DE19652791A1 - Qualitätskontrolle von Farbpasten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur simultanen Messung der Färbestärke und Feinheiten von Farbpasten.

Farbpasten sind eine wesentliche Herstellungskomponente für Lacke und Anstrichstoffe. Da die Farbpasten die Pigmente enthalten, bilden sie den farbgebenden Anteil der Beschichtungsmittel. Aus diesen Gründen ist es besonders wichtig, die Eigenschaften solcher Farbpasten beim Herstellungsprozeß genau zu kontrollieren, um eine möglichst gute Reproduktion einer bestimmten Farbenserie zu erreichen und eine gleichbleibende Qualität der Produkte zu garantieren. Gerade im Hinblick auf die Farbeigenschaften ist eine derartige Qualitätskontrolle von besonderer Bedeutung, da dem menschlichen Auge auch kleinste Farbunterschiede bei fertigen Anstrichen auffallen. Die sogenannte Farbstärke ist ein Parameter von Farbpasten, dem besonderes Augenmerk gewidmet wird. Unter Farbstärke wird dabei die Fähigkeit der Paste verstanden, einen Untergrund abzudecken und weiße Farben einzufärben.

Die Farbstärke einer Farbpaste wird üblicherweise nach einem sogenannten "Naßfarbmetrischen"-Verfahren bestimmt. Dabei wird ein Teil der Farbpaste mit einem Teil einer weißen Paste (Prüfweiß) vermischt. Eine derartige Messung besteht typischerweise aus den Schritten

• 1. Einwaage des Prüfweiß (z. B. 40 g),
• 2. Einwaage der Farbpaste (z. B. 10 g),
• 3. Vermischen der Komponenten,
• 4. Vermessung der Mischung in einem herkömmlichen Farbmetrikgerät.

Die einzelnen Verfahrensschritte einer derartigen Messung sind nicht nur arbeitsaufwendig, sondern darüber hinaus auch eine Quelle verschiedener Meßfehler. Dies beginnt bei Einwiegefehlern von Prüfweiß und/oder Farbpaste. Ferner erfolgt die Vermischung der Komponenten nach keinem standardisierten Verfahren. Demgemäß werden in der Praxis verschiedenste Verfahren angewendet (z. B. Hebben-Rührer, Vermischung von Hand mit einem Pinsel, Ultra-Turrax, Scandex). Je nach Methode und Geschicklichkeit des Anwenders sind die hiermit erzielten Homogenitätsgrade sehr verschieden. Desweiteren kann es während der Messung bereits zu Entmischungserscheinungen in der Probe kommen. So ist eine Abnahme der Farbstärke innerhalb von 30 sec. um bis zu 10% durchaus möglich. Zu beachten ist auch, daß sich die geschilderten Fehler in dem Endresultat der Messung aufaddieren.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bestimmung der Färbestärke von Farbpasten zur Verfügung zu stellen, welches in der Anwendung erheblich vereinfacht und weniger arbeitsaufwendig ist, mit welchem gut reproduzierbare und statistisch gut gesicherte Ergebnisse erzielbar sind, und mit welchem verschiedene Eigenschaften der Farbpaste einschl. der Farbstärke ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die folgenden Schritte enthält:

• a) Meßlicht, welches Licht aus einem vorgegebenen Wellenlängenbereich enthält, wird in die Farbpaste eingestrahlt;
• b) das aus der Farbpaste wieder austretende Meßlicht wird aufgenommen;
• c) in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird das Verhältnis von eingestrahltem zu aufgenommenem Meßlicht, das sogenannte Probenspektrum, bestimmt, und
• d) das Probenspektrum wird mit der zu vermessenden Eigenschaft der Farbpaste korreliert.

