Spektral Messverfahren zur dyne Kontrolle

Fri, 03 Aug 2007 13:21:16 +0100

Spektral Messverfahren zur opto dynamischen Surface Tension dyne Oberflächenspannung Oberflächenenergiemessung - ODSTM-1 - für bewegte Kunststofffolienbahnen, Filme, Plastiksubstrate wie BOPP, LDPE, HDPE, PP, PE, PET, EVA, PTFE, Laminate, usw.

Frühre Patentanmeldung DE 19543289 A1 - Patent Klassifikation G01L1 /24

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Immer noch gibt es weltweit kein berührungslos, real time, optisches online Oberflächenspannungs- oder Oberflächen Energiemeßsystem - dyne - für laufende Warenbahnen.

Aufgrund der stetig steigenden Herstellung und Anwendung von Oberflächen vorbehandelten oder auch unbehandelten Kunststofffolien-, Laminaten und beschichteten Papierbahnen ist hier ein unvorstellbares Marktpotential hinsichtlich der online Prozessmessung der Oberflächenspannung - dyne - und einer automatisierten Nachstellung des Vorhandlungsgrades, deren Konstanthaltung sowie einer moderaten Qualitätskontrolle und Produkt Zertifikation vorhanden.

Verständlicherweise sind viele Unternehmen aus dem In- und insbesondere aus dem Ausland am Nanotechnologie Messverfahren, an einer Projektkooperation, Entwicklung, Prototypen Testung, weltweiten Herstellung, dem Vertrieb, an Lizenznehmungen oder vergleichbaren online touchless Messsystemen für diese spezielle Industrieanwendung interessiert.

Auf unseren Internetseiten sind eine Reihe von Spektralmessungen sowie Testresultate an BOPP und LDPE Folien zu finden.

Des Weiteren das technische Anforderungsprofil an die Verfahrensmessung, dem ODSTM-1 Messsystem und deren Prototyp.

Zum seinerzeitigen Stand der Technik für STATISCHE Oberflächen Spannungsmessungen sind auszugsweise Publikationen sowie Patentanmeldungen zusammengestellt. Hierbei sind die zeitlich relativ neuen Anmeldungen, welche ausnahmslos die statische Detektion und Bildung des Oberflächen Spannungswertes mit sequentiell aufgetragenen Flüssigkeitstropfen und Bildaufnahmesystemen zum Gegenstand haben, von Bedeutung. Deren Publikationen und Patente sind in der Patentanmeldeschrift angegeben.

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IPM – International Perforation Management
High-tech engineering - China – Germany - Thailand
http://www.microperforation.com
http://www.microperforation.com.cn
http://www.deguodaguan.com/ipm/
http://www.dk3qv.de

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http://www.microperforation.com/mll-1-laser-perforation.html
http://www.microperforation.com/lpm-1.html
http://www.microperforation.com/opss-1-optical-online-porosity.html
http://www.microperforation.com/igbt-esp-unit.html
http://www.microperforation.com/online-perforation-cigarette.html

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Überarbeiteter Inhalt der Patentanmeldung DE 19542289 A1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur opto dynamischen, also einer berührungslosen, online Oberflächen-Spannung - Oberflächen-Energie Messung für laufende Substrate, wobei die Detektion sowohl in Quer- wie auch in Laufrichtung der Bahn erfolgen kann.

Unter laufenden Substraten oder bewegtem Bahnmaterial sind im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung insbesondere Kunststofffolien zu verstehen, wie z.B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA und des Weiteren kaschierte oder coatierte Film-, Folien- oder Papierbahnen, welche eine noch messbare optische Transmission im Wellenlängenbereich von 200 bis 8000 nm aufweisen.
Bei der Herstellung, Veredelung, Bedruckung und Weiterverarbeitung von laufenden Substratbahnen wird in sehr vielen Anwendungsfällen zur besseren Bedruck-, Beschicht- oder Klebbarkeit eine höhere Benetzungs- bzw. Haftungsfähigkeit des Materiales gefordert, welche durch Oberflächen-Spannung Erhöhungen erzielbar sind.

Hinsichtlich der physikalischen Zusammenhänge ist u.a. auf die nachfolgende Fachliteratur zu verweisen :
J.Hansmann : Korona Oberflächenbehandlung zur Haftungsverbesserung, Sonderdruck Papier und Kunststoffverarbeiter 4/7/81
J.Reif: Physical interaction mechanisms between laser radiation and the surface of transparent materials, Vortrag Laserkolloqium Erlangen 6.12.1989
Zafiropulos: Laser Ellipsometrie, Laser Magazin 5/91
Prof. Dr.-Ing. L.Dorn: Klebeflächen Untersuchungen mittels Rastertunnelmikroskop
Dr.Gerstenberg: Korona-Vorbehandlung zur Erzielung von Benetzung und Haftung, coating
B.Johs: real time monitoring and controlling with multi wavelength Ellipsometry, ICSE 93

Vereinfacht ist unter Oberflächen Spannung bzw. Oberflächen Energie eine physikalisch messbare Zugspannung zu verstehen, welche durch die im Grenzschichtbereich des Substrates befindlichen Moleküle und deren Adhäsionskräfte bestimmt werden. Diese energetische wie auch mechanisch anzusehende Zugspannung ist in der physikalischen Einheit Milli Newton/m mN/m, früher auch dyne/cm, definiert.

