Fibre Science and Communication NetworkAnnual Report 2015

Annual Report 2015

 

Annual Report 2015

Faculty of Science Technology and Media Fibre Science and Communication Network Mid Sweden University Sundsvall 2016-03-31    

ii  

 

 

FSCN Annual Report 2015

© Diarienummer MIUN 2016/536, 2016-03-31 Printed by Mid Sweden University, Sundsvall ISBN: 978-91-88025-65-4 Faculty of Science, Technology and Media Mid Sweden University, 851 70 Sundsvall Phone: +46 (0)10 142 80 00 Report series 1650-5387

4  

Table of contents 1 Introduction ................................................................................................. 5 

2 Research funding ........................................................................................ 7 

3 Doctoral and Licentiate Degrees ............................................................... 8 

4 FSCN in numbers ........................................................................................ 9 New employees .............................................................................................. 10 The career program 2015-2017 ..................................................................... 10 Business Innovation Seminars ....................................................................... 10 

5 Transformative Technologies .................................................................. 12 Research for growth and renewal .................................................................. 12 The Vision Transforming the Industrial Ecosystem ........................................ 12 

6 Research Groups ...................................................................................... 14 

7 Research projects ..................................................................................... 16 

8 Guests and visitors ................................................................................... 18 

9 FORIC – Competence development for regional renewal ..................... 24 

10 Conferences ............................................................................................ 26 9th International Fundamental Mechanical Pulp Research Seminar .............. 26 Science Innovation Day 2015 ........................................................................ 26 

11 Awards ..................................................................................................... 27 Medal of merit for Myat Htun .......................................................................... 27 

12 Energy efficient mechanical pulping initiative (e2mp-i) ...................... 28 Summary ........................................................................................................ 28 Sub-projects in e2mp-i ................................................................................... 29 Project leaders in e2mp-i ............................................................................... 30 Short summary of results in Swedish ............................................................. 31 

13 Accomplished PhD Degrees .................................................................. 33 

14 A selection of researchers in FSCN ...................................................... 44  

5  

1 . Introduction The  strongest  research  area  of  FSCN  has  traditionally  been  high‐yield pulping and especially energy‐efficient mechanical pulping, or e2mp. We are now starting to harvest the fruits of that research. The final report of a large  initiative  funded  by  Swedish  paper  industry  and  Energy Agency shows results of all the projects run by companies, Mid Sweden University, Luleå  University  of  Technology,  Swedish  Agricultural  University, Chalmers, PFI and Innventia. While the industrial collaboration on energy savings  continues,  we  also  study  increasingly  the  manufacture  of packaging materials and nanocellulose in industrial scale. The evolution of e2mp is an example how we work for the renewal of forest industry and the creation of new Bioeconomy. FSCN is part of the efforts of Mid Sweden University to support the vision of the Transformation of the  Industrial  Ecosystem.  Together with  another  research  centre  STC  – Sensible Things that Communicate we form MIUN´s research environment of Transformative Technologies. The new name was launched last year.  The opportunities created by the joint research environment of FSCN and STC are most clear in the area of KM2 ‐ Large Functional Surfaces where we  together  develop  the  harvesting  and  storage  of  electrical  energy  in vehicle, industrial processes etc. FSCN leads the research and development of materials  and  STC  of  devices.  Last  year we  built  two  large  project applications that strengthen the network of companies. The  industrial graduate school FORIC and the projects supporting  it are another  area  of  STC‐FSCN  collaboration.  The  focus  is  on  the  process development  and  business  models  of  companies  in  the  region.  The graduate school started a year ago with 13 students. Over 20 companies are now interested in enrolling their employees in the second intake that would start 2017 if funding is granted. The projects in and around the graduate school  study  the  utilisation  of  various  side‐streams  of  papermaking. Another important part is environmental technologies and monitoring. Economically last year was a little challenging. A lot of our collaboration with  the  region  has  earlier  been  funded  by  the  European  Regional Development  Fund,  but  last  year  the  program  did  not  allocate  any resources  to  research. We  are  optimistic  that  some  applications will  be approved  in  2016.  Nevertheless,  the  deficit  of  2015  will  burden  our economy for several years forward.  

6  

On the positive side, last quarter of 2015 both VR and FORMAS granted us new  research  projects  on  cellulosic materials.  In  that  area we  are  also member in an active European consortium that should be able to win more funding from Horizon 2020. The first academic results on environmentally‐friendly cellulose plastisation and dissolution are exciting, as are also the industrial  possibilities.  Through  BioInnovation  we  have  entered  new networks to explore such applications. Finally I want to recommend the Business Innovation seminars that FSCN, STC, BioBusiness Arena and Fiber Optic Valley arrange together. We invite industry leaders to discuss the development and future of their businesses. The  video  broadcasts  are  becoming  really  popular  and  can  be  seen  at www.miun.se/seminars also afterwards.   

 Kaarlo Niskanen, Research Director FSCN 

 

7  

2. Research funding   

 

 

 

  

  

 

 

 

 

  

 

 

Bo Rydin Stiftelse 

Kempestiftelserna 

Stiftelsen Åforsk 

Stiftelsen Nils och Dorthi 

Troëdssons forskningsfond     

8  

3. Doctoral and Licentiate Degrees

x Ljunggren, Joel; ʺBiochemical Interactions of some Saproxylic Fungiʺ, Mid Sweden University, Licentiate Thesis ISSN 1652‐8948;116, ISBN: 978‐91‐88025‐12‐8 (2015) 

x Johansson, Niklas; ʺMeasuring and modelling light scattering in paperʺ, Mid Sweden University, Doctoral Thesis, ISSN 1652‐893X, ISBN 978‐91‐88025‐27‐2 (2015) 

x Olofsson, Madelen; ʺOn the Investigation of Chemical Parameters Reflecting Microbial Activity Linked to Nutrient Availability in Forest Soilʺ, Mid Sweden University, Doctoral Thesis, 230, ISSN 1652‐893X, ISBN 978‐91‐88025‐40‐1 (2015) 

x Persson, Johan; ʺOn dynamic crack growth in discontinous materialsʺ, Mid Sweden University, Doctoral Thesis, ISSN 1652‐893X, ISBN 978‐91‐88025‐26‐5 (2015) 

x Reyier‐Österling, Sofia; ʺDistribution of Fiber Characteristics as a Tool to Evaluate Mechanical Pulpsʺ, Mid Sweden University, Doctoral Thesis ISBN 978‐91‐86694‐66‐1 (2015) 

x Öhmark, Sara: “Winter browsing by moose and hares in subarctic Birch forest: Scale, dependency and responses to food addition”, Mid Sweden University, Doctoral Thesis, ISSN:1652‐893X;229, ISBN: 978‐91‐88025‐38‐8 (2015)  

 Photo: Reception after the Defence of a Doctoral Thesis in  

Engineering Physics with Johan Persson in June 2015. 

9  

4. FSCN in numbers  

  

 

 

10  

New employees x Lina Wiklund, is new PhD Student in the Eco Chemistry group 

with prof. Erik Hedenström as supervisor. x Dr. Zhe Zhang, from Guilin University of Technology in China, 

joined  the  Bioenergy  group  with Wennan  Zhang  as  group manager in 2015. Zhe Zhang is associate professor in physical chemistry  and  she  is working with  research  on  corrosion  in municipal  solid  waste  combustion/gasification  in  close cooperation with the company Sundsvall Energi.

x Dr. Diogo Volpati  is a new  researcher  in  the  research group Materials Physics with prof. Håkan Olin as group manager.

x Dr.  Shakhawath  Hossain  is  new  researcher  in the  research group Complex Materials with  prof.  Tetsu Uesaka  as  group manager.  

x Per  Bergström,  started  as  an  industrial  PhD  Student  in  the Complex Materials group with prof. Tetsu Uesaka as supervisor in  2015.  Per  is  employed  by  SCA  Hygiene  Products  in Gothenburg and he works part time in Tetsu Uesakas research project  FNMech,  Fibre  Network  Design:  Applications  to hygiene products.  

x Daniel  Raposo,  is  new  PhD  Student  in  the  research  group Complex Materials with prof. Tetsu Uesaka as group manager. 

The career program 2015-2017 Mid Sweden University conducts a career program for recently graduated researchers.  The  program  began  in  spring  2015.  Christina  Dahlström, Kristina Göransson, Ida Svanedal, Erika Wallin and Fredrik Carlsson from department NAT and CHE (FSCN) participate in the career program. Part of their research will be on other universities abroad. The program will last for two years. 

Business Innovation Seminars During 2015 we have arranged the monthly seminars Business Innovation Seminar  in cooperation with  the research centre STC and  the  innovation clusters BioBusiness Arena and Fiber Optic Valley. The seminars were also streamed  on  our  website  and  the  Youtube  channel  for  Mid  Sweden University.  Follow  the  seminars  online  and  afterwards  on  our website www.miun.se/seminars. 

11  

Table Guest speakers in 2015  

Guest speakers Date Website/Youtube watch

Hannele Arvonen, Setra Group 5 Feb 2015 59

Mathias Frenzel, SWT Paper 26 Mar 2015 108

Heikki Ilvespää, UPM Materials 7 May 2015 41

Tommy Sundin SCA 3 Sep 2015 127

Sven Löchen, Ren Fuel 5 Nov 2015 215

Magnus Hedin, SDC 3 Dec 2015 241

 

 

12  

5. Transformative Technologies Transformative  Technologies  is  a  research  environment  formed  of  the research centres STC and FSCN  that collaborate with a mixture of  forest and  ICT  industry.  Transforming  the  Industrial  Ecosystem  describes  a vision  for  regional  renewal  and  growth.  It  combines  the  industrial strengths of the Sundsvall region with the dynamic force that Mid Sweden University  represents.  Since  2011,  the Knowledge  Foundation  has  been supporting us through the program research environment (KK Miljö).  

Research for growth and renewal The university attracts and educates young people to work  in the region and  sustain  industrial  competitiveness.  Through  its  research  and knowledge  transfer  the  university  facilitates  renewal.  When  acting  in symbiosis, the current industrial core and new businesses at its edges can become an effective ecosystem that continuously renews itself. One  of  the  goals  of  our  research  is  to  contribute  to  growth, transformation and  innovation  for  the companies  within  the Transformative Technologies. Together with municipalities and companies we work with a regional agenda for research,  innovation and education. The common agenda promotes cooperation within the region. Key partners for  the development  is  the  innovation  clusters BioBusiness Arena, Fiber Optic Valley and Processum. 

The Vision Transforming the Industrial Ecosystem The  aim  of  the  vision  Transforming  the  Industrial  Ecosystem  is  to contribute  to  development  and  growth  from  different  perspectives. Transformation is important for the forest industries who need to develop new products and new business areas. Information technology is a growth engine  that  creates  new  products  and  services.  By  linking  these  two industries, we  create  an  industrial  ecosystem with  particularly  exciting prospects regionally and nationally. Co‐production  is  the central point of many  of  the  research  projects within  the  research  environment, which means that project teams have both academic and industrial members. It provides dynamic and interesting environments that can identify solutions and thereby driving growth in both established and new companies. The  research  program  of  Transformative  Technologies  consists  of  six strategic  actions  that  focus  on  different  industrial  aspects  of  improved 

13  

competitiveness and renewal. These include two development areas where we have strong competence and want to determine how that can best be used to support the vision of industrial transformation: 

x e2mp – Manufacturing in industrial scale x FORIC – Competence development for regional renewal x EISS – Process control and monitoring x KM2 – Large surfaces for electronic functionality x Measurement Systems – Development area x New cellulosic materials – Development area 

 

 Figure. All research projects funded in 2015 according to the Strategic Action and the  nature  of  industrial  development  (Core  vs  Edge)  in  STC  and  FSCN.  The volume of each project is shown by the area of the symbol: The smallest symbol ≤ 0.5 MSEK, and the largest = 12 MSEK. Funding sources: Faculty funding   , KK‐foundation   , Other Swedish foundations   , EU‐regional  , EU International , Direct funding non industry  , Direct Industry   , Research councils  , and others  . 

 

14  

6. Research Groups We have eight research groups at FSCN.  

1. Bioenergy – The Bioenergy gasification research group is focused on  synthesis  gas  (“syngas”)  production  from  biomass  for automotive  fuel  production.  The  group manager  is Asso.  Prof. Wennan  Zhang.  Group  members:  Ulf  Söderlind,  Kristina Göransson, Zhe Zhang 

2. Complex Materials  ‐ The heart of research  in complex materials group is in unfolding nature’s beautiful trick as a complex system, and  in  deploying  it  to  redefine  our  current  material  design practices.  The  group  manager  is  prof.  Tetsu  Uesaka.  Group members:  Christina  Dahlström,  Majid  Alimadadi,  Amanda Mattsson,  Shakawath  Hossain,  Per  Bergström,  Daniel  Raposo, Kaarlo Niskanen 

3. Digital Printing Centre  –  This  research  group  is  located  in Örnsköldsvik. The group manager is Mattias Andersson. 

4. Eco Chemistry ‐ The main research interests of the Eco‐Chemistry group  concerns  synthesis,  extraction  and  analysis  of  natural products. The group manager  is prof. Erik Hedenström. Group members: Fredrik Andersson, Kerstin Sunnerheim, Erika Wallin, Joel  Ljunggren,  Rizan  Rahmani,  Lina  Viklund, Mats  Paulsson, Christian Schiebe 

5. High Yield Pulping Technology  ‐  Research  focused  on  raw material, process technology and new or improved products and qualities  for  pulps  and  paper.  The  group manager  is  prof.  Per Engstrand.  Group  members:  Myat  Htun  (part  time),  Hans Höglund  (part  time),  Per  Gradin,  Torbjörn  Carlberg,  Thomas Granfeldt  (part  time),  Magnus  Paulsson  (part  time),  Lennart Salmén (part time), Olof Björkqvist, Birgitta Engberg, Jan‐Erik Berg, Olof  Ferritsius,  Rita  Ferritsius  (part  time),  Helena  Fjellström, Louise  Logenius,  Sven  Norgren,  Gunilla  Pettersson,  Staffan Nyström  (part  time),  Christer  Sandberg  (part  time),  Sinke Henshaw Osong, Erik Nelsson (part time), Folke Österberg (part time) 

6. Materials Physics  ‐  Our  research  concerns  materials  and  we conduct  research  for  advanced  paper  materials  and  functional applications. KM2 means  square kilometers of areas  that  can be used  for  printing  functionalities.  The  group  manager  is  prof. 

15  

Håkan Olin. Group members: Sven Forsberg (part time), Joakim Bäckström, Mikael Gulliksson, Lars Norin, Magnus Hummelgård, Jonas Örtegren, Renyun Zhang, Nicklas Blomquist, Martin Olsen, Britta  Andres,  Ann‐Christine  Engström, Magnus  Neuman,  Per Edström,  Lena  Lorentzon,  Morteza  Abdipour,  Thomas  Wells, Diogo  Volpati,  Santosch  Limaye,  Thomas  Öhlund,  Viviane  de Almeida Alecrim 

7. Organic Chemistry  ‐  The  research  interest  of  the  organic chemistry group focuses around green catalysis and in particular the field of organic catalysis. The group manager is prof. Armando Cordova.  Group  members:  Samson  Afewerki,  Rana Alimohhamdzadhe, Sevil Vaghefi and Carlos Palo‐Nieto. 

8. Surface and Colloid Engineering  ‐ The  research  in our group Surface and Colloid Engineering is focused on the following two main areas; Biomaterials and Metal chelation. The group manager is prof. Magnus Norgren. Group members: Björn Lindman, Håkan Edlund, Bo Westerlind, Ismail Ibrahem, Ida Svanedal, Ran Duan, Alireza Eivazihollagh, Jiayi Yang 

16  

7. Research projects Research project Project leader 2D Inks Sven Forsberg Advanced High yield pulp for paperboard Gunilla Pettersson Avsalumassa av CTMP Gunilla Pettersson Bio2Fuel 2030 Wennan Zhang Blixtsintring Thomas Öhlund, Mattias

Andersson Cello – Native cellulose´s interplay in materials and dispersions

Magnus Norgren

Compac – Plasticized cellulose composites for packaging applications

Bo Westerlind

e2mp-i – energy efficient mechanical pulping initiative 12 sub-projects, finalized 2015, see p. 11

Per Engstrand

e2mp-rp – energy efficient mechanical pulping research profile, 10 sub-projects Bat 2012, Chip pre-treatment DD-refining, Efficient LC-refining, Pre-treatment strategies in high yield pulping, Refining of softened TMP fibres, Chip-refining efficiency, Fibre development models, Maximized fibre wall swelling in TMP & CTMP refining, Quantifying mechanical treatment during chipping

Per Engstrand

Enccp – Eco-friendly engineering of nanochrystalline cellulose for green packaging

Armando Cordova

Fibre Network Design: Applications to Hygiene Products

Tetsu Uesaka

Foric – Forest as a resource industrial research college 14 research projects with industrial PhD, see p. 10

Per Engstrand, Olof Björkqvist

Grön kemi och hållbarhet; innovativa och miljövänliga katalytiska processer för cellulosabaserade material

Armando Cordova

Grönt boende - Stärkt beställarkompetens i projektet Grönt boende

Olof Björkqvist

Högox – Highly selective electrocatalysts for anodic oxidation

Joakim Bäckström

17  

Research project Project leader Keps - Kinetic Energy Storage in Paper-Based Supercapacitors

Sven Forsberg

Light-weight structural composites from fibre-based materials

Tetsu Uesaka

Lignofuel Armando Cordova LiON-Cost effective silicon-carbon composite anodes for lithium-ion batteries in automotive applications

Joakim Bäckström

Manufacturing of short-fibre yarn Bo Westerlind Mechanics of decubitus ulcers in human skin Tetsu Uesaka Miljöhorisont 2020 Erik Hedenström Modulit – monolistiskt integrerade energilagringsmoduler

Sven Forsberg

Morphology studies on future biocomposite Christina Dahlström Novocell - Novel use of native cellulose in dispersions and functional biocomposites

Magnus Norgren

Ocxis - Operation and change of complex industrial systems

Olof Björkqvist

Paper solar cells Håkan Olin Polyurethanes, composites and foams from bio-based resources

Ismail Ibrahem

Reliability of fibre based materials Tetsu Uesaka Sprickor vid gjutning Torbjörn Carlberg Svenskt förgasningscenter, Etapp 2 Wennan Zhang Smart street lights Mikael Gulliksson Utveckling av industriellt gångbar tillverkningsmetod för tungmetallsbindande tensider

Magnus Norgren

Transform Magnus Norgren Uniclean 2.0 Håkan Edlund Utbrottsrisk för ett tvåarters barkborresystem Erik Hedenström Ytmodifierad CTMP för starka förpackningsmaterial

Sven Norgren

Vattenfilter för tungmetaller Ida Svanedal  

 

18  

8. Guests and visitors Helene Hellmark Knutsson, Minister in Higher Education and Research On April 20, 2015,  the minister  in higher education and research Helene Hellmark Knutsson was our guest in the research centres FSCN and STC. She met our researchers Britta Andres and Ann‐Christine Engström from FSCN  and  Stefan  Haller  and  Peng  Cheng  from  STC.  Britta  and  Ann‐Christine presented our supercapacitors with graphene and nanocellulose. Stefan and Peng showed their prototype for an electric engine.   

