Surface chemical and morphological properties of mechanical pulps, fibers and fines

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-12-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72, [68]
Series
KCL communications, 13
Abstract
The aim of this work was to study the surface chemical and morphological properties of different mechanical pulps with special focus on the effects of refining, bleaching and enzymatic modification on the surface properties of the isolated pulp fractions, namely fibers, fibrillar fines and flake-like fines. Special emphasis was placed on evaluating the suitability of time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (ToF-SIMS) for studying the surface chemical properties of pulps and pulp fractions. Electron spectroscopy for chemical analysis/x-ray photoelectron spectroscopy (ESCA/XPS) was used to complement and/or verify the results given by ToF-SIMS. The morphological properties of pulps and pulp fractions were studied by atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). ToF-SIMS proved to be a valuable tool for studying the surface chemistry of mechanical pulps. For example, the content of guaiacyl units in the surface lignin could be determined and used to indicate which cell wall layer was exposed. The higher the intensity of peaks originating from guaiacyl lignin units, the higher the proportion of inner cell wall layers. ToF-SIMS can also identify several types of surface extractives based on their molecular masses and characteristic peaks in the spectra. However, ToF-SIMS cannot be considered to be a quantitative method for organics, and ESCA/XPS is therefore needed to complement the results. The surface chemical and morphological properties of fibers differed from those of fines. The surfaces of fines contained more extractives and lignin, while the surfaces of fibers were richer in polysaccharides. Different types of fines also exhibited different surface properties, fibrils having more extractives on their surface and flakes more granular lignin. Refiner and groundwood pulps and pulp fractions differed in their surface chemical properties due to differences in the pulping processes. Increased refining energy raised the intensity of peaks originating from guaiacyl lignin units on the surface of fibers, which together with FE-SEM images reflected the increased exposure of the secondary wall layer. The surface chemical properties of fines showed that at low specific energy consumption fibrils were formed from the outer fiber wall layers (P+S1), but the content of secondary wall material increased as a function of refining energy. At the start of refining, flakes originated from compound middle lamella (ML+P) but during later refining stages they were also released from the outer secondary wall (S1). ToF-SIMS also indicated a decrease in the surface content of chromophores of coniferaldehyde origin during mechanical pulp bleaching. Bleaching was found to be effective in removing surface extractives, especially from the surface of fibrils. Lipase and laccase treatments combined with washing selectively removed extractives from the surface of mechanical pulps, especially from the surface of fibrils, and thus increased the hydrophilicity of the pulp.

Työn tarkoituksena oli tutkia mekaanisten massojen pintakemiallisia ja morfologisia ominaisuuksia sekä erityisesti niitä muutoksia, joita massoissa tapahtuu jauhatuksen, valkaisun ja entsymaattisten käsittelyjen aikana. Tavoitteena oli myös tutkia erilaisten mekaanisten massojen pintaominaisuuksien lisäksi massoista eristettyjen fraktioiden, eli kuitujen ja erilaisten hienoaineiden, pintakemiallisia ja -morfologisia ominaisuuksia. Pääpaino työssä oli lentoaikaerotteisen sekundaari-ionimassaspektometrin (time-of-flight secondary ion mass spectrometry, ToF-SIMS) antamilla tuloksilla. Näitä tuloksia tukemaan ja täydentämään käytettiin kemialliseen analyysiin tarkoitettua elektronispektroskopiaa, joka tunnetaan myös nimellä röntgensäde fotoelektronispektroskopia (electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA/x-ray