Thünen Report 34...Thünen Report 34 Untersuchung der Faserqualität von TMP für die...

Thünen Report 34

Untersuchung der Faserqualität von TMPfür die MDF-Produktion

Abschlussbericht zum FNR-Vorhaben „Fiber-Impact“(FKZ: 22013211)

Jan T. Benthien, Sabrina Heldner, Martin Ohlmeyer, Christian Bähnisch, Jörg Hasener, Clemens Seidl, Alfred Pfemeter, Christian Kathmann

Thünen Report 34Herausgeber/Redaktionsanschrift – Editor/address

Johann Heinrich von Thünen-InstitutBundesallee 5038116 BraunschweigGermany

[email protected] www.ti.bund.de

ISSN 2196-2324 ISBN 978-3-86576-150-7DOI:10.3220/REP1449071064000urn:nbn:de:gbv:253-201512-dn056045-5

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Zitationsvorschlag – Suggested source citation:Benthien JT, Heldner S, Ohlmeyer M, Bähnisch C, Hasener J, Seidl C, Pfemeter A, Kathmann C (2015) Untersuchung der Faser- qualität von TMP für die MDF-Produktion : Abschlussbericht zum FNR-Vorhaben „Fiber-Impact“ (FKZ: 22013211). Braunschweig: Johann Heinrich von Thünen-Institut, 71 p, Thünen Rep 34, DOI:10.3220/REP1449071064000

Thünen Report 34

Untersuchung der Faserqualität von TMP für die MDF-Produktion

Abschlussbericht zum FNR-Vorhaben „Fiber-Impact“ (FKZ: 22013211)


Thünen Report 34

Jan T. Benthien, Sabrina Heldner und Dr. Martin OhlmeyerThünen-Institut für HolzforschungLeuschnerstraße 91c21031 HamburgE-Mail: [email protected]

Christian Bähnisch Universität Hamburg, Department Informatik, Arbeitsbereich KOGSVogt-Kölln-Straße 3022527 Hamburg

Dr. Jörg HasenerFagus-GreCon Greten GmbH & Co. KGHannoversche Str. 5831061 Alfeld

Clemens SeidlAndritz AGEibesbrunnergasse 201121 Wien, Österreich

Dr. Alfred Pfemeter und Christian KathmannSonae Indústria, SGPS, SA, c/o Glunz AGGrecostraße 149716 Meppen

Braunschweig, Dezember 2015

Schlussbericht zum Vorhaben

Thema: Untersuchungen der Faserqualität von TMP für die MDF-

Produktion Zuwendungsempfänger: Johann Heinrich von Thünen-Institut

Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei Institut für Holzforschung

Förderkennzeichen: 11NR132 bzw. 22013211

Laufzeit:

01.01.2012 bis 30.04.2014

Datum der Veröffentlichung: 01.12.2015

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) als Projektträger des BMEL für das Förderpro-gramm Nachwachsende Rohstoffe unterstützt. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentli-chung liegt beim Autor.

Vorwort

Beim vorliegenden Thünen Report handelt es sich um den gemeinsamen Abschlussbericht derKooperationspartner

• Thünen-InstitutfürHolzforschung,Hamburg,Deutschland,• Fagus-GreConGretenGmbH&Co.KG(GreCon),Alfeld,Deutschland,• AndritzAG,Graz,Österreich,und• GlunzAG,Meppen,Deutschland,

sowiederUnterauftragnehmer

• UniversitätHamburg(UHH),DepartmentInformatik,ArbeitsbereichKognitiveSysteme(KOGS),Hamburg,Deutschland,und

• InstitutfürHolztechnologieDresdengGmbH(IHD),Dresden,Deutschland,

zumForschungsprojektmitdemTitel

„UntersuchungderFaserqualitätvonTMPfürdieMDF-Produktion“.

DasProjektwurdeimAuftragdesBundesministeriumsfürErnährungundLandwirtschaft(BMEL)durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) unter dem Förderkennzeichen22013211(11NR132)sowiedemKurztitel„Fiber-Impact“gefördert.DurchgeführtwurdedasPro-jektinderZeitvom1.Januar2012bis30.April2014.

DasimvorliegendenReportbeschriebeneForschungsprojektführteForschungsarbeitenfort,dieimRahmenderVorgängerprojekte

• Fiber-Vision(Titel:EntwicklungeinerSoftwarezurbildanalytischenQualitätskontrollevonHolzfasernfürdieHerstellungvonmitteldichtenFaserplatten(MDF);Förderkennzeichen22020506;Bearbeitungszeitraum:Januar2009bisFebruar2010;Projektträger:FNR)und

• Fiber-View(Titel:Konzipierung,EntwicklungundErprobungeinesBildanalysesystemszurErkennung von groben Faserelementenwährend des Herstellungsprozesses vonmittel-dichtenHolzfaserplatten(MDF).DieOberflächenanalysefunktioniertdabeionlinezurPro-zesssteuerung;Förderkennzeichen:KF2184403KM0;Bearbeitungszeitraum:Juni2010bisOktober2011;Projektträger:AifProjektGmbH;ZIM-Koop)

durchgeführtwurden.

Danksagung

AndieserStelleeinherzlichesDankeschön

• den Mitarbeitern der Projektpartner und Unterauftragnehmer für ihre engagierteMitarbeitimProjekt:– Dr.JörgHasener(GreCon),– ClemensSeidl(Andritz),– Dr.AlfredPfemeterundChristianKathmann(Glunz),– ChristianBähnisch(KOGS),– Dr.DetlefKrugundChristophWenderdel(IHD),

• HerrnDr. Benjamin Seppke (KOGS), der federführend an der Entwicklung der Faserver-messungssoftware beteiligt war und maßgeblich zum Gelingen des aktuellen Projektesbeigetragenhat,

• Herrn Dr. Christian Lanvermann (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH),Institute forBuildingMaterials,WoodPhysics, Zürich, Schweiz) fürdieProgrammierungderGrundlagen,aufdenendieaktuelleMatLab-Routinebasiert,

• HerrnReinerOhrnbergerundHerrnFlorianLösch(NorskeSkogWalsumGmbH,Duisburg-Walsum,Deutschland)fürdiefreundlicheCharakterisierungderHackschnitzel,

• HerrnOliverPieperundHerrnWolfgangBartz, diewährend ihrer Tätigkeit amThünen-InstitutfürHolzforschungmaßgeblichanderEntwicklungdesFasermessgerätesbeteiligtwaren,

• FrauChristinaWaitkus(FachinformationszentrumdesThünen-Instituts)fürdiegeduldigeAnfertigungverschiedenenFotographien,

• HerrnJonasVagt(Thünen-InstitutfürHolzforschung)fürseineBereitschaftaufdemFotodesFasermessgerätesModellzustehen,

• FrauDörteBielenberg(Thünen-InstitutfürHolzforschung)fürdiegewissenhaftePrüfungderMDF-Proben,

• FrauStefanieWarsow(Thünen-InstitutfürHolzforschung)fürdenpräzisenZuschnittderMDF-Prüfplatten,

• Frau Doerthe Schmidt (Thünen-Institut für InternationaleWaldwirtschaft und Forstöko-nomie)fürdieAnfertigungderSchemazeichnungdesMessgerätes.

Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung............................................................................................................................3

1.1 WirtschaftlicheBedeutungvonMDF...............................................................................3

1.2 MDF-HerstellungundFaserstoffqualität..........................................................................3

1.3 BestimmungderFaserstoffqualität..................................................................................4

1.4 BisherigeArbeitenzurFaservermessung.........................................................................5

1.5 ZieldesProjektes..............................................................................................................5

2 Offline-Fasercharakterisierung.............................................................................................6

2.1 DasMessgerät:HardwareundSteuerungs-Software......................................................7

2.1.1 AufbaudesMessgerätes......................................................................................7

2.1.2 Hardware-Steuerungssoftware............................................................................8

2.1.3 Kameradetails(Leistungsdaten):OptischeAuflösungdesSystems.....................9

2.2 DieFaservermessung:Bildakquiseund-analyse............................................................10

2.2.1 Grabber:Bildsammlungund-speicherung.........................................................10

2.2.2 Segmenter:BilderkennungundFaservermessung.............................................11

2.2.2.1 Bildvorverarbeitung.............................................................................13

2.2.2.2 Faservermessung.................................................................................13

2.2.2.3 Software-basierteFaserseparierung...................................................14

2.3 DieMatLab-Routine:DatenauswertungundErgebnisdarstellung.................................14

2.3.1 ProblemstellungundLösungsweg......................................................................14

2.3.2 KomplettierungderBasisdaten..........................................................................15

2.3.3 DatenkomprimierungundderenAusgabeformat..............................................15

2.4 DerFasersteckbrief:ErläuterungderKennwerteundderenBerechnungswege...........16

2.4.1 Faserstoff-EinwaageundFaseranzahl(absolut).................................................18

2.4.2 Einwaage-bezogeneFaseranzahl........................................................................18

2.4.3 Faserabmessungen.............................................................................................18

2.4.3.1 MittlereFaserlänge.............................................................................18

2.4.3.2 MittlereFaserbreite............................................................................19

2.4.3.3 Schlankheitsgrad.................................................................................19

Inhaltsverzeichnis II

2.4.4 GraphischeDarstellungderdoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeitsverteilungalsgeglättetesHäufigkeitspolygon..................................19

2.4.5 Doppelt-längengewichteterelativeHäufigkeitsverteilungfürfünfFaserlängenklassen(a)bis(e).............................................................................20

2.4.6 KennwerteaufBasisderdoppelt-längengewichtetenSummenhäufigkeitsverteilung............................................................................21

2.4.6.1 Feinheitskennwerte.............................................................................21

2.4.6.2 Box-Whisker-Plot.................................................................................22

3 Laborversuche:EinflussderZerfaserungsparameteraufFaserstoffqualitätundPlatteneigenschaften........................................................................................................23

3.1 MaterialundMethoden.................................................................................................23

3.1.1 Fasermaterial......................................................................................................23

3.1.2 Klebharz..............................................................................................................25

3.1.3 Plattenherstellung..............................................................................................25

3.1.4 Faserstoff-Charakterisierung..............................................................................25

3.1.5 Plattenprüfung...................................................................................................25

3.1.6 StatistischeAnalyse............................................................................................26

3.2 ErgebnisseundDiskussion..............................................................................................26

3.2.1 EinflussvonKochtemperaturund-dauer...........................................................27

3.2.1.1 a:ExtremeZerfaserungsbedingungen.................................................27

3.2.1.2 b:EinflussderKochdauerbei170°C...................................................28

3.2.1.3 c:EinflussderKochdauerbei200°C...................................................30

3.2.1.4 d:EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Kiefer)...............................................................................................31

3.2.1.5 e:EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Buche)...............................................................................................32

3.2.2 EinflussdesStoffauslasses..................................................................................33

3.2.3 EinflussdesMahlscheibenabstandes.................................................................34

3.2.4 EinflussderHolzart.............................................................................................35

3.2.5 ReproduzierbarkeitderZerfaserungsbedingungen............................................37

Inhaltsverzeichnis III

4 Industrieversuche..............................................................................................................41

4.1 AusgangssituationimWerkMeppen.............................................................................41

4.1.1 SteuerungderFaserstoffqualität........................................................................41

4.1.2 BeurteilungderFaserstoffqualität.....................................................................43

4.2 UntersuchtesFaserstoffspektrum..................................................................................44

4.3 Versuchsdesign...............................................................................................................46

4.4 CharakterisierungderFaserstofftypen...........................................................................46

4.5 AuswertungderaufgenommenenProzessparametermitBlickaufdiebeabsichtigteHerstellungverschiedenerFaserplattentypenbzw.Faserstoffqualitäten...................48

4.5.1 Hackschnitzelmix................................................................................................48

4.5.2 VorheiztemperaturundKochparameter............................................................49

4.5.3 Mahlscheibenabstand........................................................................................50

4.5.3.1 BetrachtungüberalleFaserstoffproben.............................................50

4.5.3.2 BetrachtungeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben................................................................................50

4.6 MöglichkeitenderProzesssteuerungüberdieFaserstoffqualität..................................53

5 Zusammenfassung.............................................................................................................55

6 FazitundAusblick..............................................................................................................57

Literaturverzeichnis.................................................................................................................58

Abbildungsverzeichnis.............................................................................................................59

Tabellenverzeichnis.................................................................................................................61

Kurzzusammenfassung 1

Kurzzusammenfassung

Projektbeschreibung:Ungeachtet ihrerBedeutungfürdenProduktionsprozesssowiedieEigen-schaftenderhergestelltenFaserplattenwirddieQualitätvonthermo-mechanischaufgeschlosse-nen Faserstoffen (engl.: thermo-mechanical pulp; kurz: TMP) vornehmlich über eine haptischeundvisuelleBegutachtungdurchdenMaschinenführervorgenommen,dageeigneteMesssyste-mederzeitnichtverfügbarsind.DiesesVerfahrenistimhohenMaßevonderprüfendenPersonabhängig sowie das Ergebnis nur begrenzt quantifizierbar und daher für eine objektiv-gezielteProdukt-undProzessoptimierungungeeignet.WährendimRahmenvonzweiVorgängerprojekteHard-undSoftware zurautomatisiertenBildanalyse-basiertenVermessungvonTMPentwickeltwurde,hattedasaktuelleVorhabendieUntersuchungdesEinflussesderRohstoffheterogenitätundderProduktionsbedingungen-insbesonderederRefiner-Parameter-aufdieFaserstoffquali-tätsowiedenEinflussderFaserstoffqualitätaufdieEigenschaftenvonMitteldichtenFaserplatten(engl.: medium-density fiberboard; kurz MDF) zum Ziel. Hierfür wurden zunächst Kenngrößenentwickelt,mitdenendieQualitätvonFaserstoffenbeschriebenwerdenkönnen.AnschließendwurdenverschiedeneFaserstoffeerzeugt,mitdemzuvorentwickeltenMessgerätcharakterisiertunddieerzieltenErgebnissemitdenProzessparameternderFaserstofferzeugungsowiedenme-chanisch-technologischen Eigenschaften der aus diesen Faserstoffen hergestellten MDF in Zu-sammenhanggestellt.Diewissenschaftlich-technischenErgebnissewurdenwährendderAufstel-lungderMessgerätes inderProduktioneinesMDF-Herstellersunter industriellenBedingungenüberprüft.

Projektergebnisse: DieNutzung des in zwei Vorgängerprojekten entwickeltenMessgerätes de-monstriert die erfolgreiche Realisierung einer automatisierten Vereinzelung wollig-verfilzterMDF-FasernsowiederenbildanalysebasierterVermessungingrößererAnzahl(0,8Mio.FasernjeMessung). Anhandder imVorhaben entwickelten Kenngrößen zur Faserstoff-Charakterisierungsowie Qualitätsquantifizierung lassen sich Anlage und Prozess zur Faserstofferzeugung gezieltoptimierenohneaufsubjektiveUrteilederFaserstoffbegutachtungangewiesenzusein.AufBasisderErgebnissevonLabor-undIndustrieversuchenkonntenverschiedeneZusammenhängenvonProzessparameternundFaserstoffqualitätbestätigtunderstmalsanhandvonMesswertenquan-tifiziertwerden.BeispielsweisewurdederMahlscheibenabstand(MSA)alseinewesentlicheEin-flussgrößeaufdieFaserstoffqualitätdokumentiert:mit zunehmendemMSAnimmtdiemittlereFaserlängesowiederGrobanteilzu,währenddieFaseranzahljemgFaserstoffabnimmt.ÜberdiegraphischeDarstellungderFaserlängenverteilunglassensichFaserstoffeausverschiedenenHolz-arten (Kiefer, Buche, Birke, Pappel) deutlich voneinander unterscheiden. Die gezielte Verände-rungderFaserstoffqualitätmitderAbsichteinerProduktumstellunginderindustriellenProduk-tion konnte anhand der Faservermessung klar nachvollzogenwerden. Entgegen der anfänglichvermutetenBedeutungderFaserstoffqualitätalsIndikatorfürdieresultierendenFaserplattenei-genschaften, scheintdieBestimmungderFaserstoffzusammensetzungvielmehrAnwendung imBereichdesProzessverständnissesundderProzessoptimierungzufinden.

Keywords:MDF,Holzfasern,Faserplatte,Faseranalytik,Größenverteilung.

Abstract 2

Abstract

Projectdescription:Despite its importance for theproductionprocess andpropertiesof fiber-board,thequalityofthermo-mechanicalpulp(TMP)isprincipallydeterminedwithahapticandvisualinspectionbyskilledpersonnel,asadequatemeasurementsystemsarecurrentlynotavail-able.Thisapproachdependsgreatlyonthepersontestingthematerial,andtheresultsobtainedareonlyquantifiable toa limitedextent.Resultsarethereforeunsuitable forobjectiveproductandprocessoptimization.Whilethehardwareandsoftwareoftheautomatedimage-basedfiberanalysissystemappliedweredevelopedinthecontextoftwopreviousprojects,thecurrentpro-jectaimedtoinvestigatetheinfluenceoffibercompositionandprocessparameters,particularlytherefiningparameters,onthefiberqualityandtheimpactofthefiberqualityonthepropertiesofmedium-densityfiberboard(MDF).Withthisobjective,characteristicvalueshavebeendevel-opedinordertoquantifythefiberquality.Variousfiberswereproducedandcharacterized.TheobtainedresultswerecorrelatedwiththeparametersofthefiberproductionprocessaswellasthemechanicalpropertiesofMDFmadefromthesefibers.Thescientific-technicalresultswereverifiedinindustrialtrialswhenthemeasuringdevicewasinstalledintheproductionprocessofanMDFmanufacturer.

