DE102007044606A1 - Correlation model developing method for e.g. food industry, involves determining chemical characteristics of cellulose or paper sample and selecting chemical-analytical process, which enables quantitative determination of values - Google Patents
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Abstract
Description
I. AnwendungsgebietI. Field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der chemischen Eigenschaften und damit des Zustandes von Zellstoff und Papier, insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung des Carbonyl- und Carboxylgruppengehaltes, der mittleren Molmasse und des Oberflächen-pH-Wertes von Zellstoff und Papier.The The present invention relates to a nondestructive process Determination of the chemical properties and thus of the condition of pulp and paper, in particular a method of determining the Carbonyl and Carboxylgruppengehaltes, the average molecular weight and the surface pH of pulp and paper.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur
- a) Korrelation von Referenz-Kerngrößen aus IR-Spektren mit diesen chemischen Eigenschaften unter Verwendung von multivariater Datenanalyse und
- b) darauf basierend die Entwicklung von Modellen, um
- i) den aktuellen Zustand des Papiers zu bestimmen und
- ii) das zukünftige chemische und physikalische Verhalten von Cellulose oder daraus hergestellten Produkten vorhersagen zu können.
- a) Correlation of reference core sizes from IR spectra with these chemical properties using multivariate data analysis and
- b) based on this the development of models
- i) to determine the current state of the paper and
- ii) be able to predict the future chemical and physical behavior of cellulose or products made from it.
II. Technischer HintergrundII. Technical background
In verschiedenen Bereichen der Zellstoffanalytik ist es von großem Interesse, Einblick vor allem in den Oxidationszustand von Cellulose zu bekommen.In It is very important in various areas of pulp analysis Interest, insight especially in the oxidation state of cellulose to get.
Detaillierte Angaben zum Gehalt an Carbonyl- und Carboxylgruppen sowie der mittleren Molmasse, des Oberflächen-pH-Wertes und anderer Eigenschaften kön nen herangezogen werden, um einerseits den momentanen Status und andererseits das zukünftige chemische und physikalische Verhalten der Cellulose und/oder daraus hergestellter Produkte, besonders Papier, vorhersagen zu können oder Qualitätsurteile zu begründen.detailed Information on the content of carbonyl and carboxyl groups and the middle Molecular weight, surface pH and other properties Kings can be used, on the one hand the current Status and on the other hand the future chemical and physical Behavior of the cellulose and / or products made from it, especially paper, to be able to predict or quality judgments to substantiate.
Besonders
der Carbonylgruppengehalt erlaubt Aussagen über den oxidativen
Stress, dem Zellstoff oder Papier in der Vergangenheit z. B. während
der Verarbeitung ausgesetzt worden ist (
Carbonylgruppen reagieren verstärkt auf Licht und Temperatur, das Papier wird also gegenüber Lichteinwirkung und Klimaschwankungen sensibilisiert. Folglich kann auf eine erhöhte Lichtempfindlichkeit des untersuchten Zellstoffs/Papiers geschlossen werden.carbonyl react more strongly to light and temperature, the paper So is against light and climatic fluctuations sensitized. Consequently, increased photosensitivity can result of the pulp / paper examined.
Ähnliches
gilt auch für Carboxylgruppen (
Da allein aufgrund optischer Eigenschaften nicht auf den Carbonylgruppengehalt geschlossen werden kann – ein oxidativ gebleichtes Papier kann z. B. sehr hell erscheinen und gleichzeitig einen hohen Carbonylgruppengehalt aufweisen – ist es nötig, über fundierte und aussagekräftige analytische Daten zu verfügen.There due to optical properties not on the Carbonylgruppengehalt can be closed - an oxidatively bleached paper can z. B. appear very bright and at the same time a high carbonyl group content - it is necessary to have sound knowledge and have meaningful analytical data.
Carboxylgruppen sind die letzte Oxidationsstufe, sie entstehen aus Carbonylgruppen und sind somit ebenfalls ein Anzeiger für den oxidativen Stress. Weiterhin kann das H+-Ion der Carboxylgruppe dissoziieren, so dass eine interne Säure vorliegt. An der so entstandenen COO-Gruppe können sich Übergangsmetallionen an die Cellulose binden, welche die Stabilität des Moleküls negativ beeinflussen.Carboxyl groups are the last oxidation state, they are formed from carbonyl groups and are therefore also an indicator of oxidative stress. Furthermore, the H + ion of the carboxyl group may dissociate to give an internal acid. At the resulting COO group transition metal ions can bind to the cellulose, which adversely affect the stability of the molecule.
Die mittlere Molmasse hingegen gibt Auskunft über die durchschnittliche Länge der Cellulosemoleküle, die sich in einer Zellstoff-/Papierprobe befinden. Somit sind hieraus Rückschlüsse auf die mechanische Stabilität zulässig.The average molecular mass, however, gives information about the average Length of the cellulose molecules that are in one Pulp / paper sample are located. Thus, these are conclusions allowed on the mechanical stability.
Der
pH-Wert gibt einen Hinweis auf die im Papier vorhandenen Säuren.
Es gilt als gesichert, dass saure Hydrolyse ein Hauptfaktor beim
Papierabbau ist, ein geringer pH-Wert deutet folglich auf einen
bereits stattfindenden Abbau und verschlechterte Haltbarkeitserwartungen
hin. Aber auch ein höherer pH-Wert kann zur oxidativen
Zerstörung der Cellulose führen (
Weitere Parameter, beispielsweise die Papierdicke oder der Weißgrad, unterstützen die Beschreibung und Beurteilung der Papierqualität. Unter Papierqualität wird hier ein Begriff zur Umschreibung der chemischen und mechanischen Stabilität von Papieren verstanden.Other parameters, such as paper thickness or whiteness, support the description and assessment of paper quality. Under paper quality here is a term for the description of the chemical and mechanical stability of papers understood.
Der Weißgrad und die Papierdicke stellen aber einzeln genommen eher ambivalente Parameter dar. Sie geben allein keinen eindeutigen Aufschluss über den Papierzustand und können sogar widersprüchlich sein.Of the Whiteness and paper thickness are taken individually rather ambivalent parameters. They do not give a clear name alone Information about the state of paper and can even be contradictory.
Tendenziell ist jedoch zu erwarten, dass ein dickes Papier von eher heller Farbe bessere Haltbarkeitseigenschaften als ein dünnes, bereits stark verfärbtes Papier aufweisen wird.The trend However, it is to be expected that a thick paper of rather light color better durability properties than a thin, already strongly discolored paper will have.
Natürlich können Papierdicke und Weißgrad auch mittels bekannter, konventioneller Methoden zerstörungsfrei ermittelt werden, ihre Bestimmung kann jedoch auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, z. B. ergänzend zu anderen chemischen Eigenschaften bestimmt werden.Naturally paper thickness and whiteness can also be determined by means of known, conventional methods are determined non-destructively, However, their determination can also with the invention Procedures are performed, for. B. supplementary to other chemical properties.
Alle
erwähnten Parameter gemeinsam, Carbonyl- und Carboxylgruppengehalt
sowie mittlere Molmasse, Oberflächen-pH-Wert, aber auch
Weißgrad und Papierdicke, geben Auskunft über
den aktuellen Zustand und die Alterungsneigung von Papier (
Weiterhin erlauben sie eine Planung angemessener Maßnahmen zur Stabilisierung und die daraus folgende notwendige Behandlung.Farther allow planning of appropriate stabilization measures and the consequent necessary treatment.
In letzter Zeit wurde erfolgreich eine Kombination von IR-Spektroskopie und multivariaten Kalibrationsmodellen eingesetzt, um chemische und physikalische Eigenschaften von Papierbrei, Cellulose, etc. bei der Papier- und Zellstoffherstellung zu bestimmen.In Recently, a combination of IR spectroscopy has been successful and multivariate calibration models used to prepare chemical and physical properties of pulp, cellulose, etc. in paper and pulp production.
Dabei werden Werte, die meist aufwändig mit nasschemischen Analysemethoden gewonnen werden müssen, mit Referenz-Kenngrößen aus Infrarotspektren sowohl im nahen Infrarot (NIR) als auch im mittleren Infrarot (MIR), mittels einer geeigneten multivariaten Kalibration in einem Modell verknüpft, welches dann die nasschemische Analytik ersetzen kann.there are values that are usually complicated with wet-chemical analysis methods must be obtained, with reference parameters from infrared spectra in both the near infrared (NIR) and the medium infrared (MIR), by means of a suitable multivariate Calibration linked in a model, which then the wet chemical Can replace analytics.
