A study of the nanostructure of the cell wall of the tracheids of conifer xylem by x-ray scattering

The purpose of this study was to develop practical and reliable x-ray scattering methods to study the nanostructure of the wood cell wall and to use these methods to systematically study the nanostructure of Norway spruce and Scots pine grown in Finland and Sweden. Methods to determine the microfibril angle (MFA) distribution, the crystallinity of wood, and the average size of cellulose crystallites using wide-angle x-ray scattering were developed and these parameters were determined as a function of the number of the year ring. The mean MFA in Norway spruce decreases rapidly as a function of the number of the year ring and after the 7th year ring it varies between 6° and 10°. The mean MFA of Scots pine behaves the same way as the mean MFA of Norway spruce. The thickness of cellulose crystallites for Norway spruce and Scots pine appears to be constant as a function of the number of the year ring. The obtained mean values are 32 Å for Norway spruce and 31 Å for Scots pine. The length of the cellulose crystallites was also quite constant as a function of the year ring. The mean length of the crystallites for Norway spruce was 364 Å, while the standard deviation was 27 Å. The mass fraction of crystalline cellulose in wood is the crystallinity of wood and the intrinsic crystallinity of cellulose is the crystallinity of cellulose. The crystallinity of wood increases from the 2nd year ring to the 10th year ring from the pith and is constant after the 10th year ring. The crystallinity of cellulose obtained using nuclear magnetic resonance spectroscopy was 52% for both species. The crystallinity of wood and the crystallinity of cellulose behave the same way in Norway spruce and Scots pine. The methods were also applied to studies on thermally modified Scots pine wood grown in Finland. Wood is modified thermally by heating and steaming in order to improve its properties such as biological resistance and dimensional stability. Modification temperatures varied from 100 °C to 240 °C. The thermal modification increases the crystallinity of wood and the thickness of cellulose crystallites but does not influence the MFA distribution. When the modification temperature was 230 °C and time 4 h, the thickness of the cellulose crystallites increased from 31 Å to 34 Å.

Tutkimuksen taustaa ja tutkimusmenetelmästä: Havupuun puuaines koostu suurimmaksi osaksi putkisoluista, joiden pituus on muutama millimetri ja läpimitta kymmeniä mikrometrejä. Putkisolujen soluseinä, jonka paksuus on muutamia mikrometrejä, koostuu pääosin selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Näistä hemiselluloosa ja ligniini ovat amorfisia mutta selluloosa osittain kiteistä. Röntgensirontamenetelmillä voidaan tutkia selluloosan kiteisten alueiden kokoa ja orientaatiota. Kiteisen alueen orientaatiota soluakselin suhteen kuvaava suure on mikrofibrillikulma (MFA). Lisäksi röntgensirontamenetelmillä voidaan määrittää kiteisen selluloosan osuus puuaineksesta eli puun kiteisyys. Röntgensirontamenetelmää on käytetty laajalti näiden ominaisuuksien mittaukseen. Suomessa kasvaneesta puuaineksesta on tehty joitakin mittauksia, mutta systemaattisia mittauksia, kuten miten MFA muuttuu vuosirenkaan funktiona, ei ole tehty. Tämän työn tavoitteena oli tutkia systemaattisesti kiteisten alueiden kokoa, mikrofibrillikulmaa ja puun kiteisyyttä Suomessa kasvaneessa kuusessa ja männyssä ja parantaa käytössä olevien röntgensirontamenetelmien käytännöllisyyttä ja luotettavuutta. Tuloksista ja niiden merkityksestä: Kuusella havaittiin, että MFA pienenee lähellä ydintä nopeasti vuosirenkaan funktiona ja seitsemännen vuosirenkaan jälkeen MFA vaihtelee 6° ja 10° välillä. Männyn MFA:n havaittiin käyttäytyvän samalla tavalla. Kiteisten alueiden paksuus ei muutu kummassakaan puulajissa vuosirenkaan funktiona. Kuusella kiteisen alueen paksuus on 3.2 nm ja männyllä 3.1 nm. Kuuselle kiteisen alueen pituuden keskiarvoksi saatiin 36.4 nm ja keskihajonnaksi 2.7 nm. Ydinmagneettiseen resonanssiin perustuvalla menetelmällä havaittiin, että 52 % selluloosasta on kiteistä sekä kuusessa että männyssä. Lämpökäsittelyllä voidaan parantaa lahonkesto-ominaisuuksia ja pienentää puun kosteuselämistä. Tässä työssä havaittiin, että lämpökäsittely suurentaa puun kiteisyyttä ja kiteisten alueiden paksuutta mutta lämpökäsittelyllä ei ole vaikutusta mikrofibrillikulmaan. Kun käsittelylämpötila oli 230 °C ja aika 4 h, havaittiin kiteisten alueiden paksuuden kasvavan 3.1 nm:stä 3.4 nm:iin. MFA vaikuttaa puun lujuuteen ja kutistumiseen. MFA:n kasvaessa puun lujuus pienenee. Kiteisten alueiden koko on kiinnostava myös selluloosan biosynteesin kannalta. Väittelijä on syntynyt Tyrväällä vuonna 1961. Hän on valmistunut ylioppilaaksi Vammalan lukiosta vuonna 1980. Helsingin yliopistosta hän on valmistunut filosofian maisteriksi vuonna 1990 ja filosofian lisensiaatiksi vuonna 1996.