Selluloosapohjaisten vaahtojen lämmöneristävyys ja spektraaliset ominaisuudet

Reima Herrala

Selluloosapohjaisten vaahtojen lämmöneristävyys ja spektraaliset ominaisuudet

Kemian, bio- ja materiaalitekniikan maisteriohjelma Pääaine: Functional Materials

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 9.10.2020.

Valvoja Professori Sami Franssila

Ohjaaja D.Sc. Päivi Laaksonen

Tekijä Reima Herrala

Työn nimi Selluloosapohjaisten vaahtojen lämmöneristävyys ja spektraaliset ominaisuudet Koulutusohjelma Master’s Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering Pääaine Functional Materials

Työn valvoja Sami Franssila

Työn ohjaaja(t)/Työn tarkastaja(t) Päivi Laaksonen

Päivämäärä 9.10.2020 Sivumäärä 68 Kieli Suomi

Tiivistelmä

Kohteiden tunnistaminen nykyaikana perustuu yhä enemmän hyperspektri- ja lämpökuvantamiseen.

Modernin häivemateriaalin on siis peitettävä kohteen jälki sekä näkyvän valon alueella että lämpösäteilyn aallonpituuksilla. Käytännössä tämä tarkoittaa materiaalia, joka vastaa ympäristön ulkonäköä ja peittää lämpöjäljen. Luonnonmateriaaleihin pohjautuvat vaahdot tarjoavat luonnollisen värin, hyvän lämmöneristävyyden, biohajoavuuden ja kilpailukykyisen hinnan. Erityisesti selluloosa ja ligniini ovat maailman yleisimmät luonnonpolymeerit. Tässä työssä selvitetään sopivatko vesipohjaisten sellu/ligniinivaahtojen lämmöneristävyys ja spektri häivemateriaaleiksi. Optimoitavia parametreja olivat kuiva-aineiden pitoisuus, surfaktantin määrä ja laatu, ja sekoitusmenetelmä.

Kokeissa osoitettiin, että optimoidulla selluvaahdolla 50 °C kuparilevyn lämpöjälki pystyttiin peittämään tuntien ajan muutaman asteen eroon ympäristöstä. Vaahtojen spektrit vastasivat monilta osin lehtien spektrejä 400 – 1000 nm alueella. Tulosten perusteella selluvaahdot ovat erinomaisia potentiaalisia häivemateriaaleja. Vielä ratkaisemattomia ongelmia ovat etenkin vaahdon valuma ja lehtivihreän spektrin imitointi.

Avainsanat selluvaahto, häivemateriaali, lämmöneriste, IR kuvantaminen, hyperspektri, kuplakoko

Author Reima Herrala

Title of thesis Thermal Insulation and Spectral Properties of Cellulose Foam

Degree Programme Master’s Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering Major Functional Materials

Thesis supervisor Sami Franssila

Thesis advisor(s) / Thesis examiner(s) Päivi Laaksonen

Date 09.10.2020 Number of pages 68 Language Finnish

Abstract

Modern target detection is increasingly based on hyperspectral and IR imaging. As such, modern camouflage materials must work in both visible and IR wavelengths. In practice this means a material that looks like its surroundings and suppresses thermal radiation. Foams based on biomaterials offer natural colouring, good thermal insulation, biodegradability and competitive costs. Especially cellulose and lignin are the two most abundant biopolymers. In this work the performance of cellulose/lignin based foams as camouflage materials is evaluated based on their thermal insulation and hyperspectral fingerprint. The parameters to be optimized were dry matter content, choice and amount of surfactant, and mixing method. The results demonstrate that using optimized cellulose foam, the thermal radiation of a 50 °C copper plate could be suppressed for hours. The spectral fingerprints of the foams were in many aspects similar to leaves in the 400 – 1000 nm range. Still unsolved issues are the leaking of water and imitating the spectrum of clorophyl.

Keywords cellulose foam, camouflage, thermal insulation, IR imaging, hyperspectral imaging, bubble size

Esipuhe

Haluan tässä esipuheessa kiittää kaikkia, jotka auttoivat työn suorituksessa. Kiitokset ensinnäkin puolustusvoimien tutkimuslaitokselle ja Aalto-yliopistolle mielenkiitoisesta diplomityöaiheesta. Juha Jordanille ja Hämeen ammattikorkeakoululle suuret kiitokset hyperspektrisestä kuvantamisesta. Kiitokset hyvästä palautteesta ja nevoista Päivi Laaksoselle ja Sami Franssilalle. Kiitokset myös avusta ja neuvoista Karim Bassilylle, Nina Forsmanille ja Tia Lohtanderille

1. Johdanto ... 1

2. Teoria ... 2

2.1 Vaahdot, stabiilius ja selluloosa ... 2

2.1.1 Vaahtojen rakenne ja muodostuminen ... 2

2.1.2 Vaahtojen stabilointi ... 4

2.1.3 Vaahtojen kuivatus ... 7

2.2 Lämmönsiirto ja lämpösäteily ... 8

2.2.1 Lämmön johtuminen ... 8

2.2.2 Konvektio ... 11

2.2.3 Lämpösäteily ... 11

2.3 Lämpökuvantaminen ... 12

2.4 Hyperspektrinen kuvantaminen ... 14

2.4.1 Valon spektri ... 14

2.4.2 Kuvantaminen hyperspektrisellä kameralla ... 14

2.4.3 Hyperspektrikuvantamisen käyttötarkoitukset ... 15

3. Kokeellinen osuus ... 18

3.1 Koejärjestelyt ... 18

3.1.1 Vaahdotus ... 18

3.1.2 Hinta-arviot ... 18

3.1.3 IR kuvantaminen ... 19

3.1.4 Kuplakoon mittaus ... 20

3.1.5 Hyperspektrinen kuvantaminen ... 20

3.2 Tulokset ja pohdinta ... 22

3.2.1 Selluvaahdon termiset ominaisuudet ... 22

3.2.1.1 Selluloosan konsentraation vaikutus lämmöneristävyyteen ... 22

3.2.1.2 Ligniinin vaikutus lämmöneristävyyteen ja vaahdon ominaisuuksiin .... 24

3.2.1.3 Lämpötilan vaikutus selluvaahdon lämmöneristävyyteen ... 27

3.2.1.4 Vaahdotusmenetelmän vaikutus selluvaahdon lämmöneristävyyteen .... 29

3.2.1.5 Surfaktantin vaikutus ... 30

3.2.1.6 Selluloosan ja nanofibrilloidun selluloosan vaikutus lämmöneristävyyteen ... 35

3.2.1.7 Kuivat vaahdot ... 36

3.2.1.8 Kuplakoon määritys ... 39

3.2.1.9 Vertailu polystyreenivaahtoon ... 45

3.2.1.10 Selluvaahtojen hinta-arvio ... 48

3.2.2 Selluvaahdon hyperspektrinen kuvantaminen ... 52

3.2.2.1 Vaahdon koostumuksen vaikutus ... 52

3.2.2.2 Kuivien vaahtojen spektri ... 56

3.2.2.3 Veden vaikutus vaahtojen spektriin ... 59

3.2.2.4 Heijastavuuden muutos ajan funktiona ... 60

3.2.2.5 Vaahtojen ja lehtien spektrien vertailu ... 63

3.2.2.6 Spektrien vertailu SAM työkalulla ... 65

4. Johtopäätökset ... 67

5. Lähteet ... 69

Symbolit ja lyhenteet

°C Astetta celsius

θ kahden spektrin kulmien ero α lämpötilan tasoittumiskerroin ε emissiivisyys

τ transmittanssi ρ tiheys

ρh heijastavuus

σ Stefan-Bolzmannin vakio aa abosrbanssi

c lämpökapasiteetti

cv valon nopeus tyhjiössä (3*10⁸ m/s) dT lämpötilaero

e(T) säteilyn lämpövuo

eλ,b mustan kappaleen säteilyvuo h lämmonsiirtokerroin

hP Planckin vakio (6,6 * 10^-34 Js) k lämmönjohtavuus

kb Bolzmannin vakio (1,38064 * 10^-23 J/K) q lämpövuo

T lämpötila

Vk kuiva-ainepitoisuus x etäisyys

CNF Nanofibrilloitu selluloosa (engl. cellulose nanogibrils) EHES etyyli(hydroksietyyli)selluloosa

IR Infrapuna

KAIP keskiaalto infrapubna LAIP lyhytaalto infrapuna LIP lämpöinfrapuna LIR lähi-infrapuna NV näkyvä valo

PAIP pitkäaalto infrapuna PSV polystyreenivaahto

SAM Spectral Angle Mapper Classification

SDS Sodium Dodecyl Sulfate, natriumlauryylisulfaatti WI vesi-indeksi

1

1. Johdanto

Hyvä häivemateriaali tasoittaa erot kohteen ja ympäristön välillä. Klassinen esimerkki on maastokuvioitu verkko, jonka avulla kohteen muodot muuttuvat ja sen havaitseminen visualisesti hankaloituu. Havainnointiteknologian kehittyessä myös häivemateriaalien on kehityttävä. Moderni kohteiden tunnistus hyödyntää sähkömagneettista spektriä laajasti, erityisesti optisella ja infrapuna (IR, engl. infrared) alueella.¹ Hyperspektrinen kuvantaminen perustuu materiaaleille ominaisiin spektreihin. Yhdistettynä kohteita tunnistaviin algoritmeihin, se pystyy tehokkaasti erottamaan kohteita ympäristöstä.² Hyvä, moderni häivemateriaali sulautuu ympäristöön sekä optisesti että spektrometrisesti ja peittää lämpöjäljen. Luonnonmateriaalit pystyvät täyttämään kaikki nämä vaatimukset.³ Jos luonnonmateriaali vastaa ympäristöään, sen spektri on myös samankaltainen ja mäin kykenee naamioimaan tehokkaasti luonnossa.^2-4

Aiemmissa töissä kohteen emissiivisyyttä on pyritty alentamaan lisäämällä metallia esimerkiksi maaliin⁵ tai kankaaseen⁶. Luonnonmateriaaleilla on kuitenkin huomattavia etuja näihin menetelmiin, kuten edullisemmat ja luontoystävällisemmät raaka-aineet, sekä luonnollinen ajan funktiona muuttuva spektri. Tämä voi tehostaa häivemateriaalin toimintaa, sillä myös luonnonmateriaalien spektri muuttuu ajan funktiona esimerkiksi pudonneiden lehtien maatuessa.