Projectresults:Theapplicationofmeasuringdevicedevelopedintwopreviousprojectsdemon-stratesthesuccessfulrealizationofautomatedwoolly-feltedMDFfiberseparation,aswellasitsimage analysis-based characterization at greater amounts (0.8 mio. fibers per measurement).Basedonthedevelopedcharacteristicvaluesforfibercharacterizationandquantificationofthequalityduring thisproject, thedefibrationprocess canbeoptimizedwithouthaving to relyonsubjectiveresultsoffibermatinspection.Basedontheresultsoflaboratoryandindustrialexper-iments, various interrelations of process parameters and fiber quality could be confirmed andquantifiedon thebasisofmeasuredvalues first.Forexample, thegrindinggapdistance (GGD)hasbeendocumentedasamajordeterminantoffiberquality:withincreasingGGDtheaveragefiberlengthandthecoarseparticlefractionincrease,whilethenumberoffiberspermgoffibersdecreases.Furtheron,fibersmadefromdifferenttypesofwood(pine,beech,birch,poplar)werefoundtobesignificantlydifferentintermsoffibersizedistributionwhenchartedgraphically.Theintentionalmodificationoffiberqualityforproductconversioninindustrialproductioncouldbeclearly traced through fibermeasurement. In contrast to the initially presumed importance offiberqualityasan indicatorforfiberboardproperties,fibercharacterizationwasfoundtobeofmuchmoreinterestinordertounderstandandoptimizethedefibrationprocess.

Keywords:MDF,woodfibers,fiberboard,fiberanalytics,fibersizecharacterization.

Offline-Fasercharakterisierung 3

1 Einleitung

1.1 WirtschaftlicheBedeutungvonMDF

MiteinemAnteilvon23%(11,7miom3)andereuropäischenHolzwerkstoffproduktion(51,1miom3)in2010(ohneRusslandundTürkei),istMDF(MitteldichteFaserplatte;engl.:medium-densityfiberboard)derzweitwichtigsteHolzwerkstoffnachSpanplatte(Döry,2012).DasweltweitePro-duktionsvolumenvonMDFbetrug70Millionenm3imJahr2010(FAO,2010).

1.2 MDF-HerstellungundFaserstoffqualität

Die wesentliche Rohstoffkomponente zur Herstellung von MDF - thermo-mechanisch aufge-schlossenerHolzfaserstoff(engl.:thermomechanicalpulp;kurz:TMP)-wirdalsErgebnisderZer-faserungvonHackschnitzelnoderSägespänenineinemRefinererhalten.VordemmechanischenAufschlussdesHolzes imRefinerwirdzunächstdieHolz-MatrixsubstanzLignin ineinemKochererweicht.AufgrundderkonzentriertenLokalisierungvonLigninzwischendeneinzelnenZellenimHolz(Mittellamelle),stelltdaserweichteLignineineSollbruchstelledarundfördertimerweich-tenZustandsodieanschließendeZerfaserungderHolzsubstanzinEinzelfasern.Nebendergeziel-tenDurchwärmungderHackschnitzel überdieParameterKochdauerund -temperatuar, ist einengerZusammenhangvonMahlscheibenabstandundFaserstoffqualitätzubeobachten.DieWahlkleinerMahlscheibenabständen führt zu feinenFaserstoffen,dieWahlgroßerMahlscheibenab-ständeführtzugrobenFaserstoffen.DieserZusammenhanglässtsichamEnergiebedarfdesRefi-nersnachvollziehen:eineintensiveAufspaltungderHolzsubstanzinseineStrukturelementefor-derteinengrößerenEnergieeinsatz.DieQualitätdesFaserstoffeswirdfolglichvondenParame-terndesZerfaserungsprozessesbestimmt.

ImAnschlussandenZerfaserungsprozesswirddererzeugteFaserstoff inderBlasleitung(engl.:blow-line)beleimtundanschließendgetrocknetsowieweiter inderHeißpressezuFaserplattenverpresst.DieEigenschaftendererzeugtenFaserplattensindimhohenMaßerohdichteabhängig,werdenaberauchvonderGestaltungdesHeißpressprozesses(Presstemperaturund-dauer),derChemikalienzugabe (Bindemittel- und Hydrophobierungsmittelart sowie deren Anteile) sowieentscheidendvonderFaserstoffqualitätbestimmt(DeppeundErnst,1996;Deppe,2003).Überdie Gestaltung des Heißpressvorgangs kann das Rohdichteprofil und somit unter anderem dieBiegeeigenschaften der Faserplatte beeinflusst werden, während über die eingesetzte MengeunddieArtdesBindemittelsdieAnforderungenanbeispielsweisedieFeuchtigkeitsbeständigkeitgesteuertwerden.


DieFaserstoffqualitäthatEinflussaufdenPressprozess(z.B.EntlüftungsgeschwindigkeitdesFa-serkuchens)sowiedieEigenschaftenderFaserplatten.BeispielsweisewirdKlebharzvomStaub-anteilgebunden,sodassdiesesnichtmehrzurFestigkeitderFaserplattebeitragenkann.Weitersind bestimmte Faserstoffqualitäten zur Herstellung bestimmter Plattenqualitäten erforderlich.FeineFaserstoffewerdenbenötigt,umTieffräsqualitäten(engl.:deeproutergradeMDF)herzu-stellen,währendgrobeFaserstoffebenötigtwerden,umgeringeSchüttdichtenaufderFormstra-ße zu erreichen, die für die Herstellung von Faserdämmplatten (engl.: wood fiber insulationboard;kurz:WFIB)notwendigsind.DieHerstellungvonMDF fürdieDirektlackierungoderdenMöbelbau(engl.:direct laqueringorfurnituregardeMDF)wirdTMPmiteinenniedrigenShive-AnteilundentsprechendhomogenerPlattenoberflächebenötigt(EUWID,2013).

1.3 BestimmungderFaserstoffqualität

Ungeachtet ihrer Bedeutung bei der Herstellung von Faserplatten, wird die Faserstoffqualitätderzeit lediglich auf einem technisch niedrigen Niveau erfasst. Zu diesem Ergebnis kam eineweltweiteBefragungunterdenMDF-Produktionsstandorten,die imRahmendesVorgängerpro-jektesFiber-ViewdurchgeführtundApril2013aufdemInternationalWoodCompositesSymposi-um(IWCS)inSeattle,Washington/USA,vorgestelltwurde(Benthienetal.,2013a).Hiernachwirdin Ermangelung geeigneter Messinstrumente die Faserstoffqualität überwiegend haptisch undvisuell durch die jeweiligenMaschinenführer beurteilt. Darüber hinaus finden adaptierte Sieb-technikenausderSpanplattenherstellungAnwendung.DieseMethoden (inklusiveLuftstrahlsie-bung) lassensich fürdieCharakterisierungvonFaserstoffen jedochnichtzielführendeinsetzen,damitihnenlediglichdieFaserbreitebestimmtwerdenkann(WenderdelundKrug,2012).Wei-ter findet der Vergleich von erzielten Plattenqualitäten mit Rückstellmustern sowie eine aufSchüttdichte und Mattenhöhe basierte Qualitätsbeurteilung Anwendung. BildanalysebasierteMessgeräteausderZellstoff-undPapierindustriekonntensichlautderobengenanntenUmfra-geergebnissebishernichtzurCharakterisierungvonTMPetablieren.

Das Problem von bildanalysebasierten Messgeräten aus der Zellstoff- und Papierindustrie ist,dassdiesedasenormeGrößenspektrum–vonStaubundFaserfragmentenüberEinzelfasernbishin zu Faserbündeln – nicht abdecken können. Insbesondere grobe Partikel und Faserbündel(Shives)neigenzumVerstopfenderFlusszelle,wieeigeneVersucheaneinemFiberLab/Kajaani(MetsoAutomation INC,Helsinki, Finnland) zeigten. Im Fall der Anpassung der Flusszelle beimPulpVision(Andritz)andasbreitereFasergrößenspektrumvonTMPwieesvonFunk(2013)un-tersuchtwurde, istvonunscharfenFaserabbildungenauszugehen,dadieKameranuraufeinenbegrenztenBereichfokussiertwerdenkann.

Wie auch die auf wässrigen Fasersuspensionen und rechnergestützten bildanalysebasierendenMesssysteme,stoßenauchtrocken-bildanalytischarbeitendeMesssystemebeiderCharakterisie-rungvonTMPanihreGrenzen:InsbesonderedieNotwendigkeitdieFasernvorderBildaufnahmezeitaufwendig händisch zu vereinzeln und die Aufnahmen von überkreuzt-liegende Fasern zu


verwerfen, lassen das Potential von ansonsten vielversprechende Messsysteme wie dem Fib-reShape(IST-InnovativeSinteringTechnologiesLtd.,Vilters,Schweiz)unddemQIC-PIC(Sympa-tec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland) letztendlich als begrenzt erscheinen. AbgesehenvonderfürFasernungeeignetenSeparierungvorderBildakquiseübereineRüttelrinne,kommtbeispielsweise im Fall des Camsizers (Retsch, Haan, Deutschland) die Ausrichtung des Vermes-sungsalgorithmus auf kubische Partikel hinzu,was die Eignung für die Vermessung von Fasernweiterreduziert.Aussichtsreich fürdieProzesskontrolleaufBasisbildanalytischerFaservermes-sungerscheintdaskürzlichvonGreConindenMarkteingeführteFiberViewSystem.DiesesvomThünen-Institut fürHolzforschung,KOGSundGreconentwickelteSystemumgehtdieVereinze-lung vonFasernunddetektiert anstelledes gesamtenFaserstoffspektrums lediglichdie fürdiespätereVerarbeitungderPlattenstörendenShivesanderFasermattenoberflächezwischenVor-undHeißpresse.

1.4 BisherigeArbeitenzurFaservermessung

Mit dem Ziel, Schwächen derzeit verfügbarerMesssysteme zu überwinden, begannen im Jahr2009dieUniversitätHamburg (Hamburg,Deutschland), spezielldasZentrumHolzwirtschaftso-wiederArbeitsbereichKognitiveSysteme (KOGS),unddasUnternehmenFagus-GreConGretenGmbH&Co.KG(GreCon)(Alfeld,Deutschland),eineSoftwarezurbildanalytischenQualitätskon-trolle von Holzfasern für die Herstellung von mitteldichten Faserplatten zu entwickeln (Fiber-Vision). ImRahmeneinesFolgeprojektes (Fiber-View)wurdeab2010anderKonzipierung,Ent-wicklung und Erprobung eines Bildanalysesystems zur Erkennung von groben FaserelementenwährenddesHerstellungsprozessesvonMDFgearbeitet.ErgebnissedieserForschungsvorhabenwareneinbildanalysebasiertes SystemzurErkennungvonShivesanderOberflächevonFaser-platten(InlineFasercharakterisierung),eineSoftwarezurseparatenVermessungvonüberkreuztliegendenFasernsowieeineTechnikzurFaservereinzelung,diefüreineweitestgehendautomati-sierte,bildanalysebasierteOffline-Faserstoffcharakterisierung richtungsweisend istund zumPa-tentangemeldetwurde.DasGerätzurInlineFasercharakterisierungwurdeinzwischenvonkom-merziell umgesetzt (FiberViewSystem)und indrei deutschenMDF-Werken installiert (Hasener2013a,b).DasGerätzurOfflineFasercharakterisierungwurdezuBeginndesaktuellenVorhabensso finalisiert (Anpassungen an Hard- und Software, Datenauswertung), sodass ein uneinge-schränkterEinsatzinLaborundIndustriemöglichist.

1.5 ZieldesProjektes

ZieldesProjekteswardieUntersuchungdesEinflussesderParameterdesRefinerprozessesaufdieFaserstoffqualitätundweiterderFaserstoffqualitätaufdieresultierendenPlatteneigenschaf-ten.Hierfürwurden ineinemersten Schritt im LaborunterAnwendungverschiedenerKocher-undRefinereinstellungenausunterschiedlichenHolzartenFaserstoffehergestellt,vermessen,zuPrüfplattenverarbeitetundderenEigenschaftenbestimmt.IneinemzweitenSchrittwurdedasin


VorgängerprojektenentwickelteFaserlängenmessgerät ineinemMDF-WerkaufgestelltundhierFaserprobenausdem laufendemBetriebcharakterisiertundderenZusammenhangmitden je-weiligenProzessparameternbetrachtet.Neben letztenHardware-AnpassungenwardieFindungeinergeeignetenHandhabungundAuswertungdererzeugtenDatenAufgabediesesProjektes.

2 Offline-Fasercharakterisierung

Für die im vorliegendem Abschlussbericht dargestellten Forschungsarbeiten wurde die Faser-stoffcharakterisierungmiteinemGerätdurchgeführt,dasimWesentlichenimRahmenvonzweiVorgängerprojekten der Partner Thünen-Institut für Holzforschung, Zentrum Holzwirtschaft,KOGS und GreCon konstruiert und entwickelt wurde. Hierbei wurde im Projekt „Fiber-Vision“zunächsteineBildanalysesoftwareentwickelt,dienebendersubpixel-genauenVermessungauchmangelhaft-vereinzelte Fasern bildanalytisch trennen und somit einzeln vermessen kann. ImRahmen des Nachfolgeprojektes „Fiber-View“ wurde, parallel zur Entwicklung eines Inline-MessgeräteszurShive-Erkennung1,dieHardwaredeshierverwendetenOffline-Fasermessgerätesentwickelt.NebenletztenHardware-AnpassungenlagderFokusderEntwicklungsarbeitimaktu-ellenProjekt („Fiber-Impact“)aufderHandhabungdererzeugtenDaten,derenAuswertungso-wiederUntersuchungdesEinflussesderParameterdesRefinerprozessesaufdieFaserstoffquali-tätundweiterderFaserstoffqualitätaufdieresultierendenPlatteneigenschaften.

DasMessgerätarbeitetaufBasistrocken-gestreuterFasern,dienachdermechanischenVerein-zelungmitHilfeeinerKameraoptischerfasstwerden.ImAnschlussandieBildakquiseanalysiertein Software-Algorithmus das erzeugte Graustufenbild und vermisst die erkanntenObjekte. IneinemweiterenSchrittwerdendieerzeugtenMessdatenverarbeitet,d.h.geeigneteKennzahlenundGrafikenerstellt,anhanddererderuntersuchteFaserstoffcharakterisiertwerdenkann.Ent-sprechend dieser Arbeitsschritte ist die nachfolgende Beschreibung Offline-Fasercharak-terisierunginvierAbschnitteunterteilt:Hardware,Software,DatenauswertungundErläuterungderverwendetenKennzahlen.

DieMethodezurFaservereinzelungwurdezumPatentangemeldet.DieOffenlegungderPatent-schriftwirdimSeptemberdiesesJahreserfolgen.DiedeutschePatentanmeldunghatdiePatent-nummer:102013003636.4.DerTitelderPatentanmeldunglautet:„VerfahrenundVorrichtungzumVermessenvonPartikeln,insbesonderevonFasern,hinsichtlichIhrerGröße.“

1DasGerätwirdinzwischenvonGreConunterdemProduktnamenFiberViewvertriebenundistbereitsindreideutschen

MDF-WerkenerfolgreichimEinsatz.


2.1 DasMessgerät:HardwareundSteuerungs-Software

2.1.1 AufbaudesMessgerätes

DertechnischeAufbaudesentwickeltenFasermessgerätesistinAbbildung1schematischdarge-stellt und lässt sich in drei funktionelle Bereiche unterteilen: (I) die Faservereinzelung, (II)dieBildakquiseund(III)dieReinigungseinheit.InderFaservereinzelungseinheitwirdeineFaserstoff-probevonca.0,5güberdieProbenzufuhrvorrichtung(1) indieuntereÖffnungdesSteigrohres(2a) eingebracht. Diemechanische Faservereinzelung sowie der Transport der vereinzelten Fa-serndurchdasRohrsystemerfolgtmitDruckluft.WährenddesTransportesderFaserndurchdasRohrsystemwirddieFaservereinzelungdurchunterschiedlicheStrömungsgeschwindigkeitenauf-grundunterschiedlicherDurchmesserdesRohrsystemsunterstützt.MiterreichendesAbsinkroh-res (2b) wird die Strömungsgeschwindigkeit reduziert und die vereinzelten Fasernwerden aufdemrotierendenGlastisch(3)abgelegt.ÜberdieDrehbewegungdesGlastischeswerdendieFa-sern kontinuierlich der Bilderzeugungseinheit zugeführt, die aus einem Blitzlicht (4) und einerhochauflösendenKamera (5)besteht.DieBildakquiseerfolgt imDurchlichtverfahren.MiteinerFrequenzvonetwa70BildernproMinutewerdendieFasernfotografiert,sodassjeMessdurch-gangetwa560Bildererzeugtwerden. InderRegelwerden jeFaserstoff-CharakterisierungdreiWiederholungsmessungen durchgeführt, sodass insgesamt ca. 1,5 g Faserstoff vermessen und1.680Bildererzeugtwerden. InderReinigungseinheitwerdendieFasernübereineAbsaugung(6)vonderGlasscheibeentfernt.


Abbildung1: SchemazeichnungdesFasermessgerätes

DasZusammenspielderHardware-KomponentenSchrittmotor (AntriebGlastisch),BlitzlichtundKamera,dieMengederDruckluft(Volumenstrom)sowiedieStromzufuhrfürdieAbsaugungwer-denüberzweiMikrocontrollergeregelt.HierbeidecktderControllerSMCI-35(NanotecElectronicGmbH&Co.KG,Landsham,Deutschland)dieSteuerungdesSchrittmotorsundderControllerC-Control (Conrad Electronic SE, Hirschau, Deutschland) die Steuerung der übrigen Hardware-Komponentenab.DieControllerkommunizierenmitdemDialogfenster(kurz:GUI;engl.:graphi-caluser interface)dervomThünen-InstitutfürHolzforschungentwickeltenSoftwareFiberViewControl-V2.0.

2.1.2 Hardware-Steuerungssoftware

Die Steuerung der Kamera erfolgt über die „Common Vision Blox Management Console“ vonStemmer Imaging GmbH, Puchheim, Deutschland. Über diese Software wird die Kamera-Initialisierungvorgenommen,d.h.beispielsweisedieArtvonTrigger-Signaldefiniert,überdiedieKameraausgelöstwird,sowiedieBildaufnahmeparameterfestgelegt.


