Vedens og fibrenes oppbygning

1 Vedens og fibrenes oppbygning Forelesning i fag TKP4125 Treforedling, grunnkurs Våren 2006

2 versikt Ved og vedstruktur Ulike typer ved ppbygning, celletyper Fiberdimensjoner Lengde Fiberveggtykkelse Fibrenes struktur Fiberveggens oppbygning Styrkeegenskaper Fibrenes kjemiske komponenter

3 Hva er et tre? Skiller mellom urteaktige og treaktige planter Urteaktige planter: Deler som vokser over jorda visner om høsten Treaktige planter: Danner greiner og evt. stamme (flerårige) To hovedklasser av trær: Bartrær og løvtrær Veden består i overveiende grad av døde celler (prosenkymceller vedrør og vedfibre) infiltrert med vann (i splint-/yteveden) eller luft (i kjerneveden) Hovedråstoff for produksjon av ferskmasse

4 Treets bestanddeler Blader (nåler) Fotosyntese Grener og stamme Struktur Røtter ppsuging av vann og næringssalter

5 Trestammens sammensetning Ytterbark: Beskyttelse Innerbark (silvev): Transport av fotosynteseprodukter fra bladene ned til røttene Kambium ( mellom barken og veden ): Vekstområde Splintved (yteved): Transport av vann fra røttene opp til bladene, struktur Kjerneved: Struktur Kambium Årring Sommerved Vårved Marg Bark Ved

6 Vårved og sommerved Vårvedsfibre har tynne fibervegger Høy væsketransport Sommervedfibre har tykke fibervegger Langsommere vekst, mindre væsketransport Furu: Brå overgang vårved sommerved Gran: Gradvis overgang vårved sommerved Sommerved Årringgrense Vårved neste år SEM-bilde: Per lav Johnsen, PFI

7 Vedens finstruktur barved ( langfiber, softwood ) Trakeider ( fibre ) ca. 90% Døde celler (prosenkymceller) Vanntransport og struktur Lengde 2-5 mm (avhenger av treslag og treets alder da cellen ble dannet) Diameter ca. 30 μm (avhenger av treslag) Margstråleceller Levende celler (parenkymceller) Danner margstrålene Inngår i finstoffet Epitelceller Levende celler Danner harpikskanaler Inngår i finstoffet 1. Horisontalsnitt 7. Margstråleceller 2. Radialsnitt 8. Vertikal harpikskanal 3. Tangentiellsnitt 9. Horisontal harpikskanal 4. Årring 10. Ringpore 5. Vårved 11. Vinduspore 6. Sommerved

8 Vedens finstruktur løvved ( kortfiber, hardwood ) Rørceller (trakeer, karceller) Korte, tykke, røraktige Døde celler (prosenkymceller) Danner rørstrukturer i veden Vanntransport Trakeider Spiller en mindre rolle Døde celler (prosenkymceller) vergangsformer mot rør- eller libriformceller Libriforme fibre ( fiber ) 40-70% Døde celler (prosenkymceller) Struktur Lengde 0,5-2,5 mm Margstråleceller (parenkymceller) 1. Horisontalsnitt 6. Sommerved 2. Radialsnitt 7. Margstråleceller 3. Tangentiellsnitt 8. Vedrør 4. Årring 9. Fibre (libriformfibre) 5. Vårved

9 Celletyper i ulike treslag Treslag Trakeider og fibre Parenkymceller Karceller Vol.-% Vekt -% Vol.-% Vekt -% Vol.-% Vekt-% Gran Picea abies 95 99 5 1 0 0 Furu Pinus silvestris 93 98 7 2 0 0 Lerk Larix decidua 91 9 0 Bjørk Betula verrucosa 65 86 10 5 25 9 Bøk Fagus silvatica 37 32 31 sp Populus tremula 61 13 26

10 Porer Fiberporer Finnes i intakt vedfiber Går gjennom fiberveggen til hulrommet i midten (lumen) Synlige i elektronmikroskop Fiberveggporer (mikroporer) Dannes under kokeprosessen finnes i massefiber fra kjemisk masse Skyldes fjerning av substans fra selve fiberveggen Går ikke gjennom fiberveggen Ikke synlige i elektronmikroskop Kan måles indirekte med analytiske metoder

11 Fiberporer: Linseporer Vann strømmer fra en trakeide til den neste gjennom endeporer (linseporer) Lukker seg når veden tørker Gran Gran SEM-bilder: Per lav Johnsen, PFI

12 Fiberporer: Halvlinseporer Forbindelse mellom trakeider og parenkymceller gjennom halvlinseporer Formen avhenger av tresort Kan brukes til artsbestemmelse Gran har små, runde halvlinseporer Furu har store, rektangulære halvlinseporer (vindusporer) Åpen forbindelse til innsiden av trakeiden (lumen) også etter tørking Gran Furu SEM-bilder: Per lav Johnsen, PFI

