245
Tieteen tori Metsätieteen aikakauskirja 2/1998
Pentti Hakkila
Kuitupuun laadun vaihtelu ja lajittelu- perusteet
P
uun laatu on käyttötarkoitukseen sidottu käsite.Käyttötarkoituksesta riippuu, mitkä ominaisuu- det ovat tärkeitä ja millaista puuraaka-ainetta halu- taan.
Puun laatuun vaikuttavia ominaisuuksia on run- saasti, ja ne vaihtelevat laajoissa rajoissa. Kun vaih- telu on ennalta arvaamatonta ja epäsäännöllistä, se on puun käyttäjän kannalta haitallista. Vaihtelu pitää sisällään myös mahdollisuuksia, jotka ainakin kuitu- teollisuudessa kuitenkin jäävät hyödyntämättä.
Puutavaralajiemme keskimääräiset ominaisuudet tunnetaan kehnosti. Vielä kehnommin tunnetaan ominaisuuksien vaihtelu. Laadun seuranta on rajoit- tunut lähinnä saha- ja vaneripuuhun ja siinäkin vain epäsäännöllisyyksiin ja vikoihin, kuten esimerkik- si oksaisuuteen, lenkouteen tai reaktiopuuhun.
Kuitupuun laatutekijät
Kuitupuulla laadun vaihteluun ei juurikaan kiinni- tetä huomiota, vaan kuitupuu mielletään pelkästään puulajeittaiseksi massa-artikkeliksi. Pahoin vialli- set ja alamittaiset pölkyt kyllä hylätään, mutta muut ominaisuudet jätetään vaille merkitystä. Kuitenkin myös kuituteollisuudessa tekniset ominaisuudet vaikuttavat raaka-aineen käyttäytymiseen prosessis- sa, tuotteen saantoon ja tuotteen laatuun. Vikojen ohella tärkeitä kuitupuun laatutekijöitä ovat:
– Puun kosteus. Erityisesti mekaanisessa kuituteolli- suudessa on oleellista, että raaka-aine on prosessiin
tullessaan tuoretta. Tämä vaatimus muokkaa koko korjuujärjestelmän logistiikan. Kosteuden alentumis- ta voidaan välttää puun kulkua nopeuttamalla, pöl- kyn pituutta lisäämällä tai kuoren rikkoutumista vält- tämällä. Kuitenkin tuoreeseenkin kuitupuuhun kät- keytyy kuivahkoa sydänpuuta, jossa veden määrä on pintapuuhun verrattuna tuskin neljännes. Run- saasti kuivaa sydänpuuta sisältävät pölkyt voitaisiin ehkä käsitellä erillään sydänpuuttomista pölkyistä ja ohjata prosessiin, jossa puun kosteudella ei ole keskeistä merkitystä.
– Puun kuori. Puun kuoripitoisuus ei ole tilavuusmit- tauksessa suinkaan sama kuin painomittauksessa.
Kuoren osuus vaikuttaa kuorellisen kuutiometrin puuainesisältöön ja arvoon. Paksu kuori vaikeuttaa ja hidastaa kuorintaprosessia.
– Puun kuiva-tuoretiheys osoittaa kuorettoman puun kuivamassasisällön (kg/m3), ja sen perusteella mää- räytyy myös raaka-aineen kulutus, joka ilmoitetaan kuorellisina kuutiometreinä massatonnia kohti. Kui- va-tuoretiheys on paitsi kuutiometrin raaka-ainesi- sällön myös kuidun ominaisuksien indikaattori, sil- lä korkea tiheys merkitsee paksuseinäisiä kuituja ja alhainen tiheys vastaavasti ohutseinäisiä kuituja.
Seinämän paksuus yhdessä kuidun pituuden kanssa puolestaan ratkaisee kuidun käyttäytymisen paperia valmistettaessa ja vaikuttaa suuresti paperin omi- naisuuksiin sekä myös esimerkiksi massanvalmis- tuksen ajan ja energian tarpeeseen. Paksuseinäisistä kuiduista saadaan lujaa armeerausmassaa, kun taas ohutseinäiset kuidut ovat eduksi painopapereissa.
– Puun uuteaineitten määrä ja koostumus vaikuttavat
246
Metsätieteen aikakauskirja 2/1998 Tieteen tori
paitsi sahatavaran kestävyyteen myös kuidutuspro- sessiin ja sellun sivutuotteitten saantoon. Ne aiheut- tavat ongelmia erityisesti mekaanisessa massateol- lisuudessa. Raaka-aineen sydänpuupitoisuus antaa viitteitä uuteainepitoisuudesta.
