Entwicklung einer preisgünstigen Analysentechnik zur Bestimmung von Faserlängen Andreas Bartl Manuel Winter Technische Universität Wien Institut für Verfahrenstechnik
- Einsatz - Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Flock - Charakterisierung von Recyclingfasern - Derzeit - Faseranalysator Morfi - Ziel - kostengünstiger - einfacher handhabbar - flexibler in der Auswahl des Dispersionsmittels - geringerer Dispersionsmittelmengen - eventuell nicht-fasrige Partikel Motivation
- für Papier und Zellstoff entwickelt - Abbildendes Verfahren - Skeletonierverfahren - Auslösung: ca. 4 µm/pixel - Länge: 0,1 bis 10 mm - Durchmesser: 5 bis 75 µm Faseranalysator Morfi
Faseranalysator Morfi
Faseranalysator Morfi - Validierung mit Schneidflock 2.5 Measured length [mm] - 2.0 1.5 1.0 0.5 number length 0.291 0.277 0.475 0.504 0.985 0.94 1.939 1.881 0.0 0.3 0.5 1.0 2.0 Nominal length [mm]
Faseranalysator Morfi - Validierung mit Schneidflock Calculated MorFi Fiber length [mm] - 1.6 1.4 1.2 1.0 Weighted by length Fiber length [mm] - Fiber length [mm] - 1.6 1.4 1.2 1.0 1.6 Weighted by number 1.4 1.2 1.0 0.8 1234567891011 0.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 0.8 Sample 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 Sample Sample
Fasermaterialien - Zellulosische Chemiefasern - Herstellungsverfahren: - Lyocell Prozess - Viskose/Modal Prozess - Additive: - Titandioxid (zur Mattierung, z.b. für Kosmetikartikel) - Pigmente (spinngefärbte Fasern) - Schneidmahlung - Aus Stapelfasern
Motivation - Einsatzgebiete für Cellulose Kurzfasern - z.b. als hydrophiler Füllstoff in Matratzen, Verbundwerkstoffe, Funktionskleidung, Baustoffe, etc. - Dimensionen: - Länge: < 1 mm - Durchmesser: 12 20 µm
Vorgangsweise bei der alternativen Faserlängenbestimmung Dispergierung Bildgenerierung Bildauswertung Faserlängenbestimmung trocken nass Mikroskop Scanner AnalySIS Scientific Counter ImageJ Rechteckmodell nach Beck trocken: Faservereinzelung mittels Vakuumdispergators nass: mittels Magnetrührers, Disintegrator lichtoptische Abbildungsmethode Scanner: als Werkzeug zur Bildanalyse neu Umwandlung des Mathematischer Grauwertbildes durch Algorithmus zur Schwellwertsetzung in ein Faserlängenbestimmung Schwarz-Weiß Bild aus Projektionsfläche (Binarisierung) und deren Umfang Bestimmung der Faserprojektionsfläche und des Umfangs der Projektionsfläche
Rechteckmodell w l = p 4 + p 4 2 A p A l l Faserlänge p.. Umfang w. Durchmesser A.. Fläche Modellvorteile: - auch geknickte und gekräuselte Fasern können analysiert werden Modellnachteil: - Faserüberkreuzungen
Vermeidung von Faserüberkreuzungen durch Auswahl eines geeigneten Dispersionsmittels - Dispergierung: - trocken: Vakuumdispergator führt zu vielen Faserüberkreuzungen - wässrige Dispersion: weniger Faserüberkreuzungen - Dispersionsmittel PEG 400: - Aufgrund der höheren Viskosität deutlich weniger Faserüberkreuzungen durch Faserimmobilisierung - Die brauchbare Faserkonzentration muss stets für jede Faserprobe eigens ermittelt werden
Das Mikroskop als abbildendes System - Vorteile: - kontrastreiche Bilder - hohe Auflösung - Nachteile: - Bildausschnitt zu klein (bei erforderlicher Auflösung und Vergrößerung), maximal 6 mm x 6 mm - bei Nassdispergierung ist Multiple Image Alignement nicht möglich
Der Scanner als abbildendes System - Vorteile - einfache Verfügbarkeit - großer Bildausschnitt (32 mm x 14 mm) - raschere Bildgenerierung - Nachteile - kontrastarm bei Nassdispergierung Färbetechnik zur Kontraststeigerung
Färben mit Reaktivfarbstoff Novacron Schwarz NN - Ankergruppe: 2-Sulfonylethyl-hydrogensulfat - im alkalischen Milieu Abspaltung von Sulfationen und Bildung von Vinylsulfonen - Michael Addition an OH-Gruppen der Cellulose stabile Etherbindung Kontrastreiche Bilder Mischung aus Azofarbstoffen, welche u.a. Reactive Black 5 enthält
Resultate - Vergleich der neuen bildanalytischen Methode mit dem Morfi-Standard
Zusammenfassung Neue Bildanalysemethode als Alternative zu Morfi: - kostengünstiger - einfach handhabbar - flexibler bei der Dispersionsmittelauswahl - geringerer Dispersionsmittelverbrauch
Zukünftige Forschungsziele - größere Bildausschnitte für die Auswertung zugänglich machen - Entwicklung eines Algorithmus welcher Faserüberkreuzungen erkennt - Bestimmung Faserdurchmesser - Bestimmung von nicht-fasrigen Partikel