13 Splintved og kjerneved Splintveden er det ytterste laget av stammen Fibrene fylt med vann Væsketransport Kjerneveden er den innerste delen av veden Luftfylte fibre Endeporer er lukket Furu: Synlig mørkere enn splintveden Inneholder større mengder ekstraktivstoffer Gran: Inneholder mindre mengder ekstraktivstoffer Marg Bark Splintved (yteved) Kjerneved

14 Kjerneveddannelse Bark Splintved Kambium Splint Kjerneved Kjerneved Splint Splint Splint

15 Ungdomsved 6 til 20 årringer fra margen Uklar definisjon Tynne fibervegger Lav andel av sommerved Kortere, smalere og mer fleksible trakeider Lavere densitet, spesielt hos furu Moden ved Ungdomsved Moden ved

16 Reaksjonsved ppstår når stammen kommer ut av sin normale stilling (eks. kvistfester) Annen kjemisk sammensetning enn normal ved Bartrær: Tennarved ( trykkved ) Rødbrun farge Eksentrisk marg Andel av total, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Høy andel av sommerved Papir med lavere slitstyrke Løvtrær: Strekkved Gran Tennar sp Strekkved Større andel fiber Papir med lavere slitstyrke Cellulose Lignin Hemicellulose Annet (harpiks m.m.)

17 Tetthet for endel vedslag Bartrær Løvtrær Treslag Basisdensitet, kg/m 3 Min. Middel Maks. Edelgran Abies alba 320 410 710 Hemlock Tsuga heterophylla 330 470 700 Douglasgran Pseudotsuga menziesii 290 470 680 Furu Pinus sylvestris 310 480 630 Gran Picea abies 300 430 640 Lerk Larix decidua 420 550 770 sp Populus tremula 360 430 560 Gråor Alnus incana 320 420 550 Svartor Alnus glutinosa 380 500 580 Bjørk Betula verrucosa 460 610 800 Bøk Fagus sylvatica 490 680 880 Basisdensitet oppgis vanligvis som (tørr vekt)/(ferskt volum) Faktisk densitet for flisa varierer med fuktinnholdet Forskjeller mellom kjerneved og splintved før evt. basning

18 Noen fiberdimensjoner Treslag Lengde Bredde Veggtykkelse mm μm μm L/B Gran Picea abies 3,5 27 2.9 130 Furu Pinus silvestris 2,9 28 3.2 100 Edelgran Abies alba 3,7 37 100 Lerk Larix decidua 3,5 38 90 Bjørk Betula verrucosa 1,1 20 1.9 55 Bøk Fagus silvatica 1,5 14 3.3 110 Eukalyptus E. globulus 1,0 13 1.6 80

19 Fiberlengdefordeling

20 Fiberlengde og treets alder

21 Fiberlengde og avstand fra marg

22 Fiberlengde og høyde

23 Fiberveggtykkelsesfordeling

24 Fiberveggtykkelse og høyde

25 Ulik ved i ulik flis Toppstokk Toppstokk og tynningsvirke verveiende ungdomsved Lite/ingen kjerneved Korte, smale og tynnveggede fibre Helstokk Blanding av ungdomsved og moden ved Blanding av kjerneved og splintved Bakhon (sagbruksflis) Splintved Moden ved Høyere andel sommervedfibre Lange, tykke og tykkveggede fibre Bakhon Moden ved Ungdomsved Moden ved

26 Fiberdimensjoner gjennom stokken Toppen (toppstokk) har tynnere fibervegger Den ytterste delen av stokken (bakhon, sagbruksflis) har lengre fibre enn indre deler Unge trær (tynningsvirke) har kortere, tynnere og mer fleksible fibre Furu og gran har ulik fiberlengde og -veggtykkelse Råstoffseleksjon kan ha betydning for massens fiberegenskaper

27 Fiberen er en kompositt Fibertverrsnitt Veden er en kompositt av fibre som er limt sammen i den ligninrike midt-lamellen Fiberveggen er igjen en kompositt av cellulosefibriller i en lignin/hemicellulosematriks De tre hovedkomponentene i fiberen har ulike fysikalske og kjemiske egenskaper Både kjemiske og fysikalske egenskaper spiller en rolle for oppførsel og nedbrytning under masseframstillingen Kjemien bestemmer ofte de fysikalske egenskapene Fiber Fibrill Krystallitt Enhetscelle Cellobioseenhet Mikrofibrill