– Kuidun dimensiot (pituus, läpimitta, pituus-läpimit- tasuhde, seinämän paksuus) ratkaisevat paljolta pa- perin lujuuden sekä optiset ja painatustekniset omi- naisuudet. Erilaisissa papereissa tarvitaan erilaisia kuituominaisuuksia ja -sekoituksia.
– Puun sisäiset oksat. Oksilla on keskeinen asema sahatavaran laatuluokituksessa, mutta kuitupuussa niihin ei kiinnitetä huomiota. Oksat ja oksien ympä- ryspuu poikkeavat varsinaisesta runkopuusta tihey- tensä, kovuutensa, pihkapitoisuutensa, reaktiopuu- pitoisuutensa ja kuituominaisuuksiensa suhteen. Ok- sat johtavat helposti ylipaksujen hakepalasten syn- tyyn, vaikeuttavat kemiallista ja mekaanista valmis- tusprosessia, kuluttavat energiaa ja kemikaaleja, li- säävät rejektin osuutta massassa ja heikentävät mas- san laatua. Oksien merkitys ei siis ole yhdentekevä kuitupuussakaan.
Laadun vaihtelu
Kuitupuun teknisten ominaisuuksien vaihtelu koe- taan ongelmaksi teollisuudessa. Kun vaihtelua ei tunneta, sitä ei voida myöskään hallita – saati sitten hyödyntää. Vain puulajit ja ehkä sahanhake pide- tään erillään, mutta pidemmälle ei lajittelun suhteen juurikaan mennä. Kuitenkin vaihtelu esimerkiksi mäntykuitupuupölkkyjen kesken saattaa olla paljon suurempi kuin vaihtelu mäntykuitupuun ja kuusi- kuitupuun välillä. Kuitupuun laatuvaihtelussa voi- daan tietyn puulajin puitteissa erottaa seuraavat komponentit:
– Maantieteellinen vaihtelu. Esimerkiksi pohjoisim- man Suomen mäntypuulle on etelään verrattuna ominaista suuri sydänpuupitoisuus, alhainen kesä- puupitoisuus ja alhainen kuiva-tuoretiheys, joista seuraa mm. korkea puunkulutus sulfaattimassaa kei- tettäessä ja massan heikko repäisylujuus. Maantie- teellisen vaihtelun lähtökohtana on usein ero metsi- en iässä ja kasvunopeudessa.
– Leimikoitten välinen vaihtelu. Esimerkiksi nuorten ensiharvennusleimikoitten puutavarassa on runsaasti
nuorpuuta, jolle ovat ominaisia lyhyet ja ohutseinäi- set kuidut. Vastaavasti voidaan osoittaa eroja no- pea- ja hidaskasvuisten leimikoitten puuaineessa.
Nuoresta hyötykasvuisesta ensiharvennusleimikos- ta saadaan erilaista kuitua kuin vanhasta kitukasvui- sesta päätehakkuuleimikosta.
– Runkojen välinen vaihtelu leimikossa. Samankin lei- mikon sisällä esiintyy vaihtelua runkojen välillä.
Vaihtelu aiheutuu osaksi geneettisistä syistä, mutta osaksi myös ympäristötekijöistä kuten puun ase- masta metsikössä, kasvunopeudesta sekä iästä.
– Rungon sisäinen vaihtelu vaikuttaa sekä säteen suun- nassa ytimestä jälttä kohti että pituussuunnassa ty- vestä latvaan. Rungon sisäinen vaihtelu on itse asi- assa jyrkempi ja merkittävämpi kuin runkojen ja metsiköitten välinen vaihtelu, ja sen seurausta ovat esimerkiksi suuret erot sahanhakkeen ja pyöreän kuitupuun välillä tai tyvipölkkyjen ja latvapölkky- jen välillä. Leimikosta saatavan kuitupuun ominai- suudet muuttuvat, jos osa puutavarasta käytetään sahatukeiksi tai jos osa kuitupuusta erotetaan pikku- tukeiksi.