Tässä työssä tarkastellaan selluloosa- ja nanoselluloosapohjaisten vaahtojen lämmöneristävyyttä ja spektriä. Ligniinin vaikutusta tutkitaan ulkonäköön, lämmöneristävyyteen ja spektriin. Hypoteesi on, että selluloosapohjaiset vaahdot värjättynä ligniinillä sulautuvat metsäympäristöön ja toimivat lämmöneristeenä. Koska vaahdot sisältävät samoja molekyylejä kuin ympäristö, myös niiden hyperspektrisen sormenjäljen pitäisi vastata metsäympäristöä.

Teoriaosuudessa esitellään vaahtojen ominaisuuksia, lämmönsiirtoa ja hyperspektristä kuvantamista. Kokeellisessa osuudessa demonstroidaan selluloosapohjaisten vaahtojen hyvä lämmöneristävyys ja ominainen hyperspektri. Lämmöneristävyyttä tutkittiin alueella 40 – 80 °C käyttäen IR kameraa, jotta mittaus vastaa kuvantamistilannetta.

2

2. Teoria

2.1 Vaahdot, stabiilius ja selluloosa

Tässä kappaleessa esitetään vaahtojen muodostuminen, rakenne, ja stabilointi. Aiheissa keskitytään lähestymistapoihin ja materiaaleihin, jotka ovat tämän työn kannalta oleellisia.

2.1.1 Vaahtojen rakenne ja muodostuminen

Vaahdot ovat laaja materiaaliryhmä, joita käytetään kosmetiikassa, ruokateollisuudessa, eristeinä rakennuksissa, tulen sammuttamisessa ja monissa muissa sovelluksissa.^7-9 Vaahtoja voidaan muodostaa esimerkiksi metalleista, polymeereistä tai muista orgaanisista aineista, sekä keraameista. Vaahdoille ominaista on se, että alkuperäisen materiaalin tilavuus kasvaa huomattavasti täyttämällä se kaasukuplilla. Jos kaasukuplat ovat eristetty toisistaan, määritellään vaahto suljetuksi soluvaahdoksi (kuva 1a). Jos taas kuplien sijaan vaahdossa on avoin rakenne kaasun liikkeelle, puhutaan avoimesta soluvaahdosta (kuva 1b). Tässä työssä käsittelemme vesipohjaisia vaahtoja, joita stabiloidaan orgaanisilla partikkeleilla: selluloosalla, nanofibrilloidulla selluloosalla (CNF) ja ligniinillä. Vesifaasi erottaa kuplat toisistaan, joten kyseessä on suljettu soluvaahto.

Kuva 1. a) suljettu ja b) avoin metallipohjainen soluvaahto.¹⁰

3

Vesipohjaiset vaahdot kuuluvat märkiin vaahtoihin, joiden perusrakenne on esitetty kuvassa 2. Nestefaasiin jakautuneen kaasufaasin lisäksi rakenteeseen voi kuulua kiinteä faasi, joka stabiloi rakennetta. Nestepohjaisten vaahtojen perusteellinen haaste on se, että ne ovat termodynaamisesti epästabiileja.^9,11,12 Tämä epästabiilius johtuu kaasun ja nesteen rajapinnan korkeasta energiasta. Siitä johtuen systeemi pyrkii minimoimaan rajapinnan, joka näkyy kuplien yhdistymisenä ja disproportionaationa (engl. Ostwald ripening). Seurauksena kuplakoko kasvaa.⁹ Neste pyrkii valumaan pois vaahdosta tiheyseron seurauksena. Tässä työssä nesteen valumista ulos vaahdosta kutsutaan valumaksi.

Kuva 2. Esimerkki märän vaahdon rakenteesta.

Vaahdotus perustuu kahteen rinnakkaiseen tapahtumaan: Ilman sulkeminen nestefaasin sisälle ja suurien ilmakuplien rikkoutuminen pienemmiksi. Tyypillisessä vaahdotusprosessissa nämä tapahtuvat samanaikaisesti voimakkaan sekoituksen vaikutuksesta.¹³ Esimerkiksi elintarviketeollisuudessa vaahdotukseen käytetään usein vatkaimia, joiden sekoitus aiheuttaa jatkuvaa venymistä ja leikkausvoimia vaahdossa.¹⁴ Vaahdotusprosessin eteneminen on esitetty kuvassa 3. Jos sekoitus on tarpeeksi voimakasta, vaahdon pinnalle syntyy aaltoja. Aaltojen amplitudin ollessa tarpeeksi suuri, ne voivat sulkea ilmaa vaahdon rakenteeseen. Suuret ilmakuplat rikkoutuvat sekoituksen vaikutuksesta pienemmiksi.¹³

4

Kuva 3. Tyypillisessä vaahdotusprosessissa ilmaa tuodaan rakenteeseen seuraavilla vaiheilla: Sekoituksen vaikutuksesta vaahtoseoksen pinnalle muodostuu aaltoja (a).

Vaahtojen amplitudin ollessa tarpeeksi suuri, ne sulkevat romahtaessaan ilmaa vaahdon rakenteeseen (b, c).¹³

Vaahdotusprosessin eteneminen voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen.¹³ Ensimmäisessä ja suhteellisen hitaassa vaiheessa tapahtuu vain ilman sulkeutumista vaahtoseoksen sisälle sekoituksen vaikutuksesta. Kun samanaikaisesti ilma alkaa myös hajota pienemmiksi ja tarpeeksi stabiileiksi kupliksi, vaahdotusnopeus kasvaa huomattavasti nopeammaksi.

Tämä on toinen vaihe. Vaahdotusprosessin edetessä vaahdon viskoelastisuus usein kasvaa.¹³ Kolmannessa vaiheessa sekoitus ei enää riitä aikaansaamaan tarpeeksi suuria aaltoja tuomaan rakenteeseen lisää ilmaa.

Vaahdotusprosessissa suuret kuplat hajoavat pienemmiksi, jos kuplaan kohdistuva leikkausjännitys on tarpeeksi suuri rikkomaan kuplan pintajännityksen.¹⁵ Vaadittu leikkausjännitys riippuu jatkuvan ja hajanaisen faasin viskositeettien suhteesta.

Kuplakoon on havaittu laskevan, kun vaahdon viskositeetti nousee.¹⁵ Ilman tilavuusosuuden on myös havaittu laskevan vaahdon viskositeetin tai pintajännitteen kasvaessa, kun sekoitusnopeus on vakio.¹³

2.1.2 Vaahtojen stabilointi

Yleinen tapa stabiloida märkiä vaahtoja on lisätä aineita, jotka kiinnittyvät nesteen ja kaasun rajapinnalle alentaen systeemin energiaa. Tyypillisesti vaahtoihin lisätään surfaktantteja. Kuvassa 4 on esitetty SDS:än (Sodium Dodecyl Sulfate) rakenne. Pitkän orgaanisen ketjun päässä on anioninen sulfaatti.

5

Kuva 4. SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) rakenne. Anionisessa päässä on kiinni 12 hiiltä pitkä orgaaninen ketju.

Surfaktanttien lisäksi käytetään usein partikkeleita. Tämänkaltaista stabilointia kutsutaan Pickering stabiloinniksi¹⁶. Termiä on alun perin käytetty emulsioiden yhteydessä, jossa periaate on sama. Kuvassa 5 on esitetty tyypillinen rakenne, jossa stabiloivat partikkelit ovat adsorboituneet ilmakuplan ja veden rajapinnalle. Käytettäviä aineita ovat proteiinit⁹, epäorgaaniset kolloidaaliset partikkelit¹¹, hydrofobiset partikkelit⁹ ja erilaiset orgaaniset partikkelit¹⁶. Partikkeleiden kykyä kiinnittyä veden ja ilman rajapinnalle karakterisoidaan usein energialla, joka vaaditaan partikkelin irrottamiseen rajapinnalta. Kyseistä energiamäärää voidaan kutsua kiinnittymisenergiaksi. Se riippuu partikkelin säteestä, veden pintajännitteestä, ja kontaktikulmasta.¹⁷

Kuva 5. Pickering stabiloinnin periaate. Partikkelit kuplan ympärillä estävät kuplia yhdistymästä.