Dieses Verfahren wurde bereits in der Lebensmittelindustrie, Pharmaindustrie sowie Holz-, Zellstoff- und Papieranalytik eingesetzt. Daten, die sonst nur mit erheblichem Aufwand durch nasschemische Analysenmethoden zugänglich sind, können auf diese Weise schnell und ohne Probenahme und damit zerstörungsfrei ermittelt werden.This Procedure has already been in the food industry, pharmaceutical industry as well as wood, pulp and paper analysis. Data that otherwise only with considerable effort by wet-chemical analysis methods can be accessed this way quickly and without sampling and thus determined non-destructive become.
In der Analytik von Zellstoffen wurde diese Kombination zur Vorhersage von z. B. Festigkeitseigenschaften von Zellstoff herangezogen.In In pulp analysis, this combination became predictive from Z. B. Strength properties of pulp used.
Die
Das
Diese Verfahren umfassen
- (I) die Entwicklung eines Kalibrationsmodells durch
- (Ia) Aufnahme von Absorptions-, Reflektions- oder Emissionsspektren von Referenzproben an Papier mit bekannten Eigenschaften,
- (Ib) Bearbeiten der Rohdaten aus den Spektren und
- (Ic) Analysieren der Daten mittels chemometrischer Methoden,
- (II) Bestimmen der unbekannten Eigenschaften von Papierbrei und/oder Papier durch
- (IIa) Aufnahme von Absorptions-, Reflektions- oder Emissionsspektren von Papierproben mit unbekannten Eigenschaften,
- (IIb) Bearbeiten der Rohdaten und
- (IIc) Anwendung des entwickelten Kalibrationsmodells aus (I).
- (I) the development of a calibration model
- (Ia) recording absorption, reflection or emission spectra of reference samples on paper with known properties,
- (Ib) Processing the raw data from the spectra and
- (Ic) Analyzing the Data Using Chemometric Methods
- (II) determining the unknown properties of pulp and / or paper
- (IIa) recording absorption, reflection or emission spectra of paper samples with unknown properties,
- (IIb) edit the raw data and
- (IIc) Application of the developed calibration model from (I).
Von den nasschemisch untersuchten Referenzproben werden dort also keine Spektren aufgenommen.Thus, no spectra of the wet-chemically examined reference samples are recorded there men.
Weiterhin
werden NIR-Spektren auch dafür eingesetzt, um die Ausbeute,
die Kappa-Zahl, den Gehalt von Lignin, Glucose, Xylose und Uronsäuren
in Zellstoffen zu bestimmen (
Weitere
Parameter, die bestimmt wurden, sind Grenzviskosität, Polymerisationsgrad,
Kupferzahl und Weißgrad von verschiedenen Zellstoffen und
Papieren (
MIR-Spektren in Verbindung mit multivariater Kalibration wurden bisher für die Vorhersage von Extraktstoffen, Lignin, gesamtem Kohlenhydratgehalt und Dichte, jedoch bisher nicht zur Ermittlung chemischer Eigenschaften, die mit dem oxidativen Stress des Papiers korrelieren, insbesondere nicht dem Gehalt an Carbonyl- und Carboxylgruppen verwendet.MIR spectra in connection with multivariate calibration have been so far for the prediction of extractives, lignin, total carbohydrate content and density, but not yet for the determination of chemical properties, which correlate with the oxidative stress of the paper, in particular not used in the content of carbonyl and carboxyl groups.
Die im Stand der Technik beschriebenen nasschemischen Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Papierbrei oder Festigkeitseigenschaften von Papie ren, wie die Grenzviskosität und die Kupferzahl, als häufig vorhergesagte chemische Eigenschaften, oder die physikalischen Verfahren zur Bestimmung beispielsweise der Zugfestigkeit, der Null-Zugfestigkeit und der Berstfestigkeit haben den Nachteil, dass für die Bestimmung dieser Parameter große Probenmengen und vielfache Wiederholungen benötigt werden.The in the prior art described wet chemical processes for Determination of properties of pulp or strength properties of papers, such as intrinsic viscosity and copper number, as frequently predicted chemical properties, or the physical methods for determining, for example, the tensile strength, zero tensile strength and bursting strength have the disadvantage that for the determination of these parameters great Sample volumes and multiple repetitions are needed.
Ein weiterer Nachteil der Bestimmung mechanischer Papiereigenschaften besteht darin, dass sie eine oxidative Schädigung der Cellulose erst bei hohem Schädigungsgrad widerspiegeln, also hohen Carbonyl- und Carboxylgruppengehalten bzw. stark erniedrigten mittleren Molmassen.One further disadvantage of the determination of mechanical paper properties is that they cause oxidative damage to the cellulose reflect only at high levels of damage, so high Carbonyl and carboxyl groups or strongly reduced middle Molecular weights.
III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention
a) Technische Aufgabea) Technical task
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um zum einen zerstörungsfrei möglichst genaue Aussagen über die chemischen Eigenschaften von Cellulose und Papier zu machen und dies zum anderen bereits in einem sehr frühen Stadium der Schädigung von Cellulose und Papier in dem die mechanischen Eigenschaften des Papiers noch kaum beeinflusst sind.It It is therefore an object of the invention to provide a method for a non-destructive as accurate as possible Statements about the chemical properties of cellulose and to make paper and this to another already in a very early stage of the injury of cellulose and Paper in which the mechanical properties of the paper barely are affected.
b) Lösung der Aufgabeb) Solution of the task
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 11 und 12 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen in den abhängigen Ansprüchen angegeben sind.These The object is achieved by the features of independent claims 1, 11 and 12 solved, with advantageous developments in the dependent Claims are given.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung des Carbonyl- und Carboxylgruppengehaltes, der mittleren Molmasse und des Oberflächen-pH-Wertes bereit. Weitere Parameter, wie z. B. der Weißgrad von Zellstoffen und Papieren, sowie die Dicke von Papieren können ebenfalls mit dieser Methode bestimmt werden.The The invention provides a method for nondestructive determination the carbonyl and carboxyl group content, the average molecular weight and the surface pH. Other parameters, such as As the whiteness of pulps and papers, and The thickness of papers can also be determined by this method become.
1. erfindungsgemäßer Aspekt1. inventive aspect
Der erste erfindungsgemäße Aspekt betrifft ein Verfahren zur Entwicklung von Korrelationsmodellen für die zerstörungsfreie Bestimmung von chemischen Eigenschaften von Zellstoff oder Papier mittels IR-Spektren, welches umfasst:
- (a) chemisch-analytische Bestimmung der chemischen Eigenschaften von Zellstoff- oder Papierreferenzproben, um Referenzwerte zu erhalten;
- (b) Messen der Absorption oder Reflexion derselben Zellstoff- oder Papierreferenzproben aus Stufe (a) im NIR- und/oder MIR-Bereich, um Referenzdaten zu erhalten;
- (c) gegebenenfalls mathematische Vorbehandlung der Referenzdaten;
- (d) Erzeugung von Referenz-Kenngrößen für jede Referenzprobe durch mathematische Auswertung der aus Stufe (b) oder (c) erhaltenen Referenzdaten;
- (e) Korrelation der aus Stufe (d) erhaltenen Referenz-Kenngrößen mit den aus Stufe (a) erhaltenen Referenzwerten mittels multivariater Kalibration zur Erstellung von Korrelationsmodellen, dadurch gekennzeichnet, dass für Schritt (a) eine solche chemisch-analytische Methode ausgewählt wird, die eine quantitative Bestimmung der Referenzwerte ermöglicht.
- (a) chemical analytical determination of the chemical properties of pulp or paper reference samples to obtain reference values;
- (b) measuring the absorption or reflection of the same pulp or paper reference samples from step (a) in the NIR and / or MIR range to obtain reference data;
- (c) optionally mathematical pretreatment of the reference data;
- (d) generating reference characteristics for each reference sample by mathematically evaluating the reference data obtained from step (b) or (c);
- (e) correlation of the reference parameters obtained from step (d) with the reference values obtained from step (a) by means of multivariate calibration to produce correlation models, characterized in that for step (a) such a chemical-analytical method is selected which a quantitative best the reference values.
