Investigating moisture behavior of wood nanostructure using experimental and simulated scattering
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-11-15
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
95 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 227/2024
Abstract
Wood is a complex, hierarchical material used in practical applications and as a precursor to bio-based materials. As wood is formerly conductive tissue of a living organism, a tree, it is intrinsically linked with water. In most applications of wood, its interactions with water are important, as almost all of its properties depend on the moisture content (MC). Bulk of the wood structure consists of thick secondary cell walls and thus, many of its properties are fundamentally derived from the nanoscale properties and their moisture interactions. Studying the wood nanostructure in intact cell walls is difficult, thus the exact nanostructure remains elusive. This is especially true for the crystalline cellulose microfibril, despite it being the main structural component of wood. Scattering methods allow for non-destructive characterization of the wood nanostructure and how it responds to moisture in practical, ambient conditions. As scattering methods require prior assumptions about the underlying structure to interpret the results, they need to be supplemented with other methods. One such way are molecular dynamics (MD) simulations which allow recreating cell wall constituents on the atomic scale. By combining these two methods, complementary results on the cell wall nanostructure and how it responds to moisture are created. In this work, X-ray and neutron scattering experiments on Norway spruce were conducted. These were complemented with MD models of aggregated cellulose microfibrils, based on an up-to-date understanding of their structure. Computed scattering was also determined from the models. Neutron scattering of drying wood revealed that the changes in fibril packing depend on the drying region, with much less bundle deswelling during the initial constant-rate drying compared to the later falling-rate drying. MD simulations of fibril bundles revealed two distinct regions of water diffusivity as the system dried. X-ray scattering experiments of wood undergoing a moisture cycle combined with MD models revealed that the models predicted experimentally observed changes well. Both models and experiments showed that fibrillar aggregation below 10-15% MC is a significant factor in changes to cellulose crystallites. These changes remained even after the wood was delignified, with delignification not fundamentally changing the fibril moisture interactions, despite increasing the fibril packing distance. The impact of hemicelluloses and fibril size on computed scattering was investigated with MD models to aid with interpreting experimental data. The results indicated that hemicellulose-coated fibrils produce a notable scattering contribution to the small-angle region and can increase the apparent fibril size seen with scattering methods. Overall, the results of this thesis provide insight into the moisture-related changes inside the wood cell wall and how to interpret experimental scattering patterns from wood.Puu on monimutkainen, hierarkkinen materiaali, jota hyödynnetään käytännön sovelluksissa ja biopohjaisten materiaalien raaka-aineena. Koska puu on materiaalina ollut ennen eliön vettä kuljettavaa kudosta, vesi on olennainen osa tätä kokonaisuutta. Suurimmassa osassa puun sovelluksista puun ja veden vuorovaikutukset ovat tärkeitä, sillä lähes kaikki sen ominaisuudet riippuvat kosteuspitoisuudesta. Paksut sekundaarisoluseinät ovat valtaosa puun rakenteesta, joten monet puun ominaisuudet pohjautuvat soluseinän nanoskaalan ominaisuuksiin ja niiden kosteuskäyttäytymiseen. Ehjän soluseinän nanorakenteen tutkiminen on hankalaa, joten tarkka rakenne on pysynyt epäselvänä. Tämä on etenkin totta kiteiselle selluloosamikrofibrillille, vaikka se on puun pääasiallinen rakenneosa. Sirontamenetelmät mahdollistavat ainetta rikkomattoman puun nanorakenteen ja sen kosteuskäyttäytymisen karakterisoinnin käytännön olosuhteissa. Sirontamenetelmät kuitenkin vaativat oletuksia aineen rakenteesta, jotta tuloksia voidaan tulkita, joten niitä täytyy tukea muilla menetelmillä. Yksi tapa on molekyylidynaamiset (MD) simulaatiot, joilla voi luoda atomiskaalan malleja soluseinän rakenneosista. Yhdistämällä nämä kaksi menetelmää saadaan aikaiseksi toisiaan täydentäviä tuloksia soluseinän nanorakenteesta ja sen kosteuskäyttäytymisestä. Työssä suoritettiin röntgen- ja neutronisirontakokeita metsäkuuselle. Näitä täydensi ajantasaiseen käsitykseen perustuvat MD mallit selluloosamikrofibrilliagregaateista. Malleista määritettiin myös laskennallinen sironta. Kuivuvan puun neutronisironta toi ilmi, että fibrillien pakkautumisen muutokset riippuivat kuivumisalueesta. Pakkautumisen muutokset olivat paljon vähäisempiä alussa, kun kuivumisnopeus oli tasainen verrattuna loppuun, kun kuivumisnopeuden hidastui. MD simulaatiot fibrillikimpuista paljastivat veden diffuusiolle kaksi selkeästi erottuvaa aluetta systeemin kuivuessa. Röntgensirontakokeet puulle kosteussyklissä yhdistettynä MD malleihin toivat ilmi, että mallit ennustivat hyvin kokeellisesti havaittuja muutoksia. Mallit ja kokeet osoittivat, että alle 10-15% kosteuspitoisuudessa fibrilliaggregaatio on huomattava tekijä selluloosakiteiden muutoksissa. Nämä muutokset säilyivät myös delignifioinnin jälkeen, eikä delignifiointi olennaisesti muuttanut fibrillien kosteusvuorovaikutuksia, vaikka fibrillien pakkausetäisyys kasvoi. Hemiselluloosan ja fibrillikoon vaikutusta tutkittiin MD malleilla kokeellisen datan tulkinnan helpottamiseksi. Tulokset osoittivat, että hemiselluloosalla päällystetyt fibrillit tuottavat merkittävän sirontakontribuution pienkulma-alueella ja voivat kasvattaa sirontamenetelmillä nähtävää fibrillikokoa. Kaiken kaikkiaan, väitöskirjan tulokset auttavat ymmärtämään puun soluseinän kosteusmuutoksia ja kuinka kokeellisia sirontakuvioita puusta tulisi tulkita.Description
Supervising professor
Rautkari, Lauri, Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, FinlandThesis advisor
Paajanen, Antti, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandPenttilä, Paavo, Dr., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Aleksi Zitting, Antti Paajanen, Lauri Rautkari & Paavo A. Penttilä. Deswelling of microfibril bundles in drying wood studied by small-angle neutron scattering and molecular dynamics. Cellulose, 28, 10765 – 10776, November 2021.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021111010072DOI: 10.1007/s10570-021-04204-y View at publisher
-
[Publication 2]: Antti Paajanen, Aleksi Zitting, Lauri Rautkari, Jukka A. Ketoja & Paavo A. Penttilä. Nanoscale mechanism of moisture-induced swelling in wood microfibril bundles. Nano Letters, 22, 13, 5143 – 5150, June 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104653DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00822 View at publisher
-
[Publication 3]: Aleksi Zitting, Antti Paajanen, Paavo A. Penttilä. Impact of hemicelluloses and crystal size on X-ray scattering from atomistic models of cellulose microfibrils. Cellulose, 30, 8107 – 8126, July 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202310256592DOI: 10.1007/s10570-023-05357-8 View at publisher
-
[Publication 4]: Aleksi Zitting, Antti Paajanen, Michael Altgen, Lauri Rautkari, Paavo A. Penttilä. Role of in moisture interactions of cellulose microfibril structures in wood. Accepted for publication in Small Structures, July 2024.
DOI: 10.1002/sstr.202400167 View at publisher