Surfaktanttien kiinnittymisenergia on usein normaalin lämpöenergian suuruusluokkaa¹¹. Tästä johtuen ne irtoavat helposti, ja pelkillä surfaktanteilla on haastavaa stabiloida

6

vaahtoja. Partikkeleiden kiinnittymisenergiat ovat usein yli tuhat kertaa suurempia.¹¹ Ne voivat siten kiinnittyä rajapinnalle irreversiibelisti ja alentaa systeemin vapaata energiaa stabiilimmin. Kuitenkin myös partikkeleilla stabiloiduissa vaahdoissa havaitaan usein huomattavasti valumaa. Esimerkiksi osittain hydrofobisten partikkelien kohdalla tämä johtuu siitä, että kiinnittyminen rajapinnalle vaatii optimoituja pintajännityksiä ja partikkelin kostumista. Näitä muokataan käyttämällä pitkäketjuisia surfaktantteja, jotka kiinnittyvät partikkelien pinnalle. Näin muokatut partikkelit stabiloivat tehokkaasti, mutta ongelmaksi muodostuu saavuttaa tarpeeksi suuri konsentraatio muokattuja partikkeleita stabiloimaan suuri määrä vaahtoa.⁹ Pintajännityksen alentaminen liikaa johtaa kiinnittymisenergian liialliseen alenemiseen, jolloin stabiloiva vaikutus alkaa kadota.¹⁷

Kiinteät partikkelit esiintyvät usein osittain toisiinsa kiinnittyneinä aggregaatteina, eivätkä vaahdotusprosessit välttämättä erottele niitä täydellisesti.¹⁶ Ideaalisen monokerroksen sijaan kupliin kiinnittyy osittain toisiinsa kiinnittyneitä partikkeleita, jotka voivat muodostaa jopa verkoston. Tämänkaltaiset rakenteet toimivat erinomaisesti kuplien yhdistymistä vastaan, ja ovat stabiilimpia painovoiman vaikutukselle^12,16. Selluloosa on yksi esimerkki pitkittäisistä kuiduista, jotka esiintyvät aggregaatteina ja joita on käytetty vaahtojen stabilointiin.¹⁶

Selluloosa koostuu 7000 – 15 000 monomeeristä¹⁸, ja on maailman yleisin luonnonpolymeeri¹⁶. Puissa selluloosamolekyylit järjestäytyvät mikro- ja nanofibrilleiksi. Kiteinen nanofibrilloitu selluloosa (CNF, engl. cellulose nanofibrils) voidaan erotella sellusta, jolloin saadaan 5 – 50 nm halkaisijaltaan ja muutamia mikrometrejä pitkiä säikeitä.¹⁸ Sekä selluloosan^7,16 että erityisesti CNF:n^17,19 käyttämistä vaahtojen stabilointiin on tutkittu. Pintajännityksen muokkaus surfaktanteilla tai kemiallisesti nostaa selluloosavaahtojen stabiiliutta huomattavasti.^7,17-19 Stabiileja CNF vaahtoja on muodostettu 5 g/l konsentraatioilla, ja yli 10 g/l konsentraatioilla on havaittu hyytelöitymistä.¹⁷ Fibrilloidun selluloosan avulla on stabiloitu öljy/vesi emulsioita myös ilman surfaktantteja, mutta sama ei ole onnistunut ilma/vesi vaahdoille.¹² Syitä tähän ovat korkeampi tiheysero veden ja ilman välillä, suurempi pintajännitys vaahdoissa, ilman suhteellisesti korkeampi diffuusiokyky vedessä ja ilman liukoisuus veteen.¹²

Tässä työssä tutkitaan myös ligniinin vaikutusta märän vaahdon ominaisuuksiin. Ligniini on maailman toiseksi yleisin luonnonpolymeeri²⁰, ja sen arvioitu saatavuus on yli 300

7

miljardia tonnia.²¹ Erityisesti sellun valmistuksessa sivuvirtoihin jää suuria määriä ligniiniä, joten sen hyödyntämiselle on sekä taloudellisia että ekologisia kannusteita.^21,22 Rakenteeltaan ligniini on heteropolymeeri, joka koostuu koniferyyli-, sinapyyli- ja p- kumaryylialkoholeista. Näiden lisäksi rakenteessa voi esiintyä pieniä määriä muita monomeerejä. Ligniinin rakenne ja monomeerien suhde vaihtelee eri kasvilajien välillä.^20,21 Tämän lisäksi käytetyn ligniinin rakenne riippuu prosessista, jolla se erotetaan muusta biomassasta. Esimerkiksi sellun valmistuksessa kraft-prosessilla syntynyttä ligniiniä kutsutaan kraft-ligniiniksi. Kraft-prosessin aikana ligniiniin muodostuu alkuperäistä enemmän fenolisia hydroksyyliryhmiä.²⁰ Kraft-ligniinin moolimassa on tyypillisesti 1500 – 5000 g/mol.²¹

Ligniinin hyödyntämistä on tutkittu kiinteissä vaahdoissa. Tyypillinen lähestymistapa on korvata osa perinteisen polymeerivaahdon rakenteesta kemiallisesti käsitellyllä ligniinillä.^23,24 Nämä prosessit vaativat monivaiheista ligniinin käsittelyä. Toinen yleinen lähestymistapa on ollut valmistaa vaahto mustalipeästä tai lignosulfaateista, ja ristisilloittaa vaahdotettu rakenne.^25,26 Myös biohajoavia yhdistelmiä on tutkittu, esimerkiksi tärkkelyksen ja ligniinin sekoituksesta.²⁷

2.1.3 Vaahtojen kuivatus

Yksi märkien vaahtojen käyttötarkoituksista on toimia välituotteena, joka kuivatetaan lopulliseksi tuotteeksi.^9,28 Orgaanisten materiaalien kuivatuksessa käytetään usein vaahtorainausta²⁸ ja selluloosalle erityisesti pakastekuivausta^8,29. Vaahtomattokuivauksessa käytetään lämmintä ilmaa haihduttamaan neste pois stabiilista vaahdosta. Kuivumisen edetessä haihtumisrintama vetäytyy syvemmälle materiaaliin, ja tyypillisesti kuivuminen hidastuu ajan myötä. Kuivumisnopeuden on havaittu olevan pienempi paksuille ja tiheille vaahdoille.²⁸

Kuivatus voi myös tapahtua uunissa monivaiheisesti. Esimerkiksi Ferriera et al.³⁰ valmistivat erittäin kevyitä 0,09 g/cm³ vaahtoja sokeriruo’on lignoselluloosasta. Heidän prosessissaan kuidut lisättiin sitruunahapon kanssa veteen, kuivattiin 60 °C uunissa ja lopulta ristisilloitettiin 150 °C uunissa. Tämän jälkeen vaahdosta pestään pois

8

ylimääräinen happo ja kuivatetaan vielä uunissa. Selluvaahtojen ristisilloituksen tarkoituksena on parantaa mekaanista kestävyyttä.

2.2 Lämmönsiirto ja lämpösäteily

Lämmönsiirron ajava voima on lämpögradientin tasaaminen.³¹ Lämmön johtuminen, konvektio ja lämpösäteily ovat kolme tapaa, joilla lämmönsiirto toteutuu. Tässä luvussa käsitellään lämmönsiirtoa yleisesti ja sen toteutumista vaahdoissa. Lopuksi lämpösäteilyä käsitellään syvällisemmin, sillä se liittyy olennaisesti lämpökuvantamiseen ja spektroskopiaan.

2.2.1 Lämmön johtuminen

Lämmön johtuminen tapahtuu atomien ja molekyylien vuorovaikutuksena. Kiinteissä aineissa lämpöenergia näkyy pääasiassa atomien värähtelyenergian kasvamisena³². Värähtelevät atomit vuorovaikuttavat toistensa kanssa muodostaen aaltomaisen liikkeen.

Vain tietyt värähtelyenergiat ovat sallittuja, eli energia on kvantittunut. Näitä energioita, sekä lämpövärähtelyaallon etenemistä, kutsutaan fononeiksi.³² Kiinteissä aineissa lämpöenergia siirtyy fononeiden ja vapaiden elektronien välityksellä. Fononit siroavat helposti epäideaalisuuksista kiderakenteessa. Metallit ovat erinomaisia lämmönjohteita osittain siksi, että niillä on suuri määrä vapaita elektroneja. Polymeereissä näitä ei ole, joten fononien vaikutus dominoi ja lämmönjohtavuus on huomattavasti pienempi. Mitä kiteisempi polymeerin rakenne on, sitä paremmin se siirtää lämpöä. Tämä johtuu siitä, että kiderakenteessa runkomolekyylien värähtely on koordinoidumpaa ja tehokkaampaa.³²

Lämpöenergia voi myös sitoutua molekyylien rotaatioihin ja elektroneihin. Kaasuissa värähtelyenergia siirtyy molekyyliltä toiselle törmäyksien yhteydessä. Tämä ei tyypillisesti ole yhtä tehokasta kuin lämmönsiirto kiinteissä aineissa,³¹ joten kaasut voivat toimia eristeinä.

9

Lämmönjohtavuuden keskeinen yhtälö on Fourierin laki (1):

𝑞 = −𝑘^𝑑𝑇

𝑑𝑥 (1)

Yhtälössä q on lämpövuo (W/m²), k on lämmönjohtavuus (W/(m¹K¹)), ja dT/dx on yksiulotteinen lämpögradientti (K/m). Suure k siis kuvaa materiaalin kykyä johtaa lämpöä stationääritilassa. Lämmönjohtavuuden vaihtelu on valtavaa, esimerkiksi timantin ja kaasujen välillä ero on kertaluokkaa 10⁵ huoneenlämmössä.³¹ Kuvassa 6 on esitetty lämmönjohtavuus eri materiaaliryhmille tiheyden funktiona logaritmisella asteikolla.³³ Alhaisen lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja ovat erityisesti vaahdot, sillä lämpöä johtava alue on pieni suhteessa poikkileikkaukseen. Polymeerivaahdot johtavat selkeästi metallivaahtoja heikommin lämpöä, sillä polymeerien kohdalla myös kiinteän faasin lämmönjohtavuus on alhainen. Tähän materiaaliryhmään kuuluvat esimerkiksi polyuretaani- ja polystyreenivaahdot.

Kuva 6. Lämmönjohtavuus tiheyden funktiona eri materiaaliryhmille. Logaritminen skaala. Luotu Granta Design Limited CES EduPackillä.

10

Yksiulotteisessa lämmönsiirrossa usein Fourierin lakia hyödyllisempi yhtälö saadaan yhdistämällä Fourierin yhtälö termodynamiikan ensimmäiseen lakiin, jolloin päästään eroon usein tuntemattomasta lämpövuosta yhtälön (2) mukaisesti:³¹

𝜕²𝑇

𝜕𝑥²

=

𝑘

𝜕𝑇

𝜕𝑡

=

𝛼

𝜕𝑇

𝜕𝑡 (2)

Yhtälössä (2) x on etäisyys lämpögradientin suunnassa (m), ρ on tiheys (kg/m³), c on lämpökapasiteetti (J/(kg K)), α on lämpötilan tasoittumiskerroin (engl. thermal diffusivity, m²/s), ja t on aika (s). α kuvaa kuinka nopeasti materiaali siirtää lämpöä.