Die chemischen Eigenschaften der Referenzproben werden durch nasschemische Methoden bestimmt. Unter „chemischen Eigenschaften" werden hierin bevorzugt der Carbonyl- und Carboxylgruppengehalt und die mittlere Molmasse verstanden, wobei Carbonyl- und Carboxylgruppengehalt besonders bevorzugt sind.The chemical properties of the reference samples are wet-chemical Methods determined. Under "chemical properties" are herein preferred is the carbonyl and carboxyl group content and the mean molecular weight, carbonyl and carboxyl group content are particularly preferred.
Gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zur Entwicklung eines Korrelationsmodells bereitgestellt, mit dem es möglich ist, sehr genau den Gehalt an Carbonyl- und Carboxylgruppen, die mittlere Molmasse und den Oberflächen-pH-Wert von Zellstoff und Papier nur aus IR-Spektren zu ermitteln.According to the first aspect of the invention is a method to develop a correlation model with which it is possible to very accurately determine the content of carbonyl and Carboxyl groups, the average molecular weight and the surface pH of pulp and paper only from IR spectra.
Im Folgenden werden die Stufen des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung näher erläutert.in the The following are the stages of the method according to the first aspect the invention explained in more detail.
Stufe (a)Stage (a)
Zunächst erfolgt die chemisch-analytische Bestimmung der gesuchten chemischen Eigenschaft von Zellstoff- und Papier-Referenzproben, und zwar mittels Referenzmethoden, die eine sehr genaue Ermittlung dieser Eigenschaft, z. B. den Gehalt an im Zellstoff oder im Papier enthaltenen Carbonyl- und Carboxylgruppen und der mittleren Molmasse, erlauben.First the chemical-analytical determination of the sought-after chemical Property of pulp and paper reference samples, by means of Reference methods that provide a very accurate determination of this property, z. For example, the content of carbonyl or cellulose contained in the pulp or paper. and carboxyl groups and the average molecular weight.
Der pH-Wert der Papieroberfläche wird nach TAPPI (T 529 om-88) als Referenzmethode bestimmt.Of the pH of the paper surface is determined by TAPPI (T 529 om-88) as the reference method.
Als Referenzmethode für die Bestimmung des Gehalts an Carbonyl- und Carboxylgruppen sowie die Bestimmung der mittleren Molmasse kommen
- – die CCOA-Methode, die beispielsweise
in
Biomacromolecules 2002 (3): 959–968 Biomacromolecules 2002 (3): 969–975 Biomacromolecules 2003 (4): 743–747 - – die FDAM-Methode, die in
Biomacromolecules 2006, 7 (6), 1743–1750
- - the CCOA method, for example, in
Biomacromolecules 2002 (3): 959-968 Biomacromolecules 2002 (3): 969-975 Biomacromolecules 2003 (4): 743-747 - - the FDAM method used in
Biomacromolecules 2006, 7 (6), 1743-1750
Ebenso
können andere Methoden, z. B. mittels Hydrazin (
Bevorzugt sind somit die CCOA- und die FDAM-Methode, da hierdurch den Gehalt an im Zellstoff und Papier vorhandenen Carbonyl- und Carboxylgruppen sowie die mittlere Molmasse sehr genau in Form von Referenzwerten bestimmt werden können.Prefers are thus the CCOA and the FDAM method, since thereby the content on carbonyl and carboxyl groups present in pulp and paper and the average molecular weight very precisely in the form of reference values can be determined.
Des Weiteren weisen diese Methoden den Vorteil auf, dass sie bereits bei sehr geringem Gehalt an diesen Gruppen sehr genaue Werte liefern.Of Furthermore, these methods have the advantage that they already deliver very accurate values with very low content of these groups.
Damit kann eine oxidative Schädigung bereits in einem frühen Stadium erkannt werden, was mit anderen Methoden nicht möglich ist, z. B. ab einem Gehalt von 3 μMol/g an Carbonylgruppen und einem Gehalt von 10 μMol/g an Carboxylgruppen.In order to can be oxidative damage already in an early stage Stage can be detected, which is not possible with other methods is, for. B. from a content of 3 .mu.mol / g of carbonyl groups and a content of 10 μmol / g of carboxyl groups.
Im Vergleich zu bisherigen Publikationen und Patenten, die die Eigenschaften von Papierbrei oder die Festigkeitseigenschaften von Papieren betreffen, sind die Fehler der hier verwendeten Referenzmethoden, insbesondere betreffend Carbonyl- und Carboxylgruppen, durchschnittlich geringer, so dass die damit erhaltenen Korrelationsmodelle wesentlich genauer sind.in the Compared to previous publications and patents that have the characteristics of pulp or the strength properties of papers, are the errors of the reference methods used here, in particular concerning carbonyl and carboxyl groups, average lower, so that the resulting correlation models are much more accurate are.
So zeigen die hier gewählten Bestimmungsmethoden selbst wenn die nasschemischen Bestimmungen über einen Zeitraum von wenigstens einem Jahr verteilt gesammelt wurden, bei einem ausgewählten Zellstoff eine Standardabweichung von immer noch weniger als 5%, was für eine sehr gute Reproduzierbarkeit (innerhalb eines Labors) der nach diesen Methoden ermittelten Ergebnisse spricht.So show the determination methods chosen here even if the wet chemical provisions over a period of collected at least one year, at a selected Pulp has a standard deviation of still less than 5%, what a very good reproducibility (within a Laboratories) of the results obtained by these methods.
Die Grenzviskosität und die Kupferzahl, als häufig bestimmte chemische Eigenschaften, weisen ebenfalls durchschnittlich höhere Fehler auf (Grenzviskosität laut TAPPT T 230 om-94, Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors 4%, Reproduzierbarkeit zwischen zwei Labors 19%, Kupferzahl laut TAPPT T 430 om-94, Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors 10%).The Intrinsic viscosity and copper number, as common certain chemical properties are also average higher errors (intrinsic viscosity according to TAPPT T 230 om-94, repeatability within a laboratory 4%, reproducibility between two laboratories 19%, copper number according to TAPPT T 430 om-94, repeatability within a laboratory 10%).
Gebräuchliche Methoden für die Festigkeitsbestimmung sind dagegen die Zugfestigkeit (Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors und Reproduzierbarkeit zwischen zwei Labors laut TAPPT 404 om-92 4–13%), die Null-Zugfestigkeit (Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors und Reproduzierbarkeit zwischen zwei Labors laut TAPPT 231 cm-96 3–10%) und die Berstfestigkeit (Wiederholbarkeit innerhalb eines Labors und Reproduzierbarkeit zwischen zwei Labors laut TAPPT 403 om-97 22–28%), die bei geringem Schädigungsgrund jedoch noch lange unauffällige Werte liefern.Common methods for determining the strength, on the other hand, are the tensile strength (repetition within one laboratory and reproducibility between two laboratories according to TAPPT 404 om-92 4-13%), the zero tensile strength (reproducibility within a laboratory and reproducibility between two laboratories according to TAPPT 231 cm-96 3-10%) and the bursting strength ( Repeatability within a laboratory and reproducibility between two laboratories according to TAPPT 403 om-97 22-28%), which, however, still provide inconspicuous values for a small cause of damage.
Stufe (b)Stage (b)
In dieser Stufe des Verfahrens wird die Absorption oder Reflexion derselben Zellstoff- und/oder Papierreferenzproben im NIR- und/oder MIR-Bereich gemessen, aus denen in Stufe (a) die gesuchten chemischen Eigenschaften chemisch-analytisch bestimmt wurden. Der Wellenlängenbereich ist dabei so festzulegen, dass die gesuchte chemische Eigenschaft sich in den Spektraldaten niederschlägt.In this stage of the process becomes the absorption or reflection of the same Pulp and / or paper reference samples in the NIR and / or MIR range from which in step (a) the sought chemical properties determined by chemical analysis. The wavelength range is to be determined so that the sought chemical property reflected in the spectral data.
Zu diesem Zweck werden Spektren dieser Referenzproben im Bereich des nahen (NIR) und/oder mittleren (MIR) Infrarots aufgenommen und dadurch Referenzdaten erhalten. Das NIR umfasst den Wellenlängenbereich zwischen 12.800 und 4.000 cm–1 und das MIR umfasst den Wellenlängenbereich zwischen 4.000 und 400 cm–1.For this purpose, spectra of these reference samples are recorded in the range of the near (NIR) and / or middle (MIR) infrared, thereby obtaining reference data. The NIR covers the wavelength range between 12,800 and 4,000 cm -1 and the MIR covers the wavelength range between 4,000 and 400 cm -1 .
