DE19543289A1 - Opto-dynamic on=line measurement of surface tension at moving substrate web e.g. plastic film, or coated film, foil or paper - Google Patents
Opto-dynamic on=line measurement of surface tension at moving substrate web e.g. plastic film, or coated film, foil or paperInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur opto- dynamischen, also einer berührungslosen, in-line Oberflächenspan nungs- bzw. Oberflächenenergiemessung für laufende Substrate, wobei die Detektion sowohl in Quer- wie auch in Laufrichtung der Bahn er folgen kann.The invention relates to a method and a device for opto- dynamic, i.e. a non-contact, in-line surface chip Measurement or surface energy measurement for running substrates, where detection both in the transverse and in the running direction of the web can follow.
Unter laufenden Substraten oder bewegtem Bahnmaterial sind im Zusam menhang der vorliegenden Erfindung insbesondere Kunststoffolien zu verstehen, wie z. B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA und desweiteren kaschierte oder coatierte Film-, Folien- oder Papierbahnen, welche eine noch meßbare optische Trans mission im Wellenlängenbereich von 200 bis 8000 nm aufweisen.Under running substrates or moving web material are together The subject of the present invention is in particular plastic films understand how B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA and also laminated or coated film, Foil or paper webs, which are still measurable optical trans mission in the wavelength range from 200 to 8000 nm.
Bei der Herstellung, Veredelung, Bedruckung und Weiterverarbeitung von laufenden Substratbahnen wird in sehr vielen Anwendungsfällen zur besseren Bedruck-, Beschicht- oder Klebbarkeit eine höhere Benet zungs- bzw. Haftungsfähigkeit des Materiales gefordert, welche durch Oberflächenspannungserhöhungen erzielbar sind.In the manufacture, finishing, printing and further processing of running substrate webs is used in very many applications better printability, coatability or adhesiveness a higher benet The liability or liability of the material required, which by Increases in surface tension can be achieved.
Bezüglich dieser komplexen physikalischen Zusammenhänge ist auf die entsprechende Fachliteratur, wie auszugsweise: J.Hansmann: Korona- Oberflächenbehandlung zur Haftungsverbesserung, Sonderdruck Papier und Kunststoffverarbeiter 4/7/81; J.Reif: Physical interaction mecha nisms between laser radiation and the surface of transparent mate rials, Vortrag Laserkolloqium Erlangen 6.12.1989; V. Zafiropulos: Laser Ellipsometrie, Laser Magazin 5/91; Prof. Dr.-Ing. L.Dorn: Kle beflächenuntersuchungen mittels Rastertunnelmikroskop; Dr. Gersten berg: Korona-Vorbehandlung zur Erzielung von Benetzung und Haftung, coating 7/90 und B.Johs: real-time monitoring and controlling with multi-wavelength ellipsometry, ICSE 93, zu verweisen.Regarding these complex physical relationships, reference is made to the corresponding specialist literature, as excerpt: J.Hansmann: Korona- Surface treatment to improve adhesion, special printing paper and plastics processor 4/7/81; J.Reif: Physical interaction mecha nisms between laser radiation and the surface of transparent mate rials, lecture laser colloquium Erlangen December 6, 1989; V. Zafiropulos: Laser Ellipsometry, Laser Magazin 5/91; Prof. Dr.-Ing. L.Dorn: Kle surface investigations using a scanning tunnel microscope; Dr. Barley berg: corona pretreatment to achieve wetting and adhesion, coating 7/90 and B.Johs: real-time monitoring and controlling with multi-wavelength ellipsometry, ICSE 93.
Vereinfacht ist unter Oberflächenspannung bzw. Oberflächenenergie eine physikalisch meßbare Zugspannung zu verstehen, welche durch die im Grenzschichtbereich des Substrates befindlichen Moleküle und deren Adhäsionskräfte bestimmt werden. Diese energetische wie auch mecha nisch anzusehende Zugspannung ist in der physikalischen Einheit Mil linewton/m mN/m, früher auch dyn/cm, definiert. Zur Vereinfachung wird im weiteren Text für Oberflächenspannungsenergie auch der Begriff Oberflächenspannung benutzt.Is simplified under surface tension or surface energy to understand a physically measurable tensile stress, which by the Molecules in the boundary layer area of the substrate and their Adhesion forces can be determined. This energetic as well as mecha niche tensile stress is in the physical unit Mil linewton / m mN / m, formerly also dyn / cm. For simplification in the further text for surface tension energy is also the term Surface tension used.
Beispielhaft lassen sich einige Oberflächenspannungsgrundwerte von verschiedenen Substraten angegeben : PS=33 mN/m, PA=43 mN/m, PE=31 mN/m, PP=29 mN/m. Im Vergleich hierzu die Angaben für einige Flüs sigkeiten: Wasser=72 mN/m, Methanol=22 mN/m und Toluol=28 mN/m.Some basic surface tension values of different substrates specified: PS = 33 mN / m, PA = 43 mN / m, PE = 31 mN / m, PP = 29 mN / m. In comparison, the information for some rivers liquids: water = 72 mN / m, methanol = 22 mN / m and toluene = 28 mN / m.
Zur Oberflächenspannungserhöhung oder "molekularen Aufrauhung" der Materialoberflächen kommen industrielle Vorbehandlungsverfahren mit Lösungsmitteln, Primer, Plasma, UV-Bestrahlung, Beflammung, OZON- Begasung und Korona zur Anwendung. For increasing the surface tension or "molecular roughening" of the Material surfaces come with industrial pretreatment processes Solvents, primers, plasma, UV radiation, flame treatment, OZONE Fumigation and corona for use.
Ein ganz wesentliches Qualitätskriterium der nach dem Veredelungs- oder Herstellungsprozeß entstandenen Produkte, und dies ist völlig unabhängig vom angewandten Vorbehandlungsverfahren, ist die Ein- und Konstanthaltung der material- und produktspezifisch vorgegebenen Oberflächenspannung innerhalb des Verarbeitungsprozesses. Dies gilt sowohl für eine möglichst homogene Flächenausbildung, wie auch für einen kurz- und langzeitlich einzuhaltenden engen Oberflächenspan nungsbereich, welcher durch die äußeren und Materialfaktoren, Vorbe handlungsart und Behandlungsänderungen exorbitant stark beeinflußt wird.A very important quality criterion according to the finishing or manufacturing process, and this is totally regardless of the pre-treatment process used, the input and Keeping the specified material and product-specific constant Surface tension within the processing process. this applies for the most homogeneous possible surface formation, as well as for a short and long-term tight surface chip range, which is determined by the external and material factors type of action and changes in treatment exorbitantly influenced becomes.
So liegen beispielsweise extrudierte LDPE-Folien nach deren Oberflä chenspannungserhöhung, je nach Verwendung von lösungsmittel- oder wasserlöslichen Farben für die Bedruckung, im Basisbereich von 36- 46 mN/m, wobei deren Variation durchweg +/- 3 mN/m und mehr betragen kann.For example, extruded LDPE films lie according to their surface voltage increase, depending on the use of solvent or water-soluble inks for printing, in the base area of 36- 46 mN / m, the variation of which is consistently +/- 3 mN / m and more can.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden diverse statische, also nicht in-line, und meist optisch arbeitende Meßverfahren zur Detek tion der Oberflächenspannung für bahnförmige oder stückige Materia lien angewandt, wie z. B. mit Testtinten nach ASTM-D2578-67, nach der Randwinkelmeßmethode, mittels der Rheology für Flüssigkeiten, der ESCA-Electron spectroscopy for chemical analysis oder ATR-Methode.According to the current state of the art, various static, ie not in-line, and mostly optical measuring methods for detection tion of the surface tension for sheet-like or lumpy materials lien applied such. B. with test inks according to ASTM-D2578-67, according to Contact angle measurement method, using the rheology for liquids, the ESCA-Electron spectroscopy for chemical analysis or ATR method.
