DE19543289A1 - Verfahren und Vorrichtung zur opto-dynamischen Oberflächenspannungsmessung an laufenden Substraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur opto- dynamischen, also einer berührungslosen, in-line Oberflächenspan­ nungs- bzw. Oberflächenenergiemessung für laufende Substrate, wobei die Detektion sowohl in Quer- wie auch in Laufrichtung der Bahn er­ folgen kann.

Unter laufenden Substraten oder bewegtem Bahnmaterial sind im Zusam­ menhang der vorliegenden Erfindung insbesondere Kunststoffolien zu verstehen, wie z. B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA und desweiteren kaschierte oder coatierte Film-, Folien- oder Papierbahnen, welche eine noch meßbare optische Trans­ mission im Wellenlängenbereich von 200 bis 8000 nm aufweisen.

Bei der Herstellung, Veredelung, Bedruckung und Weiterverarbeitung von laufenden Substratbahnen wird in sehr vielen Anwendungsfällen zur besseren Bedruck-, Beschicht- oder Klebbarkeit eine höhere Benet­ zungs- bzw. Haftungsfähigkeit des Materiales gefordert, welche durch Oberflächenspannungserhöhungen erzielbar sind.

Bezüglich dieser komplexen physikalischen Zusammenhänge ist auf die entsprechende Fachliteratur, wie auszugsweise: J.Hansmann: Korona- Oberflächenbehandlung zur Haftungsverbesserung, Sonderdruck Papier und Kunststoffverarbeiter 4/7/81; J.Reif: Physical interaction mecha­ nisms between laser radiation and the surface of transparent mate­ rials, Vortrag Laserkolloqium Erlangen 6.12.1989; V. Zafiropulos: Laser Ellipsometrie, Laser Magazin 5/91; Prof. Dr.-Ing. L.Dorn: Kle­ beflächenuntersuchungen mittels Rastertunnelmikroskop; Dr. Gersten­ berg: Korona-Vorbehandlung zur Erzielung von Benetzung und Haftung, coating 7/90 und B.Johs: real-time monitoring and controlling with multi-wavelength ellipsometry, ICSE 93, zu verweisen.

Vereinfacht ist unter Oberflächenspannung bzw. Oberflächenenergie eine physikalisch meßbare Zugspannung zu verstehen, welche durch die im Grenzschichtbereich des Substrates befindlichen Moleküle und deren Adhäsionskräfte bestimmt werden. Diese energetische wie auch mecha­ nisch anzusehende Zugspannung ist in der physikalischen Einheit Mil­ linewton/m mN/m, früher auch dyn/cm, definiert. Zur Vereinfachung wird im weiteren Text für Oberflächenspannungsenergie auch der Begriff Oberflächenspannung benutzt.

Beispielhaft lassen sich einige Oberflächenspannungsgrundwerte von verschiedenen Substraten angegeben : PS=33 mN/m, PA=43 mN/m, PE=31 mN/m, PP=29 mN/m. Im Vergleich hierzu die Angaben für einige Flüs­ sigkeiten: Wasser=72 mN/m, Methanol=22 mN/m und Toluol=28 mN/m.

Zur Oberflächenspannungserhöhung oder "molekularen Aufrauhung" der Materialoberflächen kommen industrielle Vorbehandlungsverfahren mit Lösungsmitteln, Primer, Plasma, UV-Bestrahlung, Beflammung, OZON- Begasung und Korona zur Anwendung.

Ein ganz wesentliches Qualitätskriterium der nach dem Veredelungs- oder Herstellungsprozeß entstandenen Produkte, und dies ist völlig unabhängig vom angewandten Vorbehandlungsverfahren, ist die Ein- und Konstanthaltung der material- und produktspezifisch vorgegebenen Oberflächenspannung innerhalb des Verarbeitungsprozesses. Dies gilt sowohl für eine möglichst homogene Flächenausbildung, wie auch für einen kurz- und langzeitlich einzuhaltenden engen Oberflächenspan­ nungsbereich, welcher durch die äußeren und Materialfaktoren, Vorbe­ handlungsart und Behandlungsänderungen exorbitant stark beeinflußt wird.

So liegen beispielsweise extrudierte LDPE-Folien nach deren Oberflä­ chenspannungserhöhung, je nach Verwendung von lösungsmittel- oder wasserlöslichen Farben für die Bedruckung, im Basisbereich von 36- 46 mN/m, wobei deren Variation durchweg +/- 3 mN/m und mehr betragen kann.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden diverse statische, also nicht in-line, und meist optisch arbeitende Meßverfahren zur Detek­ tion der Oberflächenspannung für bahnförmige oder stückige Materia­ lien angewandt, wie z. B. mit Testtinten nach ASTM-D2578-67, nach der Randwinkelmeßmethode, mittels der Rheology für Flüssigkeiten, der ESCA-Electron spectroscopy for chemical analysis oder ATR-Methode.

