paperi

Mikrorobotilla paperikuitujen kimppuun

Ke, 02/08/2017 - 18:50 Toimitus

Konenäöstä on avuksi paperikuitujen automaattisessa käsittelyssä. Mikrorobotiikkalaitteiston avulla voidaan nopeuttaa haastavien kuitutason mittausten tekoa ja lisätä niiden toistettavuutta. Näin kertoo tuore väitöstutkimus.

Paperiteollisuutta on nimitetty auringonlaskun alaksi jo kauan, mutta edelleen viime vuonna paperi ja kartonki kattoivat 13,7 % Suomen viennistä ja olivat tuoteryhmien kiistaton ykkönen.

Paperin ominaisuuksien tutkimukseen kannattaa siis edelleen panostaa. Yksi tällainen tutkimus on nyt perjantaina tarkastettava, Tampereen teknillisen yliopiston biolääketieteen tekniikan tiedekunnassa tutkijana työskentelevän Juha Hirvosen väitöskirja Computer Vision Measurements for Automated Microrobotic Paper Fiber Studies.

Se tarjoaa kiinnostavan, uuden näkökulman paperimassaan ja sen tekemiseen.

Paperi koostuu toisiinsa sitoutuneista paperikuiduista. Yksittäisten kuitujen ja niiden muodostamien sidosten perusominaisuudet, kuten taipuisuus ja vetolujuus, määrittävät suuren osan valmiin paperin ominaisuuksista.

"Kuitutason mittausten tekeminen on kuitenkin hidasta ja haastavaa, sillä se edellyttää mikroskooppisten kuitujen käsittelyä ja kiinnittämistä mittalaitteistoon", kertoo Hirvonen.

Paperikuitututkimuksen avuksi tulee mikrorobotiikka. Mikrorobotiikka tarkoittaa pienen mittakaavan robotiikkaa, jossa toimilaitteet kykenevät käsittelemään kokoluokaltaan alle millimetrin osia. Sillä on lukuisia sovelluksia pienikokoisten laitteiden kokoonpanossa, nanomateriaalien käsittelyssä ja solututkimuksessa.

Nyt TTY:n mikro- ja nanosysteemitekniikan tutkimusryhmä, johon Hirvonen kuuluu, on osoittanut mikrorobotiikan käyttökelpoisuuden myös paperikuitututkimuksessa.

Tyypilliseen mikrorobotiikkajärjestelmään kuuluu osien käsittelyyn suunnattuja laitteita, kuten motorisoituja pinsettejä muistuttavia tarraimia, sekä motorisoitu näytetaso, jolla osat tuodaan toimilaitteiden toiminta-alueelle.

Lisäksi on yksi tai useampi mikroskooppiin liitetty kamera, joka välittää videokuvaa toimenpiteestä.

"Ryhmän kehittämän laitteiston avulla on pystytty mittaamaan yksittäisten kuitujen taipuisuutta sekä yksittäisten kuitusidosten sidoslujuutta. Mittausten tekeminen on tosin edelleen haastavaa, ja yksittäiset kokeet vievät kokeneeltakin käyttäjältä useita tunteja."

Laitteiston automatisointi onkin osoittautunut välttämättömäksi. Pieniin teollisesti valmistettuihin osiin verrattuna luonnonkuidut ovat kuitenkin hankalia käsitellä. Siinä missä teollisesti valmistettujen osien muoto ja mitat ovat työskentelyn avuksi tiedossa etukäteen, luonnonkuitujen muoto ja mitat vaihtelevat suuresti ja ennalta arvaamattomasti.  

Hirvosen kehittämien konenäkömenetelmien avulla voidaan selvittää automaattisesti kuitujen 2D- tai 3D-geometria ja laskea niistä sopivat tarraamiskohdat.

"Menetelmien avulla voitiin käsitellä automaattisesti yksittäisiä paperikuituja sekä rikottiin ensimmäisenä maailmassa automaattisesti kahden paperikuidun muodostamia sidoksia."

Juttu on Tampereen teknillisen yliopiston tiedote hieman editoituna.

Kemiallinen joulukalenteri 21/24: Paperinen joulu

Ke, 12/21/2016 - 09:15 Jarmo Korteniemi
Kuva: Sheila Sund / Flickr

Paperi on varsin arkinen asia, mutta yhtä kaikki varsin tärkeä osa joulua. Lahjat paketoidaan joulupaperiin ja pöytiin katetaan joulukuvioisia servettejä. Paperimassapallerot ja paperiset lumihiutaleet hoitavat koristeiden virkaa. Postissa kulkee eessuntaas paperisia kirjeitä, kartonkikortteja ja pahvilaatikoita.