Siihen sisältyy lämmönjohtavuus k, mutta myös tilavuuslämpökapasiteetti ρc.

Lämpökapasiteetti on suure, joka kertoo kuinka paljon energiaa tarvitaan nostamaan aineen lämpötilaa yhdellä asteella. α siis ottaa lämmönjohtavuuden lisäksi huomioon sen, että osa lämpöenergiasta kuluu materiaalin lämpötilan nousemiseen.³¹ Taulukossa 1 on listattu yleisten materiaalien α-arvoja. CNF vaahdoille on tutkittu α:n riippuvuus kuiva- ainepitoisuudesta (Vk).³⁴ Vk arvoilla 0,3 – 1 % α vaihteli 10^-5 ja 10^-6 m²/s välillä, ja riippuvuus oli yhtälön (3) mukaan:³⁴

𝛼 ∝ 𝑉_𝑘^−1,6 (3)

Taulukko 1. Valittujen materiaalien lämpötilantasoittumiskertoimet.^31,33-35 Materiaali α (10^-5 m²/s)

Kupari 11,57

Rauta 2,26

Kuivunut CNF-vaahto 0,1 – 1 AISI 347 teräs 0,44

Jää 0,15

Pyrex 0,078

Polyuretaanivaahto 0,05-0,08

Vaneri 0,02

Korkki 0,01

11

2.2.2 Konvektio

Lämpö voi myös siirtyä virtauksien mukana. Virtauksen mukana kulkeva kaasu tai neste törmää kappaleeseen, vaihtaa lämpöenergiaa, ja sitten kulkeutuu pois. Tätä ilmiötä kutsutaan konvektioksi.³¹ Konvektion vaikutusta lämmönsiirtoon systeemissä voidaan kuvata lämmönsiirtokertoimella h (W/(m²K)). Konvektio voidaan jakaa pakotettuun ja vapaaseen konvektioon, riippuen siitä onko virtaus pakotettua vai luonnollista.³¹ Kuivissa vaahdoissa kaasun konvektio voidaan jättää huomioimatta, jos kuplakoko on alle 5 – 10 mm^36,37. Konvektiota mallinnetaan kaavalla (4):

𝑞_{𝑘𝑜𝑛𝑣} = ℎ̅(𝑇_{𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎}− 𝑇_∞) (4)

Missä qkonv on konvektion lämpövuo (W/m²), Tpinta on virtauksen kanssa kosketuksissa olevan pinnan lämpötila (K) ja T∞ on virtaavan faasin lämpötila (K) kaukana pinnasta.

2.2.3 Lämpösäteily

Kolmas lämmönsiirron muoto on lämpösäteily. Aineet säteilevät jatkuvasti, ja säteilyn intensiteetti riippuu lämpötilasta ja pinnan ominaisuuksista.³¹ Lähellä huoneenlämpötilaa säteilyn vaikutus on usein olemattoman pieni verrattuna lämmönjohtumiseen ja konvektioon. Lämpösäteilyn intensiteetti ja merkitys nousee nopeasti lämpötilan kasvaessa, sillä se riippuu lämpötilasta neljännessä potenssissa yhtälön (5) mukaan:

𝑒(𝑇) = 𝜀𝜎𝑇⁴ (5)

Jossa e on säteilyn lämpövuo (W/m²), ε on emissiivisyys (0 < ε < 1), σ on Stefan- Boltzmannin vakio (5,670374 * 10^-8 W/(m²K⁴)), ja T on lämpötila (K). Lämpösäteilyn osuessa kappaleeseen osa absorboituu, osa heijastuu, ja osa menee lävitse. Näiden osuuksia kutsutaan absorbanssiksi (αa), heijastuvuudeksi (ρh) ja transmittanssiksi (τ).

Kappaleille pätee yhtälö (6):

𝛼_𝑎+ 𝜌_ℎ+ 𝜏 = 1 (6)

12

Teoreettinen ideaalinen säteilijä on musta kappale, joka emittoi ja absorboi kaiken säteilyn (ε = αa = 1). Silloin kaava (5) supistuu Stefan-Boltzmannin laiksi. Oikeat kappaleet ovat kuitenkin epäideaalisia, ja säteilyn suuruuteen vaikuttaa olennaisesti emissiivisyys ja pinnan absorbanssi. Tilannetta monimutkaistaa se, että emissiivisyys ja absorbanssi riippuvat lämpötilasta. Lähellä huoneenlämpötilaa ε on luokkaa 0,1 metalleille, kun taas lasille, paperille ja maaleille yli 0,9.³¹

Kappaleen lämpötilan noustessa lämpösäteilyn jakauma siirtyy lyhyemmille aallonpituuksille. Wienin siirtymälaki (7) on kokeellisiin tuloksiin perustuva malli, joka ennustaa tarkasti säteilyn tehon maksimin aallonpituuden:³¹

(𝜆𝑇)_{𝑒𝜆=𝑚𝑎𝑥} = 2987,77 µ𝑚 · 𝐾 (7)

Välillä 20 – 100 °C tämä tarkoittaa 9,9 – 7,8 µm aallonpituutta. Noin kolme neljäsosaa säteilystä sijoittuu kuitenkin aallonpituuksille, jotka ovat suurempia kuin maksimi.³¹ Myöhemmin Max Planck kehitti yhden fysiikan merkittävimmistä laeista, joka määrittelee saman suhteen fysikaalisten vakioiden kautta mustalle kappaleelle. Kyseessä on Planckin laki (8):

𝑒_𝜆,𝑏 = ^{8𝜋ℎ𝑃𝑐𝑐𝑣2}

𝜆⁵(𝑒 ℎ𝑐 𝜆𝑘𝑏𝑇−1)

(8) Jossa eλ,b on mustan kappaleen säteilyvuo, hP on Planckin vakio (6,6 * 10^-34 Js), cv on valon nopeus tyhjiössä (3*10⁸ m/s), ja kb on Bolzmannin vakio (1,38064 * 10^-23 J/K).

Eri materiaalien kyky absorboida energiaa eri aallonpituuksilla perustuu atomien ja molekyylien energian kvantittumiseen.⁴ Tyypillisillä lämpösäteilyn aallonpituuksilla absorbanssiin vaikuttaa eniten molekyylien värähtely ja rotaatiot. Tämänkaltaiset transitiot ovat sallittuja vain molekyyleille, jotka eivät ole täysin symmetrisiä.

Esimerkiksi ilmakehän typpi- ja happimolekyylit eivät absorboi lämpösäteilyä, mutta vesi- ja hiilidioksidimolekyylit vaikuttavat. Nesteet absorboivat lämpösäteilyä hyvin tehokkaasti.³¹

2.3 Lämpökuvantaminen

Lämpökamerat ovat säteilymittareita. Suurin osa lämpökameroista toimii toisella kahdesta alueesta: 2 – 5 µm tai 8 – 15 µm. Ilmakehä ei läpäise lämpösäteilyä alueella 5,7

13

– 7,8 µm, joten havainnointi sillä alueella on turhaa. Lämpötilan määrittäminen säteilyjäljestä perustuu Planckin lakiin (yhtälö 8).³⁸ Moderneissa lämpökameroissa kaksiulotteisen kuvan muodostaminen perustuu usein detektorimatriisiin, joka sijaitsee polttopisteessä.³⁹

Detektorit absorboivat lämpösäteilyä, ja muuttavat sen signaaliksi. Tämä perustuu detektorissa käytetyn materiaalin ominaisuuksien muutokseen lämpötilan funktiona.

Muutos voidaan mitata esimerkiksi sähkönjohtavuudessa, pintavarauksessa, tai dimensioissa.³⁸ Yleinen tekniikka on hyödyntää lämpöpareja.⁴⁰ Kuvassa 7 on esitetty lämpöparin rakenne.⁴¹ Kun metallia lämmitetään yhdestä päästä, sen elektronien energiataso nousee. Korkeamman energian elektronit pyrkivät siirtymään kylmään päätyyn, jolloin syntyy jännite kuuman ja kylmän päädyn välille. Potentiaali riippuu lämpötilaerosta ja materiaalista. Jos siis rinnalle kytketään eri materiaalista tehty johdin, sama ilmiö pätee myös siihen mutta hieman eri voimakkuudella. Kun piiri täydennetään potentiaalimittarilla, saadaan materiaaliparille spesifi potentiaalin ja lämpötilaeron riippuvuus. Ilmiötä kutsutaan Seebeckin ilmiöksi.

Kuva 7. Lämpöparin rakenne. Eri metalleista muodostettu piiri, jonka päät ovat eri lämpötiloissa. Mitattu jännite riippuu lämpötilaerosta ja materiaaliparista.

IR-kamerat ovat tyypillisesti kalliimpia kuin perinteiset lämpöanturit. Sen takia niitä käytetään eri tarkoituksiin. IR-kameroiden ylivoimainen etu on nopea lämpötilanmittaus isolta alueelta tai monista mittapisteistä. Mittaus tapahtuu etänä, eikä siten vahingoita mitattavaa kohdetta. IR-kameroilla on myös helpompi mitata hyvin pienien, kuumien,

14

syövyttävien tai liikkuvien kohteitten lämpötilaa. Teollisuudessa IR-kameroilla voidaan tarkkailla esimerkiksi metallivirran, muottien, muotoiltavien polymeerien tai liikkuvien osien lämpötiloja.⁴²

2.4 Hyperspektrinen kuvantaminen

2.4.1 Valon spektri

Elektromagneettisen säteilyn spektri voidaan jakaa osiin aallonpituuksien perusteella.

