Werner Franke

Prüfung von Zellstoff

Bei der physikalisch-technologischen Prufung von Zellstoff werden die Fahigkeit des zu untersuchenden Zellstoffs zur Papierherstellung [1.1] allgemein und die potentiell erreichbaren Papiereigenschaften [1.2] bestimmt. Das Prinzip der Prufung besteht im Versuch einer moglichst weitgehenden Simulierung aller Verfahren bzw. Behandlungen, die der Zellstoff bei der Papierherstellung von der Anlieferung uber Auflosen, Mahlen, Blattbildung, Naspressen bis zur Trocknung und Ausrustung zu durchlaufen hat. Der Stand der Pruftechnik [1.3] ist durch die historische Entwicklung der Zellstoff- und Papierindustrie sowie der papierverarbeitenden Industrie seit etwa 100 Jahren vorgepragt. Zuerst entstanden Hausmethoden fur die Betriebskontrolle. Ab Beginn des 20. Jahrhunderts setzten vereinzelt Vereinheitlichungsbestrebungen ein, die sich von den 20er Jahren an auf die internationale Zusammenarbeit fur Prufentwicklungen ausweiteten. 1961 begann fur die Zellstoffprufung die Normungsarbeit in der ISO [1.3] und 1990 die in CEN.

Anforderungen an das Präparat

Wie bei allen mikroskopischen Untersuchungen ist das erhaltene Endresultat in erster Linie von der Gute des Praparats abhangig. Fur das REM mussen die Praparate trocken sein, Ausnahme: tiefgefrorene (unter −100 °C) Cryopraparate nach der Aufnahmetechnik von Echlin, Nei u. a. [1.5, 1.6, 2.1]. Sie durfen also im Hochvakuum weder Wasserdampf noch andere fluchtige Verbindungen abgeben (Dampfdruck der Praparatoberflache im Mikroskop kleiner als etwa 10−6 Torr); sie mussen ohne Distorsion Hochvakuum vertragen, sie mussen mechanisch und thermisch stabil (keine Anderung unter Elektronenbeschus) und an der Oberflache elektrisch leitend sein (speziell Leitfahigkeit groser als etwa 103 µS/cm), so das keine Aufladung der Oberflache des Praparates durch die auftreffenden Elektronen eintritt. Erfolgt beispielsweise eine lokale Aufladung, so werden an dieser Stelle und in der Umgebung die Sekundarelektronen so beeinflust, das die stark negativ aufgeladenen Oberflachenstellen hell (uberstrahlt) erscheinen, seitlich umgeben von hellen Linien oder einem „Schatten“ (Bild 2.1 b). Anderungen im Oberflachenpotential erzeugen auch einen Astigmatismus.

Die Präparationstechnik in der Rasterelektronenmikroskopie

Viele Praparationsverfahren wurden sinngemas von der Transmissionselektronenmikroskopie ubernommen, wie z. B. eine Reihe von Fixierungs- und Dehydrierungsmethoden und Abdruckverfahren.

Die Weiße von Papieren

Uber zwei Drittel der erzeugten Papiersorten sind sogenannte weise Papiere, vor allem auf dem Bereich der Schreib-, Druck-, und Zeichenpapiere. Eines der verschiedenen Qualitatsmerkmale, auf das Hersteller, Verarbeiter und Verwender besonders Wert legen, ist die Weise dieser Papiere, die auch meist als,,Weisgrad“ bezeichnet wird. Dieser visuelle, subjektive Eindruck der Weise last sich ohne Vergleichsproben als Bezugsgrose nicht ausreichend beschreiben. Die Weise soll nicht nur asthetischen Anspruchen genugen, sondern von ihr hangt auch die Zweckeignung des Erzeugnisses ab; damit ist sie zu einem wichtigen Handelsfaktor geworden.

