DE2214191B2 - Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier mit Hilfe vom Papier reflektierten Lichts - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier mit Hilfe vom Papier reflektierten Lichts

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Description

ist;
30
d) die Differenzen (IK — RK und IP — RP) der in beiden Ebenen (K und P) beobachteten Größen (/ und R) werden gebildet, und das Verhältnis und/oder die Differenz dieser Differenzen wird als Meßwert für die Aniso- 3S tropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) unter einem Winkel (α) von im wesentlichen 45° Größe reflektierten Lichts beobachtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisatoren (6 und 7) ein und derselbe Polarisator dient, dessen Polarisationsebene um mindestens 90° drehbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen (K und P), in welchen das reflektierte Licht beobachtet wird, so gewählt sind, daß in der einen Ebene maximale Reflexion und in der anderen Ebene minimale Reflexion erhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Strahlenteilers (4) das vom Papier (2) reflektierte Licht in zwei Komponenten mit im wesentlichen gleich großer Intensität aufgeteilt wird, von denen die eine in einen Polarisator (6) mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels (I L) paralleler Polarisationsebene Und die andere durch einen Polarisator (7) mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels (IL) senkrechter Polarisationsebene geschickt wird, und die so erhaltenen Strahlenkomponenten (/ und R) zu Detektoren (5) geleitet werdeüj von deren elektrischen Ausgangsgrößen (1 und r) die Differenzen (eKl = J^1- rKi, ePl
= ip j -* rPl usw.) gebildet werden und das Verhältnis uhd/odef die Differenz dieser Differenzen Unter Faserorientierung versteht man, daß die Fasern des Papiers desgleichen nicht gleichmäßig in allen Richtungen in der Ebene des Erzeugnisses angeordnet vorliegen, sondern daß gewisse Richtungen in der Mehrheit sind. Die Faserorientierung ist oft der ausschlaggebendste Faktor in der Anisotropie der Festigkeit des Papiers. So verhält es sich insbesondere bei Sackpapieren, da man bei diesen bestrebt ist, die sonst merklich auf die Festigkeitsanisotropie einwirkenden Trocknungsspannungen in Verbindung mit dem Herstellungsgang zu eliminieren, wobei die Bedeutung der Faserorientierung in der Entstehung der Festigkeitsanisotropie noch stärker als zuvor hervortritt.
Im folgenden werden katalogmäßig auf die Entstehung einer Faserorientierung einwirkende Faktoren in der Papiermaschine angeführt. Wenn die Masse aus dem Stoffauslaufkasten ausfließt, wird Orientierung in erster Linie durch die Formgebung des Lippenteils und die gegenseitige Lage der Unter- und Oberlippe bewirkt. Wenn die Masse auf das Sieb auftrifft, wird Orientierung durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Massestrahl und dem Sieb hervorgerufen, und dies wird allgemein auch zum Verändern der Orientierung herangezogen. Orientierung ergibt sich auch aus der Geschwindigkeit der Entwässerung und aus dem Rütteln des Siebs. Man hat auch gefunden, daß die Faserlänge in einigen Fällen Einfluß auf die Entstehung der Orientierung hat.
Das Ermitteln der Faserorientierung ist vor allem bei Sackpapieren und Karton wichtig, da man weiß, daß sie bei Sackpapieren in Korrelation zur Zierreißfestigkeit steht, und bei Karton führt Zunahme der Faserorientierung bekanntlich Verschlechterung der Dimensionsstabilität und des spezifischen Volumens herbei.
