el tack a 25 ºC es 1329 kPa), buena adhesión de pelado a 180º tanto a film de PET como de PP (600-1700 N/m), buena adhesión a cizalla simple (2-3.2 MPa). y buena resistencia al creep a 25 ºC (más de tres días). Se establece 43% en peso de resina como cantidad óptima y se preparan mezclas de EBA27 con 43 % en peso de resinas de diferente naturaleza química y temperatura de reblandecimiento, concluyendo que las resinas más polares y con menor temperatura de reblandecimiento incrementan el tack, y lo extienden a temperaturas más bajas (5 ºC). Se estudia el efecto de aumentar el contenido de co-monómero en las formulaciones de HMPSAs, lo que conlleva que el tack aparezca a menores temperaturas y que el máximo de tack se desplace a menores temperaturas. Adicionalmente, se realizan mezclas de copolímeros de etileno con co-monómeros de diferente naturaleza química (EBA27 - copolímero de etileno y 27 % en peso de acrilato de n-butilo; EVA27 (copolímero de etileno y 27 % en peso de acetato de vinilo) con 20, 30 y 43 % en peso de resina de éster de colofonia y glicerol hidrogenado (resina ECH). Las mezclas EVA27+resina ECH son más compatibles y presentan mayor tack, pero menores fuerzas de pelado a 180º y de cizalla que las mezclas EBA27+resina ECH. Por otro lado, también se ha sustituido la resina en los adhesivos HMPSA por un biopolímero (polihidroxibutirato), para dotarlos de potencial biodegradabilidad. En este trabajo se han desarrollado nuevos adhesivos HMPSA basados en copolíemros de etileno con propiedades adhesivas controladas y tack a temperatura sub-ambiental.

The aim of the project was to investigate a green and sustainable replacement for boric acid in polyvinyl alcohol (PVA) adhesives for solid paperboard production. Boric acid acts as a cross-linker and tackifier in the adhesive but is classified as a harmful substance. Microfibrillated cellulose (MFC) was therefore investigated as a possible replacement for boric acid since it is produced from renewable and sustainable resources. In addition, it has hydroxyl groups available for interaction with the PVA, can be used to modulate the viscosity and can function under a variety of pH-values.  For the industrial process, there are three basic characteristics which must be met by the newly developed adhesive, which have to be the same as for the boric acid-containing reference. These three are the viscosity, the pH-value, and the dry content. Furthermore, it is important that the initial wet tack and the final adhesive strength are at least as high as the reference’s.  In this context, eight types of samples were investigated in total. Two were references, one prepared on industrial and the second on a laboratory scale according to a current industrial recipe. In the other six samples, the boric acid from the recipe was replaced by three different weight percentages of MFC of two different industrial grades. Both the dry content and the pH-value were not noticeably influenced by the addition of MFC. The viscosity however increased drastically with the increasing amount of MFC. The addition of MFC was enough to reach the three basic characteristics. In addition it was observed positive effects on a couple of other parameters that is beneficial for the glue.   A test method for evaluating the initial wet tack of the adhesive was developed. It was shown, that the tack of the adhesive containing MFC is 40 % lower than the one of the reference material. Therefore, five additives were tested in the formulation, in combination with MFC. The most promising result led to a comparable initial tack and final strength as the reference.