Qualitätskontrolle von Zellstoff und Papier sowie Produktscreening mit NIR-Spektroskopie

15.01.2024

Artikel

Für die Papierherstellung können alle möglichen Materialien verwendet werden, z. B. Schilf, Flachs, Baumwolle und sogar Bagasse (Zuckerrohrzellstoff). Das meiste Papier wird jedoch aus behandelten Holzfasern hergestellt. Die Verarbeitung von Holz zu diesem Zweck erfolgt in Zellstofffabriken und Papierfabriken, die Chemikalien und viel Energie verbrauchen. Screening und Qualitätskontrolle (QC) sind wichtige Maßnahmen, die entlang der gesamten Produktionskette vom Holz bis zum fertigen Papierprodukt ergriffen werden müssen. Dieser Blog-Artikel zeigt, wie die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) in der Lage ist, mehrere wichtige Qualitätskontrollparameter im Zellstoff- und Papierherstellungsprozess gleichzeitig zu überwachen.

Einführung in die Zellstoff- und Papierindustrie

Die Zellstoff- und Papierindustrie produziert und vertreibt Produkte auf Zellulosebasis, die aus verschiedenen Holzarten gewonnen werden. Zellstoff- und Papierfabriken verarbeiten Holz mit mechanischen und chemischen Methoden, um verschiedene Papierprodukte für alle möglichen Verwendungszwecke herzustellen.

In Abbildung 1 ist der Anteil der weltweiten Papier-, Tissue- und Kartonproduktion nach Ländern im Jahr 2019 dargestellt [1]. Der größte Anteil entfällt auf China, gefolgt von den Vereinigten Staaten, Brasilien und Japan. Auf diese fünf Länder entfällt mehr als die Hälfte der Weltproduktion.

Global paper, tissue, and board production share by country in 2019. Source: Statista

Abbildung 1 Anteil der weltweiten Papier-, Tissue- und Kartonproduktion nach Ländern im Jahr 2019 [1].

Holz, der Vorläufer von Papier, besteht hauptsächlich aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin. Aufgrund der unterschiedlichen Mikrostruktur kann Holz entweder als Weichholz oder als Hartholz klassifiziert werden. Nadelbäume (mit Nadeln und Zapfen, z. B. Kiefern, Tannen und Fichten) bestehen aus Nadelholz. Laubbäume (mit Blättern und Samen, z. B. Eiche, Buche, Walnuss) gehören zu den Laubholzarten.

Harthölzer haben kürzere Fasern und produzieren schwächeres Papier. Das Endprodukt ist jedoch glatter, undurchsichtiger und besser zum Drucken geeignet. Nadelhölzer ergeben lange und starke Fasern, die dem Papier Festigkeit verleihen. Diese Holzart wird häufiger für die Herstellung von Kisten und anderen Verpackungen verwendet.

Der Prozess der Zellstoff- und Papierherstellung

Der Prozess der Zellstoff- und Papierherstellung besteht aus vier Hauptstufen: Rohstoffaufbereitung, Aufschluss, Bleichen und Papierherstellung. Jeder dieser Schritte wird in den folgenden Abschnitten beschrieben. Ein allgemeiner Überblick über den gesamten Prozess ist in Abbildung 2 dargestellt.

Illustration of the general pulp and paper manufacturing process.

Abbildung 2. Darstellung des allgemeinen Zellstoff- und Papierherstellungsprozesses.

Die Überprüfung und Überwachung verschiedener Qualitätskontrollparameter vor, während und nach dem Herstellungsprozess ist entscheidend für die Herstellung hochwertiger Papierprodukte, auf die sich Verbraucher verlassen können. Die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) ist eine Methode, die zur Qualitätskontrolle aller Phasen der Zellstoff- und Papierproduktion eingesetzt werden kann. In diesem Artikel wird die Funktionsweise der NIRS im Allgemeinen erläutert und am Beispiel von Holzzellstoff gezeigt, wie sie anderen Methoden für die Qualitätskontrolle und das Screening in der Zellstoff- und Papierindustrie überlegen ist.