Vaihtelun hallinta ja lajittelun tavoitteet
Kun edellä kuvattua vaihtelua ei tunneta eikä voida ottaa valmistusprosessissa huomioon, seuraa pro- sessiteknisiä ongelmia, saantotappioita ja tuotteen laadun kiusallista vaihtelua. Mitä paremmin vaih- telu tunnetaan ja kyetään ennakoimaan, sitä parem- min kuidutukseen tulevan raaka-aineen laatu voi- daan hallita ja tasoittaa. Raaka-ainetta voidaan tuol- loin lajitella esimerkiksi seuraaviin tarkoituksiin:
– Lajittelulla etsitään prosessiteknisiä etuja. Puutava- ra voidaan lajitella esimerkiksi kuorintaa silmällä pitäen tavoitteena puun hävikin ja kuorinnan kus- tannusten minimointi. Tai tavoitteena voi olla puu- aineen tiheyden, kosteuden tai sydänpuupitoisuu- den tasoittaminen saantotappioitten välttämiseksi ja prosessiolojen optimoimiseksi. Lajittelua voitaisiin hyödyntää myös esimerkiksi raaka-aineen jaossa kemiallisen ja mekaanisen massateollisuuden kes- ken.
– Lajittelulla tasoitetaan ja vakioidaan prosessiin si- sään menevän hakkeen ja siitä ulos tulevan massan laatu.
247
Tieteen tori Metsätieteen aikakauskirja 2/1998
– Erityyppiset hakkeet kuidutetaan erikseen, kukin mahdollisimman edullisilla prosessisäädöillä (keit- toaika, kemikaaliannostus, jauhatusaika). Saadaan kuituominaisuuksiltaan erilaisia erikoismassoja, jois- ta esimerkkejä voisivat olla vaikka ensiharvennus- sellu eli nuorpuusellu, tai vastaavasti ensiharven- nushierre eli nuorpuuhierre.
Lajittelun tasot
Edellä on todettu, että mänty- ja kuusikuitupuun tekniset ominaisuudet vaihtelevat maantieteellises- ti, leimikoittain, rungoittain ja rungon sisäisesti, jois- ta vaihtelun osatekijöistä viimeksi mainittu on voi- makkain. Leimikoitten (ensiharvennusleimikko / varttuneen metsän harvennusleimikko / päätehak- kuuleimikko) välinen vaihtelu antaa peruslähtökoh- dan suunnittelulle, ja saattaa olla tarkoituksenmu- kaista rajoittaa lajittelu ja aktiivinen laadunohjaus vain tietyntyyppisiin leimikoihin eli sinne, missä sen vaikuttavuus on väkevin.
Lajittelu voidaan tehdä jo ennen korjuun aloitta-
mista esimerkiksi leimikkovalinnalla, korjuun yh- teydessä esimerkiksi erottelemalla tyvipölkyt muus- ta kuitupuusta, tehdasvaraston lajitteluasemalla tai vielä haketuksen ja kuidutuksen jälkeenkin. Lajit- telun tasoja ovat siten:
– Leimikoittainen lajittelu. Esimerkiksi ensiharvennus- leimikoitten kuitupuu saattaa kannattaa ohjata eril- liskäsittelyyn sekä ylettömän kuorintahävikin koh- tuullistamiseksi että puun laatuerojen vuoksi. Yh- dysvaltain etelävaltioissa keltamänty käytetään pää- sääntöisesti sulfaattisellun raaka-aineeksi, mutta eräillä tehtailla ensiharvennusleimikoitten keltamän- ty ohjataankin hiertämöön.
– Autokuormittainen lajittelu. Kuormat voidaan teh- taalle saapuessaan ohjata erilleen esimerkiksi pöl- kyn järeyden, sydänpuupitoisuuden tai vuosiluston keskimääräisen paksuuden silmävaraisen arvioin- nin perusteella. Viimeksi mainittu kasvunopeuden mukainen lajittelukäytäntö on omaksuttu ainakin yh- dellä ruotsalaisella tehtaalla.
– Pölkyttäinen lajittelu. Koska kuitupuun ominaisuu- det ainakin männyllä vaihtelevat rungon pituussuun- Kuva. Puun korjuussa tukkipuu erotellaan kuitupuusta, mutta pitäisikö lajittelussa mennä
kuitupuunkin osalta pitemmälle?
248
Metsätieteen aikakauskirja 2/1998 Tieteen tori
nassa enemmän kuin leimikoitten tai autokuormien välillä, pölkkykohtainen lajittelu voi olla vaikutta- vampi. Siitä aiheutuu kuitenkin lisätyötä ja kustan- nuksia joko korjuuvaiheessa tai lajitteluasemalla.
Pölkkyjen erottelun perustana voivat olla esimerkiksi läpimitta, asema rungossa, kuorityyppi, luston leve- ys tai sydänpuuosuus, joita käytetään pölkyn teknis- ten ominaisuuksien välillisinä indikaattoreina.