    

 Helene Hellmark Knutsson together with Mattias O´Nils and Stefan Haller at STC research centre. 

19  

Carl XVI Gustaf His Majesty the King Carl XVI Gustaf visited Västernorrland to learn more about  the  countyʹs  forest  industry  and  research  in September  2015. The program  included  a visit  in our  laboratories  at FSCN  and Mid Sweden University along with Governor Gunnar Holmgren. 

  

  Fibre laboratory with demonstration of the equipment for the treatment of fibres, energy efficiency and high yield pulps.  

20  

  

  Physics Lab where we build the super capacitor ‐ the future of batteries, who rapidly store and use the braking energy from a car.   

21  

 

    

  

Chemistry lab with new cellulosic materials, biomaterials and metal chelation. We talked about sustainable packaging, paper yarn with textile from paper etc.    

22  

Knowledge Foundation On  September  15th,  2015,  the  management  for  the  research  funding Knowledge Foundation visited Mid Sweden University.  

 Our guests from Knowledge Foundation were Madelene Sandström, CEO, Stefan Östholm, Director of Operations, Olof Hugander, Director of Operations and Olle Vogel.  From  Knowledge  Foundation  Board  participated:  Ola  Asplund,  senior advisor IF Metall, Lars Ekedahl, Professor Emeritus, Kerstin Eliasson, President of  the Foundation. Former Secretary  of State  and Chairman  of  the Council  for Research Infrastructures (RFI), Kajsa Ellegård, Professor of Technology and Social Change,  Linköping  University,  Bengt  Lennartson,  professor  of  automation, Chalmers University of Technology, Helena Malmqvist, Coordinator of external research, ABB AB Corporate Research, Margareta Norell Bergendahl, professor and  Vice  President  Royal  Institute  of  Technology,  Björn  Sundell,  R  &  D consultant,  former  CEO  Foundation  for  Agricultural  Research,  Gunnar Wetterberg, historian, author 

23  

    

 Photo: Professor Håkan Olin and the research group for Materials Physics shows the physics lab in Sundsvall.   

24  

9. FORIC – Competence development for regional renewal Foric  is  a  graduate  school  in  close  cooperation  with  industries  and companies where PhD students are employed by  the companies and do their research studies part  time. Our aim  is  to create a network of value streams around bio‐based industries and close companies and increase the competitiveness  of  the  partner  companies.  These  research  projects  and researchers started in 2014. We are planning for second intake and start of new research projects in 2017. Read more on www.miun.se/foric.   

Research project PhD Student Company Wood preservative treatment and modification techniques; identification, evaluation and assessment of barriers and key success factors for large-scale commercialization

Jonas Johansson SCA Timber AB

New use of bio-sludge from pulp and paper industries

Robert Norgren Ragn-Sells AB

Methane measurement system and analysis

Bakhram Gaynullin SenseAir AB

Technical and economical systems modelling of a mechanical pulp based bio refinery

Alexander Hedlund FrontWay AB

Improved fines material control Mathias Lundberg PulpEye AB Modified fibre process for improved final product properties

Hafizur Rahman SCA Forest Products AB

Integrated energy solutions Anna-Karin Stengard

Sundsvall Energi AB

Industrially feasible methods for production of nanocellulose for chemical pulps

Carl Moser Valmet AB

Cost-effective nano-ligno-cellulose as substitute for CMC in multi-layer fibre applications

Sinke Henshaw Osong

MoRe Research and FSCN

Connecting high yield pulp properties with functional product properties

Olof Ferritsius StoraEnso AB and FSCN

25  

Research project PhD Student Company Development of a domestic forest based tanning agent

Mats Paulsson Sylvestris AB

Fibrillar chemical pulp fines to enhance paper board strength

Elisabeth Björk Innventia AB

Value creating and efficiency in wood supply chains

Magnus Larsson Skogforsk and Stiftelsen skogsbrukets forskningsfond

 

 

26  

10. Conferences

9th International Fundamental Mechanical Pulp Research Seminar  

PFI,  in  cooperation  with  NTNU,  has successfully  organized  the  9th Fundamental Mechanical  Pulp  Research Seminar  (FMPRS) on May  19‐20  2015,  in Trondheim. Olof  Björkqvist,  Per Engstrand,  Olof  Ferritsius,  Sinke Henshaw  Osong, Wennan  Zhang,  Hans Höglund,  Sven  Forsberg,  Britta  Andres, Christina Dahlström, Ann‐Christine Engström, Sven Norgren and Håkan Olin were part of the program. 

Science Innovation Day 2015 Every year in the middle of October we arrange the conference Science & Innovation Day in Sundsvall. The conference is a cooperation between the research  centre  STC  and  FSCN  at  Mid  Sweden  University  and  the innovation  clusters  Fiber  Optic  Valley  and  BioBusiness  Arena.  2015 gathered approx 170 persons from academia and companies in the region to discuss innovation, research and future questions. The keynote‐speakers where Madelene Sandström, CEO of Knowledge Foundation, Niklas von Weymarn,  VP  research  at  Metsä  Fibre,  Magnus  Melander,  ICT‐entrepreneur and Ari Riabacke, former PhD student at FSCN Mid Sweden University,  nowadays  a  professional  key‐note  speaker  and  seminar manager. The  researchers  from STC  and FSCN presented  their  research results  in  parallel  sessions  and  there were  also  an  exhibition  area with posters  to  present  our  research.  See  all  the  seminars  on  our  website: www.miun.se/fscn The next time for the common conference is October 18 2016. Welcome to join us!   

27  

11. Awards

Medal of merit for Myat Htun The Vice Chancellor has decided that the Medal of Merit, established on the occasion of the Mid Sweden Universityʹs 10th anniversary, is to be assigned to  senior  Professor  Myat  Htun,  who  pushed  the  construction  of  our industrial forest research centre FSCN.  

  Postdoctoral studies at Harvard Medical School Dr. Samson Afewerki has been awarded with Olle Engkvist Byggmästare foundation and Bengt Lundqvist memory  foundation with a scholarship amount  for  a  postdoctoral  study  for  a  period  of  two  years  at Harvard Medical  School  (Brigham  and Women´s Hospital) within  the  group  of Professor Ali Khademhosseini. There he will be working on development of  biomaterials  and  hydrogels  and  its  application  in  the  field  of  tissue engineering.    

28  

12. Energy efficient mechanical pulping initiative (e2mp-i) The research programme e2mp‐I was completed by the end of 2015. The programme  started  in  2011.  It  had  12  subprojects  and was  funded  by Swedish Energy Agency together with Mid Sweden University, Chalmers, Norska  Forskningsrådet,  SLU,  PFI, Holmen, Valmet,  Innventia, Norske Skog, Stora Enso, Luleå University of Technology, SCA and ÅF. Program manager was prof. Per Engstrand at Mid Sweden University. 

Summary The  program  has  funded  research  that will  demonstrate  techniques  to reduce electrical energy consumption by 50% for production of TMP and CTMP, while  retaining  the same  final product characteristics of printing paper  and  paperboard.  The  research  program  represents  part  of  an industry initiative that during a ten‐year period, together with Swedish and Norwegian authorities invest at least 200 million to achieve this ambitious energy efficiency goal. It was also important to secure the research nodes at FSCN in Sundsvall and PFI in Trondheim. In  parallel with  the  funding  from  the  Swedish  Energy Agency  of  SEK 30 million  has  the  Norwegian  Research  Council  funded  the  research initiative with NOK 25 million (2010‐14), the Knowledge Foundation with SEK 36 million (2011‐17) and Mid Sweden University with SEK 12 million. The industry’s total investment will exceed SEK 100 million already by the end of 2017. The necessary and very carefully conducted benchmarking study BAT2012, showed  the  starting  position  at  the  industry’s most modern  TMP  and CTMP lines. During the period 2011‐15 results have been produced in 12 parallel research projects. Table 1 summarizes results from demonstration scale project that were designed based on research projects in FSCN´s KK‐funded  research  profile  on  High  Yield  Pulping  and  also  on  the  2013 completed project “Filling  the Gap” 31676‐,  ISSN 1650‐5387 2014:57. The results show the following electrical energy reduction levels: 28% TMP for news, 14% TMP for SC and 21% CTMP for paperboard.   

29  

Table 1. Summary of best available technology, energy efficiency goals and verified mill tries for News, SC and board pulps. The table includes results supported by the Swedish Energy Agency and the KK‐Foundation.  

Specific electricity usage, kWh/bdmt Pulp quality Benchmar

k 2012 Goal - 2021

Demotest 2015

Remaining 2021

Printing paper (News) 1 800 900 1 300 400 Printing paper (SC) 2 800 1 400 2 400 1 000 Board (middle layer) 900 450 710 260

Besides demonstrated potential, a number of additional distinct potentials described in the research projects: 

q Process intensification and process modification > 15% q Process stability through advanced process analysis and control > 

15% q Combining the most efficient process sections from benchmarking 

25% This  makes  it  probable  that  full‐scale  demonstration  experiments  to validate 50% electricity reduction within the three product areas provided that  future  research  funding  is available. Three of  the  ideas  for  spin‐off projects that emerged during the project have received a positive financing decision from the Swedish Energy Agency during 2015. Further proposals based on this reported research will be included in applications during 2016. In addition to energy reduction in TMP and CTMP processes, researchers at  FSCN  have  performed  research  on  how  to  produce  very  strong packaging materials from these types of pulp in an energy efficient manner. An application regarding validation in pilot scale will be sent in during the beginning of 2016. 

Sub-projects in e2mp-i q 1 BAT 2012 ‐ Best Available Technique q 2 High quality low specific energy CTMP q 3 Energieffektivisering genom flödesexciterad, resonansförstärkt 

och ultraljudskontrollerad kavitation q 4 Undersökning av mikrovågsteknologi för energieffektivisering 

av mekaniska massaprocesser ‐ Pilotundersökning  q 5 Fix the Mix, an embryo to energy‐efficiency 

30  

q 6 Energieffektiv styrning av DD‐raffinör med avseende på fiberegenskaper 

q 7 Intensified Refining and Optimal Control in Chip Refiners  q 8 Uniform non‐uniform fibers ‐ an energy opportunity q 9 Effekt av raffinering vid låg och hög massakoncentration på 

fiberutveckling och energireduktionspotential  q 10 Energy reduction in HC refining by chemical addition in mill‐

scale CD refiner q 11 Demonstrationsprojekt vid SCA Ortviken – SAV‐E q 12 Demonstrationsprojekt vid Holmen Paper Braviken 

Project leaders in e2mp-i Per Engstrand, FSCN Mid Sweden University (project manager) Olof Ferritsius, FSCN, Mid Sweden University Olof Björkqvist, FSCN, Mid Sweden University Rita Ferritsius, FSCN, Mid Sweden University Kathrin Mörseburg, PFI  Lars Johansson, Innventia/PFI Örjan Johansson, Luleå University of Technology Geoffrey Daniel, SLU  Anders Karlström, Chalmers Anette Karlsson, SCA Christer Sandberg, Holmen    

31  

Short summary of results in Swedish  

Project, project leaders and partner companies (Holmen, SCA and Stora Enso are partners in all projects)

Results (the data is quite specific in demoscale, and rather speculative in pilote and lab-projects)

Sub-project 1 BAT 2012 - Best Available Technique, O. Ferritsius & O. Björkqvist, FSCN Mid Sweden University, PFI, AF, Holmen, Norske Skog, SCA, Stora Enso

50%-mål => TMP-news 900, TMP-SC 1400, CTMP-kartong 450 kWh/t Potentiell reduktion 25 % ”Golden Mill”

Sub-project 2 High quality low specific energy CTMP, Skoghall – L. Johansson, PFI, O. Ferritsius, A. Karlström, J. Hill, PFI, FSCN, Stora Enso, Valmet

20 % elenergireduktion d v s 190 kWh/t vid bibehållen massakvalitet tom blåsledning, från 790 till 600 kWh/t

Sub-project 3 Energieffektivisering genom flödesexciterad, resonansförstärkt och ultraljudskontrollerad kavitation –, Ö. Johansson, LTU

Ultraljudskontrollerad kavitation ger fibrillering motsvarande 850 kWh/t. För tidigt att uttala sig om energipotential

Sub-project 4 Undersökning av mikrovågsteknologi för energieffektivisering av mekaniska massaprocesser, G. Daniel, N. Terziev, SLU

Energipotential om 150-200 kWh/t bedöms möjlig

Sub-project 5 Fix the mix, an embryo to energy-efficiency, O. Ferritsius, J-E. Berg, B. Engberg, FSCN Mid Sweden University

Energireduktion jämfört med fullskale-raffinör med upp till 93 % till visst dragindex

Sub-project 6 Energieffektiv styrning av DD-raffinör m.a.p. fiberegenskaper, R. Ferritsius Stora Enso, K. Eriksson CIT

Energireduktion vid fiberraffinering 39 % trots ökade kvalitetskrav, motsvarar en reduktion på 400 av totalt ca 2800 kWh/t

   

32  

Project, project leaders and partner companies (Holmen, SCA and Stora Enso are partners in all projects)

Results (the data is quite specific in demoscale, and rather speculative in pilote and lab-projects)

Sub-project 7 Intensified Refining and Optimal Control in Chip Refiners, A. Karlström Chalmers, J. Hill QualTech, Stora Enso Kvarnsveden, Hylte och Skoghall

Modellering och processtyrning gav en 15 % elenergireduktion. Validerat genom långtidsuppföljning i fullskala TMP-anläggning.

Sub-project 8 Uniform non-uniform fibers - an energy opportunity, O. Ferritsius, FSCN Mid Sweden University

Stora brister i standarder och vedertagna sätt att karaktärisera massor - leder till felaktiga slutsatser - möjliggör minskat ”energislöseri”

Sub-project 9 Effekt av raffinering vid låg och hög massakoncentration på fiberutveckling och energireduktionspotential, R. Ferritsius, FSCN Mid Sweden University

LC-raffinering, 80-200 kWh/t, minskar energi till visst dragindex, ger lägre ”fiber curl” och något lägre ljusspridning.

