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Das Kunststoff-Zentrum.

Aus- und Weiterbildung - Prfung - Qualittssicherung - Zertifizierung - Forschung

Anwendungen der TerahertzAnwendungen der Terahertz--Spektroskopie in der Spektroskopie in der Kunststofftechnik und zur berwachung von Kunststofftechnik und zur berwachung von

CompoundierprozessenCompoundierprozessen

Thomas Hochrein

66. Kolloquium des AK Prozessanalytik. Kolloquium des AK ProzessanalytikWaldbronn, 8. Waldbronn, 8. -- 9. November 20109. November 2010

Produktqualitt Weiterbildung Forschung Zertifizierung

WrzburgWeiterbildungs

-Zentrum

WrzburgWeiterbildungs

-Zentrum

HalleHalle

PeinePeine

StuttgartStuttgartWrzburgTechnologie-Zentrum,

Verarbeitungstechnikum

WrzburgTechnologie-Zentrum,

Verarbeitungstechnikum

Dubai, Iran, ChinaDubai, Iran, China

Das Kunststoff-Zentrum.

2

Die TerahertzDie Terahertz--LckeLcke

0,1 - 10 THz

3,3 - 333 cm-1

0,4 - 41 meV

3000 - 30 m

Quelle: IHF, TU Braunschweig

Eigenschaften der Terahertz-Strahlung

Elektronik Optik

2

Das Kunststoff-Zentrum.

3

Eigenschaften der THzEigenschaften der THz--StrahlungStrahlung

Laterale OrtsauflsungLaterale Ortsauflsung der Wellen liegt durch die Frequenz im Bereich der Wellenlnge (0,05 3,0 mm).

Longitudinale AuflsungLongitudinale Auflsung ist bei Nutzung von scharfen Terahertz-Pulsen weit hher (abhngig von der zeitlichen

Auflsung).

KunststoffeKunststoffe sind fr THz-Wellen sehr transparent:

unpolare Polymere (PP, PE, PTFE, ...): kaum Absorption

polare Polymere (z. B. PA): hohe Absorption

Silizium und verschiedene GlserSilizium und verschiedene Glser sind fr THz-Wellen transparent.

Wasser, Metalle, elektrisch leitfhige MaterialenWasser, Metalle, elektrisch leitfhige Materialen knnen von THz-Wellen nicht/kaum durchdrungen werden.

WasserdampfWasserdampf z. B. in der Luft kann THz-Messung beeinflussen.

Nicht ionisierende StrahlungNicht ionisierende Strahlung (ungefhrlich)!

Eigenschaften der Terahertz-Strahlung

Das Kunststoff-Zentrum.

4

ProbenProben-- und Referenzmessungund Referenzmessung

Zeit

Amplitude

Probe

Eigenschaften der Terahertz-Strahlung

3

Das Kunststoff-Zentrum.

5

TerahertzTerahertz--KenndatenKenndaten

PulsverzgerungPulsverzgerung

BrechungsindexBrechungsindex

DmpfungDmpfung

AbsorptionskoeffizientAbsorptionskoeffizient

die

lek

tris

ch

e E

ige

nsc

ha

fte

n

die

lek

tris

ch

e E

ige

nsc

ha

fte

n

(ko

mp

lex

e P

erm

itti

vit

t)(k

om

ple

xe

Pe

rmit

tivi

tt)

Eigenschaften der Terahertz-Strahlung

Das Kunststoff-Zentrum.

6

TerahertzTerahertz--SystemeSysteme

elektronischeelektronische optischeoptische

......Terahertz-Systeme

Quelle: SynView GmbH

groer (industrieller) Reifegradgroer (industrieller) Reifegrad sehr robust/kurze Messzeitsehr robust/kurze Messzeit industriell einsetzbarindustriell einsetzbar keine spektrale Informationkeine spektrale Information z. Zt. nur kleine Frequenzen z. Zt. nur kleine Frequenzen

(< 0,8 THz)(< 0,8 THz)

4

Das Kunststoff-Zentrum.

7

Varianten optische THzVarianten optische THz--SystemSystem

Terahertz-Systeme

Gepulstes THzGepulstes THz--SpektrometerSpektrometer

Einsatz von THz-Pulsen

Vergleichsweise teurer

Femtosekundenlaser notwendig

Schnelle Auswertung ber das gesamte

Spektrum (durch das Spektrum der Pulse)

Hohes SNR

Brechungsindex ist leicht zu ermitteln

Einsatz von kontinuierlicher THz-Strahlung

Gnstiger Systempreis

Durchtrimmbares Frequenzspektrum

Hierdurch hohe Frequenzauflsung

Niedriges SNR

Einfache Ermittlung des Brechungsindex

nur fr geringe Schichtdicken

(d < Wellenlnge)

Schwierige Detektion

CWCW--((continues continues wave)wave)--SystemSystem

M. Koch: Terahertz-Technologie: Quo Vadis? Photonik 4/2005, S. 68-71

Das Kunststoff-Zentrum.