Die hausintern entwickelte Fiber View Control - V 2.0 Software steuert über die Controller C-Control undSMCI-35 dieHardwarekomponenten (Druckluftventil, Blitzlicht, Kamera, Schrittmo-tor, Absaugung). Neben der individuellen Steuerung einer jeden Hardwarekomponente lassensichhiermitauchverschiedeneRoutinen,wiebeispielsweisevorabspezifizierteDruckluftprofileoderReinigungsfahrten,definieren.

Abbildung2: DialogfensterderFiberViewControl-V2.0Software

2.1.3 Kameradetails(Leistungsdaten):OptischeAuflösungdesSystems

Die optische Auflösung der verwendeten Kamera (GE4000)2 wird vom Hersteller (Allied VisionTechnologiesGmbH(AVT),Stadtroda,Deutschland)mit4008x2672Pixel(nominal11Megapixel)angegeben.ZurBestimmungdeseffektivaufgenommenenAusschnittesderGlasscheibe(Bildsei-tenverhältnis1,5:1)sowiederPixelkantenlänge,wurdeeinObjektmikrometer(Objektmikrometer3,POGPräzisionsoptikGeraGmbH,Gera,Deutschland)aufderGlasscheibeabgelegtundfotogra-fiert.Eswurdeermittelt,dass10mmaufdemObjektmikrometer430Pixelnentsprechen.Hie-rausfolgt,dassdieKantenlängederquadratischenPixel23,2µm,derfotografierteAusschnittder

2ausgestattetmiteinemKodakKAI-11002CCD-Sensor


Glasscheibeungefähr93mmx62mmunddieBildauflösung1095dpi(dotsperinch;deut.:Punk-teproInch)bzw.ppi(pixelperinch;deut.:PixelproInch)beträgt.

ImRahmenderBildanalysewirddieAuflösung technischerhöhtbzw.die Faservermessunger-folgt losgelöstvomPixelraster.Diesbedeutet,dassdieFaservermessungsubpixel-genauistundauchFaserlängengemessenwerdenkönnen,diekeinganzzahligesVielfachesvon23,2µmsind.DieMessgrenzebleibthiervonjedochunberührtundbeträgt46,4µm(2Pixel).

2.2 DieFaservermessung:Bildakquiseund-analyse

2.2.1 Grabber:Bildsammlungund-speicherung

DieimBetriebdesMessgerätesvonderKameraemittiertenBilderwerdenanden,demMessge-rätzugehörigenComputerübertragenunddortvoneinerGrabber-Softwaregesammeltundge-speichert.DerenglischeBegriffGrabber(FrameGrabber)kannmit„Bilddigitalisierer“oder„Bild-fangschaltung“übersetztwerden.Wörtlichübersetzthandeltessichumeinen„Bild-Greifer“.DieFunktion der Software ergibt sich aus ihrer Bezeichnung. Parallel zur Bildsammlung durch denGrabberbeginntbereitsdieBildanalysedurchdieSegmenter-Software(siehe2.2.2Segmenter).DerGrabberkannergänzendzumebenbeschriebenenFallauchsobetriebenwerden,dasszu-nächstdieBilderabgespeichertunderstzueinemspäterenZeitpunktderBildverarbeitungzuge-führtwerden(„Dummy-Grabber“).


Abbildung3: DialogfensterderGrabber-Software

2.2.2 Segmenter:BilderkennungundFaservermessung

Nachbzw.parallelzurBildsammlungdurchdenGrabberführtdieSegmenter-SoftwaredieBilda-nalyse und Faservermessung durch. Wie auch im Fall des Grabbers beschreibt die Software-Bezeichnung auch hier diewesentliche Funktion: Jedes einzelne Bildwird segmentiert, d.h. eswerdenbenachbartePixeloberhalbeinesdefiniertenGrau-SchwellwertesalszusammenhängenddefiniertundalsObjekteerkannt.DiesodetektiertenObjektewerdennachfolgendvomSegmen-tervermessen,d.h.WertefürLänge,BreiteundHelligkeitsintensitätbestimmt.

DerFaservermessungliegenzweiVermessungsprinzipienzugrunde,diesequenziellgestaffeltzurAnwendungkommen:IneinemerstenSchrittwirdversuchtdieLängen-undFaserbreitenvermes-sung der jeweiligen Faser über die sogenannte Faserverfolgungsmethode zu realisieren. KanndieseMethode fürdasdetektierteObjektnicht angewendetwerden, so kommtdieMomente-Methode zum Einsatz. Aufgrund der Arbeitsweisen beider Algorithmenmussmit Blick auf dieMessgrenze des Systems bei der späteren Auswertung keine Datenauswahlmehr erfolgen, daObjekteerstabeinerMinimalgrößevon2Pixelverarbeitetwerden.

DieFaservermessungerfolgtsubpixelgenau, losgelöstvomPixelgitter,sodassdieDimensionsan-gabennichtaufPixelschrittebegrenztsindundauchLängenzwischen24und47µm(1bis2Pi-


xel)gemessenwerdenkönnen.ImFallderFaserverfolgungsmethodewirddiesdurchdieUmstel-lungvonderpixelbasiertenaufdiekontinuierlicheDarstellungdesGraustufenbildeserreicht.BeiAnwendungderMomente-MethodesinddieErgebnisseebenfallssubpixel-genau,dabeiderBe-rechnung(Bild-)MomentebestimmtundgewichteteMittelwerteausdenGraustufendereinzel-nenPixeldesObjektesgebildetwerden.

FürdieCharakterisierungvonFaserstoffenaufBasisderEigenschaftenindividuellerFasern3(Län-ge,Breite,Helligkeitsintensität)imAllgemeinensowiefürdieautomatisiertebildanalyse-basierteFaservermessungimBesonderenistVoraussetzung,dassdiezuvermessenenObjektealsEinzel-fasernvorliegenbzw.alssolcheerkanntwerdenkönnen.DieseVoraussetzungwirdvonderzuvorbeschriebenenMessgerät-Hardware überdurchschnittlich umfassend erzielt, wobei selbst hier,trotzintensiverVereinzelungundgleichzeitiggeringemBedeckungsgrad(optimal2%)desObjekt-trägers(rotierendeGlasscheibe,(3)inAbbildung1),Fasernüberlappendabgelegtsind.MitdemZiel,derartigeObjektenichtvonderVermessungausschließenzumüssenoderfehlerhafteMess-ergebnisse bei Anwendung im Bereich der Faservermessung gängiger Messverfahren (Feret-Länge,Mittellinienskelettierung,Rechteckmodel)hinnehmenzumüssen,kommtimRahmenderFaserverfolgungsmethode eine software-basierte Separierung von eng-parallel und überkreuztliegendenEinzelfasernzumEinsatz.

Die Charakterisierung einer Faserstoffprobe setzt sich aus drei Wiederholungsmessungen zu-sammen, imderenRahmenca.560Bildererzeugtwerden.Ein jedesBildwirdvomSegmenterverarbeitetunddieErgebnissederFaservermessunginFormeinercsv4-Dateiausgegeben.Nachder Faservermessung liegen je Wiederholungsmessung 560 csv-Dateien bzw. je Faserstoff-Charakterisierung1680csv-Dateienvor.DerenweitereVerarbeitungerfolgtübereineMATLAB-Routine,dieinKapitel2.3näherebeschriebenwird.

Die in den folgenden Unterkapiteln gegebenen Ausführungen richten sich an Informatik-Laienbzw. Bildverarbeitungseinsteiger und sollen diesen ein grundsätzliches Verständnis der Funkti-onsweise und der internen Abläufen der Faservermessungssoftware liefern. Eine detailliertereBeschreibungdesFaserverfolgungsalgorithmusistbeiBenthienetal.(2014)zufinden.

3 Im Kontext der Faserplattenherstellung ist unter dem Begriff „Faser“ nicht zwangsläufig eine Holzzelle im biologisch-

anatomischenSinne(Tracheide,Gefäßzelle,Libriformfaseroderandere)zuverstehen,sondernvielmehreineinzelnerPartikel,derzurHerstellungvonFaserplattenverwendetwird.EingeschossensindauchFaserfragmente(Staub)sowieunvollständigaufgeschlosseneFaserbündel(Shives).

4stehtfürenglischcomma-seperatedvalues(deut.:komma-getrennteWerte)


2.2.2.1 Bildvorverarbeitung

Kalibrierung:MitdemZieleinenmöglichenEinflussvonggf.anhaftendenSchutzpartikelnbzw.KratzeraufderrotierendenGlasscheibezueliminierensowieeinermöglicherweiseauftretendeninhomogenenAusleuchtung des Blitzlichtes entgegen zuwirken,wird ein jedes der aufgenom-menen Bilder über ein vor der Bildaufnahme aus ungefähr 160 Leeraufnahmen erzeugtes Bildkalibriert.

Schwellwert: Im Anschluss an die Kalibrierung wird ein jedes Bild über ein Graustufen-Schwellwertverfahrendahingegenbearbeitet,dasunterhalbdesdefiniertenGrauwertesliegendePixeldemHintergrund(weiß)zugeordnetundnichtfürdieFaservermessungberücksichtigtwer-den.

Segmentierung:Das so vorbereiteteBildwirdnun segmentiert, d.h. inRegionenvon Interesse(engl.:regionofinterest;kurz:ROI)unterteilt.HierfürwerdenzunächstbenachbartePixel(Nicht-Hintergrund)alszusammenhängenddefiniertundeinemjedensodetektiertenObjekteineindi-viduellen ROI zugeordnet. Innerhalb der nachfolgenden Fasererkennung spart dieser Arbeits-schrittProzessor-Leistung,danunnichtmehrdasganzeBild, sondernnurnochBildausschnittebetrachtetundanalysiertwerdenmüssen, indenen tatsächlichObjektegefundenwurden.DasAusmaßdieserErsparniswirddeutlich,wennberücksichtigtwird,dassder(Faser-)Bedeckungs-gradderBilderlediglich2%beträgt.Wichtigzuerwähnenisthier,dassdieAnzahlanROIsnichtzwangsläufigmit derAnzahl an Fasern übereinstimmenmuss, da innerhalb einer ROImehrereFaserngefundenwerdenkönnen.DiesistdannderFall,wennüberlappendliegendeFasernvor-handensind.EineROIwirddannvonderFaservermessungausgeschlossen,wenndieRegionandenBildrand angrenzt, d.h. einObjekt detektiertwurde, dass bei der Bildaufnahmenicht voll-ständigerfasstwurde.

2.2.2.2 Faservermessung

Faserverfolgungsmethode:FürdasVerständnisdesMessprinzips„Faserverfolgung“(engl.:flow-linetracing)isteshilfreich,sichdieerfasstenBilderdergestreutenFasernalsReliefkartevorzu-stellen,wobeihierdiedunklenBildpunktedieErhebungenineinerBerglandschaftunddiehellenPunktedie flacheUmgebungdarstellen. Fasern können somit alsBerge ineiner ansonsten fla-chen Landschaft verstandenwerden.Mit dieserModelvorstellung kann der Prozess der Faser-vermessungundsoftware-basierteSeparierungalsWanderungaufeinemBergrücken-vonGipfelzuGipfel-verstandenwerden.DasErgebnisdiesesProzessesisteinNetzwerkvonWegstrecken,wobeieinjederdieSkelettlinieeinerFaserrepräsentiert.AufBasisdieserSkelettliniewerdendieFasereigenschaften bestimmt (Länge, Breite, Helligkeitsintensität) sowie überlappend liegendeFasern voneinander separiert. Die Faserbreitenmessung erfolgt an bestimmten charakteristi-schen Punkten der Skelettlinie, sodass in der Ergebnisdatei einMittelwertmit Standardabwei-chungangegebenwird.GleichesgiltfürdieBestimmungderHelligkeitsintensität.


Momente-Methode:ImFallsehrkleinerObjektekanndieFaserverfolgungsmethodegelegentlichnichtangewendetwerden,dabestimmteerforderlicheKenngrößen(Sattelpunkte,Extrema)nichtgefundenwerdenkönnen. IndiesemFallwirdüberdieBerechnungder(Bild-)Momente(engl.:imagemoments)eineEllipseandasdetektierteObjektangepasstundüberderenEigenschaften(LängederkleinstenundgrößteAchse)dieFaserlängeunddieFaserbreitebestimmt.

2.2.2.3 Software-basierteFaserseparierung

Jedes ineinerROIdetektierteObjektstelltentwedereineeinzelneMDF-FaserodereinKonglo-meratausmehrerennichtvereinzeltenFaserndar,dievorderVermessungübereinenNachbe-arbeitungsschritt(Software-Algorithmus)voneinandersepariertwerdenmüssen.FürdieseSepa-rierungwirdaneinemjedenEndpunkteinerVerfolgungsliniedamitbegonnen,dieSkelettliniebiszueinemKnotenpunktzuverfolgen.DieVerfolgungeinerSkelettlinieüberdenKnotenpunkthin-auserfolgtaufdemWeg,dersogeradewiemöglichist.EntsprechendderCharakteristikaeinesKnotenpunktes (Anzahl der Seitenarme sowieWinkel zwischen Seitenarm und durchgehenderSkelettlinie)wirdentschieden,obessichumeineVerzweigungdervornehmlichverfolgtenFaserhandeltodereineüberkreuztliegendeweitereFaservorliegt,diesepariertwerdemuss.

2.3 DieMatLab-Routine:DatenauswertungundErgebnisdarstellung

2.3.1 ProblemstellungundLösungsweg

AlsErgebnisderFaservermessungliefertdieSegmenter-SoftwarejeWiederholungsmessungca.530 csv-Dateien, in denenMessgrößen wie Länge, Breite und Helligkeitsintensität tabellarischaufgeführtsind.DaderUmfangderDatendieAuswertungmiteinemgängigenTabellenkalkulati-onsprogramm wie z.B. Microsoft Excel unmöglich macht, wurde unter MATLAB (MathWorks,Natick,Massachusetts,USA)ein„Skript“programmiert,dasdiegesamteDatenhandhabung,aus-gehendvomSegmenter-OutputbishinzurAusgabeeinesFasersteckbriefes(Ergebnisprotokoll),abdeckt.Der Fasersteckbrief (engl.:Fiber Fact Sheet) setzt sich aus verschiedenenKennwertenunddergraphischenDarstellungderdoppelt-längengewichteterelativeHäufigkeitsverteilung inForm eines geglätteten Häufigkeitspolygon sowie eines Box-Whisker-Plots (deut.: Kasten-Schnurrhaar-Grafik)aufBasisderdoppelt-längengewichtetenrelativenSummenhäufigkeitsvertei-lungzusammen.ErgänzendzumFasersteckbrief,derdieuntersuchteFaserstoffprobeüberMit-telwert und Streuung (StandardabweichungundVariationskoeffizient) der dreiWiederholungs-messungen charakterisiert, wird eine Datei erstellt, in der die ermittelten Kennwerte für jedeWiederholungsmessungzusammengestelltsind.DieseTabellekannfürdenVergleichvonFaser-stoffenaufBasisstatistischerTestsherangezogenwerden.


2.3.2 KomplettierungderBasisdaten

MitdemZiel,überdieBearbeitungdesSegmenter-OutputsmitderMATLAB-Routineeinenum-fassendenundvollständigenDatensatzzuerhalten,wurdederProgrammcodesogestaltet,dassüber eine Eingabemaske auch alle die Informationen zu einer Faservermessung abgefragt unddokumentiertwerden,diesichnichtausdenErgebnissenderBildanalysegenerierenlassen.Hier-fürwird zurBenennungdesMessprojektes, demUrsprungder Faserstoffprobe (z.B.NamedesMDF-Werkes),desNamensder fürdieAnalyseverantwortlichenPersonsowiedemDatumderProbeentnahme aufgefordert. Weiter wird die Einwaage einer jeden Wiederholungsmessungabgefragt. Das Datum der Faservermessung sowie die Anzahl der Wiederholungsmessungenwerdenautomatischergänzt.

2.3.3 DatenkomprimierungundderenAusgabeformat

ÜberdieBearbeitungdesSegmenter-OutputsmitderMatLab-RoutinewerdendienachderFa-servermessung in ca. 560 bzw. 1680 einzelnen csv-Dateien verteiltenMessdaten in 5 Dateienkomprimiertzusammengefasstundsomitsinnvollhanghabbararchiviert:

• Fasersteckbrief(pdf-Datei)• AuflistungfürStatistik(xls-Datei)• Grafik1:Doppelt-längengewichteterelativeHäufigkeitsverteilung(bmp-Datei)• Grafik2:Box-Whisker-Plot(bmp-Datei)• Rohdaten(mat-Datei)

Fasersteckbrief:DerFasersteckbriefistdaszentraleErgebnisprotokoll,mitdemderuntersuchteFaserstoffumfassendcharakterisiertwird.EingebettethierinsindGrafik1und2.EinedetaillierteErläuterungderimSteckbriefangegebenenKennwertesowiederenBerechnungswegeerfolgtinKapitel2.4.

AuflistungfürStatistik:InderDatei„AuflistungfürStatistik“werdendieermitteltenKennwertefürjedeWiederholungsmessungaufgelistet,umdiesesofüreinenVergleichvonFaserstoffenaufBasisstatistischerTestsheranziehenzukönnen.

Grafik1undGrafik2werden zusätzlich zumSteckbrief separatgespeichert,umso imFallderVerwendung für ergänzende Ergebnispräsentationen hierauf einen einfachen Zugriff zu haben.EinedetaillierteErläuterungderzugrundeliegendenBerechnungsoperationenwirdinKapitel2.4vorgenommen.

Rohdaten:DieSpeicherungderRohdatenalsmat-Dateisorgt fürderenplatzsparendeArchivie-rungunterAufrechterhaltungderzügigenZugreifbarkeitmitMatLab.