Das aus der Farbpaste wieder austretende nicht absorbierte Meßlicht kann innerhalb der Farbpaste reflektiert und/oder gestreut worden sein. Es war überraschend und nicht vorhersehbar, daß mit dem geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren wichtige Eigenschaften von Farbpasten detektiert und quantifiziert werden können. Die hierfür notwendig Information ist offensichtlich in dem aufgenommenen Probenspektrum enthalten. Dabei ist es für die Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich, daß a priori eine Vorstellung oder ein Modell davon existiert, wie sich bestimmte Eigenschaften im Probenspektrum bemerkbar machen. Die Herstellung der Verbindung zwischen Probenspektrum und interessierender Eigenschaft kann vielmehr dem Korrelationsverfahren überlassen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst einfach durchzuführen. Insbesondere kann es mit der originalen Farbpaste durchgeführt werden, ohne daß eine Vermischung mit anderen Stoffen, wie z. B. einem Prüfweiß erforderlich wäre. Dabei ist das Meßergebnis innerhalb kürzester Zeit verfügbar. Desweiteren ist von Vorteil, daß das mit einer einzigen Messung gewonnene Probenspektrum zur Ermittlung verschiedener Eigenschaften der Farbpaste zur Verfügung steht. Welche Eigenschaft der Messung entnommen wird, hängt allein von den Eigenschaftswerten ab, mit denen das NIR-Spektrum korreliert wird.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemaße Verfahren mit einem Meßlicht durchgeführt, dessen Wellenlängenbereich im nahen Infrarot (NIR) liegt, d. h. bei Wellenlängen zwischen 760 und 2500 Nanometer, vorzugsweise zwischen 1000 und 2000 Nanometer. In diesem Wellenlängenbereich spielt die sichtbare Farbe der Farbpasten keine Rolle. Das Meßlicht dieser Wellenlänge ist dagegen sensibel für verschiedene andere Eigenschaften der Farbpaste, z. B. auch über Reflexion und Streuung für die Verteilung der Partikelgröße.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Meßlicht mittels eines Lichtwellenleiters (Glasfaserkabel) in die Farbpaste eingeleitet. Ebenso wird es durch einen Lichtwellenleiter aus der Farbpaste aufgenommen. Lichtwellenleiter sind besonders bevorzugte Instrumente, um Licht von einer Lichtquelle an den Einsatzort zu leiten. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Lichtwellenleiter z. B. so eingesetzt werden, daß sie unmittelbar in die Farbpaste eingetaucht werden. Möglich ist es jedoch auch, daß die Lichteinstrahlung bzw. Aufnahme aus einem gewissen Abstand zur Farbpaste, z. B. durch eine Gefaßwand, erfolgt. Auch für die relative Anordnung von Einstrahlungsort und Aufnahmeort bestehen verschiedene Möglichkeiten. Sind diese einander gegenüberliegend angeordnet, so wird unter dem aufgenommenen Licht ein hoher Anteil direkt und unverändert durchgestrahltes Meßlicht sein. Dagegen ist bei anderen Anordnungen ausgeschlossen, daß Meßlicht auf direktem Wege zum Aufnahmeort gelangt. Dies ist z. B. der Fall, wenn einstrahlender Lichtwellenleiter und aufnehmender Lichtwellenleiter in derselben Fläche angeordnet sind, z. B. wenn beide demselben Faserbündel entstammen. Bei einer derartigen Anordnung ist sichergestellt, daß nur reflektiertes und/oder gestreutes Licht den Aufnahmeort erreicht.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Flexibilität des eingesetzten Korrelationsverfahrens erreicht. Hierbei ist es insbesondere möglich, die Korrelation adaptiv durch Vorgabe von Beispieldaten zu erzeugen. Auf diese Art ist es insbesondere möglich, daß erfindungsgemaße Verfahren auch dann anzuwenden, wenn keine Vorstellung darüber existiert, wie sich die zu bestimmende Eigenschaft im Probenspektrum der Farbpaste ausdrückt. In derartigen Fällen ist es lediglich erforderlich, Beispielproben der Farbpaste zur Verfügung zu stellen, bei denen die interessierende Eigenschaft einen bekannten Wert hat. Durch Vermessung dieser Beispielproben und der Vorgabe des bekannten Eigenschaftswertes kann dann über das Adaptionsverfahren dafür gesorgt werden, daß die relevanten Bereiche des Probenspektrums automatisch detektiert und weiteren Messungen mit unbekannten Proben zugrundegelegt werden.

Dabei sind unter der Bezeichnung "Chemometrie" verschiedene geeignete statistische Korrelationsverfahren entwickelt worden. In der Regel wird zunächst die hochdimensionale Datenmenge auf eine geringere Dimensionenzahl gebracht, indem sie der sogenannten Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA; linear oder nicht-linear möglich) unterworfen wird. Dabei wird eine hochdimensionale Punktwolke näherungsweise auf die Achsen der größten Varianz (Wolkenausdehnung) projiziert. In einem nächsten Schritt erfolgt dann eine weitere statistische Bearbeitung der Daten z. B. über Regressionsverfahren oder eine Clusteranalyse.

