DE2214191C3

DE2214191C3 - Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier mit Hilfe vom Papier reflektierten Lichts

Info

Publication number: DE2214191C3
Application number: DE2214191A
Authority: DE
Inventors: Pauli Keuruu Similae (Finnland)
Original assignee: Valmet Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 1971-03-23
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FI45799C; US3807868A; FI45799B; DE2214191B2; DE2214191A1

Description

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) unter einem Winkel (%) 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 (l_L) paralleler Polarisationsebene und die andere durch einen Polarisator (7) mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels (l_L) senkrechter Polarisationsebene geschickt wird, und die so erhaltenen Strahlenkomponenten (/ und R) zu Detektoren (5) geleitet werden, von deren elektrischen Ausgangsgrößen (/ und r) die Differenzen (e_Kl = i_Kl -r_Kr e_V{

- 'r 1 - Οι usw.) gebildet werden und das Verhältnis und/oder 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 Fesligkeitsanisotropie 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 Ein Ruß 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 Zerreißfestigkeit 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 Zerreißfestigkeitsprüfungen erwähnt werden, mittels deren die Zerreißfe-

stigkeiten in verschiedenen Richtungen des Papiers gemessen werden. Verwendbare Resultate werden nach diesen Verfahren nur dann erzielt, wenn starke Korrelation zwischen der Zerreißfestigkeit und der Orientierung besteht, und dies ist nicht immer der Fall, Als nächstes kann das Färbeverfahren angeführt werden, worin der Masse gefärbte Fasern zugegeben werden und die in verschiedenen Richtungen liegenden Fasern einzeln gezählt werden. Das Verfahren ist umständlich, und es fällt schwer, kommerzielle ίο Qualitäten zu prüfen.

Es sind auch verschiedene auf der Diffraktion basierende Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung angegeben worden, wie z. B. die Röntgen- und Neutronendiffraktionsverfahren, die jedoch noch nicht genügend ausprobiert und bezüglich ihrer endgültigen Tauglichkeit ausgewertet sind. Als prinzipielle Schwierigkeit begegnet man den Fragen betreffs der Deutung der erhaltenen Diffraktionsbilder. Ultraschallverfahren sind ebenfalls angewandt worden: als Beispiel dient das Verfahren nach der finnischen Patentschrift Nr. 42 482, das sich auf das Erzeugen von Durchbiegungswellen im Papier gründet. Von den Vorzügen des Verfahrens sei die Möglichkeit der Messung an der laufenden Papiermaschine und von as seinen Nachteilen die Schwierigkeiten beim Messen dünner Papiersorten erwähnt. In der USA.-Patentschrift Nr. 2 509 068 ist ein polarimetrisches Verfahren angegeben, von dem jedoch keine Anwendungen zu sehen gewesen sind.

Zuvor bekannt sind ebenfalls Verfahren zur Messung der Orientierung, die sich des Laserlichts bedienen, wie z. B. das Verfahren von Sjulin und Rudström (Svensk Papperstidn. 5, 1970), das sich auch auf Diffraktion gründet. Der Anwendung des Verfahrens stellen sich als Schwierigkeiten die Dicke des Papiers und die Nichteignung zu Messungen an der laufenden Maschine entgegen. In einem zweiten Verfahren (TAPPI 12 70. S. 2314-2319) hat man Laserlicht zur Untersuchung der Orientierung bei Kondensatorpapier angewandt, indem mit einem Laserstrahl ein sehr dünnes Papier durchstoßen wird, das sich in einem drehbaren Halter befindet, und von der entstandenen Kleinstreuungsfigur gemachte photographische Aufnahmen betrachtet werden, die anschließend photomechanisch ausgemessen werden. Nach diesem Verfahren ist es gelungen, die Orientierung in Kondensatorpapier zu bestimmen. Nachteile sind die zeitraubende Ausführung und Nichteignung zur Anwendung an der laufenden Maschine sowie die Eignung ausschließlich bei dünnen Papieren.

Der Ausgangspunkt für das Verfahren nach der Erfindung bestand aus dem Bedürfnis, ein zuverlässiges, zur Anwendung an der laufenden Papiermaschine geeignetes Meßverfahren der Faserorientierung zu entwickeln, mittels dessen genauer als zuvor die Korrelationen zwischen den oben besprochenen sowie weiteren Faktoren und der Faserorientierung kartiert werden könnten und das später zur automatischen Regelung der Papiermaschine angepaßt werden könnte. Das Verfahren in seiner einfachen Form soll sich auch gut zur Anwendung bei Labormessungen eignen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.