Sub-project 10 Energy reduction in HC refining by chemical addition in mill-scale CD-refiner, L. Johansson, PFI, Norske Skog Skogn

Ca 300 kWh/t energireduktion vid en CD-raffinör till dragindex 37 Nm/g vid 8 kg/t DBA-dosering

Sub-project 11 Demonstrationsprojekt vid SCA Ortviken - SavE, A. Karlsson SCA Ortviken, B. Engberg FSCN Mid Sweden University

Energireduktion ca 12 %, 180 kWh/t till samma dragindex

Sub-project 12 Demonstrationsprojekt vid Holmen Paper Braviken, C. Sandberg Holmen Braviken

Energireduktion 25 % ca 500 kWh/t jämfört med dagens bästa teknik inkl. övriga drifter och 400 kWh/t lägre raffineringsenergi d.v.s. 2000 kWh/t (mål < 1500 kWh/t totalt)

     

33  

13. Accomplished PhD Degrees  

Doctoral Thesis Measuring and modelling light scattering in paper  

Johansson, Niklas This  thesis  is  about  measuring  and modelling light reflected from paper by using goniophotometric measurements. Measuring  bidirectional  reflectance requires  highly  accurate  instruments, and a large part of the work in this thesis is  about  establishing  the  requirements that must  be  fulfilled  to  ensure  valid data. A spectral goniophotometer is used for measuring the light reflected from  paper  and  methods  are  developed  for  analyzing  the  different components, i.e. the fluorescence, surface reflectance and bulk reflectance, separately. A separation of the surface and bulk reflectance is obtained by inkjet printing and analyzing the total reflectance in the absorption band of the ink. The main principle of the method is to add dye to the paper until the bulk scattered light is completely absorbed. The remaining reflectance is solely surface reflectance, which is subtracted from the total reflectance of the undyed sample to give the bulk reflectance. The results show that although  the surface reflectance of a matte paper  is small  in comparison with the bulk reflectance, it grows rapidly with increasing viewing angle, and can have a large influence on the overall reflectance. A method for quantitative fluorescence measurements  is developed, and used  for  analyzing  the  angular distribution  of  the  fluoresced  light. The long‐standing  issue  whether  fluorescence  from  turbid  (or  amorphous) media  is  Lambertian  or  not,  is  resolved  by  using  both  angle‐resolved luminescence measurements  and  radiative  transfer  based Monte  Carlo simulations. It is concluded that the degree of anisotropy of the fluoresced light is related to the average depth of emission, which in turn depends on 

34  

factors such as concentration of fluorophores, angle of incident  light and the absorption coefficient at the excitation wavelength. All measurements are conducted with a commercially available benchtop sized double‐beam spectral goniophotometer designed for laboratory use. To obtain reliable results, its absolute measurement capability is evaluated in terms of measurement accuracy. The results show that the compact size of the instrument, combined with the anisotropic nature of reflectance from paper, can introduce significant systematic errors of the same order as the overall measurement uncertainty. The errors are related  to  the relatively large  detection  solid  angle  that  is  required  when  measuring  diffusely reflecting materials. Situations where  the errors are most severe, oblique viewing angles and samples with high degree of anisotropic scattering, are identified, and a geometrical correction is developed. Estimating  optical  properties  of  a  material  from  bidirectional measurements has proved to be a challenging problem and the outcome is highly dependent on both the quality and quantity of the measurements. This problem is analyzed in detail for optically thick turbid media, and the study targets the case when a restricted set of detection angles are available. This  is  the  case when  e.g.  an  unobstructed  view  of  the  sample  is  not possible. Simulations show that the measurements can be restricted to the plane of incidence (in‐plane), and even the forward direction only, without any significant reduction in the precision or stability of the estimation, as long as sufficiently oblique angles are included. (ISSN 1652‐893X, ISBN 978‐91‐88025‐27‐2 (2015))    

35  

Doctoral Thesis On the Investigation of chemical parameters reflecting microbial activity linked to nutrient availability in forest soil Olofsson, Madelen As agrarian society developed,  the most fertile soils able to sustain the nutritional requirements needed for high crop yield were assigned to farming, while the more penurious  soils were  left  to  uphold  the forest ecosystems. Some temperate forests are developed on acidic soils considered to be nutrient poor, as much of the inorganic nutrients are entrapped in poorly weatherable soil minerals and not easily accessed by plant roots. In an undisturbed ecosystem, the largest contribution of available nutrients comes from the recycling of organically bound nutrients via the decomposition of dead plant material. If biomass is removed, for instance with a more intensified exploitation of the forest ecosystems  including whole  tree  harvesting,  this  source  of  nutrients  is consequently decreased. The  importance of soil mineral weathering as a source of nutrients, and especially that promoted by soil biota, is thereby emphasized.  This  thesis  addresses  biotic  parameters  associated  with mineral weathering. Different aspects of soil solution sampling strategies and  analysis  of  different  organic  ligands  as well  as  biomarkers  for  the estimation of fungal biomass were investigated. These chemical parameters were also evaluated as indicators of microbial activity in relation to mineral nutrient availability in soil. With the assumption that the current nutrient status of a soil will affect the microbial  interest of certain minerals as sources of  inorganic nutrients, a mineral amendment  trial was performed  in a Swedish boreal  forest soil. Overall,  the  amended  soil  presented  good  nutrient  status,  but  with  a possible shortage of iron. Due to this, it was hypothesized that the amended mineral with the highest iron content i.e. biotite would cause an elevation of microbial activity in its vicinity when compared to the bulk soil. 

36  

The level of microbial activity in the vicinity of the amended minerals was evaluated via quantification of organic acids and siderophores, as well as estimation of fungal biomass and enzymatic activity. The  highest microbial  activity was measured  for  the O  horizon  of  the investigated podzol,  although nothing  indicated  an  elevated  association with  the  amended  minerals.  In  the  E  horizon,  however,  elevation  in microbial activity was observed in the vicinity of the biotite mineral when compared  with  bulk  soil,  although  only  a  few  of  the  investigated parameters differed significantly when evaluated separately.   To enable this study, a highly sensitive analytical method employing liquid chromatography  and  mass  spectrometry  was  developed  to  quantify  a number of hydroxamate siderophores. On‐line pre‐concentration enabled detection of  these organic  ligands  in  the pico‐molar  range  –  a necessity when analyzing natural samples. Furthermore,  an analytical method was developed  for  the  estimation of fungal  biomass  via  quantification  of  chitin‐derived  glucosamine, which also  employed  liquid  chromatography  and  tandem mass  spectrometry. Unlike currently available methods, the one presented in this thesis did not involve analyte derivatization, which resulted in high sample throughput while simultaneously avoiding complications involved with the additional derivatization procedure. The distribution of a group of organic  ligands known as  aromatic  low molecular mass  organic  acids was also  studied  in a boreal  forest  podzol  soil.  Different  sampling  and  samples  preparation techniques, namely  tension‐lysimeters, soil centrifugation and  liquid‐soil extraction,  were  compared  when  analyzing  soil  solution  components. Significant  differences  in  analyte  amount  and  species  type were  found between  these  sampling  techniques.  Some  of  the  differences  could  be accounted  for by variation  in soil composition at different depths of  the investigated podzol, but others could be attributed to structural differences within  the studied analyte group. This clearly  illustrated  the  intricacy of sampling and analysis when working with a sample matrix as complex and diverse as soil. As previously, liquid chromatography and mass spectrometry was used to quantify the analytes of interest. A highly sensitive analytical method was developed  that was  able  to detect  eleven  aromatic  low molecular mass organic acids  in  the nano‐molar  range. High  selectivity was  ensured by applying  multiple  reaction  monitoring  enabled  by  collision  induced fragmentation  of  the  analytes.  (ISSN  1652‐893X,  ISBN  978‐91‐88025‐40‐1 (2015)) 

37  

Doctoral Thesis On dynamic crack growth in discontinous materials  

Persson, Johan In  this  thesis work  numerical  procedures are  developed  for  modeling  dynamic fracture  of  discontinuous  materials, primarily  materials  composed  of  a  load‐bearing network. The models are based on the  Newtonian  equations  of  motion,  and does not require either stiffness matrices or remeshing as cracks form and grow. They are applied to a variety of cases and  some  general  conclusions  are  drawn.  The  work  also  includes  an experimental study of dynamic crack growth in solid foam. The aims are to deepen the understanding of dynamic fracture by answering some relevant questions, e.g. what are the major sources of dissipation of potential energy in dynamic fracture? What are the major differences between the dynamic fracture  in discontinuous network materials  as  compared  to  continuous materials?  Is  there  any  situation when  it would  be possible  to utilize  a homogenization scheme to model network materials as continuous?  The numerical models are compared with experimental results to validate their ability to capture the relevant behavior, with good results. The only two  plausible  dissipation  mechanisms  are  energy  spent  creating  new surfaces, and stress waves, where the first dominates the behavior of slow cracks and  the  later dominates  fast cracks.  In  the numerical experiments highly connected random fiber networks, i.e. structures with short distance between  connections,  behaves  phenomenologically  like  a  continuous material whilst with fewer connections the behavior deviates from it. This leads to the conclusion that random fiber networks with a high connectivity may  be  treated  as  a  continuum,  with  appropriately  scaled  material parameters. Another type of network structures is the ordered networks, such as honeycombs and semi‐ordered such as foams which can be viewed as e.g. perturbed honeycomb grids. The numerical results indicate that the fracture  behavior  is  different  for  regular  honeycombs  versus  perturbed honeycombs, and the behavior of the perturbed honeycomb corresponds 

38  

well with experimental results of PVC foam. (ISSN 1652‐893X, ISBN 978‐91‐88025‐26‐5 (2015).  

39  

Doctoral Thesis  

Distribution of fiber characteristics as a tool to evaluate mechanical pulps  

Reyier-Österling, Sofia Mechanical  pulps  are  used  in  paper products such as magazine or news grade printing papers or paperboard. Mechanical pulping  gives  a  high  yield;  nearly everything  in  the  tree  except  the  bark  is used  in  the  paper.  This  means  that mechanical  pulping  consumes much  less wood  than  chemical  pulping, especially  to  produce  a  unit  area  of  printing  surface.  A  drawback  of mechanical  pulp  production  is  the  high  amounts  of  electrical  energy needed to separate and refine the fibres to a given fibre quality. Mechanical pulps are often produced from slow growing spruce trees of forests in the northern hemisphere resulting in long, slender fibres that are well suited for  mechanical  pulp  products.  These  fibres  have  large  varieties  in geometry,  mainly  wall  thickness  and  width,  depending  on  seasonal variations  and  growth  conditions.  Earlywood  fibres  typically  have  thin walls and latewood fibres thick. The background to this study was that a more detailed fibre characterization involving evaluations of distributions of  fibre  characteristics, may  give  improved possibilities  to  optimize  the mechanical pulping process and  thereby  reduce  the  total electric energy needed to reach a given quality of the pulp and final product. This would result in improved competitiveness as well as less environmental impact. This  study  evaluated  the  relation  between  fibre  characteristics  in  three types  of  mechanical  pulps  made  from  Norway  spruce  (Picea  abies), thermomechanical  pulp  (TMP),  stone  groundwood  pulp  (SGW)  and chemithermomechanical pulp (CTMP). In addition, the influence of fibres from  these pulp  types on sheet characteristics, mainly  tensile  index, was studied. A comparatively rapid method was presented on how to evaluate the propensity of each fibre to form sheets of high tensile index, by the use of  raw data  from a  commercially available  fibre analyzer  (FiberLabTM). The developed method gives novel opportunities of evaluating the effect 

40  

on  the  fibres of each  stage  in  the mechanical pulping process and has a potential to be applied also on‐line to steer the refining and pulping process by the characteristics of the final pulp and the quality of the final paper. The long fibre fraction is important for the properties of the whole pulp. It was  found  that  fibre  wall  thickness  and  external  fibrillation  were  the fibercharacteristics  that contributed  the most  to  tensile  index of  the  long fibre fractions in five mechanical pulps (three TMPs, one SGW, one CTMP). The  tensile  index  of  handsheets  of  the  long  fibre  fractions  could  be predicted by linear regressions using a combination of fibre wall thickness and degree of external fibrillation. The predicted tensile index was denoted BIN, short for Bonding ability INfluence. This resulted in the same linear correlation  between  BIN  and  tensile  index  for  52  samples  of  the  five mechanical pulps studied, each fractionated into five streams (plus feed) in full size hydrocyclones. The Bauer McNett P16/R30 (passed 16 meshwire, retained on a 30 mesh wire) and P30/R50 fractions of each stream were used for the evaluation. The fibres of the SGW had thicker walls and a higher degree of external fibrillation than the TMPs and CTMP, which resulted in a  correlation between BIN  and  tensile  index on  a different  level  for  the P30/R50 fraction of SGW than the other pulp samples. A BIN model based on averages weighted by each  fibre´s wall volume  instead of arithmetic averages, took the fibre wall thickness of the SGW into account, and gave one uniform correlation between BIN and tensile index for all pulp samples (12  samples  for  constructing  the model,  46  for validating  it).  If  the BIN model is used for predicting averages of the tensile index of a sheet, a model based  on  wall  volume  weighted  data  is  recommended.  To  be  able  to produce BIN distributions where the influence of the length or wall volume of each  fibre  is  taken  into account,  the BIN model  is currently based on arithmetic  averages  of  fibre wall  thickness  and  fibrillation.  Fibre width used as a single factor reduced the accuracy of the BIN model. Wall volume weighted averages of  fibre width also  resulted  in a  completely  changed ranking of the five hydrocyclone streams compared to arithmetic, for two of thefive pulps. This was not seen when fibre width was combined with fibre wallthickness into the factor “collapse resistance index”. In order to avoid too high influence of fibre wall thickness and until the influence of fibre  width  on  BIN  and  the  measurement  of  fibre  width  is  further evaluated,  it  is  recommended  to  use  length  weighted  or  arithmetic distributions  of  BIN  and  other  fibre  characteristics. A  comparably  fast method to evaluate the distribution of fibre wall thickness and degree of external  fibrillation  with  high  resolution  showed  that  the  fibre 

41  

wallthickness of the latewood fibres was reduced by increasing the refining energy  in adouble disc  refiner operated at  four  levels of  specific energy input in a commercial TMP production line. This was expected but could not  be  seen  by  the  use  of  average  values,  it was  concluded  that  fibre characteristics in many cases should be evaluated as distributions and not only as averages. BIN  distributions  of  various  types  of mechanical  pulps  from  Norway spruce  showed  results  that were  expected  based  on  knowledge  of  the particular pulps and processes. Measurements of mixtures of a news‐ and a SC (super calendered) gradeTMP, showed a gradual increase in high‐BIN fibres with higher amounts of SCgrade TMP. The BIN distributions also revealed differences between  the pulps  that were not seen  from average fibre values, for example that the shape of the BINdistributions was similar for two pulps that originated from conical disc refiners, a news grade TMP and the board grade CTMP, although the distributions were on different BIN levels. The SC grade TMP and the SC grade SGW had similar levels of tensile index, but the SGW contained some fibres of very low BIN values which may  influence  the  characteristics  of  the  final  paper,  for  example strength,  surface  and  structure. This  shows  that  the BIN model has  the potential of being applied on either the whole or parts of a papermaking process based on mechanical or chemimechanical pulping; the evaluation of  distributions  of  fibre  characteristics  can  contribute  to  increased knowledge about the process and opportunities to optimize it. (ISBN 978‐91‐86694‐66‐1 (2015))   

42  

Doctoral Thesis Winter browsing by moose and hares in subarctic birch forest: scale, dependency and responses to food addition Öhmark, Sara Despite their difference in body size and morphology,  the  moose  (Alces  alces) and the mountain hare (Lepus timidus) sustain  themselves  during  winter  on similar plant species and plant parts  in in  subarctic  environments,  namely apical  twigs of mountain birch  (Betula pubescens  ssp.  czerepanovii). Herbivores must  select areas and  items of food that provide sufficient intake rates and food nutritional quality while balancing  this  against  their  intake  of  dietary  fibre  and  potentially detrimental  plant  secondary  metabolites.  This  selection  takes  place simultaneously at multiple spatial scales, from individual plants and plant parts  to  patches  of  food  and  parts  of  the wider  landscape. While  the herbivores must consider their need for food to sustain daily activities, for body growth and reproduction it is also necessary to avoid predators and harsh environmental conditions.  For  managers,  an  understanding  of  key  factors  for  animal  foraging distributions  is  pivotal  to  reach  intended  goals  of  management  and conservation plans. Knowledge in this area is also important for models to make accurate predictions of foraging responses of herbivores to resource distributions.  The  mountain  birch  forest  displays  a  naturally heterogeneous distribution of trees and shrubs which presents herbivores with  a  challenge  to  find  good  feeding  areas.  In  an  investigation  of  the spatial distribution of moose browsing on birch and willows (Salix spp.) in two winter seasons separated in time by 14 years, it was found that moose browsing patterns in 1996 were correlated to those observed in 2010. It was also found that moose browsing was spatially clustered within the same distances (1000‐2500 m) as densities of willow and birch, but at other spatial scales, browsing was mostly randomly distributed.  

43  

It was concluded that for age density is a cue for moose but only at certain spatial scales. Similarly, a comparison of foraging distribution by hare and moose showed that high birch density was a key factor for both species. In spite of this, hares and moose used different parts of the same environment because  they  respond  to  food  resource  distribution  at  different  spatial scales. Hares fed from smaller plants, and focused their foraging activity on smaller spatial scales than moose.  These  results  emphasize  the  importance  of  taking  into  account  the distribution of food resources at spatial scales relevant for each species in plans for conservation and management. In an experimental study it was found that intensified browsing on natural forage by mountain hares can be  induced  locally  through  placement  of  food.  The  induced  browsing varied with the amount and quality of the added food, but also with the density of natural food plants and natural foraging distribution by hares. Finally,  in a  last experiment habitat preference of mountain hares across edges between open and forested areas was studied.  The results were not consistent; hares utilized bait to a greater extent within forested areas than bait placed on a nearby lake ice, but bait on mires and heaths was  either  preferred  over  bait  in  nearby  forest,  or  utilized  to  a similar extent. A possible explanation is that hares have knowledge of their environment such that both forested areas and subarctic mires and heaths are part of its natural home range, whilst the extreme environment on the lake ice is not. During recent decades arctic areas have had an increase in vegetation density  and will  be  affected  by  future  climate warming  and therefore, factors that determine for aging ecology of key herbivores need to be identified.  This thesis sheds some light on these factors in relation to spatial scale and forage  distribution  for  two  high  profile  herbivores  in  the  subarctic. (ISSN:1652‐893X;229, ISBN: 978‐91‐88025‐38‐8 (2015))  

 

    

44  

14. A selection of researchers Magnus Paulsson, Adjunct Professor in Mechanical Fibre Technology (sponsored by AkzoNobel)  

The  main  activities  in  2015  have been  as  an  assistant  supervisor  to the  PhD  student  Erik  Nelsson (FSCN)  and  a  lecturer  at  Unit Processes  in  Pulping  (FPIRC course,  FSCN)  and  Cellulose Technology  (M.Sc.  course, advanced level, CTH). The research work has resulted in two submitted manuscripts  and  one  published article (listed below).  

Publications x Enberg  S., Opdal Ø., Axelsson P., Eriksen Ø., Rundlöf M.,  and 

Paulsson M. (2015): Mapping and modelling of optical properties from pulp to super calendered paper. Appita 68(2), 128‐138. 

    

45  

Dr. Jan-Erik Berg, Research Engineer Research results 2015 The paper “Low‐consistency refining of mechanical pulp in the light of forces on fibres” was published  in Nordic Pulp and Paper Research Journal. The aim of that study was to find new approaches to  evaluate  the  performance  of  low‐consistency refiners. If a larger share of the  fibre development can be made  in LC  refiners  instead  of  in HC  refiners, the total power consumption to certain strength properties of mechanical pulps can  be  reduced  since  LC  refiners  are more energy efficient.  Data  from Holmen Paper, Braviken Paper Mill  in Norrköping,  Sweden producing TMP from Norway spruce was used in order to find a possible way  to  calculate  the  power  split  between  the  zones  in  a  two‐zoned TwinFlo72 LC refiner from Andritz, Fig. 1. An assumption of equal amount of fibres captured between overlapping bars was found successful in order to develop equations  for  the power split. The equations predicted equal power in both zones at equal disc gaps. The power was found to increase approximately linearly with decreasing disc gap over the range, 0.1‐0.2 mm.  The power split was essential to know for calculating refining intensities expressed as specific edge load and forces on fibres in the two zones. The reduction  in fibre  length was about 5% at 0.17 mm disc gap or at 0.03 N forces on fibres (Fig. 2) or at 0.7 J/m specific edge load. Disc gap, forces on fibres  and  specific  edge  load  was  found  to  predict  fibre  shortening approximately equally upon changes in power and flow rate through the refiner.  