Eine Anzahl von Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung ist zuvor bekannt. Von diesen können die verschiedenartigen Zerreißfestigkeitspriifungen erwähnt werden» mittels deren die Zerfeißfe-
stigkeiten m verschiedenen Richtungen des Papiers Erfindung in Anwendung bringenden Meßvonichgemessen werden. Verwendbare Resultate werden tung in der Seitenansicht, wobei F i g. 1 zugleich einen nach diesen Verfahren nur dann erzielt, wenn starke Schnitt längs der Linie Π-Π in F i g. 2 darstellt-, Korrelation zwischen der Zerreißfestigkeit und der Fig. 2 die Meßvorrichtung von oben gesehen;
Orientierung besteht, und dies ist nicht immer der 5 Fig. 3 ein Blockschema der Logikkreise zur Ver-FaIl. Als nächstes kann das Färbeverfahren angeführt arbeitung der gemessenen Größen, werden, worin der Masse gefärbte Fasern zugegeben Die Grundlage des Verfahrens nach der Erfindung
werden und die in verschiedenen Richtungen liegen- ist die Reflexion des Lichts gemäß den Brechungsden Fasern einzeln gezählt werden. Das Verfahren gesetzen. Wenn man sich vorstellt, daß das Lichtist umständlich, und es fällt schwer, kommerzielle io bündel eine idealisierte, langgestreckte Faser mit zy-Qualitäten zu prüfen. lindrischer Oberfläche senkrecht zu ihrer Längsachse
Es sind auch verschiedene auf der Diffraktion ba- trifft, so finden Reflexionen von der Faser nur geradesierende Verfahren zum Bestimmen der Faserorien- aus, zur Seite und überhaupt nicht in der Längsrichtiering angegeben worden, wie z, B. die Röntgen- tung statt Stellt man sich ein aus solchen idealisierten und Neutronendiffraktionsverfahren, die jedoch noch 15 Fasern zusammengesetztes, völlig orientiertes »Panicht genügend ausprobiert und bezüglich ihrer end- pier« vor, in dem sämtliche Fasern in der gleichen gültigen Tauglichkeit ausgewertet sind. Als prinzi- Richtung, z.B. in der Maschinenrichtung liegen, pielle Schwierigkeit begegnet man den Fragen betreff s dann würde man bei senkrechter Beleuchtung des der Deutung der erhaltenen Diffraktionsbilder. Ultra- Papiers in der transversal gerichteten Vertikalebene schallverfahren sind ebenfalls angewandt worden: als ao eine kräftige Reflexion erhalten, und in der Ebene in Beispiel dient das Verfahren nach der finnischen der Maschinenrichtung würde sich überhaupt keine Patentschrift Nr. 42 482, das sich auf das Erzeugen Reflexion offenbaren. Papier hat nie eine derart einvon Durchbiegungswellen im Papier gründet. Von deutige Struktur, und die Fasern liegen nicht einmal den Vorzügen des Verfahrens sei die Möglichkeit der stets parallel zur Papieroberfläche·, dessen ungeachtet Messung an der laufenden Papiermaschine und von 35 erhält man ein recht zuverlässiges Maß für die Fasersemen Nachteilen die Schwierigkeiten beim Messen orientierung mittels eines Verfahrens, das die oben dünner Papiersorten erwähnt. In der USA.-Patent- dargestellte Idealisierung zur Grundlage hat. schrift Nr. 2 509 068 ist ein polarimetrisch.es Verfah- Der F i g. 1 gemäß wird das Papier 2 mit einem von
ren angegeben, von dem jedoch keine Anwendungen der Lichtquelle 1 — am geeignetsten einem Laser — zu sehen gewesen sind. 30 kommenden polarisierten Laserstrahlbündel lL be-
Zuvor bekannt sind ebenfalls Verfahren zur Mes- leuchtet, das mit HiUe eines Teleskops so ausgebreitet sung der Orientierung, die sich des Laserlichts bedie- worden ist, daß sein Durchmesser beispielsweise etwa nen, wie z. B. das Verfahren von Sjölin und Rudström 1,5 cm beträgt. Das Lichtbündel lL trifft auf das zu (Svensk Papperstidn. 