Dabei ist es unter anderem für die Ermittlung aussagefähiger Referenzdaten empfehlenswert, dass die Messung der Spektren an den Referenzproben den gesamten relevanten Wellenlängenbereich, also bei NIR von 12.800–4.000 cm–1 und bei MIR von 4.000 bis 400 cm–1, oder beides zusammen, umfasst.It is recommended, inter alia, for the determination of meaningful reference data, that the measurement of the spectra at the reference samples the entire relevant wavelength range, ie at NIR of 12,800-4,000 cm -1 and MIR from 4,000 to 400 cm -1 , or both together, includes.
Ferner soll klargestellt werden, dass für jede zu bestimmende chemische Eigenschaft, beispielsweise den Gehalt einer bestimmten chemisch-funktionellen Gruppe, separate Referenzdaten ermittelt werden müssen, wofür allerdings die gleichen Spektren, eventuell nur unterschieden nach dem Wellenlängenbereich, verwendet werden können.Further It should be clarified that for each chemical property, for example, the content of a particular chemical-functional group, separate reference data determined for which, however, the same spectra, possibly only differentiated according to the wavelength range, can be used.
Aus den aus den einzelnen Proben einer Menge von Referenzproben ermittelten Spektren kann vor der Weiterverarbeitung auch ein Mittelwertspektrum erzeugt werden, vor allem dann, wenn mehrere Proben einen sehr ähnlichen Referenzwert aufweisen.Out determined from the individual samples of a set of reference samples Spectra may also have an average range before further processing be generated, especially if several samples have a very similar Reference value.
Stufe (c):Stage (c):
Vorzugsweise werden die Referenzdaten der aufgenommenen Spektren vorbehandelt, um irrelevante, zufällige oder systematische Variationsquellen zu reduzieren oder komplett zu entfernen.Preferably the reference data of the recorded spectra are pretreated, irrelevant, accidental or systematic sources of variation to reduce or completely remove.
Verschiedene Methoden existieren, um diese Probleme zu bewältigen. Aus diesen bekannten Methoden werden folgende erfindungsgemäß ausgewählt:
- – verschiedene Standardvorbehandlungen,
wie Normierungen, Minimum-/Maximum-Normierung und/oder besonders
Vektornormierung (Standard Normal Variate Transformation, SNV) (
Zeaiter, M., Roger, J.- M., Bellon-Maurel, V., TrAC – Trends in Analytical Chemistry, 24 (5), 2005: 437–445, Robustness of models developed by multivariate calibration. Part II: The influence of pre-processing methods - – multiplikative Streuungskorrektur (Multiplicative
Scatter Correction/MSC), beschrieben in
Isaksson, T., Naes, T., Effect of multivariate scatter correction (MCS) and lineartity improvement in NIR spectroscopy, Applied Spectroscopy 42 (7) 1988: 1273–1284 - – erweiterte Multiplikative Streuungskorrektur (Extended
Multiplicative Scatter Correction/EMSC,) beschrieben in
Martens, H., Stark, E., Extended multiplicative signal correction and spectral interference subtraction: New preprocessing methods for near infrared spectroscopy, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 9 (8) 1991: 625–635 - – orthogonale Signalkorrektur (Orthogonal Signal Correction/OSC,
US-Patent 6,754,543 Wold, S., Antti, H., Lindgren, F., Öhman, J., Orthogonal signal correction of near-infrared spectra, Chemometrics and Intelligent Laborstory Systems, 44 (1–2) 1998: 175–185 Fearn, T., On orthogonal signal correction, Chemometrics and Intelligent Laborstory Systems, 50 (1) 2000: 47–52 - – multivariate Curve Resolution (MCR), beschrieben
in
Schoonover, J. R., Marx, R., Zhang S. L., Multivariate curve resolution in the analysis of vibrational spectroscopy data files, Applied Spectroscopy, 57 (5) 2003: 154A–170A - – bzw. Kombinationen der genannten von Datenvorbehandlungsmethoden.
- Various standard pretreatments, such as standardization, minimum / maximum normalization and / or particularly standard vector transformation (SNV) (
Zeaiter, M., Roger, J.-M., Bellon-Maurel, V., TrAC Trends in Analytical Chemistry, 24 (5), 2005: 437-445, Robustness of models developed by multivariate calibration. Part II: The influence of pre-processing methods - Multiplicative Scatter Correction (MSC), described in
Isaksson, T., Naes, T., Effect of Multivariate Scatter Correction (MCS) and linearity improvement in NIR spectroscopy, Applied Spectroscopy 42 (7) 1988: 1273-1284 - - Extended Multiplicative Scatter Correction (EMSC,) described in
Martens, H., Stark, E., Extended multiplicative signal correction and spectral interference subtraction: New preprocessing methods for near infrared spectroscopy, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 9 (8) 1991: 625-635 - Orthogonal signal correction (Orthogonal Signal Correction / OSC,
U.S. Patent 6,754,543 Wold, S., Antti, H., Lindgren, F., Öhman, J., Orthogonal signal correction of near-infrared spectra, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 44 (1-2) 1998: 175-185 Fearn, T., On Orthogonal Signal Correction, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 50 (1) 2000: 47-52 - Multivariate Curve Resolution (MCR), described in
Schoonover, JR, Marx, R., Zhang SL, Multivariate curve resolution in the analysis of vibrational spectroscopy data files, Applied Spectroscopy, 57 (5) 2003: 154A-170A - - or combinations of said data pre-treatment methods.
Bei der mathematischen Vorbehandlung werden die Referenzdaten für jede zu bestimmende chemische Eigenschaft separat behandelt, insbesondere mit unterschiedlichen Methoden behandelt.at The mathematical pretreatment will be the reference data for each chemical property to be determined separately, in particular treated with different methods.
Stufe (d):Stage (d):
In dieser Stufe werden aus den für jede Referenzprobe in Schritt b) bzw. c) erhaltener Referenzdaten Referenzkenngrößen ermittelt, und zwar für jede zu bestimmende chemische Eigenschaft separat. Das Ziel ist dabei das Erkennen von natürlich auftretenden Gruppierungen bzw. Klassen oder möglichen Ausreißern, d. h. untypischen Referenzdaten oder Referenz-Kenngrößen. Denn nur dadurch ist es möglich, im nächsten Schritt für jede zu bestimmende chemische Eigenschaft ein eigenes Korrelationsmodell zur Verfügung zu stellen.In This level will be the one for each reference sample in step b) or c) obtained reference data reference characteristics determined for each chemical property to be determined separately. The goal is to recognize of course occurring groupings or classes or possible Outliers, d. H. untypical reference data or reference characteristics. Because only in this way is it possible for the next step for Each chemical property to be determined has its own correlation model to provide.
Insbesondere wird in diesem Schritt aus den Referenzdaten der Spektren als Referenz-Kenngröße ein Summenparameter bestimmt, der mit dem Gehalt einer be stimmten chemisch funktionellen Gruppe oder einer anderen chemischen Eigenschaft korreliert.Especially becomes in this step from the reference data of the spectra as a reference characteristic determines a sum parameter that matches the content of a particular chemically functional group or another chemical property correlated.
Die rohen, bzw. vorbehandelten Messdaten aus Schritt b) oder c) der Spektren werden in ein entsprechendes Computerprogramm geladen. Dort werden multivariate Verfahren, nämlich solche Rechenverfahren zur orientierenden Datenanalyse oder Strukturerkennung, angewandt, um einen Einblick in die Datenstruktur zu bekommen:
- – Principle Component Analysis (PCA, Hauptkomponentenanalyse)
- - Principle Component Analysis (PCA, Principal Component Analysis)
Bei der Hauptkomponentenanalyse (PCA) geht es darum, einen Datensatz auf natürliche Gruppenbildung zu untersuchen, ohne dass eine bestimmte Klassenzugehörigkeit vorausgesetzt wird. Es handelt sich dabei um eine mathematische Umwandlung einer Datenmatrix mit dem Ziel, die in den Daten enthaltene Varianz durch eine kleinere Anzahl von Variablen zu repräsentieren. Diese Variablen werden „Faktoren" oder „Hauptkomponenten" genannt. Es wird ein neues Koordinatensystem berechnet, bei dem die Proben neu definierten Achsen anstelle der ursprünglichen Messungskoordinaten zugeordnet werden.at Principal Component Analysis (PCA) is about getting a record to study natural group formation without that a certain class affiliation is assumed. It is a mathematical transformation of a data matrix with the aim of reducing the variance contained in the data by a smaller one Number of variables to represent. These variables are called "factors" or "main components". A new coordinate system is calculated, in which the samples newly defined axes instead of the original measurement coordinates be assigned.