2.4 DerFasersteckbrief:ErläuterungderKennwerteundderenBerechnungswege

AlsDatengrundlagefürdiemitderMatLab-RoutineausdenRohdatensätzenderdreiWiederho-lungsmessungenkalkuliertenKennwertesowiedengraphischenDarstellungen(geglättetesHäu-figkeitspolygon,Box-Whisker-Plot)dienen

• dieFaseranzahlundFaserstoff-Einwaage,• dieFaserabmessungen(LängeundBreite),• diedoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeiten(656Klassen,Klassenbreite50µm)

sowie• dieüberdasgeglätteteHäufigkeitspolygonerstelltedoppelt-längengewichteteSummen-

häufigkeitsverteilung.


Abbildung4: MustereinesFiber-Fact-Sheets


2.4.1 Faserstoff-EinwaageundFaseranzahl(absolut)

Initialsampleweight:DieEinwaage(engl.:initialsampleweight)wirdalsSummederEinwaagenderjeweiligenWiederholungsmessungenangegeben.

Numberoffibers:DieFaseranzahl(engl.:numberoffibers)wirdalsSummederFasernderjewei-ligenWiederholungsmessungenangegeben.

2.4.2 Einwaage-bezogeneFaseranzahl

NoF:DienormierteFaseranzahl(engl.:normalizednumberoffibers;kurz:NoF)istderQuotientaus Faseranzahl und Einwaage und wird in Stück proMilligramm (pcs/mg) angegeben. DieserKennwert liefert eine Aussage zur Fein- bzw. Grobheit des untersuchten Faserstoffes: Ist derKennwertgroß, so istderFaserstoff fein,daproGrammFaserstoffvieleFaserngefundenwur-den. Ist der Kennwert klein, so ist der Faserstoff grob, da proGrammFaserstoffwenig Faserngefundenwurden.

NoF6:DerKennwertNoF6 istderQuotientausderAnzahlderFasernmiteinerLängegrößerodergleich6mmundderEinwaageinStückproGramm(pcs/g).DieserKennwertcharakterisiertdenGrobanteildesuntersuchtenFaserstoffes.

NoS:DieShive-Zahl(engl.:normaliziednumberofShives;kurz:NoS)istderQuotientausderAn-zahlanShivesundderEinwaageundwirdinStückproGramm(pcs/g)angegeben.AlsShivewer-denhierbeialldieFaserndefiniert,dieeineBreitevon550µmundeineHelligkeitsintensitätvon62.000überschreiten.

2.4.3 Faserabmessungen

2.4.3.1 MittlereFaserlänge

Faserlänge, ungewichtet: Die ungewichtete Faserlänge (engl.: unweighted fiber length) odermittlereFaserlängeistderinmmangegebeneQuotientausderSummederFaserlängenundderFaseranzahl.

𝑙 =Σ𝑙!𝑛

[1]


Faserlänge, längen-gewichtet: Die (einfach) längen-gewichtete Faserlänge (engl.: length-weightedfiberlength)istderinmmangegebeneQuotientausderSummederFaserlängenquad-rateundderSummederFaserlängen.

𝑙! =Σ𝑙!!

Σ𝑙!

[2]

Faserlänge,doppeltlängen-gewichtet:Diedoppelt längen-gewichteteFaserlänge (engl.:doublelength-weightedfiberlength)istderinmmangegebeneQuotientausderSummederzurdrittenPotenzerhobenenFaserlängenundderSummederFaserlängenquadrate.

𝑙! =Σ𝑙!!

Σ𝑙!!

[3]

2.4.3.2 MittlereFaserbreite

Faserbreite, ungewichtet: Die ungewichtete Faserbreite (engl.: unweighted fiber width) odermittlereFaserbreiteistderinmmangegebeneQuotientausderSummederFaserbreitenundderFaseranzahl.

𝑏 =Σ𝑏!𝑛

[4]

2.4.3.3 Schlankheitsgrad

Schlankheitsgrad:Der (ungewichtete)Schlankheitsgrad (engl.: slenderness ratio)odermittlererSchlankheitsgradistderQuotientausderSummederjeweiligenQuotientenausFaserlängeund-breiteundderFaseranzahl.

𝑠 =Σ(𝑙!/𝑏!)

𝑛 [5]

2.4.4 GraphischeDarstellungderdoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeitsverteilungalsgeglättetesHäufigkeitspolygon

Als Ausgangsdatensatz für die graphische Darstellung der doppelt-längengewichteten relativenHäufigkeitsverteilung als geglättetes Häufigkeitspolygon dienen die doppelt-längengewichtetenrelativen Häufigkeiten, die sich nach der Zuordnung eines jeden Wiederholungsmessungs-


Rohdatensatzes in 656 Faserlängenklassen mit einer Klassenbreite von 50 µm und der Faser-gesamtanzahlberechnenlassen.DieAnzahlderFasernjeKlassewirdhierbeimitdemjeweiligenKlassenmittelwertdesLängenquadratsmultipliziert,umsodierelativeAnzahlvonkurzenFasernzuverringernunddie relativeAnzahl von längerenFasern zuvergrößern (Gewichtungsprinzip).ZurBerechnungderrelativenHäufigkeitwirddurchdieFasergesamtanzahldividiert.Korrespon-dierendzudensokalkuliertenrelativenHäufigkeitenwerdendieIntervallmittenberechnet(Mit-telwertausIntervalluntergrenzeund-obergrenze),sodasseinxy-Datensatzvorliegt.DiesemDa-tensatzwirdnuneineFunktionangepasst(Ausgleichsrechnung;engl.:fitting),mitderenHilfeaufdie Darstellung des eigentlichen Häufigkeitspolygons (mit Linien verbundene Häufigkeiten) zu-gunsteneinergeglättetenAusgleichskurveverzichtetwerdenkann.HierfürwurdeeineFourier-reiheachterOrdnungalsRegressionsmodellangewendet.

Mit dem Ziel, die doppelt-längengewichtete relative Häufigkeitsverteilung nicht allein auf dieDarstellungdesgeglättetenHäufigkeitspolygonszubeschränken,wirddasbeschriebeneVorge-henzurErstellungdesgeglättetenHäufigkeitspolygonsanalogauchfürdieDatensätze(+/-)derStandardabweichungangewendetundsoeineArtVertrauensbereichfürdasgeglättetenHäufig-keitspolygonserstellt.DieserwirdimHintergrunddesgeglättetenHäufigkeitspolygonsalsgrauerBereichdargestellt.

2.4.5 Doppelt-längengewichteterelativeHäufigkeitsverteilungfürfünfFaserlängenklassen(a)bis(e)

MitdemZieldiedoppelt-längengewichteterelativeHäufigkeitsverteilungnichtalleingraphischinFormeinesHäufigkeitspolygondarzustellen,werdenfünfFaserlängenklassen(a)bis (e)mitdenIntervallgrenzen

(a) 0-0,3mm(b) 0,3-1mm(c) 1-3mm(d) 3-6mm(e) >6mm

definiert.AlsAusgangsdatensatz fürdieBerechnungderHäufigkeitenüberdie jeweiligen Inter-valledienendiedoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeiten,diesichnachderZuordnungeines jedenWiederholungsmessungs-Rohdatensatzes in 656 Faserlängenklassenmit einer Klas-senbreitevon50µmundderFasergesamtanzahlberechnenlassen(siehe2.4.4).FürdieBerech-nungderHäufigkeiten innerhalbderobenaufgelisteten IntervallewerdendieHäufigkeitendesAusgangsdatensatzesüberdieaufgelistetenIntervalleaufsummiert.


2.4.6 KennwerteaufBasisderdoppelt-längengewichtetenSummenhäufigkeitsverteilung

ZurErzeugungdesAusgangsdatensatzes,derzurBerechnungderKennwertenaufBasisderdop-pelt-längengewichteten Summenhäufigkeitsverteilung dient, wird die Funktionsgleichung desgeglättetenHäufigkeitspolynomsherangezogen.DurchsequenziellesEinsetzeneinerVielzahlvonFaserlängen(x-Werte)unddasanschließendeAufsummierenderErgebnisse,werdenkorrespon-dierendeSummenhäufigkeitengeneriertundsoeinxy-Datensatzerstellt.

2.4.6.1 Feinheitskennwerte

InAnlehnungandiezurCharakterisierungderFeinheitvonHolzfaserstoffendurchtrockeneSieb-fraktionierungvonJensen(1975)imTechnischenAnleitungsblattfürdieHolztechnologie1975/2vorgeschlagenePrüfmethode,werdenFeinheitskennwerteermittelt.Aufgrundderkonzeptionel-lenAndersartigkeitdeshierverwendetenMesssystemserfolgtdieErmittlungderFeinheitskenn-werte nicht wie im Fall der von Jensen vorgeschlagenen Siebfraktionierung auf Basis einerSiebkennlinie(massenbasierteDurchgangssummealsOrdinatenachseundSiebmaschenweitealsAbszissenachse), sondernaufBasisderdoppelt-längengewichteten relativenSummenhäufigkeit(Ordinatenachse)undderFaserlängeaufderAbszissenachse.Hierbei lassensichdieursprüngli-chenFeinheitskennwertenichtdirektmitdenhiergeneriertenFeinheitskennwertevergleichen,dadie jeweiligenBezugsgrößen (massenbasierteDurchganssummevs.anzahlbasierteSummen-häufigkeit sowie Siebmaschenweite vs. Faserlänge) elementar verschieden sind. Dennoch er-scheintdieAnpassungeinerüber JahrzehnteetabliertenMessgrößeandieGegebenheitendermodernenbildanalyse-basiertenFaservermessungsinnvoll,dasobekannteMessgrößenbetrach-tetwerdenkönnen.

DieFeinheitskennwertelassensichinSummenhäufigkeitswerte(engl.:cumulativefrequencyva-lues)(CF-Werte)undFaserlängenwerte(engl.:fiberlengthvalues)(FL-Werte)unterteilen.AnalogzudenursprünglichenFeinheitskennwerten(z.B.KmoderD1,0)werdendieCF-Werte(Feinstfaser-anteilCF0,315undFeinfaseranteilCF1,0)unddieFL-Werte (MittlereFeinheitFLmundFeinheitsin-tervallΔFL)überdieSummenhäufigkeitsverteilungermittelt.

CF-Werte: Die CF-Werte können direkt aus dem erzeugten Summenhäufigkeitsdatensatz ent-nommenwerden.DieIndizesderCF-Werte(z.B.0,315und1,0)gebenhierbeiFaserlängean,fürdiedieSummenhäufigkeitermitteltwurde.

FL-Werte:DieBerechnungderFL-WerteerfolgtaufBasisdesDatensatzes,derdurchdassequen-zielleEinsetzeneinerVielzahlvonFaserlängenindieFunktionsgleichungdesHäufigkeitspolynomserzeugtwurde.EntsprechendderzurBerechnungvonMittlererFeinheitFLmundFeinheitsinter-vallΔFLzugrundeliegendenFormeln,


𝐹𝐿! =𝐹𝐿!" + 𝐹𝐿!" + 𝐹𝐿!"

3 [6]

und

∆𝐹𝐿 = 𝐹𝐿!" − 𝐹𝐿!" [7]

werdenzunächstdieFL-WerteFL16,FL50undFL84ausdemDatensatzbestimmt,umhierausFLmundΔFLberechnenzukönnen.HierbeiwirdimFalleinesnichteindeutigvorliegendenFL-WerteszwischendenzweiumdengesuchtenWert liegendenFaserlängen interpoliertoderderMittel-wertverwendet.

2.4.6.2 Box-Whisker-Plot

Als Ergänzung zum geglätteten Häufigkeitspolygon wird die doppelt-längengewichtete relativeHäufigkeitsverteilungalsBox-Whisker-Plotdargestellt.HierfürwerdenFL-Wertegeneriert (5%-,25%-,75%-und95%-Quantil),diedannzurErstellungvonBox(FL25,FL75)undWhisker(FL5,FL95)herangezogenwerden.AnstellederüblichenDarstellungdesMedianwirdhierdieLagedesMa-ximal-Peaks des geglättetenHäufigkeitspolygons angegeben. Der gewonnene Box-Whisker-PlotliefertnuneinekomprimierteDarstellungderdoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeits-verteilungundkannsoeinfach fürdenVergleichverschiedenerFaserstoffeherangezogenwer-den.

Laborversuche:EinflussderZerfaserungsparameteraufFaserstoffqualitätundPlatteneigenschaften

23

3 Laborversuche:EinflussderZerfaserungsparameteraufFaserstoffqualitätundPlatteneigenschaften

3.1 MaterialundMethoden

3.1.1 Fasermaterial

ZurHerstellungderVersuchsfasernwurdenamInstitutfürHolztechnologieDresdengGmbH(IHD,Dresden,Deutschland)ausverschiedenenHölzernHackschnitzelhergestelltunddieseanschlie-ßend ineinemLabor-RefinerzuFasernverarbeitet.NebenderHerstellungvonFaserstoffalleinaus Kiefer (Pinus sylvestris), Buche (Fagus sylvatica), Birke (Betula spp.) und Pappel (Populousspp.),wurdeeinGemischausKiefern-undBuchenhackschitzelnzerfasert(50/50wt%).Währenddes Zerfaserungsprozesseswurden keineChemikalien zugesetzt undeswurde keineBlow-line-Beleimungdurchgeführt.

Die Faserherstellungwurde in Zerfaserungsserien vorgenommen, da zum Zeitpunkt der erstenZerfaserung(SerieA)nichtalleHolzartenverfügbarwaren.InderZerfaserungsserieAwurdesichauf die Herstellung von Fasern unter verschiedenen Kochbedingungen und der Variation desStoffauslasses (radial/ tangential) konzentriert, während in Serie 2 der Mahlscheibenabstand(0,06,0,15und0,6mm)verändertunddieFasernausverschiedenenHolzartenhergestelltwur-den.AufgrundderZerfaserunginzweiSerienliegenKiefernfasernvor,dieunteridentischenHer-stellungsbedingungenversuchtwurdenherzustellen.

DieZerfaserungsbedingungenderuntersuchtenFaserstoffesichinTabelle1dargestellt.


24

Tabelle1: ZerfaserungsbedingungenderuntersuchtenFaserstoffe(Laborversuche)

Faser HolzartKoch-

temperatur(°C)

Kochdauer

(min)

Mahlscheiben-abstand(mm)

Stoffauslass

A1 Kiefer 143 1 0,15 radial






A7 Buche 164 4 0,15 radial

A8 Buche 170 4 0,15 radial

A9 Kiefer 170 4 0,20 tangential

B1 Kiefer 170 4 0,06 radial



B4 Buche 170 4 0,15 radial

B5 Kiefer/Buche 170 4 0,15 radial

B6 Birke 170 4 0,15 radial

B7 Pappel 170 4 0,15 radial


25

3.1.2 Klebharz

FürdiePrüfplattenherstellungwurdeein flüssigesHarnstoff-Formaldehyd-Klebharz (Kaurit 350,BASF, Ludwigshafen,Deutschland) verwendet.AlsHärterwurdeeine40%igeAmmoniumnitrat-Lösung(NH4NO3)eingesetzt.

3.1.3 Plattenherstellung

DieBeleimungderFasernwurdeineinemTrommelmischervorgenommen.DemKlebharzwurde1%Härterzugegeben.InAbhängigkeitderFeuchtederFasernwurdeweitersovielWasserzuge-setzt,dassdieFasermatteeineFeuchtevon12%hatte.DerKlebstoffanteilbetrug12%.

MitHilfeeinerFormboxwurdendiebeleimtenFasernzueinemFaserkuchenmitdenAbmessun-gen500x500mmgestreut.NachderVorverdichtungfürca.2minwurdendieFasernbei190°C,einem spezifischen Pressdruck von 716N/cm2 und einemPresszeitfaktor von 12 sec/mm (192sec)ineinerHeißpressezuPlattenmiteinerDickevon16mmundeinerZieldichtevon650kg/m3verpresst.

3.1.4 Faserstoff-Charakterisierung

DieCharakterisierungderFaserstoffewurdemittelsderinKapitel2beschriebenenMethodevor-genommen.

3.1.5 Plattenprüfung

EswurdenjeFaserstofftypdreiPrüfplattenhergestellt.VordemPrüfkörperzuschnittwurdedenPlatten Zeit zum Auskühlen gegeben und die Kantenwurden besäumt. Die Klimatisierung derPrüfkörpererfolgtefürdieDauervon2Wochen.InformationenzudenPrüfkörperabmessungen,derAnzahlderPrüfkörper sowiedieverwendetePrüfnormkönnenTabelle2entnommenwer-den.


26

Tabelle2: PrüfkörperabmessungenundangewendetePrüfnormen

Eigenschaft Abkürzung Norm Anzahl Abmessungen Anmerkung

Querzugfestigkeit IB EN319 18 50x50mm

Dickenquellung TS EN317 18 50x50mm 2hund24h

Wasseraufnahme WA EN317 18 50x50mm 2hund24h

Biege-E-Modul MOE EN310 12 370x50mm

Biegefestigkeit MOR EN310 12 370x50mm

Abhebefestigkeit SS EN311 18 50x50mm

3.1.6 StatistischeAnalyse

DieSignifikanzvonKennwertunterschiedenderFaserstoff-CharakterisierungsowiederPlattenei-genschaften beurteilen zu können,wurde durch eine Varianzanalyse (ANOVA) und eine TukeyHSD, unter Verwendung des Analysetool von SAS JMP, geprüft. Die Nullhypothesewurde hierakzeptiert(keinEffekt),wennderp-WertdasSignifikanzniveauvonα=0,05übersteigt.

3.2 ErgebnisseundDiskussion

DurchKombinationbestimmter inTabelle1aufgeführterFaserstoffewirdderEinflussverschie-denerZerfaserungsparameteraufdieFaserstoffzusammensetzungsowieweiterderEinflussderFaserstoffzusammensetzungaufdiePlatteneigenschaftenerarbeiten.


27

3.2.1 EinflussvonKochtemperaturund-dauer

ZurgezieltenBetrachtungdesEinflussesvonKochtemperaturundKochdauerwurdenfünfGrup-pena)bise)gebildet,

a) ExtremeZerfaserungsbedingungen(A1,A2,A3),b) EinflussderKochdauerbei170°C(A4,A2,A5),c) EinflussderKochdauerbei200°C(A6,A3),d) EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Kiefer)(A2,A6)unde) EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Buche)(A7,A8),

fürdieimFolgendendieErgebnissederFaserstoffvermessungundderPrüfplattenuntersuchunggetrenntvoneinanderdargestelltwerden.