Die Messungen erfolgen hierbei grundsätzlich nach dem off-line Prin­ zip, so daß zum Maschinenstillstand oder während des laufenden Pro­ duktionsprozesses Probenentnahmen mit anschließender Oberflächenspan­ nungsermittlung ausgeführt werden müssen, um so den gewünschten Vor­ behandlungsgrad nachträglich anzupassen bzw. die einzuhaltenden Ober­ flächenspannungswerte auf diese Weise anzustreben.

Als die wesentlichen Patent- und Offenlegungsschriften unter der IPC G01 B 11/30 sind hierzu die: EP 003.27. 10 A1/B1, EP 023.72.21, DE 28.04.975 A1, EP 013.49.30 A1, DE 34.06.191 A1, DE 38.08.860 A1, DE 34.10.778 A1, DE 41.02.990 A1, DE 31.05.752 A1, DE 25.37.343, zu nen­ nen.

Aus der Anmeldung DE 22.25.946 ist weiterhin bekannt, daß mit zwei optischen Einrichtungen im in-line Modus vor und nach der Vorbehand­ lungseinrichtung versucht wird, eine Differenzmessung der Oberflä­ chenspannung herbeizuführen, deren Arbeitsweise aber nicht erläutert ist. Die Offenlegungsschrift DE 38.25.416 A1 hingegen beschreibt ein dynamisches Auftragsverfahren von Prüftinten auflaufende Bahnen, um so zur in-line Ermittlung der Oberflächenspannung zugelangen.

Zur optischen in-line Porositätsmessung an laufenden Bahnen sind in der EP 0.608.544 A2 und DE 43.02.137 A1 optische Transmissionsver­ fahren beschrieben, mit denen durch eine horizontale Meßkopfverschie­ bung entlang der optischen Achse der Traversiereinrichtung und über große Bahnbreiten materialunabhängige Meßwerte als Funktion der Gas­ durchlässigkeit ermittelbar sind.

Weiterhin sind traversierende und in-line arbeitende Meßsysteme für die eingangs angeführten Bahnmaterialien bekannt, mit denen im opti­ schen Transmissionsmodus eine Vielzahl von materialspezifischen Ei­ genschaften meßbar sind, aber keine Oberflächenspannungsmessung oder mathematische Ableitung möglich ist.

Aufgrund der produktionellen Vorgaben und damit gestellten Kriterien zur berührungslosen in-line Oberflächenspannung an laufenden Substra­ ten bei völliger Unbeeinflußbarkeit der Meßergebnisse von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Formation, Temperatur, Vorbehandlungsart, bei Bahngeschwin­ digkeiten bis 600 m/min und Bahnbreiten bis 6 m erfüllen die statisch und beiden dynamisch arbeitenden Verfahren nicht die gewünschten An­ forderungen.

Bei den angeführten Meßverfahren ist es weiterhin von Nachteil, daß zusätzliche Maschinenstillstandszeiten zur Probenentnahme oder zwi­ schen den Testintervallen unerwünschte Oberflächenspannungsschwan­ kungen entstehen können.

Darüber hinaus ist eine direkte Prozeßsteuerung oder Regelung, CIM- Einbindung und Produktzertifizierung nicht möglich, da die Systeme off-line arbeiten.

Die Kardinalforderungen an ein berührungslos und in-line arbeitendes Oberflächenspannungsmeßsystem lassen sich nach den einleitenden Aus­ führungen wie folgt zusammenfassen

• - Verwendbarkeit für bahnförmigen Materialien wie z. B. PE, PP, LDPE, HDPE, LLDPE, EVOH, PTFE, PET, PS, PMMA, PBMA, PVC, PA, kaschierte oder coatierte Filme, Folien oder Papiere
• - Meßunabhängigkeit von Material- und Oberflächenkonsistenz, Kris­ tallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Tempera­ tur und Vorbehandlungsart
• - Bahngeschwindigkeiten bis 600 m/min und Bahnbreiten bis 6 m
• - in-line, real-time und berührungslos arbeitendes Meßverfahren
• - ein-Meßkopfverfahren
• - Oberflächenspannungsmeßbereich von 30 bis 60 mN/m bei Reproduzier­ barkeiten von +/- 1 mN/m
• - einfache Integrierbarkeit in vorhandene Traversiersysteme
• - Rechnerbetrieb und Maschinen-Interfacing
• - Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse wie Staub, Dämpfe, Fremd­ licht, mechanische Erschütterungen usw.
• - große Wartungsfreiheit und absolute Zuverlässigkeit
• - leichte Kalibrierungsmöglichkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, nach der das voranstehenden Anforderungs­ profil zur opto-dynamischen, also einer berührungslosen, Oberflächen­ spannungsmessung möglichst genau erfüllbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur opto-dynamischen Oberflächenspan­ nungsmessung an laufenden Substraten löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Patenthauptanspruches 1.