photoelectron spectrosopy, XPS). Massojen ja niistä eristettyjen fraktioiden morfologisten ominaisuuksien analysoimiseen käytettiin atomivoimamikroskooppia (atomic force microscopy, AFM) sekä pyyhkäisyelektronimikroskooppia (field emission scanning electron microscope, FE-SEM). ToF-SIMS soveltui hyvin mekaanisten massojen ja massafraktioiden pintakemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen. Laitteella voitiin esimerkiksi analysoida pinnassa olevan ligniinin guajasyyliyksiköiden suhteellinen pitoisuus. Kyseisen tiedon avulla voitiin esimerkiksi arvioida, onko pinnan ligniini peräisin soluseinän uloimmista vai sisemmistä kerroksista. ToF-SIMS:in avulla voitiin myös analysoida pinnassa olevien eri uuteaineryhmien suhteellisia pitoisuuksia. ToF-SIMS ei kuitenkaan ole kvantitatiivinen menetelmä orgaanisille aineilla ja niinpä ESCA/XPS:n tuloksia tarvitaan täydentämään ToF-SIMS:in antamia tuloksia. Mekaanisten massojen kuitujen pintakemialliset ja morfologiset ominaisuudet poikkesivat massojen hienoaineen pintaominaisuuksista. Hienoaineen pinnalla oli enemmän uuteaineita ja ligniiniä kuin kuitujen, ja kuitujen pinnassa oli vastaavasti eniten polysakkarideja. Erityyppisillä hienoaineilla, fibrilleillä ja lastumaisella hienoaineella, oli myös erilaiset pintakemiat. Fibrillien pinnassa oli enemmän uuteaineita ja lastumaisen hienoaineen pinnassa ligniiniä, jotka muodostivat pintaan granuuleja. Hiokkeista ja hierteistä erotetut fraktiot olivat pintakemioiltaan erilaisia. Jauhatusenergian kasvu lisäsi ligniinin guajasyyliyksiköiden suhteellista pitoisuutta kuitujen pinnalla, joka yhdessä FE-SEM kuvien kanssa kertoi kuituseinämän sisempien kerrosten paljastumisesta. Hienoaineen pintakemiallisia ominaisuuksia analysoimalla voitiin päätellä, että fibrillejä muodostuu jauhatuksen alussa kuituseinämän uloimmista kerroksista (P+S1) ja sekundääriseinästä peräisin olevan fibrillimäisen hienoaineen määrä kasvaa jauhatusenergian kasvaessa. Jauhatusenergian ollessa pieni, lastumaista hienoainesta muodostuu välilamellista sekä primääriseinämästä, mutta jauhatusenergian kasvaessa niitä alkaa muodostua myös uloimmasta sekundääriseinämästä (S1). ToF-SIMS:in avulla pystyttiin analysoimaan pinnan ligniinin koniferaldehydien suhteellinen pitoisuus, jota voitiin käyttää kromofooristen rakenteiden pitoisuuden indikaattorina. Pinnassa olevien kromofoorien pitoisuus pieneni valkaisun aikana. Valkaisu myös poisti tehokkaasti pinnassa olevia uuteaineita, erityisesti fibrilleistä. Käsittelyjä Lipaasi- ja lakkaasientsyymeillä yhdistettynä pesuun voitaisiin käyttää uuteaineiden selektiiviseen poistoon massan komponenttien, varsinkin fibrillien, pinnoista, ja siten lisätä massojen hydrofiilisyyttä.
Description
Keywords
thermomechanical pulp, fiber, fines, fibril, flake, ESCA, XPS, ToF-SIMS, lignin, polysaccharides, surface chemistry, mechanical pulp, Picea abies, bleaching, enzymatic treatment
Other note
Parts
  • Kleen, M., Kangas, H. and Laine, C. (2003). Chemical characterization of mechanical pulp fines and fiber surface layers. Nordic Pulp and Paper Research Journal 18 (4): 361-368. [article1.pdf] © 2003 by authors.
  • Kangas, H. and Kleen, M. (2004). Surface chemical and morphological properties of mechanical pulp fines. Nordic Pulp and Paper Research Journal 19 (2): 191-199. [article2.pdf] © 2004 by authors.
  • Kangas, H., Pöhler, T., Heikkurinen, A. and Kleen, M. (2004). Development of the mechanical pulp fibre surface as a function of refining energy. Journal of Pulp and Paper Science 30 (11): 298-306. [article3.pdf] © 2004 Pulp and Paper Technical Association of Canada (PAPTAC). By permission.
  • Kangas, H. and Kleen, M. (2007). The effect of bleaching on the surface chemistry of mechanical pulps. Journal of Pulp and Paper Science, accepted for publication.
  • Kangas, H., Suurnäkki, A. and Kleen, M. (2007). Modification of the surface chemistry of TMP with enzymes. Nordic Pulp and Paper Research Journal 22 (4): 415-423. [article5.pdf] © 2007 by authors.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-010915