Modellierung der optischen Eigenschaften gestrichener Papiere unter besonderer Berücksichtigung der Porenstruktur
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 Ei...
| Summary: | 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. |
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