2 KUITUMORFOLOGIA
2.2 K evät -Z kesäpuukuidun kuitumorfologiset ominaisuudet
2.2.1 Kuidun seinämän paksuus
Kevät-/kesäpuukuiduilla on puissa erilaiset tehtävät. Nämä tehtävät asettavat kuiduille tietyt fysikaaliset vaatimukset. Tärkein kuitujen välinen rakenteellinen ero on kuidun seinämän paksuus. Kotimaisen männyn kuitujen seinämän paksuus vaihtelee kevätpuussa 2-4 pm:n ja kesäpuussa 4-8 pm:n välillä, joten männyn kesäpuukuitujen seinämä on 2-3 -kertainen männyn kevätpuukuituihin verrattuna.
Kuvasta 4 voidaan nähdä, miten puun kesäpuuosuus vaikuttaa kuidun seinämän paksuuteen. Kuusen kevätpuukuidulle on puolestaan mitattu soluseinämän paksuudeksi 1,6 pm ja kesäpuukuiduille 2,4 pm /2,3/.
* PSMS
A SRWS
□ PRWS
10 5 30 üo 50 IÖ 70 80
SUMMERWOOD CONTENT, Z
Kuva 4. Kesäpuuosuuden vaikutus kuidun seinämän paksuuteen /3/.
PSMS = Eteläinen mänty, sahahake SRWS = Eteläinen kuusi, tukkipuu PRWN = Pohjoinen mänty, tukkipuu PRWS = Eteläinen mänty, tukkipuu
Siirryttäessä kevätpuusta kesäpuuhun soluseinän paksuus muuttuu vähitellen, kuten kuvasta 5 nähdään.
Kuva 5. Poikkileikkaus vuosiluston rajalta. 200 x /2/.
Soluseinän on todettu paksunevan ytimestä pintaa kohti, sekä pienenevän tyvestä latvaa kohti /2,5/. Tämä noudattaa puun keskimääräistä kevät-/kesäpuuj akaumaa.
Soluseinämän paksuuskasvu on riippuvainen kunkin vuoden kasvuoloista.
Pohjoisten alueiden puiden soluseinät ovat ohuempia kuin etelän puiden soluseinät, joka puolesta johtuu pohjoisten puiden suuremmasta kevätpuuosuudesta.
Paavilainen /10/ on mitannut etelän sahahakkeen kuitujen seinämän paksuudeksi 6,7 ± 0,6 pm ja pohjoisen mäntypöllin kuitujen sinämän paksuudeksi 4,6 ± 0,5 pm.
2.2.2 Kuidun pituus
Suomalaisen männyn keskikuidunpituus on 2,5 - 3 mm ja kuusella hieman pidempi /2,6,16/. Jakauma on kuitenkin laaja ja pituus vaihtelee runsaasti rungon eri osissa puun iän, rungon korkeuden ja kuidun kasvunopeuden mukaan.
Hitaasti kasvaneet kesäpuun kuidut ovat yleensä pidempiä kuin saman vuosiluston kevätpuun kuidut /2,5/. Kuidun pituuden on todettu lyhenevän etelästä pohjoiseen siirryttäessä, vaikka puun kasvunopeus etelässä onkin huomattavasti nopeampaa kuin pohjoisessa /3,9/. Eteläisen Suomen pohjoista edullisemmat kasvuolosuhteet vaikuttavat siis positiivisesti kuidun pituuteen. Kuvassa 6 nähdään kuitujen pituusvaihtelu männyn vuosilustossa rungon säteen suunnassa.
TRAKEIDIT.mm
U---VUOSILUSTO 3.6
3.4
3.2
KESÄ-PUU 0.1 0.2 0.3 SÅTEITTÄINEN ETÄISYYS, mm MONTEREYNMÄNTY ( Pinus radiota)
Kuva 6. Kuidunpituuden vaihtelu vuosilustossa kevät-ja kesäpuun välillä /2/.
Kuvasta 6 voidaan nähdä, että kuidun pituus kasvaa loivasti kevätpuusta kesäpuuta kohti ja saavuttaa maksimiarvonsa kasvukauden lopussa, jonka jälkeen se laskee jyrkästi. Minimiarvonsa se saa tässä tapauksessa kevätpuun puolella.
