Ziel Ziel das Arbeitspaket war es, standardmäßige Analyse- und Auswertemethoden zur Detektion und Quantifizierung von Partikeln in Papier zu entwickeln.
NIR- spektroskopi-sche Analyse von Referenz-materialien
Im Arbeitspaket wurden für die in der Papieranalyse häufig auftretende Sub-stanzen NIR-Referenzspektren aufgenommen und in einer Spektrendatenbank hinterlegt. Anhand der Spektren wurden für jede Substanz analytische bzw.
charakteristische Banden ermitteln.
Unter anderem wurden folgende papierrelevante Substanzen untersucht: Fa-serstoffe, Standard-Kunststoffe, andere synthetische Polymere (Klebstoffe, Strichbinder u.a.), Füllstoffe (Kaolin, Talkum). Weitere Substanzen für andere Anwendungen sind u.a.: Textilfasern und Holzarten.
Vorgehen bei der Methoden-entwicklung
Bei der Methodenentwicklung wurden folgende Teilaufgaben gelöst:
• Herstellung von Referenzproben
• Messung der Papierproben
• Entwicklung einer standardisierten Vorgehensweise zur Erzeugung der chemischen Bilder
• Umwandlung und Auswertung der chemischen Bilder Herstellung von
Referenzproben Es wurden zwei Arten von Referenzproben mit in Anzahl und Größe genau de-finierten polymeren Partikeln hergestellt.
1. Es wurden auf vier A4-Blätter mit dem Wachsfarbendrucker jeweils 40 Punkte gedruckt, in den Größen 200, 270 und 550 sowie einer Mischung aus verschiedenen Größen von 200 bis 750 µm.
2. Es wurde eine Papierprobe mit Einschlüssen von 10 Phenolharz-Kugeln (Ø ca. 350 µm) hergestellt.
Durchführung
der Messungen Gemessen wurden die Proben mit der höchstmöglichen Auflösung in x-Richtung von 160 µm und in y-Richtung mit 80 µm (Vorschubrichtung, Messfrequenz 160 Hz und Vorschubgeschwindigkeit des x-y-Tischs von 12,9 mm/s).
Vorgehensweise bei der Erzeu-gung der chemi-schen Bilder
Für die Vergleichbarkeit und zur Auswertung von NIR-Spektren ist es notwen-dig, eine Vorbehandlung der Spektren durchzuführen. Die Vorbehandlung er-folgte durch Glätten mit einer Savitzky-Golay-Funktion und durch eine Streukor-rektur MSC (Multiplicative Scatter Correction). Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich von NIR-Spektren einer Papierprobe mit PE-Strukturen vor und nach der Vorbehandlung.
Die so vorbehandelten Spektren können für die Erzeugung der chemischen Bilder bzw. für die quantitative Auswertung verwendet werden. Die folgende Abbildung vergleicht das chemische Bild der PE-Struktur auf dem Papier vor und nach der Spektrenvorbehandlung. Die Farbkodierung erfolgte anhand der Intensität der PE-Bande bei 1731 nm. Der Kontrast des rechten chemischen Bildes ist deutlich besser.
Auswertmethode n für Darstellung der chemischen Bilder
Für die Erzeugung der chemischen Bilder für die Detektion und Darstellung der Partikel sollen im Wesentlichen die folgenden drei Auswertenmethoden ange-wendet werden:
1. Intensität bei einer Wellenlänge oder Intensitätsverhältnisse
Für Partikel, die charakteristische und gut aufgelöste NIR-Banden zeigen (siehe PE-Bande), können für die Erzeugung des chemischen Bildes die absoluten Intensitäten dieser Banden oder das Verhältnis von Intensitäten der Bande des Partikels und einer Bande der Matrix, z. B. Papier, verwendet werden.
2. Bildung der 2. Ableitung von Spektren
Für Partikel, die charakteristische aber schlecht aufgelöste NIR-Banden zeigen, kann die Auflösung verbessert werden, indem die 2. Ableitung der Spektren gebildet wird. Für die Auswertung werden dann die Intensitäten der jetzt besser aufgelösten Banden verwendet.