Die Erfindung und die mit ihrer Hilfe erzielbaren Vorteile werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzip einer das Verfahren nach der Erfindung in Anwendung bringenden Meßvorrichtung in der Seitenansicht, wobei F i g. 1 zugleich einen Schnitt längs der Linie H-II in F ig. 2 darstellt; F i g, 2 die Meß vorrichtung von oben gesehen;

F i g. 3 ein Blockschema der Logikkreise zur Verarbeitung der gemessenen Größen.

Die Grundlage des Verfahrens nach der Erfindung ist die Reflexion des Lichts gemäß den Brechungsgesetzen. Wenn man sich vorstellt, daß das Lichtbünde! eine idealisierte, langgestreckte Faser mit zylindrischer Oberfläche senkrecht zu ihrer Längsachse trifft, so finden Reflexionen von der Faser nur geradeaus, zur Seite und überhaupt nicht in der Längsrichtung statt. Stellt man sich ein aus solchen idealisierten Fasern zusammengesetztes, völlig orientiertes »Papier« vor, in dem sämtliche Fasern in der gleichen Richtung, z. B. in der Maschinenrichtung liegen, dann würde man bei senkrechter Beleuchtung des Papiers in der transversal gerichteten Vertikalebene eine kräftige Reflexion erhalten, und in der Ebene in der Maschinenrichtung würde sich überhaupt keine Reflexion offenbaren. Papier hat nie eine derart eindeutige Struktur, und die Fasern liegen nicht einmal stets parallel zur Papieroberfläche; dessen ungeachtet erhält man ein recht zuverlässiges Maß für die Faserorientierung mittels eines Verfahrens, das die oben dargestellte Idealisierung zur Grundlage hat.

Der F i g. 1 gemäß wird das Papier 2 mit einem von der Lichtquelle 1 — am geeignetsten einem Laser — kommenden polarisierten Laserstrahlbündel /₍ beleuchtet, das mit Hilfe eines Teleskops so ausgebreitet worden ist, daß sein Durchmesser beispielsweise etwa 1,5 cm beträgt. Das Lichtbündel /_L trifft auf das zu untersuchende Papier 2, wie z. B. auf die bewegte Bahn in einer Papiermaschine, im Punkt 3, wo Reflexion in allen Richtungen stattfindet. Die das reflektierte Licht wahrnehmenden Organe sind in zwei zueinander senkrechten Ebenen P und K anzubringen, die beide zur Ebene des Papier 2 senkrecht stehen und die sich im Punkt 3 schneiden, wo das Lichtbündel /, auftrifft. Es ist wahrgenommen worden, daß die größte Trennschärfe mit dem Verfahren erzielt wird, wenn man die Intensität des unter einem Winkel (λ) von etwa 45° reflektierten Lichts mißt. In dem reflektierten Licht, dessen Intensität gemessen wird, besteht ein Teil aus solchem Licht, das von den Fasern nach Hern oben dargestellten Prinzip geradeaus zur Seite reflektiert worden ist, aber ein Teil ist solches Licht, das tiefer in das Innere des Papiers eingedrungen und mehrfach reflektiert worden ist, wobei sich zugleich dessen Polarisationsebene geändert hat, so daß sie willkürliche Verteilung aufweist. Diese verschiedenen Komponenten werden voneinander durch Heranziehung von Polarisatoren 6 und 7 getrennt, wobei man in erster Linie dasjenige Licht abtrennen kann, das von den Fasern in der Oberflächenschicht stammt und das seine ursprüngliche Polarisationsebene beibehalten hat. Hierzu wird das reflektierte Licht in zwei Komponenten mit im wesentlichen gleich großer Intensität mit Hilfe eines Strahlenteilers, wie z. B. eines Winkclspiegels 4, aufgeteilt. Die erste Komponente wird durch einen Polarisator 6 geschickt, dessen Polarisationsebene mit der ursprünglichen Polarisationsebene des Lichtbündels /_; parallel ist. Die derart gewonnene Strahlenkomponente ist mit I₁! und I₁) bezeichnet worden; in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel beobachtet man zwei Werte von l_K und I₁,, nämlich l_Kl, l_K2 und

