DE19525779A1 - Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Papier und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Papier und auf eine Anord­ nung zur Durchführung des Verfahrens, bei der die in einer Papiermaschine hergestellte Papierbahn sich mit hoher Ge­ schwindigkeit fortbewegt.

Für die mechanischen Eigenschaften des Papiers ist insbeson­ dere die Faserqualität wesentlich. Bisher können bestimmte derartige mechanische Eigenschaften, wie insbesondere die Reißlänge, nur am bereits hergestellten Papier, d. h. am fer­ tigen Produkt, gemessen werden. Dies kann bei festgestelltem Ausschuß zu hohen Produktionsverlusten führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mechanischen Eigen­ schaften des Papiers an geeigneter Stelle im Produktions­ prozeß zu bestimmen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Faserqualität des Papiers durch eine online-Messung beim Herstellungsprozeß des Papiers, insbesondere direkt in der Papiermaschine, erfaßt wird. Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Faserqualität der Hydrophiliegrad der Faseroberfläche durch Invers-Gaschromatographie erfaßt.

Bei der Erfindung wird als Maß für den Hydrophiliegrad einer Verbindung an der Faseroberfläche die sogenannte Retentions­ zeit gemessen. Daraus kann speziell für laufende Papierbahnen ein Retentionsweg abgeleitet werden. Vorteilhafterweise er­ gibt die Auftragung der erfaßten Meßsignale als Funktion der Retentionszeit eine für die Produktqualität charakteristische Signalkurve, aus deren zeitlichen Veränderungen Regelgrößen für die Papierherstellung abgeleitet werden können.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß die mechanischen Eigenschaften des Papiers hauptsächlich durch die Qualität der Zellulosefasern bestimmt werden. Die Faserqualität ist ein Maß für ihre Eigenschaft, mit anderen Fasern durch feste Bindungen einen stabilen Verbund zu bilden, der die mechani­ schen Eigenschaften des Papiers bestimmt. Die Festigkeit dieser Interfaserverbindungen wird nach der vorherrschenden Theorie durch die Konzentration der Hydroxylgruppen oder Carboxylgruppen an der Faseroberfläche bestimmt. Die Bindung erfolgt dann z. B. durch Wasserstoffbrückenbildungen. Je höher die Konzentration der möglichen Bindungsstellen, desto höher ist die Faserqualität einzuordnen.

Bei einer zugehörigen Anordnung zur Durchführung des Verfah­ rens durchläuft die Papierbahn eine Meßanordnung, wobei an der Unterseite der Papierbahn ein erster Kanal zum Aufbringen eines Tracers auf die Papierbahn und anschließend ein zweiter Kanal zum Beaufschlagen der Papierbahn mit auf t vorhanden ist und wobei oberhalb der Papierbahn der Meßkopf mit einer Pumpe versehen ist. Vorteilhafterweise bildet eine flächenhafte An­ ordnung mit einer Vielzahl von Meßköpfen ein Sensorarray.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen. Es zeigen

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Messung an einer laufenden Papierbahn,

Fig. 2 und Fig. 3 den Aufbau des Meßkopfes aus Fig. 1 in Seitenansicht sowie Draufsicht und

Fig. 4 das Meßsignal einer Anordnung in Fig. 2 und 3 als Funktion des sog. Retentionsweges.

Mit einer Anordnung entsprechend den Fig. 1 bis 3 sollen die Oberflächeneigenschaften von Zellulosefasern, insbeson­ dere die Oberflächenkonzentration der Hydroxyl- und Carboxyl­ gruppen, gemessen werden. Diese Oberflächenkonzentration wird als Hydrophiliegrad bezeichnet.

In Fig. 1 durchläuft eine Papierbahn 100 eine Meßeinrichtung 1 mit Bereichen A und B in einer durch vertikale Stege 6 bis 8 getrennten Teilanordnung 5 unterhalb der Papierbahn und einen Meßkopf 10 sowie Pumpe 12 oberhalb der Papierbahn 100. In der Zone A wird die Papierbahn 100 mit Luft, die mit einer Tracersubstanz beladen ist, durchblasen. Die Luft gelangt ohne Verzögerung auf die andere Seite der Papierbahn 100 und ist ein Maß für die Porosität des Papiers. Ein Teil der Tra­ cersubstanz wird mit der Papierbahn 100 in die Zone B, die sich unmittelbar hinter der Zone A anschließt, verschleppt. Hier wird das Papier nur mit Luft beströmt, so daß die Tra­ cersubstanz wieder ausgetrieben wird. Es muß nun der Weg be­ stimmt werden, den die Tracersubstanz transportiert wird. Dies erfolgt mit einem in den Meßkopf 10 integrierten Detek­ torarray.