3. Hauptkomponentenanalyse
Für Partikel deren Spektren nur geringe spektrale Unterschiede gegenüber der Matrix besitzen, können diese geringen Unterschiede durch eine Hauptkompo-nentenanalyse (PCA) sichtbar gemacht werden. Für die Farbkodierung werden die Scorewerte für eine bestimmte Hauptkomponente verwendet.
Umwandlung der chemischen Bilder in Bild-dateien
Die chemischen Bilder werden für die bildanalytische Auswertung in ein Grau-wertbild im TIF-Format umgewandelt, dass mit den Bildanalysemodulen von DOMASmultispec ausgewertet werden kann. Zuvor erfolgt jedoch in den meisten Fällen eine Filterung der chemischen Bilder, um den Kontrast der Partikel ge-genüber dem Hintergrund zu erhöhen. Dafür wurde eine spezielle Filterfunktion entwickelt, die die Signifikanz der Intensitätssignale jedes Pixels anhand der Betrachtung der unmittelbar benachbarten Pixel bewertet. Die folgende Abbil-dung zeigt anhand eines Beispiels die Effektivität der Filterung.
Testung des Auswertemoduls zur Partikelde-tektion
Die Analyse- und Auswertemethoden zur Detektion und Quantifizierung von Partikeln wurden anhand von Messungen an den Referenzproben getestet.
Referenzproben Wachspartikel auf Papier
Die Referenzproben bestanden aus vier A4-Blätter mit jeweils 40 aufgedruckten Wachspartikeln in den Größen 200, 270 und 550 sowie einer Mischung ver-schiedener Größen von 200 bis 750 µm.
Die folgenden Abbildungen zeigen einen Vergleich zwischen dem Druckbild der Referenzproben und dem NIR-Bild einer Probe mit 550 µm großen Partikeln.
Dargestellt ist einer der vier Musterstreifen auf dem A4-Blatt. Die Größenver-hältnisse zwischen Druckbild und NIR-Bild sind hier nicht realistisch wiederge-geben und daher nicht vergleichbar.
Druckbild der Referenzproben
. . .
NIR-Bild der Referenzprobe (550 µm Punkte)
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Auswertung der NIR-Imaging-Messungen an den Referenzproben zusammengefasst und mit den Ergebnis-sen der Auswertung des visuell sichtbaren Druckbildes der Referenzproben durch das DOMAS-Bildanalysesystem verglichen.
Als Referenz für die zu bestimmenden Partikelflächen wurde die DOMAS-Auswertung des visuell sichtbaren Druckbildes gewählt und nicht die rein rech-nerische Summe der Einzelflächen der Druckpunkte, da nicht alle Druckpunkte wirklich gleich groß sind. Diese Abweichungen werden von der DOMAS-Auswertung besser berücksichtigt.
Es wurden alle Partikel mit den Imaging-Messungen erkannt. Die mit NIR-Imaging bestimmte Gesamtfläche der Partikel stimmt sehr gut mit der für das Druckbild bestimmten Fläche überein.
Referenzprobe Phenolharzku-geln in Papier
Des Weiteren wurde eine Papierprobe mit Einschlüssen von 10 Phenolharz-Kugeln mit einem Durchmesser von ca. 350 µm gemessen und analysiert. Die Abbildung zeigt ein Fotobild der Probe und das dazugehörige gefilterte NIR-Bild.
Die Ergebnisse der bildanalytischen Auswertung mit DOMAS sind in der unte-ren Tabelle zusammengefasst. detektier-te Partikel in DOMAS
Größenklasse
Es wurden alle 10 Partikel detektiert und die Größe bzw. Fläche wurde mit ho-her Genauigkeit bestimmt.
Ergebnis Das Analyse- und Auswertemodul zur Detektion und Quantifizierung von Parti-keln in Papier wurde entwickelt. Die Ergebnisse der Testmessungen zeigen, dass mit dem Auswertemodul kleine Partikel bis zu einer Größe von 200 µm detektiert werden können und deren Fläche mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
6.5 Arbeitspaket 5 – Entwicklung von Analyse- und Auswertemethoden für die