5, 1970), das sich auch auf untersuchende Papier2, wie z.B. auf die bewegte Diffraktion gründet. Der Anwendung des Verfahrens 35 Bahn in einer Papiermaschine, im Punkt 3, wo Restellen sich als Schwierigkeiten die Dicke des Papiers flexion in allen Richtungen stattfindet. Die das reflek- und die Nichteignung zu Messungen an der laufenden tierte Licht wahrnehmenden Organe sind in zwei zuMaschine entgegen. In einem zweiten Verfahren einander senkrechten Ebenen P und K anzubringen, (TAPPI 12'70, S. 2314-2319) hat man Laserlicht zur die beide zur Ebene des Papier 2 senkrecht stehen und Untersuchung der Orientierung bei Kondensatorpa- 40 die sich im Punkt 3 schneiden, wo das Lichtbündel lL pier angewandt, indem mit einem Laserstrahl ein sehr auftrifft. Es ist wahrgenommen worden, daß die dünnes Papier durchstoßen wird, das sich in einem größte Trennschärfe mit dem Verfahren erzielt wird, drehbaren Halter befindet, und von der entstandenen wenn man die Intensität des unter einem Winkel (a) Kleinstreuungsfigur gemachte photographische Auf- von etwa 45° reflektierten Lichts mißt, In dem refleknahmen betrachtet werden, die anschließend photo- 45 tierten Licht, dessen Intensität gemessen wird, bemechanisch ausgemessen werden. Nach diesem Ver- steht ein Teil aus solchem Licht, das von den Fasern fahren ist es gelungen, die Orientierung in Konden- nach dem oben dargestellten Prinzip geradeaus zur satorpapier zu bestimmen. Nachteile sind die zeit- Seite reflektiert worden ist, aber ein Teil ist solches raubende Ausführung und Nichteignung zur Anwen- Licht, das tiefer in das Innere des Papiers eingedung an der laufenden Maschine sowie die Eignung 50 drangen und mehrfach reflektiert worden ist, wobei ausschließlich bei dünnen Papieren. sich zugleich dessen Polarisationsebene geändert hat,
Der Ausgangspunkt für das Verfahren nach der Er- so daß sie willkürliche Verteilung aufweist. Diese verfindung bestand aus dem Bedürfnis, ein zuverlässiges, schiedenen Komponenten werden voneinander durch zur Anwendung an der laufenden Papiermaschine Heranziehung von Polarisatoren 6 und 7 getrennt, geeignetes Meßverfahren der Faserorientierung zu 55 wobei man in erster Linie dasjenige Licht abtrennen entwickeln, mittels dessen genauer als zuvor die Kor- kann, das von den Fasern in der Oberflächenschicht relationen zwischen den oben besprochenen sowie stammt und das seine ursprüngliche Polarisationsweiteren Faktoren und der Faserorientierung kartiert ebene beibehalten hat. Hierzu wird das reflektierte werden könnten und das später zur automatischen Licht in zwei Komponenten mit im wesentlichen Regelung der Papiermaschine angepaßt werden könn- 60 gleich großer Intensität mit Hilfe eines Strahlenteilers, te. Das Verfahren in seiner einfachen Form soll sich wie z. B. eines Winkelspiegeis 4, aufgeteilt. Die erste auch gut zur Anwendung bei Labormessungen eignen. Komponente wird durch einen Polarisator 6 ge-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den schickt, dessen Polarisationsebene mit der ursprünglikennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. chen Polarisationsebene des Lichtbündels IL parallel
Die Erfindung und die mit ihrer Hilfe erzielbaren 65 ist. Die derart gewonnene Strahlenkomponente ist mit Vorteile werden im folgenden an Hand schematischer lK und Ip bezeichnet worden; in dem in den Figuren Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt dargestellten Ausführungsbeispiei beobachtet man
Fig. 1 das Prinzip einer das Verfahren nach der zwei Werte von ZK und tP, nämlich lKv IKt und
ί.
Ip1, Ip2. Diese Komponenten enthalten indessen eine bzw. eine Montagestelle für seine Optik sowie öff-
solche reflektierte Lichtkomponente, die nicht die nungen für die das Meßobjekt darstellenden, vom
ursprüngliche Polarisationsebene beibehalten hat, Papier reflektierten Strahlenkomponenten hat. Die
sondern die unpolarisiert ist, so daß ihre Polarisa- Kuppel 8 kann über der bewegten Papierbahn ange-
tionsebenen im wesentlichen auf alle Richtungen 5 bracht werden, und sie schützt vor äußeren Einflüs-
gleichmäßig verteilt sind. Um eine Probe von dieser sen, wie z. B. Licht, Staub und mechanischen Beschä-
Komponente zu erhalten, wird die mittels des Strah- digungen. Betreffs der Elektronik der Vorrichtung ist
lenteilers 4 erzielte zweite Komponente durch einen in F i g. 3 nur das logische Prinzip der Bearbeitung
Polarisator 7 geschickt, dessen Polarisationsebene auf der Meßgrößen angezeigt. Der erforderliche Elek-