Die Messungen erfolgen hierbei grundsätzlich nach dem off-line Prin zip, so daß zum Maschinenstillstand oder während des laufenden Pro duktionsprozesses Probenentnahmen mit anschließender Oberflächenspan nungsermittlung ausgeführt werden müssen, um so den gewünschten Vor behandlungsgrad nachträglich anzupassen bzw. die einzuhaltenden Ober flächenspannungswerte auf diese Weise anzustreben.The measurements are always carried out according to the off-line principle zip, so that to the machine standstill or during the running pro production process with subsequent surface chip removal determination must be carried out in order to achieve the desired advance adjust the degree of treatment retrospectively or the upper to strive for surface tension values in this way.
Als die wesentlichen Patent- und Offenlegungsschriften unter der IPC G01 B 11/30 sind hierzu die: EP 003.27. 10 A1/B1, EP 023.72.21, DE 28.04.975 A1, EP 013.49.30 A1, DE 34.06.191 A1, DE 38.08.860 A1, DE 34.10.778 A1, DE 41.02.990 A1, DE 31.05.752 A1, DE 25.37.343, zu nen nen.As the essential patent and disclosure documents under the IPC G01 B 11/30 are: EP 003.27. 10 A1 / B1, EP 023.72.21, DE 28.04.975 A1, EP 013.49.30 A1, DE 34.06.191 A1, DE 38.08.860 A1, DE 34.10.778 A1, DE 41.02.990 A1, DE 31.05.752 A1, DE 25.37.343 nen.
Aus der Anmeldung DE 22.25.946 ist weiterhin bekannt, daß mit zwei optischen Einrichtungen im in-line Modus vor und nach der Vorbehand lungseinrichtung versucht wird, eine Differenzmessung der Oberflä chenspannung herbeizuführen, deren Arbeitsweise aber nicht erläutert ist. Die Offenlegungsschrift DE 38.25.416 A1 hingegen beschreibt ein dynamisches Auftragsverfahren von Prüftinten auflaufende Bahnen, um so zur in-line Ermittlung der Oberflächenspannung zugelangen.From the application DE 22.25.946 it is also known that with two optical devices in in-line mode before and after the pre-treatment is attempted, a difference measurement of the surface to bring about voltage, but their mode of operation is not explained is. The laid-open specification DE 38.25.416 A1, on the other hand, describes a dynamic application process of test inks running up to how to get the in-line determination of the surface tension.
Zur optischen in-line Porositätsmessung an laufenden Bahnen sind in der EP 0.608.544 A2 und DE 43.02.137 A1 optische Transmissionsver fahren beschrieben, mit denen durch eine horizontale Meßkopfverschie bung entlang der optischen Achse der Traversiereinrichtung und über große Bahnbreiten materialunabhängige Meßwerte als Funktion der Gas durchlässigkeit ermittelbar sind. For optical in-line porosity measurement on running webs are in EP 0.608.544 A2 and DE 43.02.137 A1 optical transmission ver drive described with which by a horizontal measuring head Exercise along the optical axis of the traversing device and over large web widths material-independent measured values as a function of the gas permeability can be determined.
Weiterhin sind traversierende und in-line arbeitende Meßsysteme für die eingangs angeführten Bahnmaterialien bekannt, mit denen im opti schen Transmissionsmodus eine Vielzahl von materialspezifischen Ei genschaften meßbar sind, aber keine Oberflächenspannungsmessung oder mathematische Ableitung möglich ist.Furthermore traversing and in-line working measuring systems for the above-mentioned web materials known with which in the opti transmission mode a variety of material-specific egg properties are measurable, but no surface tension measurement or mathematical derivation is possible.
Aufgrund der produktionellen Vorgaben und damit gestellten Kriterien zur berührungslosen in-line Oberflächenspannung an laufenden Substra ten bei völliger Unbeeinflußbarkeit der Meßergebnisse von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Formation, Temperatur, Vorbehandlungsart, bei Bahngeschwin digkeiten bis 600 m/min und Bahnbreiten bis 6 m erfüllen die statisch und beiden dynamisch arbeitenden Verfahren nicht die gewünschten An forderungen.Based on the production requirements and the criteria set for non-contact in-line surface tension on running substrates if the measurement results of material and surface consistency, crystallinity, thickness, density, structure, polar formation, temperature, type of pretreatment, at web speed speeds of up to 600 m / min and web widths of up to 6 m meet this statically and both dynamically working methods do not have the desired results requirements.
Bei den angeführten Meßverfahren ist es weiterhin von Nachteil, daß zusätzliche Maschinenstillstandszeiten zur Probenentnahme oder zwi schen den Testintervallen unerwünschte Oberflächenspannungsschwan kungen entstehen können.In the measurement methods mentioned, it is also disadvantageous that additional machine downtimes for taking samples or between unwanted surface tension swan between the test intervals can arise.
Darüber hinaus ist eine direkte Prozeßsteuerung oder Regelung, CIM- Einbindung und Produktzertifizierung nicht möglich, da die Systeme off-line arbeiten.In addition, direct process control or regulation, CIM Integration and product certification not possible because of the systems work off-line.
Die Kardinalforderungen an ein berührungslos und in-line arbeitendes Oberflächenspannungsmeßsystem lassen sich nach den einleitenden Aus führungen wie folgt zusammenfassenThe cardinal demands on a contactless and in-line working Surface tension measurement system can be after the introductory Aus summarize tours as follows
- - Verwendbarkeit für bahnförmigen Materialien wie z. B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA, kaschierte oder coatierte Filme, Folien oder Papiere- Usability for sheet-like materials such. B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA, laminated or coated films, foils or papers
- - Meßunabhängigkeit von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kris tallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Tempera tur und Vorbehandlungsart- Measurement independence from material and surface consistency, Kris tallinity, thickness, density, structure, polar grouping, tempera structure and type of pretreatment
- - Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Bahnbreiten bis 6 m- Web speeds up to 600 m / min and web widths up to 6 m
- - in-line, real-time und berührungslos arbeitendes Meßverfahren- In-line, real-time and non-contact measuring method
- - ein-Meßkopfverfahren- a measuring head method
- - Oberflächenspannungsmeßbereich von 30 bis 60 mN/m bei Reproduzier barkeiten von +/- 1 mN/m- Surface tension measuring range from 30 to 60 mN / m for reproducers availability of +/- 1 mN / m
- - einfache Integrierbarkeit in vorhandene Traversiersysteme- Easy integration into existing traversing systems
- - Rechnerbetrieb und Maschinen-Interfacing- Computer operation and machine interface
- - Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse wie Staub, Dämpfe, Fremd licht, mechanische Erschütterungen usw.- Insensitivity to external influences such as dust, vapors, foreign light, mechanical shocks etc.
- - große Wartungsfreiheit und absolute Zuverlässigkeit- great freedom from maintenance and absolute reliability
- - leichte Kalibrierungsmöglichkeit.- Easy calibration option.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, nach der das voranstehenden Anforderungs profil zur opto-dynamischen, also einer berührungslosen, Oberflächen spannungsmessung möglichst genau erfüllbar ist.The invention is therefore based on the object, a method and specify a device according to which the above requirement profile for opto-dynamic, i.e. non-contact, surfaces voltage measurement can be performed as precisely as possible.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur opto-dynamischen Oberflächenspan nungsmessung an laufenden Substraten löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Patenthauptanspruches 1. The inventive method for opto-dynamic surface chip removal Tension measurement on running substrates solves the task the features of the main claim 1.