46  

 Figure 1. Schematic drawing of the DD‐LC line. Sampling points are marked with crosses. AE denotes Adjustment End and ME denotes Motor End.  

 

 Figure 2. Relative fibre length (lX/l) versus Forces on fibres for Adjustment End (AE)  and Motor End  (ME)  at  different  flow  rates  through  the  refiner. Values corresponding to 0.95 relative fibre length are indicated. 

 Publications

x Berg,  J.‐E., Sandberg, C., Engberg, B. E., and Engstrand, P. Low‐consistency  refining of mechanical pulp  in  the  light of  forces on fibres. Nordic Pulp Paper Res. J. 30(2), 225‐229. 

   

47  

Dr. Christina Dahlström Morphology studies on future biocomposite Research results 2015 My research interest is both in the area of  “New  cellulosic  materials”  and “KM2”.  The  focus  in  my  work  is  to understand how cellulose and graphite is  building  up  the  structure  in  the electrodes  used  for  supercapacitors, and  how  this  structure  relates  to electronic  properties,  e.g.  capacitance and  resistance.  One  interesting  result that  we  found  and  presented  on  the Materials Research Society conference in Boston was that by using a quality of  cellulose  that  was  coarser  than  conventional  high  quality  cellulose nanofibrils (CNF), we obtained higher capacitance. This is most likely due to the dense cellulose structure created by the fine CNF, causing increased resistance  for  ion mobility, and a spacing between  the graphite particles resulting  in  reduced  conductivity  and  increased  energy  losses  in  the material. The 2014 Alf de Ruvo scholarship gave me the opportunity to work as a visiting scholar at Stanford University, USA (6 months 2014‐2015), in Prof. Alberto Salleos group. Dr. Gregorio Faria had developed a method for ion mobility measurements  that we  successfully  could use on my  electrode material. This work will be continued in 2016. During 2015 I became Chair of the TAPPI Coating Fundamental Committee. One  of  the  main  tasks  is  to  arrange  the  TAPPI  Advanced  Coating Symposium in Stockholm 2016.  

Publications  

x Dahlstrom, C., Andres, B., Faria, G. C., Engstrom, A‐.C., Duong, D. T., Salleo, A., Structural Change of Cellulose Nanofibers in Supercapacitor Electrodes during Galvanostatic Cycling, MRS, Boston, USA, 2015 

48  

x Faria, G. C., Duong, D. T., Dahlstrom, C., Rivnay, J., Malliaras, G., Owens, R., Salleo, A. Modeling Transient Drain Current Response in Biofunctionalized Organic Electrochemical Transistors, B‐MRS,  Rio de Janeiro, Brazil, 2015 

x Henshaw Osong, S., Dahlström, C., Forsberg, S., Andres, B., Engstrand, P., Norgren, S., Olin, H., Engström, A.‐C., Development of CTMP‐based nanofibrillated cellulose/nanographite composites for paper applications, 9th International Fundamental Mechanical Pulp Research Seminar, Trondheim, Norway, 2015. 

x Forsberg, S., Andres, B., Blomquist, N., Dahlström, C., Engström, A‐.C., Olin, H., Paper‐based supercapacitors, EMRS, Lille, France, 2015. 

x Andres, B., Dahlström, C., Engström, A‐.C., Blomquist, N., Forsberg, S., Olin, H., Nanocellulose as binder for supercapacitor electrodes, EMRS, Lille, France, 2015. 

x Alecrim, V., Zhang, R., Hummelgard, M., Andres, B., Dahlstrom, C., Duong, D. T., Norgren, M., Andersson, M., Olin, H. Exfoliated Layered Materials for Digital Fabrication, Digital Fabrication and Digital Printing NIP 31, Portland, USA, 2015 

 

Figure 1. High  resolution  scanning  electron microscopy  images of  the  electrode surface. The electrode  is made  from two different types of graphite particles and 10% cellulose nanofibrils (CNF). The CNF is creating different structures with the two  types  of  particles,  a  spider web  structure  (left  image)  versus  a  “film”‐like structure (right image).   

1  500 

49  

Christer Sandberg, Project leader Low consistency refining system design for high yield pulping processes Low consistency (LC) refining is used to improve  energy  efficiency  and production  capacity  in  mechanical pulping lines (TMP, GWD and CTMP). Full  scale  installations  have  though revealed  some  current  limitations;  the maximum specific refining energy that can be applied is quite low, which limits the  energy  saving  potential  and  light scattering does not develop as much as in high consistency (HC) refining.  The purpose of this project is to increase the specific energy in LC refining of TMP and increase the efficiency of the refining i.e. attain higher degree of fibre development at a certain SEC. The goal is to reduce refining energy with 300 kWh/adt compared to a BAT TMP line today. Most of the work in this project is made with LC refiners installed in mills. The work  is  focused on  two  areas;  1)  Increasing  the  loadability,  i.e.  the maximum  specific  energy  that  can  be  applied  to  a  certain  fibre  length decrease.  2)  Improving  energy  efficiency  of  LC  refining  itself,  i.e.  at  a certain specific energy, tensile index increase should be larger.  This will be made by trying different approaches; chemical treatments that improve  the  refining  efficiency  and/or  loadability. Mill  trials have  been made in Östrand (not published yet). 

50  

 Photo: The largest LC refiner in the world, Andritz TwinFlo 72 in Holmen Paper Braviken mill. 

Another way  to  increase  the applied energy  is  to do LC  refining  in  two stages. Piping work has been made  in TMP3 Hallsta. Preliminary  trials have been made and more will be made 2016. An increased share of long fibres could improve the loadability. This will be tested by feeding screen reject or hydrocyclone reject back to one of the LC refiners in Braviken. Preliminary trials have been made and more will be made 2016. It is important to combine HC and LC refining in an optimal way. In order to achieve an acceptable light scattering it is probably necessary to combine LC  refining with high  intensity HC  refining. Mill  trials will be made  in Braviken, Hallsta  and Kvarnsveden  comparing different  configurations. Part of this work have been made within the HC‐LC project in the E2MP‐I program. More  fundamental  studies  of  LC  refining  are  also made  in  the  project, separately reported by Jan‐Erik Berg.   Research results 2015 Low consistency refiners are designed for refining of chemical pulp, where a rather low specific energy is needed to get the desired strength increase. Mechanical pulp needs more energy for certain strength increase and thus there will be an unbalance between applied power and needed flow to keep 

51  

the refiner stable. Recirculating refined pulp back  to  the refiner  feed has been utilized to keep LC refiners more stable, but the degree is normally 10‐20 %. In this work we wanted to evaluate the effect of high recirculation on energy efficiency and pulp quality. The trials were made on refiners in the Holmen Paper mills Braviken and Hallstavik. 

 Figure: Block diagram of LC refiner with flow recirculation. 

 It was shown that recirculation • Does not have a large effect on development of pulp properties. There 

was though a somewhat larger fibre length reduction at high recirculation 

• Does not affect energy efficiency • Does not notably change the distribution in fibre wall 

delamination/internal fibrillation • Helps to keep the refiner in more stable operation. • Can be used to attain a high specific energy in one stage low 

consistency refining. 

The  results  have  been  published  in  Nordic  Pulp  and  Paper  Research Journal: Vol 30 no (2) 2015. 

52  

Per Engstrand, Professor Research results 2015 It was quite interesting to see that it is  possible  to  combine nanofibrillated cellulose and lingo‐cellulose made from high yield and chemical  pulp  fines  to  improve paper  strength  and  also  together with  nanographene  to  produce films with  high  level  of  electrical conductivity  (Osong,  S.  H., Norgren,  S.  &  Engstrand,  P. Cellulose, 2016, 23, 93–123 and) One of  the most  important  results during  the  year  was  that  we  in small pilot scale could validate and even  improve upon earlier  lab‐trials when combining different fiber surface chemistry versions with a dynamic warm pressing approach utilizing high yield pulps (HYP) to produce very strong paper sheets, see figure 1 and 2. It should be noted that HYP contains not  only  the mainly  crystalline  cellulose  (40%)  but  also  the  amorphous linear hemicellulose (30%) and the amorphous crosslinked lignin (28%). I think  there  is  reason  to  believe  that we  in  the  near  future  by  further optimization  can produce  the  strongest  fiber based packaging materials based  on HYP  actually  due  to  its  content  of  lignin  and  hemicellulose.

   Figure 1 and 2. The diagram to the left shows trial results when utilizing different combinations of  fiber  surface chemistry and warm‐pressing of high yield pulps; CTMP (CSF 220 ml) and HTCTMP (CSF 720 ml) as well as chemical pulp (Sulfat ‐ SR° 25). Strength values shown; tensile index to the left and compression index to the right. The filled icons shows results with chemicals CMC/starch, the unfilled icons shows results without CMC/starch. 

53  

Another  important result  is  that our goal  to show how  to reduce energy demand by 50% within a 10‐year period starting from 2011 has partly been reached by  the end of 2015, see  table 1. The  table summarize  the results from the e2mp‐i that was financed by the Swedish Energy Agency, Holmen, Norske  Skog,  SCA,  Stora  Enso,  AF  and  Valmet  until  December  2015. Depending  on  product  range  the  energy  reduction  confirmed  in demonstration scale was between 15% and 25%, (ISBN: 978‐91‐88025‐56‐2 slutrapport  Mekmassainitiativet  för  energieffektivitet  e2mp–i,  Per Engstrand red.)  Table 1. Description of benchmark results for 2012 regarding TMP for news, TMP for SC and CTMP for middle layer in paperboard. Based on this the 50% reduction goal for the 10 year period as well as results reached in demonstration scale by the end of 2015. 

Goals and results measured as refining energy, kWh/bdmt

Product area Benchmark 2012

Goal 2021

Demotest 2015

Remaining 2021

Printing paper (News) - TMP

1800 900 1300 400

Printing paper (SC) - TMP 2800 1400 2400 1000 Board (middle layer) - CTMP

900 450 710 260

 

The most successful demonstration scale project performed at Holmen Braviken mill showed that a very brave process intensification approach to develop a TMP‐system could not only improve the energy efficiency a lot but also reduce the amount of necessary equipment a lot. In the HYP profile we are now increasing the utilization of process intensification methodology as a tool to transfer fundament material and process technology to modified more efficient unit processes as in the example in figure 3.  

 

54  

x  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  3.  The  upper  picture  shows  the  outline  of  the  present  TMP‐system producing pulp for PM2 at the mill, this system has a refining energy demand of 2155 kWh/t to appropriate pulp properties. The lower picture shows the outline of the  demonstration  test  TMP‐system  that  is  to  a  large  extent  based  on  new knowledge developed in e2mp, this system has a refining energy demand of 1395 kWh/t to appropriate pulp properties. 

 

 Research focus My approach is to find ways to help the Swedish Forest Industry to widen the perspectives with regard to what products that can be produced from forest fibers and also how to produce present and new product in a much more energy and material efficient way. This means that my main focus on energy  efficient  high  yield  pulping  (research  profile  e2mp)  and papermaking technologies (adopted to high yield pulp material properties). As  there  are  many  opportunities  to  improve  these  technologies  by extracting side‐streams that could be better utilized for other purposes as different  types  of  nanocellulose,  green  chemicals  for  several  different purposes and even biofuels this is also a part of my research (within FORE). The research work along the chain from forest via pulp, paper and side‐stream unit operation has  led  ideas as both Forest as a resource  that we called FORE and the present FORIC, forest as a resource industrial research college. 

1395 kWh/t

2155 kWh/t

55  

Awards I was  granted  the Arne Asplund Mechanical Pulping Award  2014. The award promotes the development of new technology for the manufacture of high‐yield pulp and is awarded to a person or persons in recognition of outstanding  achievement  in  research  and  development  of  mechanical pulping technology.   

 

56  

Rita Ferritsius Cooperation for energy efficiency in mechanical pulping I am employed at Mid Sweden University and Stora Enso Kvarnsveden, 50 % each,  to work  in  the program  (e2mp)  for reduction of 50 % energy  in mechanical  pulping.  In  the  Initiative  program  (financed  by  the  Energy Agency)  I was  responsible  for  two  of  the  projects. The  first was  called “Energy  efficient  control  of  a DD  refiner with  respect  to  relevant  fiber properties”.  The  project  was  organized  in  three  sub‐projects.  Karin Eriksson  at  CIT  (Chalmers  industrial  technology)  was  responsible  for process  analysis  and development  of  a  control  strategy  for  a DD  fiber‐refiner. Mid Sweden University was responsible for the second subproject that  involved  the  pulp  quality  characterization  that  should  be  used  as control parameter for the refiner. Dinesh Fernando at Swedish Agricultural University and Ola Johansson at Inovocell (small company in USA making fiber analyzers and new innovative products) was responsible for the third subproject.  This  part  includes  automation  of  a  very  time  consuming manual method  to measure  the  fiber wall properties using  a  new  fiber analyzer equipped with a color camera. The target refiner for this project was a double disc (DD‐68) refiner used as post  refiner  for magazine  grade  in Kvarnsveden  paper mill.  The work included  a  lot  of  practical  work  together  with  the  mill  people,  Karin Eriksson and Jan Hill (QualTech). All this work resulted in a much more stable operation of  the refiner which also  improved  the situation  for  the refiners  in  parallel with  the  target  refiner.  Step  changes  of  the  process variables were made and it was shown that the same tensile index could be obtained within a large interval of specific energy, figure 1.   

57  

 Figure  1: Trial  2  and  3 were  step  changes  in  production  and  trial  4 was  step changes in plate gap. 

 

The  results  obtained  in  this  project  strengthens  the  hypothesis  that  a strategy  that strives  to  increase  the production rate and reduce  the plate gap is beneficial for the energy efficiency for this refiner stage. However, the variations in motor load that increase with the production rate will set limits for what can be accomplished. The work around this refiner resulted in a higher tensile index increase for a certain specific energy compared to before the project was started.  The  fiber‐analyzer  equipped with  a  color  camera  that was  built  for  the project was used  for  initial  tests using nine pulp samples. First, analysis was  carried  out  through  the manual microscopy method  and  the  sheet properties where evaluated  in  lab. The results showed good correlations between  the manual  and  the  automated methods  and  tensile  index  of whole pulps. Measurements on more pulp samples are needed to establish the results and their repeatability. Nevertheless, the method is promising.  Mid Sweden University cooperated with SLU, PFI, Stora Enso, Holmen, SCA, Norske Skog and Inovocell in my other project called “Effect of fiber property  development  in  HC  and  LC  refining  on  energy  reduction potential”. Three lines with combination of high consistency (HC) and low consistency  (LC)  refiners  were  sampled  and  the  fiber  properties  very thoroughly  characterized.  Both  external  and  internal  fibrillation  of  the fibers were  studied  using microscopy  techniques.  These measurements showed differences between HC  and LC  refining  in  cell wall  thickness, 

58  

external  fibrillation  and  fiber  curl.  The  fiber  development  causing  the increase  in  tensile  strength  in  LC  and  HC  refining  seems  to  be  quite different. All LC  refining  reduced  fiber  curl  and  for  each pulp  a  linear correlation was  found  between  reduced  fiber  curl  and  increased  tensile index. This indicates that the reduction in fiber curl contributes to a part of the increase in tensile index in LC refining, especially at the relatively low energy inputs used in Scandinavian mills. Additionally a new alternative equipment  (built  by  Inovocell)  is  being  tested  with  the  purpose  of fibrillating with a minimal use of energy. In both these two project it has been very stimulating to work together with a number of different competences from different research providers and mills.    

59  

Hans Höglund, senior professor As  part‐time  working  as  a  senior professor,  I  have  mainly  focused  on  to support some of my former PhD students in  two  projects.  In  these  projects  new technologies, which  can be  implemented in  the  TMP  and  CTMP  industry,  are developed. We are now in a phase, where possibilities  of  implementation  in  mill applications are discussed with industrial partners: 

x Development  of  radically  new types  of  refiner  segments,  with potential to reduce electric energy consumption  in  chip  refining (Project managed by Birgitta Engberg). 

x Technology  for  improvements of dry  and wet  in‐plane  strength and stiffness (SCT) in (C)TMP based papers intended to be used in products with very high demands upon strength, e.g. packaging paper,  linerboard  and  paper  bags  (Project  managed  by  Sven Norgren and Gunilla Pettersson).  

To reduce energy consumption in refining in TMP processes, we have so far studied effects of non‐conventional refiner plate patterns in pilot plant scale, where  fibres can be  treated energy efficiently  in a wider plate gap than in conventional type of refining. The new plate pattern will be tested in a mill scale refiner during this year. An objective in the project is to make it possible to refine high yield pulp fibres, which have been softened at a temperature well  above  the  lignin  softening  temperature,  under  stable conditions. To get significant improvement of in‐plane strength of paper sheets from high yield pulps, we have  looked  at  the  effects  that  can be  achieved  in press‐drying  at  temperatures  well  above  the  softening  temperature  of lignin on moist paper  sheets  (40‐65 % d.c.). These  studies  are  a natural progress of research at FSCN that earlier has been published in scientific publications  and  in  international  conferences  (see  literature below). The current work has been carried out  in a smaller pilot plant scale at MoRe Research, which hopefully during this year will be followed by trials in a larger pilot plant scale. 