Fig. 2 und 3 zeigt den Meßkopf auf der Oberseite der Papier­ bahn 100 im einzelnen: Gemäß Fig. 3 besteht der komplette Meßkopf 10 aus einem Sensorarray 30, beispielsweise aus 6×5 ethanolempfindlichen Sensoren 311 bis 315, 321 bis 325, 331 bis 335, 341 bis 345, 351 bis 355 und 361 bis 365. Jeder der Sensoren 311 bis 365 ist von zwei, die Sensorlänge über­ deckenden Schlitzen flankiert, beispielsweise der Sensor 311 von den Schlitzen 211 und 211′, der Sensor 321 von den Schlitzen 221 und 221′, usw. Dabei sind die Sensoren 311, 315, 321, . . . 325, dem Kanal A und die Sensoren 331, 335, 341, . . . 345, 351, . . . 355 und 361, . . . 365 dem Kanal B der Teilanordnung 5 der Fig. 1 zugeordnet und gemäß Fig. 2 durch vertikale Stege 16, 16′, 17, 17′, 17′′, 17′′′ und 18 ge­ geneinander getrennt. Entsprechende Stege sind gemäß Fig. 3 in Querrichtung vorhanden, aber nicht im einzelnen bezeichnet. In Richtung des Vortriebes der Papierbahn 100 wird der sogenannte Retentionsweg gemessen.

Als Retentionsweg ist der Weg definiert, der durch die Be­ wegung der Papierbahn 100 in der Zeit zurückgelegt wird, in die eingeblasene Tracersubstanz transportiert wird. Die Retentionszeit ist dabei die Zeit, während der die einge­ blasene Tracersubstanz von den Papierfasern gehalten wird. Die Elementareinheit des Retentionsweges wird durch die Länge der einzelnen Sensoren 311 bis 365 bestimmt, womit die Län­ genauflösung bei der Messung vorgegeben ist. Eine Diskreti­ sierung in Querrichtung zur Laufrichtung der Profilbahn 100 erlaubt die Erfassung von Inhomogenitäten über die Papierbahn 100 hinweg, so daß ggfs. Querprofile bestimmt werden können.

Mit entsprechend Fig. 2 gegeneinander abgedichteten Kanälen zwischen Papierbahn 100 und den Elementen des Sensorarrays 30 kann eine hinreichend genaue Messung des Retentionsweges zu erreicht werden. Auf der Rückseite es Sensorarrays 30 ist zur Unterstützung des Gasflusses ein Pumpsystem vorgesehen, das der in Fig. 1 dargestellten Pumpe 12 entspricht und auf das gesamte Sensorarray 30 ausgelegt ist.

Als ethanolempfindliche Detektoren können z. B. Sensoren auf der Basis von halbleitenden Metalloxiden, wie beispielsweise Ga₂O₃, eingesetzt werden. Gegebenenfalls sind auch Wärmelei­ tungszellen, FID (Flammionisationdetektoren) und/oder Massen­ spektrometer als Sensoren geeignet.

Die Gesamtgröße des Meßkopfes 10 richtet sich nach der Ge­ schwindigkeit der laufenden Papierbahn 100 und der zu erwar­ tenden Retentionszeit. Bei einer Geschwindigkeit von bei­ spielsweise 1200 m/min und einer mittleren Retentionszeit von 3 ms ergibt sich ein mittlerer Retentionsweg von etwa 6 cm. Dies bedeutet, daß das Sensorarray eine Länge von 30 cm haben müßte. Bei einer Größe von etwa 4×4 mm² je Sensorelement, d. h. L = 4 mm, läßt sich dann der mittlere Retentionsweg auf etwa 1/25 genau auflösen. Die Auflösung in Querrichtung zur Papierbahn zur Bestimmung der Inhomogenitäten ergibt sich aus der Zahl der parallelen Kanäle und ist maximal bei Zuordnung jeweils eines Kanals zu einem Sensorelement.

