Measuring the contact area in cellulose fibre bonds using X-ray nanotomography

Abstract

Paperi on stokastinen verkosto toisiinsa eri vuorovaikutusten, tärkeimpänä vetysidosten, avulla sitoutuneita sellukuituja. Paperin lujuus riippuu yksittäisten kuitusidosten lujuudesta ja sidospinta-alasta. Todellista sidospinta-alaa on vaikea määrittää tarkasti, sillä sitoutuminen tapahtuu molekulaarisessa mittakaavassa.

Maantieteellisillä alueilla, joilla havaitaan selkeitä vuodenaikojen muutoksia, puun sellukuiduilla on erilaisia ominaisuuksia riippuen siitä, syntyvätkö kuidut kasvukauden alku- vai loppuvaiheessa. Kuidut jaetaan yleensä kahteen luokkaan: kesä- ja kevätpuukuituihin. Näin ollen voidaan muodostaa kolmea erilaista sidostyyppiä: kevätpuukuidut, kesäpuukuidut sekä kevät-kesäpuusidokset. Kesäpuusidokset ovat lujimpia, mutta niillä on pienin optisesti sitoutunut ala, kun taas kevätpuusidoksilla on suurin optisesti sitoutunut ala mutta pienin lujuus. Kevät-kesäpuusidosten sidosalan ja lujuuden arvot ovat näiden välimaastossa.

Röntgennanotomografia on kuvantamismenetelmä, jossa käytetään kappaleen läpäiseviä röntgensäteitä näytteen 3D-mallin muodostamiseksi. Näyte kuvataan useista eri suunnista, ja jokaisen röntgensäteen intensiteetin vaimeneminen rekisteröidään. Otettujen varjokuvien perusteella näytteestä voidaan muodostaa rekonstruktio esimerkiksi suodatettua takaisinprojektiota käyttäen.

Sulfaattimenetelmällä valmistetusta havusellumassasta muodostettiin ja kuvattiin 26 kuitusidosnäytettä: 13 kevät-kesäpuusidosta, 7 kesäpuusidosta sekä 6 kevätpuusidosta. Kuvausten perusteella keskimääräinen suhteellinen kontaktiala, joka kuvausmenetelmällä pystyttiin erottamaan, ei vaikuttanut merkittävästi vaihtelevan sidostyyppien välillä. Tulokset viittaavat siihen, että erot suhteellisessa kontaktialassa eivät kenties selitä havaittuja lujuuseroja sidostyyppien välillä.

Paper is a stochastic network of cellulose fibres that bond together by different interactions, most importantly hydrogen bonding. The strength of paper depends on the strength and the bonded area of individual fibre bonds. Since the bonding occurs in the molecular range, the actual bonded area is difficult to measure accurately.

In geographic areas with distinct seasonal changes, cellulose fibres obtained from wood have different properties depending on whether they developed early or late in the growth season. The fibres are usually divided into two categories: springwood and summerwood fibres. As such, three fibre bond types exist: springwood, summerwood, and spring-to-summerwood bonds. Summerwood bonds are the strongest in bearing load but have the lowest optically bonded area, while springwood bonds conversely have the greatest optically bonded area but are the weakest. Spring-to-summerwood bonds have intermediate values in both the strength and the bond area.

X-ray nanotomography is a non-invasive imaging method that uses X-rays penetrating a body to produce a 3D representation of the sample. The sample is imaged from a number of directions, upon which the attenuation of each X-ray beam's intensity through the sample is recorded. Filtered backprojection algorithm can then be used to create a reconstruction of the sample based on the acquired shadowgraphs.

In total, 26 softwood kraft pulp cellulose fibre bonds were prepared and imaged, 13 of which were spring-to-summerwood, 7 summerwood, and 6 springwood fibre bonds. According to the results, the average relative contact area, as could be resolved with the imaging apparatus, did not seem to significantly differ between bond types. These findings suggest that the observed strength differences between bond types might not be explained by differences in relative contact area.