Zur Vereinfachung wird im weiteren Text für Oberflächen Spannungsenergie auch der Begriff Oberflächen Spannung benutzt.

Beispielhaft lassen sich einige Oberflächen Spannungsgrundwerte von verschiedenen Substraten angegeben : PS=33 mN/m, PA=43 mN/m, PE=31mN/m, PP=29 mN/m. Im Vergleich hierzu die Angaben für einige Flüssigkeiten Wasser=72 mN/m, Methanol=22 mN/m und Toluol=28 mN/m.

Zur Oberflächen-Spannungserhöhung oder "molekularen Aufrauhung" der Materialoberflächen kommen industrielle Vorbehandlungsverfahren mit Lösungsmitteln, Primer, Plasma, UV-Bestrahlung, Beflammung, OZON Begasung und Korona zur Anwendung.

Ein ganz wesentliches Qualitätskriterium der nach dem Veredelungs- oder Herstellungsprozess entstandenen Produkte, und dies ist völlig unabhängig vom angewandten Vorbehandlungsverfahren, ist die Ein- und Konstanthaltung der material- und produktspezifisch vorgegebenen Oberflächen-Spannung innerhalb des Verarbeitungsprozesses. Dies gilt sowohl für eine möglichst homogene Flächenausbildung, wie auch für einen kurz- und langzeitlich einzuhaltenden engen Oberflächenspannungsbereich, welcher durch die äußeren und Materialfaktoren, Vorbehandlungsart und Behandlungsänderungen exorbitant stark beeinflusst wird. So liegen beispielsweise extrudierte LDPE Folien nach deren Oberflächen-Spannung Erhöhung, je nach Verwendung von lösungsmittel- oder wasserlöslichen Farben für die Bedruckung, im Basisbereich von 36 -46 mN/m, wobei deren Variation durchweg +/- 3 mN/m und mehr betragen kann.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden diverse statische, also nicht online, und meist optisch arbeitende Messverfahren zur Detektion der Oberflächen-Spannung für bahnförmige oder stückige Materialien angewandt, wie z.B. mit Testtinten nach ASTM-D2578-67, nach der Randwinkel Messmethode, mittels der Rheologie für Flüssigkeiten, der ESCA Electron spectroscopy for chemical analysis oder ATR Methode. Die Messungen erfolgen hierbei grundsätzlich nach dem offline Prinzip, so dass zum Maschinenstillstand oder während des laufenden Produktionsprozesses Probenentnahmen mit anschließender Oberflächen-Spannungsermittlung ausgeführt werden müssen, um so den gewünschten Vorbehandlungsgrad nachträglich anzupassen bzw. die einzuhaltenden Oberflächen-Spannungswerte auf diese Weise anzustreben.

Als die wesentlichen Patent- und Offenlegungsschriften unter der IPC G01 B 11/30 sind hierzu die : EP 003.27.10 A1/B1, EP 023.72.21, DE 28.04.975 Al, EP 013.49.30 A1, DE 34.06.191 Al, DE 38.08.860 A1, DE 34.10.778 A1, DE 41.02.990 A1, DE 31.05.752 A1, DE 25.37.343, zu nennen. Aus der Anmeldung DE 22.25.946 ist weiterhin bekannt, dass mit zwei optischen Einrichtungen im online Modus vor und nach der Vorbehandlungseinrichtung versucht wird, eine Differenzmessung der Oberflächen Spannung herbeizuführen, deren Arbeitsweise aber nicht erläutert ist. Die Offenlegungsschrift DE 38.25.416 A1 hingegen beschreibt ein dynamisches Auftragsverfahren von Prüftinten auf laufende Bahnen, um so zur online Ermittlung der Oberflächen-Spannung zu gelangen.

Zur optischen online Porositätsmessung an laufenden Bahnen sind in der EP 0. 608. 544 A2 und DE 43.02.137 A 1 optische Transmissionsverfahren beschrieben, mit denen durch eine horizontale Messkopfverschiebung entlang der optischen Achse der Traversiereinrichtung und über große Bahnbreiten materialunabhängige Messwerte als Funktion der Gasdurchlässigkeit ermittelbar sind. Weiterhin sind traversierende und online arbeitende Meßsysteme für die eingangs angeführten Bahnmaterialien bekannt, mit denen im optischen Transmissionsmodus eine Vielzahl von materialspezifischen Eigenschaften messbar sind, aber keine Oberflächen-Spannungsmessung oder mathematische Ableitung möglich ist.

Aufgrund der produktionellen Vorgaben und damit gestellten Kriterien zur berührungslosen online Oberflächen-Spannung an laufenden Substraten bei völliger Unbeeinflussbarkeit der Messergebnisse von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Formation, Temperatur, Vorbehandlungsart, bei Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Bahnbreiten bis 6000 mm erfüllen die statisch und beiden dynamisch arbeitenden Verfahren nicht die aufgestellten Anforderungen.

Bei den angeführten Messverfahren ist es weiterhin von Nachteil, dass zusätzliche Maschinen- Stillstandszeiten zur Probenentnahme oder zwischen den Testintervallen unerwünschte Oberflächen-Spannung Schwankungen entstehen können. Darüber hinaus ist eine direkte Prozesssteuerung oder Regelung, CIM-Einbindung und Produktzertifizierung nicht möglich, da die Systeme offline arbeiten.