Im Rahmen der adaptiven Anpassung an zu vermessende Eigenschaften ist es auch möglich, künstliche neuronale Netzwerke einzusetzen. Dabei findet eine Veränderung der Verknüpfungen während einer Lernphase statt, in welcher das Probenspektrum und der bekannte Wert der interessierenden Eigenschaft verglichen werden. Sobald nach Abschluß des Lernvorganges die Korrelation zwischen den Probenspektren und den Eigenschaften hergestellt worden ist, kann derselbe Algorithmus bei der Vermessung unbekannter Proben eingesetzt werden, um die Probenspektren mit der Eigenschaft zu korrelieren. Wichtig hierfür ist die Fähigkeit der Chemometrie ebenso wie des neuronalen Netzwerkes, Probenspektren auf die Eigenschaftswerte abzubilden und diese Abbildungsvorschrift aus Beispielen erlernen zu können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können verschiedene Eigenschaften der Farbpaste gemessen werden. Es ist gerade eine Stärke des Verfahrens, daß aus ein und demselben Probenspektrum eine Information über verschiedene Eigenschaften gewonnen werden kann. Im praktischen Einsatz sind dabei insbesondere die Eigenschaften der Farbstärke sowie der Feinheit der Farbpaste (d. h. die Partikelgrößenverteilung) als mögliche Eigenschaften ermittelt worden.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Abbildung und eines Beispiels näher erläutert.

Die Abbildung zeigt schematisch den Meßaufbau zur Bestimmung des Probenspektrums im NIR-Bereich.

Das von einer Halogenlampe 1 erzeugte Licht wird durch eine Linse 2 parallel gerichtet, bevor es in das Interferometer 3 eintritt. Hier wird das Licht durch einen Polarisator 4a gelenkt, bevor es durch den Kompensator 5 geführt und von den beiden Keilen 6 in zwei Teilstrahlen zerlegt wird. Dann trifft es erneut auf einen Polarisator 4b, wo die Teilstrahlen zur Interferenz gelangen. Mittels eines Teleskopsystems wird der Lichtstrahl gebündelt und gelangt von hier auf die Strahlweiche 8, von wo er entweder durch den Referenzkanal 9a, den Küvettenkanal 9b oder den Lichtleiter 9c geführt werden kann. Aus dem Lichtleiter 9c gelangt das Licht in den Meßkopf 15, welcher in die Probe eingetaucht ist. Nach dem Passieren des Strahlteilers wird der Lichtstrahl durch eine Linse 10 auf den Detektor 11 fokussiert. Der Detektor wandelt das optische Signal in ein elektrisches um, welches vom Vorverstärker 12 verstärkt, weiter zum Analog-Digi­ talwandler 13 geleitet wird. Hier werden die Daten für die Auswertung mit der BCAP-Software umgesetzt. Während der Messung wird ein dem Lichtstrahl entgegen gerichteter Laserstrahl aus der Laserdiode 14 durch das Interferometer geleitet. Mit dem Laser wird der Weg des bewegten Keiles gemessen und der Zeitpunkt der Datenaufnahme bestimmt.

Jede Einzelmessung besteht aus zwei Teilmessungen; bewegt sich der Schlitten mit dem Quarzkeil aus seiner Ausgangslage in die Endposition wird entweder durch den Lichtleiter oder den Küvettenkanal das erste Spektrum gemessen. Bewegt sich nun der Schlitten wieder in die Ausgangslage zurück wird der Lichtstrahl durch einen parallel zum Küvettenkanal gelegenen internen Referenzkanal geführt und das zweite Spektrum aufgenommen. Das erste Spektrum wird automatisch durch das zweite Spektrum der internen Referenz dividiert, wodurch die Stabilität des Gerätes verbessert wird.

Das Gerät NIRVIS der Firma Bühler verwendet einen doppelten Quarzkeil 6 als Interferometer. Im Gegensatz zum Michelson-Interferometer handelt es sich beim NIRVIS um ein Einstrahlinterferometer, bei dem die Interferenz durch eine besondere physikalische Eigenschaft von kristallinem Quarz erzeugt wird. Fällt Licht auf einen anisotropen Kristall, wie z. B. Quarz, so wird es in zwei Komponenten zerlegt, die senkrecht zueinander polarisiert sind und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit den Kristall passieren.

