Cell wall structure and wood properties determined by acoustics—a selective review

Abstract

The cell wall of wood tracheids is made up of various layers, distinguished from one other by the alignment of the innumerable, fine crystalline cellulose microfibrils within each layer that helically wind about the cell lumen. Microfibrils themselves are embedded in a more compliant, water-reactive matrix of amorphous lignin and hemicelluloses. The average inclination of microfibrils relative to the axis of the cell affects axial rigidity and dimensional stability of wood which are the two most important properties of wood. High and variable microfibril angles can be found in juvenile and compression wood, thus resulting in variations in product performance of forest products. For instance, seemingly identical trees in a plantation can have moduli of elasticity that differ by a factor of two or more. This is why the future is often seen in engineered wood products, where wood may be chipped, fiberised and blended before being glued together again: the average property values are little changed, but the range—the variability—is greatly reduced. There is the opportunity for better wood allocation and processing of timber, if averaged values for individual log characteristics, such as average microfibril angle, can be identified before the processing. In parallel there is genetic potential to select trees with low average microfibril angles. Unfortunately, determination of the average microfibril angle is a time-consuming, laboratory-based task. Preferably, a non-destructive, simple, field-hardened method should be employed that reflects the average microfibril angle in a given piece of wood. For this reason, acoustic methods have been developed to measure the velocity of sound propagation directly related to the stiffness of wood and in turn is dependent on the ultrastructure of the tracheid cell wall. In the fundamental equation, E_dynamic=ρV², the acoustic modulus is derived from two components, density, ρ, and velocity of sound, V. The latter relates to the intrinsic wood quality and ultrastructure of the tracheid wall. It is shown that acoustic methods can sort and grade trees and logs according to their suitability for structural lumber and for a range of fiber properties of interest to papermakers. Thus, acoustic methods have applications in tree breeding, harvesting, and wood processing.

Zusammenfassung

Die Zellwand von Holztracheiden besteht aus verschiedenen Schichten, die sich von einander durch eine Aneinanderreihung von unzähligen feinen kristallinen Zellulose-Mikrofibrillen in jeder der Schichten unterscheiden, die sich helikal um das Zelllumen winden. Die Mikrofibrillen selbst sind in eine wasser-reaktive Matrix aus amorphem Lignin und Hemizellulosen eingebettet. Der durchschnittliche Neigungswinkel der Mikrofibrillen relativ zur Achse der Zellen beeinflusst die axiale Steifigkeit und die Dimensionsstabilität des Holzes, die beiden wichtigsten technischen Eigenschaften von Holz. Steile und variable Mikrofibrillenwinkel können in juvenilem und Druckholz gefunden werden, wodurch sich Unterschiede in der Verarbeitung von Holzwerkstoffen ergeben. Beispielsweise können scheinbar identische Bäume in einer Plantage Elastizitätsmoduli aufweisen, die sich durch einen Faktor von zwei und mehr unterscheiden. Aus diesem Grund wird die Zukunft oft in technischen Holzprodukten gesehen, wo Holz zerspant, zerfasert und gemischt wird, bevor man es wieder zusammenleimt: die durchschnittlichen Eigenschaften werden wenig verändert, aber die Bandbreite—die Variabilität—wird stark reduziert. Können durchschnittliche Werte für individuelle Holzbalkencharakteristika, wie der Durchschnitts-Mikrofibrillenwinkel vorher bestimmt werden, besteht die Gelegenheit für eine bessere Holzauswahl und -verarbeitung. Parallel dazu gibt es ein genetisches Potential, um Bäume mit niedrigen Durchschnitts-Mikrofibrillenwinkeln zu selektieren. Leider ist die Bestimmung der Durchschnitts-Mikrofibrillenwinkel eine zeitaufwendige, auf das Labor bezogene Aufgabe. Vorzugsweise sollte eine zerstörungsfreie, einfache außen erprobte Methode eingesetzt werden, die den Durchschnitts-Mikrovibrillenwinkel in einem gegebenen Holzstück reflektiert. Aufgrund dessen wurden akustische Methoden entwickelt, um die Geschwindigkeit der Schallausbreitung zu messen, die direkt mit der Festigkeit des Holzes korreliert und damit auch abhängig ist von der Ultrastruktur der Zellwand. In der Grundgleichung, E_dynamic=ρV², wird der akustische Modulus von zwei Komponenten abgeleitet, der Dichte, ρ, und der Schallgeschwindigkeit, V. Letztere bezieht sich auf die intrinsische Holzqualität und die Ultrastruktur der Tracheiden-Wand. Es wird gezeigt, dass die akustische Methode in der Lage ist, Bäume und Rundholz gemäß ihrer Eignung für Bauholz und für eine Bandbreite von Fasereigenschaften, im Interesse der Papierhersteller, zu sortieren und einzuteilen. Auf diese Weise finden akustische Methoden Anwendung bei der Aufzucht von Bäumen, ihrer Abholzung und Verarbeitung.