Die Kardinalforderungen an ein berührungslos und online arbeitendes Messsystem lassen sich nach den einleitenden Ausführungen wie folgt zusammenfassen :
• Verwendbarkeit für Bahnmaterialien wie z.B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA, kaschierte oder coatierte Filme, Folien oder Papiere
• Messunabhängigkeit von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Temperatur und Vorbehandlungsart
• Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min
• Bahnbreiten bis 6000 mm
• Online, real time, berührungslos arbeitendes präzises, reproduzierendes Messverfahren
• NIR Multisensor Messkopfverfahren
• Oberflächen Spannungsmessbereich von 30 bis 60 mN/m
• Reproduzierbarkeiten von +/- 1 mN/m
• Integrierbarkeit in vorhandene Traversiersysteme
• Rechnerbetrieb und Maschinen Interfacing
• Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse wie Staub, Dämpfe, Fremdlicht, Erschütterungen, usw.
• große Wartungsfreiheit
• absolute Zuverlässigkeit
• leichte Kalibrierungsmöglichkeit

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welches das angeführte Anforderungsprofil zur opto dynamischen, also einer berührungslosen Oberflächen Spannung Messung möglichst genau erfüllbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur opto dynamischen Oberflächen Spannungsmessung an laufenden Substraten löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Patenthauptanspruches 1.

Danach erfährt die im Messspalt des Systems durchlaufende und zu messende Substratbahn über zwei um 90 Grad gegeneinander versetze, optische Kanäle eine chromatische Durchstrahlung, welche auf der anderen Bahnseite durch zwei optisch gleiche Detektion Systeme erfassbar ist. Über eine Querverschiebung der beiden Lichtzuführungs- oder Detektoreinheiten entlang der optischen Achse ist es möglich, durch extreme Strahlwinkelverschiebungen und damit verbundene optische Streuungen und Beugungen im Grenzschichtbereich der Substrate zu generieren, deren eingefangenen Lichtphotonen und Intensität nach der entsprechenden Auswertung über einen konventionellen PC eine direkte Relation zur Oberflächen-Spannung, in Unabhängigkeit der eingangs genannten Materialeinflüsse, ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei einer zwei kanaligen um 90 Grad gedrehten optischen Durchstrahlung des laufenden Bahnmateriales und extreme Verschiebungen des Strahlwinkels der optischen Achsen notwendig sind, um gewünschte Streu- und Beugungseffekte im beidseitigen Grenzschicht- und sub nano Bereich, sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Richtung, bei unterschiedlichen Wellenlängen zu generieren, detektions technisch einzufangen und auszuwerten. Erst die Kombination von horizontaler und vertikaler Strahlengangführung, Durchstrahlung Winkel Änderung und der Wellenlängen spezifischen Wahl zum eingesetzten Substrat ermöglicht die Eliminierung der material spezifischen Einflüsse, so das beim optischen Durchstrahlen der Grenzschichtbereiche und deren dort befindlichen polaren Gruppen eine Messgröße ermittelbar ist, die in eindeutiger Korrelation zur physikalischen Oberflächen-Spannung steht.

Dies erfolgt im Relativmessverfahren über die Differenzbildung zwischen zwei unterschiedlichen Oberflächen-Spannung Werten bei material gleichen Substraten. Aus diesen fundamentalen Erkenntnissen ist das erfinderische opto dynamische Oberflächen Spannungsmessverfahren und deren Vorrichtung für laufende Substrate entstanden, welche die Eingangs aufgestellten Anforderungen und aufgezeigten Messvorteile in idealer Weise erfüllt und einen online Systemeinsatz ermöglicht.

Ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Messverfahren besteht darin, dass die gesamte optische Anordnung innerhalb eines Messkopfgehäuses integrierbar ist und somit auf industriell vorhandene Traversiersysteme aufgebaut und dort prozesstechnisch eingebunden werden kann. Gleichermaßen ist es möglich, das Messkopfsystem auch autark an Extruder- oder Vorbehandlungsanlagen zu betreiben, in deren Steuerungs- und Regelprozesse einzubinden und für die so hergestellten Substratprodukte eine online Zertifizierung zu ermöglichen. Dies ist ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Verfahrens, welcher produktionell und wirtschaftlich gänzlich neue Dimensionen eröffnet.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner von einer Vorrichtung zur opto dynamischen Oberflächen-Spannung Messung an laufenden Substraten mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst.

Danach ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass eine Wellenlängen durchstimmbar Lichtquellen Einrichtung zwei optisch gleiche Kanäle versorgt, die eine Transmission in vertikaler und horizontaler Position über zwei Schlitzblenden für die im Messspalt durchlaufende Substratbahn ermöglichen. Beide optische Kanäle sind geometrisch gegenüber den auf der anderen Bahnseite befindlichen und optischen Achsen angeordneten Detektoreinheiten in der X- und Y-Richtung verschiebbar. Die im Detektionsteil auf die optische Linsenanordnung einfallenden Lichtphotonen werden eingefangen, gebündelt und auf fotoempfindliche Detektoren fokussiert. Nach deren elektrischer Vorverstärkung erfolgt die Signal Auswertung und Messgrößenermittlung durch einen konventionellen PC, welcher darüber hinaus auch alle Steueraufgaben für die Wellenlängenvorgabe, X-Verstellung der optischen Achsen und System Kalibrierung übernimmt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 - 15 beschriebenen Ausführungen, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführung Beispieles der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemein bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert.

