6.3 Toisen kierroksen SEM -kuvat
6.3.2 Pakastekuivauksen kuvat toiselta kierrokselta
Kuvassa 49 on esitetty pakastinkuivattu pesemätön perälaatikon koivusulpun näyte ja kuvassa 50 samaa näytettä pestynä.
Kuva 49. SEM kuva pakastinjäädytetystä ja pakastekuivatusta pesemättömästä perälaatikon koivusulpun kuitunäytteestä. Irrallisissa mikrofibrilleissä on luvun 6.2.3 tavoin levymäisiä objekteja.
Kuva 50. SEM kuva pakastinjäädytetystä ja pakastekuivatusta perälaatikon koivusulpun pestystä kuitunäytteestä. Irrallisissa mikrofibrilleissä ei esiinny enää levymäisiä objekteja.
Pesemättömässä perälaatikon koivusulppunäytteessä näkyy samat levymaiset rakenteet kiinnittyneinä mikrofibrilleihin. Pestyssä näytteessä rakenteita ei ole kiinni mikrofibrilleissä.
Voidaan todeta varmuudella, että levymäiset rakenteet ovat koivusulpun vesiliuoksesta
kiteytyneitä pienhiukkasia. Kuvissa 51 ja 52 on esitetty pakastimessa jäädytetty ja pakastekuivattu jauhettu näyte.
Kuva 51. SEM kuva pakastinjäädytetystä ja pakastekuivatusta jauhatetusta kuitunäytteestä.
Mikrofibrillirakenteita esiintyy laajasti hajonneiden kuitujen ympärillä.
Kuva 52. SEM kuva pakastinjäädytetyn ja pakastekuivatun jauhatetun kuitunäytteen pinnasta.
Kuidun pinnalla näkyy vain vähän irrallisia mikrofibrillejä toisin kuin alipainekuivauksessa.
Jauhatetun kuidun mikrofibrillirakenteiden monimuotoisuus nähdään kuvien 26 ja 51 välillä.
Kuvassa 51 esiintyy runsaasti hajonneita mikrofibrillirakenteita kuitujen ohessa. Jauhatetun ja ei-jauhatetun pakastinjäädytetyn ja pakastekuivatun kuidun pinnan yksityiskohdat ovat saman tasoisia. Kuvissa 53 ja 54 on esitetty metallin pinnalla jäädytetty ja pakastekuivattu jauhettu näyte.
Kuva 53. SEM kuva metallin pinnalla jäädytetystä ja pakastekuivatusta jauhatetusta kuitunäytteestä. Mikrofibrillirakenteet esiintyvät levymäisempinä kuin kuvassa 50.
Kuva 54. SEM kuva metallin pinnalla jäädytetyn ja pakastekuivatun jauhatetun kuitunäytteen kuidun pinnasta. Kuidun pinnan mikrofibrillirakenne näkyy ilmavana ja yksityiskohtaisena.
Jauhatetun kuidun mikrofibrillirakenteiden monimuotoisuus nähdään myös hyvin kuvista 31 ja 53. Kuitujen ohessa näkyy runsaasti riekaleisia mikrofibrillirakenteita. Kuidun pinnan yksityiskohdat näkyvät paremmin jauhatetun kuidun kanssa.
7 YHTEENVETO ESIKÄSITTELYMENETELMIEN EROISTA
SEM kuvien pohjalta voidaan perustella puukuitujen kuvaamista varten tehokkaimmiksi esikäsittelymenetelmiksi alipainekuivauksen ja pakastekuivauksen. Molemmat menetelmät tuottivat yksityiskohtaisimmat kuvat perälaatikon koivusulpun kuiduista sekä jauhatetun koivusulpun kuiduista. Metallin pinnalla jäädytetyn kuidun yksityiskohdat olivat paremmat kuin pakastinjäädytetyn, mutta menetelmä vaatii riskialttiin nestemäisen typen käyttöä.