Im Diagramm der Fig. 4 ist das Meßsignal S als Ordinate über dem Retentionsweg s als Abszisse aufgetragen. Eingetragen sind Meßkurven 41, 42 und 43, wobei die Kurve 41 eine ge­ wünschte Qualität A, die Kurve 42 eine davon abweichende Qualität B und die Kurve 43 eine weitere abweichende Qualität C kennzeichnet.

Da bei der Papierherstellung ein Produkt mit konstanter Qualität angestrebt wird, wird sich ein bestimmter charak­ teristischer Signalverlauf, beispielsweise entsprechend der Kurve 41, einstellen. Jede Änderung der Produktqualität führt zu einem abweichenden Erscheinungsbild von diesem Verlauf, beispielsweise entsprechend den Kurven 42 und 43. Die Abwei­ chungen werden mit einer bestimmten Totzeit festgestellt und können als Parameter für die Prozeßregelung herangezogen wer­ den.

Die Totzeit wird im wesentlichen durch den Transport des Tracergases in der Gasphase von der Papierebene zum Sensor­ array und von der Ansprechzeit der Sensoren auf Konzentra­ tionsänderungen bestimmt für die Gastransportzeit kann bei einer Weglänge von 10 cm und einer Gasgeschwindigkeit von 10 m/s im Mittel etwa 10 ms angesetzt werden. Die Ansprech­ zeit der Sensoren (t₉₀-Zeit) beträgt etwa 100 ms. Diese Zeit läßt sich stark verkürzen, wenn nicht nur der Signalwert selbst, sondern z. B. auch seine erste Ableitung nach der Zeit, in der sich Änderungen bereits abzeichnen, betrachtet werden. Geht man von einer mittleren Totzeit von 50 ms aus, bis der Meßwert vorliegt, so hat die Papierbahn sich nur um etwa 1 m weiterbewegt.

Mit dem beschriebenen Meßverfahren und entsprechender Nutzung der Signalverläufe für die Regelung bei der Papierherstellung können Produktionsverluste gegenüber dem bisherigen Zustand verringert werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von Papier, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserqualität des Papiers durch eine online-Messung beim Herstellungsprozeß des Papiers, insbesondere direkt in der Papiermaschine, erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung der Faserqualität der Hydrophiliegrad der Faseroberfläche durch Invers-Gaschromato­ graphie erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Maß für die Hydrophilie einer Verbindung an der Faseroberfläche die sogenannte Retentions­ zeit gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Retentionszeit einer Tracersub­ stanz, wie Ethanoldampf od. dgl., auf der Faseroberfläche be­ stimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als ethanolempfindlicher Detektor Sensoren auf der Basis von halbleitenden Metalloxiden, wie Ga₂O₃, verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensoren zur Bestimmung der getrennten Verbindungen Wärmeleitungszellen, FID und/oder Massenspektrometer verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus der Retentionszeit und der Geschwindigkeit der Papierbahn ein Retentionsweg abge­ leitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sensorsignal als Funktion des Retentionsweges aufgetragen wird und einen für die Pro­ duktqualität charakteristischen Signalverlauf hat.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem Signalverlauf Regelgrößen für die Papierherstellung abgeleitet werden.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis . . , mit einer Papiermaschi­ ne, bei dem die hergestellte Papierbahn sich mit großer Ge­ schwindigkeit fortbewegt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Papierbahn (100) eine Meßkopf­ einrichtung (1) durchläuft, wobei von der Unterseite der Papierbahn (100) ein erster Kanal (A) zum Aufbringen eines Tracers auf die Papierbahn (1) und anschließend ein zweiter Kanal (B) zum Beaufschlagen der Papierbahn (100) mit Luft und wobei oberhalb der Papierbahn (1) ein Meßkopf (10) mit einer Pumpe (13) vorhanden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßkopf (10) mit einer flächenhafte Anordnung von Sensoren (311, . . . 315, 321, 325, 361, . . ., 365) ein Sensorarray (30) bilden.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem Sensorarray (30) eine Diskretisierung der Meßwerte erfolgt.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Sensor (311 bis 365) von wenigstens zwei Schlitzen (211, 211′, . . . 265, 265′) zum Abpumpen der aufgeblasenen Luft flankiert ist.