Die Zeichnungen und zusätzlichen Diagramme zeigen im Einzelnen :
• Fig. 1 die Gesamtansicht der Oberflächen Spannungsmesseinrichtung
• Fig. 2 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsengleichheit
• Fig. 3 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsverschiebung
• Fig. 4 ein Diagramm des Spannungsprofils und der Transmissionsverteilung zur Oberflächen-Spannungsermittlung für eine PP-Folie
• Fig. 5 ein Diagramm des Spannungsprofils und der Transmissionsverteilung zur Oberflächen-Spannungsermittlung für eine PE-Folie
• Fig. 6 - 11 Diagramme über den Spektralbereich, Differenzen der Oberflächen-Spannungswerte und das Verhalten bei unterschiedlichen Transmissionskriterien

Zunächst wird in der nachfolgenden Beschreibung die Vorrichtungsausführung und deren grundsätzliche Arbeitsweise erklärt, um dann eingehender das Messverfahren und die Ermittlung der Oberflächen Spannungswerte für laufende Substratbahnen zu erläutern.

In Fig. 1 ist die gesamte Oberflächen Spannungsmesseinrichtung für laufende Substrate dargestellt. Die Lichtquelleneinrichtung 1 besteht hierbei im wesentlichen aus einer industriellen Breitbandlichtquelle 4, z.B. der Kombination aus Deuterium-, Halogen- und IR-Lampe sowie der Spannungsversorgungs- und Regeleinrichtung 5, deren gemeinsamer Strahlengang über ein Linsensystem 6 und Polarisationsfilter 7 auf das akusto optische Filter 8 ausgerichtet ist. Mittels eines Hochfrequenzgenerators 9 für z.B. 10 - 100 MHz, ist es möglich, den Wellenlängenbereich von 200 nm bis zu 5000 nm kontinuierlich durch zustimmen.

Gleichermaßen ist es möglich, mit breit- oder schmal bandigen Ausleuchtungen im IR Wellenlängenbereich von z.B. 1200 - 1800 nm, und monolitischen Spektrometern die Detektion in bestimmten Wellenlängen durchzuführen, um so aufwendige akusto optische Konverter zu ersetzen.

Die Strahlauskopplung erfolgt ebenfalls über ein Polarisationsfilter 7 mit dem danach folgenden Strahlteiler 10 zur Generierung von zwei optischen Kanälen, deren Strahlen über die beiden Linsen 11 in die breitbandigen Lichtfaserbündel 12 und 13 eingekoppelt werden.

Im den zum Messkopf gehörenden Strahlzuführungsgehäuse 2 erfolgt die Ankopplung der beiden optischen Kanäle über die zugeführten Lichtfaserbündel 12 und 13, deren Strahlprojektion mittels der Linsen 14 auf die beiden vertikal 16 und horizontal 17 angeordneten Schlitzblenden zu der im Messspalt 31 senkrecht durchlaufenden Bahn 22 erfolgt. Auf der gegenüberliegenden Bahnseite befinden auf der optischen X- und Y-Achse zur achsfernen Einfangung der Lichtphotonen die großen Sammellinsen 18, die mit kleineren Linsen 19 in Richtung der Detektoren 20 kaskadiert sind. Als photoempfindliche Detektoren 20 sind sowohl breit bandige Fotodioden, Fotodiodenarrays, CCD Zeilen wie auch Bildwandler einsetzbar, welche auf der Grundplatte 21 plaziert sind. Zur Abdeckung des breiten Wellenbandes von 200 - 2000 nm hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Detektoren 20 gemäß ihrer Spektralempfindlichkeit für zwei Wellenlängenbereiche entsprechend auszuwählen und dual einzusetzen.

Der Messspalt 31 hat vorzugsweise eine Weite von 10 mm, so dass für die durchlaufende Bahn 22 auch bei nicht exakter Positionierung, mittiger Führung oder Positionsbewegung ein genügend großer Freiraum verbleibt. In Figur 1 und 2 sind zur Vereinfachung die mechanischen Verschiebelemente für die X-Verstellung 23 und 24 beider optischen Kanäle zu den Mittenachsen 32 und 33 nicht dargestellt. Eine besonders große messtechnische Bedeutung nimmt hierbei die optische Detektoranordnung 20 weit außerhalb der eigentlichen Brennpunkte 29 ein, um so die durch Streustrahlung und Beugung an den Grenzflächen der laufenden Bahn transmittierten und achsfernen Lichtphotonen auf die Detektoren abzubilden.

Fig. 2 zeigt die sich aus der vertikalen Schlitzblende 16 und optischer Achse der Strahlzuführungseinheit 32 und Detektoren 33 ergebene Kissenform 34 des ersten optischen Kanals auf dem Detektor 20. Analog hierzu ist in der gleichen Figur die optische Abbildung 35 des horizontal angeordneten, zweiten Kanals bei Achsengleichheit 32 zu 33 auf dem Detektor 20 dargestellt.

Mit der X-Verschiebung von Strahlzuführungs- 32 zur Detektorachse 33, wobei vorzugsweise die Detektionseinheit gegenüber der Strahlzuführung bewegt wird, ergibt sich eine optisch verzerrte Abbildung in vertikaler 36 und horizontaler 37 Richtung, wie dies aus Figur 3 zu ersehen ist. Die mit dem erfinderischen Messverfahren erzeugte Abbildungsverzerrung resultiert aus einer Kombination der vertikalen und horizontalen Schlitzblendengeometrien und optischen X-Achsverschiebung der Detektoren weit außerhalb deren Linsenbrennpunkte 29.