Anwendung des TEM im Bereich Cellulose, Zellstoff, Holzstoff und Papier

Sobald die Praparierungsmethoden fur biologische Objekte in den 40er Jahren einigermasen zu einer elektronenmikroskopischen Untersuchung von Cellulose-fasern ausreichten, wurde das weitaus grosere Auflosungsvermogen des TEM im Vergleich zum Lichtmikroskop eifrig zur Erforschung des Faserfeinbaues und der Anatomie der Pflanzengewebe herangezogen. Viele Modellvorstellungen uber die Morphologie der Fasern im submikroskopischen Bereich, die man fruher oft indirekt aus polarisationsoptischen und rontgenoptischen Untersuchungen abgeleitet hatte, konnten nun erstmalig sichtbar gemacht, verifiziert und verfeinert werden. Mit zunehmender Verbesserung der Praparationstechnik und der Ausnutzung entsprechend hoher Vergroserungen wurden viele neue Einblicke in den Feinbau der Zellwandschichten und der Mikrofibrillen gewonnen. Die Elektronenmikroskopie des Holzes und verschiedener Pflanzenfasern hat sich nicht nur auf den Feinbau der Zellwand beschrankt, sondern ist auf verschiedene Gebiete der Holzforschung und der industriellen Holzverwertung ausgedehnt worden. Als Beispiele seien lediglich genannt: Stauchschaden am Holz, z. B. an Hackspanen, morphologische Veranderungen beim Holzaufschlus, der Faserbleiche und beim Mahlen, Veranderungen beim enzymatischen Abbau, wie z. B. beim Pilzangriff. Da der Faserfein-bau nicht nur botanisches und fasermorphologisches Interesse besitzt, sondern auch fur das technologische Verhalten der Papierfaser mit verantwortlich ist, wurde versucht, eine Reihe von Fragen, die fur den Papiermacher wichtig sind, mit Hilfe des TEM zu losen. Naturlich ist auch das Fertigprodukt mit Hilfe der elektronenmikroskopischen Untersuchung von Papieroberflachen, deren Veredelung und Modifizierung durch Satinage Gegenstand zahlreicher TEM-Untersuchungen gewesen. Als Beispiel sei der Beitrag von Braunegg [9.1] erwahnt, in welchem TEM-Untersuchungen an Papieroberflachen und Querschnitten im Hinblick auf die Bedruckbarkeit zusammengefast sind. Mit der Einfuhrung des REM in der zweiten Halfte der 60er Jahre mit seinen grosen Vorteilen fur Oberflachenstudien wurde eine intensive Untersuchungswelle auf praktisch allen Gebieten ausgelost, wo die Auflosung des REM ausreichte, wobei die verschiedenen Arbeitsweisen der Gerate (z. B. EDXA) ausgenutzt wurden. Die relativ einfache Praparierung der Objekte ermunterte besonders zu umfassenden Einsatzen auch auf dem technischen Sektor. Seit Beginn dieser Entwicklungsperiode ist das TEM mehr und mehr nur dort eingesetzt worden, wo seine hohe Auflosung ausschlaggebend ist. Beispiele sind hier Studien des Faserfeinbaus sowohl von Regeneratcellulosefasern (Sichtbarmachung der Ce11.-II-Kristallite [9.2]) wie auch verschiedener Faserpflanzen z. B. die Untersuchung von 26 „Nonwood Plant Fibers“ [9.3, 9.4] sowie Studien uber die Sublamellierung der Zellwand (S2-Schicht) von Holzfasern [9.5], uber Enzymangriffe oder uber die Cellulosesynthese [9.6–9.8].

Die optischen Grundkonstanten von Papier

Papier besteht aus heterogenen Strukturelementen, die, verbunden mit Lufteinschlussen und Wasserpartikeln, einen inhomogenen Gefugeaufbau bewirken; dadurch hat dieser Werkstoff im physikalischen Sinne gewisse optische Eigenschaften, wie sie bei sogenannten truben Korpern vorhanden sind.

Mikroskopie der Papierfaserstoffe

Lupe oder Mikroskop bieten die Moglichkeit, Gegenstande zu vergrosern, Einzelheiten sichtbar oder besser erkennbar zu machen. Diese Untersuchungsmethode kann auch fur die Beurteilung von Zellstoffen, Papieren und allen sich daraus ableitenden Materialien, wie gestrichenen und beschichteten Papieren, Mehrschichtmaterialien u. a. angewendet werden.

Prüfung von Holzstoff

Im Mittelpunkt der Holzstoffprufung steht die Frage nach der Qualitat als Mas fur die Eignung zur optimalen Erzeugung bestimmter Papier-, Karton- oder Pappensorten. Besondere Schwierigkeiten liegen darin, das der Qualitatsbegriff bei Holzstoffen nicht eindeutig zu definieren ist. In der Praxis ist meist ein Kompromis zu finden zwischen Eigenschaften, die fur die Ausbildung mechanischer Werte (Festigkeit), optischer Eigenschaften (Weisgrad, Opazitat, Lichtstreuvermogen) oder letztendlich der Bedruckbarkeit und der Verdruckbarkeit masgebend sind.

Röntgenmikrobereichsanalyse (EDXA und WDXA)

Im Kapitel uber das REM wurde gezeigt, das die Anregung elektronenbestrahlter Praparatstellen an der Oberflache zur Aussendung einer charakteristischen Rontgenstrahlung fuhrt, die zu analytischen Zwecken ausgenutzt werden kann. Auf der Seite des eigentlichen Mikroskopes ist lediglich der Einbau eines zusatzlichen Detektors notwendig, der empfindlich fur Rontgenstrahlen ist. In Kombination mit einem REM wird ein energiedispersives Analysensystem (EDS-System) bevorzugt, welches u. a. eine schnelle qualitative Ubersichtsanalyse gestattet. Ferner arbeitet EDS bei niederen Strahlstromen (Beam Current) und verringert somit thermische Praparatschaden; durch die damit wahlbare kleine Spot-Grose ist auch eine relativ hohe seitliche Auflosung gegeben. Ferner spricht das System weniger empfindlich auf den Arbeitsabstand an und ist einfacher zu bedienen.

Farbmetrische Bewertung der optischen Aufhellung von Papieren

Fluoreszierende Bestandteile gelangen entweder in Form von optischen Aufhellmitteln (FWA), insbesondere als „Blautoner“, oder auch durch andere Farbstoffe in das Papier. Solche fluoreszierenden Bestandteile in Papieren erkennt man, indem man diese Papiere ausschlieslich ultraviolettem Licht aussetzt, wodurch die Fluoreszenz dieser praktisch farblosen Farbstoffe deutlich sichtbar, proportional der enthaltenen Menge, visuell zu erkennen ist. Auch bei der Abwesenheit solcher gezielt zugesetzten Fluoreszenzfarbstoffe konnen Papiere aufgrund spezieller Inhaltsstoffe eine schwache Fluoreszenz aufweisen.