Sana "paperi" juontaa juurensa toisesta läheisestä kirjoitusmateriaalista, papyruksesta. Kaislakuituihin perustuvaa haurasta materiaa käytettiin Egyptin alueella jo noin 5000 vuotta sitten. Varsinainen paperin valmistus kehitettiin Kiinassa ajanlaskumme alun jälkeen ja levisi sieltä hitaasti arabimaihin ja edeellen Afrikan kautta Eurooppaankin.




Juttu jatkuu mainoksen jälkeen


Paperimassan valmistus on periaatteessa hyvin yksinkertaista. Paperin pääosa tulee lähinnä puukuiduista (vaikka mm. olki-, puuvilla- ja hamppupapereitakin on tarjolla). Kuoritut puunrungot pienitään hakkeeksi, josta tehdään paperin pohjamassaa. Se hoituu joko kemiallisesti tekemällä sellua (esim. keittämällä haketta vaikkapa valkolipeässä) tai mekaanisesti jauhamalla puun hiokkeeksi tai vielä lujemmaksi hierteeksi.

Sellua tehtäessä puusta liukenee pois monia aineita (pääosin ligniiniä), mutta mekaanisissa massanvalmistustavoissa puutavaraa ei juuri häviä, sen muoto vain muuttuu. Perusmassaan lisätään lopuksi paljon vettä, minkä jälkeen mönjä on helpommin levitettävissä prässiin. Veden poiston (puristelun ja kuivatuksen) jälkeen paperi onkin sitten jo periaateessa valmista käytettäväksi.

Kasvikuitujen lisäksi papereihin sekoitetaan eri vaiheissa mm. liima-aineita, pinnotteita, sekä monenlaisia mineraaleja (esim. liitua tai kaoliinia). "Kivisimmissä" paperilaaduissa mineraalipitoisuus voi nousta kymmeniin prosentteihin. Sellaisten polttamisessa syntyy tuhkaa paljon normaalipaperia enemmän.

Lisätyillä aineilla paperin pinnasta tehdään juuri oikean värinen ja kiiltoinen, ja massasta saadaan vähemmän painomusteita imevä. Mineraaleilla myös pidennetään paperin elinkaarta.

Erilaisia paperituotteita on kymmeniä jos ei satoja. Leivinpaperia esimerkiksi saadaan aikaan liottamalla massaa rikkihapossa tai sinkkikloridissa, jolloin aine osaksi sulaa ja hyytelöityy, ja pinnasta tulee erittäin tiheä, lämmönkestävä ja tarttumaton. Kartonki taas on paksua ja jäykkää paperia (yli 125 g/m2), joka koostuu useimmiten kerroksista monia erilaisia paperilaatuja. Sitä käytetään pakkaamiseen ja kestäviin painotuotteisiin. Pahvissa taas on useita kerroksia erilaisia kartonkeja, ja on siksi painavampaa (yli 250 g/m2).

Paperi on hyvin kierrätettävissä. Suomessa uudelleenkäyttö on pyörinyt jo 1920-luvulta asti. Nykyisin jopa 75 % kierrätettävästä paperista päätyy toiselle kierrokselle. Keräyspaperia kertyy vuodessa noin 750 000 tonnia, eli noin 5 % paperiteollisuuden kokonaiskuidun tarpeesta. Kierrätysmateriaaleista tehdään lähinnä sanomalehti- ja talous/wc-papereita.

Kuva: JodiMichelle / Flickr
Kuva: Lee Ruk / Flickr

Joulun aikaan kannattaa muistaa, että kauniit lahjapaperit eivät sovi kierrätykseen. Niissä mustemäärät ovat aivan liian suuria kierrätysprosessissa poistettavaksi, etenkin kun jouluna samaa tavaraa tulisi melkein joka kodista. Jotkut paperit ovat myös käytännössä alumiinisia. Paketoinnissa kannattaakin suosia innovatiivisesti omaperäisiä ja kierrätyskelpoisia ratkaisuja.

Sama juttu on myös ruskeiden paperikassien, kartongin sekä pahvien kanssa: ne eivät ole kierrätettävissä normipaperin joukossa. Tämä johtuu ensisijaisesti kuidun väristä: Jos pahvinsekaisesta uusiopaperista tehtäisiin vaikkapa sanomalehtiä, ruskeat läikät haittaisivat pahasti lukukokemusta.

Kartonkien yhteenlintatuista erilaisista paperilaaduista jotkut voivat myös olla sopimattomia kierrätysprosessin kanssa.

Jos talossa ei satu löytymään omaa paperin ja kartongin kierrätysmahdollisuutta, yleiset kierrätyspisteet löytyvät kätevästi karttapalvelusta.

Alla on vielä Stora Enson tuottama video siitä, miten pakkauskartonki syntyy.

Otsikkokuva: Sheila Sund / Flickr
Muut kuvat: Lee Ruk / JayneAndD / JodiMichelle / Flickr