Aus verschiedenen produktionellen Anwendungen und den eingangs genannten Anmeldungen ist bekannt, dass eine Selektion der material spezifischen Eigenschaften der laufenden Substrate bei unterschiedlichen Wellenlängen, den sogenannten finger prints, möglich ist. Diese grundlegende Erkenntnis führt bei diesem Messverfahren dazu, dass die Wellenlängenwahl verbunden mit der optischen X-Achsenverschiebung zur Kompensation der Substrateigenschaften benutzt wird, um so den Oberflächen-Spannung Wert unbeeinflusst von den Materialkriterien zu ermitteln.

Im Diagramm der Figur 4 sind am Beispiel zwei materialgleicher PP-Folien 38 bzw. 39 und unterschiedlicher Oberflächen-Spannung von 37 mN/m bzw. 43 mN/m deren Transmissionswerte, detektiert bei gleicher Wellenlänge und mit fotoempfindlichen Sensoren, dargestellt. Auf der unteren Ordinate ist die optische Durchlässigkeit beider Substrate 38 und 39 als Funktion einer einseitigen Achsenverschiebung zwischen 32 und 33 ausgeführt, deren optischen Achsdeckung in den Punkten 32 und 33 definiert ist. Es ist deutlich zu erkennen, dass die material gleichen, aber mit unterschiedlichen Oberflächen-Spannungswerten behafteten PP-Folien 38 und 39, über die optische Achsverschiebung eine Betragsdifferenz erfahren, deren substituiertes Flächenintegral 40 die Differenz zwischen den Oberflächen-Spannungswerten von 37mN/m zu 43mN/m als Betrag Änderungen der Oberflächenspannung ausweisen. Auf der Absizze ist der Verschiebebetrag bzw. die Verschieberichtung nach rechts aufgetragen.

Figur 5 zeigt analog hierzu am Beispiel zweier PE-Folien 41 und 42, welche mit Oberflächen Spannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m behaftet sind, mit den nach der Substitution sich eine Flächenintegral 43 als Differenz des Oberflächenbetrages ausweist.

Die elektrische Schaltung der optischen Detektoren, welche aus einzelnen Fotodioden, Fotodioden-Arrays oder CCD Zeilen bestehen kann, ist technisch allgemein bekannt, und deshalb nicht weiter dargestellt. Auch deren elektrische Ankopplung mittels AD Wandlungskarte und/oder Multiprozessorkarte an einen konventionellen PC bedarf keiner weiteren Erklärungen.

Auf die Signalauswertung und Differenzbildungen wird auch im nachfolgenden Erklärungsteil vertiefter eingegangen.

Wie schon im Eingangsteil ausgeführt, ist erfinderisch erkannt worden, dass zwei um 90 Grad versetzte optische Substratdurchstrahlungen und deren Strahlverschiebungen entlang der optischen X-Achsen Streu- und Beugungseffekte im beidseitigen Grenzschichtbereich generieren, welche material spezifisch von der verwendeten Wellenlänge abhängig sind. Die auf diese Weise transmittierten und detektierten Lichtquanten ermöglichen nach der Signalkonditionierung eine betragsmäßige Ermittlung des Relativmesswertes für die Oberflächen-Spannung. Zur Vereinfachung dieser Vorrichtungsbeschreibung sind alle mechanischen Ausführungen und Angaben zur Traversiereinrichtung für die Links- und Rechts Verschiebungen 23 der optischen X-Achsen 27/28 nicht weiter angegeben, da deren grundsätzliche Arbeitsweise als allgemein bekannt vorausgesetzt wird.

Das mit dem erfinderischen Messverfahren entwickelte Transmissionsverhalten und deren Ableitungen zur Bestimmung der opto dynamischen Oberflächen-Spannung an laufenden Substraten lassen sich physikalisch und lichtquantentechnisch wie folgt erklären :

Die von der Wellenlänge abhängige Transmissionsänderung bei optisch durchlässigen Substraten 22 erzeugt ein materialspezifisches Durchlassverhalten, den so genannten finger-prints, was physikalisch allgemein bekannt ist und technisch für eine Vielzahl von Applikationen eingesetzt wird. Für das erfinderische Verfahren findet die Wellenlängen Veränderung im Bereich von 200 nm bis 8000 nm mittels einer Breitbandlichtquelle 4 und eines durch stimm baren akusto optischen Filters 8 statt.

Aus dem Elipsometrie Messverfahren für transparente Kunststofffolien ist zu erfahren, dass optisch gedrehte und polarisierte Strahlengänge die mathematische Dickenermittlung dieser laufenden Substrate ermöglichen. Für das hier beschriebene Verfahren haben die Polarisationsfilter 7 die Aufgabe der Strahlein- und Auskopplung für das akusto optische Filter 8. Eine optische um 90 Grad gedrehte Durchstrahlung der laufenden Substratbahnen 22 ist über die beiden Kanäle 12 und 13 sowie den Längs- 16 und Querschlitzblenden 17 verifiziert. Mit dieser Ausführung ist eine detektions technische Berücksichtigung der längs- und quer orientierten Material Formationen, wie sie häufig bei biaxialen Folien, coatierten Bahnen oder Multilayern auftritt, möglich.

