Study on the grinding process of cellulosic fibers and characterization of thereby obtained short fibers

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden einerseits Untersuchungen des Faserzerkleinerungsprozesses in einer Schneidmühle und andererseits Analysen der Faserlänge bzw. Faserlängenverteilung der erhaltenen Fasern durchgeführt. In weiterer Folge wurde versucht die Parameter, welche die herstellbare Faserlänge beeinflussen zu ermitteln. Die Einflüsse des Fasertiters, der Schnittlänge, der Additive und der Herstellungsmethode der verwendeten Fasern sowie des verwendeten Siebes und der Prozessfahrweise konnten bestimmt werden. Dadurch ist es möglich die Mahlparameter für eine bestimmte Faserlänge bei Einsatz eines bestimmten Fasertyps festzulegen oder umgekehrt die Faserlänge unter bestimmten Mahlbedingungen bzw. für einen bestimmten Fasertyp vorherzusagen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung der gemahlenen Fasern hinsichtlich Faserlänge und Faserlängenverteilung. Als Standardanalysenmethode wurde der kommerzielle Faseranalysator MorFi verwendet, welcher eigentlich für die Papier- und Zellstoffcharakterisierung entwickelt wurde. Um die Ergebnisse des MorFi Analysators validieren zu können, wurde eine Alternativmethode entwickelt. Mit einem konventionellen Büroscanner, welcher eine physikalische Auflösung von 6400 dpi hatte, wurden digitale Bilder der Faserproben angefertigt. Als Hauptprobleme erwiesen sich der geringe Kontrast, sowie die Dispergierung der Fasern. Besonders bei weißem Fasermaterial war der Kontrast zu gering und eine zufriedenstellende Bildanalyse kaum möglich. Durch Verwendung eines Reaktivfarbstoffes konnte der Kontrast signifikant verbessert werden. Des Weiteren wurde einen Methode zur optimalen Faserdispergierung gefunden. Hierfür ist die richtige Faserkonzentration wichtig, um ein Überlappungen einzelner Fasern zu verhindern. Außerdem muss dafür ein Dispersionsmittel verwendet werden, welches durch eine hohe Viskosität Sedimentationseffekte unterbindet. Die angefertigten Bilder wurden schließlich mit zwei unterschiedlichen Bildanalyseprogrammen (Scientific Counter und AnalySIS) ausgewertet und mit den Analyseergebnissen von MorFi verglichen. Dabei wurden vergleichbare Ergebnisse erzielt. Es wurden die relevanten Mahlparameter für den Faserzerkleinerungsprozess bestimmt und eine Faseranalysenmethode entwickelt, welche präzise und reproduzierbare Ergebnisse liefert.

A research project was carried out which on the one hand investigated the fiber grinding process in a cutting mill and on the other hand analyzed the possibilities to determine the fiber length of the obtained fibers. It was within the scope of the project to determine the main steering parameters that affect the obtained fiber length. The relationship between the resulting fiber length with the fiber titer, starting length, different additives and manufacturing methods, the used sieves and the process mode have been determined. It is thus possible to state the milling parameters for a certain fiber type in order to meet a specific fiber length or vice versa to predict the fiber length under certain grinding conditions also for a certain fiber type. In the second part of the work the ground fibers have been analyzed in terms of fiber length and fiber length distribution. As standard analysis method a commercial fiber analyzer MorFi was used which was originally developed for paper and pulp characterization. To validate the results of the MorFi analyzer an alternative method has been developed. Images have been recorded with a conventional office image scanner at a resolution of 6400 dpi. The key problems turned out to be the image contrast and the proper dispersion. In particular white fiber material results images of low contrast, which can hardly be used for automated image analysis. It was demonstrated that the contrast could be significantly improved by using a reactive dye. Furthermore the optimal technique to obtain a proper fiber dispersion was developed. On the one hand a proper fiber concentration is necessary to prevent overlapping fibers as well as a dispersion agent with a high viscosity to prevent sedimentation effects is essential. The digital images have been analyzed using two different image analysis routines. Both routines and MorFi gave comparable results. In conclusion, the study determined the key parameters for the fiber grinding process. Furthermore different fiber analyses are proposed which result in precise and repeatable results.