– Hakepalasten lajittelu. Jos lajittelu tapahtuu vasta hakkeena, avautuu mahdollisuus ottaa huomioon puun säteensuuntainen vaihtelu ytimen ja jälsiker- roksen välillä. Tästä esimerkkinä on sahatukkien pintaosista peräisin oleva sahanhake, jonka erityis- ominaisuuksia ovat korkea puuaineen tiheys, vähäi- nen sydänpuuosuus ja pitkät paksuseinäiset kuidut.
– Kuitujen lajittelu. Pisimmälle menevää teknologiaa edustaisi erillisten kuitujen lajittelu niitten dimensi- oitten perusteella. Siihen tähtääviä menetelmiä on kehitelty laboratoriotasolla, mutta käytäntöön so- veltuva ratkaisu lienee vielä kaukana toteutumises- taan. Jos lajittelu tapahtuisi vasta kuidutuksen jäl- keen, lajittelun ennen kuidutusvaihetta tuomat pro- sessitekniset edut jäisivät kuitenkin saamatta.
Lajittelu ja erien erilläänpito aiheuttavat kustannuk- sia. Lajittelu on tarkoituksenmukaista vain, mikäli se saadaan prosessin (esimerkiksi kuorinta tai keit- to), raaka-aineen laadun tasoittumisen tai raaka-ai- netyyppien erottelun kannalta kyllin vaikuttavaksi.
Käytännössä lajittelu kannattaneekin kohdistaa vain osaan raaka-ainevirrasta.
Tutkimuskokonaisuus
Metsäntutkimuslaitoksen Vantaan tutkimuskeskuk- sessa käynnistyi syksyllä 1996 TEKESin HARJU- ohjelmaan kuuluva tutkimus ”Harvennuspuun laa- tuvaihtelun hallinta ja hyödyntäminen”. Siinä on kartoitettu mänty- ja kuusikuitupuun laatumuuttu- jien vaihtelua ja sen syitä Etelä-Suomen harvennus- leimikoissa.
Palvellakseen teollisuuden tarpeita tehokkaasti laatukartoituksen ja sen tuloksena syntyvän tieto- pankin tulee kattaa kuituraaka-ainevirta kokonaisuu- dessaan, ja kartoituksen tulee ulottua mahdollisim- man moneen puutekniseen muuttujaan. Siksi alku- peräistä työtä on laajennettu myös päätehakkuista
saatavaan raaka-aineeseen ja sahanhakkeeseen sekä toisaalta koko maahan. Jatkohanke toteutetaan Met- säntutkimuslaitoksessa osana VTT Energian kokoa- maa ja johtamaa ”Puunkäsittelyn tuotelähtöinen optimointi massateollisuudessa” -ohjelmaa.
Käyttötarkoituksestaan johtuen aineisto kerätään leimikkolähtöisesti. Sekä männiköistä että kuusi- koista analysoidaan Suomen eteläpuoliskosta 15 ensiharvennusleimikkoa, 15 muuta harvennuslei- mikkoa sekä 15 päätehakkuuleimikkoa. Lisäaineis- toa kerätään maan pohjoisosasta. Kustakin leimi- kosta kaadetaan 15 poistettavaksi luokiteltua puu- ta, ja kustakin puusta tutkitaan keskeiset tekniset ominaisuudet 10—15 eri korkeudelta kerätystä näyt- teestä. Kuidun dimensioitten osalta aineisto on kui- tenkin oleellisesti pienempi.
Lopputuloksena on entistä selkeämpi kuva havu- puittemme teknisistä ominaisuuksista ja niitten lei- mikoittaiseen, rungoittaiseen ja rungon sisäiseen vaihteluun vaikuttavista tekijöistä. Tietoja voidaan hyödyntää esimerkiksi seuraavissa tehtävissä:
– Syntyy tietopankki mänty- ja kuusipuun teknisistä ominaisuuksista kuituteollisuuden raaka-aineena – Tietopankki antaa kuvan metsänhoidon vaikutuk-
sesta puun ominaisuuksiin runkokohtaisen kasvu- nopeuden ja metsikön iän suhteen, ja sitä voidaan hyödyntää puun kasvumalleissa
– Raaka-ainevirtoja voidaan ohjata laatuvaihtelun kan- nalta tarkoituksenmukaisella tavalla
– Raaka-aineen hallitsematonta laatuvaihtelua voidaan tasoittaa
– Ominaisuuksiltaan ääreviä puueriä voidaan ohjata erilleen prosessiolojen optimoimiseksi ja erikois- tuotteitten valmistamiseksi.
■Professori Pentti Hakkila työskentelee Metlan Vantaan tutkimuskeskuksessa.