Spezielle Schlitzblenden 16 und 17 erzeugen an ihren Rändern extreme Streustrahlung und damit verbundene Veränderung des Strahlungswinkels, die weit entfernt von der optischen Achslinie 27/28/32/33 liegen. Teilweise werden diese Streustrahleffekte bei verschiedenen industriellen Verfahren zur Glanz-, Glätte-, Divergenz-, Opazitäts- oder Porositätsmessung von optisch durchlässigen Materialien messtechnisch genutzt und berücksichtigt. Die in beiden optischen Kanäle 12/13 bei der Ein- und Auskopplung in das laufende Substrat 22 transmittieren Streustrahlungen führen zu Adsorptions- und Diffusionserscheinungen an deren Grenzflächen.

Es hat sich bei Untersuchungen der Streustrahlung mit chromatischem Licht gezeigt, dass entgegen der allgemeinen Wellenlängentheorie Änderungen in der Molekularstruktur optisch nachweisbar sind, welche um den Faktor 1000 kleiner sind, als die verwendete Wellenlänge. Dies bedeutet, dass bei einer Wellenlänge von z.B. 400 nm optische Detektionen von "molekularen" Rauhigkeitkeiten im Grenzschichtbereich der jeweiligen Materialseite von < 400 pm möglich sind.

Die für die Oberflächen-Spannung, Materialhaftung und polaren Gruppen verantwortlichen Grenzschichtbereiche bewegen sich zwischen 10 bis 200 Ängström, was 1 nm bis zu 20 nm entspricht.
Bei diesen speziellen Geometrien der Materialdurchstrahlung erfahren die transmittierten Lichtquanten bei Veränderungen der einseitigen oder beidseitigen "molekularen Aufrauhung" im Grenzschichtbereich und einer damit verbundenen Oberflächen Spannungserhöhung eine erleichterte Materialtransmission, was zu einer größeren Lichtquantenausbeute auf der Detektorseite führt.

Nur so lassen sich die praktischen Ergebnisse interpretieren, die eine direkte Korrelation zur Oberflächen-Spannungsdifferenz 40 und 43, und dies völlig unabhängig von der Material-, Oberflächenkonsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Temperatur oder der Vorbehandlungsart erlauben.

Die geschilderten und für dieses Verfahren benutzten Transmissionserhöhungen sind dann besonders signifikant ausgeprägt, wenn die verwendete Wellenlänge in der Nähe oder direkt im Resonanzpunkt der Bahnsubstrate liegt, also eine stark verminderte optische Durchlässigkeit als Opakheit auftritt und eine sensorische Erfassung weit außerhalb der Linsenbrennpunkte stattfindet. Diese lichtquantentechnischen Resonanzpunkte sind materialspezifisch zugeordnet und verändern sich im laufenden Produktions- und Veredelungsprozess für die laufenden Bahnen nur unwesentlich, wie praktische Ergebnisse zeigen.

Hat eine Materialseite höhere Oberflächenspannungswerte als die andere, so entstehen Differenzen in der Detektion, die nach der Auswertung proportional zur Differenz der Oberflächenspannungswerte stehen.

Weitere Versuchsreihen mit dem erfinderischen Verfahren zeigen, dass mit der angeführten Vorrichtung und den beschriebenen optischen X-Achsverschiebungen und damit ausgelösten Streu- und Beugungseffekten im sub-nano-layer Grenzschichtbereich der Substratbahnen 22 genügend große Mengen von transmittierten Lichtquanten freisetzbar sind.

Da es sich bei diesem Verfahren um eine Relativmeßmethode handelt, ist es notwendig, die gewünschten Oberflächen-Spannungswerte über eine Korrelations- oder Vergleichsmessung bei gleichen Substratarten oder Artengruppen mit niedrigen und höheren Oberflächen-Spannung Werten, gemäß einem Zweipunktverfahren, zu ermitteln.

Basierend auf den vorstehenden und notwendigen Erläuterungen lässt sich die Zweipunkt Kalibrierung des opto dynamischen Verfahrens in folgenden Schritten zusammenfassen :

im ersten Kalibrierungsschritt wird im Messspalt 31 die später dynamisch zu messende Substratart mit bekannter, aber niedriger Oberflächen Spannung, z.B. einer PP-Folie 38 mit 37mN/m, auf einer besonderen Vorrichtung eingelegt und statisch detektiert

anschließend erfolgt die Findung des Resonanzpunktes über die Wellenlängenvariation im Bereich von z.B. 200 nm bis 8000 nm mittels des akusto optischen Filters 8 für beide optischen Kanäle, und deren fotoempfindlichen Detektoren und entsprechenden Signalkonditionierung die zahlenmäßige Auswertung durch einen Personalcomputer ermöglichen

die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind beim ersten Wobbeldurchgang der Wellenlängen deckungsgleich
für den zweiten Wobbeldurchgang erfolgt die beschriebene Achsverschiebung zur rechten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44

im dritten Wobbeldurchgang folgt analog hierzu die Achsverschiebung zur linken Seite in X-Richtung
nach einer einfachen Substitutionsmethode lässt sich jetzt aus den drei aufgenommenen Spannungsintegralen der materialspezifische Resonanzpunkt ermitteln, welcher durch den größten Adsorptionswert bestimmt wird

gleichzeitig bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links und Rechts Verschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse 27/28 entstanden sind, innerhalb dieses Resonanzpunktes den Kalibrierungswert 1 für die Oberflächen Spannung dieses PP-Substrates von 37 mN/m