Damit können anhand der in dieser Stufe erzeugten Referenz-Kenngrößen aus den insgesamt vorhandenen Referenzproben bestimmte Referenzproben ausgewählt werden, die später für die Korrelation in Stufe (e) verwendet werden sollen, da sie einer spezifischen Papierart angehören oder andere gemeinsame Parameter aufweisen.In order to can be based on the reference parameters generated in this stage Reference samples determined from the total number of reference samples be selected later for the Correlation in stage (e) should be used as it is a specific Paper type or have other common parameters.
Stufe (e):Stage (s):
In diesem Schritt wird eine Korrelation zwischen den aus Stufe a) erhaltenen nasschemisch ermittelten Referenzwerten und den aus den Stufen b) bis d) mittels der Spektren ermittelten Referenz-Kenngrößen hergestellt mittels multivariater Kalibration. Der Vorteil einer multivariaten Datenkalibrierung gegenüber der univariaten Datenkalibrierung besteht darin, dass nicht wie bei einer univariaten Daten kalibrierung eine Messgröße einer Proben zur Erstellung einer Kalibrierfunktion zugeordnet wird, sondern multiple Messgrößen (typischerweise Spektren mit einer Vielzahl einzelner Datenpunkte) mit einer Eigenschaft oder mehreren Eigenschaften einer Probe in Verbindung gebracht werden können. Dadurch wird für jede zu bestimmende chemische Eigenschaft ein eigenes Korrelationsmodell erzielt.In this step is correlated between those obtained from step a) wet-chemically determined reference values and those from stages b) to d) using the spectra determined reference parameters produced by multivariate calibration. The advantage of a multivariate data calibration against the univariate Data calibration is that not like a univariate Data calibration is a measure of a sample is assigned to create a calibration function, but multiple measures (typically spectra with a plurality of individual data points) with a property or several properties of a sample can. This will be for each chemical to be determined Property achieved its own correlation model.
Zunächst muss die zu bestimmende, unbekannte Probe klassifiziert werden, d. h. einer bestimmten Klasse (Zellstoff, Hadernpapier, usw.) zugeordnet werden. Ein mögliches Verfahren dafür ist:
- – Soft Independent Modeling of Class Analogies (SIMCA).
- - Soft Independent Modeling of Class Analogies (SIMCA).
Wenn eine bekannte Klassenzugehörigkeit dafür genutzt werden soll, ein Modell zu entwickeln, um zukünftige Proben zu klassifizieren, kommt SIMCA zur Anwendung. Für SIMCA wird eine multidimensionale Box für jede zu klassifizierende Zugehörigkeit mittels PCA erstellt. Die Klassifizierung zukünftiger Proben besteht darin, die Proben in die am besten passende Box einzuordnen.If used a known class affiliation is to develop a model for future samples SIMCA is used. For SIMCA becomes a multidimensional box for each classifier Affiliation created by PCA. The classification future samples is to place the samples in the on best fitting box to classify.
Durch die in Stufe (d) durchgeführte Datenanalyse kann mittels SIMCA eine Klassifizierung der Referenzproben erzielt werden. Diese Klassifizierung ist insofern notwendig, als dass eine eindeutige Zuordnung unterschiedlicher Papierklassen (d. h. Zellstoff, Hadernpapier, Holzschliffpapier, Mischformen, usw.) zu einem für diese Papierklasse spezifischen Modell notwendig ist, um zuverlässige Eigenschaftsbestimmungen anhand des Modells zu gewährleisten.The data analysis performed in step (d) can be used to classify the reference samples using SIMCA. This classification is necessary in that a clear assignment of different classes of paper (ie pulp, rag paper, groundwood paper, hybrids, etc.) to a model specific to this class of paper is necessary in order to establish reliable property determinations of the model.
Durch rechnerische Verfahren, nämlich multivariate Methoden für die Datenanalyse, angewandt, werden aus den Messdaten der Spektren Referenz-Kenngrößen erhalten, wie z. B. durch:
- – Multiple Lineare Regression (MLR), und/oder
- – Partial Least Squares Regression (PLS-R), und/oder
- – Hauptkomponentenregression (Principle Component Regression, PCR).
- - Multiple Linear Regression (MLR), and / or
- - Partial Least Squares Regression (PLS-R), and / or
- - Principal Component Regression (PCR).
Die multiple lineare Regression (MLR) hat die Aufgabe, den Zusammenhang zwischen mehr als zwei Variablen X1, X2 ... zu beschreiben und damit zu prognostischen Aussagen für eine als abhängig angesehene Variable Y zu gelangen, von der unterstellt wird, dass sie nicht nur von einer, sondern mehreren Variablen X abhängt.The multiple linear regression (MLR) has the task of describing the relationship between more than two variables X 1 , X 2 ... and thus to arrive at prognostic statements for a variable Y considered to be dependent on which it is assumed depends not only on one but several variables X.
Die Partial Least Squares Regression (PLS-R) ist ein statistisches Verfahren zur Schätzung von Kausalmodellen. Die PLS-R gliedert sich in PLS-1 und PLS-2 auf. Während bei PLS-1 eine Variable (Papiereigenschaft) für die Korrelation mit den Spektren genutzt wird, kann PLS-2 mehrere Variable gleichzeitig handhaben. Die aus den Spektren erhaltenen Kenngrößen werden zur Modellierung der gewünschten Qualitätsparameter herangezogen.The Partial Least Squares Regression (PLS-R) is a statistical procedure for the estimation of causal models. The PLS-R is divided in PLS-1 and PLS-2. While in PLS-1 a variable (Paper property) for the correlation with the spectra PLS-2 can handle multiple variables at the same time. The be obtained from the spectra characteristics used to model the desired quality parameters.
Die principle component regression (PCR) unterscheidet sich von der PLS darin, wie aus kollinearen Spektren eine unabhängige Matrix berechnet wird. Wenngleich die mathematischen Algorithmen unterschiedlich sind, werden die beiden Methoden häufig als vergleichbar eingeschätzt. Ihre Anwendung kann auch mit dem zur Verfügung stehenden Computerprogramm zusammenhängen.The principle component regression (PCR) is different from the PLS in how from collinear spectra an independent Matrix is calculated. Although the mathematical algorithms are different, the two methods are common considered comparable. Your application can too related to the available computer program.
Ein so erstelltes Kalibrationsmodell muss validiert werden, beispielsweise durch Kreuz-Validierung oder Testset-Validierung, um einerseits die Qualität des erstellten Kalibrationsmodells zu testen und andererseits auch, um für jede zu ermittelnde chemische Eigenschaft eine spezifische, am besten geeignete Methode für die multivariate Datenanalyse im Schritt (e) auszuwählen.One such created calibration model must be validated, for example through cross-validation or test-set validation, on the one hand to test the quality of the created calibration model and on the other hand also, for each chemical to be determined Property a specific, most appropriate method for select the multivariate data analysis in step (e).
Beispielsweise wird eine Kreuzvalidierung durchgeführt, wobei für die Kalibration gemäß e) und die nachfolgende Validierung ein und derselbe Probensatz und Datensatz verwendet wird.For example a cross validation is performed, wherein for the calibration according to e) and the following Validation using the same sample set and record becomes.
Bei der Kreuzvalidierung wird jeweils – getrennt für jede zu ermittelnde chemische Eigenschaft – eine Probe, die zur Erstellung des Korrelations-Modells gemäß e) verwendet wurde, ausgelassen und ein neues Kalibrationsmodell ohne sie erstellt. Dieses neue Kalibrationsmodell wird verwendet, um die chemische Eigenschaft der ausgelassenen Probe lediglich anhand der Referenz-Kenngröße, also auf Basis der aufgenommenen Spektren, zu ermitteln.at the cross validation is in each case - separately for every chemical property to be determined - a sample, to construct the correlation model according to e) was used, left out and a new calibration model without she created. This new calibration model is used to the chemical property of the sample omitted only by reference the reference parameter, ie based on the recorded Spectra to determine.