Ip₁, Ip₂. Diese Komponenten enthalten indessen eine solche reflektierte Lichtkomponente, die nicht die ursprüngliche Polarisationsebene beibehalten hat, sondern die unpolarisiert ist, so daß ihre Polarisationsebenen im wesentlichen auf alle Richtungen gleichmäßig verteilt sind. Um eine Probe von dieser Komponente zu erhalten, wird die mittels des Strahlenteilers 4 erzielte zweite Komponente durch einen Polarisator 7 geschickt, dessen Polarisationsebene auf derjenigen des Lichtbündels I₁ senkrecht steht. Die auf diese Weise gewonnene Strahlenkomponente ist mit R_K und R₁. bezeichnet worden, und dementsprechend beobachtet man Rn₁, Rr₂ ^un^ "ρι» Rpr

Sämtliche oben besprochenen Strahlenkomponenten l_K, Ip und R_K, Rp werden Detektoren S zugeleitet, die z. B. aus pyroelektrischen, photoelektrischen oder dergleichen Detektoren bestehen. Von diesen Detektoren werden elektrische Signale bezogen, die zu der Intensität der auf sie auftreffenden Strahlenkomponente proportional sind, und für welche entsprechendermaßen die Bezeichnungen i_K, i_P und r_K, r_v gelten. Da in der Strahlenkomponente / aus oben angegebenen Gründen auch R inbegriffen ist, muß man eine zur Differenz 1 - R dieser verhältnisgleichen Größe bilden, um die tatsächliche von der Papieroberfläche reflektierte Komponente zu ermitteln. Dies geschieht, indem man die einander entsprechenden Signale ¹Kr ^rK\ ^usf· Differenzgliedern zuführt (Fig. 3), aus denen man ihre Differenzen i_K , — r_{K l} usf. erhält, die mit e_Kl2 und e_Pl2 bezeichnet worden sind. Da die im Prinzip gleichen Differenzen zweimal gemessen worden sind, werden die Mittel aus den Differenzen e_Kl und e_K2 sowie aus den Differenzen e_Pl und e_Vi gebildet, durch die man z. B. den aus der Zerknitterung des Papiers auf die Meßergebnisse erwachsenden Einfluß eliminieren kann. Selbstverständlich kann man die Differenzen e_K und e_P auch nur einmal messen. In der nächsten Phase wird das Verhältnis e_Kle_P der Differenzen e_K und e_P bzw. ihrer Mittel gebildet, welches einer Anzeigevorrichtung, wie z. B. einem Zeigerinstrument oder einem Schreiber, zugeführt wird und welches als Maß für die Faserorientierung des Papiers 2 verwendet wird. In einigen Fällen dürfte es angängig sein, die Differenz e_K — e_P als entsprechendes Maß zu verwenden. Wenn das besagte Verhältnis e_K/e_P = 1 ist, kann man annehmen, daß das Papier völlig orientierungsfrei ist, und bei zunehmendem Verhältnis nimmt die Orientierung, im vorliegenden Fall diejenige in der Maschinenrichtung, zu.

Im Verfahren wird eine polarisierte Lichtquelle 1 verwendet, die ein Lichtbündel I_L mit hoher Intensität abgibt, welches im wesentlichen monochromatisch ist. Laserlicht ist zur Anwendung besonders gut geeignet, da man bei Anwendung desselben mit Leichtigkeit genügend hohe Intensität auch in den Reflexionen erzielt, wodurch die Störeinflüsse vermindert werden oder mit anderen Worten das Signal/ Rauschverhältnis gesteigert wird. Ferner ist Laserlicht an sich monochromatisch und auch kohärent. Die Anwendung von Laserlicht macht das Bauen der Optik leichter, und die Wahl der Detektoren bereitet keine Schwierigkeiten. Was die mechanische und elektronische Ausführung des Verfahrens anbelangt, so besteht eine Ausführungsf orm aus einer Konstruktion, in der die Strahlenteiler 4 und Detektoren 5 an einer halbkugelförmigen Kuppel 8 befestigt sind, die an geeigneten Stellen öffnungen für den laserstrahl /, bzw. eine Montagestelle für seine Optik sowie öffnungen für die das Meßobjekt darstellenden, vom Papier reflektierten Strahlenkomponenten hat. Die Kuppel 8 kann über der bewegten Papierbahn angebracht werden, und sie schützt vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Licht, Staub und mechanischen Beschädigungen. Betreffs der Elektronik der Vorrichtung ist in F i g. 3 nur das logische Prinzip der Bearbeitung der Meßgrößen angezeigt. Der erforderliche Elektronikteil kann auf an sich bekannte Weise ausgeführt werden, indem man Differenzglieder, Addierglieder, Verstärker sowie Filterkreise vorsieht, welche aus dem Meßsignal die hohen Frequenzen bis zu einer gewissen oberen Grenzfrequenz ausfiltrieren, falls dies notwendig ist. Der Elektronikteil ist in seiner einfachen Form ein Analogiegerät, er kann aber auch als Digital-Computer ausgeführt werden.