derjenigen des Lichtbündels IL senkrecht steht. Die io tronikteil kann auf an sich bekannte Weise ausgeführt
auf diese Weise gewonnene Strahlenkomponente ist werden, indem man Differenzglieder, Addierglieder,
mit RK und RP bezeichnet worden, und dementspre- Verstärker sowie Filterkreise vorsieht, welche aus
chend beobachtet man RKv RKi und RPv Rpt. dem Meßsignal die hohen Frequenzen bis zu einer
Sämtliche oben besprochenen Strahlenkomponen- gewissen oberen Grenzfrequenz ausfiltrieren, falls
ten 1K, Ip und RK, RP werden Detektoren 5 zugeleitet, 15 dies notwendig ist. Der Elektronikteil ist in seiner
die z. B. aus pyroelektrischen, photoelektrischen oder einfachen Form ein Analogiegerät, er kann aber
dergleichen Detektoren bestehen. Von diesen Detek- auch als Digital-Computer ausgeführt werden,
toren werden elektrische Signale bezogen, die zu der Nach dem vorbeschriebenen Verfahren und mit
Intensität der auf sie auftreffenden Strahlenkompo- der vorbeschriebenen Vorrichtung sind eine Anzahl
nente proportional sind, und für welche entsprechen- 20 von Versuchen au ,gerühr; norden, in denen bei Sack-
dermaßen die Bezeichnungen iK, iP und rK, rP gelten. papieren eine deutliche, eindeutige Korrelation zwi-
Da in der Strahlenkomponente / aus oben angegebe- sehen den Zerreißfestigkeitsverhältnissen und dem
nen Gründen auch R inbegriffen ist, muß man eine nach dem Verfahren erzielten Meßergebnis gefunden
zur Differenz / — R dieser verhältnisgleichen Größe wurde. Dies ist ein Beweis dafür, daß die mittels des
bilden, um die tatsächliche von der Papieroberfläche 95 Verfahrens gemessene Größe gerade die Faserorien-
reflektierte Komponente zu ermitteln. Dies geschieht, tierung wiedergibt, denn mau weiß, daß bei Sack-
indem man die einander entsprechenden Signale papier die Faserorientierung einen ausschlaggebenden
1JK1» rK 1 usf· Differenzgliedern zuführt (F i g. 3), aus Faktor in der Entstehung der Festigkeitsanisotropie
denen man ihre Differenzen iK x — rKl usf. erhält, die ausmacht.
mit eKl-2 und ePli bezeichnet worden sind. Da die 3° Im vorstehenden ist ein Ausführungsbeispiel der
im Prinzip gleichen Differenzen zweimal gemessen Erfindung beschrieben worden, das sich zur Anwen-
worden sind, werden die Mittel aus den Differenzen dung bei Messungen an der laufenden Papiermaschine
eKl und eK2 sowie aus den Differenzen ePl und ePi eignet Es gibt jedoch auch eine einfachere Ausfüh-
gebildet, durch die man z. B. den aus der Zerknitte- rungsform, die in erster Linie bei Labormessungen
rung des Papiers auf die Meßergebnisse erwachsenden 35 der Faserorientierung Anwendung hat. Eine das Ver-
Einfluß eliminieren kann. Selbstverständlich kann fahren anwendende Labormeßvorrichtung kann bei-
maa die Differenzen eK und eP auch nur einmal mes- spielsweise so ausgeführt werden, daß die zu unter-
sen. In der nächsten Phase wird das Verhältnis eK/eP suchende Papierprobe in einem Halter unter einer der
der Differenzen eK und eP bzw. ihrer Mittel gebildet, Lichtquelle 1 entsprechenden Lichtquelle befestigt
welches einer Anzeigevorrichtung, wie z. B. einem 40 wird. Der Detektor für das reflektierte Licht besteht
Zeigerinstrument oder einem Schreiber, zugeführt am einfachsten aus einem dem Detektor 5 entspre-
wird und welches als Maß für die Faserorientierung chenden Detektor und einem vor diesem eingeschal-
des Papiers 2 verwendet wird. In einigen Fällen dürfte teten einzigen Polarisator, dessen Polarisationsebene
es angängig sein, die Differenz eK — eP als entspre- im Winkel von 90° veränderbar ist. Dieser gesamte
chendes Maß zu verwenden. Wenn das besagte Ver- 45 Detektor ist unter einem geeigneten Winkel (a) zur
hältnis eKleP = 1 ist, kann man annehmen, daß das Papierprobe angeordnet, und der Detektor oder die
Papier völlig orientienmgsfrei ist, und bei zunehmen- Probe ist um eine Achse drehbar angeordnet, die
dem Verhältnis nimmt die Orientierung, im vorlie- zum Lichtbündel lL parallel läuft Mit dieser Meßvor-