Danach erfährt die im Meßspalt des Systems durchlaufende und zu mes sende Substratbahn über zwei um 90 Grad gegeneinander versetzte, opti sche Kanäle eine chromatische Durchstrahlung, welche auf der anderen Bahnseite durch zwei optisch gleiche Detektionssysteme erfaßbar ist. Über eine Querverschiebung der beiden Lichtzuführungs- oder Detek toreinheiten entlang der optischen Achse ist es möglich, durch extre me Strahlwinkelverschiebungen und damit verbundene optische Streuun gen und Beugungen im Grenzschichtbereich der Substrate zu generieren, deren eingefangenen Lichtphotonen und Intensität nach der entspre chenden Auswertung über einen konventionellen Personalcomputer eine direkte Relation zur Oberflächenspannung, in Unabhängigkeit der ein gangs genannten Materialeinflüsse, ermöglichen.Thereafter, the mes passing through the measuring gap of the system is experienced transmit substrate web over two opti channels a chromatic radiation, which on the other Web side can be detected by two optically identical detection systems. Via a transverse shift of the two light supply or detec gate units along the optical axis, it is possible to use external me beam angle shifts and associated optical scatter to generate and diffraction in the boundary layer area of the substrates, their captured light photons and intensity after the correspond appropriate evaluation via a conventional personal computer direct relation to surface tension, independent of the one material influences mentioned above, enable.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß bei einer zweikanaligen um 90 Grad gedrehten optischen Durchstrahlung des laufenden Bahnmateria les und extreme Strahlwinkelverschiebungen der optischen Achsen not wendig sind, um die gewünschten Streu- und Beugungseffekte im Grenz schichtbereich, sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Rich tung, bei unterschiedlichen Wellenlängen zu generieren, detektions technisch einzufangen und auszuwerten. Erst die Kombination von hori zontaler und vertikaler Strahlengangführung und der wellenlängenspe zifischen Wahl zum eingesetzten Substrat ermöglicht die Eliminierung der materialspezifischen Einflüsse, so daß beim optischen Durchstrah len der Grenzschichtbereiche und deren dort befindlichen polaren Gruppen eine Meßgröße ermittelbar ist, welche in eindeutiger Korrel lation zur physikalischen Oberflächenspannung steht.According to the invention it has been recognized that in a two-channel order 90 degrees rotated optical radiation of the running railway material les and extreme beam angle shifts of the optical axes not are agile in order to achieve the desired scattering and diffraction effects in the border layer area, both horizontally and vertically device to generate at different wavelengths technically capture and evaluate. First the combination of hori zonal and vertical beam path and the wavelength spec The specific choice of the substrate used enables elimination the material-specific influences, so that the optical transmission len of the boundary layer areas and their polar Groups a measurable variable can be determined, which in a clear correl relation to the physical surface tension.
Dies erfolgt im Relativmeßverfahren über die Differenzbildung zwi schen zwei unterschiedlichen Oberflächenspannungswerten bei material gleichen Substraten.This takes place in the relative measurement method via the difference between two different surface tension values for material same substrates.
Aus diesen fundamentalen Erkenntnissen ist das erfinderische opto dynamische Oberflächenspannungsmeßverfahren und deren Vorrichtung für laufende Substrate entstanden, welche die eingangs aufgestellten An forderungen und aufgezeigten Meßvorteile in idealer Weise erfüllt und einen in-line Systemeinsatz ermöglicht.The inventive opto is based on these fundamental findings dynamic surface tension measuring method and its device for running substrates emerged, which the initially set up requirements and demonstrated measurement advantages ideally met and enables in-line system use.
Ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Meßverfahrens besteht darin, daß die gesamte optische Anordnung innerhalb eines Meßkopfge häuses integrierbar ist und somit auf industriell vorhandene Tra versiersysteme aufgebaut und dort prozeßtechnisch eingebunden werden kann.Another great advantage of the inventive measuring method is in that the entire optical arrangement within a measuring head housing can be integrated and thus on existing industrial tra Versiersysteme built and integrated there process technology can.
Gleichermaßen ist es möglich, das Meßkopfsystem auch autark an Ex truder- oder Vorbehandlungsanlagen zu betreiben, in deren Steuerungs- und Regelprozesse einzubinden und für die so hergestellten Substrat produkte eine in-line Zertifizierung zu ermöglichen. Dies ist ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Verfahrens, welcher pro duktionell und wirtschaftlich gänzlich neue Dimensionen eröffnet.Likewise, it is also possible to connect the measuring head system to Ex to operate trudder or pre-treatment systems in their control and to integrate control processes and for the substrate produced in this way to enable products to be certified in-line. This is a Another great advantage of the inventive method, which pro completely new dimensions in terms of production and economy.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner von einer Vorrichtung zur opto-dynamischen Oberflächenspannungsmessung an laufenden Substraten mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst. The above-mentioned task is also performed by a device for opto-dynamic surface tension measurement on running substrates solved with the features of claim 7.
Danach ist die Vorrichtung so ausgestaltet, daß eine wellenlängen durchstimmbare Lichtquelleneinrichtung zwei optisch gleiche Kanäle versorgt, die eine Transmission in vertikaler und horizontaler Posi tion über zwei Schlitzblenden für die im Meßspalt durchlaufende Sub stratbahn ermöglichen.Thereafter, the device is designed so that a wavelength tunable light source device two optically identical channels which supplies a transmission in vertical and horizontal positions tion via two slit diaphragms for the sub passing through the measuring gap enable streetcar.
Beide optische Kanäle sind geometrisch gegenüber den auf der anderen Bahnseite befindlichen und optischen Achsen angeordneten Detektorein heiten in der X- und Y-Richtung verschiebbar. Die im Detektionsteil auf die optische Linsenanordnung einfallenden Lichtphotonen werden eingefangen, gebündelt und auf fotoempfindliche Detektoren fokus siert. Nach deren elektrischer Vorverstärkung erfolgt die Signalaus wertung und Meßgrößenermittlung durch einen konventionellen Personal computer, welcher darüber hinaus auch alle Steueraufgaben für die Wellenlängenvorgabe, X-Verstellung der optischen Achsen und Systemka librierung übernimmt.Both optical channels are geometrical compared to the other On the web side and optical axes units can be moved in the X and Y directions. The one in the detection part light photons incident on the optical lens arrangement captured, bundled and focused on photosensitive detectors siert. After their electrical pre-amplification, the signal is off Evaluation and determination of measured variables by conventional personnel computer, which also all tax tasks for the Wavelength specification, X adjustment of the optical axes and system ka calibration takes over.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen beschrie benen Ausführungen, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert.There are now several ways of teaching the present To design and develop the invention in an advantageous manner. For this purpose, the patent claims are described on the one hand level explanations, on the other hand to the following explanation an embodiment of the invention with reference to the drawings refer. In conjunction with the explanation of the preferred embodiment Example of the invention and by means of the drawings generally preferred embodiments of the teaching explained.
Die Zeichnungen zeigen im einzelnenThe drawings show in detail
Fig. 1 die Gesamtansicht der Oberflächenspannungsmeßeinrichtung,1 shows the overall view of the surface tension measuring device ,
Fig. 2 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsengleichheit, Fig. 2, the optical images of the X and Y-slit diaphragms on the photo-sensitive detectors in optical axis equality,
Fig. 3 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsverschiebung, Fig. 3 of the X- and Y-optical images slit diaphragms on the photo-sensitive detectors for optical axis shifting,
Fig. 4 ein Diagramm des Spannungsprofiles und der Transmissionsver teilung zur Oberflächenspannungsermittlung für eine PP-Folie, Fig. 4 is a diagram of the voltage profile and the Transmissionsver distribution for surface tension determination for a PP film,
Fig. 5 ein Diagramm des Spannungsprofiles und der Transmissionsver teilung zur Oberflächenspannungsermittlung für eine PE-Folie. Fig. 5 is a diagram of the voltage profile and the Transmissionsver distribution for surface tension determination for a PE film.
Zunächst wird in der nachfolgenden Beschreibung die Vorrichtungsaus führung und deren grundsätzliche Arbeitsweise erklärt, um dann einge hender das Meßverfahren und die Ermittlung der Oberflächenspannungs werte für laufende Substratbahnen zu erläutern.First, the device will be described in the following description leadership and its basic mode of operation, before being introduced hender the measuring method and the determination of the surface tension explain values for running substrate webs.