im zweiten Kalibrierungsschritt erfolgt analog hierzu die Detektionsaufnahme des im Messspalt 31 eingelegten zweiten und artgleichen PP-Substratmusters von z.B. 48 mN/m, wobei die zumessende Substratbahn später in dem Bereich dazwischen dynamisch gemessen werden soll

der weitere Ablauf zur Detektionsaufnahme gestaltet sich in der gleichen Weise, wie zuvor geschildert
es sind aber auch andere Wertekonstellationen von z.B. 29 mN/m für PP-Folien oder 31 mN/m für PP-Folien denkbar

anschließend erfolgt zur Verfestigung der Erstdatenaufnahme nach der gleichen Substitutions Methode die material spezifische Resonanzpunktfindung, deren Punkt ebenfalls durch den größten Adsorptionswert bestimmt wird in Versuchen hat sich gezeigt, dass bei beiden Kalibrierungsschritten die Resonanzpunkte nahezu deckungsgleich sind so sind z.B. bei speziellen PP-Folien die Resonanzpunkte bei einer Wellenlänge von 2800 nm und für spezielle PE-Folien bei 3200 nm zu finden

beispielhaft sind in Figur 4 die sich hierbei ergebenen Spannungsprofile 38/39 im Resonanzpunkt dargestellt
dabei bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links- und Rechtsverschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse entstanden sind, den Kalibrierungswert 2 für die Oberflächen-Spannungsdifferenz dieses artgleichen PP-Substrates 3 von 43 mN/m

die Integraldifferenz beider Kalibrierungsaufnahmen sind den beiden Oberflächen Spannungswerten von 37 mN/m und 43 mN/m zugeordnet, also 6 mN/m, um so das opto dynamische Relativmeßsystem in Betragsübereinstimmung mit den tatsächlichen Absolutwerten zu bringen

die sich aus den beiden Resonanzpunkten ergebene Wellenlänge wird für die weiteren Messabläufe und während des laufenden Messprozesses nicht mehr variiert

damit ist die Zweipunktkalibrierung abgeschlossen

eine Strahlintensitätsüberwachung oder Abweichung ist in der Weise bei der erfinderischen Vorrichtung vorteilhafter Weise realisiert, dass diese immer bei optischer Achsdeckung von 32/33, also bei jedem Rechts- Linkszyklus der X-Verschiebung, über die Sensoren stattfindet

Der Messablauf und die Ermittlung der aktuellen Oberflächen-Spannungswerte lassen sich für die laufenden Substrate im online Betrieb, und dies sowohl für traversierende wie auch stationäre Meßsystemausführungen, wie folgt beschreiben:

die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind zum Messbeginn deckungsgleich

danach erfolgt zunächst die beschriebene Achsverschiebung zur rechten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44 bei gleichzeitiger Aufnahme der Detektionswerte für den optischen Kanal 12 und 13

anschließend erfolgt die Traversierbewegung und Detektionsaufnahme zur linken Seite in X-Richtung

beispielhaft sind in Figur 4 die sich aus der Rechtsbewegung 23 des Strahlzuführung 2 zum Detektorgehäuse 3

aufgenommenen Spannungsintegrales für PP-Substrate dargestellt

basierend auf den Zweipunktkalibrierwerten von 37 mN/m und 43 mN/m lässt sich jetzt nach der Substitutionsmethode der zwischen diesen beiden Werten liegende und aktuelle Oberflächen Spannungsbetrag rechnerisch leicht ermitteln und ausweisen

Praktische Messungen zeigen, dass die mit dem hier beschriebenen Verfahren und deren Vorrichtung ermittelten Oberflächen-Spannungswerte an laufenden Substratbahnen gegenüber den statischen Messungen um +/-1 mN/m als Absolutbetrag variieren und damit in der gewünschten Messauflösung verbleiben. Gleichermaßen sind Messbereiche von 28 - 53 mN/m erzielt worden.

Ein weiteres Beispiel dieser Kalibrier- bzw. Messverfahrensweise und den sich daraus ableitenden Messwerten sind für ein PE-Substrat mit Oberflächen Spannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m der Figur 5 zu entnehmen.

Für einen Meßsystemeinsatz im Traversiermodus wiederholen sich die beschriebenen Messvorgänge zyklisch über die Bahnbreite, wie dies für andere technische Prozessmeßsysteme allgemein bekannt ist. Im stationären Betrieb verbleibt in der Regel der Messkopf über die laufende Substratbahn, wobei es auch denkbar ist, diesen auf einer mechanischen Vorrichtung manuell auf die andere Bahnseite zu verschieben und dort die Oberflächen-Spannung opto dynamisch zu messen.

Zur Prozesskontrolleinbindung oder Nachregelung von Vorbehandlungsprozessen zur Oberflächen Spannungserhöhung, wie dies häufig bei Corona- oder Flammbehandlungen erwünscht ist, sind die ermittelten Substitutions- und über die Kalibrierung zugeordneten Absolutwerte nach einer Signal Konditionierung und in technisch bekannter Weise mit dem gleichen PC umform- und den externen Einrichtungen zu führ bar. Gleichermaßen gilt dies für die statistische Weiterverarbeitung der Messdaten hinsichtlich deren Mittelwerte, Variationskoeffizienten, Trends, Grenzwertüberschreitungen usw., wie dies von Prozessmesseinrichtungen gefordert wird.

Abschließend sei hervorgehoben, dass die erfinderische Lehre durch die voran stehenden Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch keinesfalls eingeschränkt ist. Vielmehr lässt sich die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfahrensschritte zur opto dynamischen Oberflächen-Spannung an laufenden Substratbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale aufweisen.