genden Fall diejenige in der Maschinenrichtung, zu. richtung werden die Messungen derart ausgeführt,
Im Verfahren wird eine polarisierte Lichtquelle 1 50 daß durch Drehen der Papierprobe oder des Detekverwendet die ein Lichtbündel I1 mit hoher Intensität tors um ihre bzw. seine Achse diejenigen Stellen aufabgibt, welches im wesentlichen monochromatisch gesucht werden, wo die maximalen und minimalet ist Laserlicht ist zur Anwendung besonders gut ge- Reflexionen vom untersuchten Papier erhalten wereignet, da man bei Anwendung desselben mit Leich- den, und diese Maximum- und Minimumstellen betigkeit genügend hohe Intensität auch in den Re- 55 finden sich in der Regel in wesentlich zueinander senkflexionen erzielt, wodurch die Störeinflüsse vermin- rechten Ebenen. Die Werte der Intensitäten / dei dert werden oder mit anderen Worten das Signal/ Maximum- und Minimumstellen werden mit den Rauschverhälmis gesteigert wird. Ferner ist Laser- Detektor beobachtet, wobei die Polarisationseben< licht an sich monochromatisch und auch kohärent. des Polarisators zu derjenigen des Lichtbündels I1 Die Anwendung von Laserlicht macht das Bauen der 60 parallel ist Hiernach wird die Polarisationsebene de: Optik leichter, und die Wahl der Detektoren bereitet Polarisators um 90° gedreht, und es werden entspre kerne Schwierigkeiten. Was die mechanische und elek- chenderweise die Intensitätswerte R an der Maximum tronische Ausführung des Verfahrens anbelangt, so und Minimumstelle beobachtet, wonach die Diffe besteht eine Ausführungsform aus einer Konstruktion, renzen I — R der Intensitätswerte an den Maximum in der die Strahlenteiler 4 und Detektoren 5 an einer 65 und Minimumstellen berechnet werden, und aus den halbkugelförmigen Kuppel 8 befestigt sind, die an Verhältnis und'oder der Differenz dieser erhält mai geeigneten Stellen öffnungen für den Laserstrahl IL den Meßwert der Faserorientierung der Papierprobe
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

  1. £ Patentansprüche:
  2. ^%% Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier durch Messen von vom Papier 'reflektiertem licht, das aus einer Lichtquelle herstammt, deren Licht eine hohe Intensität hat und im wesentlichen monochromatisch ist, vorzugsweise Laserlicht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  3. a) ein polarisiertes Strahlenbündel (I1), vorzugsweise ein Laserstrahl, wird senkrecht auf die Ebene des Papiers (2) gerichtet;
  4. b) die Intensität des unter einem gewissen Winkel (α) zur Ebene des Papiers vom Pa- 1S pier reflektierten Lichtes wird in zwei zueinander senkrechten Ebenen (K und P) beobachtet;
  5. c) aus der Intensität des reflektierten Lichts werden zwei Größen (I und R) gebildet, von ao denen die eine (I) erhalten worden ist, indem das reflektierte Licht durch einen Polarisator (6) geschickt worden ist, dessen Polarisationsebene zu derjenigen des Lichtbündels (I1) parallel ist, und die andere Größe a5 (R) erhalten worden ist, indem das reflektierte Licht durch einen Polarisator (7) geschickt worden ist, dessen Polarisationsebene zu derjenigen des Lichtbündels (I1) senkrecht nach Anzeige mittels eines Indikators als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) reflektierten Lichts in beiden Ebenen (gundP) zu beiden Seiten des Iichtbündels (I1) unter gleichem Winkel («) zur Ebene des Papiers (2) beobachtet wird und das Verhältnis und/oder die Differenz der aus den auf diese Weise beobachteten Intensitäten hergeleiteten Differenzen (eKl und eKä)sowiedenDifferenzen(ePlundeP2) gebildeten Mittelwerte als Maß für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 in Anwendung zur Messung an der laufenden Papiermaschine der Faserorientierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsebenen des reflektierten Lichts (K und P) zur Papierbahn senkrechte Ebenen sind, von denen die eine (K) zur Bewegungsrichtung der Papierbahn parallel und die andere (P) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Papierbahn ist
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