1. No category

1
Vedens og fibrenes oppbygning
Forelesning i fag TKP4125
Treforedling, grunnkurs
Våren 2006
NTNU
www.ntnu.no
2
Oversikt
•
Ved og vedstruktur
– Ulike typer ved
– Oppbygning, celletyper
•
Fiberdimensjoner
– Lengde
– Fiberveggtykkelse
•
Fibrenes struktur
– Fiberveggens oppbygning
– Styrkeegenskaper
•
Fibrenes kjemiske
komponenter
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
4
Treets bestanddeler
•
Blader (nåler)
– Fotosyntese
•
Grener og stamme
– Struktur
•
Røtter
– Oppsuging av vann og
næringssalter
NTNU
www.ntnu.no
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
Bark
Ved
Vårved
Marg
NTNU
www.ntnu.no
6
Vårved og sommerved
•
Vårvedsfibre har tynne
fibervegger
Årringgrense
Sommerved
Vårved neste år
– Høy væsketransport
•
Sommervedfibre har tykke
fibervegger
– Langsommere vekst, mindre
væsketransport
•
•
Furu: Brå overgang
vårved→sommerved
Gran: Gradvis overgang
vårved→sommerved
SEM-bilde: Per Olav Johnsen, PFI
NTNU
www.ntnu.no
7
Vedens finstruktur – barved
(“langfiber”, “softwood”)
•
Trakeider (“fibre”) – ca. 90%
–
–
–
–
•
Horisontalsnitt
Radialsnitt
Tangentiellsnitt
Årring
Vårved
Sommerved
7.
8.
9.
10.
11.
Margstråleceller
Vertikal harpikskanal
Horisontal harpikskanal
Ringpore
Vinduspore
Margstråleceller
–
–
–
•
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)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Levende celler (parenkymceller)
Danner margstrålene
Inngår i “finstoffet”
Epitelceller
–
–
–
Levende celler
Danner harpikskanaler
Inngår i “finstoffet”
NTNU
www.ntnu.no
8
Vedens finstruktur – løvved
(“kortfiber”, “hardwood”)
•
Rørceller (trakeer, karceller)
–
–
–
–
•
6.
7.
8.
9.
Sommerved
Margstråleceller
Vedrør
Fibre (libriformfibre)
Spiller en mindre rolle
Døde celler (prosenkymceller)
Overgangsformer mot rør- eller
libriformceller
Libriforme fibre (“fiber”) – 40-70%
–
–
–
•
Horisontalsnitt
Radialsnitt
Tangentiellsnitt
Årring
Vårved
Trakeider
–
–
–
•
Korte, tykke, røraktige
Døde celler (prosenkymceller)
Danner rørstrukturer i veden
Vanntransport
1.
2.
3.
4.
5.
Døde celler (prosenkymceller)
Struktur
Lengde 0,5-2,5 mm
Margstråleceller (parenkymceller)
NTNU
www.ntnu.no
9
Celletyper i ulike treslag
Treslag
Trakeider og
fibre
Vol.-%
Gran
Furu
Lerk
Bjørk
Bøk
Osp
Picea abies
Pinus silvestris
Larix decidua
Betula verrucosa
Fagus silvatica
Populus tremula
95
93
91
65
37
61
Vekt -%
99
98
86
Parenkymceller
Vol.-%
5
7
9
10
32
13
Vekt -%
1
2
5
Karceller
Vol.-%
Vekt-%
0
0
0
25
31
26
0
0
9
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
11
Fiberporer: Linseporer
•
•
Vann strømmer fra en
trakeide til den neste
gjennom endeporer
(linseporer)
Lukker seg når veden tørker
Gran
Gran
SEM-bilder: Per Olav Johnsen, PFI
NTNU
www.ntnu.no
12
Fiberporer: Halvlinseporer
•
•
Gran
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)
Furu
– Åpen forbindelse til innsiden
av trakeiden (lumen) også
etter tørking
NTNU