Nach dem vorbeschriebenen Verfahren und mit der vorbeschriebenen Vorrichtung sind eine Anzahl von Versuchen au'jge'iihr; w.: dta, in dtn:n bei Sackpapieren eine deutliche, eindeutige Korrelation zwischen den Zerreißfestigkeitsverhältnissen und dem nach dem Verfahren erzielten Meßergebnis gefunden wurde. Dies ist ein Beweis dafür, daß die mittels des Verfahrens gemessene Größe gerade die Faserorientierung wiedergibt, denn man weiß, daß bei Sackpapier die Faserorientierung einen ausschlaggebenden Faktor in der Entstehung der Festigkeitsanisotropie ausmacht.

Im vorstehenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden, das sich zur Anwendung bei Messungen an der laufenden Papiermaschine eignet. Es gibt jedoch auch eine einfachere Ausführungsform, die in erster Linie bei Labormessungen

3; der Faserorientierung Anwendung hat. Eine das Verfahren anwendende Labormeßvorrichtung kann beispielsweise so ausgeführt werden, daß die zu untersuchende Papierprobe in einem Halter unter einer der Lichtquelle 1 entsprechenden Lichtquelle befestigt

4t' wird. Der Detektor für das reflektierte Licht besteht am einfachsten aus einem dem Detektor 5 entsprechenden Detektor und einem vor diesem eingeschalteten einzigen Polarisator, dessen Polarisationsebene irr. Winkel von 90° veränderbar ist. Dieser gesamte

4i> Detektor ist unter einem geeigneten Winkel (α) zur Papierprobe angeordnet, und der Detektor oder die Probe äst um eine Achse drehbar angeordnet, die zum Lichtbündel I_L parallel läuft. Mit dieser Meßvorrichtung werden die Messungen derart ausgeführt, daß durch Drehen der Papierprobe oder des Detektors um ihre bzw. seine Achse diejenigen Stellen aufgesucht werden, wo die maximalen und minimalen Reflexionen vom untersuchten Papier erhalten werden, und diese Maximum- und Minimumstellen befinden sich in der Regel in wesentlich zueinander senkrechten Ebenen. Die Werte der Intensitäten / der Maximum- und Minimumstellen werden mit dem Detektor beobachtet, wobei die Polarisationsebene des Polarisators zu derjenigen des Lichtbündels l_L

tio parallel ist. Hiernach wird die Polarisationsebene des Polarisators um 90° gedreht, und es werden entsprechenderweise die Intensitätswerte R an der Maximum- und Minimumstelle beobachtet, wonach die Differenzen I — R der Intensitätswerte an den Maximum-

«5 und Minimumstellen berechnet werden, und aus den Verhältnis und/oder der Differenz dieser erhält mar den Meßwert der Faserorientierung der Papierprobe

Hierzu 1 Blatt Zeichnunpen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier durch Messen von vom Papier lefkktiertem Licht, das aus einer Lichtquelle herstammt, deren Licht eine hohe Intensität hat •nd im wesentlichen monochromatisch ist, vorlugsweise Laserlicht, gekennzeichnet 4 u r c h die folgenden Schritte:

a) ein polarisiertes Strahlenbündel (/,.), vorzugsweise ein Laserstrahl, v.ird senkrecht auf die Ebene des Papiers (2) gerichtet;

b) die Intensität des unter einem gewissen Winkel (*) zur Ebene des Papiers vom Papier reflektierten Lichtes wird in zwei zueinander senkrechten Ebenen (K und P) beobachtet;

c) aus der Intensität des reflektierten Lichts werden zwei Größen (/ und R) gebildet, von ^ao denen die eine (/) 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 (/,) senkrecht ist;

d) die Differenzen (I_K — R_K und /_P — R_P) der in beiden Ebenen (K und P) beobachteten Größen (/ und R) werden gebildet, und das Verhältnis undoder die Differenz dieser Differenzen wird als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet.

nach Anzeige mittels eines Indikators als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) reflektierten Lichts-in beiden Ebenen (K und P) zu beiden Seiten des Lichtbündels (7_t) 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 Dilferenzen (e_Kl und e_K„) sowie den Differenzen (e;., und<?,._ä) gebildeten Mittelwerte als Maß für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 in Anwendung zur Messung an der laufenden Papiermaschine der Faserorientierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachiungsebenen 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.