Alipainekuivauksen etuna oli sen yksinkertaisuus, nopeus ja helppous. Esikäsittely voidaan suorittaa välittömästi sputteroinnin yhteydessä, eikä näytettä tarvitse jäädyttää ja pakastekuivata vuorokautta. Sputterin eliniän kannalta alipainekuivaus pitäisi kuitenkin suorittaa korkeassa vakuumissa alipainekaapissa. Molemmat menetelmät vaativat siis niitä varten räätälöidyt laitteistot.
Ilmakuivauksen lopputulos oli teorian pohjalta odotettavissa. Kuidut olivat lyyhistyneitä, liimautuneita toisiinsa, eikä irrallisia mikrofibrillirakenteita esiintynyt ollenkaan niiden ollessa painautuneina kiinni kuitujen pintaan. Samanlainen lopputulos saavutettiin propaanikuivauksen kanssa. Kuidun mutkissa ja kinkeissä ei näkynyt ollenkaan irrallisia mikrofibrillejä. Lisäksi propaanikuivaus vaati erillisen laitteiston rakentamisen, räjähdysherkän propaanin käyttöä sekä riskialttiin nestemäisen typen käyttöä. Propaanikuivattujen kuitujen yksityiskohtaisuutta oltaisiin voitu parantaa kuivaamalla näyte alipaineessa muiden pakastettujen näytteiden tavoin.
Lisäksi täysin vedetön propaanikaasu voisi parantaa kuivauksen lopputulosta.
HMDS -käsittelyn avulla päästiin tarkastelemaan vain muutamaa halutun näköistä kuitua.
Suurin osa kuvattavista kuiduista oli hajonneita ja lyyhistyneitä. Muutamien kuitujen kinkeissä esiintyi hajonnutta mikrofibrillirakennetta ja kuitujen pinnalla erottui selviä mikrofibrilliverkostoja. HMDS -käsittelyn epäonnistuminen pohjautuu käytettyyn menetelmään. Ruiskusuodattimen kankaalle päätyi pitkien kuitujen sijaan runsaasti lyhyitä kuituja, mikä selittyy osittain suodattimen suuaukon tukkeutumisesta liiallisesta kuitujen määrästä. Käytetty liuos olisi pitänyt olla laimeampaa tai ylimääräiset kuidut poistettava.
Lisäksi rikottavan suodattimen sijaan pitäisi käyttää suodatinpidikettä. Menetelmää kehittämällä HMDS -käsittelyllä on potentiaalia, sillä sen kanssa on mahdollista välttää laitteiston tarve haihduttamalla neste vetokaapissa. Kuitenkin jos vähintään yhtä hyvään lopputulokseen päästään alipainekuivauksella, ei ole tarvetta käyttää HMDS:n kaltaista vaarallista kemikaalia.
Ioninen neste ei sovellu puukuitujen fibrillimäisen rakenteen ja pinnan yksityiskohtien tarkasteluun, vaan soveltuu paremmin näytteille jotka hyötyvät enemmän rakenteen ja muodon
ylläpitämisestä. Puukuidut ovat ioniselle nesteelle liian jäykkiä. Ioninen neste mahdollistaa kuitenkin puukuidun tarkastelun märkänä, jolloin voidaan havaita vesiliuoksessa olleita prosessin muita hiukkasia. Alhaisen kiihdytysjännitteen ja kultapinnoitteen puuttumisen vuoksi puukuidun pinnan yksityiskohdat jäävät vähäiseksi verrattuna muihin menetelmiin. Lisäksi nestettä ei voida käyttää suuria määriä sen hinnan ja myrkyllisyyden vuoksi. Kuitujen laadun tilastollisuuden vuoksi olisi tarkasteltava satoja kuituja, ei ole kovin kustannustehokasta.
Tutkimuksen tuloksena havaittiin puukuidun morfologian ja pinnan yksityiskohtaisen tarkastelun kannalta parhaaksi esikäsittelymenetelmäksi alipainekuivaus. Menetelmää voitaisiin jatkossa soveltaa paljon laajempiin tutkimuksiin, kuten eri puulajikkeiden väliseen vertailuun tai täysin eri tuotantolaitoksilta otettujen kuitunäytteiden vertailuun.
