Dr hab. Konrad Olejnik i dr inż. Paweł Pełczyński z Instytutu Papiernictwa i Poligrafii opowiadają o pracach nad innowacyjnym wynalazkiem oraz jego zastosowaniach.
Jakie znaczenie dla wyrobów papierowych mają właściwości hydrofobowe?
Materiały papierowe wytworzone bez środków hydrofobizujących silnie chłoną wodę. Najczęściej jest to zjawisko niekorzystne. W przypadku papieru wykorzystywanego do drukowania nadmierne wchłanianie cieczy wiąże się najczęściej ze słabym odwzorowaniem obrazu. Nawet nieduża różnica we właściwościach hydrofobowych może skutkować dużą różnicą w jakości nadruku. Wchłanianie cieczy powoduje zmianę wymiarów papieru i pogorszenie właściwości mechanicznych, co ma znaczenie np. dla papierów na opakowania. Z użytkowego punktu widzenia, papier powinien więc charakteryzować się ściśle określoną hydrofobowością, stąd kontrola tej właściwości należy do najważniejszych metod oceny cech użytkowych papieru. Niestety, precyzyjny pomiar wnikania cieczy do powierzchni papieru oraz przenikania cieczy przez jego strukturę jest stosunkowo trudny do realizacji ze względu na wszechobecną niejednorodność materiału.
Jak działa urządzenie stworzone przez Państwa?
Pomiar opiera się na znanym zjawisku przenikania zabarwionej cieczy na drugą stronę kartki papieru. Oczywiście szybkość przenikania zależy od stopnia hydrofobizacji materiału. Nasze urządzenie wykorzystuje optyczne metody pomiarowe oraz metody analizy obrazów cyfrowych. Papier ma dobre parametry optyczne, odbija większość światła padającego na jego powierzchnię. W miarę wnikania cieczy do papieru od strony przeciwnej do oświetlonej powierzchni zmienia się jego zdolność odbijania światła. Próbka papieru zostaje w urządzeniu oświetlona i jednocześnie poddana oddziaływaniu cieczy wypełniającej ruchome naczynko. Realizowany w tym czasie pomiar ilości odbitego światła pozwala zaobserwować dynamikę procesu przenikania. W przypadku cieczy bezbarwnej możliwe jest także wykonanie pomiaru w świetle przechodzącym przez papier. Nasze urządzenie posiada zestaw oświetlaczy LED oraz oświetlacz laserowy, co pozwala na wykonanie obu rodzajów pomiaru. W charakterze czujnika światła została zastosowana kamera cyfrowa połączona z komputerem, co daje możliwość pomiaru ilości światła i jego rozkładu na powierzchni papieru. W rezultacie jesteśmy w stanie ocenić jednorodność struktury i właściwości hydrofobowych papieru. W rzeczywistości urządzenie jest połączeniem mechaniczno-optycznej części pomiarowej - którą można określić jako hardware - i systemu sterowania oraz algorytmów przetwarzania obrazu zawartych w oprogramowaniu (software).
Jaka jest historia powstania urządzenia?
Pierwszy prototyp nowego urządzenia powstał w stosunkowo krótkim czasie i składał się z części zakupionych m.in. w sklepach komputerowych i marketach budowlanych. Jego główną zaletą była przede wszystkim możliwość zebrania doświadczeń typu „dlaczego urządzenie powinno wyglądać zupełnie inaczej” (śmiech).
Powstanie obecnego urządzenia (XLPA - eXtended Liquid Penetration Analyser) wymagało już zaangażowania większych środków, a przede wszystkim integracji wiedzy z kilku odległych obszarów: mechaniki, optyki, elektroniki i automatyki, algorytmów programowania i zarządzania dużymi zbiorami danych obrazowych, a także przetwarzania i analizy obrazów, no i oczywiście technologii papieru. Wiedza i praktyczne doświadczenie twórców we wspomnianych dziedzinach pozwoliło na zrealizowane projektu w ciągu dwóch lat.
Jest to jedno z pierwszych urządzeń tego typu. Czy to znaczy, że wcześniej nie było na nie zapotrzebowania, czy może zmieniły się właściwości papieru?
Pomiary właściwości hydrofobowych materiałów papierowych – ze względu na swe pierwszoplanowe znaczenie użytkowe - mają bardzo długą historię. Obecnie istnieje szereg metod standardowych opisanych w wielu normach np. ISO, TAPPI, SCAN, DIN itp. Niestety, większość z tych metod opiera się na sposobach pomiaru, w których wynik uzyskuje się po dość długim czasie, np. 60 sekundach. Tymczasem we współczesnych procesach produkcyjnych (np. w maszynach drukujących) czas kontaktu farby z papierem to ułamek sekundy, zatem decydującą rolę odgrywa obecnie raczej pomiar kinetyki wnikania cieczy, a nie pojedynczy wynik końcowy. Z tego względu standardowe metody pomiarowe są w zasadzie oderwane od współczesnych realiów przemysłowych. Obecnie na rynku istnieje praktycznie jedno urządzenie (nie objęte jeszcze żadnym standardem), które pozwala wykonać pomiar kinetyki wchłaniania wody przez papier, ale jego działanie oparte jest na innych zjawiskach fizycznych niż te, które wykorzystano w urządzeniu zbudowanym w Politechnice Łódzkiej. Aparat ten nie pozwala również na ocenę niejednorodności materiału i całego procesu wchłaniania.
Warto być naukowcem, ponieważ...
nauka to odkrywanie praw rządzących otaczającą nas rzeczywistością - jest to fascynująca i porywająca przygoda.
Na czym polega innowacyjność opracowanego przez Państwa urządzenia?
Budowa aparatu pozwala na zastosowanie wielu technik pomiaru procesu przesiąkania papieru, co daje możliwość badania szerokiej gamy papierów różniących się znacznie gramaturą, barwą oraz właściwościami fizycznymi. Zastosowanie kamery, zamiast fotokomórki używanej w podobnych urządzeniach pomiarowych, pozwala dodatkowo na analizę lokalnych zjawisk zachodzących w papierze i ocenę jego jednorodności metodami obrazowymi. W tej chwili dopracowywane są jeszcze algorytmy przetwarzania obrazu metodami kalibracji. Wszystko po to, aby aparat stał się jak najbardziej przyjazny dla użytkownika. System mocowania poszczególnych elementów pomiarowych w urządzeniu jest na tyle elastyczny, że istnieje możliwość dodawania nowych modułów związanych z pomiarami innych właściwości papieru. Mamy już kilka nowych pomysłów, które być może pozwolą stworzyć rodzaj „kombajnu” do badań materiałów papierowych. Badania związane z rozwijaniem urządzenia są również tematem dwóch prac doktorskich realizowanych w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii PŁ.
Gdzie znajdzie ono zastosowanie?
Odbiorcami urządzenia mogą być zarówno zakłady przemysłu papierniczego, przetwórstwa papierniczego, poligraficzne, jak również laboratoria świadczące usługi na rzecz tych przemysłów. Wykorzystywać je mogą również ośrodki badawcze.