8

+

--

photophoto--elektrischer Effektelektrischer Effekt

laser pulse

Entstehung eines THzEntstehung eines THz--PulsesPulses

+

-

Halbleiter

++

++

+

+

+-

--- ---

-

+-

-

THz

EE--Feld +Feld +HalbleiterHalbleiter

+

-

+++

++

++

-

--

---

--

+

--

bewegtebewegteLadungstrgerLadungstrger

beschleunigte Ladungstrgerbeschleunigte Ladungstrger

nach Maxwellnach Maxwell

Abstrahlung einer elektromagnetischen WelleAbstrahlung einer elektromagnetischen Welle THz

Eigenschaften der Terahertz-Strahlung

5

Das Kunststoff-Zentrum.

9

Verschiebestrecke

THz-Linsen

Empfnger

A

Strahlteiler

Prinzip TerahertzPrinzip Terahertz--SpektrometerSpektrometer

Femtosekunden-

Laser

THz-Antenne

SenderProbe

Terahertz-Systeme

~

Das Kunststoff-Zentrum.

10

Prinzip TerahertzPrinzip Terahertz--SpektrometerSpektrometer

Femtosekunden-

Laser

Strahlteiler

Verschiebestrecke

Terahertz-Systeme

Empfnger

A

SenderProbe

~

6

Das Kunststoff-Zentrum.

11

TerahertzTerahertz--Eigenschaften von reinen PolymerenEigenschaften von reinen Polymeren

Brechungsindex Brechungsindex n ~ 1,4...1,8n ~ 1,4...1,8

AbsorptionskoeffizientAbsorptionskoeffizient(abhngig von Polaritt)(abhngig von Polaritt)

R. Piesiewicz et al.,

Int J Infrared Milli

Waves 28, 363371 (2007)

Polymere und Compounds

Das Kunststoff-Zentrum.

12

Polypropylen: TemperatureinflussPolypropylen: Temperatureinfluss

Brechungsindex wird von Brechungsindex wird von der Schmelzetemperatur beeinflusst.der Schmelzetemperatur beeinflusst.

Polymere und Compounds

7

Das Kunststoff-Zentrum.

13

Polypropylen: Brechungsindex vs. DichtePolypropylen: Brechungsindex vs. Dichte

Brechungsindex wird von Brechungsindex wird von der Schmelzedichte beeinflusst:der Schmelzedichte beeinflusst:

n = f() = f((, p))

Polymere und Compounds

Das Kunststoff-Zentrum.

14

Ermittlung Glasbergangstemperatur POMErmittlung Glasbergangstemperatur POM

S. Wietzke et al., Cehmie Ingenieur Technik 82, 467 (2009)

Polymere und Compounds

8

Das Kunststoff-Zentrum.

15

DFTDFT--SimulationSimulation

N. Krumbholz, T.

Hochrein et al.,

Proceedings of

IRMMW-THz 2009

Wellenzahl (1/cm)

Frequenz (THz)A

bs

orp

tio

ns

ko

eff

izie

nt

(1/c

m)

Wasserstoffbrckenbindungen bei PolyamidenWasserstoffbrckenbindungen bei Polyamiden

WasserstoffbrckenWasserstoffbrcken

Polymere und Compounds

Das Kunststoff-Zentrum.

16

Temperaturabhngigkeit von PolyamidenTemperaturabhngigkeit von Polyamiden

Messung bei Messung bei RaumtemperaturRaumtemperatur

N. Krumbholz, T.

Hochrein et al.,

Proceedings of

IRMMW-THz 2009

Polymere und Compounds

Frequenz (THz)

Ab

so

rpti

on

sk

oeff

izie

nt

(1/c

m)

TemperaturabhngigkeitTemperaturabhngigkeitTemperatur (C)

Ab

so

rpti

on

sk

oeff

izie

nt

(1/c

m)

Feststoff

Schmelze

9

Das Kunststoff-Zentrum.

17

Compoundiermaschine

Zahnrad-pumpe Messwerkzeug

Spritz-platte

THz-Pulse

T T

p p

Schmelze

Aufbau MessdseAufbau Messdse

THz

THz

Terahertz-Inline-Kontrolle

Das Kunststoff-Zentrum.

18

EchtzeitmessungenEchtzeitmessungen

Soll-FllstoffgehaltPP + Kreide

Terahertz-Inline-Kontrolle

10

Das Kunststoff-Zentrum.

19

EchtzeitmessungenEchtzeitmessungen

PP + Kreide

auerhalb des

Messbereichs

Soll-Fllstoffgehalt

THz-Signal

Terahertz-Inline-Kontrolle

Das Kunststoff-Zentrum.

20

EchtzeitmessungenEchtzeitmessungen

Soll-Fllstoffgehalt

THz-Signal

Verweilzeit t

PP + Kreide

tDosierung

THz-Messung

Terahertz-Inline-Kontrolle

11

Das Kunststoff-Zentrum.

21

Soll-Fllstoffgehalt

THz-SignalPP + Kreide

EchtzeitmessungenEchtzeitmessungen

Ausspl-

Vorgang

Terahertz-Inline-Kontrolle

Das Kunststoff-Zentrum.

22

HohlglaskugelHohlglaskugel--Compound: BrechungsindexCompound: Brechungsindex

Terahertz-Inline-Kontrolle

12

Das Kunststoff-Zentrum.

23

Detektion des FllstoffgehaltsDetektion des Fllstoffgehalts

PP + PP + KreideKreide PP + TiOPP + T