60  

Publications x Nygren, O., Bäck, R. and Höglund, H.(2003): On characterization 

of Mechanical and Chemi‐mechanical Pulps, Proceedings of  the International  Mechanical  Pulping  Conference,  Quebec  City, Canada, 97‐104  

x Klinga, N., Sandberg, C. and Höglund, H. (2005): Sheet properties of  high  yield  pulp  related  to  different  pressing  and  drying conditions, Proceedings of  the  International Mechanical Pulping Conference, Oslo, Norway, 344‐348  

x Norgren, S. and Höglund, H. (2011): Consolidation of fibre‐fibre bonds  in  TMP  and  CTMP  based  papers,  Proceedings  of  the International Mechanical Pulping Conference, Xi’an, China, 448‐453  

x Norgren, S., Pettersson, G. and Höglund, H. (2014): High strength papers  from  high  yield  pulps,  Proceedings  of  the  International Mechanical Pulping Conference, Helsinki, Finland  and  in Paper Technology 56(5), 10‐14 

   

61  

Jiayi Yang, PhD Student Cellulose dissolution in aqueous solvents and usage in making bio-composite Introduction The urges of using and developing new products  from  renewable  and sustainable resources  from consumers, industry  and  government  is  what motivates  the  current  project.  Shifting the  society  from  petroleum  based developing pattern  to be more of bio‐based,  carbon‐neutral  is  a  crucial challenge  all human beings  are  facing with. In the context, there is no other polymer, other than cellulose, that is entitled  with  such  wide  range  of  applications.  As  the  most  abundant biopolymer on earth, cellulose has covered nearly every aspects of our daily life. As promising as it is, still there are limitations of cellulose solubility in aqueous systems which hinder it from further development. The cellulose macromolecule  has  amphiphilic  characteristic  and  strong  intra‐,  inter‐molecule  bonds,1‐3  which  makes  the  dissolution  quite  challenging  but intriguing. Dissolving cellulose in aqueous solution opens up possibilities of  using  cellulose  in  broader  areas.  In  the  current  project,  efforts were putting onto dissolve cellulose and better understand cellulose dissolution in  different  aqueous  media,  and  utilize  cellulose  solution  to  form composites in a greener manner.  Research results 2015 In  year  2015,  cellulose  dissolution  trials  were  performed  in  different aqueous solvents, consequently trials of bio composite compounds based on cellulose dissolution were also conducted. The dissolution of cellulose was performed in 85% phosphoric acid, and in NaOH/Urea solution. After reaching  the  fully  dissolution,  the  stock  solutions  of  different  cellulose concentrations were utilized in different ways.  

62  

1. Utilizing cellulose dissolution to make micro cellulose particle via regenerating in acetone. As shown in Figure 1, cellulose solution was sprayed into acetone solvent and regenerate, by worsening the solvency of cellulose.   

 Figure 1. Cellulose spheres regenerated in acetone.  2. Cellulose dissolution in NaOH/Urea is combined with chitosan 

dissolved in acetic acid to make cellulose‐chitosan composites. As shown in Figure 2, cellulose was dripped into chitosan solution, and with local abrupt pH change, both cellulose and chitosan were regenerated and form composite.  

 Figure 2. cellulose‐chitosan composite particles in wet state. 

  

63  

References x Medronho,  B.;  Lindman,  B.,  Brief  overview  on  cellulose 

dissolution/regeneration interactions and mechanisms. Advances in colloid and interface science 2015, 222 (0), 502‐508. 

x Medronho,  B.;  Duarte, H.;  Alves,  L.;  Antunes,  F.;  Romano, A.; Lindman,  B.,  Probing  cellulose  amphiphilicity. Nordic  Pulp  & Paper Research Journal 2015, 30 (1), 58‐66. 

x Lindman,  B.; Karlström, G.;  Stigsson,  L., On  the mechanism  of dissolution of cellulose. Journal of Molecular Liquids 2010, 156 (1), 76‐81. 

    

64  

Ran Duan, PhD Student Wood fiber to paper yarn  Research results 2015 It  is well  known  that wood  fiber  has three  major  compounds:  lignin, cellulose and hemicellulose. And  each of the three main components of woody biomass  are  themselves  valuable resources.  The  remaining  question  is how  to  selectively  separate  each compound while leave the rest intact in a cost efficient way and, at best, offer an environmentally friendly option. Switchable ionic liquid (SIL) which has the  possibility  to  dissolve,  fractionate  and  functionalize  different wood compounds with an appropriate choice of cations and/or anions choice has been widely studied recently and also come to our mind. A  joint  study  has  been  carried  out  during  2015  with  Åbo  Akademi University  (Finland)  about  the  fiber  stress‐strain  response  of HT‐CTMP pulp treated with switchable  ionic  liquids. To analyses how single fibers affected  by  SIL  delignification  with  zero  span  tensile  stress  test.  The interaction between water and labsheets made from different SIL treated pulp was also briefly studied. To  further utilize wood  fiber,  the process of producing paper yarn  from paper stripe have also been evaluated. Continued  from  last year’s study about paper plasticization, chemicals were applied onto produced paper yarn to modify the appearance and mechanical properties.   

65  

 

  

Illustration:  Light microscope  of  one  of  the  treated  paper  yarn  under  different magnifications.    

66  

Alireza Eivazihollagh, PhD Student

 Recovery of metal ions from aqueous solution In  surface  and  colloid  engineering research  group,  my  main  research centers around techniques, for instance, ion  flotation  and  electrochemical methods  to  recover  metal  ions  from aqueous solution. For this purpose, we aimed  for  fundamental  and  practical advances  in  respect  of  metal  ions treatment  in  process  water  and industrial effluent. Our  study  showed  that  surface  active chelating agent 4‐C12‐DTPA (2‐dodecyldiethylenetriaminepentaacetic acid) can be effectively applied in ion floatation technique to remove metal ions from aqueous solution and concentrate them in foam fraction. In addition, electrochemical method has been used  to  treat separated metal‐chelating surfactant complex such as Cu(II)‐4‐C12‐DTPA by electrodepositing copper ions  onto  the  cathode  and  regenerating  chelating  ligands which  can  be reused in flotation. Toward a better understanding of ion flotation efficiency of 4‐C12‐DTPA in mixtures with different foaming agents, a setup was installed in the Lab for testing and  characterization of  liquid  foam  in  terms of  foam ability and foam stability. In this respect, the different mixtures of chelating surfactant, foaming agents and metal ions solutions were studied to evaluate the role of  foam  properties  in  addition  to  their  solution  behavior  on  process efficiency. My  most  recent  work  includes  synthesizing  cellulose‐metallic nanoparticles  hybrid  materials.  Incorporating  metallic  nanoparticles  in cellulose as a great source of inexpensive raw material results in production of  hybrid  material  with  unique  electronic,  catalytic,  magnetic  and biomedical properties.  

67  

 Photo: The test apparatus used in the measurements of foam property.  

68  

Magnus Norgren, Professor of Chemical Engineering  

My  research  interest  covers  the  area  of surface and colloid chemistry; materials and phenomena.  Specifically  I  focus  on  wood polymers  and  related  conventional  and novel  processes  to  convert  them  to functional materials. I am also interested in special  surfactants with additional  features like metal chelation, and polyelectrolytes.  I am the group leader of Surface and Colloid Engineering  and  hold  a  PhD  in  physical chemistry from Lund University, with Prof Björn Lindman as main supervisor. In  late 2001 I defended my PhD‐thesis “On the physical chemistry of kraft lignin. Fundamentals and applications”. The project was initiated and initially funded by SCA, with Göran Annergren and Dr Lars Wågberg as industrial advisors from the start.  I was involved in Future Resource‐Adapted Pulp Mill project led by STFI‐Packforsk (Innventia) and the development of the LIGNOBOOST process, later commercialized by Metso Power/Valmet. I am co‐inventor of one of the  patents  that  is  the  cornerstone  for  good  precipitation  yield  and filterability of the kraft lignin. In 2004 I was awarded the Alf de Ruvo stipend for my achievements in the area of the physical chemistry of lignin. During  2004‐2005  I did my post doc  at Australian National University, Department of Applied Mathematics in Canberra with Prof Vince Craig. During 2007‐2009  I was working 50% as  researcher at Royal  Institute of Technology, Department of Fiber and Polymer Technology with Prof Lars Wågberg. During 2009‐2010  I was working part  time  for Mid Sweden University’s innovation office, MIUN Innovation. In 2010 I was appointed as full professor of chemical engineering at Mid Sweden University. 

69  

During 2012 I was on leave of absence one year working as the CEO of the spin‐off company ChemseQ  International AB, where  I am one of  the co‐founders.    

70  

Björn Lindman, Guest Professor of Surface and Colloid Chemistry Publications 2015

x Medronho, B., Duarte, H., Alves, L., Antunes, F., Romano, A. & Lindman, B. (2015). Probing cellulose amphiphilicity. Nordic Pulp & Paper Research Journal, vol. 30: 1, ss. 58-66.

x Lindman, B., Medronho, B. & Theliander, H. (2015). Editorial: Cellulose dissolution and regeneration: systems and interactions. Nordic Pulp & Paper Research Journal, vol. 30: 1, ss. 2-3.

x Cuomo, F., Lopez, F., Piludu, M., Miguel, M. G., Lindman, B. & Ceglie, A. (2015). Release of small hydrophilic molecules from polyelectrolyte capsules: Effect of the wall thickness. Journal of Colloid and Interface Science, vol. 447, ss. 211-216.

x Alves, L., Medronho, B., Antunes, F. E., Fernández-García, M. P., Ventura, J., Araújo, J. P., Romano, A. & Lindman, B. (2015). Unusual extraction and characterization of nanocrystalline cellulose from cellulose derivatives. Journal of Molecular Liquids, vol. 210, ss. 106-112.

x Lindman, B. & Medronho, B. (2015). The Subtleties of Dissolution and Regeneration of Cellulose : Breaking and Making Hydrogen Bonds. BioResources, vol. 10: 3, ss. 3811-3814.

   

71  

Dr. Samson Afewerki  Research area of interest

x Development and application of heterogeneous catalysts 

x Valorization of biomasses such as lignin 

x Modification of cellulose, nanocellulose and different types of lignocellulosic fibers 

 Research results 2015 2015 has culminated in 2 publications in  the  area  of  catalysis  by  combination  of  aminocatalysis  and homogeneous/heterogeneous transition metal catalysis and its application in  chemical  transformations.  Furthermore,  within  our  research  area  of interesting  in valorization  of  lignin we have disclosed  3 European PCT applications (one approved). Moreover, a Swedish patent PCT application has been accomplished for the Eco‐friendly preparation and fabrication of nanocellulose.  Samson  Afewerki  has  been  awarded  with  Olle  Engkvist  Byggmästare foundation and Bengt Lundqvist memory  foundation with a scholarship amount  for  a  postdoctoral  study  for  a  period  of  two  years  at Harvard Medical  School  (Brigham  and Women´s Hospital) within  the  group  of Professor Ali Khademhosseini. There he will be working on development of  biomaterials  and  hydrogels  and  its  application  in  the  field  of  tissue engineering.  Publications

x Afewerki, S.; Ma, G.; Ibrahem, I.; Lui, L.; Sun, J.; Córdova, A. ACS Catal. 2015, 5, 1266. Highly Enantioselective Control of Dynamic Cascade  Transformations  by  Dual  Catalysis:  Asymmetric Synthesis of Poly‐Substituted Spirocyclic Oxindoles.        

   

72  

x Xu, C.; Deiana, L.; Afewerki, S.; Incerti‐Pradillos, C.; Córdova, O.; Guo, P.; Córdova, A. Hedin, N. Adv. Synth. Catal. 2015, 357, 2150‐2156.  The  Use  of  Porous  Pd2+‐polyimine  in  Cooperatively‐catalyzed Highly Enantioselective Cascade Transformations.  

 Patents 1.  European  Patent.  PCT/EP2015/056776,  2015  March  27.  ”Efficient Synthesis of Amines and Amides  from Alcohols and Aldehydes by using Cascade Catalysis” Inventors: Armando Córdova, Stockholm, Sweden, Per Berglund,  Stockholm  Sweden,  Mattias  Anderson,  Stockholm  Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.         2.  European  Patent.  PCT/EP2015/075333,  2015  October  30.  ”A  Mild Catalytic Reduction of C‐O Bonds Using a Recyclable Catalyst System” Inventors: Armando  Córdova,  Stockholm,  Sweden,  Carlos  Palo‐Nieto, Sundsvall, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.  3.  European  Patent.  PCT/EP2015/079869,  2016  January  13.  ”Direct mild synthesis of amines from aldehydes by heterogeneous metal‐catalysis and one‐pot  three‐component  synthesis  of  amides  from  aldehydes” Inventors: Armando  Córdova,  Stockholm,  Sweden,  Carlos  Palo‐Nieto, Sundsvall, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.  4.  Swedish  Patent.  PCT/  1551537‐2,  2015,  2015  November  26 “Environmentally  friendly  process  for  the  preparation  of  nanocellulose and  derivatives  thereof”.  Inventors:  Armando  Córdova,  Stockholm, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.        

73  

Armando Córdova, Professor  Research area of interest

x Development and application of hetero‐geneous catalysts (metal and organic) and metal‐free catalysis 

x New multi‐catalytic method strategies for converting biomass to valuable products and materials 

x Valorization of biomasses such as lignin 

x Eco‐friendly surface modification of lingo‐cellulose (e.g. cellulose, various pulps, nanocelluloses and different types of lignocellulosic fibers)  

Research results 2015 Our research has during 2015 culminated in several publications in the area of  catalysis. We  have  also worked  significantly  on  eco‐friendly  surface modifications  of  lignocellulosic materials.  In  particular,  on  the  topic  of “organoclick”  (combination  of  organic  catalysis  and  click  chemistry) modification  of  polysaccharides  several  new  methods  have  been elaborated and  investigated. Here a Swedish patent PCT application has been filed for the Eco‐friendly preparation and fabrication of nanocellulose. Within  our  research  area  of  developing  eco‐friendly  methods  for  the valorization of biomass, we have found new ways of converting lignin to various  products.  This  has  led  to  3  European  PCT  applications  (one approved).  This  part  of  the  research  is  being  commercialized  in collaboration with MIUN  innovation.  Several  new  important  networks have been connected during the year between us and different academic and industrial collaborators leading to exciting research project for 2016. The above research has been awarded a grant from the Swedish Research Council (VR) as well as a grant from the KK‐foundation on the topic of eco‐friendly surface modification of NCC. Prof. Cordova’s long research efforts on  sustainable  catalytic  lignocellulose  modification  have  gone  from academic  research  into  full‐scale  industrial  application  and  production 

74  

based on his innovations.  Here he co‐founded the company Organoclick AB (24 employees) and took part in their 2015 IPO (initial public offering) on Nasdaq stock exchange that was announced on Times Square in New York.  

Selected Publications 1. Córdova, A. Pure Appl. Chem. 2015, 87, 1011. Combined heterogeneous metal/organic catalysts for eco‐friendly synthesis. 2. Kohls, H.; Anderson, M.; Dickerhoff, J.; Weisz, K.; Córdova, A.; Berglund, P.; Brundiek, H.; Bornscheuer, U. T.; Höhne, M. Adv. Synth. Cat. 2015, 357, 1808. Selective access to all four diastereomers of an 1,3‐amino alcohol by combination of a keto  reductase‐ and an amine  transaminase‐catalysed reaction.  3. Afewerki, S.; Ma, G.; Ibrahem, I.; Lui, L.; Sun, J.; Córdova, A. ACS Catal. 2015,  5,  1266.  Highly  Enantioselective  Control  of  Dynamic  Cascade Transformations  by  Dual  Catalysis:  Asymmetric  Synthesis  of  Poly‐Substituted Spirocyclic Oxindoles.                                                                                 4. Xu, C.; Deiana, L.; Afewerki, S.; Incerti‐Pradillos, C.; Córdova, O.; Guo, P.; Córdova, A. Hedin, N. Adv. Synth. Catal. 2015, 357, 2150‐2156. The Use of  Porous  Pd2+‐polyimine  in  Cooperatively‐catalyzed  Highly Enantioselective Cascade Transformations.   Patents 1.  European  Patent.  PCT/EP2015/056776,  2015  March  27.  ”Efficient Synthesis of Amines and Amides  from Alcohols and Aldehydes by using Cascade Catalysis” Inventors: Armando Córdova, Stockholm, Sweden, Per Berglund,  Stockholm  Sweden,  Mattias  Anderson,  Stockholm  Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.         2.  European  Patent.  PCT/EP2015/075333,  2015  October  30.  ”A  Mild Catalytic Reduction of C‐O Bonds Using a Recyclable Catalyst System” Inventors: Armando  Córdova,  Stockholm,  Sweden,  Carlos  Palo‐Nieto, Sundsvall, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.  3.  European  Patent.  PCT/EP2015/079869,  2016  January  13.  ”Direct mild synthesis of amines from aldehydes by heterogeneous metal‐catalysis and one‐pot  three‐component  synthesis  of  amides  from  aldehydes” Inventors: Armando  Córdova,  Stockholm,  Sweden,  Carlos  Palo‐Nieto, Sundsvall, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.  

75  

4.  Swedish  Patent.  PCT/  1551537‐2,  2015,  2015  November  26 “Environmentally  friendly  process  for  the  preparation  of  nanocellulose and  derivatives  thereof”.  Inventors:  Armando  Córdova,  Stockholm, Sweden, Samson Afewerki, Sundsvall, Sweden.        