Diejenige multivariate Reduktionsmethode, die auf diese Art und Weise eine Referenz-Kenngröße ergab, die am besten den nasschemisch ermittelten Referenzwert dieser ausgelassenen Probe wiedergibt, wird somit als die für diese spezifische chemische Eigenschaft am besten geeignete multivariate Reduktionsmethode ausgewählt.the one multivariate reduction method, which in this way a Reference characteristic showed that the best wet-chemical the reference value of this omitted sample, is thus considered to be the specific chemical property most suitable multivariate reduction method selected.
Am Beispiel der über der Konzentration einer bestimmten funktionellen chemischen Gruppe aufgetragenen spektralen Summenparameter und der aus diesen Werten erzeugten Eichgerade bedeutet dies, dass eines der Wertepaare zunächst weggelassen wird und aus den übrigen Wertepaaren eine neue Eichgerade gebildet wird und als beste Reduktionsmethode diejenige ausgewählt wird, bei der die Abweichung der neuen Eichgerade von der ursprünglichen Eichgerade, die aus allen Wertepaaren erstellt wurde, am geringsten ist.At the Example of over the concentration of a specific functional chemical group applied spectral sum parameter and the calibration line generated from these values, this means that one the value pairs is initially omitted and from the rest Value pairs a new calibration line is formed and as the best reduction method the one is selected, in which the deviation of the new calibration line from the original calibration line, which consists of all value pairs was created is the lowest.
Die Korrelation mit der Kreuzvalidierung ist somit eine Zusammenfassung der Korrelationen jeder einzelnen Probe durch das Modell.The Correlation with cross validation is thus a summary the correlations of each sample through the model.
Zur weiteren Optimierung dieses Korrelationsmodells können nun für weitere Referenzproben, die nicht an der Erstellung des Korrelationsmodels teilgenommen haben, gemäß den Schritten b) bis d) Referenz-Kenngrößen ermittelt werden und mit den andererseits nasschemisch ermittelten Referenzwerten dieser neuen Referenzproben verglichen werden, wobei die Validierung nunmehr darin besteht, allein durch die Referenz-Kenngrößen und das passende Modell die gewünschten Werte ohne jegliche nass-chemische Analyse zu bestimmen.to further optimization of this correlation model can now for more reference samples that are not in the build of the correlation model, according to the Steps b) to d) determines reference parameters and with the other wet-chemically determined reference values These new reference samples are compared with the validation now consists solely of the reference parameters and the matching model the desired values without any to determine wet-chemical analysis.
2. erfindungsgemäßer Aspekt2. Inventive aspect
Nachdem ein Korrelationsmodell zwischen nasschemischen Referenzwerten und durch Aufnahme von IR-Spektren ermittelten Referenz-Kenngrößen erstellt und gegebenenfalls durch Validierung und weitere Optimierung verbessert wurde, kann durch Anwendung dieses Korrelationsmodells auf eine unbekannte Probe eine interessierende chemische Eigenschaft, beispielsweise der Gehalt an Carboxylgruppen allein durch die Anwendung des Korrelationmodells gemäß Schritt (e) sowie das Ermitteln von einer gemäß den Schritten (b) bis mindestens (c), besser (d) ermittelten spektralen Kenngröße bestimmt werden.After this a correlation model between wet chemical reference values and by reference to IR spectra determined reference parameters created and, if necessary, through validation and further optimization can be improved by applying this correlation model to an unknown sample a chemical property of interest, For example, the content of carboxyl groups alone by the application the correlation model according to step (e) and determining one according to steps (b) to at least (c), better (d) determined spectral characteristic be determined.
Hierzu werden vorteilhafter Weise NIR- oder MIR-Spektren direkt auf dem intakten Papier oder Zellstoff ohne besondere Probenvorbereitung, vorzugsweise im Reflexionsmodus, gemessen. Hierbei kann aufgrund des Korrelationsmodells auf Probennahmen verzichtet werden, wodurch das Verfahren umfangreich zur Untersuchung von Cellulosematerialien und sehr empfindlichen Papieren eingesetzt werden kann, da keine Probennahme mehr erforderlich ist.For this Advantageously, NIR or MIR spectra will be directly on the intact paper or pulp without special sample preparation, preferably in reflection mode, measured. This may be due to of the correlation model are dispensed with sampling the method extensively for the investigation of cellulosic materials and very sensitive papers can be used as no sampling more is needed.
Durch die zerstörungsfreie Aufnahme des IR-Spektrums aus der daraus ermittelten Kenngröße der unbekannten Probe wird aus dem Korrelationsmodell unmittelbar die gewünschte chemische Eigenschaft, insbesondere der Gehalt einer bestimmten chemisch-funktionellen Gruppe, erhalten, ohne dass eine nasschemische Behandlung und damit eine partielle Zerstörung der Papierprobe gemäß Schritt (a) notwendig wird.By the nondestructive recording of the IR spectrum from the From this determined characteristic of the unknown sample becomes immediately the desired one from the correlation model chemical property, in particular the content of a particular chemical-functional group, obtained without being a wet-chemical Treatment and thus a partial destruction of the paper sample becomes necessary according to step (a).
Dies wird letztendlich auch durch Verwendung der oben aufgeführten, jeweils für einzelne Eigenschaften optimalen Reduktionsmethoden (CCOA und FDAM) ermöglicht, durch die Korrelationsmodelle entwickelt werden können, mit denen es möglich ist, bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt den Zustand, insbesondere die oxidative Schädigung, von Cellulosematerial oder Papier zu bestimmen.This will ultimately also by using the above listed, optimal reduction methods for individual properties (CCOA and FDAM) allows, through the correlation models can be developed with which it is possible is already at a very early stage the state in particular the oxidative damage of cellulosic material or paper.
3. erfindungsgemäßer Aspekt3. Inventive aspect
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine unbekannte chemische Eigenschaft einer neuen Zellstoff- oder Papierprobe erfindungsgemäß zu ermitteln
- – unter Ermittlung einer Kenngröße für diese chemische Eigenschaft mittels Aufnahme von Infrarot-Spektren und daraus gewonnenen Daten; und
- – die Auswahl eines von mehreren zur Verfügung stehenden Korrelationsmodellen für diese chemische Eigenschaft gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung.
- - Determining a characteristic for this chemical property by recording infrared spectra and derived data; and
- The selection of one of several available correlation models for this chemical property according to the first and second aspects of the invention.
Ein solches Verfahren umfasst folgende Schritte:
- (i) Messen der Absorption oder Reflexion des Zellstoffs oder Papiers im NIR- und/oder MIR-Bereich;
- (ii) gegebenenfalls mathematische Vorbehandlung der in Stufe (i) erhaltenen Messdaten;
- (iii) Erzeugung von Kenngrößen durch mathematische Auswertung der aus Stufe (ii) erhaltenen Referenzdaten; dadurch gekennzeichnet, dass
- (iv) Auswahl eines der gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 erstellten Korrelationsmodells,
- (v) die Bestimmung der unbekannten chemischen Eigenschaften durch Anwendung des Korrelationsmodells der Stufe (iv) alleine anhand der in Stufe (iii) erhaltenen Kenngrößen ohne Probennahme direkt an der intakten Zellstoff- oder Papierprobe erfolgt.
- (i) measuring the absorption or reflection of the pulp or paper in the NIR and / or MIR region;
- (ii) optionally mathematical pretreatment of the measurement data obtained in step (i);
- (iii) generating characteristics by mathematically evaluating the reference data obtained from stage (ii); characterized in that
- (iv) selecting a correlation model created according to claims 1 to 20,
- (v) determining the unknown chemical properties by applying the correlation model of step (iv) solely on the basis of the parameters obtained in step (iii) without sampling directly on the intact pulp or paper sample.
Dabei entsprechen die Stufen (i), (ii) und (iii) den Stufen (b), (c) und (d) gemäß den ersten beiden Aspekten der Erfindung.there Steps (i), (ii) and (iii) correspond to steps (b), (c) and (d) according to the first two aspects of the invention.