3.2.1.1 a:ExtremeZerfaserungsbedingungen

FürdieinGruppea)betrachtetenFaserstoffe,dieergänzendzumReferenzfaserstoffA2(170°C,4min)unterextremenBedingungen(A1:143°C,1min;A3:200°C,8min)gekochtwurden,konn-tegezeigtwerden,dassmitIntensivierungderKochbedingungendie(doppelt-längengewichtete)mittlere Faserlänge signifikant abnimmt, während die normierte Faseranzahl signifikant steigt(Tabelle3).DiesesErgebniszeigt,dassmitzunehmendintensivenKochbedingungendieZerfase-rung der Holzsubstanz (Hackschnitzel) im Refiner zu Einzelfasern und Faserfragmenten umfas-sender vonstatten geht. Die gleiche Schlussfolgerung legt die Betrachtung der (doppelt-längengewichteten relativen) Häufigkeitsverteilung des untersuchten Faserstoffes nahe: DerFeinanteil(0bis3mm)steigtmitzunehmendintensiverenKochbedingungen,währendderGro-banteil (3bis>6mm)abnimmt.AnhanddervisuellenFaserstoffbegutachtung(Abbildung5) istaufgrundderFaserstofffärbungenzuvermuten,dassderKochprozesschemischeVeränderungenanderHolzsubstanzbewirkthat.

MitAusnahmederBiegefestigkeit (MOR)derPrüfkörper,dieausderFaserA1hergestelltwur-den,sindfürallePrüfplatteninderWeisesinkendeEigenschaftswertegefundenworden(Tabelle4), wie es aufgrund der intensivierten Kochbedingungen bei der Herstellung der verwendetenFasern zuerwartengewesen ist.DasbedeuteteineVerbesserungvonDickenquellung (TS)undWasseraufnahme (WA) und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften, wenn zuneh-mendintensivaufgeschlosseneFaserstoffezurHerstellungderPlattenverwendetwurden.Statis-tischeSignifikanzließsichnichtdurchgängigfürallePrüfplattennachweisen.

DieErgebnissedieserVersuchsreihezeigen,dassdieKochbedingungenderFaserstoffherstellungdie Eigenschaften der hieraus hergestellten Platten beeinflussen. Mit zunehmend intensivenKochbedingungen ist von einem zunehmend stärkerenAbbau vonHemicellulosen auszugehen,waseineVerringerungderBenetzbarkeitmitWasserundKlebharzzurFolgehat.Hierüberlassen


28

sich die verbesserte TS undWA, sowie die verringertenmechanischen Eigenschaften erklären.DiePlattewirdzumeinenwenigerzugänglichfürWasserundquilltdaherweniger;zumanderenbewirktdieverschlechterteBenetzbarkeitmitKlebstoffeinegeringereAusbildungderFestigkeitzwischenHolzfaserundKleber,wassichinverringertenmechanischenEigenschaftenwiederspie-gelt.DieintensivereZerfaserungmitzunehmendschärferenKochbedingungenhatzurFolge,dasseinegrößereOberflächemitdergleichenMengeanKlebharzbeaufschlagtwerdenmussundent-sprechenddierelativeAnzahlanVerbindungspunkten(Klebharztröpfchen)zwischendenFasernabnimmt.DieserklärtweiterdieVerringerungdermechanischenEigenschaften.

Abbildung5: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppea)(Maßstabinmm)

3.2.1.2 b:EinflussderKochdauerbei170°C

MitdemZieldenEinflussderKochdaueraufdieFaserstoffqualitätundweiterdenEinflussderFaserstoffqualitätaufdieEigenschaftenvonMDFzuermitteln,wurdeninGruppeb)dreiFaser-stoffekombiniert,fürderenHerstellungdieHackschnitzelbeieinerTemperaturvon170°Cfür1min (A4), 4 min (A2) und 8 min (A5) gekocht wurden. Die Ergebnisse der Faserstoff-Charakterisierungwaren jedochnicht soeindeutig,wie sieaufBasisdesVersuchsaufbausbzw.denErgebnissenderVersucheinGruppea)zuerwartengewesenwären.AbgesehenvomStau-banteil(0bis0,3mm)wurdenfürdienormierteFaseranzahl,die(doppel-längengewichtete)Fa-serlängesowiedie (doppelt-längengewichteterelative)HäufigkeitsverteilungderFaserstoffeA4undA5indiegleicheundderFaserstoffA2ineineeigenehomogenenGruppen(Tukey-Test)ein-


29

geordnet.Dabedeutet,dasssichA4undA5nicht,wohlaberA2vonA4undA5unterscheidet.Dieses Ergebnis ist schwer zuerklären, dadieDurchwärmungderHackschnitzel unddamitdieZerfaserungderHackschnitzelmitzunehmenderKochdauerhomogenerablaufensollte.Entspre-chendwäremitUnterschiedenzwischendenFasernzurechnengewesen,diekurz (1min)undlänger(4und8min)gekochtwurden.ÄhnlichschwerzuerklärendeErgebnissewurdenbeiderBestimmungderPrüfplatten-Eigenschaftenerzielt.

AbweichendvondemeigentlichbeabsichtigtenErgebnisderKombinationdieserFaserstoffekanngeschlussfolgertwerden,dassdieHerstellungvonFaserstoffenzurErarbeitungvonEinflussgrö-ßenaufdie Faserstoffeigenschaften sequenziell gestaffelt erfolgenmuss.D.h. dieVeränderungderKochdauerhättestufenweisevonz.B.niedrigzuhocherfolgenmüssen,umsoEffekteunge-nügend-reproduzierbarerProzesseinstellungen,insbesonderedesMahlscheibenabstandes(siehehierzuKapitel3.2.3),zuvermeiden.NebendenMesswertenderFaserstoffcharakterisierungdeu-tetbereitsdievisuelleFaserstoffbegutachtung(Abbildung6)daraufhin,dassnureinegestaffelteParametervariationinderLageist,diezuuntersuchendenbeabsichtigteEinflussgrößenabzubil-den(optischeUnterschiedezwischenA2undA4/A5).


30

Abbildung6: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppeb)(Maßstabinmm)

3.2.1.3 c:EinflussderKochdauerbei200°C

EntgegenderbegrenztenAussagekraftdesfürGruppeb)erzieltenErgebnisses,lässtsichderEin-flussderKochdaueraufdieFaserstoffqualitätundweiterdenEinflussderFaserstoffqualitätaufdie Eigenschaften vonMDF anhand der inGruppe c) kombinierten Faserstoffe nachvollziehen.AbgesehenvongelegentlichfehlenderSignifikanzderErgebnissewirdanhandderVersucheklar,dassmitzunehmenderKochdauer(von4auf8min)derAufschlussderHolzsubstanzumfassen-derabläuft.DierelativeAnzahlanFasersteigt,die(doppelt-längengewichtete)Faserlängesinktunddie(doppelt-längengewichteterelative)HäufigkeitvonfeinenFasernsteigt,währenddievongrobenFasernsinkt.

DieVerringerungvonDickenquellung(TS)undWasseraufnahme(WA)(beide24h)lässtsichwiefürGruppea)gutmitdemzunehmendhydrophobenCharakterderFasernerklären.DerAnstiegvonBiege-Elastizitätsmodul(MOE)undAbhebefestigkeit(SS)könntedurchmöglicherweisedich-terePlattendeckschichtenzuerklärtsein,dieihrerseitseinResultatderfeineren,leichtzukom-primierendeFasernseinkönnte.


31

Abbildung7: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppec)(Maßstabinmm)

3.2.1.4 d:EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Kiefer)

SignifikanteUnterschiede zwischenden inGrupped) kombinierten Faserstoffen, anhanddererder EinflussderKochtemperatur (170 °C, 200 °C) aufgezeigtwerden soll, sind lediglich fürdenBereichvon3bis6mmder(doppelt-längengewichtetenrelativen)Häufigkeitsverteilungdarstell-bar.FürdieübrigenKennwerteistzwarkeineSignifikanznachweisbar, jedochkannanhandderMittelwertevonnormierterFaseranzahl,(doppelt-längengewichteter)FaserlängeundHäufigkeit(>3mm)abgeleitetwerden,dassmitzunehmenderKochtemperatureineIntensivierungderZer-faserungstattfindet.

DieErgebnissederPlattenprüfungdeckensichmitdenErgebnissenderPlattenprüfunginGruppea);mitzunehmendintensivenAufschlussbedingungen(hierKochtemperatur)verschlechternsichdiemechanischenEigenschaftenundDickenquellung,dieWasseraufnahmeverbessertsich.

AufBasisderPlatteneigenschaftenwärendeutlichereUnterschiede inderFaserstoffqualität zuerwarten gewesen, da hier nahezu für alle Eigenschaften signifikante Unterschiede gefundenwurden.Gleiches gilt für die visuelle Faserbegutachtung (sieheAbbildung 8), die aufgrund derenormen Farbunterschiede der Fasern Unterschiede in der Faserstoffqualität impliziert. Nicht-morphologischeEigenschaftenwie z.B. chemischeVeränderungenderHolzsubstanzoder Sprö-digkeitderEinzelfasernaufgrundstärkererthermischerBeanspruchungbeiderHackschnitzelko-chungwerden bei der bildanalytischen Faserstoffcharakterisierung jedoch nicht erfasst, sodassfehlendeUnterschiedezwischendenFaserstoffqualitätennachvollziehbarsind.


32

Abbildung8: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGrupped)(Maßstabinmm)

3.2.1.5 e:EinflussderKochtemperaturbeieinerKochdauervon4min(Buche)

DieErgebnissederinGruppee)kombiniertenFaserstoffespiegelndieErgebnissederinGrupped) kombinierten Faserstoffewieder:Die alleinigeVeränderung der Kochtemperatur, hier sogaraufeinemdeutlichgeringeremNiveau, lassenkaumsignifikanteUnterschiedeinderFaserstoff-qualitäterkennen.Auffälligistjedoch,dasssichdieMittelwertederKennwerteinderWeiseun-terscheiden,wieesaufgrundderErgebnissederFaserstoffe inGruppea)zuerwartengewesenwäre:DienormierteFaseranzahlsteigt,die(doppelt-längengewichtete)Faserlängesinktunddie(doppelt-längengewichteterelative)HäufigkeitvonfeinenFasernsteigt,währenddieHäufigkeitvongrobenFasernmitzunehmendintensiverenKochbedingungensinkt.

EntgegendenErgebnissenderübrigenFaserstoffkombinationenwurde indieserVersuchsreihedeutlich,dasssichnichtalleinDickenquellungundWasseraufnahmebeiVerwendungzunehmendintensivaufgeschlossenerFaserstoffeverbessern,sondernauchdiemechanischenEigenschaftenverbessertsind.Dieserscheintzunächstwidersprüchlich,mussjedochunterdemAspektbetrach-tetwerden,dasshierBuchenholzbetrachtetwirdunddieKochtemperaturvoneinemniedrige-renNiveauerhöhtwurde,alsesfürGruppec)undd)derFallwar.


33

Abbildung9: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppee)(Maßstabinmm)

3.2.2 EinflussdesStoffauslasses

UmdenEinflussderArtdesStoffauslassesamRefineraufdieFaserstoffqualitätzubestimmen,werdenimFolgendendieFaserstoffeA2undA9miteinanderverglichen.WährendfürdenFaser-stoffA2einradialerStoffauslassmontiertwar,wurdederFaserstoffA9unterVerwendungeinestangentialenStoffauslasseshergestellt.DieErgebnissezeigenklar(Tabelle3),dassderFaserstoffA2signifikantfeineralsA9 ist.MitBlickaufdasZieldiesesVersucheserscheintdiesesErgebnisjedoch fragwürdig, da ein tangentialer Stoffauslass als schonender für die Fasern (Mäbert undKrug, 2009) angenommen wird.Wie jedoch auch anhand anderer Faserstoffkombinationen indiesemKapiteldeutlichwurde(z.B.Kapitel3.2.1.2),istesschwierigZerfaserungsbedingungenzureproduzieren,wenndieParameternichtsubsequentverändertwurden.NachHerstellerangabenwar derMahlscheibenabstand für dieHerstellung des FaserstoffesA9 größer (0,2mm) als dervonA2(0,15mm).DerEinflussderArtdesStoffauslassesisthieralsoklarvomMahlscheibenab-standüberlagert,wasdieUnterschiedezubisherigenErkenntnissenzumEinflussdesStoffauslas-sesaufdieFaserstoffqualitäterklärt.


34

Abbildung10: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffe,andenenderEinflussdesStoffaus-lassesuntersuchtwurde.(Maßstabinmm)

3.2.3 EinflussdesMahlscheibenabstandes

DerEinflussdesMahlscheibenabstandesaufdieFaserstoffqualitätwurdeanhandvonFaserstof-fenuntersucht,die inderZerfaserungsserieBunterschrittweiserVeränderungdesMahlspaltes(0,06,0,15und0,6mm)hergestelltwurden.MitAusnahmederdoppelt-längengewichtetenrela-tiven)HäufigkeitdesFeinanteils(0bis3mm)isttrotzgelegentlichfehlenderSignifikanzeinzelnerKennwertestetseindeutlicherAnstiegderGrobheitdesFaserstoffesmit zunehmendemMahl-scheibenabstandzubeobachten.DiesesErgebnisbestätigtdieallgemeinbekanntenZusammen-hängevonMahlscheibenabstandundFaserstoffqualität,wie sie ausder visuellen Faserstoffbe-gutachtungbekanntsindundsichanhandvonAbbildung11nachvollziehenlassen,machtdiesessubjektiveEinschätzungjedochnumerischerfassbarundobjektivvergleichbar.

DieUnterschiedezwischendenEigenschaftenderPrüfplatten,dieausdenebenbeschriebenenFaserstoffenhergestelltwurden,sinduneinheitlichundundeutlich.DieQuerzugfestigkeitfälltfürdiePlattenausdemfeinstenFaserstoffimVergleichetwasgeringeraus,währenddiePlattenausdengröbstenFaserndiegeringsteWasseraufnahme(24h)zeigen.SignifikanteUnterschiedezwi-schendenPlattenausdenverschiedenenFaserstoffenwurdenfürdieBiegeeigenschaftenfestge-stellt,wobeihierkeinZusammenhangzwischenFasergrob/-feinheitzuerkennenist.

Die Kombination der Ergebnisse aus Faserstoffcharakterisierung und der Eigenschaftsbestim-mungderPrüfplattendeutetdaraufhin,dasszwarderMahlscheibenabstanddieFaserstoffquali-tätmaßgeblichbeeinflusst,dieGrobheitderFasernaberwenigerstarkdieEigenschaftenderFa-serplattenbeeinflusst.DieGrobheit von Faserstoffen ist folglichbei der späterenVerarbeitungderFaserplatten(LackierungoderandereBeschichtungen)vongrößererBedeutung.


35

Abbildung11: Makroskopische Ablichtung der Faserstoffe, an denen der Einfluss des Mahl-scheibenabstandesuntersuchtwurde.(Maßstabinmm)

3.2.4 EinflussderHolzart

DerEinflussderHolzartaufdieFaserstoffqualitätwurdeanhandvonFaserstoffenuntersucht,dieinderZerfaserungsserieBunterEinsatzverschiedenerHölzer (Kiefer,Buche,BirkeundPappel)sowie einemMix aus Kiefern- und Buchenhackschnitzeln hergestelltwurden.Mit Blick auf dieGesamtheitderuntersuchtenHolzartenistauffällig,dassfürdenFaserstoffausreinemNadelholz(B2)diemitAbstandgeringste (normierte)AnzahlanFasern jemgEinwaagegemessenwurde,die(doppelt-längengewichtete)Faserlängeamgrößtenist,die(doppelt-längengewichteterelati-ve)HäufigkeitvonfeinenFasernamgeringstenunddieHäufigkeitvongrobenFasernamgrößtenist (Tabelle 3). Signifikante Unterschiede zwischen der normierten Faseranzahl bestehen zwi-schendenLaubholzfasernnicht.ImFallder(doppelt-längengewichteten)FaserlängefälltdieBu-chealsbesonderskurzauf,währendsichdieFaserstoffeauseinemMixausKiefernundBuchen-hackschnitzeln sowie die reinen Birken- und Pappelhackschnitzel auf einem ähnlichen Niveaubefinden. Die genauere Betrachtung der Faserstoffzusammensetzung anhand der (doppelt-längengewichtetenrelativen)Häufigkeitzeigt,dassB4(Buche)derdeutlichfeinsteFaserstoffist.Trotz signifikanter Unterschiede zwischen den Kennwerten der Faserstoffcharakterisierung er-scheinenBirken-undPappelfaserstoffealsrechtähnlich.DieKennwertefürdenMixausKiefern-und Buchenhackschnitzeln spiegeln deutlich ihre Zusammensetzung wieder, wobei im Fall der


36

normierten Faseranzahl deutlich die feinen Strukturen der Buche und im Fall der gewichtetenKennwertediegrobenFasernvonB2dominieren.

Zusammenhänge zwischen den vornehmlich auf Faserlänge-basierten Kennwerten und den Ei-genschaftenderPrüfplatten sindnicht augenscheinlich.Die größtenUnterschiedewurden vor-nehmlichzwischenKiefern-undPappelfaserstoffundnichtzwischenKiefern-undBuchenfaser-stoff gefunden. Insgesamtwird jedochdeutlich, dass eineVariationderHolzart einemessbareVeränderungder Faserstoffqualität zur FolgehatundweiterdieEigenschaftenvonPrüfplattenbeeinflusst.