Überblick über die Technologie der Nahinfrarotspektroskopie

Licht und Materie interagieren auf vielfältige Weise (z. B. Absorption, Reflexion, Streuung, Emission und Transmission). Bei der Erörterung des in spektroskopischen Methoden verwendeten Lichts wird es normalerweise in Wellenlängen oder Wellenzahlen beschrieben. NIR-Spektrometer wie der Metrohm DS2500 Solid Analyzer, erzeugen Spektren voller Informationen, indem sie die Licht-Materie-Wechselwirkung messen (Abbildung 3).

Near-infrared spectra resulting from the interaction of NIR light with paper samples.

Abbildung 3. Nahinfrarotspektren, die sich aus der Wechselwirkung von NIR-Licht mit Papierproben ergeben. Beachten Sie die Peaks, die der Feuchtigkeit, der Zellulose und dem Hydroxylgehalt zugeordnet werden.

Die Empfindlichkeit der NIRS für das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen macht sie zu einer hervorragenden Methode für die Quantifizierung chemischer Parameter wie Wassergehalt (Feuchtigkeit), Kappa-Zahl, Ligningehalt und Harzgehalt. Da diese Wechselwirkung auch von der Probenmatrix abhängt, können mit NIRS auch physikalische Parameter (z. B. Dichte und Festigkeit) ermittelt werden.

Die schiere Menge an Informationen, die im resultierenden Spektrum über eine Probe enthalten ist, macht NIRS ideal für eine schnelle Multiparameteranalyse.

NIRS-Messmodus für Zellstoff- und Papierprodukte

Die Entscheidung, welcher NIRS-Messmodus zu verwenden ist, hängt von der Art der Probe ab. Bei der Analyse von Feststoffen wie Zellstoff und Papierprodukten sollte der Modus der diffusen Reflexion verwendet werden (Abbildung 4). In diesem Messmodus wird die Probe dem NIR-Licht ausgesetzt, wobei ein Teil des Lichts absorbiert wird. Das nicht absorbierte NIR-Licht wird zurückreflektiert und vom Detektor gemessen.

a) Die Messung fester Proben erfolgt in der Regel in Probengefäßen. b) Der Messmodus ist als diffuse Reflexion bekannt, bei der die Probe dem Licht ausgesetzt wird und das diffus reflektierte Licht absorbiert wird.

Abbildung 4. a) Die Messung fester Proben erfolgt in der Regel in Probengefäßen. b) Der Messmodus ist als diffuse Reflexion bekannt, bei der die Probe dem Licht ausgesetzt wird und das diffus reflektierte Licht absorbiert wird.

Vorteile für Papierhersteller beim Einsatz von NIRS

Die NIR-Spektroskopie bietet Anwendern viele Vorteile für analytische Anwendungen - insbesondere bei der Qualitätskontrolle und beim Screening. Zeit- und Kosteneinsparungen gehören aus mehreren Gründen zu den wichtigsten Vorteilen. Eine Probenvorbereitung ist nicht erforderlich, und die Ergebnisse werden innerhalb von Sekunden geliefert. NIRS ist eine Multiparameter-Analysetechnik, die es überflüssig macht, für dieselben Ergebnisse mehrere zeitaufwändige Analysen auf verschiedenen Geräten durchzuführen. Die Technik ist außerdem zerstörungsfrei und erfordert keine chemischen Reagenzien.

Abgesehen von diesen Punkten ist die NIRS auch für die Qualitätskontrolle durch Standardorganisationen wie ASTM [2] zugelassen. Darüber hinaus ist die NIRS benutzerfreundlich und kann von nichttechnischem Personal bedient werden, was sie von komplexeren Analyseverfahren unterscheidet.

Produktscreening und QC-Parameter für die Zellstoff- und Papierproduktion

Forschung, Entwicklung und Qualitätskontrolle basieren alle auf Labortests. Zellstoff- und Papierfabriken verwenden mehrere standardisierte Testmethoden zur Bestimmung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Rohstoffe, Zwischenprodukte und Endprodukte. Die wichtigsten Testparameter für das Screening und die Qualitätskontrolle von Zellstoff- und Papierprodukten finden Sie in Tabelle 1.