Danach erfährt die im Meßspalt des Systems durchlaufende und zu mes­ sende Substratbahn über zwei um 90 Grad gegeneinander versetzte, opti­ sche Kanäle eine chromatische Durchstrahlung, welche auf der anderen Bahnseite durch zwei optisch gleiche Detektionssysteme erfaßbar ist. Über eine Querverschiebung der beiden Lichtzuführungs- oder Detek­ toreinheiten entlang der optischen Achse ist es möglich, durch extre­ me Strahlwinkelverschiebungen und damit verbundene optische Streuun­ gen und Beugungen im Grenzschichtbereich der Substrate zu generieren, deren eingefangenen Lichtphotonen und Intensität nach der entspre­ chenden Auswertung über einen konventionellen Personalcomputer eine direkte Relation zur Oberflächenspannung, in Unabhängigkeit der ein­ gangs genannten Materialeinflüsse, ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß bei einer zweikanaligen um 90 Grad gedrehten optischen Durchstrahlung des laufenden Bahnmateria­ les und extreme Strahlwinkelverschiebungen der optischen Achsen not­ wendig sind, um die gewünschten Streu- und Beugungseffekte im Grenz­ schichtbereich, sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Rich­ tung, bei unterschiedlichen Wellenlängen zu generieren, detektions­ technisch einzufangen und auszuwerten. Erst die Kombination von hori­ zontaler und vertikaler Strahlengangführung und der wellenlängenspe­ zifischen Wahl zum eingesetzten Substrat ermöglicht die Eliminierung der materialspezifischen Einflüsse, so daß beim optischen Durchstrah­ len der Grenzschichtbereiche und deren dort befindlichen polaren Gruppen eine Meßgröße ermittelbar ist, welche in eindeutiger Korrel­ lation zur physikalischen Oberflächenspannung steht.

Dies erfolgt im Relativmeßverfahren über die Differenzbildung zwi­ schen zwei unterschiedlichen Oberflächenspannungswerten bei material­ gleichen Substraten.

Aus diesen fundamentalen Erkenntnissen ist das erfinderische opto­ dynamische Oberflächenspannungsmeßverfahren und deren Vorrichtung für laufende Substrate entstanden, welche die eingangs aufgestellten An­ forderungen und aufgezeigten Meßvorteile in idealer Weise erfüllt und einen in-line Systemeinsatz ermöglicht.

Ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Meßverfahrens besteht darin, daß die gesamte optische Anordnung innerhalb eines Meßkopfge­ häuses integrierbar ist und somit auf industriell vorhandene Tra­ versiersysteme aufgebaut und dort prozeßtechnisch eingebunden werden kann.

Gleichermaßen ist es möglich, das Meßkopfsystem auch autark an Ex­ truder- oder Vorbehandlungsanlagen zu betreiben, in deren Steuerungs- und Regelprozesse einzubinden und für die so hergestellten Substrat­ produkte eine in-line Zertifizierung zu ermöglichen. Dies ist ein weiterer großer Vorteil des erfinderischen Verfahrens, welcher pro­ duktionell und wirtschaftlich gänzlich neue Dimensionen eröffnet.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner von einer Vorrichtung zur opto-dynamischen Oberflächenspannungsmessung an laufenden Substraten mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst.

Danach ist die Vorrichtung so ausgestaltet, daß eine wellenlängen­ durchstimmbare Lichtquelleneinrichtung zwei optisch gleiche Kanäle versorgt, die eine Transmission in vertikaler und horizontaler Posi­ tion über zwei Schlitzblenden für die im Meßspalt durchlaufende Sub­ stratbahn ermöglichen.

Beide optische Kanäle sind geometrisch gegenüber den auf der anderen Bahnseite befindlichen und optischen Achsen angeordneten Detektorein­ heiten in der X- und Y-Richtung verschiebbar. Die im Detektionsteil auf die optische Linsenanordnung einfallenden Lichtphotonen werden eingefangen, gebündelt und auf fotoempfindliche Detektoren fokus­ siert. Nach deren elektrischer Vorverstärkung erfolgt die Signalaus­ wertung und Meßgrößenermittlung durch einen konventionellen Personal­ computer, welcher darüber hinaus auch alle Steueraufgaben für die Wellenlängenvorgabe, X-Verstellung der optischen Achsen und Systemka­ librierung übernimmt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen beschrie­ benen Ausführungen, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung und mittels der Zeichnungen werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen der Lehre erläutert.