37

Abbildung12: MakroskopischeAblichtungder Faserstoffe, andenender EinflussderHolzartuntersuchtwurde.(Maßstabinmm)

3.2.5 ReproduzierbarkeitderZerfaserungsbedingungen

AufgrundderDurchführungderFaserherstellungimRahmenvonzweiZerfaserungsserien(AundB) liegenzweiKiefernfaserstoffe (A2undB2)vor,dieunterderMaßgabegleicherProzesspara-meter hergestellt wurden (Kochtemperatur: 170°C, Kochdauer: 4 min, Mahlscheibenabstand:0,15mm).AnhandderbestimmtenKennwertezurBeschreibungderFaserstoffqualität (Tabelle3)wirddeutlich, dassdieReproduktioneinerbestimmtenFaserstoffqualitätnicht zwangsläufig


38

über die Einstellung gleicher Prozessparameter zu erreichen ist; alle Kennwerte unterscheidensichsignifikantvoneinander.

DieAndersartigkeitderzweiFaserstoffespiegeltsichaneinemTeilderPlatteneigenschaften(IB,TS2h,WA2hundWA24h)wider (signifikanteUnterschiede),bleibt jedoch imFallderübrigenEigenschaften(TS24h,MOE,MORundSS) imRahmenderSchwankungsbreitederPrüfplatten-herstellung.

Mit der hier dargestellten Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass die Reproduktion einerFaserstoffqualitätalleinaufBasisderEinstellunggleicherZerfaserungsbedingungennichtmöglichistundveranschaulichtdeutlichdenBedarffüreinMessgerät,mitdemsichFaserstoffqualitätendefinierensowiederenHerstellungüberwachenundoptimierenlassen.

Abbildung13: Makroskopische Ablichtung der Faserstoffe, an denen der Einfluss des Zer-faserungszeitpunktes(Reproduzierbarkeit)untersuchtwurde.(Maßstabinmm)

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min

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C

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°C/ 4

min

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min

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17

0 °C

/ 1 m

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min

A

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(21)

A

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7 (0

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170

°C/ 8

min

A

5 3

170

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0.

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A

1.8

(0.3

) A

9.1

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) A

48.2

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) A

32.6

(0.8

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8.3

(1.3

) A

c)

200

°C/ 4

min

A

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46

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2) A

2.

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A

2.0

(0.3

) B

11.7

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25.1

(1.6

) A

3.9

(0.8

) A

20

0 °C

/ 8 m

in

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10

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5) A

2.

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B

3.3

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) A

15.8

(1.0

) A

56.5

(0.6

) A

21.3

(1.1

) B

3.1

(0.5

) A

d)

170

°C/ 4

min

A

2 10

22

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1)

456

(21)

A

2.64

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7 (0

.5) A

200

°C/ 4

min

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) A

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164

°C/ 4

min

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0 (6

) 0.

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28

3 (2

4) A

2.

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A

7.0

(0.5

) A

23.3

(2.1

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(2.9

) A

20.8

(2.3

) A

5.7

(2.5

) A

17

0 °C

/ 4 m

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A

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Industrieversuche 41

4 Industrieversuche

Mit dem Ziel, neben der Charakterisierung von Faserstoffen aus der industriellen ProduktiongleichzeitigdieRobustheit,TauglichkeitundAkzeptanzdesMesssystemsinderPraxiszutesten,wardasGerät inderZeitvom8.Augustbis26.November2013imMDF-WerkderGlunzAGinMeppenaufgestellt.

Abbildung14: StandortdesFasermessgerätesimMDF-WerkderGlunzAGinMeppen.

DasWerkMeppen eignete sich für diesen ersten Praxistest im besonderenMaße, da hier einbreitesSpektrumanFaserplatten-vonHolzfaserdämmplattenüberMDFbishinzuHochdichtenFaserplatten-hergestelltwird.FolglichwerdeneineVielzahlverschiedenerFaserstoffqualitätenhergestellt, anhand deren Charakterisierung das Potential desMessgerätes aufgezeigt werdenkann.

4.1 AusgangssituationimWerkMeppen

4.1.1 SteuerungderFaserstoffqualität

WieinallenHolzwerkstoffwerkenunterliegtauchdieFaserplattenproduktionamStandortMep-penstarkenökonomischenZwängen,d.h.esmussdurchwegmiteinemmöglichstgeringemInput(niedrigerEnergieeinsatzundkostengünstigesRohmaterial) einden individuellenKundenanfor-derungenentsprechendesProdukterzeugtwerden.ImBezugaufdiejeweilsoptimaleEinstellung


derhierfürerforderlichenFaserstoffqualitätkönnenverschiedeneStellgrößenzumEinsatzkom-men:

Mahlscheibenabstand: Ein wesentlicher Kostenfaktor bei der Faserplattenherstellung ist derVerbrauchelektrischerEnergiedurchdenRefiner,die inAbhängigkeit zurMengedesdurchge-setztenHolzes,dereingesetztenHolzart (bzw.demHolzartenmix) sowiedemMahlscheibenab-standsteht.SpezielldieWahldesMahlscheibenabstandeshateinenwesentlichenEinflussaufdieGrob- bzw. Feinheit eines Faserstoffes und somit die erzielbare Plattenqualität. BeispielsweiseerfordertdieErzeugungvon feinenFaserstoffendieEinstellungeines kleinenMahlspaltes,waseinen Anstieg des Energiebedarfes für den Refinerbetrieb zur Folge hat. DerMahlscheibenab-stand ist somit einemaßgebliche Einflussgröße auf die Faserstoffqualität, lässt sich jedoch austechnischenGründennicht direktmessen. Selbst überdieBildungderDifferenz zwischenAus-gangspositionundderaktuellerPositionderRotorscheibe-tragendenRefinerkomponente,diezurJustierung des Mahlspaltes gegenüber dem Stator verfahren werden kann, ist die Breite desMahlspaltes aufgrund der kontinuierlichen Abnutzung des Refinerscheibenprofils nicht umfas-sendherzuleiten.LediglichüberdieaufeinerSkaleablesbareIst-PositionderRotorscheibe(z.B.frischeMahlscheibe 22mm, stark abgenutzteMahlscheibe 11mm) lässt sich der Zustand desRefinerscheibenprofils bzw. der Abnutzungsgrad der Refinerscheibe abschätzen und so dernächstenTerminfüreinenMahlscheibenwechselsplanen. InderPraxiswirddaherderZerfase-rungsprozess indirektüberdenZusammenhangvonMahlscheibenabstandundStromaufnahmedes Refiners gesteuert. Die Stromaufnahmewird hierbei relativ zum Holzdurchsatz betrachtet(spezifischeRefinerleistung in kWh/t), ummit einerumdenEinflussder zu zerfaserndenHolz-massebereinigtenGrößeumgehen zu können.NebeneffektederunterschiedlichenBeladungs-menge,wie beispielsweise veränderte Zerfaserungsvorgänge (reine ZerfaserungdurchHolz-an-Metall vs. zusätzliche Zerfaserung durchHolz-an-Holz) bleiben hierbei jedoch unberücksichtigt.DerZusammenhangvonMahlscheibenabstandundspezifischerRefinerleistungkannanhandvonAbbildung 15 nachvollzogen werden. Eine detaillierte Erklärung der Grafik erfolgt in Kapitel4.5.3.2.

Kochparameter: ImAllgemeinenwirdüberdieJustierungderKochparameterdemindividuellenZustanddereingesetztenHackschnitzel(Lagerdauer,Feuchtigkeit,Temperatur)Rechnunggetra-gen, aber auch der Erweichungsgrad des Lignins gesteuert. Im vorliegenden Fall ist jedoch dieverfügbareDampfmenge limitiert,waseinegezielteEinstellung insbesondere feiner Faserstoff-qualitäten über die Kochtemperatur erschwert und von nachgelagerten Aggregaten (Refiner)kompensiertwerdenmuss.DieVerringerungderKochtemperaturzurgezieltenErzeugunggroberundstarrerFasernkannhingegenvorgenommenwerden.DieKochdauerlässtsichgrundsätzlichüberdasZusammenspielvonKocherfüllhöheundHolzdurchsatzvariieren.

Holzart:DieNutzungderEinflusskomponenteHolzartaufdieProduktionskostensowiedieFaser-stoffqualitätunterliegtengenGrenzen.AustechnologischenGründenmuss fürbestimmtePlat-tenqualitätenausschließlichentrindetesNadelholzeingesetztwerden.AndereZielqualitätento-lerieren wiederum den Einsatz gewisser Anteile nicht entrindeten Holzes, bis hin zum Einsatz


großerAnteileverschiedenerNiedrigpreis-Segmente.DiegezielteVerwendungvonLaubhölzernzurEinstellungbestimmterFaserstoffqualitätenhatimvorliegendenFallkeinepraktischeBedeu-tung.

4.1.2 BeurteilungderFaserstoffqualität

DieFaserstoffqualität,alsodieTauglichkeitdeserzeugtenFaserstoffes füreinebestimmteZiel-qualität,wirdimWerkMeppenüberverschiedeneKriterienbeurteilt:

• SchüttdichtedesFaserstoffes• visuelleundhaptischeBegutachtungdurchdenMaschinenführer• optischeBegutachtungderfertigenFaserplatte,insbesonderederenOberfläche.

Über die visuelle und haptische Begutachtung des Faserstoffes sowie der fertigen FaserplattedurchdenSchichtführerwirdsichergestellt,dassimFallvonfeinenFaserstoffenkeinestörendenFaserbündelvorhandensind,diesichimEndproduktoderbeidessenWeiterverarbeitungstörendauswirken.DieseArtderProzesskontrollemusszwaralssubjektivundausSichtderMesstechnikalsnichtreproduzierbarbewertetwerden,istinderPraxisjedochhinreichendpräziseunderfülltzielführendihrenZweck.

DieSchüttdichtedesFaserstoffes(QuotientausdemSchüttgewicht(kg/m2)undderSchütthöhe5alsDivisor)aufdemFormbandnachderVliesbildungwirdalsMaßfürdieFeinheitdesFaserstof-fesherangezogen.HierbeiwirdderZusammenhangvonMahlspaltbreiteundIntensitätderZerfa-serunggenutzt.MitzunehmenderIntensitätderZerfaserung(geringereMahlspaltbreite)wirdeinfeinererFaserstofferzeugt,dessenSchüttdichtesteigt.DerZusammenhangvonMahlscheibenab-stand,(spezifischer)RefinerleistungundSchüttdichtlässtsichanhandvonAbbildung15nachvoll-ziehen.EinedetaillierteErklärungderGrafikerfolgtinKapitel4.5.3.2.

AufBasisderErgebnissederFaserstoff-Qualitätsbeurteilung (GutachtendesSchichtführers,Be-stimmungderSchüttdichte)wirdimMaschinenleitstanddieFaserstoffqualitätdurchNachjustie-rungdesMahlscheibenabstandesgesteuert.

5ermitteltüberdieEinstellungderScalper-Walze


Abbildung15: Normierte Darstellung vonMahlscheibenabstand, Refinerleistung und Schütt-dichteeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben

4.2 UntersuchtesFaserstoffspektrum

FürdieimRahmenderIndustrieversuchebeabsichtigteFaserstoffcharakterisierungwurdensechsFaserplattentypenausgewählt,fürderenHerstellungjeweilsindividuellalsoptimaleingeschätzteFaserstoffqualitätenproduziertwerden.Hierbeiwurdedaraufgeachtet,mitderAuswahlderFa-serplattentypeneinerseitsdasSpektrumanFaserstoffqualitäten(grobbisfein)abbildenzukön-nenundandererseits,anhandähnlicherFaserstoffqualitäten,dieSensitivitätdesMessgeräteszuüberprüfen.

AlsVertretervonFaserplattentypen,fürderenHerstellunggrobeFaserstoffeverwendetwerden,wurden eineHolzfaserdämmplatte (engl.:Wood Fiber Insulation Board; kurz:WFIB) (Faser F1)sowieeineHochdichteFaserplatte (engl.:High-densityFiberboard;kurz:HDF) (FaserF6)ausge-wählt. Hierbeiwird im Fall der Holzfaserdämmplatte aus technologischenGründen eine grobeFaserbenötigt, umsoeinen sehr voluminösenFaserkuchen zu streuen,der trotz geringerVer-dichtunginderHeißpresseeinenausreichendenGegendruckaufbautundsodieHerstellungei-nerPlattemitgeringerDichteermöglicht.ImFallderHDFistdieGrobheitderFasereinErgebnisdermöglichstenergie-und somit kostensparendenZerfaserung (großerMahlscheibenabstand).Als Pendant hierzu wurde eineMDF in Tieffräsqualität (engl.: Deep Router GradeMDF; kurz:MDF-DR)(FaserF5)ausgewählt,fürderenHerstellungfeineFasernbenötigtwerden,umFräskan-


tendichtundlackierbarzugestalten.AlseinevomAnwendungsspektrumuniverselleraufgestell-te und von der Faserstoffqualität zwischen grob und fein einzuordnenden Faserplatte, wurdeeineMDFinMöbelbauqualität (engl.:FurnitureGradeMDF;kurz:MDF-F) (FaserF4)aufgenom-men.DiesemPlattentyprechtähnlich,jedochvomEigenschaftsprofilstärkeraufdieAnforderun-genderPaneel-Industrieausgerichtet(BeschichtungmitdekorativenFolien),wurdeeineMDFinPaneelqualität(engl.:PanelingGradeMDF;kurz:MDF-P)(FaserF3)indieUntersuchungeneinbe-zogen.AnhandvonF3undF4solltedieSensitivitätdesMessgerätesdemonstriertwerden.ÜberdieFaserF2derMDFfüraussteifendeBeplankungen(engl.:StructuralFiberboard;kurz:MDF-S)solltedasSpektrumderMDFinRichtungdergeringerenDichtenabrundenwerden.InTabelle5werdendieuntersuchtenFaserstoffe(F1-F6)denFaserplattentypenzugeordnetsowiePlatten-dichte,verwendeterHolzmixundPlattendickederausgewähltenFaserplattentypenangegeben.

Tabelle5: ZuordnungdercharakterisiertenFaserstoffqualitätenzudenFaserplatten-Zielprodukten,CharakterisierungderFaserplattentypenüberPlattendichteunddemderFaserstoffherstellungzugrundeliegendemHolzmix,sowieAngabederSpannederPlattendickederZielprodukte.

Faser Zielprodukt Dichte(kg/m3)

Holzmix(NH/LH)

Dicke(mm)

F1 Holzfaserdämmplatte (WFIB) 230 100/0 40-80

F2 MDFfüraussteifendeBeplankungen (MDF-S) 565 55/45 16

F3 MDFinPaneelqualität (MDF-P) 710 60/40 9-19

F4 MDFinMöbelbauqualität (MDF-F) 745 60/40 12-19

F5 MDFinTieffräsqualität (MDF-DR) 790 100/0 13-22

F6 HochdichteFaserplatte (HDF) 900 80/20 8

NH=Nadelholz,LH=Laubholz


4.3 Versuchsdesign

ÜbereinenZeitraumvon100Tagen(8.Augustbis26.November2013)wurden50Faserstoffpro-benentnommenundvermessen.AufgrundderDurchführungvondreiWiederholungsmessungenjeFaserstoffprobewurdeninsgesamt150MessungenmitdemMessgerätdurchgeführt.Vonden50untersuchenFaserstoffprobenentfallen

• 11aufF1,• 12aufF2,• 12aufF3,• 6aufF4,• 5aufF5und• 4aufF6.

DerVersucherstreckte sichüberdreiMahlscheibenzyklen.AlleMahlscheibenwaren identisch,d.h.HerstellerundProfilderMahlscheibenwurdennichtverändert.VonSeitenderAnlagenfüh-rerwurdenkeinegezieltenVersucheinBezugaufFaserstoffqualitätgefahren.Eswurdelediglichder laufendeBetriebbeprobt,sodassdieausgewähltenFaserstoffqualitätencharakterisiertundderenVariabilität,auchüberdiedreiMahlscheibenzyklenhinweg,dargestelltwerdenkönnen.

MitdemZielZusammenhängezwischendenerzeugtenFaserstoffqualitätenunddengewähltenProzessparametern zu identifizieren, wurde die Zusammensetzung des jeweilig eingesetztenHackschnitzelmixes(AnteilevonNadel-undLaubholz;sieheTabelle5),dieVorheiz-,Koch-,undRefinereinstellungen,derHolzdurchsatz,dieFormstraßenparameter(z.B.Schüttdichte)sowiedieerzieltenPlatteneigenschaftenerfasst.

4.4 CharakterisierungderFaserstofftypen

AusGründenderWahrungproduktspezifischerInterna,wirddieCharakterisierungderFaserstof-fe hier vornehmlich über die graphische Darstellung der doppelt-längengewichteten relativenHäufigkeitsverteilungalsgeglättetesHäufigkeitspolygon(Abbildung16)vorgenommen.MitdemZieleinmöglichstgenerellesBildderaufdenjeweiligenPlattentypoptimiertenFaserstoffqualitätzugeben,werdennichtdieErgebnissederEinzelmessungen(50Stück),sonderneinQuerschnittüberalleMessungeneinerZiel-Faserstoffqualitätdargestellt.


Abbildung16: Darstellung der doppelt-längengewichteten relativen Häufigkeitsverteilung alsgeglättetesHäufigkeitspolygonderuntersuchtenFasertypen.

DieBetrachtungvonAbbildung16legtnahe,dieFaserstoffegrobindreiGruppenzueinteilen:

• Gruppe1:F5• Gruppe2:F3undF4• Gruppe3:F1,F2undF6.