LÄHDELUETTELO
Berg, P., Lingqvist, O. Pulp, paper, and packaging in the next decade: Transformational change.
[ONLINE], McKinsey&Company, [Vierailtu 7.1.2018],
https://www.mckinsey.com/industries/paper-and-forest-products/our-insights/pulp-paper-and-packaging-in-the-next-decade-transformational-change.
Bittermann, A., Rodighiero, S., Wepf, R. Ionic Liquids for biological SEM and FIB/SEM.
European Microscopy Congress, Zürich, 2016, p.93–94.
Braet, F., De Zanger, R., Wisse, E. Drying cells for SEM, AFM, TEM by hexamethyldisilazane: a study on hepatic endothelial cells. Journal of Microscopy, Vol. 186, 1997, p.84–87.
Burgess, J., Marten, M., Taylor, R., Under the Microscope: A Hidden World Revealed.
Cambridge University Press, Cambridge, No. 5, 1990, p.190–200.
Chinga-Carrasco, G. Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils: The morphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibre technology point of view.
Nanoscale Reasearch Letters, Vol. 6 (1), 2011, p.417.
Clegg, C., J., Biology for the IB Diploma. 5th Ed., Hodder Education, London, 2007, p.12–13.
Duchesne, I., Daniel, G. The ultrastructure of wood fibre surfaces as shown by a variety of microscopical methods – A review. Nordic Pulp and Paper Research Journal, No. 2, 1999, p.129–139.
Echlin, P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Springer Science + Business Media LLC, New York, 2009, p.97–100.
Electron Microscopy Sciences, Critical Point Drying Principles, [ONLINE], [Vierailtu 8.1.2018], https://www.emsdiasum.com/microscopy/technical/datasheet/critical_drying.aspx.
Gurunathan, T., Mohanty, S., Nayak, S. K. A Review of the Recent Developments in Biocomposites Based on Natural Fibres and Their Application Perspectives. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 77, p.1–25, 2015.
Hitachi High-Technologies. Basics of Scanning Electron Microscopy, 2013.
Höflinger, G., Brief Introduction to Coating Technology for Electron Microscopy, [ONLINE], Leica Microsystems, [Vierailtu 8.1.2018], https://www.leica-microsystems.com/science-lab/brief-introduction-to-coating-technology-for-electron-microscopy/.
James Cook University, Biological Sample Preparation for the SEM, [ONLINE], Advanced
Analytical Centre, [Vierailtu 15.1.2018],
https://research.jcu.edu.au/archive/enabling/aac/cairns-aac/biological-sample-preparation-for-the-sem
Katsen-Globa, A., Puets, N., Gepp, M., Neubauer, J., Zimmermann, H. Study of SEM preparation artefacts with correlative microscopy: Cell shrinkage of adherent cells by HMDS-drying. The Journal of Scanning Microscopes, Vol. 38 (6), 2016, p.625–633.
Katz, A., Bentur, A., Kovler, K., A novel system for in-situ observations of early hydration reactions in wet conditions in conventional SEM. Cement and Concrete Research, Vol. 37 (1), 2007, p.32–37.
Kelly, P., Arnell, R. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications.
Vacuum. Vol. 56 (3), 2000, p.159-172.
Koch, G. Raw Material for Pulp. In: Sixta, H. (ed), Handbook of Pulp, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2006, p.22.
Kärkkäinen, M., Puutieteen perusteet. Metsälehti Kustannus, Hämeenlinna, 2003, p.17–108.
Laine, C., Wang, X., Tenkanen, M., Varhimo, A. Changes in the fiber wall during refining of bleached pine kraft pulp. Holzforschung, Vol. 58 (3), 2004, p.233–240.