Die Zeichnungen zeigen im einzelnen

Fig. 1 die Gesamtansicht der Oberflächenspannungsmeßeinrichtung,

Fig. 2 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsengleichheit,

Fig. 3 die optischen Abbildungen der X- und Y-Schlitzblenden auf den fotoempfindlichen Detektoren bei optischer Achsverschiebung,

Fig. 4 ein Diagramm des Spannungsprofiles und der Transmissionsver­ teilung zur Oberflächenspannungsermittlung für eine PP-Folie,

Fig. 5 ein Diagramm des Spannungsprofiles und der Transmissionsver­ teilung zur Oberflächenspannungsermittlung für eine PE-Folie.

Zusammenstellung aller Positionserklärungen zu den Fig. 1-5

Zunächst wird in der nachfolgenden Beschreibung die Vorrichtungsaus­ führung und deren grundsätzliche Arbeitsweise erklärt, um dann einge­ hender das Meßverfahren und die Ermittlung der Oberflächenspannungs­ werte für laufende Substratbahnen zu erläutern.

In Fig. 1 ist die gesamte Oberflächenspannungsmeßeinrichtung für lau­ fende Substrate dargestellt. Die Lichtquelleneinrichtung 1 besteht hierbei im wesentlichen aus einer industriellen Breitbandlichtquelle 4, z. B. der Kombination aus Deuterium-, Halogen- und IR-Lampe sowie der Spannungsversorgungs- und Regeleinrichtung 5, deren gemeinsamer Strahlengang über ein Linsensystem 6 und Polarisationsfilter 7 auf das akusto-optische Filter 8 ausgerichtet ist. Mittels eines Hoch­ frequenzgenerators 9 für z. B. 10-100 Mhz, ist es möglich, den Wel­ lenlängenbereich von 200 nm bis zu 5000 nm kontinuierlich durchzu­ stimmen.

Die Strahlauskopplung erfolgt ebenfalls über ein Polarisationsfilter 7 mit nachfolgendem Strahlteiler 10 zur Generierung von zwei opti­ schen Kanälen, deren Strahlen über die beiden Linsen 11 in die breit­ bandigen Lichtfaserbündel 12 und 13 eingekoppelt werden.

Im den zum Meßkopf gehörenden Strahlzuführungsgehäuse 2 erfolgt die Ankopplung der beiden optischen Kanäle über die zugeführten Lichtfa­ serbündel 12 und 13, deren Strahlprojektion mittels der Linsen 14 auf die beiden vertikal 16 und horizontal 17 angeordneten Schlitzblenden zu der im Meßspalt 31 senkrecht durchlaufenden Bahn 22 erfolgt. Auf der gegenüberliegenden Bahnseite befinden auf der optischen X- und Y- Achse zur achsfernen Einfangung der Lichtphotonen die großen Sammel­ linsen 18, die mit kleineren Linsen 19 in Richtung der Detektoren 20 kaskadiert sind.

Als photoempfindliche Detektoren 20 sind sowohl breitbandige Fotodio­ den, Fotodiodenarrays, CCD-Zeilen wie auch Bildwandler einsetzbar, welche auf der Grundplatte 21 plaziert sind. Zur Abdeckung des brei­ ten Wellenbandes von 200-5000 nm hat es sich als vorteilhaft erwie­ sen, die Detektoren 20 gemäß ihrer Spektralempfindlichkeit für zwei Wellenlängenbereiche entsprechend auszuwählen und dual einzusetzen.

Der Meßspalt 31 hat vorzugsweise eine Weite von 10 mm, so daß für die durchlaufende Bahn 22 auch bei nicht exakter Positionierung, mittiger Führung oder Positionsbewegung ein genügend großer Freiraum ver­ bleibt. In Fig. 1 und 2 sind zur Vereinfachung die mechanischen Ver­ schiebelemente für die X-Verstellung 23 und 24 beider optischen Ka­ näle zu den Mittenachsen 32 und 33 nicht dargestellt.

Eine besonders große meßtechnische Bedeutung nimmt hierbei die opti­ sche Detektoranordnung 20 weit außerhalb der eigentlichen Brennpunkte 29 ein, um so die durch Streustrahlung und Beugung an den Grenzflä­ chen der laufenden Bahn transmittierten und achsfernen Lichtphotonen auf die Detektoren abzubilden.