Innerhalbderuntersuchten Faserstoffewurde F5 (Gruppe1) als feinster Faserstoff, die FasernderGruppe3alsgröbsteFaserstoffebestimmt.DieFasernderGruppe2sindzwischenGruppe1und3einzuordnen.DiesesMessergebniszeigtzumeinen,dassfürdieverschiedenenPlattenty-pen tatsächlich unterschiedliche Faserstoffqualitätenhergestelltwerdenundbelegt zumande-ren,dasssichdiebisherüblichehaptischeundvisuelleBeurteilungderFaserstoffqualitätdurchdenAnlagenfahrer(subjektiv)miteinemMessgerät(objektiv)darstellenlässt.WeiterwerdendieAnnahmenbezüglichderFaserstoffqualitätbestätigt,diebeiderAuswahlderFaserstoffefürdie-seUntersuchunggetroffenwurden:

• F1undF6sindbesondersgrobeFaserstoffe• F5isteinbesondersfeinerFaserstoff• DieFaserstoffqualitätvonF3undF4istzwischendenenderebengenanntengrobenund

feinenFaserstoffeeinzuordnen


• DieQualitätderFaserstoffeF3undF4istähnlichbzw.unterscheidetsichnurgeringfügigvoneinander

• DieHolzfaserplattefüraussteifendeBeplankungena) istdenmitteldichtenFaserplattenzuzuordnen,wassichüberdieähnlicheCharak-

teristik des geglättetenHäufigkeitspolygons von F2mit denender Faserstoffe inGruppe2nachvollziehenlässt:AndeutungeineserstenPeaksbei1mmFaserlän-ge;Hauptpeakbei2mmFaserlänge,

b) spanntdasSpektrumdermitteldichtenFaserplatteninRichtungdergrobenFasernauf:F2istdeutlichgröberalsF3undF4undähneltinseinerGrobheitF1undF6.

Bei der Betrachtung der (hier nicht dargestellten) Schwankungsbreite des geglätteten Häufig-keitspolygons (Standardabweichung/Vertrauensbereich; siehe Kapitel 2.4.4) für den über alleMessungeneinerZiel-FaserstoffqualitätgebildetenQuerschnittwirddeutlich,dasssichdieFaser-stoffqualitäten derGruppen 1-3 sehrwohl signifikant voneinander unterscheiden,Qualitätsun-terschiede innerhalb der Gruppen jedoch bei dieser Betrachtung nicht nachzuweisen sind. DieSchwankungsbreitederdreiWiederholungeneinerFaserstoffvermessungfällthingegendeutlichgeringeraus.

4.5 AuswertungderaufgenommenenProzessparametermitBlickaufdiebeabsichtigteHerstellungverschiedenerFaserplattentypenbzw.Faserstoffqualitäten

4.5.1 Hackschnitzelmix

DieHolzartenzusammenstellung fürdie Erzeugungbestimmter Faserstoffqualitätenbzw. Faser-plattenqualitäten istdasErgebnis einerAbwägungvonRohstoffkostenaufdereinenSeiteundtechnologischenAnforderungenandenFaserstoffaufderanderenSeite.DieswirdinsbesondereandenFaserstoffenF1(WFIB)undF5(MDF-DR)deutlich(Abbildung17).ImFallvonF1wirdaustechnologischenGründennahezunurNadelholzfürdieFaserstoffherstellungverwendet,dagro-beundsteifeFasernbzw.einFaserstoffbenötigtwird,dervoluminösistundbeiderVerdichtungvielGegendruckaufbaut.ImFallvonF5werdenkeineRindenanteiletoleriert,dadieseimspäte-renProdukt(MDF-DR)zuSchwierigkeitenführen.AlleübrigenMDF-Faserstoffqualitätenwerdenmit ähnlichenAnteilen Laubholz gefahren,wobei auchhier inAbhängigkeitder SensibilitätderspäterenAnwendungderMDFunterschiedlicheAnteileanLaubholzundinsbesondereRindenan-teilentoleriertwerden.

EindirekterZusammenhangzwischendemHackschnitzelmixunddeninAbbildung16dargestell-ten doppelt-längengewichteten relativen Häufigkeitsverteilung für die Faserstoffe F1 bis F6 istnurbegrenztzuerkennen.Vermutetwird imFalleinesvermehrtenLaubholzeinsatzesaufgrundder Anatomie von Laubholzzellen stets eine Abnahme dermittleren Faserlänge bzw. Verschie-


bungderHäufigkeitsverteilunginRichtungkürzererFasern.DiesistbedingtfürdieFaserstoffeF2,F3undF4zuerkennen.ImFalldessehrfeinenFaserstoffesF5wirddieFeinheitnichtüberdenZusatzvonLaubholz,sondernüberdengeringenMahlscheibenabstandrealisiert.

Abbildung17: Massenanteile von Pappel, Laubholz (LH) ohne Pappel, Nadelholz (NH) mitRindeundNHohneRindeamHolzmixfürdieFaserstoffeF1-F6.

4.5.2 VorheiztemperaturundKochparameter

Vorheiztemperatur:DieVorheiztemperaturwurdeüberdenVersuchszeitraumnahezukonstantauf105°Cgehalten.

Kochdauer:DieKochdauer,sprichdieVerweilzeitderHackschnitzelimKocher,ergibtsichausderFüllhöhe(theoretisch0bis100%)unddemHolzdurchsatz,d.h.beigleicherFüllhöhejedochsin-kendemHolzdurchsatzwird länger gekocht bzw. bei gleicherHolzdurchsatzleistungmüsste dieFüllhöheverringertwerden,umdieKochdauerzuverringern. ImFallderbeprobtenFaserstoffewurdedieKochdauerannäherndkonstantgehaltenundlediglichfürdieErzeugungderFaserF2etwasniedrigerangesetzt.


Kochtemperatur/-druck: Mit Ausnahme der Herstellung von Faser F1 (∅ 7,6 bar) wurde derKochdruckimMittelmit9,3bar6gefahren.DerGrundhierfüristinderLimitierungderzurVerfü-gungstehendenDampfmengezusuchen(stetsMaximalabnahme)undweniger indergezieltenNutzungdesKochdrucksbeiderEinstellungeinerbestimmtenFaserstoffqualität.ImFallvonFa-ser F1 hat der reduzierte Kochdruck hingegen schon die Erzeugung eines groben und sprödenFaserstoffeszumZiel.

4.5.3 Mahlscheibenabstand

4.5.3.1 BetrachtungüberalleFaserstoffproben

DerMahlscheibenabstandkannnichtdirektgemessen,sondernlediglichüberdiespezifischeRe-finerleistungabgeschätztwerden(sieheKapitel4.1.1).BeiderBetrachtungallerFaserstoffprobenwurdediespezifischeRefinerleistung(ohneFaserF5)mit93kWh/t7gemittelt.SignifikanthöherwardiespezifischeRefinerleistungbeiderHerstellungderFaserF5(132kWh/t).DasHerausste-chenderFaserF5warzuerwarten,dafürdieHerstellungderMDF-DReinbesondersfeinerFa-serstoffbenötigtwird,wieauchschondieCharakterisierungderFaserstoffeeinKapitel4.4auf-zeigen konnte. Fehlende deutliche Unterschiede zwischen den übrigen Faserstoffen erstaunenzunächst,lassensichjedochmitderÜberlagerungvonNebeneffektenunterschiedlicherRefiner-beladungundderVerwendungunterschiedlicherHölzer(Nadel-undLaubholz)erklären.

4.5.3.2 BetrachtungeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben

EntgegenderBetrachtungdergemitteltenRefinerleistungallerFaserstofftypen,dieinErmange-lung direkter Messwerte zur Abschätzung des Mahlscheibenabstandes herangezogen werdenmüssen,lässtsichderEinflussdesMahlscheibenabstandesanhandeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben,diesichdurchdenwiederholtenWechselvonfeinenundgrobenFaserstoff-Zielqualitäten (markierterBereich inAbbildung18)auszeichnet,herausarbei-ten.HierfürwurdeanhandderDauerdesMahlscheibenzyklussowiederAnfangs-undEndpositi-onderRotorscheibe-tragendenRefinerkomponentediemittlereAbnutzungdesRefinerscheiben-profils berechnet8. Die Differenz einer jeden Rotorscheibenposition zur Rotorscheibenposition

6Stabw:0,43bar;min:8,2bar;max:10bar7ohneF5;Stabw:12,2kWh/t8(21,1mm-13,5mm)/(32,06d-0,28d)=-0,24mm/d


dererstenProbederEntnahmereihewurdegebildetundumdiejeweiligeAbnutzungbereinigt.AufdieseWeisekannderMahlscheibenabstandinRelationzumMahlscheibenabstanddererstenProbederEntnahmereiheangegebenwerden.DadieabsoluteBreitedesMahlspaltesdererstenProbederEntnahmereihejedochunbekanntist,wirddiesermitxunddieübrigenMahlspaltbrei-ten relativ zu x angegeben (Tabelle 6).Wird der so erhaltene Datensatz normiert (niedrigsterWertgleichNull,höchsterWertgleichEinsgesetzt),kannderMahlscheibenabstandzusammenmit der ebenfalls normierten Refinerleistung sowie der Schüttdichte dargestellt werden(Abbildung15).

Abbildung18: Darstellung der Position der Rotorscheibe-tragenden RefinerkomponentesowiedesHolzdurchsatzesgegenüberderAnzahlanTagennachMahlschei-ben(MS)-Wechsel.MarkierungderEntnahmereihevonFaserstoffprobenfürdetaillierteBetrachtung.MittlereMahlscheibenabnutzung0,24mm/d.

AnhandderinTabelle6füreinejedeProbederEntnahmereiheaufgelisteteMahlspaltbreitelässtsichinKombinationmitdemjeweiligenBox-Whisker-Plotderdoppelt-längengewichtetenrelativeSummenhäufigkeitsverteilungderEinflussdesMahlscheibenabstandesaufdieFaserstoffqualitätnachverfolgen. Im Fall kleinerMahlscheibenabstände sind die Box-Whisker-Plots stark auf dieSeitederkurzenFaserkonzentriert,d.h.eswurdenfeineFaserstoffeproduziert,wohingegenimFallvongroßenMahlscheibenabständendieBox-Whisker-Plotsdeutlichbreitersind;dieprodu-ziertenFaserstoffeweiseneinengrößerenGrobanteilauf.Insgesamtlässtsichbeobachten,dass

EntnahmereihevonFaserstoffprobenfürDetailbetrachtung


dieFaserstoffqualität(hierdieGrob-bzw.Feinheit)stetsderÄnderungdesMahlscheibenabstan-desfolgt.BeimVergleichvongleichenFaserstofftypenfälltauf,dassauchbereitsleichteNachjus-tierungendesMahlscheibenabstandesdieFaserstoffqualitätbeeinflussen.

Tabelle6: Auflistung der Mahlspaltbreite sowie der Box-Whisker-Plots der doppelt-längengewichteten relativen Summenhäufigkeitsverteilung für eine Abfolge(1-9)produzierterFaserstoffe.

Nr. Ziel-Faser

Ziel-Platte

MSA Box-Whisker-Plotsderdoppelt-längengewichtetenrelativeSummenhäufigkeitsverteilung

1 F3 MDF-P x

2 F5 MDF-DR x-0,11

3 F5 MDF-DR x-0,38

4 F2 MDF-S x+0,41

5 F2 MDF-S x+0,42

6 F4 MDF-F x-0,05

7 F5 MDF-DR x-0,13

8 F1 WFIB x+0,54

9 F1 WFIB x+0,58 0,31369

Faserlänge(mm)

MSA=Mahlscheibenabstand


4.6 MöglichkeitenderProzesssteuerungüberdieFaserstoffqualität

Wie inKapitel4.1aufgezeigt,wirdderZerfaserungsprozessvornehmlichüberdenStrombedarfdes Refiners gesteuert und die Beurteilung des erzeugten Faserstoffes über eine visuelle undhaptische Begutachtung von Faserstoff und Faserplatte sowie der Schüttdichte vorgenommen.Auf Basis der Ergebnisse der Faserstoffqualitätsbeurteilung (Gutachten des Schichtführers, Be-stimmung der Schüttdichte) wird im Maschinenleitstand der Mahlscheibenabstand unter Be-obachtungderRefinerleistungnachjustiert.ImFalleinesProduktwechselswirdnachderAnpas-sungderRohstoffkomponenten (Holzmix, Klebharz) versuchtdie gewünschte Faserstoffqualitätüber die zuvor für diesen Produkttyp erfolgreich gefahrene Refinerleistungen einzustellen. An-handderSchüttdichtewirdüberprüft,obderFaserstoffimBereichderZielqualitätliegt.Überdievisuelle und haptische Faserstoffbegutachtung kann anschließend die Stromaufnahme soweitgedrosseltwerdenbisdieQualitätsuntergrenzederFaserplatten-Zielqualitäterreichtist.

ÜberAbbildung15konnte füreinezeitlichenggestaffelteEntnahmereihevonFaserstoffprobenderZusammenhangvonMahlscheibenabstand,RefinerleistungundSchüttdichteveranschaulichtwerden.Wichtig hierbei ist anzumerken, dass derMahlscheibenabstand nicht direkt bestimmtwerdenkannundimFallderhiererfolgtenBerechnungnurmäßiggenauist.DiesliegtandernurungenaumöglichenAbschätzungderMahlscheibenabnutzungsowiederbegrenztenAblesbarkeitder Rotorscheibenposition. Da der Zusammenhang von Refinerleistung und Schüttgewicht auf-grund verschiedener Nebeneffekte nicht direkt korreliert (vergl. Abbildung 15) und die Faser-stoffbegutachtungkeinobjektiv-verlässlichesnumerisch-fassbaresErgebnis liefert, istdieSteue-rungdesProduktionsprozessesaufdieExpertiseerfahrenerMaschinenführerangewiesen.

MitdemZielderKostenreduktion,die insbesondereüberStromeinsparungbeimRefinerbetriebvorgenommenwerdenkann, istesnotwendigdenproduziertenFaserstoffcharakterisierenundanhandvonmessbarenQualitätsmerkmalenoptimieren zukönnen.DieSteuerungdesZerfase-rungsprozesseswürdesodirektanhanddesEndprodukt-beeinflussendenParametersFaserstoff-qualitäterfolgen.

InAbbildung19wirdanhandderbereitsbeschriebenenEntnahmereihenvonFaserstoffproben(Methodenbeschreibung siehe Kapitel 4.5.3.2) anstelle des nur sehr ungenau kalkulierbarenMahlscheibenabstandes eineder einfachsten Faserstoff-beschreibendenKenngrößen, die (dop-pel-längengewichtete)Faserlänge,dargestellt.BeiderBetrachtungdieserDarstellung istaugen-scheinlich,dassdiegemessenenFaserlängendenVerläufenvonRefinerleistungundSchüttdichteüberdieProduktwechselfolgtundbestätiganhandvonMesswertendenbekanntenZusammen-hang von Zerfaserungsparametern und Faserstoffqualität. Die Tatsache, dass die gemessenenFaserlängennichtvergleichbarengwiederberechneteMahlscheibenabstandderRefinerleistungsowiederSchüttdichtefolgen(vergl.Abbildung15)legtdieVermutungnahe,dassdieermitteltenKenngrößenderFaserstoffqualitätsbestimmungunabhängigvomEinflussvonNebeneffektenwiebeispielsweisederRefinerbeladungoderdemverwendetenHolzmixsindunddamiteinewesent-lichpräzisereKenngrößefürdieProzesssteuerungdarstellten.


Abbildung19: Normierte Darstellung von doppelt-längengewichteter Faserlänge, Refiner-leistung und Schüttdichte einer zeitlich enggestaffelten Entnahmereihe vonFaserstoffproben

DieseVermutungwirddurchdieimvorherigenKapitelinTabelle6aufgezeigtenZusammenhängezwischen demMahlscheibenabstand und der doppelt-längengewichteten relative Summenhäu-figkeitsverteilungbestätigt.HierzeigendieunterNummer3(F5)undNummer6(F4)aufgeführ-tenFaserstoffeeine sehrähnlicheZusammensetzungen (Box-Whisker-Plot),wurden jedochmithöchstunterschiedlichenMahlscheibenabständen(x-0,38mm,x-0,05mm)undRefinerleistungen(130kWh/t,104kWh/t)produziert.

Zusammenfassung 55

5 Zusammenfassung

MDFistnachSpanplattederzweitwichtigsteHolzwerkstoff inEuropa.HergestelltwirdMDFausHolzfaserstoff (TMP), der das Produkt eines thermo-mechanischen Aufschlusses von Holz-Hackschnitzelnist.UngeachtetderBedeutungfürdieEigenschaftenunddenHerstellungsprozessvonMDF,erfolgtdieBestimmungderFaserstoffqualitätaufeinemtechnischniedrigenNiveau.InErmangelung adäquaterMessgerätewird derzeit überwiegend eine haptische und visuelle Be-gutachtungdurchdenSchichtführerdurchgeführt.DiesesVerfahrenistimhohenMaßevonderprüfendenPersonabhängigundfüreineobjektiv-gezielteProdukt-undProzessoptimierungnurbegrenztgeeignet.MitdemZieleinernummerischquantifizierbarenQualitätsbestimmung,wur-den in der Vergangenheit verschiedene Techniken zur Partikelgrößenbestimmung versucht zuadaptieren.DieausbleibendeEtablierungeinesbestehendenSystemszurTMP-Charakterisierunglässt einenmangelhaften Erfolg schlussfolgern.DieAussagekraft von Siebmethoden (Siebturm,Luftstrahlsieb) sind begrenzt, da überwiegend die Faserbreite und nicht die Faserlänge erfasstwird.Bildanalyse-basierteMesssystemeausderZellstoff-undPapierindustrieerscheinenfürdieVermessungvonTMPungeeignet,dadieinwässrigerSuspensiondispergiertenFasern,hierins-besonderegrobeFasernundFaserbündel,zueinemVerstopfenderDurchflusszelleneigen.EineAnpassungderDurchflusszelleverursachtProblemebeiderBildakquise.Geräte,mitdenenBilda-nalyse-basiert rieselfähige Partikel im trockenen Zustand vermessenwerden, sind nicht in derLagediewollig-verknäult vorliegendenFaserstoffederBildaufnahmevereinzelt zuzuführen, so-dassnurTeiledesuntersuchtenFaserstoffesbeiderBildverarbeitungberücksichtigtwerdenundderWert der Ergebnisse so überschaubar bleibt. Selbst eine Lösung dieses Problemsmit Hilfeeiner Software-basierten virtuellen Nach-Separierung von Faseragglomeraten existierte bislangnicht.Messverfahren,dieeinhohesMaßanhändischerProbenpräparationerfordernodereinegroße Zeitspanne zwischen Probenahme und Ergebnisvorlage besteht, sind für die industrielleProzesskontrollealsungeeignetzubewerten.