Panshinin /12/ mukaan havupuiden kuitujen pituusvaihtelu lustossa on keskimäärin 12-25 %. Pituusvaihtelua lustossa tapahtuu myös rungon korkeussuunnassa. Kuidut pitenevät tyvestä keskirungon tienoille ja maksiminsa jälkeen lyhenevät jälleen latvaa kohti.
Puu muodostaa vanhemmalla iällä pidempiä kuituja, kuin nuorena. Kuidun pituus siis kasvaa ytimestä pintaa kohti kaikilla rungon korkeuksilla /2,5,6/. Kuidun pituus kasvaa kuitenkin vain tiettyyn ikään asti, jonka jälkeen pituuden kasvu lähes pysähtyy. Kuidun pituusjakauma rungon sisällä noudattaa siis melkoisen tarkasti puun kevät-/kesäpuuj akaumaa.
2.2.3 Kuidun mukautumiskyky
Kuitujen mukautuvuus voidaan jakaa kuidun taipuisuuteen ja sen litistymiseen (kuva 7)/3,6,16/.
TT 71 7
<Г
a) TAIPUISUUS
77777777777
b) LITISTYNI IS- TAIPUMUS
Kuva 7. Kuitujen erityyppiset mukautumismuodot /16/.
Kuidun taipuisuus on tärkeä ominaisuus sekä rainan muodostuksen (formaatio, kokoonpuristuvuus, vedenpoisto), että paperin ominaisuuksien kannalta.
Taipuisuuden määrittäminen on kuitenkin Paavilaisen /3/ mukaan osoittautunut erittäin vaikeaksi. Eri menetelmillä saatuja taipuisuusarvoja ei voida keskenään verrata, koska mittausperiaatteet eroavat toisistaan. Kuitujen kokoonpuristuvuutta voidaan mitata määrityksellä, jossa kuituja kuormitetaan kuituakselia vastaan kohtisuorassa suunnassa kahden optisesti tasaisen lasilevyn välissä.
Luhistumistaipumus ilmoitetaan lumenien täydelliseen luhistumiseen tarvittavana voimana kuitupituutta kohti /3/.
Mukautumiskyky riippuu suureksi osaksi kuitudimensioista. Niistä lähinnä kuidun halkaisija ja seinämän paksuus ovat kriittisiä mukautumiskyvyn kannalta /1,3,16/.
Erot märkien kuitujen taipuisuuksissa on pääosin peräisin kuitujen seinämän paksuuksien eroista. Ohutseinäiset kuidut ovat Paavilaisen /3/ mukaan kymmenen kertaa taipuisempia kuin paksuseinäiset kuidut. On todettu, että kuidun taipuisuus lisääntyy kuidun kevätpuuosuuden lisääntyessä. Ohutseinäisen kevätpuukuidun litistämiseen vaadittavan voiman on todettu olevan noin puolet kesäpuukuidun litistämiseen vaadittavasta voimasta /3/. Mukautumiskykyinen kuitu hakeutuu helposti asemaan, jossa sillä on hyvät edellytykset kuitujen välisten sidosten syntyyn/16/.
2.2.4 Kuidun sitoutumiskyky
Kuidut voivat muodostaa kuitujen välisiä sidoksia, jos seuraavat edellytykset täyttyvät /1,3,16/:
- viereisten kuitujen pinnat ovat riittävän lähellä toisiaan, jotta kuitujen väliset vetysidokset ovat mahdollisia. Tämä riippuu kuitujen taipuisuudesta ja pintajännityksistä.
- kuitujen pinnat ovat sellaisessa muodossa, että vetysidosten muodostuminen on mahdollista.
Kesäpuukuiduilla on todettu olevan huomattavasti alhaisempi sitoumiskyky kuin kevätpuukuiduilla /3/. Oheinen taulukko 1 osoittaa, miten mittaustavasta riippumatta paksuseinäiset, paljon kesäpuukuituja sisältävät puulajit, omaavat heikomman sitoutumiskyvyn kuin pohjoiset, paljon kevätpuuta sisältävät puulajit.
Massat ovat jauhamattomia massoja, joten fibrilloituminen ei vaikuta sitoutumisluj uuden arvoon.
