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Modellierung der optischen Eigenschaften gestrichener Papiere unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur

Hucke, Martin :
Modellierung der optischen Eigenschaften gestrichener Papiere unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung der optischen Eigenschaften gestrichener Papiere unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur
Language: German
Abstract:

Die wichtigsten Qualitätskriterien grafischer Papiere sind neben der Bedruckbarkeit die optischen Eigenschaften. Beschreiben lassen sich die optischen Eigenschaften mithilfe von Kenngrößen, die sich aus der Theorie von Kubelka und Munk ableiten. Diese Theorie bietet die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften basierend auf einfachen Reflexionsmessungen zu modellieren und die Werte zu quantifizieren.Für die Modellierung der optischen Eigenschaften ist der Aufbau des Papiers von entscheidender Bedeutung. Während bei einschichtigen Papieren die Kubelka-Munk-Koeffizienten S und K in der Regel über eine einfache Mischungsregel bestimmt werden können, muss bei gestrichenen Papieren auf Berechnungsvorschriften zurückgegriffen werden, welche die Schichtstruktur berücksichtigen und sich ebenfalls aus der Kubelka-Munk-Theorie ableiten lassen. Um das Schichtsystem berechnen zu können, ist die Kenntnis der optischen Eigenschaften der einzelnen Schichten erforderlich. Dabei ergibt sich das Problem, dass sich zwischen der Strichschicht und dem Rohpapier eine Mischschicht ausbildet, die der direkten Beobachtung nicht zugänglich ist. Weder die genaue Dicke noch die Zusammensetzung dieser Mischschicht sind bekannt, sodass auch die optischen Eigenschaften nicht ermittelbar sind. Demzufolge muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Mischschicht modellhaft zu beschreiben und so die optischen Eigenschaften abzuleiten, um das gesamte Schichtsystem berechnen zu können.Der Ansatz der vorliegenden Arbeit bestand darin, die Mischschicht mithilfe einer modifizierten Mischungsregel zu beschreiben, bei der die Kubelka-Munk-Koeffizienten der beiden Bestandteile Rohpapier und Streichfarbe nicht allein hinsichtlich der Massenanteile, sondern in Bezug auf die vermutete optische Wirkung innerhalb der Mischschicht gewichtet werden. Auf diese Weise lassen sich die optischen Eigenschaften der Mischschicht auch ohne genaue Kenntnis ihrer Zusammensetzung aus den Daten der einzelnen Komponenten durch eine geeignete Wahl der Gewichtungsfaktoren berechnen. Die Wahl der Gewichtungsfaktoren hängt dabei von verschiedenen Parametern wie der Art und Größenverteilung der Pigmente, aber auch der Zusammensetzung der Streichfarbe ab. Untersucht wurden dazu verschiedene Streichfarben, von denen ein Teil einer industriellen Produktionsanlage entstammte, während die anderen im Labormaßstab hergestellt wurden. Ferner variierten auch der Typ und die Größenverteilung der Pigmente.Die Modellrechnungen ließen erkennen, dass sich kein allgemein gültiger Ansatz zur korrekten Beschreibung aller Streichfarben finden lässt. Insbesondere der Typ des Pigments scheint entscheidend für die Wahl des passenden Modells zu sein. Während bei allen Streichfarben auf Kaolinbasis das gleiche Modell zu den geringsten Abweichungen zwischen Messung und Berechnung führte, ergaben sich bei den calciumcarbonathaltigen Streichfarben je nach Zusammensetzung und Größenverteilung der Pigmente Unterschiede in der Wahl des Modells mit der jeweils geringsten Abweichung.Die Modelle, welche die optischen Eigenschaften der gestrichenen Papiere am treffendsten beschreiben, gelten gleichermaßen für einseitig wie auch für beidseitig gestrichene Proben. Die Abweichungen, die sich zwischen Messung und Berechnung ergeben, liegen aufgrund der Fehleraddition im Fall der beidseitig gestrichenen Papiere etwas höher als bei den einseitig gestrichenen, sind aber generell sehr gering. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die den Modellen zugrunde liegenden Annahmen weitgehend korrekt sind und die optischen Eigenschaften mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden können.Anhand einer Vielzahl unterschiedlicher grafischer Papiere konnte zudem gezeigt werden, dass zwischen den makroskopischen optischen Eigenschaften und der mikroskopischen Struktur des Papiergefüges ein funktionaler Zusammenhang besteht. Trägt man den dichtebezogenen Lichtstreukoeffizienten gegen die spezifische Oberfläche der Poren im Größenbereich zwischen 100 und 600 nm auf, lässt sich der Verlauf der Messpunkte in sehr guter Annäherung durch eine Potenzfunktion beschreiben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The most important quality properties of graphical papers besides printability are the optical properties. These properties can be described by parameters derived from the Kubelka-Munk theory. This theory gives the possibility to model and quantify the optical properties based on simple reflexion measurements.The physical structure of the paper is of utmost importance for the proper modelling of the optical properties. While for one-layered papers the Kubelka-Munk coefficients can be calculated by a simple rule of mixing, coated papers require more complex calculations that take the layered structure of these papers into consideration and also can be derived from the Kubelka-Munk theory. The knowledge of the optical properties of all layers is necessary to calculate the layered system. But at the interface between the coating layer and the base paper a mixing layer is formed that cannot be observed directly. Neither the thickness nor the composition of this layer is known, thus the optical properties cannot be calculated. Hence a possibility for modelling the mixing layer has to be found to find out the optical properties and to make the calculation of the layered system possible.The goal of this work was to describe the mixing layer by means of a modified rule of mixing. In this model the Kubelka-Munk coefficients of the base paper and the coating colour are weighted not only by their mass portion but also by their assumed optical effect within the mixing layer. By doing this the optical properties of the mixing layer can be calculated by appropriate choice of the weighting factors even without knowledge of its composition. The values of the weighting factors depend on various parameters like type and size distribution of the pigments and composition of the coating colour. Different coating colours were tested coming either from industrial production plants or were mixed in the laboratory. Furthermore the type of the pigments as well as the size distribution was different.The modelling showed that no generally valid model can be found to describe all coating colours correctly. Especially the pigment type seems to be crucial for choosing the right model. All clay based coating colours could be described best by the same model while the coating colours based on calcium carbonate required different models dependent on the composition and the size distribution of the pigments.The models which describe the optical properties of the coated papers best are valid for both one-side coated and two-side coated samples. The differences between measurement and calculation are bigger for the two-side coated papers compared to the one-side coated papers because of the addition of the errors of each side. But in general the deviations are very small. So it can be concluded that generally speaking the assumptions the models based on are right and the optical properties can be calculated with sufficient accuracy.Furthermore it could be shown, based on the analysis of a great number of graphical papers, that there is a functional connection between the macro-scale optical properties and the micro-scale pore structure of the paper web. When plotting the specific light scattering coefficient as a function of the specific surface of the pores with diameters between 100 and 600 nm, the curve can be correlated with a power law function.English
Uncontrolled Keywords: gestrichene Papiere, Kubelka-Munk-Theorie, Schichtsystem, Mehrschichtsystem, Porenstruktur, Porengrößenverteilung, Mischschicht
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
gestrichene Papiere, Kubelka-Munk-Theorie, Schichtsystem, Mehrschichtsystem, Porenstruktur, Porengrößenverteilung, MischschichtGerman
coated paper, Kubelka-Munk theory, layered system, multi-layered system, pore structure, pore size distribution, mixing layerEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000631
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-6310
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hampe, Prof.Dr.-I Manfred
Advisors: Schabel, Prof.Dr.-I Samuel
Refereed: 31 May 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/631
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