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Zusammenfassung
Zur opto dynamischen online Oberflächen-Spannungsmessung wird ein Verfahren und deren Vorrichtung beschrieben, mit der die im Messspalt senkrecht durchlaufende Substratbahn über zwei um 90 Grad gegeneinander versetzte Optokanäle eine chromatische Lichtdurchstrahlung erfahren, welche auf der anderen Bahnseite durch zwei optische Detektionssysteme erfassbar sind.

Durch material spezifische Wellenlängenwahl, Durchstrahlung Winkel Änderungen, Polarisation Schlitzblenden und Querverschiebungen der Strahlzuführungen entlang der optischen X-Achsen entstehen extreme Streuungen und Beugungen der IR-Lichtphotonen im beidseitigen Grenzschichtbereich der sub-nano-layer innerhalb der Substratbahn, deren transmittierte Lichtintensität nach der Detektion und Auswertung eine direkte Relation zur absoluten Oberflächen-Spannung ermöglichen.

Und dies in völliger Unabhängigkeit der materialspezifischen Einflüsse wie : Material-, Oberflächen Konsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Temperatur oder Vorbehandlungsart.

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P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren und zur opto dynamischen Oberflächen-Spannungsmessung an laufenden Substrat Bahnen wie : Kunststofffolien, kaschierte oder coatierte Film-, Folien- oder Papierbahnen, welche eine noch messbare optische Transmission im Wellenlängenbereich von 200 bis 8000 nm aufweisen und dadurch gekennzeichnet, dass die optisch-stationär oder über die Bahnbreite traversierend und online arbeitende Messeinrichtung die im Messspalt (31) senkrecht durchlaufende Substratbahn (2) mit zwei um 90 Grad gegeneinander versetzen Optokanälen (12/13) mit chromatischem Licht in einem moderat veränderbaren Wellenlängenbereich von 200 nm bis zu 8000 nm durch strahlt wird und das während der Transmission gegenüber der optischen Y-Achsen (32/33) nach links und rechts gerichtete Querverschiebungen (23) der beiden Strahlzuführungen (12/13) gegenüber den auf der anderen Substratbahnseite befindlichen Detektoren (20) und entlang deren optischen X-Achsen (27/28) stattfinden, so dass die beiden Y-Achsen (32/33) während des für beide Kanäle (12/13) zeitgleich ablaufenden Messvorgangs nicht deckungsgleich sind, und über die so erzeugten optischen Abbildungsverzerrungen sich Transmissionsintegrale ausbilden aus denen der Relativwert der Oberflächen-Spannung gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Detektion der durchlaufenden Substratbahn (22) und deren Grenzschichtbereiche transmittierenden Licht Photonenmenge außerhalb der Brennpunkte (23) der fotoempfindlichen Elemente (20) auf der Sensorseite erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge zur Findung des größten Absorptionswertes der Materialbahn lückenlos im Bereich von 200 nm bis 8000 nm durchstimmbar ist und die Oberflächen-Spannungsermittlung in diesem Adsorptionspunkt ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verschiebeprozess entlang der beiden optischen Achsen (27/28) eine Integralaufnahme als Funktion der transmittierten Lichtintensität verbunden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächen-Spannung Messwert nach der Substitutionsmethode gegenüber zwei bekannten Substratmesswerten gleicher Materialart berechenbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Meßsystemkalibrierung zwei Oberflächen-Spannungswerte bei gleicher Substratart statisch aufgenommen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die im Messspalt (31) senkrecht durchlaufende Substratbahn (22) mit chromatischem Licht von einer Seite durchstrahlt und auf deren Lichtintensität auf der anderen Substratseite detektionstechnisch erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Messprozesses eine Verschiebeeinrichtung die Strahlzuführung mit den beiden um 90 Grad versetzten optischen Kanälen (12/13) gegenüber den Detektoren (20) entlang der optischen X-Achse (27/28) geometrisch verändert, so dass deren Y-Achsen (32/33) beim Messvorgang nicht mehr deckungsgleich sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Breitbandlichtquelle (4) für den Wellenlängenbereich von 200 nm bis 8000 nm benutzt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge mittels eines akusto optischen Filters (8) lückenlos variiert wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei breitbandige Lichtfaserbündel (12/13) die Strahlzuführung zum Messort an der laufenden Substrat Bahn (22) zuführen.

11. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass über zwei um 90 Grad versetzte Schlitzblenden (16/17) die Strahlprojektion auf die im Messspalt durch laufende Substratbahn (22) stattfindet.

12. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Verschiebeeinrichtung die Strahlzuführung (12/13) gegenüber dem Detektorgehäuse (3) entlang der optischen und geometrischen X-Achse (22/23) zu beiden Seiten und während des Messvorganges bewegt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden fotoempfindlichen Detektoren (20) außerhalb deren Linsenbrennpunkte (29) und um 90 Grad gegeneinander versetzt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Spannung Messeinrichtung eigenständig stationär oder mechanisch in vorhandene Traversiersysteme integriert und in den Prozessmessbetrieb online eingebunden ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehren der Ansprüche 7 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Auswertung, Ermittlung der Oberflächenspannungswerte, Steuerung der Verschiebeeinrichtung und des akusto optischen Filters (8) mittels eines Personalcomputers ausgeführt wird.

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