Characterisation of properties of coniferous wood tracheids by x-ray diffraction, laser scattering and microscopy

In recent years there has been growing interest in selecting suitable wood raw material to increase end product quality and to increase the efficiency of industrial processes. Genetic background and growing conditions are known to affect properties of growing trees, but only a few parameters reflecting wood quality, such as volume and density can be measured on an industrial scale. Therefore research on cellular level structures of trees grown in different conditions is needed to increase understanding of the growth process of trees leading to desired wood properties. In this work the cellular and cell wall structures of wood were studied. Parameters, such as the mean microfibril angle (MFA), the spiral grain angles, the fibre length, the tracheid cell wall thickness and the cross-sectional shape of the tracheid, were determined as a function of distance from the pith towards the bark and mutual dependencies of these parameters were discussed. Samples from fast-grown trees, which belong to a same clone, grown in fertile soil and also from fertilised trees were measured. It was found that in fast-grown trees the mean MFA decreased more gradually from the pith to the bark than in reference stems. In fast-grown samples cells were shorter, more thin-walled and their cross-sections were rounder than in slower-grown reference trees. Increased growth rate was found to cause an increase in spiral grain variation both within and between annual rings. Furthermore, methods for determination of the mean MFA using x-ray diffraction were evaluated. Several experimental arrangements including the synchrotron radiation based microdiffraction were compared. For evaluation of the data analysis procedures a general form for diffraction conditions in terms of angles describing the fibre orientation and the shape of the cell was derived. The effects of these parameters on the obtained microfibril angles were discussed. The use of symmetrical transmission geometry and tangentially cut samples gave the most reliable MFA values.

Tutkimuksen taustaa: Viime vuosina metsäteollisuuden kiinnostus on herännyt entistä tarkempaan raaka-aineen valintaan, sillä se parantaa lopputuotteiden laatua sekä mahdollistaa prosessien tehostamisen. Tiedetään, että puiden geneettinen tausta ja kasvuolosuhteet vaikuttavat kasvavan puun puuainekseen, mutta ainoastaan harvoja puun laatuun liittyviä tunnuslukuja, kuten tilavuutta tai tiheyttä, voidaan mitata teollisessa mittakaavassa. Tässä väitöskirjatyössä on vertailtu ja kehitetty menetelmiä, joilla puuaineksen ominaisuuksia ja sen muodostumista erilaisissa kasvuolosuhteissa voidaan mitata. Tämä edesauttaa ymmärtämään puun kasvuprosessia. Tutkimusmenetelmästä: Väitöskirjatyössä on tutkittu havupuun puusolukon ja erityisesti putkilosolujen soluseinämän rakennetta. Siinä on vertailtu röntgensirontamenetelmiä, joilla voidaan määrittää soluseinämissä olevan selluloosan muodostamien, osin kiteisten fibrillien suuntajakaumaa, mikrofibrillikulmaa. Menetelmien ja tulosten vertailemiseksi työssä on johdettu röntgensäteilyn sironnalle kiteisestä selluloosasta teoreettinen malli, jossa solujen orientaatio ja muoto voidaan huomioida. Näiden parametrien vaikutus mikrofibrillikulman määrittämiseen on tarkasteltu. Puun solukkorakennetta on tutkittu optisella mikroskopialla ja solujen orientaatiota lasersironnalla. Tuloksista ja niiden merkityksestä: Työssä on tutkittu Suomessa ja Ruotsissa kasvaneen kuusen (Picea abies) mikrofibrillikulman, syykulman, kuitujen pituuden, soluseinämän paksuuden ja solun poikkileikkeen muodon vaihtelua vuosirenkaan funktiona. Työssä on tutkittu kasvunopeuden vaikutusta edellä mainittuihin parametreihin. Mitatun aineiston kasvunlisäys on saatu aikaan joko lannoittamalla tai valitsemalla nopeakasvuinen alkuperä, jolloin aineistona on käytetty saman kloonin puita. Tuloksien pohjalta nopeakasvuisuuden todettiin johtavan keskimääräisen mikrofibrillikulman pienenemiseen hitaammin puun ytimestä kaarnan suuntaan edettäessä kuin hidaskasvuisemmissa kontrollinäytteissä. Lisäksi nopeakasvuisten näytteiden putkilosolut ovat olleet lyhyempiä, ohutseinämäisempiä ja niiden poikkileikkeiden muoto on ollut pyöreämpi kuin hitaammin kasvaneissa kontrollinäytteissä. Tämän takia puuaineen tiheys on ollut pienempi kuin kontrollinäytteisiin verrattuna. Nopeakasvuisuus on aiheuttanut syykulman voimakkaampaa vaihtelua sekä lustojen sisällä että niiden välillä. Nämä tekijät yhdessä heikentävät puuraaka-aineen käytettävyyttä mekaanisessa puunjalostuksessa.