Teil des Prozesses	Parameter	Konventionelle Analysemethode
Rohstoffanalyse	Schüttdichte	Densimetrie
Feuchtigkeitsgehalt	Karl-Fischer-Titration
Forschung zur genetischen Verbesserung:
Zellstoffertrag	Gravimetrische Analyse
Zellulosegehalt	Gravimetrische Analyse
Ligningehalt	Hydrolyse / Gravimetrische Analyse / Photometrie
Chemischer Aufschluss und Bleiche	Ligningehalt	Hydrolyse / Gravimetrische Analyse / Photometrie
Zellulosegehalt	Gravimetrische Analyse
Harzgehalt	HPLC
Kappa-Zahl	Titration
Bruchfestigkeit	Short-Span-Kompressionstest (SCT)
Knickfestigkeit	Ring-Crush-Test (RCT)
Zugfestigkeit	Tensometrie
Fruchtfleischfreiheit	Kanadischer Standard-Freiheitstest (CSF)
Alkohol und rohes Tallöl	Titration
QC des fertigen Produkts	Feuchtigkeitsgehalt	Karl-Fischer-Titration
Grammatur des Papiers	Gravimetrische Analyse
Aschegehalt	Ofen
Silikonebenen	GC
Verhältnis Hartholz/Weichholz	Mikroskopie
Beschichtungsschichten	Photometrie

Eine schlüsselfertige Lösung für die Zellstoff- und Papieranalyse

Die Metrohm-NIRS-Lösung für die Zellstoffanalytik wird mit einem gebrauchsfertigen Vorkalibrierungsmodell für die Bestimmung von Kappa-Zahl, Dichte, Knickfestigkeit, Bruchfestigkeit, Zugfestigkeit und Zellstoff-Freiheit geliefert (Tabelle 2). Aufgrund dieses Vorkalibrierungssatzes kann diese Lösung als schlüsselfertiges Einstiegsmodell ohne vorherige Methodenentwicklung verwendet werden.

Parameter	Reichweite	Standardfehler der Kreuzvalidierung (SECV)	R²
Aufgebrachte Dichte (g/cm).³)	0.2–0.65	0.039	0.855
Knickfestigkeit (MPa)	20–94	7.4	0.821
Bruchfestigkeit (MPa)	6–32	2.6	0.828
Zugfestigkeit (MPa)	6–68	5	0.905
Kappa-Zahl	0–175	3.8	0.996
Fruchtfleischfreiheit (ml)	130–800	72	0.766

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Qualitätskontrolle von verarbeitetem Holzzellstoff. Dieses Beispiel zeigt, dass die sichtbare Nahinfrarotspektroskopie (Vis-NIRS) gleichzeitig sechs verschiedene QC-Parameter (Kappa-Zahl, angewandte Dichte, Fruchtfleischfreiheit, Bruchfestigkeit, Knickfestigkeit und Zugfestigkeit) in Holzzellstoff bestimmen kann.

Parameter	Leistungsmerkmale
R²	Standardfehler der Kalibrierung (SEC)	SECV
Kappa-Zahl	0.986	2,9 mg	3,0 mg
Angewandte Dichte	0.903	0,0292 g/cm³	0,0308 g/cm³
Fruchtfleischfreiheit	0.785	68 ml	71 ml
Bruchfestigkeit	0.803	2,5 MPa	2,6 MPa
Knickfestigkeit	0.768	7,2 MPa	7,4 MPa
Zugfestigkeit	0.875	5 MPa	5 MPa

Zusammenfassung

Die Verwendung von NIRS für die Qualitätskontrolle und das Screening von Zellstoff- und Papierprodukten ist anderen herkömmlichen Referenzlaborverfahren vorzuziehen. Diese spektroskopische Methode spart den Herstellern nicht nur Zeit und gewährleistet ein qualitativ hochwertiges Produkt, sie ist auch umweltfreundlich und einfach zu handhaben. Die gleichzeitige Analyse mehrerer wichtiger Qualitätsparameter ist mit einem einzigen Scan möglich.

Die Ergebnisse für die Kappa-Zahl, die angewandte Dichte, den Faserstoffgehalt (CSF), die Bruchfestigkeit (SCT), die Knickfestigkeit (RCT) und die Zugfestigkeit in Holzstoff können in 30 Sekunden geliefert werden, selbst von nicht technischem Personal. Die Produktion kann besser kontrolliert werden, da die Daten häufiger als bei anderen Labortechniken erzeugt werden.