Elektro-optinen/infrapuna (EO/IP) alue on 1,4 – 14 µm välillä. Tämä alue voidaan vielä jakaa viiteen eri spektrialueeseen:⁴

- Näkyvä valo (NV) 0,4 – 0,7 µm - Lähi-infrapuna (LIR) 0,7 – 1,1 µm - Lyhytaalto infrapuna (LAIP) 1,1 – 3 µm - Keskiaalto infrapuna (KAIP) 3 – 5 µm - Pitkäaalto infrapuna (PAIP) 5 – 14 µm

NV – LAIP alueella heijastunut auringonvalo on dominoiva säteily. PAIP alueella taas lämpösäteily dominoi, ja KAIP alueella kummankin vaikutus on otettava huomioon.⁴ Tämän takia infrapuna-alue voidaan myös yksinkertaisemmin jakaa LIR 0,7 – 3 µm ja lämpöinfrapuna (LIP) 3 – 15 µm alueisiin.¹

2.4.2 Kuvantaminen hyperspektrisellä kameralla

Kuvantamisjärjestelmät havainnoivat heijastuneen tai emittoituneen säteilyn voimakkuuden vaihtelua alueittain, ja näin muodostavat kuvan alueesta. Spektrometriset menetelmät puolestaan mittaavat tämän säteilyn voimakkuutta eri aallonpituuksilla.

Hyperspektrinen kuvantaminen perustuu näiden kahden menetelmän yhdistämiseen:

säteilyn voimakkuuden vaihtelu eri aallonpituuksilla havainnoidaan alueittain.⁴ Mitattava suure on usein säteilytiheys. Jokaiselle pikselille mitataan heijastuvuus tai transmissiivisuus monilta eri kapeilta spektreiltä. Tyypillisesti jokaiselle pikselille mitataan reilu 200 kappaletta 20 – 40 nm leveitä spektrejä.^1,43 Lopputulosta voidaan

15

kuvata kolmiulotteisella ”hyperkuutiolla”, jossa kaksiulotteisen valokuvan päälle on kolmantena ulottuvuutena jokaiselle pikselille mitattu spektri. Esimerkiksi kuvassa 8 on esitetty, kuinka samassa kuvassa on eri pikseleissä lehden ja kuulakärkikynän kuoren spektrit.

Kuva 8. Hyperspektri kuva sisältää jokaiselle pikselille eri spektrin. Kuvassa vihreä lehti ja musta, muovinen kuulakärkikynä.

Kuvantamisteknologiat voidaan jakaa passiivisiin ja aktiivisiin.^1,4 Aktiivisilla kuvantamislaitteilla on lähetin, jonka lähettämän säteilyn heijastus mitataan detektorilla.

Perinteisiä esimerkkejä ovat kuvantaminen laserilla tai tutkalla.¹ Passiiviset kuvantamismenetelmät taas hyödyntävät luonnon säteilyä, kuten valoa tai lämpösäteilyä.

1,4 Hyperspektrinen kuvantaminen on pääasiassa passiivista, ja hyödyntää auringon säteilyä.

2.4.3 Hyperspektrikuvantamisen käyttötarkoitukset

Materiaaleille spesifit ominaisuudet kuten kompleksi taitekerroin liittyvät suoraan havainnoitaviin suureisiin, eli heijastuvuuteen, absorbanssiin ja transmittanssiin.⁴

16

Hyperspektristä kuvantamista voidaan siis käyttää materiaalien tunnistamiseen.

Sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus materian kanssa perustuu kvanttimekaanisiin ilmiöihin. Usein kuvatut materiaalit ovat kuitenkin monimutkaisia ja sisältävät niin suuren määrän erilaisia sidoksia, että teoreettiseen malliin perustuva tunnistaminen olisi hyvin hankalaa. Tunnistaminen perustuu siis enemmän empiirisiin mittauksiin, joissa materiaalin spektriä verrataan tietopankkiin tallennettuihin tunnettuihin materiaalispektreihin.⁴ Koska hyperspektrikuva tai kuvasarja voi sisältää valtavan määrän spektridataa, vertailuun on kehitetty erilaisia algoritmejä.⁴⁴ Esimerkiksi tässä työssä käytettiin vaahtojen spektrin vertailuun Specim IQ Studion sisältämää SAM (Spectral Angle Matcher) työkalua, joka käsittelee spektrejä vektoreina. Se laskee referenssi spektrin ja kuvan sisältämien spektrien kulmien eron yhtälön (9) kaavalla:

𝜃(𝑧, 𝑦) = 𝑐𝑜𝑠⁻¹( ^{∑ 𝑧𝑖𝑦𝑖}

𝑛 𝑖=1 (∑ 𝑧_𝑖²)

1

2∗(∑ 𝑦_𝑖²) 1 𝑛 2 𝑖=1 𝑛

𝑖=1

) (9)

Kaavassa θ on spektrien kulmien ero, z on mitattu spektri, y on referenssispektri ja n on spektrivöiden lukumäärä. Ero lasketaan kuvan jokaiselle pikselille, jolloin kuvasta voidaan havaita referenssispektriä vastaavat pikselit ja näin tunnistaa materiaaleja.

Esimerkiksi NASA:n satelliitissa olevaa Hyperion-hyperspektrikameraa⁴⁵ on käytetty paikantamaan mineraaliesiintymiä vertailemalla niiden spektrejä.⁴⁶ Kuvassa 9a on esitetty hematiitin, malakiitin ja krysokollan heijastavuus. Kuvassa 9b on esitetty keinotekoisin värein kartalla kyseisiä spektrejä vastaavat esiintymät. Hyperspektristä kuvantamista on myös käytetty esimerkiksi kasvillisuuden lajiperäiseen eroitteluun⁴³, kasvillisuuden vesipitoisuuden määrittämiseen⁴⁷, sekä maanpinnan mineraali- ja suolapitoisuuden arviointiin.^48,49

Kasvillisuuden vesipitoisuuden määrittämisen avulla voidaan esimerkiksi arvioida fotosynteettistä pinta-alaa⁴⁷ tai arvioida tulipalon leviämisen riskiä⁵⁰. Vihreän kasvillisuuden vesipitoisuus on huomattavan suuri, ja veden kyky absorboida säteilyä dominoi spektriä LIR alueella, kun kuvataan vihreää latvustoa. Veden absorptiopiikit ovat leveitä, ja ovat aallonpituuksien 970, 1200, 1450, 1950 ja 2250 nm ympärillä. Veden absorptiokerroin eri aallonpituuksilla on esitetty kuvassa 10.⁴⁷ Yksinkertainen indeksi veden pitoisuudelle on verrata heijastetta aallonpituudella missä vesi ei absorboi säteilyä ja aallonpituudella missä vedellä esiintyy absorptiopiikki. Esimerkiksi Peñuelas et al.⁵¹ kehittämä WI (Water Band Index), joka perustuu absorptioon 970 nm alueella:

17 𝑊𝐼 = ^𝑅900

𝑅970 (10)

Daniel et al.⁴⁷ määrittivät aallonpituusalueet 950 - 970, 1150 - 1260 ja 1520 - 1540 nm parhaiksi vihreän latvuston vesipitoisuuden määrittämiseen.

Kuva 9. Hyperion-hyperspektrikameraa on käytetty tutkimaan mineraaliesiintymiä Jordaniassa. a) hematiitin, malakiitin ja krysokollan heijastavuus spektri. b) keinotekoisin värein ilmaistu kartalla eri mineraaliesiintymät spektrien perusteella.

Lähde: NASA⁴⁶.

Kuva 10. Veden absorptiokerroin aallonpituuden funktiona. Maksimipiikit ovat leveitä ja niiden keskipisteet ovat alueilla 970, 1200, 1450, 1950 ja 2250 nm.⁴⁷

18

3. Kokeellinen osuus

3.1 Koejärjestelyt

3.1.1 Vaahdotus

Vaahtojen kuiva-aineena käytettiin koivun selluloosaa (UPM Na⁺, 15,2 w-% kuiva- ainepitoisuus), CNF (2,8 w-% kuiva-ainepitoisuus) ja kraft-ligniiniä (UPM BioPiva 100 kraft ligniini jauhe). Surfaktantteina käytettiin Tween 80 (Polysorbaatti 80, Sigma Aldrich) ja SDS (Sodium dodecyl sulfate, Sigma Aldrich). Nestefaasina toimi DI- ja hanavesi. Homogenisaattoria (IKA T18 basic Ultra-Turrax) ja sauvasekoitinta (Electrolux ESTM3200, 600 W, 16500 rpm) käytettiin vaahdottamiseen.

Vaahtojen valmistus tapahtui seuraavasti. Kuiva-aineet, surfaktantti ja vesi punnittiin astiaan, jossa niitä sekoitettiin. Sekoitusaika oli 2 minuuttia jokaiselle vaahdolle, ellei toisin mainita. Vetokaapin lämpötila oli 18,1 °C. Osa kokeista suoritettiin laboratoriossa, jossa ilman lämpötila oli 23 °C.

3.1.2 Hinta-arviot

Vaahdoille laskettiin pelkästään materiaalikustannuksiin perustuva hinta-arvio. Sellun hintana käytettiin 700 – 1100 €/tonni, pohjautuen eurooppalaisen valkaistun sellun hintakehitykseen.⁵² Ligniinin hintana käytettiin laskuissa 100 – 600 €/tonni, missä vaihtelu perustuu ligniinin laatuun.²¹ Surfaktanttien hinnat perustuivat listahintoihin (Sigma Aldrich).^53-55 Veden vaikutus jätettiin huomioimatta.