Das in den Schritten (v) bzw. (iv) auszuwählende und anzuwendene Korrelationsmodell ist eines der sich im Schritt (e) des ersten Aspekts der Erfindung ergebenden Korrelationsmodelle.The in steps (v) and (iv) to be selected and applied Correlation model is one of the in step (e) of the first Aspect of the invention resulting correlation models.
Dabei werden aus ein- und denselben Referenzdaten gemäß Schritt (b) oder (c) durch Anwendung unterschiedlicher multivariater Reduktionsverfahren unterschiedliche Korrelationsmodelle erhalten.there are made from the same reference data as in step (b) or (c) by using different multivariate reduction methods obtained different correlation models.
Weiterhin kann bzw. muss anhand der im Schritt iii) erzeugten Kenngrößen auch eine Klassifizierung der einen oder mehreren unbekannten Proben erfolgen, bei spielsweise nach der grundsätzlichen Papierart (Cellulosepapier oder Hadernpapier) oder anderen die Probe bestimmenden Parametern, z. B. mittels SIMCA, da teilweise erst danach die Auswahl des Kalibrationsmodells erfolgen kann.Farther can or must be based on the parameters generated in step iii) also a classification of the one or more unknown samples take place, for example, according to the basic paper (cellulose paper or rag paper) or other sample-determining parameters, z. B. by means of SIMCA, since partially only then the selection of the calibration model can be done.
Sofern dies geschieht, kann dann wiederum anhand der durchgeführten Klassifizierung der einen oder mehreren unbekannten Proben die Auswahl des geeigneten Korrelationsmodells für die Bestimmung der gesuchten chemischen Eigenschaft ausgewählt werden.If this happens, the selection of the appropriate correlation model for the determination of the ge sought chemical property to be selected.
Die Verfahren zur Bestimmung des Carbonyl- und Carboxylgruppengehaltes sowie der mittleren Molmasse, des Oberflächen-pH-Wertes, der Papierdicke und des Weißgrades sind besonders geeignet für die zerstörungsfreie Untersuchung von Cellulosematerialien in zwei Bereichen:
- – Restaurierung/Konservierung von Kunst- und Kulturgut (historische Papiermaterialien, besonders Hadernpapiere)
- – Zellstoffproduktion/Zellstoffverarbeitung/Papierherstellung (verringerte Analysezeiten, Vorhersagen von Vergilbungsneigung, Weißgradstabilität und Lagerfähigkeit).
- - Restoration / conservation of artistic and cultural property (historical paper materials, especially rag paper)
- Pulp production / pulp processing / papermaking (reduced analysis times, prediction of yellowing tendency, whiteness stability and shelf life).
Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
durch folgende Anwendungen deutlich:
Durch die zerstörungsfreie
Bestimmung von Parametern wie Carbonyl- und Carboxylgruppengehalt
und mittlerer Molmasse können Empfehlungen für
die weitere Behandlung von Zellstoffen und Papieren gegeben werden.
In der folgenden Tabelle sind drei zu bestimmende chemische Eigenschaften
aufgeführt, nämlich Carbonylgruppengehalt, Carboxylgruppengehalt
und mittlere Molmasse.The advantage of the method according to the invention is clear from the following applications:
By non-destructive determination of parameters such as carbonyl and carboxyl group content and average molecular weight, recommendations can be made for the further treatment of pulps and papers. The following table lists three chemical properties to be determined, namely carbonyl group content, carboxyl group content and average molecular weight.
Es
wird gezeigt, welchen Einfluss diese Parameter auf Zellstoff und
Papier ausüben. Dabei handelt es sich um chemo-physikalische
Eigenschaften, die sich auf Wechselwirkungen mit Umweltbedingungen
und weiteren Behandlungsschritten beziehen. Diese Einflussfaktoren
haben entsprechende Auswirkungen auf weitere Maßnahmen,
die mit dem betreffenden Zellstoff oder Papier empfehlenswerterweise
durchgeführt oder gerade vermieden werden sollen. Es geht
hier insbesondere um praktische Aspekte der Weiterverarbeitungs-,
Benutzungs- und Lagerfähigkeit.
Einige dieser Zusammenhänge werden im Folgenden beispielhaft erläutert.Some These relationships are explained below by way of example.
Die Lichtstabilität, die Alkalistabilität, die mechanische Festigkeit, die Langzeitstabilität, die Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und die Wasser-Aufnahmekapazität nehmen ab, wenn die Anzahl der Carbonylgruppen in dem Zellstoff oder Papier zunimmt. Beim Transport, dem Leihverkehr, der Lagerung, der Weiterverarbeitung, der restauratorischen Behandlung, der Benutzbarkeit muss dies berücksichtigt werden, indem der Kontakt mit Licht, Säure und Wasser minimiert werden und ebenso mechanische Belastungen. The light stability, the alkaline stability, the mechanical strength, the long-term stability, the stability to environmental influences and the water absorption capacity decrease as the number of carbonyl groups in the pulp or paper increases. In transport, loan, storage, further processing, restorative treatment, usability, this must be taken into account by minimizing contact with light, acid and water, as well as mechanical stresses.
Nimmt die Anzahl der Carboxylgruppen zu, sinkt die Säurestabilität und die Stabilität des Zellstoffs oder Papiers gegenüber Umwelteinflüssen.takes the number of carboxyl groups increases, the acid stability decreases and the stability of the pulp or paper Environmental influences.
Die Ionenbindungskapazität und die Wasseraufnahmekapazität hingegen nehmen mit zunehmender Anzahl von Carboxylgruppen zu.In contrast, the ion binding capacity and the water absorption capacity increase with increasing Number of carboxyl groups too.
Die Erhöhung des Carboxylgruppengehaltes führt zu einer Verschlechterung einiger Zellstoff- oder Papiereigenschaften während andere zunehmen. Damit hängt es von der weiteren Vorgehensweise ab, ob diese Zunahme positiv oder negativ bewertet wird. Increasing the carboxyl group content leads to a deterioration of some pulp or paper properties while others increase. It therefore depends on the further course of action whether this increase is rated as positive or negative.
Die Abnahme der mittleren Molmasse beeinflusst die mechanische Festigkeit, die Langzeitstabilität, die Säurestabilität und die Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen dahingehend, dass diese Faktoren jeweils abnehmen. Die Abnahme der mittleren Molmasse führt also zu einer Verschlechterung des Zellstoffs oder Papiers. The decrease in the average molecular weight affects the mechanical strength, the long-term stability, the acid stability and the stability against environmental influences in such a way that these factors decrease in each case. The decrease in the average molecular weight thus leads to a deterioration of the pulp or paper.
Daraus lassen sich Aussagen treffen, wie die Materialien zukünftig weiterverarbeitet, gelagert und transportiert werden müssen, welche Bedingungen für die Ausstellung von Exponaten erforderlich sind, damit die Exponate möglichst wenig schaden nehmen, bzw. wie zu restaurierende Stücke behandelt werden müssen. Auch können Aussagen darüber getroffen werden, welche Bedingungen beim Verleihen eingehalten werden müssen.from that let statements be made, like the materials in the future further processed, stored and transported, which conditions are required for the exhibition of exhibits are, so that the exhibits take as little harm as possible, or how to restore pieces to be treated. Also, statements can be made about which conditions must be met when lending.
Zusammengefasst sind die Auswirkungen dieser drei chemischen Eigenschaften folgende: In summary, the effects of these three chemical properties are:
Die unter Verwendung der MIR- und NIR-Spektren entstandene analytische Methode zur Untersuchung von Cellulose in Form von Zellstoff- und Papierblättern wird auch Vorhersagemodell genannt.The using the MIR and NIR spectra resulting analytical Method for the investigation of cellulose in the form of pulp and Paper sheets are also called predictive models.
Die Anwendbarkeit der Vorhersagemodelle kann zum einen für neue Zellstoffe (Papiere, hand sheets), wie sie in der Papierindustrie breite Anwendung finden, und zum anderen für historische Hadernpapiere, welche für konservatorische Zwecke relevant sind, gezeigt werden.The Applicability of the predictive models can be for one new pulps (papers, hand sheets), as used in the paper industry find wide application, and for historical Rag paper, which is relevant for conservatory purposes are to be shown.