In Fig. 1 ist die gesamte Oberflächenspannungsmeßeinrichtung für lau fende Substrate dargestellt. Die Lichtquelleneinrichtung 1 besteht hierbei im wesentlichen aus einer industriellen Breitbandlichtquelle 4, z. B. der Kombination aus Deuterium-, Halogen- und IR-Lampe sowie der Spannungsversorgungs- und Regeleinrichtung 5, deren gemeinsamer Strahlengang über ein Linsensystem 6 und Polarisationsfilter 7 auf das akusto-optische Filter 8 ausgerichtet ist. Mittels eines Hoch frequenzgenerators 9 für z. B. 10-100 Mhz, ist es möglich, den Wel lenlängenbereich von 200 nm bis zu 5000 nm kontinuierlich durchzu stimmen. In Fig. 1, the entire surface tension measuring device for running substrates is shown. The light source device 1 consists essentially of an industrial broadband light source 4 , for. B. the combination of deuterium, halogen and IR lamp and the voltage supply and control device 5 , the common beam path of which is aligned with the acousto-optical filter 8 via a lens system 6 and polarization filter 7 . By means of a high frequency generator 9 for z. B. 10-100 Mhz, it is possible to continuously tune the len length range from 200 nm to 5000 nm.
Die Strahlauskopplung erfolgt ebenfalls über ein Polarisationsfilter 7 mit nachfolgendem Strahlteiler 10 zur Generierung von zwei opti schen Kanälen, deren Strahlen über die beiden Linsen 11 in die breit bandigen Lichtfaserbündel 12 und 13 eingekoppelt werden.The beam is also decoupled via a polarization filter 7 with subsequent beam splitter 10 for generating two optical channels, the beams of which are coupled into the broadband optical fiber bundles 12 and 13 via the two lenses 11 .
Im den zum Meßkopf gehörenden Strahlzuführungsgehäuse 2 erfolgt die Ankopplung der beiden optischen Kanäle über die zugeführten Lichtfa serbündel 12 und 13, deren Strahlprojektion mittels der Linsen 14 auf die beiden vertikal 16 und horizontal 17 angeordneten Schlitzblenden zu der im Meßspalt 31 senkrecht durchlaufenden Bahn 22 erfolgt. Auf der gegenüberliegenden Bahnseite befinden auf der optischen X- und Y- Achse zur achsfernen Einfangung der Lichtphotonen die großen Sammel linsen 18, die mit kleineren Linsen 19 in Richtung der Detektoren 20 kaskadiert sind.In belonging to the measuring head beam feed housing 2, the coupling of the two optical channels is performed on the supplied Lichtfa serbündel occurs to the perpendicular passing through the measuring gap 31 web 22 12 and 13, the beam projecting means of the lens 14 to the two vertical 16 and horizontal 17 arranged slotted diaphragms. On the opposite side of the web are on the optical X and Y axes to capture the light photons away from the axis, the large converging lenses 18 , which are cascaded with smaller lenses 19 in the direction of the detectors 20 .
Als photoempfindliche Detektoren 20 sind sowohl breitbandige Fotodio den, Fotodiodenarrays, CCD-Zeilen wie auch Bildwandler einsetzbar, welche auf der Grundplatte 21 plaziert sind. Zur Abdeckung des brei ten Wellenbandes von 200-5000 nm hat es sich als vorteilhaft erwie sen, die Detektoren 20 gemäß ihrer Spektralempfindlichkeit für zwei Wellenlängenbereiche entsprechend auszuwählen und dual einzusetzen.As photosensitive detectors 20 , broadband photodiodes, photodiode arrays, CCD lines and image converters can be used, which are placed on the base plate 21 . To cover the broad waveband of 200-5000 nm, it has proven to be advantageous to select the detectors 20 according to their spectral sensitivity for two wavelength ranges and to use them in a dual manner.
Der Meßspalt 31 hat vorzugsweise eine Weite von 10 mm, so daß für die durchlaufende Bahn 22 auch bei nicht exakter Positionierung, mittiger Führung oder Positionsbewegung ein genügend großer Freiraum ver bleibt. In Fig. 1 und 2 sind zur Vereinfachung die mechanischen Ver schiebelemente für die X-Verstellung 23 und 24 beider optischen Ka näle zu den Mittenachsen 32 und 33 nicht dargestellt.The measuring gap 31 preferably has a width of 10 mm, so that a sufficiently large free space remains for the continuous web 22 even with inaccurate positioning, central guidance or positional movement. In Fig. 1 and 2, the mechanical displacement elements for the X adjustment 23 and 24 of the two optical channels to the center axes 32 and 33 are not shown for the sake of simplicity.
Eine besonders große meßtechnische Bedeutung nimmt hierbei die opti sche Detektoranordnung 20 weit außerhalb der eigentlichen Brennpunkte 29 ein, um so die durch Streustrahlung und Beugung an den Grenzflä chen der laufenden Bahn transmittierten und achsfernen Lichtphotonen auf die Detektoren abzubilden.Of particular importance in terms of measurement technology is the optical detector arrangement 20, far outside the actual focal points 29 , so as to image the light photons transmitted and away from the axis by scattered radiation and diffraction at the boundary surfaces of the running web on the detectors.
Fig. 2 zeigt die sich aus der vertikalen Schlitzblende 16 und opti scher Achse der Strahlzuführungseinheit 32 und Detektoren 33 ergebene Kissenform 34 des ersten optischen Kanales auf dem Detektor 20. Ana log hierzu ist in der gleichen Figur die optische Abb. 35 des horizontal angeordneten, zweiten Kanales bei Achsengleichheit 32 zu 33 auf dem Detektor 20 dargestellt. FIG. 2 shows the cushion shape 34 of the first optical channel on the detector 20 resulting from the vertical slit diaphragm 16 and the optical axis of the beam feed unit 32 and detectors 33 . Analogously to this, the optical figure 35 of the horizontally arranged second channel with the axes 32 to 33 on the detector 20 is shown in the same figure.
Mit der X-Verschiebung von Strahlzuführungs- 32 zur Detektorachse 33, wobei vorzugsweise die Detektionseinheit gegenüber der Strahlzufüh rung bewegt wird, ergibt sich eine optisch verzerrte Abbildung in vertikaler 36 und horizontaler 37 Richtung, wie dies aus Fig. 3 zu ersehen ist.With the X displacement of the beam feed 32 to the detector axis 33 , the detection unit preferably being moved relative to the beam feed, an optically distorted image results in the vertical 36 and horizontal 37 directions, as can be seen from FIG. 3.
Die mit dem erfinderischen Meßverfahren erzeugte Abbildungsverzerrung resultiert aus einer Kombination der vertikalen und horizontalen Schlitzblendengeometrien und optischen X-Achsverschiebung der Detek toren weit außerhalb deren Linsenbrennpunkte 29. The image distortion generated with the inventive measuring method results from a combination of the vertical and horizontal slit aperture geometries and optical X-axis displacement of the detectors far outside of their lens focal points 29 .
Aus verschiedenen produktionellen Anwendungen und den eingangs genann ten Anmeldungen ist bekannt, daß eine Selektion der materialspezifi schen Eigenschaften der laufenden Substrate bei unterschiedlichen Wellenlängen, den sogenannten material finger prints, möglich ist.From various production applications and the above ten applications is known that a selection of the material-specific properties of the running substrates with different Wavelengths, the so-called material finger prints, is possible.
Diese grundlegende Erkenntnis führt bei diesem Meßverfahren dazu, daß die Wellenlängenwahl verbunden mit der optischen X-Achsenverschiebung zur Kompensation der Substrateigenschaften benutzt wird, um so den Oberflächenspannungswert unbeeinflußt von den Materialkriterien zu ermitteln.This fundamental knowledge leads to the fact that the wavelength selection combined with the optical X-axis shift is used to compensate for the substrate properties, so as to Surface tension value unaffected by the material criteria determine.