Dabei genügt eine Komponente dem Snelliusschen Brechungsgesetz und wird deshalb als ordentlicher Strahl bezeichnet. Die zweite Komponente, die von diesem Brechungsgesetz abweicht, wird als außerordentlicher Strahl bezeichnet. Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung sind dabei abhängig von der Orientierung des Kristalls zur Einstrahlrichtung des Lichtes.

Durch eine spezielle Orientierung der Quarzkristalle im Strahlengang wird erreicht, das die beiden Teilstrahlen auf exakt demselben Weg durch die Keile hindurchgehen und ihre individuelle Geschwindigkeit und Polarisation behalten. Beide Quarzkeile bilden einen Quader. Das unter 45° polarisierte Licht dringt in den Quarz ein, wird in zwei Teilstrahlen (Teilwellen) zerlegt. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Teilwellen im Quarz kommt es zu einer Phasenverschiebung gegeneinander. Wird nun ein Quarzkeil gegen den anderen verschoben, ändert sich die Länge der Seite eines Quaders und damit die optische Weglänge der Teilwellen im Quarz und daraus folgernd auch deren Phasenverschiebung gegeneinander. Nachdem das Licht erneut einen Polarisator, diesmal jedoch unter -45°, passiert hat, erhält man ein Interferenzmuster, das dem eines Michelson-Interferometers entspricht. Der in den Strahlengang eingebrachte Kompensator dient zur Festlegung der Nullposition des Intreferogramms.

Beispiel

Mit Hilfe eines Nah-Infrarot (NIR)-Fotometers (Wellenlängenbereich von 4500-10000 cm⁻¹) und einem Lichtleiter (Glasfaserbündel) wurden Farbpasten im Originalzustand, d. h. ohne jegliche Probenvorbereitung vermessen. Hierbei wird die Meßsonde des Gerätes in die Paste getaucht und die Messung gestartet. Bei "einer Farbpaste" handelt es sich dabei immer um eine Produktionsserie, die nach einer bestimmten Grundrezeptur in verschiedenen Farbtönen hergestellt wird. Ebenso wurden aus laufenden Dispergierungen etwa 10 Proben/Farbton nach dem Standardverfahren naßfarbmetrisch als Abmischung mit Prüfweiß auf einem Optek-Gerät vermessen. Zunächst wurden die Kalibrationen für jeden Farbton einzeln durchgeführt. Unter Kalibration wird dabei die Anpassung des Korrelationsverfahrens (Korrelation von Probenspektrum mit Farbstärke) verstanden. Anschließend wurden unbekannte Proben mit NIR vermessen. Die Farbstärke der Proben wurde mit einer Abweichung von ±2% im Vergleich zum Optek-Gerät vorhergesagt. Im Anschluß daran wurden die Scans aller Farbtöne der Farbpasten (Rot, Blau, Gelb) in eine Kalibrationsdatei übernommen. Wie aus der Auftragung der Korrelation dieser Daten hervorgeht, ist die Korrelation offensichtlich unabhängig vom Farbton. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, für verschiedene Pastenreihen jeweils einen einheitlichen Kalibrationssatz zu vermessen und somit einen einheitlichen Standard zu schaffen. Der Zugriff auf gleiche Standards und die Messung in der Originalpaste (ohne Probenpräparation) führt zu einer standortübergreifenden Vergleichbarkeit der absoluten Farbstärke-Werte.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung der Färbestärke von Farbpasten, enthaltend folgende Schritte:

• a) Einstrahlen von Meßlicht aus einem vorgegebenen Wellenlängenbereich in die Farbpaste,
• b) Aufnahme des durchgestrahlten, reflektierten, reimitierten und/oder gestreuten Meßlichtes aus der Farbpaste,
• c) Bestimmung des Probenspektrums, d. h. des wellenlängenabhängigen Verhältnisses von eingestrahltem zu aufgenommenem Meßlicht,
• d) Korrelation des Probenspektrums mit der zu vermessenden Eigenschaft der Farbpaste.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht eine Wellenlänge von 700 bis 2500 nm, vorzugsweise 1000 bis 2000 nm hat.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht mittels eines Lichtwellenleiters in die Farbpaste eingeleitet und/oder aus ihr aufgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation des Probenspektrums mit der zu vermessenden Eigenschaft durch Adaptation an vorgegebene Beispieldaten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptation durch chemometrische Verfahren, insbesondere Hauptkomponentenanalyse, Regression und/oder Clusterbildung erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptation mittels eines neuronalen Netzwerkes erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Eigenschaft die Farbstärke oder Feinheit der Farbpaste bestimmt wird.