Taulukko 1. Kuitujen sitoutumiskykyjä jauhamattomille havupuille /3/.
Sample Scott
PRWS, unbl. 69 37,1 3,94 16,7 55,9 9,3
-cell wall thickness 4,7 pm
52,9 4,36 29,7 65,9 19,5
-cell wall
SRWS 76 36,0 3,53 18,1 59,4 10,8
PRWN, unbl 84 40,8 3,25 19,2 55,6 10,7
PRWN, bl. 107 42,3 4,38 19,9 59,4 11,8
PRWS
-alkali charge 18
% NaOH
60,0 7,83 24,9
-alkali charge 24
% NaOH
47,1 6,70 22,1
PSMS = Eteläinen mänty, sahahake SRWS = Eteläinen kuusi, tukkipuu PRWN = Pohjoinen mänty, tukkipuu PRWS = Eteläinen mänty, tukkipuu
Taulukon 1 arvoista on huomioitava, että arvot ovat mitattu iauhamattomista massoista.
Jauhatus lisää kuitusidosaluetta (bonding area) ja sidoslujuutta (bonding strenght).
Kevätpuukuiduilla on heikompi sidoslujuus kuin kesäpuukuiduilla, mutta kuitusidosalue, johon vaikuttaa kuidun ulkomittojen lisäksi myös kuitujen lukumäärä, on ohutseinäisillä, taipuisilla kevätpuukuiduilla suurempi.
Tutkimusten mukaan /1,3,17/ sidosalueella on suurempi vaikutus kuituverkoston lujuuteen kuin sidoslujuudella. Niinpä kevätpuukuitujen verkostolujuus on kesäpuukuitujen verkostolujuutta suurempi.
2.2.5 Kuidun pituusmassa
Pituusmassalla tarkoitetaan kuitujen keskimääräistä painoa pituusyksikköä kohti (mg/m). Kuitujen läpimitta, seinämän paksuus, seinämän tiheys ja kuitupituus määrittävät yksiselitteisesti pituusmassan arvon /3/. Koska poikkileikkausdimensioiden määrittäminen on työlästä, pituusmassalla ja kuitupituudella kuvataan usein kuitujen morfologisia ominaisuuksia.
Suomalaiselle männylle on pituusmassaksi mitattu 0,38 - 0,48 mg/m ja kuuselle 0,32 - 0,41 mg/m /16/.
Vaikka kuidun seinämän paksuus on ehkä tärkein paperiteknillisten ominaisuuksien selittäjä, ei sille ole vielä löydetty hyvää prosessiolosuhteisiin sopivaa mittaria. Suorien kuitujen seinämän paksuudesta saadaan kuitenkin suhteellisen luotettava kuva pituusmassan määrityksellä.
Pituusmassan tuloksesta saatetaan kuitenkin vetää vääriä johtopäätöksiä kuidun pituuden ollessa likimain sama, sillä paksuseinäisillä, kapeilla ja vahvoilla kuiduilla voi olla sama pituusmassa kuin ohutseinäisillä, leveillä, ison soluontelon ja hyvän sitoutumiskyvyn omaavilla kuiduilla.
Mäkimattila /9/ on mitannut etelän ensiharvennuksen ja latvan pituusmassoiksi 0,197 mg/m sekä etelän pintapuun pituusmassaksi 0,261 mg/m. Pintapuun muita korkeampi pituusmassa selittyy sen suuremmalla seinämän paksuudella ja korkeammalla kesäpuuosuudella. Kuusimassan pituusmassan on todettu olevan alhaisempi kuin männyllä. Paavilainen 131 on työssään todennut, että pituusmassa suurenee ytimestä pintaan päin siirryttäessä sekä pohjoisesta etelään päin siirryttäessä.
KCL on eri tutkimuksissa /13/ määrittänyt kuitupuulle pituusmassa-arvoj a 0,178 - 0,209 mg/m. Kärelampi et ai /14/ puolestaan ensiharvennukselle arvon 0,23mg/m, tukin latvalle 0,22 mg/m ja pintapuulle 0,32 mg/m. Pituusmassojen mittaustuloksien keskenäinen vertailu on kuitenkin hankalaa, koska tulokseen voi vaikuttaa mittaukseen käytetty mittari.