Im Diagramm der Fig. 4 sind am Beispiel zwei materialgleicher PP- Folien 38 bzw. 39 und unterschiedlicher Oberflächenspannung von 37 mN/m bzw. 43 mN/m deren Transmissionswerte, detektiert bei gleicher Wellenlänge und mit fotoempfindlichen Sensoren, dargestellt. Auf der unteren Ordinate ist die optische Durchlässigkeit beider Substrate 38 und 39 als Funktion einer einseitigen Achsenverschiebung zwischen 32 und 33 ausgeführt, deren optischen Achsdeckung in den Punkten 32 und 33 definiert ist.The diagram in FIG. 4 shows two PP films 38 and 39 of the same material and different surface tension of 37 mN / m and 43 mN / m, respectively, whose transmission values, detected at the same wavelength and with photosensitive sensors, are shown. On the lower ordinate, the optical transmittance of both substrates 38 and 39 is carried out as a function of a one-sided axis shift between 32 and 33 , the optical axis coverage of which is defined in points 32 and 33 .
Es ist deutlich zu erkennen, daß die materialgleichen, aber mit un terschiedlichen Oberflächenspannungswerten behafteten PP-Folien 38 und 39, über die optische Achsverschiebung eine Betragsdifferenz er fahren, deren substituiertes Flächenintegral 40 die Differenz zwi schen den Oberflächenspannungswerten von 37 mN/m zu 43 mN/m als Ober flächenbetragsänderung ausweisen. Auf der Absizze ist der Verschiebe betrag bzw. die Verschieberichtung nach rechts aufgetragen.It can be clearly seen that the PP films 38 and 39 , which are of the same material but have different surface tension values, experience a difference in amount via the optical axis displacement, whose substituted area integral 40 is the difference between the surface tension values of 37 mN / m and 43 mN / m Show as change in surface area. The shift amount or the shift direction to the right is plotted on the abscissa.
Fig. 5 zeigt analog hierzu am Beispiel zweier PE-Folien 41 und 42, welche mit Oberflächenspannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m behaf tet sind, mit den nach der Substitution sich eine Flächenintegral 43 als Differenz des Oberflächenbetrages ausweist. Fig. 5 is analogous to this the example of two PE films 41 and 42, which are equipped with surface tension values of 36 mN / m and 42 mN / m behaf tet, a surface integral 43 identifies with the after the substitution as the difference of the surface amount.
Die elektrische Schaltung der optischen Detektoren, welche aus ein zelnen Fotodioden, Fotodioden-Arrays oder CCD-Zeilen bestehen kann, ist technisch allgemein bekannt, und deshalb nicht dargestellt. Auch deren elektrische Ankopplung mittels AD-Wandlungskarte an einen kon ventionellen Personalcomputer bedarf keiner weiteren Erklärungen. Auf die Signalauswertung und Differenzbildungen wird auch im nachfol genden Erklärungsteil vertiefter eingegangen.The electrical circuit of the optical detectors, which consists of a can consist of individual photodiodes, photodiode arrays or CCD lines, is generally known technically and is therefore not shown. Also their electrical coupling to a con conventional personal computers require no further explanation. On the signal evaluation and difference formation will also follow deeper explanatory part.
Wie schon im Eingangsteil ausgeführt, ist erfinderisch erkannt wor den, daß zwei um 90 Grad versetzte optische Substratdurchstrahlungen und deren Strahlverschiebungen endlang der optischen X-Achsen Streu- und Beugungseffekte im Grenzschichtbereich generieren, welche mate rialspezifisch von der verwendeten Wellenlänge abhängig sind. Die auf diese Weise transmittierten und detektierten Lichtquanten ermöglichen nach der Signalkonditionierung eine betragsmäßige Ermittlung des Re lativmeßwertes für die Oberflächenspannung.As already stated in the entry part, what has been inventively recognized that two optical substrate transmissions offset by 90 degrees and their beam shifts along the optical X-axis scatter and generate diffraction effects in the boundary layer area, which mate are dependent on the wavelength used. The on enable transmitted and detected light quanta in this way after the signal conditioning a determination of the amount of the Re relative measurement for the surface tension.
Zur Vereinfachung dieser Vorrichtungsbeschreibung sind alle mechani schen Ausführungen und Angaben zur Traversiereinrichtung für;die Links- und Rechtsverschiebungen 23 der optischen X-Achsen 27/28 nicht weiter angegeben, da deren grundsätzliche Arbeitsweise als allgemein bekannt vorausgesetzt wird. To simplify this device description, all mechanical designs and information on the traversing device for; the left and right displacements 23 of the optical X-axes 27/28 are not further specified, since their basic mode of operation is assumed to be generally known.
Die mit dem erfinderischen Meßverfahren gefundenen Transmissionsver halten und deren Ableitungen zur Bestimmung der opto-dynamischen Oberflächenspannung an laufenden Substraten lassen sich physikalisch und lichtquantentechnisch wie folgt erklärenThe transmission ver found with the inventive measuring method hold and their derivatives to determine the opto-dynamic Surface tension on running substrates can be physically and explain light quantum technology as follows
- a) Die von der Wellenlänge abhängige Transmissionsänderung bei op tisch durchlässigen Substraten 22 erzeugt ein materialspezifi sches Durchlaßverhalten, den sogenannten finder-prints, was phy sikalisch allgemein bekannt ist und technisch für eine Vielzahl von Applikationen eingesetzt wird. Für das erfinderische Verfahren findet die Wellenlängenverände rung im Bereich von 200 nm bis 8000 nm mittels einer Breitband lichtquelle 4 und eines durchstimmbaren akusto-optischen Filters 8 statt.a) The wavelength-dependent transmission change in op tically permeable substrates 22 produces a material-specific transmission behavior, the so-called finder prints, which is generally known physically and is used technically for a large number of applications. For the inventive method, the wavelength change takes place in the range from 200 nm to 8000 nm by means of a broadband light source 4 and a tunable acousto-optical filter 8 .
- b) Aus dem Elipsometriemeßverfahren für transparente Kunststoffolien ist zu erfahren, daß optisch gedrehte und polarisierte Strahlen gänge die mathematische Dickenermittlung dieser laufenden Sub strate ermöglichen. Für das hier beschriebene Verfahren haben die Polarisationsfilter 7 die Aufgabe der Strahlein- und Auskopplung für das akusto-optische Filter 8. Eine optische um 90 Grad ge drehte Durchstrahlung der laufenden Substratbahnen 22 ist über die beiden optischen Kanäle 12 und 13 sowie den Längs- 16 und Querschlitzblenden 17 verifiziert. Mit dieser Ausführung ist eine detektionstechnische Berücksichtigung der längs- und querorien tierten Materialformationen, wie sie häufig bei biaxialen Folien, coatierten Bahnen oder Multilayern auftritt, möglich.b) From the Elipsometriemeßverfahren for transparent plastic films is to be learned that optically rotated and polarized beams allow the mathematical thickness determination of these current sub strates. For the method described here, the polarization filters 7 have the task of beam coupling in and coupling out for the acousto-optical filter 8 . An optical radiation rotated through 90 degrees of the running substrate webs 22 is verified via the two optical channels 12 and 13 and the longitudinal 16 and transverse slot diaphragms 17 . With this design, a detection-technical consideration of the longitudinal and transverse oriented material formations, as often occurs with biaxial foils, coated webs or multilayers, is possible.
