Forschungsbedarf, abgeleitet aus dem Stand der Technik
Gesamtziel Ziel des Projektes war die Verbesserung bzw. das erst Ermöglichen der Vertei-lungsanalyse von chemischen Inhaltsstoffen im Papierquerschnitt in hoher örtli-cher Auflösung (bis zu 1 µm) mittels der Raman-Mikroskopie.
Am Projektende sollte ein routinemäßig anwendbares Mess- und Auswertever-fahren zur Verfügung stehen mit dem es möglich ist, die Verteilung von Inhalts-stoffen in Papier zu analysieren und sichtbar zu machen, wie es mit bisher an-gewendeten Analysemethoden nicht möglich ist.
Teilziele • Entwicklung von optimierten Methoden zur Raman-spektroskopischen Messung von chemischen Inhaltsstoffen in Papier
• Entwicklung von Methoden zur qualitativen und quantitativen Auswer-tung der spektralen Daten
• Demonstration an praxisrelevanten Materialproben der Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit der entwickelten Messmethoden für die Analyse typischer Substanzen in praxisrelevanten Konzentrationen
• Korrelation von Additivverteilungen mit Materialeigenschaften
Forschungs-bedarf aus dem Stand der Tech-nik
Der Forschungsbedarf ergab sich aus:
• Notwendigkeit moderner Analyseverfahren zur Entwicklung und Quali-tätssicherung von immer komplexer aufgebauten und multifunktionalen Papierprodukten
• Verbesserung bzw. Erweiterung der hoch ortsaufgelösten chemischen Analyse von Papier
• Verfügbarmachen der Raman-Mikroskopie für die Papieranalyse
Verbesserung und Erweiterung der Verteilungs-analyse bei Pa-pier
Genaue Kenntnisse zur örtlichen Verteilung von Inhaltsstoffen in Papier sind wichtig, für die Qualitätskontrolle, die Produktentwicklung und die Prozessver-besserung. Die ortsaufgelöste Analyse von Papier ist bisher jedoch nur unbe-friedigend gelöst. Viele der interessierenden chemischen Verbindungen sind mit den bisherigen Methoden gar nicht oder nur indirekt erfassbar. Des Weite-ren erreichen die Methoden, außer den REM-Aufnahmen, nicht die erforderliche Ortsauflösung im Mikrometerbereich. Ein Problem bei vielen der bisher ange-wendeten Methoden stellt ebenfalls die komplizierte und zweitaufwendige Pro-benpräparation dar. Forschungsbedarf besteht daher in der Entwicklung von Messverfahren mit denen chemische Verbindungen in Papier mit angemesse-ner Messzeit, sehr spezifisch und eiangemesse-ner hohen örtlichen Auflösung analysiert werden können.
Die heutige Gerätetechnik der Raman-Spektroskopie bietet alle Möglichkeiten, um in einer örtlichen Auflösung von bis zu 1 µm Raman-Spektren an Material-proben direkt zu messen.
Forschungsbedarf besteht bei der Ermittlung der tatsächlichen Nachweisbarkeit bzw. Nachweisgrenze der interessierenden Substanzen in Papier in deren typi-schen Konzentrationen. Weiterhin müssen spezifische Auswertemethoden ent-wickelt werden, die es erlauben aus den erstellten spektralen Bildern quantitati-ve Verteilungen zu berechnen und diese mit den Materialeigenschaften zu korrelieren.
4 Darstellung der erzielten Vorhabensergebnisse Mess- und
Aus-werteverfahren für Raman Ima-ging-Messungen
Es wurden Mess- und Auswerteverfahren zur Analyse der Verteilung von che-mischen Inhaltsstoffen im Papierquerschnitt in hoher örtlicher Auflösung (bis zu 1 µm) entwickelt. Die Anwendung des Verfahrens liefert neue Erkenntnisse zur chemischen Zusammensetzung bzw. Struktur von Papier und deren Korrelation mit Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften des Werkstoffs Papier.
Chemical Imaging- Auswerte-software
Für die Auswertung der Raman-Imaging-Messungen wurde auf der Basis von MATLAB eine Chemical-Imaging-Software entwickelt. Die Software wurde so angelegt, dass verschiedene Datenformate von Raman-Messungen, aber auch andere Spectral-Imaging-Messungen, z.B. NIR-Imaging-Messungen, eingelesen und ausgewertet werden können. Die Software enthält alle notwendigen chemometrischen Auswertefunktionen zur Erzeugung und Bewertung der che-mischen Bilder. Dies beinhaltet u. a. Spektrenvorbehandlung, Filterfunktionen, Klassifizierungsmethoden, statistische Bewertung von Verteilungen sowie die Konvertierung der chemischen Bilder in Bilddateien, die bildanalytisch ausge-wertet können.
Auswertetools Es wurden spezielle Auswerteverfahren und –tools für die chemische Analyse von mehrlagigen Schichtsystemen und für die Bestimmung der Verteilung von Inhaltsstoffen im Papierquerschnitt erarbeitet.
Integration in
DOMASmultispec Die entwickelten Chemical-Imaging Mess- und Auswertmodule wurden in das multispektrale Gesamtmesssystem DOMASmultispec integriert.
Raman-Imaging-Messungen Die Mess- und Auswerteverfahren sowie die Aussagekraft der Analysenergeb-nisse wurden anhand von Raman-Imaging-Messungen an verschiedenen Papiersystemen demonstriert. Folgende Untersuchungen wurden u.a. durch-geführt:
• Schichtaufbau von mehrlagigen Kunststofffolien
• Analyse von mehrlagigen Strichen in Hinsicht auf chemische Zusam-mensetzung und Strichbindermigration
• Verteilung von Imprägniermitteln entlang des Papierquerschnitts
• Stärkeverteilung in Offsetdruckpapieren
• Untersuchung der Aushärtungsgrades von UV-gehärteten Strichen entlang des Papierquerschnitts
5 Geräte und Methoden
Raman-Spektrometer Hololab 5000
Die überwiegende Zahl der Messungen wurden an einem Raman-Spektrometer HoloLab Series 5000 (Kaiser Optical Systems) durchgeführt. Das Spektrometer ist ausgerüstet mit einem Raman-Mikroskop Leica DMLP, einem HoloSpec Spectrograph f/1.8 und einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten CCD Detektor.
Es wurde ein 785 nm Laser verwendet und die Laserleistung an der Probe be-trug zwischen 10 bis 30 mW.
Raman-Spektrometer alpha 300 M+
In den letzten zwei Monaten der Projektlaufzeit stand zusätzlich eine konfokales Raman-Mikroskop alpha 300M+ (WITec GmbH). Das Spektrometer besitzt einen Pelletier-gekühlten CCD-Detektor. Die Messungen erfolgten mit einem 532 nm Laser.
Auswerte-software Für die Auswertung der Raman-Imaging-Messungen wurde eine selbst entwi-ckelte Auswertsoftware auf der Basis von MATLAB verwendet. Die Software wurde, wie im Projektantrag vorgesehen, im Laufe des Projektes ständig weiter-entwickelt und um spezielle Auswertemodule ergänzt.
6 Bewertung der erzielten Ergebnisse in Gegenüberstellung mit den Zielsetzungen des Antrages, Bezugnahme auf die Notwendigkeit und Angemessenheit der
geleisteten Arbeit, Bezugnahme auf die wichtigsten Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
6.1 Arbeitspaket 1 - Aufnahme und Interpretation der Raman-Spektren von