FiberMorph - Cross Sectional Pulp Fiber Morphology

Faserquerschnittsmorphologie spielt eine wichtige Rolle für die mechanischen und optischen Papiereigenschaften. Die aktuelle Messung der Morphologie von Faserquerschnitten - z.B. Faserwanddicke, Querschnittsfläche und Kollabierungsgrad ist in vielerlei Hinsicht limitiert. Einerseits ist es unmöglich mit vertretbarem Aufwand statistisch relevante Faseranzahlen zu vermessen. Andererseits vermessen die meisten Methoden den scheinbaren Faserquerschnitt. Sie vernachlässigen die Tatsache dass der Faserquerschnitt größer erscheint als er tatsächlich ist, wenn die vermessene Faser nicht exakt rechtwinkelig auf die Bildebene steht. Dieser systematische Fehler kann nur erkannt und korrigiert werden, wenn der Faserquerschnitt in 3-dimensionalen Datensätzen der Faser vermessen wird. Das Kernziel des eingereichten Forschungsprojektes besteht daher in der Entwicklung einer effizienten Messmethode die Faserquerschnittsmorphologie korrekt und in statistisch abgesicherten Mengen messen kann. Die Kerninnovation des Projektes besteht in der Entwicklung und Validierung von bildanalytischen Algorithmen zur Entdeckung und Verfolgung der Faserquerschnitte in 3D Datensätzen von Fasern. Die bisherigen Bildanalysemethoden sind stark auf Eingaben des Benutzers angewiesen und daher zu zeitaufwänding und teuer für statistisch sinnvolle Probemengen. Die zu entwickelnde Bildverarbeitung soll völlig automatisiert ablaufen. Damit wird der Engpass in der Messung - die bildanalytische Auswertung - beseitigt. Dies wird quantitative Untersuchungen des Einflusses der Faserstoffaufbereitung auf die Fasern sowie des Einflusses der Faserquerschnitts Morphologie auf Papiereigenschaften ermöglichen. Mit Hilfe der verbesserten Bildverarbeitung wird die Methodik zur Messung in folgenden Punkten weiterentwickelt: " Erarbeitung einer konsistenten Methode zur Rekonstruktion des wahren Faserquerschnittes aus dem scheinbaren Faserquerschnitt. " Reproduzierbarkeitsmessungen für verschiedene Faserstoffe werden durchgeführt, basierend darauf wird eine Vorschrift für die Probenahme und Analyse erarbeitet die eine statisch abgesicherte Reproduzierbarkeit der Messmethode sicherstellt. " Die Ergebnisse der Messungen werden mit verschiedenen Digitalisierungsverfahren überprüft: Konfokale Laser Scanning Mikroskopie (CLSM), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Synchrotron Röntgen Mikro Tomografie. Die neue Methode wird weiters zur Untersuchung eines bisher wenig erforschten Gebietes eingesetzt: " Bildsequenzen aufeinander folgender Faserquerschnitte werden in Hinblick auf Variation der Faserwandeigenschaften (Dicke, Fläche, Kollabierungsgrad) entlang der Faser untersucht. Quantitative Untersuchungen wurden auf diesem Gebiet bisher noch nicht durchgeführt, diese bieten möglicherweise neue und wichtige Aspekte für die Untersuchung der Fasermorphologie. Zwei Arbeitsgruppen führen das Forschungsprojekt durch. Die Arbeitsgruppe Bildverarbeitung wird die bildanalytische Detektion und Vermessung der Fasern erarbeiten. Die Arbeitsgruppe Papier- und Zellstofftechnik arbeitet am Gebiet Fasermorphologie. Damit wird die lange und erfolgreiche Kooperation dieser beiden Gruppen an der TU Graz weitergeführt und vertieft.

Der Werkstoff Papier besteht aus Holzfasern mit einer Länge von 1-3mm und einer Breite von etwa 0.02mm. Je nachdem aus welchem Holz die Fasern stammen, wie die Wachstumsbedingungen des Baumes waren und wie das Papier produziert wurde haben die Fasern eine sehr unterschiedliche Form. Interessanterweise sind alle wichtigen Eigenschaften des Papiers, z.B. die Festigkeit, die optischen Eigenschaften oder die Glätte in hohem Maße von den Eigenschaften der Fasern abhängig aus denen das Papier besteht. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine Methode entwickelt die Form und Dicke der Faserwand der Zellstofffasern zu vermessen. Diese Messung basiert auf einer vollautomatisierten, computergesteuerten Bildaufnahme und einer Auswertung mittels Bildverarbeitungssoftware. Diese Technik ermöglicht eine wesentliche Beschleunigung des Messvorganges, sodass dieses Messverfahren nun für industrielle Forschung zur Produktion von Papier und Zellstoff eingesetzt werden kann.