19

3.1.3 IR kuvantaminen

Vaahtojen lämmöneristävyyttä karakterisoitiin lämpölevyllä (IKA C-MAG HS10 digital). Kuparilevyä (155 mm x 155 mm x 1 mm) käytettiin näytteiden alla tasaamaan lämpötila. Vaahtojen pidikkeenä toimivat PEX (ristisilloitettu polyeteeni) sylinterit (halkaisija 5,9 cm, korkeudet 1, 2 ja 4 cm). Ellei erikseen mainita, näytteille mitattiin samanaikaisesti korkeudet 1, 2 ja 4 cm. Lämpökamerana käytettiin FLIR ONE PRO (Android USB-C). Taulukossa 2 on esitetty IR kameran radiometriset parametrit, tarkemmat tiedot löytyvät liitteestä 1. Kuvan lämpötilan annettiin tasaantua ennen kuvan ottamista noin 15 sekunttia. Kuvassa 11 on esitelty koejärjestelyt. Vertailun vuoksi kuvattiin myös 2 cm korkea pala polystyreenivaahtoa, jolle ei ole tarkempia tietoja.

Taulukko 2. Flir ONE pro IR kameran radiometriset parametrit.

Dynaaminen lämpötilaväli -20 °C - 400 °C

Tarkkuus ±3 °C tai ±5 % tyypillisesti ero ympäristön ja kohteen välillä.

Terminen herkkyys 150 mK Emissiivisyysasetukset

Matta: 95 %, osittain matta: 80 %, osittain kiiltävä 60 %, kiiltävä 30 %.

Heijastunut taustan lämpötila 22 °C.

Suljin Automaattinen/manuaalinen

Kuva 11. Koejärjestelyt, jossa lämpötila mitataan kerralla 1, 2 ja 4 cm paksuille näytteille. Vasen: valokuva, oikea: lämpökuva. Näytteiden alla on kuparilevy

tasaamassa lämpölevyn vaihtelua.

20

3.1.4 Kuplakoon mittaus

Vaahtojen pinnoista otettiin kuvia Samsung A5 (2017) kännykkäkameralla (tarkkuus CMOS 16 MP) noin 15 cm etäisyydeltä. Kuplakoko määritettiin käsittelemällä valokuvia ImageJ-ohjelmalla. Kuvien käsittely tapahtui seuraavasti. Kuvasta rajattiin pois alueet, joita ei analysoitu. Kuvan formaatti muutettiin kahdeksan bittiseksi. Seuraavaksi kuvasta poistettiin heijasteet ja muut häiriötekijät ”remove noise ” ja ”bandpass filter”

komennoilla. Bandpass filter-komento yhdistää alle tietyn pikselimäärän kokoiset kuviot yhteen, joka lisää huomattavasti kuvan selkeyttä. Seurauksena myös tätä rajaa pienemmät kuplat katoavat. Arvona käytettiin kahta pikseliä, joten mahdollisesti kadonneet kuplat olisivat olleet suuruusluokkaa 0,03 mm halkaisijaltaan. Kontrasti kuplien ja vaahdon välillä maksimoitiin ”maximize contrast” toiminnolla. Kuva jaettiin binääriseksi (valkoinen ja musta) niin, että kuplat ovat valkoisia ja kaikki muu on mustaa. Tämä prosessi oli joko manuaalinen tai automaattinen riippuen automaattisen sovituksen laadusta. ”Watershed” komentoa käytettiin erottamaan osittain päällekkäiset kuplat.

Lopulta kuplien pinta-ala määritettiin ”analyze particles” toiminnolla.

3.1.5 Hyperspektrinen kuvantaminen

Hyperspektrinen kuvantaminen suoritettiin ulkotiloissa käyttäen aurinkoa ainoana valonlähteenä. Vaahtoja ei lämmitetty. Kuvausjärjestelyt on esitetty kuvassa 12. Kuvaus suoritettiin Specim IQ hyperspektrikameralla, jonka kuvausalue on 400 – 1000 nm ja spektrinen resoluutio 7 nm. Kuvan resoluutio on 512 x 512 pikseliä, joista jokaiselle mitattiin 204 spektrivyötä. Täydet tekniset tiedot löytyvät liitteestä 2.

Kalibrointi suoritettiin käyttäen kameralle kuuluvaa Specim valkoista levyä, jonka heijastavuus on 1 koko mitatulla aallonpituusalueella. Harmaata levyä ja värikorttia käytettiin varmistamaan kalibroinnin onnistuminen. Valkoinen levy pidettiin jokaisessa kuvassa, joten mitattu vaahtojen heijastuksen intensiteetti on aina suhteessa samassa olosuhteessa olevaan referenssilevyyn. Näin ollen auringonvalon vaihtelun pilvipeitteen takia ei pitäisi vaikuttaa mitattuihin intensiteetteihin. Näytteet vaahdotettiin luvussa 3.1.1

21

kuvatulla prosessilla, kaadettiin petrimaljaan ja kannettiin ulos mitattavaksi. Ero vaahdotuksesta ensimmäiseen mittaukseen on noin viisi minuuttia märille vaahdoille.

Datan käsittely tapahtui Specim IQ Studio sovelluksella sekä Pythonin NumPy ja SciPy kirjastoilla. Specim IQ Studiossa määritettiin kuvista mitattavat spektrit, jotka analysoitiin Pythonilla kirjoitetulla ohjelmalla. Heijastuksien numeeriset integraalit laskettiin SciPyn puolisuunnikassääntöön perustuvalla trapz-metodilla. Specim IQ Studiossa on spektrien vertailutyökalu (SAM, Spectral Angle Mapper Classification), jonka avulla voidaan vertailla kuvan sisältämiä spektrejä haluttuun referenssispektriin.

Kyseisen työkalun avulla mitattiin, kuinka läheisesti vaahtojen spektrit muistuttivat toisiaan sekä lehtiä.

Kuva 12. Hyperspektrisen kuvantamisen koejärjestelyt. Valonlähteenä toimi aurinko.

Kalibrointi suoritettiin valkoisen levyn avulla. Harmaa levy sekä värireferenssi toimivat varmistuksena kalibroinnin toiminnasta.

22

3.2 Tulokset ja pohdinta

3.2.1 Selluvaahdon termiset ominaisuudet

3.2.1.1 Selluloosan konsentraation vaikutus lämmöneristävyyteen

Selluloosan konsentraatiolla huomattiin olevan selkeä vaikutus lämmöneristävyyteen.

Vaikutusta tutkittiin mittaamalla vaahtojen lämpötila ja pitämällä vaahtojen ligniinin ja Tween 80:n konsentraatio samana. Vaahdotus tapahtui sauvasekoittimella. Näytteiden lämpötila ajan funktiona on esitetty kuvassa 13. Vaahtojen koostumukset on esitetty taulukossa 3.

18 g/l selluloosaa sisältävän näytteen lämmöneristävyys oli selkeästi parempi kuin 12 g/l näytteen. Lämpötilaero tunnin kohdalla oli 8,0 °C. Konsentraation kasvattaminen yli 18 g/l ei kuitenkaan enää lisännyt lämmöneristävyyttä. Kuvasta 13b huomataan, että ero 18 ja 27 g/l selluloosaa sisältävillä näytteillä oli marginaalinen. 12 g/l sellua sisältänyt näyte ei säilynyt tarpeeksi stabiilina kuivuakseen, vaan sen rakenne romahti noin kolmessa tunnissa. Voidaan siis todeta, että 18 g/l selluloosaa on lähellä optimia, kun Tween 80 konsentraatio on 43 g/l. 7000 – 15 000 monomeeristä koostuville sellukuiduille tämä tarkoittaa 2000 – 4000 Tween 80 molekyyliä per sellukuitu.

Kuvassa 13 esitettyjen vaahtojen 1 ja 2 stabiilius lämpötilan eristävyyden kannalta oli erinomainen jopa 24 tunnin ajalta. Vaahdot itsessään eivät kuitenkaan pysyneet stabiileina, vaan vesi katosi rakenteesta sekä valumana että haihtumisena. 24 tunnin jälkeen jäljellä oli kuivia vaahtoja.

Kuvassa 14 on esitetty 18 g/l selluloosaa sisältäneiden vaahtojen kuivunut rakenne 24 h jälkeen 51 °C lämpölevyllä. Yksi selluloosan tärkeistä rooleista on siis toimia verkostomaisena tukirakenteena, joka estää vaahdon luhistumista. Mekaaninen stabiilius heijastuu myös lämmöneristävyydessä, sillä paksuus lämpögradientin suunnassa pysyy riittävänä. Verkostomainen sellurakenne myös pitää hyvin sisällään ilmaa. On kuitenkin huomattava, että vaahdot surkastuivat kuivumisen aikana. Tarkemmin kuivien vaahtojen dimensioita ja ominaisuuksia käsitellään Kuivat vaahdot kappaleessa.

23

44 °C lämpölevyllä 24 h ei riittänyt 4 cm korkean näytteen kuivumiseen, mutta kuivasi 1 ja 2 cm korkeat näytteet. Kuivumisnopeus siis riippuu lämpötilasta, eikä pelkästään vaahdon epästabiiliuden aiheuttamasta valumasta.

Taulukko 3. Vaahtojen 1 – 3 konsentraatiot.

Vaahto Selluloosa (g/l) Tween 80 (g/l) Ligniini (g/l)

1 12 43 20

2 18 43 20

3 27 43 20

Kuva 13. Mitattu lämpötila ajan funktiona 51 °C lämpölevyllä. Näytteiden paksuudet olivat 4 cm ja selluloosan konsentraatiot 12, 18 ja 27 g/l. a) Kahden ja b) 24 tunnin

ajalta.

24

Kuva 14. Kuivattuja vaahtoja (vaahto 2 taulukko 3). a) 1, 2 ja 4 cm korkeat vaahdot 24 h jälkeen 51 °C lämpölevyllä. Takana näytepidikkeet. b) Optinen mikroskooppikuva

kuivuneen vaahdon pinnasta. c) 2 cm korkea kuivunut vaahto, jonka pinta on värjäytynyt epätasaisesti ligniinin vaikutuksesta.