MitderEntwicklungderHard-undSoftwarekomponentenfüreinGerätzurautomatisiertenBild-analyse-basierten Vermessung trockener Faserstoffe (insbesondere TMP), wurde im Rahmenzweier Vorgängerprojekte von den Projektpartnern auf den eben beschriebenen Bedarf derHolzwerkstoffindustrie reagiert. Ziel des aktuellen Vorhabens war es, das zuvor entwickelteMessgerätimLaborbetriebsowieinderindustriellenPraxiszuerprobenunddieFunktionstüch-tigkeitzudemonstrieren.HierfürwurdederEinflussderRohstoffheterogenitätundderProdukti-onsbedingungen(insbesonderederRefiner-Parameter)aufdieFaserstoffqualitätsowiedenEin-flussderFaserstoffqualitätaufdieEigenschaftenvonMDFuntersucht.HierfürwurdenzunächstKenngrößen entwickelt,mit denen die Qualität von Faserstoffen beschriebenwerden können.AnschließendwurdenverschiedeneFaserstoffeerzeugt,mitdemzuvorentwickeltenMessgerätcharakterisiertunddieerzieltenErgebnissemitdenProzessparameternderFaserstofferzeugungsowiedenmechanisch-technologischenEigenschaftenderausdiesenFaserstoffenhergestelltenMDF in Zusammenhang gestellt. Diewissenschaftlich-technischen Ergebnissewurdenwährend

Zusammenfassung 56

derAufstellungderMessgerätesimZentrallaboramStandortMeppendesMDF-HerstellersGlunzunterindustriellenBedingungenüberprüft.

ImRahmenderLaborversuchewurdenderMahlscheibenabstand,dieeingesetzteHolzartsowiedie Kochbedingungen als die wesentlichen Einflussgrößen auf die Faserstoffqualität gefunden.FürdieKochbedingungenwurdegezeigt,dassmitzunehmendintensiverenAufschlussbedingun-genderUmfangderZerfaserungderHolzsubstanzzunimmt.GleichzeitigistaufgrundderTempe-ratureinwirkungvoneinerVeränderungderchemischenStrukturderFaserauszugehen,wasEin-fluss auf die Beleimbarkeit und somit die Platteneigenschaften hat. Der Einsatz verschiedenerHolzarten(Kiefer,Buche,Birke,Pappel)führtzumessbarenVeränderungenderFaserstoffqualitätsowie der Eigenschaften der Prüfplatten. DerMahlscheibenabstand (MSA)wurde als einewe-sentlicheEinflussgrößeaufdieFaserstoffqualität gefunden:mit zunehmendemMSAnimmtdiemittlereFaserlängesowiederGrobanteilzu,währenddieFaseranzahljemgFaserstoffabnimmt.NebendenhierzugezieltdurchgeführtenVersuchenwurdedieserEinflussauch imRahmenan-dererVersuchsreihendeutlich. ImFallnichtaufeinander folgenddurchgeführterVersucheoderwennvon thermischerAusdehnungder Zerfaserungsaggregateauszugehen ist, überlagertederMSAdeneigentlichzubeobachtendeEinflussgröße.AmBeispielderbeabsichtigtenHerstellunggleicherFaserstoffezuunterschiedlichenZeitpunktenwurdedeutlich,dassselbstunterLaborbe-dingungendieWahlgleicherZerfaserungsparameternichtzwangsläufigzuidentischenFaserstof-fenführt.ZurReproduktiongleicherFaserstoffqualitätenkönnteimUmkehrschlusseinMessge-rätAbhilfeschaffen.

Während der Dauer der Industrieversuche über einen Zeitraum von 100 Tagen arbeitete dasMessgerätzuverlässigundohneDefekte.AufgrundderAusgestaltungderVersuchelassensichimWesentlichenAussagenzumEinflussdesMSAaufdieFaserstoffqualitätmachen.Beispielsweisekonnte imRahmeneiner zeitlich enggestaffeltenVeränderungdesMahlscheibenabstandesmitderAbsichteinerProduktumstellunganhandderFaservermessungklardieVeränderungderFa-serstoffqualitätnachvollzogenwerden.WeiterkonnteanhanddermittlerenFaserlängeexempla-rischdemonstriertwerden,dassdievomMessgerätbestimmtenKenngrößenimEinklangmitdenbekanntenKenngrößenSchüttdichteundEnergiebedarf stehen.Dies spiegelt klardasPotentialdes Messgerätes wider und legt die Notwendigkeit weiterführender Praxiserprobungen nahe.EntgegenderanfänglichvermutetenBedeutungderFaserstoffqualitätalsIndikatorfürdieresul-tierendenFaserplatteneigenschaften,scheintdieBestimmungderFaserstoffzusammensetzunginderPraxisinsbesondereBedeutungfürdasProzessverständnissesundderProzessoptimierungzuhaben.

FazitundAusblick 57

6 FazitundAusblick

ImRahmenderdurchgeführtenVersuchekonntedemonstriertwerden,dassmitderEntwicklungdesimVorhabenverwendetenMessgerätdiebisherigenProblemebeiderVermessungvonTMPgelöstwurden.Wollig-verfilzteFaserstoffekönnenautomatisiertvereinzeltsowieimMomentderBildakquise überkreuzt liegende Fasern Software-basiert nachsepariert werden. Mit dem wei-testgehendautomatisiertemMessablauf sowiederVermessungeiner großenAnzahl anFasern(0,8Mio. Fasern jeMessung)werdenAnforderungen fürden industriellenEinsatz erfüllt.ÜberdieausdenaufgenommenenRohdatengeneriertenKennwertelässtsichdieQualitätvonFaser-stoffenquantifizieren.DieskonntenLabor-undPraxisversuchedemonstrieren.EsstehtsomitderPrototypeinesMessgeräteszurVerfügung,mitdeminderMDF-IndustriefolgendeArbeitenan-gegangenwerdenkönnen:

• betriebsinterneSpezifizierung,ÜberprüfungundAbsicherungderFaserqualität,• betriebsdauer-unabhängige Terminierung von Wartungsintervallen (z.B. Austausch von

RefinerscheibenaufBasisderverändertenFaserstoffqualität),• objektiveBeobachtungundBeurteilungderresultierendenFaserqualitätbeiMaßnahmen

zurProzessoptimierungsowie• ÜberprüfungvereinbarterLeistungsdatenvonZerfaserungsmaschinenimBezugaufderen

Produktionsergebnis (für die Wirtschaftsbeziehung von Refinerherstellern, Pressenher-stellernundPlattenproduzenternvonbesonderemInteresse)

MitdemZieleinekommerzielleUmsetzungdurchdenProjektpartnerGreConzuforcieren,wurdedesentwickeltenMessgerät imAnschlussandashiervorgestellteVorhabenzurgemeinschaftli-chenErprobungundOptimierungfürVersucheindieindustriellePraxisausgeliehen.EinMessge-rätzurBestimmungderFaserstoffqualität isthierbei fürdaserprobendeUnternehmenvonbe-sonderemInteresse,dahierdieFaserstofferzeugungüberzweiRefinerlinienrealisiertwird,vondeneneineLinieHackschnitzelunddieandereLinieSpäneeinesbenachbartenSägewerkesver-arbeitet.FüreinegezielteProzesssteuerungund-optimierungaufBasisdererzeugtenFaserstoff-qualitätmuss entsprechend sowohl direkt nachder Zerfaserung, als auchder Faserkuchen aufdemFormbandvermessenwerden.DasEngagementdesMDF-Herstellersbegründetsichausdenersten Erfahrungen bei der Bildanalyse-basierten Faservermessung, die mit einem auf MDF-FasernangepasstenBildanalyse-basiertenMesssystemausderPapierundZellstoffindustriege-sammeltwurden.MitdemEinsatzdesMessgerät-PrototypendesThünen-Institutswirderwartet,bisherigeGrenzenderFaservereinzelungundFasererkennungüberwindenzukönnen.

Literaturverzeichnis 58

Literaturverzeichnis

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Abbildungsverzeichnis 59

Abbildungsverzeichnis

Abbildung1:SchemazeichnungdesFasermessgerätes...................................................................8

Abbildung2: DialogfensterderFiberViewControl-V2.0Software.............................................9

Abbildung3: DialogfensterderGrabber-Software......................................................................11

Abbildung4: MustereinesFiber-Fact-Sheets..............................................................................17

Abbildung5: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppea)(Maßstabinmm)......28

Abbildung6: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppeb)(Maßstabinmm)......30

Abbildung7: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppec)(Maßstabinmm)......31

Abbildung8: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGrupped)(Maßstabinmm)......32

Abbildung9: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffeausGruppee)(Maßstabinmm)......33

Abbildung10: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffe,andenenderEinflussdesStoffauslassesuntersuchtwurde.(Maßstabinmm).....................................34

Abbildung11: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffe,andenenderEinflussdesMahlscheibenabstandesuntersuchtwurde.(Maßstabinmm).....................35

Abbildung12: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffe,andenenderEinflussderHolzartuntersuchtwurde.(Maßstabinmm).............................................................37

Abbildung13: MakroskopischeAblichtungderFaserstoffe,andenenderEinflussdesZerfaserungszeitpunktes(Reproduzierbarkeit)untersuchtwurde.(Maßstabinmm)............................................................................................................38

Abbildung14: StandortdesFasermessgerätesimMDF-WerkderGlunzAGinMeppen...........41

Abbildung15: NormierteDarstellungvonMahlscheibenabstand,RefinerleistungundSchüttdichteeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben...........................................................................................44

Abbildung16: Darstellungderdoppelt-längengewichtetenrelativenHäufigkeitsverteilungalsgeglättetesHäufigkeitspolygonderuntersuchtenFasertypen......................47

Abbildung17: MassenanteilevonPappel,Laubholz(LH)ohnePappel,Nadelholz(NH)mitRindeundNHohneRindeamHolzmixfürdieFaserstoffeF1-F6............................49

Abbildung18: DarstellungderPositionderRotorscheibe-tragendenRefinerkomponentesowiedesHolzdurchsatzesgegenüberderAnzahlanTagennachMahlscheiben(MS)-Wechsel.MarkierungderEntnahmereihevonFaserstoffprobenfürdetaillierteBetrachtung.MittlereMahlscheibenabnutzung0,24mm/d......51

Abbildungsverzeichnis 60

Abbildung19: NormierteDarstellungvondoppelt-längengewichteterFaserlänge,RefinerleistungundSchüttdichteeinerzeitlichenggestaffeltenEntnahmereihevonFaserstoffproben...........................................................54

Tabellenverzeichnis 61

Tabellenverzeichnis

Tabelle1: ZerfaserungsbedingungenderuntersuchtenFaserstoffe(Laborversuche)...............24

Tabelle2: PrüfkörperabmessungenundangewendetePrüfnormen.........................................26

Tabelle3: Fasereigenschaften.....................................................................................................39

Tabelle4: Platteneigenschaften..................................................................................................40

Tabelle5: ZuordnungdercharakterisiertenFaserstoffqualitätenzudenFaserplatten-Zielprodukten,CharakterisierungderFaserplattentypenüberPlattendichteunddemderFaserstoffherstellungzugrundeliegendemHolzmix,sowieAngabederSpannederPlattendickederZielprodukte.................................45

Tabelle6: AuflistungderMahlspaltbreitesowiederBox-Whisker-Plotsderdoppelt-längengewichtetenrelativenSummenhäufigkeitsverteilungfüreineAbfolge(1-9)produzierterFaserstoffe.......................................................................52

Thünen ReportBereits in dieser Reihe erschienene Hefte – Volumes already published in this series

1 - 17 siehe http://www.ti.bund.de/de/infothek/publikationen/thuenen-report/

18 Patrick Küpper, Stefan Kundolf und Anne Margarian Neue Beteiligungs- und Steuerungsprozesse in der ländlichen Entwicklung

19 Frank Offermann, Claus Deblitz, Burkhard Golla, Horst Gömann, Hans-Dieter Haenel, Werner Kleinhanß, Peter Kreins, Oliver von Ledebur, Bernhard Osterburg, Janine Pelikan, Norbert Röder, Claus Rösemann, Petra Salamon, Jürn Sanders, Thomas de Witte Thünen-Baseline 2013 – 2023: Agrarökonomische Projektionen für Deutschland

20 Gerald Rahmann und Uygun Aksoy (Eds.) Building Organic Bridges – Volume 1: Argentina – France Building Organic Bridges – Volume 2: Germany – India Building Organic Bridges – Volume 3: Indonesia – Sri Lanka Building Organic Bridges – Volume 4: Sweden – Viet Nam

21 Claudia Heidecke, Ulrike Hirt, Peter Kreins, Petra Kuhr, Ralf Kunkel, Judith Mahnkopf, Michael Schott, Björn Tetzlaff, Markus Venohr, Andrea Wagner und Frank Wendland Endbericht zum Forschungsprojekt „Entwicklung eines Instrumentes für ein flussgebietsweites Nährstoff-management in der Flussgebietseinheit Weser“ AGRUM+-Weser

22 Walter Dirksmeyer, Ludwig Theuvsen und Maike Kayser (Hrsg.) Aktuelle Forschung in der Gartenbauökonomie – Tagungsband zum 1. Symposium für Ökonomie im Gartenbau

23 Karsten Mohr, Jerzy Suda, Hans Kros, Christian Brümmer, Werner L. Kutsch, Miriam Hurkuck, Elisabeth Woesner, Wim Wesseling Atmosphärische Stickstoffeinträge in Hochmoore Nordwestdeutschlands und Möglichkeiten ihrer Reduzierung – eine Fallstudie aus einer landwirtschaftlich intensiv genutzten Region

24 Raphael Albrecht Ein Ansatz zur Abschätzung der interregionalen Wettbewerbsfähigkeit der Zuckerrübenproduktion – am Beispiel ausgewählter europäischer Regionen

25 Ute Petersen, Hans-Joachim Weigel Klimaresilienz durch Agrobiodiversität? Literaturstudie zum Zusammenhang zwischen Elementen der Agrobiodiversität und der Empfindlichkeit von landwirtschaftlichen Produktionssystemen gegenüber dem Klimawandel

26 Mirko Liesebach (Hrsg.) FastWOOD II: Züchtung schnellwachsender Baumarten für die Produktion nachwachsender Rohstoffe im Kurzumtrieb – Erkenntnisse aus 6 Jahren FastWOOD

27 Claus Rösemann, Hans-Dieter Haenel, Ulrich Dämmgen, Annette Freibauer, Sebastian Wulf, Brigitte Eurich-Menden, Helmut Döhler, Carsten Schreiner, Beate Bauer, Bernhard Osterburg Calculations of gaseous and particulate emissions from German agriculture 1990 - 2013Berechnung von gas- und partikelförmigen Emissionen aus der deutschen Landwirtschaft 1990 – 2013

28 Martin T. Bohl, Hervé Ott und Ernst-Oliver von LedeburKurzfristige Dynamik von Preisbildungsprozessen deutscher Agrarrohstoffe - Abschlussbericht im Auftrag der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung für das Bundesministerium für Ernährung und Land-wirtschaft

29 Kurt-Jürgen Hülsbergen, Gerold Rahmann (Hrsg.)Klimawirkungen und Nachhaltigkeit ökologischer und konventioneller Betriebssysteme – Untersuchungen in einem Netzwerk von Pilotbetrieben, Forschungsergebnisse 2013-2014

30 Horst Gömann, Andrea Bender, Andreas Bolte, Walter Dirksmeyer, Hermann Englert, Jan-Henning Feil, Cathleen Frühauf, Marlen Hauschild, Sandra Krengel, Holger Lilienthal, Franz-Josef Löpmeier, Jürgen Müller, Oliver Mußhoff, Marco Natkhin, Frank Offermann, Petra Seidel, Matthias Schmidt, Björn Seintsch, Jörg Steidl, Kathrin Strohm, Yelto ZimmerAgrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risikomanagementsystemen, Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

31 Jan L. Wenker und Sebastian Rüter Ökobilanz-Daten für holzbasierte Möbel

32 Ländliche Lebensverhältnisse im Wandel 1952, 1972, 1993, 2012

Luisa Vogt, Ralf Biernatzki, Michael Kriszan und Wolf Lorleberg Volume 1 – Dörfer als Wohnstandorte

Simone Helmle und Carmen Kuczera Volume 2 – Typisch ist das vermeintlich Untypische: Alltag von Dorfbewohnern

Andreas Keil, Charlotte Röhner, Ina Jeske, Michael Godau, Stefan Padberg, Jennifer Müller, Nur Seyfi und Mira Schraven Volume 3 – Kindheit im Wandel

Stephan Beetz unter Mitarbeit von Alexander Voigt, Anna-Clara Gasch und Sarah Rodriguez-Abello Volume 4 – Soziale Unterstützungsstrukturen im Wandel

Michaela Evers-Wölk, Britta Oertel, Sie Liong Thio, Carolin Kahlisch und Matthias Sonk Volume 5 – Neue Medien und dörflicher Wandel

33 Anja-Kristina Techen, Elke Ries, Annett Steinführer Evaluierung der Gewässerschutzberatung in Hessen im Kontext der EU-Wasserrahmenrichtlinie: Auswirkungen auf Wissen und Handeln von Landwirten

34 Jan T. Benthien, Sabrina Heldner, Martin Ohlmeyer, Christian Bähnisch, Jörg Hasener, Clemens Seidl, Alfred Pfemeter, Christian KathmannUntersuchung der Faserqualität von TMP für die MDF-Produktion – Abschlussbericht zum FNR-Vorhaben „Fiber-Impact“ (FKZ: 22013211)

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Thünen Report 34Herausgeber/Redaktionsanschrift

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Thünen Report 34

Untersuchung der Faserqualität von TMPfür die MDF-Produktion

Abschlussbericht zum FNR-Vorhaben „Fiber-Impact“(FKZ: 22013211)


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