SEM-bilder: Per Olav Johnsen, PFI
www.ntnu.no
13
Splintved og kjerneved
•
Splintveden er det ytterste
laget av stammen
Bark
Splintved
(yteved)
– Fibrene fylt med vann
– Væsketransport
•
Kjerneveden er den
innerste delen av veden
– Luftfylte fibre
– Endeporer er lukket
– Furu:
Kjerneved
Marg
• Synlig mørkere enn splintveden
• Inneholder større mengder
ekstraktivstoffer
– Gran:
• Inneholder mindre mengder
ekstraktivstoffer
NTNU
www.ntnu.no
14
Kjerneveddannelse
Bark
Splintved
Kambium
www.ntnu.no
Splint Kjerne- Splint
ved
Splint
Kjerneved
Splint
NTNU
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
www.ntnu.no
Ungdomsved
•
•
•
Moden ved
NTNU
16
Løvtrær: Strekkved
–
–
Større andel fiber
Papir med lavere slitstyrke
Cellulose
Lignin
St
re
kk
ve
d
•
Rødbrun farge
Eksentrisk marg
Høy andel av sommerved
Papir med lavere slitstyrke
O
sp
–
–
–
–
r
•
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Te
nn
a
•
Oppstår når stammen kommer
ut av sin normale stilling (eks.
kvistfester)
Annen kjemisk sammensetning
enn normal ved
Bartrær: Tennarved (“trykkved”)
G
ra
n
•
Andel av total, %
Reaksjonsved
Hemicellulose
Annet (harpiks m.m.)
NTNU
www.ntnu.no
17
Tetthet for endel vedslag
Løvtrær
Bartrær
Treslag
•
•
Edelgran
Hemlock
Douglasgran
Furu
Gran
Lerk
Osp
Gråor
Svartor
Bjørk
Bøk
Abies alba
Tsuga heterophylla
Pseudotsuga menziesii
Pinus sylvestris
Picea abies
Larix decidua
Populus tremula
Alnus incana
Alnus glutinosa
Betula verrucosa
Fagus sylvatica
Basisdensitet, kg/m3
Min.
Middel Maks.
320
410
710
330
470
700
290
470
680
310
480
630
300
430
640
420
550
770
360
430
560
320
420
550
380
500
580
460
610
800
490
680
880
Basisdensitet oppgis vanligvis som (tørr vekt)/(ferskt volum)
Faktisk densitet for flisa varierer med fuktinnholdet
NTNU
– Forskjeller mellom kjerneved og splintved før evt. basning
www.ntnu.no
18
Noen fiberdimensjoner
Treslag
Gran
Furu
Edelgran
Lerk
Bjørk
Bøk
Eukalyptus
Picea abies
Pinus silvestris
Abies alba
Larix decidua
Betula verrucosa
Fagus silvatica
E. globulus
Lengde Bredde Veggtykkelse
mm
μm
μm
3,5
27
2.9
2,9
28
3.2
3,7
37
3,5
38
1,1
20
1.9
1,5
14
3.3
1,0
13
1.6
L/B
130
100
100
90
55
110
80
NTNU
www.ntnu.no
19
Fiberlengdefordeling
NTNU
www.ntnu.no
20
Fiberlengde og treets alder
NTNU
www.ntnu.no
21
Fiberlengde og avstand fra
marg
NTNU
www.ntnu.no
22
Fiberlengde og høyde
NTNU
www.ntnu.no
23
Fiberveggtykkelsesfordeling
NTNU
www.ntnu.no
24
Fiberveggtykkelse og høyde
NTNU
www.ntnu.no
25
Ulik ved i ulik flis
Toppstokk og tynningsvirke
–
–
–
•
Bakhon
Helstokk
–
–
•
Overveiende ungdomsved
Lite/ingen kjerneved
Korte, smale og tynnveggede fibre
Blanding av ungdomsved og moden
ved
Blanding av kjerneved og splintved
Bakhon (sagbruksflis)
–
–
–
–
Splintved
Moden ved
Høyere andel sommervedfibre
Lange, tykke og tykkveggede fibre
Moden ved
www.ntnu.no
Ungdomsved
•
Toppstokk
Moden ved
NTNU
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
NTNU