76  

Robert Norgren, PhD Student Ragn-Sells  New use of bio sludge from pulp and paper industry Bio sludge is a waste that is produced in large amounts at the pulp and paper industry waste water  treatment.  It  is wet  and  has  no  obvious  advantages, therefore few recycling methods are in praxis  but  focus  is  on  disposal. Common  disposal  methods  is incineration  and  composting.  In Sweden and Norway about half of the sludge  is  incinerated,  but  in  Finland almost  all  of  it  is  incinerated. Landfilling  of  the  sludge  is  common  in Chile where  half  the  sludge  is landfilled and the other half is incinerated. Efficient use of material and energy is crucial for future more sustainable industry  practices.  This  is  true  for  primary  products  and  commercial available energy but also for material that today is regarded as waste. The pulp  and  paper  industry  is  subjected  to  a  shift  in  consumer  behavior initiated by modern information technology that results in lower demand for  newspapers.  In  the  future  there  are  reasons  to  expect  increased competition from new producers in countries where the productivity of the forests are higher and  thereby  the production  costs  is  lower. These  two aspects forces the pulp and paper industry in the Scandinavian countries to optimize  the  efficiency of  their mills  and  to  seek  revenues  from new types of products. Biomass waste in general could be recycled for its energy content or after conversion/extraction as a chemical product or a solid material. Different forces  like  legislation, market demand and  scientific  innovations exert a push  or  pull  towards  different  paths  of  recycling.  They  may  either cooperate or counteract each other and the sum of their impact may favor one of these paths.  During 2015 an assessment of the content of the sludge based on a literature study has been performed. In figure 1 and table 1 the results are compiled. The results have been compared to environmental limit values relevant to 

77  

different types of sludge use. The content of metals  in the sludge exceed some of the current limit values and could in a greater extent exceed the future  limit  values  if  they  will  be  lower  than  today.  Therefore  direct application of the sludge can only be a short term solution. Most treatment methods produce either a liquid or solid residue and the metals could be concentrated in any of these, so the metals in the residue must be assessed regardless of which technology is used. To maximize the usefulness of the sludge it is essential to assume that the problem with the metals can be solved. 

 Figure 1. Characterization of bio sludge.  

Table 1. Content of bio sludge. 

 

78  

A  list  of  technologies  for  recycling  of bio  sludge has  been put  together based on what has occurred in the research journals during the last decade. These technologies have then been assessed for their degree of maturity. One of the demarcations for this study is to find technologies available in the near future.  The combined output of these assessments show that the methods below have favorable properties: 

x Production of single cell protein SCP from hydrolyzed fiber sludge x Gasification of sludge x Thermo‐alkali hydrolysis of sludge and use of the solid fraction for 

production of second‐grade cardboard and the liquid fraction for anaerobic digestion 

x Production of hydrogen by supercritical water gasification x Production of lead adsorbent by hydrothermal carbonization 

 

A complementing method for assessment of the recycling technologies has been applied. Based on  the principles of circular economy  the degree of circularity has been assessed by a panel of expertise from a major Swedish waste handling company. The conclusion when adding the circular economy aspect to the assessment is that production of SCP and a lead adsorber are two alternatives that are regarded as both circular and relatively mature.     

79  

Bo S. Westerlind, Researcher  Densified cellulose materials for replacing synthetic yarns and plastic packages The  day  in  2015  when  the countries in the world have used up the sustainable amount of the resources  for  that  year  occurred on August 13. For the remaining days  in  that  year  the  resources being  used  are  borrowed  from coming  generations.  In  order  to push  the  earth  overshoot  day forward  several  actions  are required like, increasing the use of renewable resources while decreasing the use of  fossil based ones. Create a  circular economy by  recycling  the materials. A consequence of  this will be  less of  long  lasting materials  to dispose at landfills or into the sea. In summary, more of the material we use should be recycled, it should come from renewable resources and be biological  degradable.  Cellulose  fibres  are;  available  in  large  volumes, recyclable, degradable and a candidate for replacing fossil based resources in several end use products.   In the past zinc chloride has been used to vulcanise or plasticize cellulose fibres  in order  to densify  the material and achieve higher homogeneity, strength and ductility. This material is still produced and have properties that  is somewhat  like plastics. The drawback is the environmental  issues with zinc chloride and the difficulty with this chemical system to reach high production speed and produce plasticised paper at  low costs. With  ionic liquids,  deep  eutectic  solvents  or  using  alkali  systems  at  freezing temperatures it is possible to dissolve and plasticise cellulose fibres and if that  can be  achieved with high  efficiency at  short  times  then  this  could extend  the use of cellulose based materials. For example, plastics can be replaced  in  some  packaging  applications  and  synthetic  fibres  with plasticised paper yarns in textiles.     The two projects “Plasticized cellulosic composites for packaging materials (COMPAC)”  and  “Designed  for  recycling”  within  the  BioInnovation 

80  

project “Establish locally grown textiles in Sweden” try to find solutions for using bio renewable alternatives for products now being made from fossil based resources. COMPAC  is a  three year EU‐project  (2014‐2016) within the  framework  of WoodWisdom  with  financial  support  from  EU  and Vinnova.  Designed  for  recycling  is  a  Vinnova  financed  project  within BioInnovation.  There  are  three  academic partners  and  eleven  companies  from Finland, Germany  and Sweden  involved  in  the project COMPAC. The  idea  is  to evaluate  solvents  for  cellulose  that  can  be  used  for  partly  plasticising cellulose  fibres  and  make  the  sheets  and  the  fibres  denser  through increased  fibre  lumen  and  fibre  network  collapse.  In  a  dense  cellulosic material with a high degree of bonding between the fibres in the network and  between  the  fibrils  in  the  fibre wall  the material will  have  a more uniform stress  transfer, and hence higher  tensile strength and stretch.  In sulphate  cooking  of  wood  chips,  lignin  and  hemicellulose  are  partly removed  from  the  fibres by using an alkaline  liquor. However chemical cooking and bleaching of wood chips through liquor do not give as strong bonds between the fibres compared to the bonds between the fibrils in the cell wall. A paper consisting of a fibre network dissolves in water while a fibre does not and  the wet  strength of    sheets are much  lower  than  the corresponding dry strength while the wet fibre strength is almost as strong as  the  dry  fibre  strength.  Plasticised  fibres will  vulcanize  or  plasticise together  creating  stronger  bonds  than  those  created  by  cooking  and refining.  These  bonds will  be  strong wet, making  the material  hard  to recycle and perhaps the bonds will be more similar to the bonds between the fibrils in the cell wall. My role in the project is to evaluate stress‐strain properties of the material including fibre strength and fibre‐to‐fibre bond strength through measurements at short spans either  in the plane with a zero span tensile tester or in through‐the‐thickness direction in shear by the notch shear strength test.  The  idea  in the project designed for recycling is to develop and design a bio‐based  screen  wall  that  will  be  recyclable  and  only  contain environmental friendly materials. This is a three year project that started in 2015 and involves two academic partners, two research institutes and six companies.  Evaluating  the mechanical  properties  of  the  screen  and  its constituents is my role in the project.       

81  

Dr. Birgitta Engberg  Improved energy efficiency in high yield pulping During  2015  I  have  been  involved  in several research projects  in  the area of high yield pulping technology.  In the project “Refining of softened TMP fibers”  we  are  developing  non‐conventional  refiner  segment  patterns in  cooperation  with  Valmet  AB.  The objective is to make it possible to refine high yield pulp fibers which have been softened (by high temperature or by the use  of  chemicals)  under  stable conditions.  In  conventional  refining, using  standard  segments,  there  are  often  problems  when  refining  a softened wood material since the refiner gap needs to be very small and the process therefore gets extremely sensitive for any disturbances. With the new segments, fibers can be treated energy efficiently in a wider plate gap which also make  it possible  to use  earlier  suggested methods  to  reduce energy consumption in mechanical pulping. The segment evaluation trials have  up  till  now  been  carried  out  in  pilot  plant  scale,  but  mill  scale evaluations will start during the autumn 2016.  I have also been working with different pretreatment techniques combined with  altered  refining  strategies  with  the  objective  to  increase  process efficiency. As  an  assistant  supervisor  to  Erik Nelsson  (industrial  PhD‐student,  Holmen  AB)  I  have  been  involved  in  the  PhD  project  “Chip pretreatment combined with double disc refining”. When softening  the wood matrix, with  the purpose of  reducing  the  energy  consumption,  the  final pulp properties  are  also  altered which  is not  always desired. However, wood  is a visco‐elastic material which  implies  that deformation rate and “harshness” during refining will affect how “stiff” the material behaves. So, by accomplishing a more intense refining Erik has been able to, in full mill scale, refine a softened material to the desired pulp properties and at the same  time  reduce  the  energy  consumption  by  15%.  In  the  project “Pretreatment strategies for high yield pulps”, wood pretreatment with sodium 

82  

sulfite using different pH‐levels and dosages have been evaluated both by material testing techniques and refining trials in laboratory and mill scale. Together with Olof Ferritsius and Jan‐Erik Berg I have also been involved in “Fix the mix” which was a pre‐study project where we wanted to find a way  to  investigate  if  high  yield  pulp  fibers  (containing  lignin)  can  be developed by pure compression loading. A general opinion has been that this type of fibers can only be developed by shearing off material from the fiber walls. So, we loaded a fiber pad (mill TMP) in pure compression using a hydraulic testing machine. The fibers were compressed 25 times and after each compression the fibers were redistributed in order to treat a maximum number  of  fibers. As  a  reference  the  TMP was  refined  in  the mill  in  a modern double‐disc refiner.  The energy efficiency with respect to increase in  tensile  index  was  14  times  higher  for  the  compression  “refining” compared to common practice.  Finally,  I  have  also  been  cooperating  with  Tampere  University  of Technology, using  high‐speed photography  combined with  high  strain‐rate testing of wood to learn more about wood rheology and the dynamic behavior of wood in hot steam environments. The purpose of these efforts were to find clues to how changed wood properties may affect the process variables during pulp production.  Publications

x Moilanen,  C.,  Björkqvist,  T,  Engberg,  B.A.,  Salminen,  L.I.  and Saarenrinne, P: High  strain  rate  radial  compression  of Norway spruce  earlywood  and  latewood, Cellulose, Publ  online  26 Nov 2015, DOI: 10.1007/s10570‐015‐0826‐5 

x Moilanen,  C.,  Saarenrinne,  P.,  Engberg,  B.A.  and  Björkqvist,  T. (2015): Image Based Stress and Strain Measurement of Wood in the Split‐Hopkinson  Pressure  Bar,  Measurement  Science  and Technology 26(8), DOI: 10.1088/0957‐0233/26/8/085206 

x Berg, J‐E., Sandberg, C., Engberg, B.A. and Engstrand, P. (2015): LC Refining Intensity In The Light Of Forces On Fibres, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 30(2): 225‐229 

 

 

83  

 Photo: His Majesty the King of Sweden came to visit our  

laboratory on Sept 9, 2015.  

   

84  

Olof Ferritsius, PhD Student Stora Enso Experiences from the World of Mechanical Fibres - A Farm Full of Holy Cows? In  1838  Martin  Tupper  stated: “Experience teacheth many things, and all men  are  his  scholars. Yet  he  is  a  strange tutor,  unteaching  much  that  he  hath taught”.  One  of  the  most  fascinating experiences  I  gained  last  year was  to participate  in  the  inspiring  course Scientific philosophy. The insights I got in the course are not untaught this far. However,  other  stuff  have  been untaught. I will share three of them with you. I perform my PhD work in close cooperation with mills. One of the basic ideas is to make it possible for the operators to consistently deliver pulp of uniform quality to the paper and board machines. However, it is not at all well‐defined what should be uniform and how to define a “good enough” level.  A  part  of  my  work  is  to  shed  some  light  on  those  issues.  The possibilities to reduce the specific energy input in refining will increase if a lower average fibre length can be accepted in the products. Therefore it is of  outmost  importance  to  have  relevant measures  of  the  average  fiber length.  Since the fibers exhibit a wide distribution in length, an average length can be calculated  in many ways. A mean value  (numerical average) pay  too much  attention  to  the  fines.  The  by  far most  common way within  the industry as well as academia is to use the average length‐weighted length. Even more influence of the longer fibres on the average will be exerted if each fibre is weighted based on its length in square. In a general form, the average  fibre  length  (AFL)  can  be  calculated  according  to  the  equation shown in Figure 1 where p=0 corresponds to the mean, p=1 equals length‐weighted,  and  p=2  the  length‐length‐weighted.  L  is  the  length  of  the individual fibre.  To broaden our experience we performed a mill study where three grades of wood raw material were refined to CTMP. Round wood chips had the 

85  

shortest fibres while saw mill chips had the longest, which remained after refining. We also ran a 50/50 mixture of  these  two grades. Average  fibre length was measured for the chips as well as for the corresponding CTMP.  The degree of correlation, R2, between the average fibre length, AFL, in the wood and AFL in the CTMP as a function of how fibre length was weighted (p)  is  shown  in  figure  1. The mean gave  a  rather high R2,  although  the correlation  was  negative(!).  Using  the  well‐established  average  length‐weighted length gave no correlation between wood and CTMP. The length‐length‐weighted  value  gave  an  almost  perfect  fit.  Conclusion:  how  to define  average  fibre  length  was  untaught.  (Already  in  1942  Clark suggested to use the average length‐length‐weighted value so we may have to wait just another 74 years …) Common practice says that in order to produce a high‐quality pulp energy‐efficiently we have to fractionate fibers in screens and hydro cyclones and treat undeveloped and thick‐walled fibers as well as shives in reject refiners. However, based on  a BAT  study  (Best Available Technology) where  16 modern  TMP  and  CTMP  lines were  evaluated with  respect  to  quality development  and  energy  efficiency  we  could  formulate  the  following hypothesis: “Correct conditions in the primary refiner stage followed by a very simple post treatment, which develops the fibers  just enough to the required  level,  is  a  feasible way  to  reduce  the  specific  energy  input  in mechanical pulping”. Conclusion: how to design a process was untaught.  Common practice also says that fibres should be treated with a high degree of shear forces in refiners in order to be developed energy‐efficiently. To study the importance of the shear forces we took a mill TMP and treated it with  pure  compression  in  a  material  testing  system.  The  fibers  were compressed  several  times.  After  each  compression  the  fibers  were redistributed in order to treat a maximum number of fibres. As a reference the TMP was  refined  in  the mill  in  a modern double‐disc  refiner.   The energy  efficiency with  respect  to  increase  in  tensile  index was  14  times higher  for  the  compression  compared  to  common  practice,  Figure  2. Conclusion: how to treat fibres energy‐efficiently was untaught. Lessons learned: Less is more, do things simple but not too simple, even holy cows may give milk.   

86  

 Figure 1.   

 Figure 2.  

87  

Dr. Ida Svanedal Research results 2015 I am a  researcher  in  the group Surface and  colloid  engineering. My  focus  is  on metal chelators combined with surface and  colloid  chemistry.  Chelating surfactants, which  was  the  subject  of my  thesis,  is  one  such  example.  The dual  functionality  of  chelating surfactants  makes  them  very interesting  from a  technology point of view. The chelating moiety is designed to capture specific metal ions, while the surface  active  part  provides  a way  of separating the formed complex from a water  solution.  These  molecules  also  show  very  interesting  surface properties due  to  their  large and highly  charged head groups. We have been  using  neutron  and  X‐ray  reflection  measurements  to  study  the adsorption behavior of these molecules, with the purpose to examine the correlation  between  surface  tension  and  surface  excess  concentration  as well as describing the adsorbed layer. Measurements on the kinetics of the adsorption process were done in May at ISIS at the Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire, United Kingdom.  April was the start of the two year career program Meriteringsprogrammet at Mid Sweden University, where I am one of the 30 participating young scientists. This program gives me the opportunity to enter another research field:  regarding  dissolution  of  cellulose  in  aqueous  based  solvents. Increased knowledge on this subject will enhance the possibilities of using wood‐based cellulose in textile and composite materials.  

   

88  

Mats Paulson, PhD Student Sylvestris  Development of a domestic forest based tanning agent The project aims to develop a domestic and  forest  based  tanning  agent  by studying  tanning  properties  of  bark extracts. Use of a  forest based  tanning agent  is  more  environment  friendly than chrome tanning which is the most used tanning method. Tanning of hides to get leather has been done  in  laboratory  and  in  pilot  scale. Bark extracts have been analysed before and after tanning in order to identify the substances that are involved in the tanning. Trials have shown that  it  is possible to get effective tanning from bark extracts. Tanning means chemically  that protein chains  (collagen) get crosslinked and  that  the  protein  chains  are  permanently  fixed  apart. Well‐tanned leather retains the properties of flexibility, toughness, wear and its ability to breathe. Tanning  shows  similarities  to vulcanization of  rubber where polymer chains are crosslinked with different chemicals.   

   

89  

Lina Viklund, PhD student  Research results 2015 My  research  started  in  the  summer of 2015  and  has  been  focusing  on  bark beetle  pheromones.  Bark  beetle outbreaks are a major problem  for  the forest  industry,  causing  substantial economic  losses.  In  recent  years,  two main  species  have  been  involved  in bark  beetle  outbreaks  in Västernorrland. Large amounts of trees have  been  killed  not  only  by  the European  spruce  bark  beetle  Ips typographus, which is a well‐known pest species,  but  also  by  the  small  spruce bark beetle Polygraphus poligraphus.  The aim of my project is to develop an efficient  pheromone  bait  which  can  be  used  to  study  and  monitor Polygraphus poligraphus, as well as in the future, to protect exposed forests in  an  environmentally  friendly  way.  Pheromone  traps  offer  a  species‐specific method of catching and reducing the populations of pest insects. There are two other Polygraphus species which are difficult to differentiate from P. poligraphus and the potential damage they can cause is not known. The ongoing project also aims to determine the structure of the pheromones used by these species, so that they too can be studied and monitored. In  the  future,  I will also  focus on various rare  insects and  their chemical communication. For many endangered species, pheromones are not known, but finding them could be of great help in conservation efforts. In this case, pheromone traps could be used to catch the insects, invent them and then release  them.  This would  be  a way  of monitoring  endangered  insects without harming them.  

90  

 Figure 2: A pheromone trap from the 2015 field study.   

   

91  

Rizan Rahmani, PhD Student  

Background Rizan  Rahmani  received  her  BS  (Pure Chemistry) and MS (Organic Chemistry) in 2010 from Iran, since March 2012 she has  become  a  PhD  student  at  Mid Sweden  University  under  the supervision of prof. Erik Hedenström.  Area of Interests Her  area  of  research  is  analysis, identification  and  synthesis  of semiochemicals related to pheromone of pest insects.  Current research Her main research project is to analyze and identify bioactive compounds. She has been working with extracts of insects; Pine sawfly, Salts marshes moth, plants; Daucus carota, Coleus forskohlii, Tripterygium wilfordiior and in some cases alive insects such as Polygraphus poligraphus.  