3.2.1.2 Ligniinin vaikutus lämmöneristävyyteen ja vaahdon ominaisuuksiin

Ligniinin vaikutus lämmöneristävyyteen oli vähäinen. Lämmöneristävyyttä testattiin vaahdon tilavuuden kannalta optimoiduille vaahdoille ligniinin kanssa ja ilman ligniiniä.

Vaahtojen koostumukset on esitetty taulukossa 4, ja näytteiden yläpinnan lämpötila ajan funktiona kuvassa 15. Kuten huomataan, surfaktantista aiheutuva ero oli huomattavasti suurempi kuin ligniinistä aiheutunut ero. Tämä on yllättävää, sillä 160 g/l ligniiniä on määrällisesti ylivoimaisesti suurin komponentti vaahdoissa. Sen vaikutuksen suuruus ei kuitenkaan vastaa pitoisuutta. Suuri määrä ligniiniä vaikuttaa heikentävän vaahdon lämmöneristävyyttä kokeen alkuhetkillä. Ajan kuluessa ligniiniä sisältävät näytteet kuitenkin pysyivät stabiilimpina, mikä näkyy myös eristävyydessä: näytteet ilman ligniiniä hajosivat rakenteellisesti ja näin menettivät eristyskykynsä.

25

Kuva 15. Tilavuuden kannalta optimoitujen vaahtojen lämpötilaero ympäristöön ajan funktiona. Vaahtojen koostumukset taulukossa 4. Lämpölevy 54 °C, näytteiden paksuus

1 cm. Huoneenlämpö 23 °C.

Taulukko 4. Tilavuuden kannalta optimoitujen vaahtojen koostumus. S = sellu, T = Tween 80, L = ligniini.

Näyte

Sellu SDS Tween 80 Ligniini g/l

S + T 1,3 0 30 0

S + L + T 1,3 0 30 160

S + SDS 7,0 22 0 0

S + L + SDS 6,1 22 0 160

Ligniinin määrä kokeessa oli niin suuri, että näytteen kuivuessa se muodosti tukirakenteen, joka muistutti kuivunutta mutaa. Esimerkki kuivuneesta rakenteesta on esitetty kuvassa 16. SDS vaahdon rakenne oli kuivuneena huomattavasti ilmavampi ja ehjempi kuin Tween 80 vaahdon. Erot rakenteissa ligniiniä sisältäneiden Tween 80 ja SDS vaahtojen välillä näkyvät selkeästi myös mitatuissa lämpötiloissa. Näin ollen voidaan sanoa, että ligniinin lisäys vaahtoon ei merkittävästi paranna sen lämmöneristävyyttä. Suuremmat vaikutukset ligniinillä oli vaahdon mekaaniseen stabiiliuteen, väriin ja spektraalisiin ominaisuuksiin.

26

Kuva 16. 160 g/l ligniiniä sisältäneet selluvaahdot 90 minuutin jälkeen 54 °C lämpölevyllä. Tween 80 vaahto (a) romahti, ja SDS vaahto (b) kuivui kovapintaiseksi

rakenteeksi.

Kirjallisuudessa Tween 80 surfaktantin on osoitettu adsorboituvan ligniinin pinnalle.⁵⁶ Tämän perusteella odotus on, että ligniinin lisäys vaahtoon sitoo osan surfaktantista itseensä, ja näin ollen muuttaa selluloosakuitujen hydrofobisuutta. Hydrofobisuuden muuttuessa myös sellukuitujen kyvyn stabiloida ilmakuplia tulisi muuttua. Myös määrän veden ja ilman rajapinnalle kiinnittyvän Tween 80 määrä tulisi laskea. Nämä vaikutukset saattavat osittain selittää, miksi ligniiniä sisältävät näytteet eristivät lämpöä heikommin kokeiden alussa. Ero on kuitenkin vähäinen, ja suoritettujen mittausten perusteella ei kyetä erottamaan toisistaan ligniinin vaikutuksia kuplien stabilointiin ja koko vaahdon rakenteeseen.

Koska vaikutus vaahdon lämmöneristävyyteen on pieni, ligniinin määrä vaahdossa voidaan optimoida spektrin ja värin perusteella. Ligniinin lisäys vaahtoon värjää vaahdon ruskeaksi. Kuvassa 17 on esitetty selluvaahto ilman ligniiniä ja ligniinin kanssa.

Selluvaahto ilman ligniiniä on täysin valkoinen. Vaahdon kuivuessa osa ligniinistä valuu veden mukana pois, sillä valuma on selkeästi ruskean väristä. Kuitenkin kuten edellisen luvun kuvasta 14 huomataan, osa ligniinistä jää selluverkoston päälle värjäten pinnan tumman ruskeaksi. Värjäytyminen ei ole aina tasaista, vaan kuivuneissa vaahdoissa esiintyy vaaleampia ja tummempia kohtia. Tämä voi olla positiivinen ominaisuus häivemateriaalille, sillä epätasainen värjäytyminen näyttää luonnollisemmalta ja rikkoo muotoja. Mahdollinen selitys ilmiölle on sellukuitujen pinnan saturoituminen ligniinistä.

Ylimääräinen ligniini kulkeutuu veden virtauksen mukana, ja vaahdon kuivuessa se kiinnittyy sille alueelle mistä vesi poistui viimeisenä.

27

Kuva 17. Ligniinin lisäys selluvaahtoon värjää sen ruskeaksi. a) selluvaahto ilman ligniiniä, b) selluvaahto jossa 20 g/l ligniiniä.

3.2.1.3 Lämpötilan vaikutus selluvaahdon lämmöneristävyyteen

Lämpölevyn lämpötilalla oli suuri vaikutus vaahdon käyttäytymiseen. Kuvassa 18 on esitetty vaahdon 2 (taulukko 1) lämpötilan kehitys eri lämpöisten lämpölevyjen päällä.

Odotetusti vaahto lämpenee nopeammin lämpimämmällä levyllä.

Mitatuissa lämpötiloissa esiintyy jatkuvaa vaihtelua, sillä vaahto itsessään ei pysy stabiilina. Kuitenkin voidaan karkeasti määrittää lämpötilat, jotka saavuttaessaan lämpötilan muutos ”tasaantuu”. Ne ovat (kuva 18) 44 °C levylle 18 °C, 54 °C levylle 21 °C ja 85 °C levylle 33 °C. Olettaen lämpösäteilyn vaikutus vaahdon jäähtymiseen merkityksettömäksi, voidaan lämpötilan tasapaino ilmaista lämmönjohtavuuden (yhtälö 1) ja konvektion (yhtälö 4) avulla. Lämmön siis oletetaan siirtyvän levyltä mitattavalle pinnalle pelkästään johtumisena, ja pinta jäähtyy pelkästään konvektion vaikutuksesta ilmaan. Näin ollen tasapainotilanteessa:

𝑘 ^{(𝑇𝑙𝑒𝑣𝑦−𝑇𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎)}

𝑘𝑜𝑟𝑘𝑒𝑢𝑠 = ℎ̅(𝑇_{𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎}− 𝑇_∞)

𝑘

ℎ∗𝑘𝑜𝑟𝑘𝑒𝑢𝑠= 𝑣𝑎𝑘𝑖𝑜 = ^{𝑇𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎− 𝑇∞}

𝑇_{𝑙𝑒𝑣𝑦}−𝑇_{𝑝𝑖𝑛𝑡𝑎} (9)

28

Konvektion voidaan olettaa pysyvän samana jokaiselle näytteelle, sillä kokeet toistettiin samassa vetokaapissa. Saman koostumuksen vaahdolle yhtälön suhteen pitäisi siis tuottaa vakio arvo, jos vaahdon lämmönjohtavuus k on sama. Näin ei kuitenkaan ole, vaan yllä mainituilla lämpötiloilla ja 18 asteisessa vetokaapissa saadaan taulukossa 5 esitetyt arvot.

Vaahdot eivät siis saavuta samaa tasapainotilaa riippumatta lämpölevyn lämpötilasta. Sen sijaan lämmönjohtavuuden suhde konvektioon kasvaa lämpötilan noustessa, eli lämmönjohtavuus kasvaa. On mahdollista, että alkuolettamukset lämmönsiirrosta eivät toteudu. Ilmiö voidaan myös tulkita niin, että korkeassa lämpötilassa vaahdon koostumus muuttuu lämmöneristävyyden kannalta huonommaksi. Tämä vastaa odotuksia, sillä lämpötilan noustessa partikkeleiden ja surfaktanttien kiinnittymisenergia ylittyy todennäköisemmin. Näin ollen valuma ja ilmakuplien poistuminen rakenteesta nopeutuu.

Valuman nopeutta ei kuitenkaan näissä kokeissa mitattu, joten syytä ilmiölle ei tässä voida todistaa.

Taulukko 5. Levyn lämpötila ja vastaava lämmönjohtavuuden ja konvektiokertoimen suhde.

Levyn lämpötila (°C) k/(h * 0,04 m)

85 0,29

54 0,094

44 0,0038

Kuva 18. Vaahdon (taulukko 1: vaahto 2) lämpötila ajan funktiona erilämpöisten lämpölevyjen päällä. Vaahdon paksuus 4 cm.