[https://www.researchgate.net/publication/249924971_Changes_in_the_fiber_wall_during_re fining_of_bleached_pine_kraft_pulp]
Lee, J., Chow, K. SEM sample preparation for cells on 3D scaffolds by freeze-drying and HMDS. The Journal of Scanning Microscopes, Vol. 34 (1), 2012, p.12–25.
Lepistö, T., Pyyhkäisyelektronimikroskopia ja Mikroanalysointi. Juvenes Print - Suomen Yliopistopaino Oy, Tampere, 2016, p.2–302.
Madsen, B., Gamstedt, E. (2013). Wood versus Plant Fibers: Similarities and Differences in Composite Applications. Uppsala University. Verkkoartikkeli. Saatavilla:
https://www.hindawi.com/journals/amse/2013/564346/#B13 [Vierailtu 5.1.2018]
Mehta, R., Interactions, Imaging and Spectra in SEM. In: Kazmiruk, V. (ed), Scanning Electron Microscopy. InTech, Rijeka, 2012, p.17–30.
Metsäteollisuus ry, Avain Suomen metsäteollisuuteen. Libris Oy, Helsinki, 2000, p. 5–28, 52-56.
Metsäteollisuus ry, Metsäteollisuus, [ONLINE], [Vierailtu 7.1.2018], https://www.metsateollisuus.fi/tilastot/metsateollisuus/.
Microscopy Today, Salt Lake City, 2012.
Pathan, A.K., Bond, J., Gaskin, R.E. Sample Preparation for SEM of plant surfaces. Materials Today, Rotorua, Vol 12, 2010, p.32–43.
Reeb, J. Wood and Moisture Relationships. Oregon State University, 1995, p.1–2.
Shokri, J., Adibkia, K., Application of Cellulose and Cellulose Derivatives in Pharmaceutical Industries. In: Van De Ven, T (ed), Cellulose – Medical, Pharmaceutical and Electronic Applications, InTech, 2013.
Siemens, The Magazine: Paper industry redefines itself. [ONLINE], [Vierailtu 7.1.2018], https://www.siemens.com/customer-magazine/en/home/industry/the-digital-enterprise/paper-industry-redefines-itself.html.
Stén, M. Johdatus paperikemiaan. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 1997, p.1–7.
Suchy, M., Kontturi, E., Vuorinen, T., Impact of Drying on Wood Ultrastructure: Similiarities in Cell Wall Alteration between Native Wood and Isolated Wood-Based Fibers.
Biomacromolecules, Vol. 11, 2010, p.2161–2168.
Takahashi, C., Kalita, G., Ogawa, Moriguchi, K., Tanemura, M., Kawashima, Y., Yamamoto, H. Electron microscopy of Staphylococcus epidermidis fibril and biofilm
formation using image-enhancing ionic liquid. Analytical and Bioanalytical Chemistry, Springer Berlin Heidelberg, Vol. 407, Issue 6, 2015, p.1607–1613.
Tsuda, T., Mochizuki, E., Kishida, S., Iwasaki, K., Tsunashima, K., Kuwabata, S. SEM observation of hydrous superabsorbent polymer pretreated with room-temperature ionic liquids. PLoS One, San Francisco, Vol 9, Issue 3, 2014.
Watkins, D., Nurrudin, Md., Hosur, M., Tcherbi-Narteh, A., Jeelani, S. Extraction and characterization of lignin from difference biomass resources. Journal of Materials Research and Technology, Vol. 4 (1), 2015, p.26–32.
Yeung, E. (eds.), Stasolla, C., Sumner, M., Huang, B. Plant Microtechniques and Protocols.
Springer International Publishing Switzerland, Vol 14, 2015.
Zhang, N., Li, S., Xiong, L., Hong, Yu., Chen, Y. Cellulose-hemicellulose interaction in wood secondary cell-wall. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol 23 (8), IOP Publishing, 2015.
Zhao, D., Liao, Y., Zhang, Z. Toxicity of Ionic Liquids. CLEAN – Soil, Air, Water. Vol. 35 (1), 2007, p.42–48.