28 Fiberens oppbygning og struktur Både veden og fiberveggen er komposittmaterialer Analogi: Fiberforsterket plast Båter, fiskestenger, Lange, stive, rette cellulosefibriller Krystallinsk, fibrig materiale En blanding av lignin og hemicellulose omgir cellulosefibrillene Amorft materiale Lignin og hemicellulose Hemicellulose Cellulosefibriller

29 Lagene i fiberveggen Fibrene er limt sammen i midtlamellen (M) ca. 2 μm Flere ulike lag i fiberveggen: Primærvegg (P): ca. 0,1 μm vergangslamell (S 1 ): ca. 0,1 μm Sekundærvegg (S 2 ): 1-8 μm Tertiærvegg (S 3 ): ca. 0,1 μm Hulrom i midten (lumen) ca. 20 μm i diameter Lumen Tertiærvegg (S 3 ) Sekundærvegg (S 2 ) vergangslamell (S 1 ) Primærvegg (P) Midtlamell (M)

30 Fibrillenes orientering og vinkel Ytre overflate Indre overflate Primærvegg (P) Tertiærvegg (S 3 ) vergangslamell (S 1 ) Egentlig sekundærvegg (S 2 )

31 Fibrillvinkelen påvirker fiberens egenskaper : Sulfatfibre ved 45% utbytte : Holocellulose (fibre der ligninet er fjernet uten å fjerne cellulose eller hemicellulose)

32 Tre hovedkomponenter Barved Løvved Cellulose (karbohydrat) 40-42% 40-45% Hemicelluloser (karbohydrat) 28-34% 25-35% Lignin (ikke karbohydrat) 27-32% 22-26%

33 100 % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % E. camalduensis Eucalyptus globulus Bartrær Løvtrær Douglas fir Eastern hemlock Monterey pine White spruce Bjørk Bøk Gråor Red maple Sugar maple White birch Cellulose Hemicellulose Lignin Balsam fir Sibirlerk Gran Furu

34 Fordeling i barvedfiberen Avstand fra ytre kant av midtlamell, M (μm) 0 1 2 3 4 5 5 4 3 2 1 0 Relativ tetthet (%) 100 80 60 40 20 Lignin ~30% Hemicelluloser ~30% Cellulose ~40% 0 Snitt gjennom fiberen Lumen ca. 20 μm P 0,1 μm S 1 0,1 μm S 3 0,1 μm M ca. 2 μm S 2 1-5 μm

35 Cellulose Karbohydrat: lange, rette kjeder Inneholder mange hydroksylgrupper Hydrofilt Har en struktur som lett pakkes til krystallinske fibre Bindinger mellom kjedene Tett struktur Lite tilgjengelig for kjemikalier

36 Cellulosemolekylet H H HH 2 C H HH 2 C H H H HH 2 C H HH 2 C H n H H Ikke-reduserende ende Reduserende ende n 10.000 (trecellulose)

37 Cellulosestruktur forenklet modell Krystallinsk område Amorft område Krystallinsk område Mikrofibrill Krystallitt Molekyl H HH 2 C H HH 2 C H H H HH 2 C H HH 2 C H H

38 Cellulosestruktur oppdatert modell I realiteten er ikke mikrofibrillene ordnet i regulært mønster Stort sett enighet om Fringe-micellar modell for mikrofibrill Amorfe områder er relativt lett tilgjengelige for kjemikalier Krystallinske områder er lite reaktive pga. lav tilgjengelighet

39 Cellulosens krystallinske struktur

40 Hemicellulose Karbohydrat: korte, forgrenede kjeder Består av mange ulike sukkerarter Inneholder mange hydroksylgrupper Hydrofilt Har en struktur som vanskelig pakkes til krystallinske fibre Forgreninger hindrer tett struktur Tilgjengelig for kjemikalier Lett å løse opp, lett å bryte ned

41 Ulike treslag har ulike hemicelluloser Barved Galaktoglukomannan 20-23% Arabinoxylan ( xylan ) 7-10% Lerk Arabinogalaktan 5-35% Løvved Glukuronoxylan ( xylan ) 15-30% Glukomannan 2-5%

42 Lignin Ikke karbohydrat Inneholder lite hydroksylgrupper Har en meget kompleks tredimensjonal struktur Bindinger mellom strukturenhetene er ikke av karbohydrat-type Kjemikalier kan reagere med lignin uten å reagere (like sterkt) med karbohydrat

43 Sammendrag Barved er relativt enkelt oppbygd Består hovedsaklig av trakeider, fibre som er 2-5 mm lange og ca. 30 μm brede Løvved er mer komplisert oppbygd 0,5-2,5 mm lange fibre, tykkere vegger enn barvedsfibre Egenskapene til veden varierer Treslag Alder Type ved Fiberen er en lagvis oppbygd fiberkompositt De enkelte lagene har ulike kjemiske og mekaniske egenskaper