Variation in tracheid cross-sectional dimensions and wood viscoelasticity extent and control methods

Printing papers have been the main product of the Finnish paper industry. To improve properties and economy of printing papers, controlling of tracheid cross-sectional dimensions and wood viscoelasticity are examined in this study. Controlling is understood as any procedure which yields raw material classes with distinct properties and small internal variation. Tracheid cross-sectional dimensions, i.e., cell wall thickness and radial and tangential diameters can be controlled with methods such as sorting wood into pulpwood and sawmill chips, sorting of logs according to tree social status and fractionation of fibres. These control methods were analysed in this study with simulations, which were based on measured tracheid cross-sectional dimensions. A SilviScan device was used to measure the data set from five Norway spruce (Picea abies) and five Scots pine (Pinus sylvestris) trunks. The simulation results indicate that the sawmill chips and top pulpwood assortments have quite similar cross-sectional dimensions. Norway spruce and Scots pine are on average also relatively similar in their cross-sectional dimensions. The distributions of these species are somewhat different, but from a practical point of view, the differences are probably of minor importance. The controlling of tracheid cross-sectional dimensions can be done most efficiently with methods that can separate fibres into earlywood and latewood. Sorting of logs or partitioning of logs into juvenile and mature wood were markedly less efficient control methods than fractionation of fibres. Wood viscoelasticity affects energy consumption in mechanical pulping, and is thus an interesting control target when improving energy efficiency of the process. A literature study was made to evaluate the possibility of using viscoelasticity in controlling. The study indicates that there is considerable variation in viscoelastic properties within tree species, but unfortunately, the viscoelastic properties of important raw material lots such as top pulpwood or sawmill chips are not known. Viscoelastic properties of wood depend mainly on lignin, but also on microfibrillar angle, width of cellulose crystals and tracheid cross-sectional dimensions.

Painopaperit ovat pitkään olleet suomen metsäteollisuuden päätuote. Tässä työssä tutkitaan painopapereiden ominaisuuksien ja taloudellisuuden parantamista trakeidien poikkileikkausdimensioita ja puun viskoelastisuutta kontrolloimalla. Kontrolloinnilla tarkoitetaan mitä tahansa prosessia tai menetelmää puuraaka-aineen jakamiseksi luokkiin, joiden ominaisuuksissa on merkittäviä eroja ja pieni sisäinen vaihtelu. Trakeidien poikkileikkausdimensioita, eli soluseinämän paksuutta sekä säteen ja tangentin suuntaisia läpimittoja, voidaan kontrolloida esimerkiksi lajittelemalla raaka-ainetta kuitupuuhun ja sahanhakkeeseen. Vastaavaa kontrollointia voidaan tehdä myös lajittelemalla tukkeja puun kokoluokan mukaan tai erottelemalla kuituja sellun keiton jälkeen. Näitä menetelmiä tutkittiin tässä työssä simulaatioiden avulla, jotka perustuivat mitattuihin trakeidien poikkileikkausdimensioihin. Mittaukset tehtiin viidestä kuusesta (Picea abies) ja viidestä männystä (Pinus sylvestris) SilviScan laitteella. Simulaatioiden mukaan sahanhakkeen ja latvakuitupuun poikkileikkausdimensiot ovat melko samanlaiset. Kuusen ja männyn poikkileikkausdimensiot ovat keskimäärin samanlaiset, mutta dimensioiden jakaumat poikkeavat hieman toisistaan. Käytännön kannalta jakaumien eroilla ei todennäköisesti ole suurta merkitystä. Trakeidien dimensioita voidaan kontrolloida tehokkaimmin menetelmillä, jotka erottelevat kuidut kevätpuuhun ja kesäpuuhun. Tukkien lajittelu tai tukin jakaminen nuorpuuhun ja aikuispuuhun olivat simulaatioiden mukaan huomattavasti tehottomampia menetelmiä. Puun viskoelastisuus vaikuttaa energiankulutukseen mekaanisessa massanvalmistuksessa, joten tavoiteltaessa massanvalmistuksen energiankulutuksen alentamista se on lupaava kontrolloitava suure. Viskoelastisuuden käyttöä kontrolloinnissa tutkittiin kirjallisuuskatsauksen avulla. Tutkimus osoittaa puuaineen viskoelastisissa ominaisuuksissa olevan laajaa vaihtelua puulajin sisällä, mutta valitettavasti sellaisten merkittävien raaka-aineluokkien kuten latvakuitupuun ja sahanhakkeen viskoelastisia ominaisuuksia ei tunneta. Puun viskoelastiset ominaisuudet riippuvat pääasiassa ligniinistä, mutta siihen vaikuttavat myös mikrofibrillikulma, selluloosakiteiden leveys ja trakeidien poikkileikkausdimensiot.