www.ntnu.no
27
Fiberen er en kompositt
Fibertverrsnitt
•
•
•
•
Cellobioseenhet
Fibrill
Mikrofibrill
Enhetscelle
•
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
Krystallitt
NTNU
www.ntnu.no
Fiber
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
Lignin og
hemicellulose
Hemicellulose
Cellulosefibriller
– Amorft materiale
NTNU
www.ntnu.no
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
Overgangslamell (S1): ca. 0,1 μm
Sekundærvegg (S2): 1-8 μm
Tertiærvegg (S3): ca. 0,1 μm
Hulrom i midten (lumen)
Lumen
Tertiærvegg (S3)
Sekundærvegg (S2)
Overgangslamell (S1)
Primærvegg (P)
Midtlamell (M)
– ca. 20 μm i diameter
NTNU
www.ntnu.no
30
Fibrillenes orientering og
vinkel
Ytre
overflate
Indre
overflate
Primærvegg (P)
Tertiærvegg (S3)
Overgangslamell (S1)
Egentlig sekundærvegg (S2)
NTNU
www.ntnu.no
31
Fibrillvinkelen påvirker
fiberens egenskaper
{: Sulfatfibre ved 45% utbytte
z: Holocellulose (fibre der ligninet er fjernet uten å fjerne cellulose eller hemicellulose)
NTNU
www.ntnu.no
32
Tre hovedkomponenter
Barved Løvved
Cellulose (karbohydrat)
40-42% 40-45%
Hemicelluloser
(karbohydrat)
28-34% 25-35%
Lignin (ikke karbohydrat)
27-32% 22-26%
NTNU
www.ntnu.no
www.ntnu.no
ru
Cellulose
Bj
ør
k
Bø
k
G
R rå
ed or
Su ma
ga ple
r
Eu W m
ap
ca
h
le
i
ly
pt t e b
E. us g irch
ca lob
m
al ulu
du s
en
s is
G
Si r an
bi
Ba rler
lsa k
m
Ea Dou fir
ste gl
r n as
M he fir
on m
te loc
r
k
W ey
p
hi
te ine
sp
ru
ce
Fu
33
Bartrær
Løvtrær
100 %
80 %
60 %
40 %
20 %
0%
Hemicellulose
Lignin
NTNU
34
Fordeling i barvedfiberen
Avstand fra ytre kant av midtlamell, M (μm)
0
2
3
4
5
5
4
3
2
1
0
Lignin ~30%
80
Hemicelluloser ~30%
60
40
Cellulose ~40%
20
0
P 0,1 μm
S1 0,1 μm
S3 0,1 μm
S2 1-5 μm
Lumen
ca. 20 μm
Relativ tetthet (%)
100
1
M ca. 2 μm
Snitt
gjennom
fiberen
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
36
Cellulosemolekylet
OH
HO
HO
HOH2C
O
HOH2C
O
HO
O
OH
OH
HO
O
HOH2C
Ikke-reduserende ende
O
HOH2C
O
HO
n
O
OH
OH
Reduserende ende
n ≤ 10.000 (trecellulose)
NTNU
www.ntnu.no
37
Cellulosestruktur – forenklet
modell
Amorft
område
Krystallinsk område
Krystallinsk område
Mikrofibrill
O
Krystallitt
O
O
O
O
O
Molekyl
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HOH2 C
O
O
OH
HO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HOH2 C
O
HO
O
O
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
HOH2 C
O
O
OH
HO
O
O
O
O
O
O
O
HOH2 C
O
HO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OH
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
39
Cellulosens krystallinske
struktur
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
41
Ulike treslag har ulike
hemicelluloser
Galaktoglukomannan
20-23%
Arabinoxylan (“xylan”)
7-10%
Arabinogalaktan
5-35%
Barved
Lerk
Glukuronoxylan (“xylan”)
15-30%
Løvved
Glukomannan
2-5%
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no
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
NTNU
www.ntnu.no