- c) Spezielle Schlitzblenden 16 und 17 erzeugen an ihren Rändern ex treme Streustrahlungen und damit verbundene Strahlwinkelverände rungen, die weit entfernt von der optischen Achslinie 27/28/32/33 liegen. Teilweise werden diese Streustrahlungseffekte bei ver schiedenen industriellen Verfahren zur Glanz-, Glätte-, Diver genz-, Opazitäts- oder Porositätsmessung von optisch durchlässi gen Materialien meßtechnisch genutzt und berücksichtigt. Die in beiden optischen Kanäle 12/13 bei der Ein- und Auskopplung in das laufende Substrat 22 transmittieren Streustrahlungen führen zu Adsorptions- und Diffusionserscheinungen an deren Grenzflächen. Es hat sich bei Streustrahlversuchen mit chromatischem Licht ge zeigt, daß entgegen der allgemeinen Wellenlängentheorie Mole kularstrukturänderungen optisch nachweisbar sind, welche um den Faktor 200 kleiner sind, als die verwendete Wellenlänge. Dies bedeutet, daß bei einer Wellenlänge von z. B. 400 nm optische De tektionen von "molekularen" Rauhigkeitkeiten im Grenzschichtbe reich von 2 nm möglich sind. Die für die Oberflächenspannung, Materialhaftung und polaren Gruppen verantwortlichen Grenz schichtbereiche bewegen sich zwischen 10 bis 200 Ångström, was 1 nm bis zu 20 nm entspricht.c) Special slit diaphragms 16 and 17 generate extreme stray radiation and associated beam angle changes at their edges, which are far from the optical axis line 27/28/32/33 . Some of these scattered radiation effects are used and taken into account by measurement in various industrial processes for measuring gloss, smoothness, divergence, opacity or porosity of optically transparent materials. The scattered radiation transmitted in both optical channels 12/13 during coupling and decoupling into the running substrate 22 leads to adsorption and diffusion phenomena at their interfaces. It has been shown in scattered-beam experiments with chromatic light that, contrary to the general wavelength theory, molecular structure changes are optically detectable, which are 200 times smaller than the wavelength used. This means that at a wavelength of z. B. 400 nm optical detection of "molecular" roughness in the boundary layer area of 2 nm are possible. The boundary layer areas responsible for surface tension, material adhesion and polar groups range between 10 and 200 angstroms, which corresponds to 1 nm to 20 nm.
- d) Bei diesen speziellen Geometrien von Durchstrahlung erfahren die transmittierten Lichtquanten bei Veränderungen der "molekularen Aufrauhung" und einer damit verbundenen Oberflächenspannungserhö hung eine erleichterte Materialtransmission, was zu einer größe ren Lichtquantenausbeute auf der Detektorseite führt.d) With these special geometries of radiation, the transmitted light quanta with changes in the "molecular Roughening "and an associated increase in surface tension hung a facilitated material transmission, resulting in a size leads light quantum efficiency on the detector side.
Nur so lassen sich die praktischen Ergebnisse interpretieren, die eine direkte Korrelation zur Oberflächenspannungsdifferenz 40 und 43, und dies völlig unabhängig von der Material-, Oberflächen konsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Temperatur oder der Vorbehandlungsart erlauben.This is the only way to interpret the practical results that allow a direct correlation to the surface tension difference 40 and 43 , and this completely independently of the material, surface consistency, crystallinity, thickness, density, structure, polar grouping, temperature or the type of pretreatment.
- e) Die geschilderten und für dieses Verfahren benutzten Transmis sionserhöhungen sind dann besonders signifikant ausgeprägt, wenn die verwendete Wellenlänge in der Nähe oder direkt im Resonanz punkt der Bahnsubstrate liegt, also eine stark verminderte opti sche Durchlässigkeit als Opakheit auftritt und eine sensorische Erfassung weit außerhalb der Linsenbrennpunkte stattfindet. Diese lichtquantentechnischen Resonanzpunkte sind materialspezifisch zugeordnet und verändern sich im laufenden Produktions- und Ver edelungsprozeß für die laufenden Bahnen nur unwesentlich, wie dies praktische Ergebnisse zeigen.e) The transmis described and used for this procedure Increases in sions are particularly significant if the wavelength used near or directly in resonance point of the web substrates is, that is a greatly reduced opti permeability occurs as an opaqueness and a sensory Detection takes place far outside the lens focal points. These Light quantum resonance points are material-specific assigned and change in ongoing production and ver Editing process for the running webs only insignificant, like this shows practical results.
- f) Weitere Versuchsreihen mit dem erfinderischen Verfahren zeigen, daß mit der angeführten Vorrichtung und den beschriebenen opti schen X-Achsverschiebungen und damit ausgelösten Streu- und Beu gungseffekten im Grenzschichtbereich der Substratbahnen 22 genü gend große Mengen von transmittierten Lichtquanten freisetzbar sind.f) Further series of experiments with the inventive method show that sufficient quantities of transmitted light quanta can be released with the device and the described optical X-axis displacements and thus triggered scattering and diffraction effects in the boundary layer region of the substrate webs 22 .
- g) Da es sich bei diesem Verfahren um eine Relativmeßmethode han delt, ist es notwendig, die gewünschten Oberflächenspannungswerte über eine Korrelations- oder Vergleichsmessung bei gleichen Sub stratarten oder Artengruppen mit niedrigen und höheren Oberflä chenspannungswerten, gemäß einem Zweipunkteverfahren, zu ermit teln.g) Since this method is a relative measurement method delt, it is necessary to get the desired surface tension values via a correlation or comparison measurement with the same sub strat types or groups of species with low and high surface areas voltage values according to a two-point method teln.
Basierend auf den vorstehenden und notwendigen Erläuterungen läßt sich die Zweipunktkalibrierung des opto-dynamischen Verfahrens in folgenden Schritten zusammenfassenBased on the above and necessary explanations the two-point calibration of the opto-dynamic method summarize the following steps
- - im ersten Kalibrierungsschritt wird im Meßspalt 31 die später dyna misch zu messende Substratart mit bekannter, aber niedriger Ober flächenspannung, z. B. einer PP-Folie 38 mit 37 mN/m, auf einer be sonderen Vorrichtung eingelegt und statisch detektiert- in the first calibration step is in the measuring gap 31, the dyna mixed surface tension of substrate to be measured with a known but lower top later z. B. a PP film 38 with 37 mN / m, inserted on a special device and be statically detected
- - anschließend erfolgt deren Resonanzpunktfindung über die Wellenlän genvariation im Bereich von z. B. 200 nm bis 8000 nm mittels des akusto-optischen Filters 8 für beide optischen Kanäle, und deren fotoempfindlichen Detektoren und entsprechenden Signalkonditionie rung die zahlenmäßige Auswertung durch einen Personalcomputer er möglichen- Then the resonance point is determined via the wavelength variation in the range of z. B. 200 nm to 8000 nm by means of the acousto-optical filter 8 for both optical channels, and their photosensitive detectors and corresponding signal conditioning, the numerical evaluation by a personal computer he possible
- - die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind beim ersten Wobbeldurch gang der Wellenlängen deckungsgleich- The optical axes 27/28/32 and 33 are congruent at the first wobble passage of the wavelengths
- - für den zweiten Wobbeldurchgang erfolgt die beschriebene Achsver schiebung zur rechten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44 - For the second sweep, the described axis shift to the right in the X direction takes place up to point 44
- - im dritten Wobbeldurchgang folgt analog hierzu die Achsverschiebung zur linken Seite in X-Richtung- In the third sweep run, the axis shift follows analogously to the left in the X direction
- - nach einer einfachen Substitutionsmethode läßt sich jetzt aus den drei aufgenommenen Spannungsintegralen der materialspezifische Resonanzpunkt ermitteln, welcher durch den größten Adsorptionswert bestimmt wird - Using a simple substitution method, the three recorded voltage integrals of material-specific Determine the resonance point, which by the largest adsorption value is determined
- - gleichzeitig bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links- und Rechtsverschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse 27/28 entstanden sind, innerhalb dieses Resonanz punktes den Kalibrierungswert 1 für die Oberflächenspannung dieses PP-Substrates von 37 mN/m- At the same time, the sum of the integral areas, which resulted from the left and right shift of the two optical channels 12/13 on the X-axis 27/28 , within this resonance point the calibration value 1 for the surface tension of this PP substrate of 37 mN / m
- - im zweiten Kalibrierungsschritt erfolgt analog hierzu die Detek tionsaufnahme des im Meßspalt 31 eingelegten zweiten und artglei chen PP-Substratmusters von z. B. 48 mN/m, wobei die zumessende Sub stratbahn später in dem Bereich dazwischen dynamisch gemessen wer den soll- In the second calibration step, the detection of the inserted in the measuring gap 31 in the second and artglei Chen PP substrate pattern of z. B. 48 mN / m, the metering sub stratbahn later measured dynamically in the area in between who the
- - der weitere Ablauf zur Detektionsaufnahme gestaltet sich in der gleichen Weise, wie zuvor geschildert- The further process for recording detection is in the same way as previously described
- - es sind aber auch andere Wertekonstellationen von z. B. 29 mN/m für PP-Folien oder 31 mN/m für PP-Folien denkbar.- But there are also other value constellations of z. B. 29 mN / m for PP films or 31 mN / m conceivable for PP films.