   

92  

Joel Ljunggren PhD Student  Research results 2015 With  a  multidisciplinary  background  in biology, programming and chemistry, I am currently  neck‐deep  within  the interdisciplinary  cross‐over  between ecology  and  chemistry.  I  am  especially active  in  the  development  of  effective methods  that  find  biologically  relevant information from complex systems. Areas  of  interest  include:  Method optimization,  DNA  sequencing  and organism  taxonomy,  bioassays  and  their corresponding  biological  “Big  Data” analysis e.g. gen‐ and metabolomics.   During  2015,  I  have  been  finalizing  my  laboratory  work  with  wood‐decaying fungi and in particular their inhibition using topical agents from a  natural  source.  A  field  experiment  is  currently  ongoing  where,  our putative, antifungal compounds are pitted against commercial products. I  am  also  investigating  the  production  of  bioactive  compounds  when wood‐decaying fungi interact with each other. Bioactivity is a catch‐all term for when any kind of compound has a noticeable effect, be it:  inhibitory, attractant, repellant or inducing. A preliminary, and striking result, is the low  levels of pH observed when  fungi  combat  each other  compared  to when they are allowed to grow at their leisure. In addition, the compounds that fungi produce when interacting may well be novel compounds with yet unknown potential.  I am currently working with information extraction from biological data in a joint project together with The Swedish Agricultural University in Alnarp and their investigation: Volatile attraction of the Spodoptera, spp larvae to their proposed mutualistic yeast. In April 2015,  I presented my  licentiate  thesis with  the  title: “Biochemical Interactions of Some Saproxylic Fungi”    

93  

Wennan Zhang, Associate Professor Research results 2015 I  am  the  leader  of  the  Bioenergy research group at FSCN. The research is directed  to  the  thermo‐chemical conversion of biomass  into  syngas  for the  downstream  production  of electricity,  automotive  fuels  and chemicals,  such  as  DME,  FT  fuels, methanol, ethanol, synthetic natural gas (SNG), hydrogen etc. It is so called BTL (biomass  to  liquids).  In  my  current work, the objectives are:

x to  develop  a  pilot‐scale  dual fluidized  bed  gasifier  (DFBG)  for  production  of  a  high  quality syngas 

x to simulate the biorefinery concept when the gasifier is integrated in a mechanical pulp fibre line.   

The  research  emphasis  on  developing  and  improving  gasification technology by the use of catalytic bed material and internal reformer in the Mid Sweden DFBG and simulation of biomass‐to‐ethanol/Bio‐SNG in the context of a mechanical pulp mill. The current projects are:  

x Bio2Fuels2030, pre‐study, funding from EU regional development funds 

x Fuel Flexibility, Funding from LKAB x Swedish Gasification Centre, as a member  in  the centre,  funding 

from Swedish Energy Agency   

The Mid Sweden University DFBG is a 150 kW indirect biomass gasifier as shown here, which was developed by the Bioenergy research group.  

94  

 

Publications x Göransson K., Söderlind U., Henschel T., Engstrand P. & Zhang W. (2015). 

Internal  tar/CH4  reforming  in  a  biomass  dual  fluidised  bed  gasifier, Biomass Conversion and Biorefinery, 5, pp. 355‐366.  

x Göransson  K.,  Söderlind  U.,  Engstrand  P.  &  Zhang  W.  (2015).  An experimental study on catalytic bed materials in a biomass dual fluidised bed gasifier, Renewable energy, 81, pp. 251‐261.  

x Zhang W., He J., Engstrand P. & Björkqvist O. (2015). Economic evaluation on bio‐synthetic natural gas production integrated in a thermomechanical pulp mill, Energies, 8 (11), pp. 12795‐12809.  

 

   

95  

Dr. Louise Logenius  Pretreatment strategies of high yield pulps The  focus  of  my  research  is  wood chemistry, bleaching and pretreatment strategies. During  2015  I  have mainly worked with sulphonation of high yield pulps. Sodium sulfite or bisulfite is the most  common  chemicals  used  for pretreatment  of  wood  chips  prior  to refining.  Sulphonic  groups  are introduced  in  the  lignin  making  the wood  matrix  softer.  The  experiments have  been  carried  out  in  lab,  pilot  as well as in mill scale.  The mechanical properties of wood material is altered by sulphonation. The pH  in  the  sulphonation  stage  also  have  an  impact  on  the  resulting properties. The maximum stresses that were registered during shear testing of wood samples were decreased with increased sulphite charge and pH, Figure 1.  The samples sulphonated at acidic pH did not soften notably. This is partly explained  by  introduction  of  less  sulphonic  groups  than  at  alkaline conditions.  Less  carboxylic  acids  are  created  at  acidic  pH  and  a  large amount of the carboxylic acids are un‐dissociated at low pH and does not contribute significantly  to swelling  the  lignin. The amount of  introduced sulphonic acid groups is not sufficient to overcome this. Split‐Hopkinson testing, (high speed compression testing) showed similar trends  as  the  shear  tests.  The  friction  measurements  showed  that  for samples  sulphonated  at  alkaline  pH  the  registered  friction  coefficients increased with sulphonation degree. Softening of the wood material led to an increased friction coefficient, which most likely could be explained by that a larger part of the wood surface and bulk was deformed.  In  conclusion,  all  three  laboratory measurement  techniques used  in  this study  showed  similar  trends:  Sulphonation  at  neutral  to  alkaline  pH resulted in a softer wood material and the wood softening was increased as the sulphite charge was increased. Increasing the testing temperature in 

96  

the testing softened the material further. However, sulphonation at low pH did not soften the wood material notably.    

Figure 1. Results from shear testing at 20°C.  The  wood  samples  were sulphonated  using  various  sulphite charges and pH. 

Figure 2. Freeness of pretreated wood chips  wing  refined  at  1500  kWh/t correlated to the maximal shear stress of pretreated wood samples.  

 Pulp were produced in lab‐scale using a wing refiner. For pulp produced at  neutral  or  alkaline  conditions,  introduction  of more  anionic  groups resulted in a softer material and therefore a higher freeness level at the same energy  input. At  low  pH  the  trend was  opposite,  the  pulps  had  lower freeness. The amount of sulphonic acids in the pulps produced at low pH was slightly lower than for the alkaline pulps at the same charges. The less softened wood material  is probably  a  consequence of  low pH. Figure  2 shows the correlation of maximal shear stress and pulp freeness. When wing refining softened wood chips at constant plate gap, many of the loading cycles probably never reached the yield strength of the material. A  large part of  the  applied  energy  therefore went  into hysteresis  losses instead  of  creating  structural  changes.  This  draws  attention  to  the importance of applying larger strains to efficiently refine a softened wood material.  

   

6.0

6.4

6.8

7.2

7.6

8.0

0 1 2 3Sulphite charge %

Max. shear stress (MPa) pHpHpH

R² = 0.7665

500

600

700

800

900

4.4 4.6 4.8 5 5.2Max. shear stress (MPa)

CSF (ml) pH

pH

pH

97  

Tetsu Uesaka, Professor, Complex Materials Group What was new in 2015 Complex  Materials  Group  tackles REAL issues in the industry, which are difficult  and  often  fundamental  in nature.  Today’s  grand  challenge, “Transformation  of  the  Forest Products  Industry”,  provides  a fascinating opportunity to tackle such problems.  “What new value should we create for liner and flute boards?” This is a hard question, as these packaging products are  highly  matured  and  many conceivable ideas have been already implemented.  PhD student, Amanda Mattsson, is investigating this problem from a completely new perspective by analysing complex stochastic failure of fibre networks. She found that what customers see in end‐use is not strength per se, but “reliability and durability”. These properties are a missing piece in today’s product design puzzle,  and  also  becoming  a prerequisite  for materials  for  the  sustainable society. The project is now moving into the stage of designing light‐weight structures based on these new performance metrics. This project is financed by KK Foundation. Today,  a  large  proportion  of  forest‐based  fibres  are  used  for  various hygiene products, such as tissues, towels, diapers, and feminine products. Fibre network is the most fundamental structural framework that controls almost  every  functionality  of  these  products.  The  question  is  “How  to design such fibre networks that will meet  increasingly acute demands of consumers?”,  or  “What  fibres  are  required  for  these  products?” Postdoctoral fellow, Shakhawath Hossain, and PhD student, Per Bergström, started ground‐breaking work by  introducing a new computational  tool (particle‐based methods for soft matter). The model has already revealed, in an unprecedented  level of details, how  fibres are oriented, deposited, and deformed to form a fibre network during the consolidation, and how pores  insides  are  opened  or  collapsed  in  a  complex compression/decompression  cycle.  These  pieces  of  information  are 

98  

essential  for  answering  questions  encountered  in  new  product development  for  these  products.    This  project  is  also  financed  by  KK Foundation. In 2015 we also took new initiatives by defining two new projects: one is, in the healthcare area, biomechanics of human skin, which addresses the issue of pressure ulcer, a silent epidemic in today’s care facilities of seniors. The project is financially supported by Bo Rydin Foundation. The other project is  on  jamming  transition  in  granular  flow,  which  concerns  the  feeding problem of wood chips  in a double‐disk  refiner, a bottleneck  for energy efficiency,  production  efficiency,  and  quality  control.  The  project  is supported by Energy Agency  in Sweden  (PhD  student, Daniel Raposo).  Both projects will start in 2016.  In 2015 I had an opportunity to visit Japan to attend a conference and also to discuss with people in Japanese industries. Again the topic is “Industry transformation”. This problem is most acute for Japanese paper industries and also chronic for many years, as the highest energy cost, highest fibre cost, highest labour cost, and plus fierce competitions within the domestic market persist. At the same time, research on new bio‐based products and forest‐based bio‐refinery already abounds, particularly  in  the  industries. The people now poses a question, “What else should we do?” Our quest will continue!  

Journal Publications x Mattsson,  Amanda,  and  Tetsu  Uesaka.  ”Time‐dependent 

statistical failure of fiber networks”. Physical Review E 92.4 (2015): 042158. 

x Alimadadi, Majid, and Tetsu Uesaka. “3D‐oriented fiber networks made by foam forming”. Cellulose: 1‐11.  

Conference Presentation x Uesaka,  T.,  “Complex  matters:  Things  that  matter”,  Keynote 

lecture, Tokyo Paper 2015, Joint International Conference of Paper Physics and Paper and Coating Chemistry, Tokyo, Japan, Oct. 29‐Nov. 1st, 2015.  

 

99  

Seminar x Uesaka, T., “Micro‐fluidics in fibre network”, invited at Research 

Seminar of Society of Fibre Science and Technology, Tokyo, Japan, Nov. 2nd, 2015. 

 

  

Illustration: Complex system is an emerging science area, which aims at solving complex problems in science, engineering and society. Complex Materials group uses the concepts and methodologies in Complex Systems Science to try to solve our industry’s and our society’s challenges.  

 

Complex Systems

Emergence over scalesPattern

formation

Collectivebehaviour

Scaling

Chaos

Self-Organisation

Order

100  

Md Shakhawath Hossain, Post-doctoral fellow Per Bergström, PhD student

 Fibre Network Design: Applications to Hygiene Products A fibre network is the key structural component for hygiene products, such as tissues, towels, diaper, feminine products, etc. In these products, fibres are randomly oriented, distributed and bonded  to each other  to develop the  complex  fibre  network  structure.  In  order  to  meet  increasingly competitive markets  for  such  products,  existing  design  criteria  of  fibre network need to be further sharpened and upgraded. The microscopic level of  information of  the  fibre network mechanics can play a critical  role  to improve the quality of the existing products and to develop new products.  Computational modelling  and  simulation  of  the  complex  fibre  network provide crucial insights and understanding regarding the mechanical and physical properties of the fibre network which strongly depend on single fibre  properties,  fibre‐fibre  interactions,  network  configuration,  and topology.  In  this project, a new particle‐based  computational model has been developed  to  present  the microscopic details  of  the  fibre  network structure generation. The developed model is also capable of investigating the  deformation  and  failure  mechanics  of  the  generated  network  in compression or tension. In  this  discrete  particle‐based  fibre  network  model,  each  fibre  is represented  by  a  number  of  particles which  are  bonded  together with viscoelastic springs. The three‐dimensional equilibrium shapes of the fibres are  defined  by  the  equilibrium  bending/twisting  angles  between  the neighbouring  particles.  Each  pair  of  bonded  particles  can  undergo 

101  

stretching,  compression,  shearing,  bending  and  twisting  due  to  their relative  linear  and  rotational  motion.  The  generation  of  network  is modelled by depositing fibres under gravity and pressure gradient and by consolidation by  compression. The discrete, bonded particle‐based  fibre network model described here is flexible enough to represent complex fibre shapes  and  fibre  network  structures,  and  also  complex  mechanical behaviour in three dimensions.  

 

Illustration: Fibres  are  deposited  on  a  virtual wire under  gravity  and pressure gradient, like air‐laid process for nonwoven. The model provides precise details of how fibres interact during deposition and how the fibre network structure evolves in the process.   

 

102  

Amanda Mattsson, PhD student Light-weight Structural Composites from Fibre-based Materials Research results The  overall  goal  of  this  project  is  to develop  light‐weight  structural composites from fibre‐based materials. Light‐weighting  contributes  to  the sustainable  society  through  (1)  the reduction  of  energy  use  in transportation  vehicles  (automobiles, aircrafts,  trains,  and  ships),  (2)  the reduction  of energy/material/water/labour use in materials manufacturing, and finally (3)  the  use  of  renewable  biomaterials  (forest‐based  fibres).  Examples  of light‐weight structural composites and applications are shown in Fig. 1.  

                         

Fig. 1. Unlike traditional composites, which are made from two or more constituent materials,  light‐weight  structural  composites  consist of a  structure of materials mixed with “air”. To the left is a Truss structure, and to the right is a Honeycomb structure used for the shells of an aircraft and a high‐speed train.  

For  this  purpose  we  developed  a  probabilistic  design method  for  the structural composites. This method is distinct and novel from traditional strength‐based criteria, because it represents “true performance” that end‐users see. It also prevents high safety factor and product overdesign that 

103  

the strength criteria often cause. We found that durability and reliability are the new performance metrics for materials for the sustainable society.  

During the year of 2015 a Monte‐Carlo simulation model of a fibre network was  further developed  in order  to understand how  fibre properties and network structures affect the durability and reliability. In parallel we have been  performing  experiments  of  liner  and  flute  boards,  and  we  will conclude the experiments during 2016.    

Achievements of the year Journal articles

x Mattsson,  A.  and  T.  Uesaka  (2015).  Time‐dependent  statistical failure of fiber networks. Physical Review E 92(4): 042158. 

Presentation at international conference x Mattsson, A., and Uesaka, T., Characterisation of time‐dependent, 

stochastic  failure  of  fibre‐based  materials,  Tokyo  Paper  2015, International  Joint Conference  of  Paper  Physics  and  Paper  and Coating Chemistry  Symposium,  Tokyo,  Japan, Oct.  29‐Nov.  1st, 2015. 

Invited talks x Mattsson,  Amanda,  Time‐dependent  stochastic  failure  of  fibre 

network,  at  Dept.  Mechanical  Engineering  Science,  Kyoto University, Kyoto, Japan, Nov., 2015. 

x Mattsson,  Amanda,  Time‐dependent  stochastic  failure  of  fibre network,  at Dept.  Forest‐based  Bio‐materials, Kyoto University, Kyoto, Japan, Nov., 2015. 

Seminars x Mattsson,  Amanda,  Light‐weight  Composites  from  Fibre‐based 

Materials:  Reliability‐based  Design,  BillerudKorsnäs,  Gruvön mill, Grums, Sweden, Oct., 2015. 

x Mattsson,  Amanda,  Light‐weight  Composites  from  Fibre‐based Materials:  Reliability‐based  Design,  SCA,  R&D  Centre  and Munksund mill, Sundsvall, Sweden, Nov., 2015. 

   

104  

Daniel Filipe Estradas Raposo, PhD Student Jamming Transition in Granular Flow: Applications to Infeed Control in Double Disk Refiner My PhD project concerns  the granular flow  in  the  onset  of  jamming.  This problem  is  closely  related  to  an industrial problem, “clogging of wood chips  in  the  infeed  section  of  double disk  refiner  in  mechanical  pulping”. The  problem  not  only  reduces  the production efficiency and thus the loss of  energy  efficiency  in  the  double  disk  refiner,  but  also  creates  the fluctuations of consistency and pulp quality. The  jamming  transition  has  been  recently  highlighted  in  the  statistical physics  literature (e.g., [1], [2] and [3])  in the case of static (non‐flowing) granular packs. This project will extend the previous studies to those cases of  jamming  in  a  flowing  current of particles,  either due  to high density fluctuation (like traffic  jams) and/or due to Hopper‐flow like  jamming in non‐linear  flowing  geometries,  by  using  a  numerical method  “Discrete Element Method (DEM)”. The  purpose  of  the  project  is  to  better  understand  the  not‐well‐known phenomena of clogging in the infeed section of double‐disk refiner on the wood chip  level, and devise design criteria  for  the process.   The project  is financially  supported  by  Energy  Agency,  and  is  performed  in  close collaboration  with  the  High‐Yield  pulping  group,  and  Valmet  as  an industrial partner.  