29

3.2.1.4 Vaahdotusmenetelmän vaikutus selluvaahdon lämmöneristävyyteen

Vaahdotusmenetelmän vaikutusta vaahdon koostumukseen ja lämmöneristävyyteen tutkittiin valmistamalla saman koostumuksen vaahtoja homogenisoijalla ja sauvasekoittimella. Mittaustulokset on esitetty kuvaajassa 19 lämpötilaerona huoneenlämpöön. Sauvasekoitin- ja homogenisaattori-kokeet tehtiin eri tiloissa, joten esitystapa on valittu eliminoimaan tilojen lämpötilaeron vaikutus. Pieni lämpötilaero huoneenlämpöön kuvastaa parempaa eristävyyttä. Tulosten perusteella homogenisaattorilla valmistetut näytteet suoriutuivat selkeästi paremmin kuin sauvasekoittimella valmistetut näytteet. Vaahdotusaika oli kummallakin menetelmällä kaksi minuuttia. Homogenisaattorin tehokkaampi sekoitus saa todennäköisesti enemmän ilmaa vaahdon sisälle. Suurempi ilman tilavuusosuus johtaa siihen, että suurempi osa lämpögradientin suuntaisesta poikkileikkauksesta on huonosti lämpöä johtavaa ilmaa.

Kuva 19. Homogenisaattorilla vaahdotetut selluvaahdot eristivät paremmin lämpöä sekä Tween 80 että SDS surfaktanttia käyttämällä. Lämpölevy 54 °C ja vaahtojen

paksuus 1 cm. Vaahtojen koostumus nähtävissä taulukossa 4 (S + T ja S + SDS).

30

3.2.1.5 Surfaktantin vaikutus

Tween 80 ja SDS surfaktanteilla valmistettujen vaahtojen lämmöneristävyyttä vertailtiin käyttämällä ainemääräekvivalentti (0,03 mol/l) määrä surfaktantteja muuten identtisissä vaahdoissa. Vaahtojen koostumukset on esitetty taulukossa 6 vaahtoina 1 ja 2. Kuvassa 20 on esitetty vaahtojen lämpötila ajan funktiona keskiarvotettuna kolmelta näytteeltä ja keskihajonta pystyviivoilla. Keskiarvotetut lämpötilat ovat hyvin lähellä toisiaan. Suuri osa arvoista sopivat toisen vaahdon keskihajontaan. Pääasiassa Tween 80 vaahtojen lämmöneristävyys on hieman parempi, paitsi 4 cm paksujen vaahtojen kohdalla noin kahden tunnin jälkeen. Ehkä huomattavin piirre tuloksissa on vaihtelu: keskihajonta Tween 80 vaahdoille on huomattavasti suurempi kuin SDS vaahdoille. Sekä paras että huonoin vaahto oli Tween 80 vaahto. Vaihtelun takia toistojen määrä ei riitä sanomaan kumpi vaahto on lopulta tehokkaampi eriste 54 °C lämpölevyllä. SDS vaahdon toistettavuus on kuitenkin selkeästi parempi, joka tekee siitä luotettavamman eristeen.

Taulukko 6. Surfaktantin vaikutuksen määrittämiseen käytettyjen selluvaahtojen koostumukset.

Vaahto Selluloosa (g/l) Surfaktantti (g/l) Ligniini (g/l)

4 18 43 (Tween 80) 20

5 18 9, 4 (SDS) 20

6 18 14,3 (SDS) 20

SDS vaahdon tiheys (taulukko 6 vaahto 4) oli 0,18 g/cm³, ja Tween 80 vaahdon (taulukko 6 vaahto 5) tiheys oli 0,33 g/cm³. Tiheysero on 55 %, eli SDS vaahtoa syntyi huomattavasti enemmän kuin Tween 80 vaahtoa. SDS vaahdossa siis ilman määrä on suurempi. Tämän perusteella voisi olettaa SDS vaahdon eristävän paremmin, sillä suurempi osa poikkileikkauksesta on huonosti lämpöä johtavaa ilmaa. Kyseisten vaahtojen kuplakokoa tarkastellaan enemmän kappaleessa 3.2.1.8. Toinen suuri ero on vaahtojen viskositeetti: SDS vaahdot olivat huomattavasti viskoosisempia. Viskoosisuus helpotti vaahtojen käsittelyä, ja on suuri etu käyttötarkoituksissa, jotka vaativat vaahdon siirtelyä.

31

Kuva 20. Selluvaahtojen lämpötila ajan funktiona 54 °C lämpölevyllä sekä keskihajonta. Tween 80 surfaktantti aiheutti enemmän vaihtelua kuin SDS surfaktantti.

Vaahtojen paksuudet a) 1 cm, b) 2 cm ja c) 4 cm.

SDS on anioninen surfaktantti kun taas Tween 80 on neutraali. Vaahdoille on osoitettu, että surfaktantit vaikuttavat viskositeettiin, sillä niiden lisäys muuttaa partikkeleiden välistä sähköistä vuorovaikutusta.¹⁵ Wang ja Olofsson⁵⁷ osoittivat, että etyyli(hydroksietyyli)selluloosaa (EHES) sisältävän liuoksen viskositeetti muuttui SDS

32

konsentraation funktiona. Heidän kokeessaan viskositeetti saavutti maksimin noin 4 mmol/l SDS konsentraation kohdalla, jonka jälkeen liuoksen viskositeetti taas laski ja lopulta tasaantui. He esittivät viskositeetin kasvun johtuvan SDS-aggregaattien kiinnittymisestä EHES pinnalle, aiheuttaen sähköstaattista hylkimistä. Seurauksena liuoksen viskositeetti kasvaa. EHES on oleellisesti erilainen kuin tässä kokeessa käyttämämme sellu, sillä se sisältää etyyli- ja etyylioksidiryhmiä, joiden kanssa SDS vuorovaikuttaa. Kuitenkin myös muiden^58,59 SDS/polymeeri systeemien viskositeetin muutos on selitetty SDS-aggregaattien kiinnittymisellä polymeerin runkoon. On todennäköistä, että tutkimissamme selluvaahdoissa syy korkeampaan viskositeettiin SDS vaahdoilla johtuu samoista syistä.

Tulokset ovat osittain ristiriitaiset kirjallisuuden kanssa. Esimerkiksi Politova et al.¹³ ovat osoittaneet, että samalla vaahdotusnopeudella ilman osuus vaahdossa laskee, kun vaahtoseoksen viskositeetti nousee. Meidän kokeissa taas SDS vaahtoa syntyi enemmän, vaikka se oli viskoosimpaa. Kuten teoriaosiossa esitettiin, ilman osuuden vähentyminen aiheutuu viskoosisuudesta siten, että sekoitus ei jaksa sekoittaa ilmaa rakenteeseen.

Ristiriitaa ei siis esiinny, jos SDS vaahdon viskositeetti ei ole vaahdotusprosessin alkuvaiheessa suurempi kuin Tween 80 vaahdon. Viskositeetti kasvaa vasta vaahdotusprosessin loppuosissa, kun SDS on jakautunut selluverkoston pinnalle ja kuplakoko laskee sekoituksen vaikutuksesta. SDS vaahdon korkeampi ilmapitoisuus saattaa johtua siitä, että SDS on kiinteää pulveria ja Tween 80 on hyvin viskoosia nestettä.

Vaahdotusprosessin alussa SDS sekoittuu paremmin, mikä saattaa selittää seoksen paremman ilmastumisen.

Kuvassa 21 on esitetty SDS vaahdon rakenne heti vaahdotuksen jälkeen ja kokeen lopussa. Kuten kuvasta 21a nähdään, vaahdon rakenne on aluksi suljettu soluvaahto, jossa kuplakoko on pientä. Ajan kuluessa kuplakoko kasvaa, kun osa vedestä poistuu valumana ja kuplat pääsevät yhdistymään. Kuvassa 21b nähdään, kuinka vaahdon rakenne on muuttunut osittain avoimeksi soluvaahdoksi, jossa selluloosakuidut muodostavat verkkomaisen rakenteen. Kun näytettä ympäröivä pidike otettiin pois, reunalla oleva vesi valui heti pois, ja rakenne petti. Kuvan 21b vesifaasissa on huomattavasti kuplia, joka viittaa ainakin osan surfaktantista (SDS) poistuvan vesifaasin mukana. Rakenne ei kuitenkaan luhistunut täysin, vaan jäljelle jäi sylinterin muotoinen vaahtopylväs, jonka keskiosassa oli edelleen vettä.

33

Kuva 21. SDS, selluloosaa ja ligniiniä sisältävä vesipohjainen vaahto. A) heti vaahdottamisen jälkeen. b) Kolmen tunnin jälkeen 54 °C lämpölevyllä. Näytepidikkeen

poistamisen seurauksena vesi valuu pois vaahdon reunoilta, jättäen avointa soluvaahtoa muistuttavan rakenteen.

Surfaktantin määrän vaikutusta tutkittiin vertailemalla 9,4 g/l ja 14,3 g/l SDS sisältävien vaahtojen lämmöneristävyyttä ajan funktiona (vaahdot 5 ja 6 taulukko 6). Tulokset on esitetty kuvassa 22. Kasvattamalla surfaktantin määrää vaahto eristi lämpöä paremmin noin ensimmäiset 90 minuuttia, mutta sen jälkeen erot tasaantuivat. Osan ilmiöstä voi selittää kuvan 22b havainnollistama valuman mukana poistuva surfaktantti. Jos 9,4 g/l SDS riittää saturoimaan selluloosakuidut, lisätty surfaktantti siirtyy vesifaasissa ilmakuplien rajapinnalle. Siellä ne vastustavat kuplien yhdistymistä, mutta alhaisen kiinnittymisenergian seurauksena eivät kykene vastustamaan painovoimasta johtuvaa veden valumaa. Sen seurauksena ylimääräinen SDS valuu lopulta veden mukana pois, ja vaikutus vaahdon eristävyyteen palaa samalle tasolle pienemmän SDS pitoisuuden kanssa.

34

Kuva 22. SDS konsentraation kasvattaminen 50 % ei merkittävästi parantanut vaahdon kykyä eristää lämpöä. SDS konsentraatiot 9,4 ja 14,3 g/l, ja selluloosan konsentraatio 18 g/l. Lämpötila mitattu vaahdon yläpinnalta 54 °C lämpölevyllä ajan funktiona. a) 1

cm, b) 2 cm ja c) 4 cm paksu vaahto.