- - anschließend erfolgt zur Verfestigung der Erstdatenaufnahme nach der gleichen Substitutionsmethode die materialspezifische Resonanz punktfindung, deren Punkt ebenfalls durch den größten Adsorptions wert bestimmt wird in Versuchen hat sich gezeigt, daß bei beiden Kalibrierungsschrit ten die Resonanzpunkte nahezu deckungsgleich sind so sind z. B. bei speziellen PP-Folien die Resonanzpunkte bei einer Wellenlänge von 2.8 pm und für spezielle PE-Folien bei 3.2 pm zu finden- Subsequent to consolidate the initial data recording after the same substitution method, the material-specific resonance point finding, whose point also by the largest adsorption value is determined Experiments have shown that in both calibration steps the resonance points are almost congruent so are z. B. with special PP films, the resonance points at a Wavelength of 2.8 pm and for special PE films at 3.2 pm too Find
- - beispielhaft sind in Fig. 4 die sich hierbei ergebenen Spannungs profile 38/39 im Resonanzpunkt dargestellt- As an example in Fig. 4, the resulting voltage profiles 38/39 are shown in the resonance point
- - dabei bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links- und Rechtsverschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse entstanden sind, den Kalibrierungswert 2 für die Ober flächenspannungsdifferenz dieses artgleichen PP-Substrates 3 von 43 mN/m- Determines the sum of the integral areas, which are caused by the left and right shift of the two optical channels 12/13 on the X axis, the calibration value 2 for the surface tension difference of this type of PP substrate 3 of 43 mN / m
- - die Integraldifferenz beider Kalibrierungsaufnahmen sind den beiden Oberflächenspannungswerten von 37 mN/m und 43 mN/m zugeordnet, also 6 mN/m, um so das opto-dynamische Relativmeßsystem in Betragsüber einstimmung mit den tatsächlichen Absolutwerten zu bringen- The integral difference between the two calibration recordings is the two Assigned to surface tension values of 37 mN / m and 43 mN / m, so 6 mN / m, so the opto-dynamic relative measuring system in absolute terms bring in agreement with the actual absolute values
- - die sich aus den beiden Resonanzpunkten ergebene Wellenlänge wird für die weiteren Meßabläufe und während des laufenden Meßprozesses nicht mehr variiert- The wavelength resulting from the two resonance points for the further measurement processes and during the ongoing measurement process no longer varied
- - damit ist die Zweipunktkalibrierung abgeschlossen- The two-point calibration is now complete
- - eine Strahlintensitätsüberwachung oder Abweichung ist in der Weise bei der erfinderischen Vorrichtung vorteilhafterweise realisiert, daß diese immer bei optischer Achsdeckung von 32/33, also bei jedem Rechts- Linkszyklus der X-Verschiebung, über die Sensoren stattfin det.- a beam intensity monitor or differential is realized in the manner in which the inventive device advantageously that these det stattfin always in optical Achsdeckung of 32/33, that is at each right-left cycle of the X-shift on the sensors.
Der Meßablauf und die Ermittlung der aktuellen Oberflächenspannungs werte lassen sich für die laufenden Substrate im in-line Betrieb, und dies sowohl für traversierende wie auch stationäre Meßsystemausfüh rungen, wie folgt beschreibenThe measuring sequence and the determination of the current surface tension values can be used for the running substrates in in-line operation, and this for both traversing and stationary measuring system versions described as follows
- - die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind zum Meßbeginn deckungs gleich - The optical axes 27/28/32 and 33 are congruent at the beginning of the measurement
- - danach erfolgt zunächst die beschriebene Achsverschiebung zur rech ten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44 bei gleichzeitiger Aufnah me der Detektionswerte für den optischen Kanal 12 und 13 - Then first the described axis shift to the right side in the X direction up to point 44 with simultaneous recording of the detection values for the optical channels 12 and 13
- - anschließend erfolgt die Traversierbewegung und Detektionsaufnahme zur linken Seite in X-Richtung- The traversing movement and detection recording then takes place to the left in the X direction
- - beispielhaft sind in Fig. 4 die sich aus der Rechtsbewegung 23 des Strahlzuführungs- 2 zum Detektorgehäuse 3 aufgenommenen Spannungs integrales für PP-Substrate dargestellt- by way of example which the Strahlzuführungs- 2 recorded to the detector housing 3 integral voltage from the rightward movement 23 for PP substrates are illustrated in Figure 4.
- - basierend auf den Zweipunktkalibrierwerten von 37 mN/m und 43 mN/m läßt sich jetzt nach der Substitutionsmethode der zwischen diesen beiden Werten liegende und aktuelle Oberflächenspannungsbetrag rechnerisch leicht ermitteln und ausweisen.- based on the two-point calibration values of 37 mN / m and 43 mN / m can now be made according to the substitution method between these both values and current surface tension amount easy to calculate and identify.
Praktische Messungen zeigen, daß die mit dem hier beschriebenen Ver fahren und deren Vorrichtung ermittelten Oberflächenspannungswerte an laufenden Substratbahnen gegenüber den statischen Messungen um +/- 1 mN/m als Absolutbetrag variieren und damit in der gewünschten Meß auflösungsgrenze verbleiben. Gleichermaßen sind Meßbereiche von 28- 53 mN/m erzielt worden.Practical measurements show that the Ver drive and their device determined surface tension values on running substrate webs compared to the static measurements by +/- 1 mN / m vary as an absolute amount and thus in the desired measurement resolution limit remain. Similarly, measuring ranges from 28 53 mN / m have been achieved.
Ein weiteres Bespiel dieser Kalibrier- bzw. Meßverfahrensweise und den sich daraus ableitenden Meßwerten sind für ein PE-Substrat mit Oberflächenspannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m der Fig. 5 zu entnehmen.A further example of this calibration or measurement procedure and the measurement values derived therefrom can be found in FIG. 5 for a PE substrate with surface tension values of 36 mN / m and 42 mN / m.
Für einen Meßsystemeinsatz im Traversiermodus wiederholen sich die beschriebenen Meßvorgänge zyklisch über die Bahnbreite, wie dies für andere technische Prozeßmeßsysteme allgemein bekannt ist.For a measuring system use in traversing mode, the are repeated described measuring processes cyclically over the web width, as is the case for other technical process measurement systems is generally known.
Im stationären Betrieb verbleibt in der Regel der Meßkopf über die laufende Substratbahn, wobei es auch denkbar ist, diesen auf einer mechanischen Vorrichtung manuell auf die andere Bahnseite zu ver schieben und dort die Oberflächenspannung opto-dynamisch-zu messen.In stationary operation, the measuring head usually remains over the running substrate web, it is also conceivable to run this on a mechanical device manually to the other side of the web slide and there to measure the surface tension opto-dynamically.