105  

 Illustration:  Flowing of non‐bonded particles in a tube.    References

1. OʹHern C S, Silbert L E, Liu A J and Nagel S R 2003 Phys. Rev. E 68, 011306 

2. Makse HA, Gland N, Johnson DL and Schwartz L 2004 Phys. Rev. E 70, 061302 

3. Zhang H P and Makse H A 2005 Phys. Rev. E 72 011301    

106  

Dr. Sven Norgren Development of CTMP & TMP Technologies Research results 2015 During  2015  I  have  been  involved  in several research projects  in  the area of high yield pulping technology, all more or  less  focused  on developing  of  new technologies, which can be used in the TMP and CTMP  industry.  I have been working  in  cooperation  with  Gunilla Pettersson at FSCN. Advanced  HYP  for  paperboard:  The project  started  in  April  2015  in cooperation with SCA Östrand, Stora Enso and Valmet. Here  the project goal is to develop and demonstrate techniques, based on hardwood (CTMP) particularly birch,  to be used  in manufacturing of paperboard. The  total energy consumption in refining of such hardwood CTMP should be lower than  700  kWh/ton,  to  be  compared  to  about  1200  kWh/ton  in  standard CTMP manufacturing. The CTMP  should preferably  be used  in middle plies in a paperboard, which will offer an opportunity to reduce grammage with given bending  stiffness  and  improve brightness  as well  as  surface smoothness in final products. At present a main obstacle to use birch CTMP in  some paperboard qualities, e.g.  liquid board,  is a  too high  content of extractives.  These  can  cause  problems  with  odour  and  taste  from  the packaging  material  or,  in  the  worst  case,  from  the  packed  products. Improved  techniques  have  to  be  developed  to  make  birch  CTMP  an attractive  complement  to  spruce  CTMP  for  the  paperboard  industry. Recently, a full scale test‐trial at SCA Östrand were performed, where HT‐CTMP (high‐temperature) from birch was manufactured,  in combination with  suitable  refiner  segments and different  refiner  line  settings    it was possible  to  achieve  an  energy  reduction  by  up  to  30  %.  Analyses  of extractives from different positions in the mill were examined. A pilot plant trial at Valmet has also been carried out  together with Valmet and Stora Enso Research, where LC‐refining on different birch pulps were studied. 

107  

Market pulp of CTMP with doubled the strength properties: In this project funded by Nils and Dorthi Troëdsson Research Foundation, we intend to develop a process concept where the fibers in market pulps can be surface modified already in the pulp production. Based on a pre‐study a realistic goal  for  the project  is  to double  the  strength  properties  (tensile  and Z‐strength)  for market  pulp made  of  CTMP  (wood  yield  about  90%).  A successful  outcome  of  the  project  may  make  it  possible  to  compete successfully, with regarding both cost and quality, with chemical market pulp  (wood yield  about  50%)  in manufacturing of paper products with such  high  strength  requirements  that  todayʹs  high‐yield  pulp  is  not  an interesting option. Strong paper: Project  title  in which several projects with similar goals  is gathered. Projects have been financed by Processum, Åforsk and Swedish Energy agency and in cooperation with MoRe Research and Stora Enso. In these projects we have mainly concentrated our efforts on broadening the quality  profile  of  lignin  rich  high  yield  pulps  (mainly  CTMP)  at development  of  new  process  technology  that  can  widen  the  use  in paperboard  qualities where  high  bulk  at  certain Z‐strength  is  the main priority. However, we have also found that it would be possible to reach very high strength levels of CTMP based sheets if there is no demand on high  bulk. During  laboratory  tests we  have  found  that  press‐drying  at temperatures exceeding 100°C of sheets from surface treated CTMP‐fibres, can  achive  both  very  high  tensile  strength  and  very  high  compression strength (SCT). The quality profile of these laboratory sheets from HYP is well  in  level with or better  than what  today  is  the demand  for different packaging paper materials where very high strength is highly prioritized, i.e.  liner,  fluting  and  paper  bags.  Preliminary  results  show  that  press‐drying with surface treated CTMP fibres produce at 1200 kWh/bdmt can give  tensile  index >80 Nm/g at a sheet density of 750 kg/m3. The  tensile stiffness and compression strength (SCT) is similar or better compared to what is normally reached with commercial chemical pulp based liner. Other projects:    I  have  been  assistant  supervisor  to PhD  student  Sinke Henshaw and working with studies within the field of nano ligno cellulose.  Publications Journals

x Pettersson, G.  , Höglund, H.  , Norgren, S.  , Sjöberg, J.  , Peng, F.  , Hallgren, H. , Moberg, A. , Ljungqvist, C. & et al. (2015). Strong and 

108  

bulky  paperboard  sheets  from  surface  modified  CTMP, manufactured at low energy. Nordic Pulp & Paper Research Journal, vol. 30: 2, ss. 318‐324. 

 Conference proceedings

x Henshaw Osong, S.  , Dahlström, C.  , Forsberg, S.  , Andres, B.  , Engstrand,  P.  ,  Norgren,  S.  ,  Olin,  H.  &  Engström,  A.  (2015). Development  of  CTMP‐based  nanofibrillated Cellulose /nanographite composites for paper applications. 

    

109  

Dr. Gunilla Pettersson  Development of CTMP & TMP Technologies Research results 2015 During  2015  I  have  been  involved  in several research projects  in  the area of high  yield  pulping  technology.  The projects  have  mainly  focused  on developing  of  new  technologies, especially for manufacturing of folding boxboard and liquid packaging board. I have been working in cooperation with Sven Norgren at FSCN. The  project  “Advanced  HYP  for paperboard” started in April 2015 in cooperation with SCA Östrand, Stora Enso  and Valmet. Here  the project  goal  is  to develop  and demonstrate techniques, based on hardwood (CTMP) particularly birch, to be used in manufacturing of paperboard. The total energy consumption in refining of such hardwood CTMP should be lower than 700 kWh/ton, to be compared to  about  1200  kWh/ton  in  standard  CTMP manufacturing.  The  CTMP should preferably be used in middle plies in a paperboard, which will offer an  opportunity  to  reduce  grammage with  given  bending  stiffness  and improve  brightness  as well  as  surface  smoothness  in  final products. At present a main obstacle to use birch CTMP in some paperboard qualities, e.g.  liquid  board,  is  a  too  high  content  of  extractives.  These  can  cause problems with odour and taste from the packaging material or, in the worst case, from the packed products. Improved techniques have to be developed to make birch CTMP an attractive  complement  to  spruce CTMP  for  the paperboard industry. Recently, a full scale test‐trial at SCA Östrand were performed,  where  HT‐CTMP  (high‐temperature)  from  birch  was manufactured, in combination with suitable refiner segments and different refiner line settings  it was possible to achieve an energy reduction by up to 30 %. Analyses of extractives from different positions in the mill were examined. A pilot plant trial at Valmet has also been carried out together with Valmet and Stora Enso Research, where LC refining on different birch pulps were studied. 

110  

In a project  funded by Nils and Dorthi Troëdsson Research Foundation, “Market pulp of CTMP with doubled the strength properties” we intend to develop a process concept where the fibers in market pulps can be surface modified already in the pulp production. Based on a pre‐study a realistic goal  for  the project  is  to double  the  strength  properties  (tensile  and Z‐strength)  for market  pulp made  of  CTMP  (wood  yield  about  90%).  A successful  outcome  of  the  project  may  make  it  possible  to  compete successfully, with regarding both cost and quality, with chemical market pulp  (wood yield  about  50%)  in manufacturing of paper products with such  high  strength  requirements  that  todayʹs  high‐yield  pulp  is  not  an interesting option. In the project “Refining of softened TMP fibers” we are developing non‐conventional refiner segment patterns in cooperation with Valmet AB. The objective is to make it possible to refine high yield pulp fibers which have been softened (by high temperature or by the use of chemicals) under stable conditions.  In  conventional  refining, using  standard  segments,  there are often problems when refining a softened wood material since the refiner gap  needs  to  be  very  small  and  the  process  therefore  gets  extremely sensitive for any disturbances. With the new segments, fibers can be treated energy efficiently in a wider plate gap which also make it possible to use earlier  suggested methods  to  reduce energy  consumption  in mechanical pulping. The segment evaluation trials have up till now been carried out in pilot plant scale, but mill scale evaluations will start during  the autumn 2016. Strong paper: This is a title in which several projects with similar goals are gathered.  The  projects  have  been  financed  by  Processum,  Åforsk  and Swedish Energy Agency and in cooperation with MoRe Research and Stora Enso. In these projects we have until now mainly concentrated our efforts on broadening the quality profile of  lignin rich high yield pulps (mainly CTMP) at development of new process technology that can widen the use in paperboard qualities where high bulk at certain Z‐strength is the main priority. However, we have also found that it would be possible to reach very high strength levels of CTMP based sheets if there is no demand on high  bulk. During  laboratory  tests we  have  found  that  press‐drying  at temperatures exceeding 100°C of sheets from surface treated CTMP‐fibres, can  achieve both very high  tensile  strength  and very high  compression strength (SCT). The quality profile of these laboratory sheets from HYP is well  in  level with or better  than what  today  is  the demand  for different packaging paper materials where very high strength is highly prioritized, 

111  

i.e.  liner,  fluting  and  paper  bags.  Preliminary  results  show  that  press‐drying with surface treated CTMP fibres produce at 1200 kWh/bdmt can give  tensile  index >80 Nm/g at a sheet density of 750 kg/m3. The  tensile stiffness and compression strength (SCT) is similar or better compared to what is normally reached with commercial chemical pulp based liner.   

Publications Journals

x Pettersson, G.  , Höglund, H.  , Norgren, S.  , Sjöberg, J.  , Peng, F.  , Hallgren, H. , Moberg, A. , Ljungqvist, C. & et al. (2015). Strong and bulky  paperboard  sheets  from  surface  modified  CTMP, manufactured at low energy. Nordic Pulp & Paper Research Journal, vol. 30: 2, ss. 318‐324. 

  

 

    

112  

Dr Thomas Öhlund, Researcher  Research results 2015 Low‐cost solution‐processing of highly  conductive  films  is important  for  the  expanding market  of  printed  electronics. For  roll‐to‐roll  manufacturing, suitable  flexible  substrates  and compatible  sintering  are essential. During  the year,  two studies  were  published, elaborating  on  a  special  paper design concept. Not only  is the paper  design  compatible  with the  requirements  for sintering of  solution‐processed metal  films, but  the design actually facilitates 1) Intense pulsed light processing of copper films. 2) Low temperature sintering of silver nanoparticle films.    Inkjet fabrication of highly conductive copper patterns was performed by utilizing  special  coated  papers.  The  effectiveness  and  reliability  of  IPL processing of water‐based CuO dispersion were improved by using papers with a porous CaCO3 precoating. The performance advantage  remained over a range of coating pore sizes, as well as when compared with several types of commercial substrates. A conductivity corresponding to more than 50% of  the conductivity of bulk copper was achieved.  IPL processing of CuO  patterns with  varying  feature  size  is  often  challenging,  since  the suitable  exposure  energy  tends  to  be  dependent  on  feature  size. Importantly, the CaCO3 precoating increased the viable range of exposure energy, and  therefore  improved  the processing  reliability. The beneficial effect of  the CaCO3 precoating  can  arguably be  attributed mainly  to  its porosity, allowing effective removal of the water and  ink additives. This reduces the risk of film damage and delamination during the IPL exposure.  Low‐temperature  sintering  of  AgNP  films  was  facilitated  by  custom‐designed coated papers. The concept is to incorporate the sintering agent as  an  integral  part  of  the  mesoporous  paper  coating,  to  achieve  low‐temperature sintering without the need for chemical pre‐treatment or post‐treatment. A  small  concentration  of  chloride was  added  in  the  coating 

113  

during  the paper manufacturing. During  the  ink deposition and  solvent uptake, chloride migrates into the AgNP film, concentrates and facilitates the sintering. Further, it was demonstrated that the sintering was impaired by increasing the coating pore size, but greatly enhanced by using a porous CaCO3 precoating. To conclude, two main concepts were demonstrated that greatly affected postprocessing of metal films. i) Incorporating an active sintering agent in the coating recipe. ii) Adapting the precoating. Each of those concepts, or a combination, may be utilized  to  tailor  the paper properties  for a specific material  dispersion  and  sintering/processing  method.  Paper  substrates offer not only advantages such as environmental friendliness and fast ink absorption  capability,  but  also  great  possibilities  for  adaptation  and tailoring in design. As was shown in these studies, tailored coated papers may  be  designed  to  facilitate  sintering  and  other  postprocessing  of solution‐processed metal films. This suggests high potential for roll‐to‐roll fabrication of printed electronics.   

Publications x T.  Öhlund,  A.  Schuppert, M.  Hummelgård,  J.  Bäckström,  H‐E. 

Nilsson and H. Olin (2015). Inkjet Fabrication of Copper Patterns for Flexible Electronics: Using Paper with Active Precoatings. ACS Applied Materials and Interfaces 7(33), 18273‐18282   

x T. Öhlund, A. Schuppert, B. Andres, H. Andersson, S. Forsberg, W. Schmidt, H‐E. Nilsson, M. Andersson, Renyun Zhang and H. Olin (2015).  Assisted  sintering  of  silver  nanoparticle  inkjet  inks  on paper with active coatings. RSC Advances 5(80), 64841‐64849. 

   

114  

 Figure  1:   Custom‐designed  paper with  porous  precoating  facilitates  flashlight processing of inkjet‐printed CuO patterns, and thereby improves the reliability and conductivity of the resulting copper pattern.   

 Figure 2: Custom‐designed paper with  ‘active’ coating  injects chloride  ions  into inkjetprinted  silver  nanoparticle  film  and  thereby  induces  room‐temperature sintering.   

115  

Sven Forsberg, Researcher and project manager Research on graphene and energy storage I  enjoy  bringing  new  ideas  to  reality. My background is in colloid chemistry and papermaking, but with time I have been  working  more  and  more  with research  in  nano‐technology.  I  have  a particular  interest  in  graphene. Graphene is a one molecular layer thick carbon material, which has many uses.  It has been a great pleasure to be a part of starting and presently executing the KEPS, MODULIT  and  LION  projects. All  three  projects  are  aiming  at  solving  energy  storage  questions  and graphene is part of the solution in all of them. These projects have also, in one way or another, cellulose as a common denominator.  My forth research project 2D inks has now ended and the results has been taken over by the spin‐off company 2D fab AB.   

Publications  

x Öhlund, T., Schuppert, A., Andres, B., Andersson, H., Forsberg, S., Schmidt, W., Nilsson, H. , Andersson, M. & et al. (2015). Assisted sintering of silver nanoparticle inkjet inks on paper with active coatings. RSC Advances, vol. 5, ss. 64841‐64849. 

x Zhang, R. , Alecrim, V. , Hummelgård, M. , Andres, B. , Forsberg, S. , Andersson, M. & Olin, H. (2015). Thermally reduced kaolin‐graphene oxide nanocomposites for gas sensing. Scientific Reports, vol. 5, ss. Art. no. 7676 

x Andres, B. Dahlström, C. Engström, AC, Forsberg, S. Blomquist, N. Olin, H. (2015). Cellulose‐based binder systems for electrochemical electrodes. 2015 E‐MRS Spring Meeting, May 11‐15 2015 Lille France 

116  

x Forsberg, S. Andres, B. Blomquist, N. Dahlström, C. Engström, AC, Olin, H. (2015). Paper‐based supercapacitors. 2015 E‐MRS Spring Meeting, May 11‐15 2015 Lille France 

x Henshaw Osong, S. Dahlström, C. Forsberg, S. Andres, B, Engstrand, P… (2015). Development of CTMP‐based nanofibrillated Cellulose/nanographite composites for paper applications, 9th International Fundamental Mechanical Pulp Research Seminar. 

   

117  

Håkan Olin, professor KM2 - Large functional surfaces During 2015 we have been working on several  research  projects  developing knowledge  about  large‐area  functional energy solutions. The projects concerns both  storing  and  harvesting  green energy.  The research projects are: KEPS  ‐  The  research  team  behind Kinetic Energy  Storage  of Paper‐Based Supercapacitors  (KEPS)  has demonstrated  that graphene  coated on paper could provide inexpensive as well as efficient supercapacitors. Modulit  ‐  This  project  aims  to  print  energy  storage  devices  such  as supercapacitors on paper for printed electronics applications. LION  ‐  The  aim  is  to  develop  new  electrodes with  larger  capacity  to lithium‐ion batteries.   Paper  Solar  Cells  ‐  Low‐cost  solar  cells  are  needed.  Manufacturing processes of  today are mainly based on costly vacuum methods making solar electricity too expensive. Roll‐to‐roll processing is potentially a more efficient manufacturing method for solar cells. Off‐grid street lights ‐ We are starting a project together with Sundsvalls kommun and others about off‐grid street lights powered by solar cells and wind turbines. This project include demonstrators at campus Sundsvall.  During 2015 I supervised 4 PhD students.   Publications

x RY Zhang, V Alecrim, M Hummelgård, B Andres, S Forsberg, M Andersson,  H  Olin,  Thermally  reduced  kaolin‐graphene  oxide nanocomposites for gas sensing, Scientific Reports 5 (2015) 7676 

x T Öhlund, A Schuppert, B Andres, H Andersson, S Forsberg, W Schmidt,  HE  Nilsson,  H  Olin,  Assisted  sintering  of  silver nanoparticle  inkjet  inks  on  paper  with  active  coatings,  RSC Advances 5 (2015) 64841‐68849 

118  

x S Edvardsson, M Neuman, P Edström, H Olin, Solving equations through particle dynamics, Computer Physics Communications 197 (2015) 169‐181 

x E Balliu, H Andersson, M Hummelgård, H Olin, M Engholm, Laser sintering of silver nano‐particles inks printed on paper substrates, Proc. SPIE 9351, Laser‐based Micro‐ and Nanoprocessing IX 9351 (2015) 935111 1‐8 

x T Öhlund, AK Schuppert, M Hummelgård, J Bäckström, HE Nilsson, H Olin, Inkjet Fabrication of Copper Patterns for Flexible Electronics: Using Paper with Active Precoatings, ACS Applied Materials & Interfaces 7 (2015) 18273–18282 

 

 

 

 

 

119  

 

www.miun.se/fscn