Da sich die historischen Hadernpapiere sowohl in ihrer Farbe als auch in ihrer Zusammensetzung deutlich von modernen Zellstoffblättern unterscheiden, werden verschiedene Modelle für Zellstoff-Papier einerseits und Hadernpapiere andererseits erstellt.There the historical rag paper both in their color as well in their composition significantly from modern pulp sheets Different, different models for pulp paper on the one hand and rag paper on the other hand.
c) Ausführungsbeispielec) embodiments
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:A Embodiment according to the invention in the following explained by way of example with reference to the figures. Show it:
Die Figuren zeigen die Vorgehensweise zur Erstellung eines Korrelationsmodells, mit dessen Hilfe später an neuen zusätzlichen Proben chemische Eigenschaften – wie etwa der Carbonylgruppengehalt – zerstörungsfrei ausschließlich mittels Spektralmessungen und Anwendung des Korrelationsmodells bestimmt werden sollen. Das Korrelationsmodell wird mit Hilfe verfügbarer Referenzproben erstellt, von denen auch Materialanteile entnommen und nasschemisch bearbeitet werden dürfen.The Figures show the procedure for creating a correlation model, with its help later on new additional Sample chemical properties - such as the carbonyl group content - non-destructive exclusively by means of spectral measurements and application of the correlation model should be determined. The correlation model is created using available reference samples, from which also removed material shares and wet-chemically processed be allowed to.
Da
der Frequenzbereich von 12.000 cm–1–mindestens
9.000 cm–1 keine charakteristischen
Ausschläge enthält, wird er nicht in die Modellierung
einbezogen. In
Anschließend werden – gemäß Schritt c) bzw. ii) – diese Spektraldaten einer mathematischen Vorbehandlung unterzogen und im Weiteren aus diesen Spektraldaten für jede einzelne Probe eine Referenz-Kenngröße bestimmt gemäß Schritt d) bzw. iii).Subsequently be - according to step c) or ii) - this Subjected spectral data to a mathematical pretreatment and furthermore from these spectral data for each individual Sample a reference characteristic determined according to step d) or iii).
Nach Festlegung auf eine bestimmte mathematische Vorbehandlung wird mit den so vorbehandelten Daten eine Hauptkomponenten-Analyse durchgeführt. Diese liefert mehrere Hauptkomponenten.To Fixing on a particular mathematical pretreatment is with The data pretreated in this way is the subject of a principal component analysis. This supplies several main components.
Es zeigt sich bei einer solchen Darstellung häufig auch eine Klassifizierung der Proben, indem die Wertepaare in zwei oder mehr einzelnen Bereichen stark konzentriert sind, was auf das Vorliegen einer gemeinsamen stark prägenden Eigenschaft, z. B. einer Hauptkomponente, in jeweils denjenigen Proben hindeutet, die an einer Stelle in dem Diagramm konzentriert sind.It In such a representation often also shows a Classify the samples by adding value pairs in two or more individual areas are highly concentrated, indicating the presence a common strong characteristic, z. B. one Main component, in each case the samples suggesting the a point in the diagram are concentrated.
Nachdem
auf diese Art und Weise zum einen das am besten geeignete mathematische
Reduktionsverfahren ausgewählt wurde, die Hauptkomponenten
bestimmt wurden und zum anderen die offensichtlichen Ausreißer
unter den Referenzproben ermittelt und für das weitere
Vorgehen weggelassen wurden, wird für die restlichen Referenzproben
gemäß
Im vorliegenden Fall wurde die Korrelation mit dem Modul PLS-1 der Software Opus Quant erstellt, die aus den vorhandenen Wertepaaren auch unmittelbar eine sich ergebende Eichgerade einzeichnet. Die untersuchte chemische Eigenschaft ist hier der Gehalt an Carbonylgruppen.in the In the present case, the correlation with the module PLS-1 was the Software Opus Quant created from the existing value pairs also immediately marks a resulting calibration line. The investigated chemical property here is the content of carbonyl groups.
Ein
so ausgewähltes Korrelationsmodell bedarf der weiteren
Optimierung, zunächst durch Validierung, wie in
Dort ist mittels eines
Testsets, also einer Gruppe neuer Referenzproben, die bei der Erstellung
des Korrelationsmodells gemäß
There is by means of a test set, ie a group of new reference samples, in accordance with the creation of the correlation model
Sofern die Abweichungen des Testsets von der Eichgeraden im Durchschnitt nicht größer ist als diejenige bei der Erstellung des Korrelationsmodells mit dem ersten Umfang an Referenzproben, kann das Korrelationsmodell als gelungen eingestuft werden.Provided the deviations of the test set from the calibration line on average not larger than the one at the time of creation the correlation model with the first scope of reference samples, the correlation model can be classified as successful.
Ist dies nicht der Fall, muss nach einem neuen Korrelationsmodell gesucht werden.is If this is not the case, it is necessary to search for a new correlation model become.
Bei der Bestimmung ein und derselben chemischen Eigenschaft an derselben Gruppe von Referenzproben werden alleine durch Verwendung unterschiedlicher mathematischer Vorbehandlungsmethoden und mathematischer Reduktionsmethoden unterschiedliche Referenz-Kenngrößen aus den Referenzproben erhalten werden können, und damit in der Folge – bei der Untersuchung von unbekannten Proben – verschiedene neue spektrale Kenngrößen. Die Gegenüberstellung dieser unterschiedlichen Kenngrößen mit jeweils den gleichen nasschemisch ermittelten Werten in einem Korrelationsmodell ergibt somit unterschiedliche Korrelationsmodelle für die gleiche chemische Eigenschaft.at the determination of one and the same chemical property on the same Group of reference samples are used alone by using different mathematical pretreatment methods and mathematical reduction methods different reference parameters from the reference samples can be obtained, and thus in the - at the investigation of unknown samples - several new ones spectral characteristics. The juxtaposition these different parameters with each the same wet-chemically determined values in a correlation model thus results in different correlation models for the same chemical property.
Die
Korrelation der Spalte KG1 mit dem „gemessenen Wert" ist
in
Der
Vergleich dieser beiden
Zusammenfassend
lässt sich somit sagen, dass folgende mathematische Vorbehandlungen
sich als vorteilhaft erwiesen haben:
Bei Zellstoffpapieren:
- – für die Bestimmung der mittleren Molmasse: die erste Ableitung (bevorzugter Spektralbereich: 4250–7500 cm–1),
- – bei der Bestimmung des Gehalts an Carbonylgruppen: zweite Ableitung (bevorzugter Spektralbereich: 4250–7500 cm–1),
- – bei der Bestimmung des Gehalts an Carboxylgruppen: und Multiplicative Scattering Correction (bevorzugter Spektralbereich: 4600–6100 cm–1), Bei Hadernpapieren:
- – für die Bestimmung der mittleren Molmasse: Straight Line Substraction (bevorzugter Spektralbereich: 6100–7500 cm–1,
- – bei der Bestimmung des Gehalts an Carbonylgruppen: erste Ableitung, Multiplicative Scattering Correction (bevorzugter Spektralbereich: 3800–4500 cm–1 sowie 5000–5300 cm–1 sowie 6000–7100 cm–1),
- – bei der Bestimmung des Gehalts an Carboxylgruppen: erste Ableitung, Vektornormierung (bevorzugter Spektralbereich: 3800–7500 cm–1),
- – Oberflächen-pH-Wert: Multiplicative Scattering Correction (bevorzugter Spektralbereich: 3800–5400 cm–1 sowie 5800–7500 cm–1).
For pulp papers:
- For the determination of the average molecular mass: the first derivative (preferred spectral range: 4250-7500 cm -1 ),
- In the determination of the content of carbonyl groups: second derivative (preferred spectral range: 4250-7500 cm -1 ),
- In the determination of the content of carboxyl groups: and Multiplicative Scattering Correction (preferred spectral range: 4600-6100 cm -1 ), In rag paper:
- For the determination of the average molecular mass: straight line subtraction (preferred spectral range: 6100-7500 cm -1 ,
- In the determination of the content of carbonyl groups: first derivative, multiplicative scattering correction (preferred spectral range: 3800-4500 cm -1 and 5000-5300 cm -1 and 6000-7100 cm -1 ),
- In the determination of the content of carboxyl groups: first derivative, vector normalization (preferred spectral range: 3800-7500 cm -1 ),
- Surface pH: Multiplicative Scattering Correction (preferred spectral range: 3800-5400 cm -1 and 5800-7500 cm -1 ).
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