W Instytucie Papiernictwa i Poligrafii PŁ opracowano nowatorskie urządzenie, dzięki któremu możliwe będzie efektywne mierzenie właściwości hydrofobowych papieru. Dr hab. Konrad Olejnik i dr inż. Paweł Pełczyński opowiadają o pracach nad innowacyjnym wynalazkiem oraz jego zastosowaniach.
Jakie znaczenie dla wyrobów papierowych mają właściwości hydrofobowe?
Papier jest materiałem porowatym, składającym się w przeważającej części z roślinnych włókien celulozowych o właściwościach hydrofilowych. Posiada złożoną i niejednorodną strukturę kapilarno-porowatą. Cechy te powodują, że materiały papierowe wytworzone bez środków hydrofobizujących silnie chłoną wodę, zarówno z fazy ciekłej, jak i gazowej. Najczęściej jest to zjawisko niekorzystne. Przykładowo: podczas procesu drukowania, cząstki farby powinny zostać osadzone dokładnie tam, gdzie zostały naniesione, bo od tego zależy dobra reprodukcja kolorów, ostrość obrazu i możliwość uzyskania wysokiej rozdzielczości nadruku. Nadmierne wchłanianie cieczy wiąże się najczęściej ze słabym odwzorowaniem obrazu. Ponieważ współczesne procesy drukowania są realizowane z bardzo dużymi prędkościami (np. 100.000 odbitek na godzinę), nawet nieduża różnica we właściwościach hydrofobowych może skutkować dużą różnicą w jakości nadruku. Warto też dodać, że papier nie posiada struktury inertnej. Wchłanianie cieczy powoduje zmianę jego wymiarów i pogorszenie właściwości mechanicznych, co ma znaczenie np. dla papierów na opakowania. Z użytkowego punktu widzenia, papier powinien więc charakteryzować się ściśle określoną hydrofobowością. Stąd kontrola tej właściwości należy do najważniejszych metod oceny cech użytkowych papieru. Niestety precyzyjny pomiar wnikania cieczy do powierzchni papieru oraz przenikania cieczy przez jego strukturę jest stosunkowo trudny do realizacji ze względu na wszechobecną niejednorodność materiału. Wszystkie te cechy powodują, że nawet dla jednego rodzaju papieru, w zależności od miejsca na jego powierzchni, ciecz zawsze będzie wnikała i przenikała w nieco inny sposób. Złożoność tego zjawiska jest tak duża, iż wciąż nie jest ono do końca poznane i opisane.
Jak działa urządzenie stworzone przez Państwa?
Pomiar opiera się na znanym zjawisku przenikania zabarwionej cieczy na drugą stronę kartki papieru. Oczywiście szybkość przenikania zależy od stopnia hydrofobizacji materiału. Nasze urządzenie wykorzystuje optyczne metody pomiarowe oraz metody analizy obrazów cyfrowych. Papier ma dobre parametry optyczne, odbija większość światła padającego na jego powierzchnię. W miarę wnikania cieczy do papieru od strony przeciwnej do oświetlonej powierzchni zmienia się jego zdolność odbijania światła. Próbka papieru zostaje w urządzeniu oświetlona i jednocześnie poddana oddziaływaniu cieczy wypełniającej ruchome naczynko. Realizowany w tym czasie pomiar ilości odbitego światła pozwala zaobserwować dynamikę procesu przenikania. W przypadku cieczy bezbarwnej możliwe jest także wykonanie pomiaru w świetle przechodzącym przez papier. Nasze urządzenie posiada zestaw oświetlaczy LED oraz oświetlacz laserowy, co pozwala na wykonanie obu rodzajów pomiaru. W charakterze czujnika światła została zastosowana kamera cyfrowa połączona z komputerem, co daje możliwość nie tylko pomiaru ilości światła, ale też jego rozkładu na powierzchni papieru. W rezultacie jesteśmy w stanie ocenić jednorodność struktury i właściwości hydrofobowych papieru. W rzeczywistości urządzenie jest połączeniem mechaniczno-optycznej części pomiarowej - którą można określić jako hardware - i systemu sterowania oraz algorytmów przetwarzania obrazu zawartych w oprogramowaniu (software).
Na czym polega innowacyjność opracowanego przez Państwa urządzenia?
Budowa aparatu pozwala na zastosowanie wielu technik pomiaru procesu przesiąkania papieru, co daje możliwość badania szerokiej gamy papierów różniących się znacznie gramaturą, barwą oraz właściwościami fizycznymi. Zastosowanie kamery, zamiast fotokomórki używanej w podobnych urządzeniach pomiarowych, rozszerza dodatkowo zakres zastosowania, pozwalając na analizę lokalnych zjawisk zachodzących w papierze i ocenę jego jednorodności metodami obrazowymi. W tej chwili trwają jeszcze prace nad dopracowaniem algorytmów przetwarzania obrazu, metodami kalibracji. Wszystko po to, aby aparat stał się jak najbardziej przyjazny dla użytkownika. System mocowania poszczególnych elementów pomiarowych w urządzeniu jest na tyle elastyczny, że istnieje możliwość dodawania nowych modułów związanych z pomiarami innych właściwości papieru. Mamy już kilka nowych pomysłów, które być może pozwolą stworzyć rodzaj „kombajnu” do badań materiałów papierowych.
Jest to jedno z pierwszych urządzeń tego typu. Czy to znaczy, że wcześniej nie było na nie zapotrzebowania, czy może zmieniły się właściwości papieru?
Pomiary właściwości hydrofobowych materiałów papierowych – ze względu na swe pierwszoplanowe znaczenie użytkowe - mają bardzo długą historię. Obecnie istnieje szereg metod standardowych opisanych w wielu normach np. ISO, TAPPI, SCAN, DIN itp. Niestety większość z tych metod opiera się na sposobach pomiaru, w których wynik uzyskuje się po pewnym, dość długim czasie np. 60 sekundach. Tymczasem we współczesnych procesach produkcyjnych (np. w maszynach drukujących) czas kontaktu farby z papierem to ułamek sekundy. Zatem decydującą rolę odgrywa obecnie raczej pomiar kinetyki wnikania cieczy, a nie pojedynczy wynik końcowy. Z tego względu standardowe metody pomiarowe są w zasadzie oderwane od współczesnych realiów przemysłowych. Obecnie na rynku istnieje praktycznie jedno urządzenie (nie objęte jeszcze żadnym standardem), które pozwala wykonać pomiar kinetyki wchłaniania wody przez papier, ale jego działanie oparte jest na innych zjawiskach fizycznych niż te, które wykorzystano w urządzeniu zbudowanym w Politechnice Łódzkiej. Aparat ten nie pozwala również na ocenę niejednorodności materiału i całego procesu wchłaniania.
Gdzie znajdzie ono zastosowanie?
Odbiorcami urządzenia mogą być zarówno zakłady przemysłu papierniczego, przetwórstwa papierniczego, poligraficzne, jak również laboratoria świadczące usługi na rzecz tych przemysłów. Wykorzystywać je mogą również ośrodki badawcze.
Na podstawie informacji Politechniki Łódzkiej
