Ziel In dem Arbeitspaket wurden die Auswertemethoden endgültig getestet und optimiert.
Schichten-analyse Das Raman-Bild des Querschnitts vom untersuchten beschichteten Spezialpa-pier zeigt die chemische Struktur des gesamten PaSpezialpa-pieres. Der interessierende Bereich sind die beiden obersten Schichten. Anhand der entsprechenden Ra-man-Spektren können die Substanzen in den beiden Schichten und im gesam-ten Papier identifiziert werden. Die zu bestimmende untere Schicht besteht aus einem aliphatischen Copolymer Polyurethan-Polyether.
Raman-Bild
Raman-Spektrum der untersten Schicht (hellblau) der Beschichtung - Polyurethan-Polyether
Strichanalyse Strichzusam-mensetzung
Die beiden Schichten des untersuchten Papierstrichs haben folgende chemi-sche Zusammensetzung:
Vorstrich Acrylatbinder, Calciumcarbonat
Deckstrich Acrylatbinder mit Nitril, Titandioxid, Calciumcarbonat
Die folgende Abbildung zeigt die Raman-Spektren der beiden Striche. Das Spektrum des Deckstrichs unterscheidet sich vom Spektrum des Vorstrichs durch die Nitril-Bande bei 2240 cm-1 und den Raman-Banden des Titandioxids in der Rutil-Form bei 610 und 447 cm-1.
Strichanalyse Raman-Bild
Die Abbildung zeigt das REM-Bild des Strichs und das dazugehörige Raman-Image. Im REM-Bild ist eine visuelle Unterscheidung der beiden Strichschichten praktisch nicht möglich. Im Raman-Image können die Schichten deutlich ge-trennt voneinander sichtbar gemacht werden. Die Farbcodierung beruht auf dem Unterschied in der Nitril-Bande.
Strichanalyse Verteilungs-kurven
Die Strichbinderversteilung bzw. -migration lässt sich anhand der Intensitätsän-derungen der Nitril-Bande der flüssigen Strichbinderphase und der festen Titan-dioxidphase des Deckstrichs darstellen. Die folgende Abbildung zeigt die beiden Verteilungskurven. Sie liegen im Verlauf praktisch übereinander und es ist da-von auszugehen, dass keine signifikante Migration des Deckstrichbinders in den Vorstrich sattfindet.
Imprägniertes Papier
PET (grün) Zellstoff (grau) Imprägnier-mittel (gelb-rot) Hohlräume (schwarz)
Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis der Raman-Imaging-Messung an dem imprägnierten Spezialpapier mit Kunststoffasern (PET- Polyethylentereph-thalat).
In den Raman-Bildern ist zunächst die Papierstruktur wiedergegeben. Man er-kennt die Zellstofffaserstruktur und die darin eingelagerten PET-Fasern. Des Weiteren gibt es in der entsprechenden Schnitt- bzw. Messebene viele Hohl-räume, die mit Luft gefüllt sind und kein Raman-Signal geben. Das bedeutet letztendlich auch, dass sich direkt in diesen Hohlräumen keine signifikanten Mengen an Imprägniermittel befinden und diese nicht ausgefüllt sind. Signifikan-te Mengen an ImprägniermitSignifikan-tel findet man nur auf den Fasern und an den Rän-dern der Hohlräume.
Die Stellen mit Imprägniermittel sind gelb-rot gekennzeichnet, wobei die gelben Bereiche die höchsten Konzentrationen an Substanz zeigen. Diese Bereiche liegen, wie nicht anders zu erwarten, vor allem auf den beiden Oberflächen des Papiers, wo das Imprägniermittel über die Leimpresse aufgebracht wurde. In Richtung der Papiermitte ist immer weniger Imprägniermittel zu sehen. Jedoch ist erkennbar, dass auch unmittelbar in der Papiermitte Imprägniermittelanteile vorhanden sind.
Detektion von Partikeln in einem alten Papier
Die Abbildung zeigt das Raman-Bild von der Oberfläche des alten Papiers von 1938. Aus den chemischen Informationen in den Raman-Spektren lässt sich die Faserstruktur (grau) darstellen. Zusätzlich werden Partikel von drei verschiedenen Formen von Calciumsulfat CaSO4 gefunden, der Gips-form (gelb, Raman-Bande bei 1008 cm-1), der teilentwässerten Form Bassanit (blau, 1015 cm-1) und dem wasserfreien Anhydrit (rot, 1017 cm-1). Es wird ange-nommen, dass CaSO4 nicht als eigentlicher Füllstoff in das Papier gebracht wurde, sondern sich aus dem Sulfat des Leimungshilfsmittels Aluminiumsulfat und den Calciumionen im Prozesswasser zunächst als Gips CaSO4 . 2H2O bil-det. Bei der Trocknung der Papierbahn in der Papiermaschine findet dann bei Temperaturen über 120 °C eine stufenweise Dehydratation statt.
Raman-Bild der Papieroberfläche mit Partikeln verschiedener Formen von CaSO4
Zusammen-fassung Die entwickelten Mess- und Auswerteverfahren wurden an verschiedensten Papiersystemen getestet und deren Anwendbarkeit und die Aussagekraft der erhaltenen Analyseergebnisse demonstriert.
Status Das Arbeitspaket wurde vollständig bearbeitet und abgeschlossen.
6.12 Arbeitspaket 12 - Integration der Raman-Chemical-Imaging-Auswertemodule in ein multispektrales Mess- und Analysesystem
Ziel Bereitstellung von Raman-Chemical-Imaging-Auswertemodulen für das von der Forschungsstelle entwickelte multispektrale Mess- und Analysesystem DOMASmultispec.
DOMASmultispec Das Bildanalysesystem DOMAS der PTS ist seit vielen Jahren am Markt bzw. in der Papierindustrie etabliert. Das System wurde und wird ständig weiterentwi-ckelt. Die entscheidende Neuerung der letzten Jahre bildete die Entwicklung des DOMAS-System von einem rein optischen Analysesystem zu einem multi-spektralen Bildanalysesystem (siehe u.a. IK-MF 100044).
DOMASmultispec ermöglicht neben dem sichtbaren Bereich auch die Nutzung weiterer Bereiche des elektromagnetischen Spektrums unter Einbindung neuer spektral-bildgebender Aufnahmegeräte bzw. von verschiedenen Spectral-Imaging-Datensätzen. Dadurch werden Analysen von Materialproben unter bis-her nicht gekannten Blickwinkeln möglich. Dabei wird das Raman-Imaging-Modul ein wesentlicher Bestandteil von DOMASmultispec sein.
Chemical-Imaging Modul Die folgende Abbildung zeigt das Hauptfenster des Chemical-Imaging-Moduls des neuen DOMASmultispec-Systems. Über Menüs und Eingabefelder können alle entwickelten Auswertefunktionen aufgerufen werden.
Anhand systematischer Tests wurde die Funktion der Auswertemodule im Ge-samtsystem überprüft. Entsprechend der Testergebnisse wurden Anpassungen und Optimierungen vorgenommen.
Status Das Arbeitspaket wurde vollständig bearbeitet und abgeschlossen. Die entwi-ckelten Raman-Imaging-Auswertmodule sind Bestandteil des neuen multispekt-rale Gesamtmesssystem DOMASmultispec.
7 Wirtschaftliche Verwertung der Vorhabensergebnisse, aktualisierter Verwertungsplan
7.1 Zielgruppen für die wirtschaftliche Verwertung des FuE-Ergebnisses,