Zur Prozeßkontrolleinbindung oder Nachregelung von Vorbehandlungs prozessen zur Oberflächenspannungserhöhung, wie dies häufig bei Coro na- oder Flammbehandlungen erwünscht ist, sind die ermittelten Sub stitutions- und über die Kalibrierung zugeordneten Absolutwerte nach einer Signalkonditionierung und in technisch bekannter Weise mit dem gleichen Personalcomputer umform- und den externen Einrichtungen zu führbar.For process control integration or readjustment of pretreatment processes for increasing surface tension, as is often the case with Coro na or flame treatments is desired, the determined sub stitution and absolute values assigned via the calibration a signal conditioning and in a technically known manner with the the same personal computer and the external facilities feasible.
Gleichermaßen gilt dies für die statistische Weiterverarbeitung der Meßdaten hinsichtlich deren Mittelwerte, Variationskoeffizienten, Trends, Grenzwertüberschreitungen usw., wie dies von Prozeßmeßein richtungen gefordert wird.This also applies to the statistical processing of the Measurement data with regard to their mean values, coefficients of variation, Trends, limit violations, etc., as is the case with process measurement directions is required.
Abschließend sei hervorgehoben, daß die erfinderische Lehre durch die voranstehenden Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch kei nesfalls eingeschränkt ist.Finally, it should be emphasized that the inventive teaching by the The above exemplary embodiments are only explained, but not is restricted.
Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfah rensschritte zur opto-dynamischen Oberflächenspannung an laufenden Substratbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale auf weisen.Rather, the teaching according to the invention can also be used in further processes steps for opto-dynamic surface tension on running Substrate webs that have other or further design features point.
BezugszeichenlisteReference list
1 - Gehäuse der Lichtquelleneinrichtung
2 - Strahlzuführungsgehäuse
3 - Detektorgehäuse
4 - Breitbandlichtquelle
5 - Lichtversorgungs- Intensitätsregeleinrichtung
6 - Plankonvexlinse
7 - Polarisationsfilter
8 - akusto-optisch durchstimmbares Filter
9 - Hochfrequenzgenerator 10-100 Mhz zur Wellenlängenvariation
10 - Strahlteiler
11 - Bikonvexlinsen zur Lichtfasereinkopplung
12 - Lichtleitfaser - optischer Kanal 1
13 - Lichtleitfaser - optischer Kanal 2
14 - Plankonvexlinsen zur Lichtfaserauskopplung
15 - Kombinationsblende mit 90 Grad versetzten Öffnungsschlitzen
16 - Längsöffnungsschlitz
17 - Queröffnungsschlitz
18 - große Plankonvexlinsen
19 - Bikonvexlinsen
20 - optische Detektoren : Fotodiodenarray oder Zeilensensoren
21 - Grundplatte für die Detektoren
22 - in Y-Richtung des Meßspaltes durchgeführtes Substrat
23 - X-Verschieberichtung des Strahlzuführungsgehäuse
24 - X-Verschieberichtung des Detektorgehäuses
25 - geo. Abstand der optischen Achsen 1/2 in der Lichtzuführungsr.
26 - geo. Abstand der optischen Achsen 1/2 in Detektoreinrichtung
27 - X-Achse des optischen Kanales 1
28 - X-Achse des optischen Kanales 2
29 - Brennweite der Bikonvexlinsen 19
30 - geom. Abstand der Bikonvexlinsen außerhalb deren Brennpunkte
31 - Meßspalt für das durchlaufende Substrat
32 - optische Y-Achse der Strahlzuführungseinrichtung
33 - optische Y-Achse der Detektoreinrichtung
34 - kissenförmige Abbildung der Längschlitzblende auf dem Detektor
bei deckungsgleichen optischen Achsen im Strahlkanal 1
35 - kissenförmige Abbildung der Querschlitzblende auf dem Detektor
bei deckungsgleichen optischen Achsen im Strahlkanal 2
36 - verzerrte Abbildung auf dem Detektor bei einer optischen X-Ach
senverschiebung des Strahlkanales 1 nach rechts
37 - verzerrte Abbildung auf dem Detektor bei einer optischen X-Ach
senverschiebung des Strahlkanales 2 nach rechts
38 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für
eine PP-Folie mit einem Oberflächenspannungswert von 37 mNm
39 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für
eine PP-Folie mit einem Oberflächenspannungswert von 43 mNm
40 - das durch Substitution ermittelte und normierte Oberflächenspan
nungsintegral
41 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für
eine PE-Folie mit einer Oberflächenspannungswert von 36 mNm
42 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für
eine PE-Folie mit einer Oberflächenspannungswert von 42 mNm
43 - das durch Substitution ermittelte und normierte Oberflächenspan
nungsintegral
44 - Verschieberichtung der optischen X-Achse nach rechts 1 - Housing of the light source device
2 - Beam feed housing
3 - detector housing
4 - broadband light source
5 - Light supply intensity control device
6 - Plano-convex lens
7 - polarizing filter
8 - acousto-optically tunable filter
9 - High frequency generator 10-100 MHz for wavelength variation
10 - beam splitter
11 - Biconvex lenses for optical fiber coupling
12 - Optical fiber - optical channel 1
13 - optical fiber - optical channel 2
14 - Plano-convex lenses for fiber coupling
15 - combination panel with opening slots offset by 90 degrees
16 - longitudinal opening slot
17 - cross opening slot
18 - large plano-convex lenses
19 - Biconvex lenses
20 - optical detectors: photodiode array or line sensors
21 - Base plate for the detectors
22 - substrate carried out in the Y direction of the measuring gap
23 - X-displacement direction of the beam feed housing
24 - X direction of displacement of the detector housing
25 - geo. Distance of the optical axes 1/2 in the light supply r.
26 - geo. Distance of the optical axes 1/2 in the detector device
27 - X axis of the optical channel 1
28 - X axis of the optical channel 2
29 - focal length of the biconvex lenses 19
30 - geom. Distance of the biconvex lenses outside their focal points
31 - measuring gap for the passing substrate
32 - optical Y axis of the beam feed device
33 - optical Y axis of the detector device
34 - pillow-shaped image of the slit diaphragm on the detector with congruent optical axes in beam channel 1
35 - pillow-shaped image of the cross-slit diaphragm on the detector with congruent optical axes in beam channel 2
36 - distorted image on the detector with an optical X-axis shift of the beam channel 1 to the right
37 - distorted image on the detector with an optical X-axis shift of the beam channel 2 to the right
38 - Spectral and transmission detection of both optical channels for a PP film with a surface tension value of 37 mNm
39 - Spectral and transmission detection of both optical channels for a PP film with a surface tension value of 43 mNm
40 - the surface tension integral determined and substituted by substitution
41 - Spectral and transmission detection of both optical channels for a PE film with a surface tension value of 36 mNm
42 - Spectral and transmission detection of both optical channels for a PE film with a surface tension value of 42 mNm
43 - the surface tension integral determined and substituted by substitution
44 - Direction of shift of the optical X axis to the right
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995143289 DE19543289A1 (en) | 1995-11-21 | 1995-11-21 | Opto-dynamic on=line measurement of surface tension at moving substrate web e.g. plastic film, or coated film, foil or paper |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995143289 DE19543289A1 (en) | 1995-11-21 | 1995-11-21 | Opto-dynamic on=line measurement of surface tension at moving substrate web e.g. plastic film, or coated film, foil or paper |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19543289A1 true DE19543289A1 (en) | 1996-05-09 |
Family
ID=7777963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE1995143289 Withdrawn DE19543289A1 (en) | 1995-11-21 | 1995-11-21 | Opto-dynamic on=line measurement of surface tension at moving substrate web e.g. plastic film, or coated film, foil or paper |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19543289A1 (en) |
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