Fig. 2 zeigt die sich aus der vertikalen Schlitzblende 16 und opti­ scher Achse der Strahlzuführungseinheit 32 und Detektoren 33 ergebene Kissenform 34 des ersten optischen Kanales auf dem Detektor 20. Ana­ log hierzu ist in der gleichen Figur die optische Abb. 35 des horizontal angeordneten, zweiten Kanales bei Achsengleichheit 32 zu 33 auf dem Detektor 20 dargestellt.

Mit der X-Verschiebung von Strahlzuführungs- 32 zur Detektorachse 33, wobei vorzugsweise die Detektionseinheit gegenüber der Strahlzufüh­ rung bewegt wird, ergibt sich eine optisch verzerrte Abbildung in vertikaler 36 und horizontaler 37 Richtung, wie dies aus Fig. 3 zu ersehen ist.

Die mit dem erfinderischen Meßverfahren erzeugte Abbildungsverzerrung resultiert aus einer Kombination der vertikalen und horizontalen Schlitzblendengeometrien und optischen X-Achsverschiebung der Detek­ toren weit außerhalb deren Linsenbrennpunkte 29.

Aus verschiedenen produktionellen Anwendungen und den eingangs genann­ ten Anmeldungen ist bekannt, daß eine Selektion der materialspezifi­ schen Eigenschaften der laufenden Substrate bei unterschiedlichen Wellenlängen, den sogenannten material finger prints, möglich ist.

Diese grundlegende Erkenntnis führt bei diesem Meßverfahren dazu, daß die Wellenlängenwahl verbunden mit der optischen X-Achsenverschiebung zur Kompensation der Substrateigenschaften benutzt wird, um so den Oberflächenspannungswert unbeeinflußt von den Materialkriterien zu ermitteln.

Im Diagramm der Fig. 4 sind am Beispiel zwei materialgleicher PP- Folien 38 bzw. 39 und unterschiedlicher Oberflächenspannung von 37 mN/m bzw. 43 mN/m deren Transmissionswerte, detektiert bei gleicher Wellenlänge und mit fotoempfindlichen Sensoren, dargestellt. Auf der unteren Ordinate ist die optische Durchlässigkeit beider Substrate 38 und 39 als Funktion einer einseitigen Achsenverschiebung zwischen 32 und 33 ausgeführt, deren optischen Achsdeckung in den Punkten 32 und 33 definiert ist.

Es ist deutlich zu erkennen, daß die materialgleichen, aber mit un­ terschiedlichen Oberflächenspannungswerten behafteten PP-Folien 38 und 39, über die optische Achsverschiebung eine Betragsdifferenz er­ fahren, deren substituiertes Flächenintegral 40 die Differenz zwi­ schen den Oberflächenspannungswerten von 37 mN/m zu 43 mN/m als Ober­ flächenbetragsänderung ausweisen. Auf der Absizze ist der Verschiebe­ betrag bzw. die Verschieberichtung nach rechts aufgetragen.

Fig. 5 zeigt analog hierzu am Beispiel zweier PE-Folien 41 und 42, welche mit Oberflächenspannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m behaf­ tet sind, mit den nach der Substitution sich eine Flächenintegral 43 als Differenz des Oberflächenbetrages ausweist.

Die elektrische Schaltung der optischen Detektoren, welche aus ein­ zelnen Fotodioden, Fotodioden-Arrays oder CCD-Zeilen bestehen kann, ist technisch allgemein bekannt, und deshalb nicht dargestellt. Auch deren elektrische Ankopplung mittels AD-Wandlungskarte an einen kon­ ventionellen Personalcomputer bedarf keiner weiteren Erklärungen. Auf die Signalauswertung und Differenzbildungen wird auch im nachfol­ genden Erklärungsteil vertiefter eingegangen.

Wie schon im Eingangsteil ausgeführt, ist erfinderisch erkannt wor­ den, daß zwei um 90 Grad versetzte optische Substratdurchstrahlungen und deren Strahlverschiebungen endlang der optischen X-Achsen Streu- und Beugungseffekte im Grenzschichtbereich generieren, welche mate­ rialspezifisch von der verwendeten Wellenlänge abhängig sind. Die auf diese Weise transmittierten und detektierten Lichtquanten ermöglichen nach der Signalkonditionierung eine betragsmäßige Ermittlung des Re­ lativmeßwertes für die Oberflächenspannung.

Zur Vereinfachung dieser Vorrichtungsbeschreibung sind alle mechani­ schen Ausführungen und Angaben zur Traversiereinrichtung für;die Links- und Rechtsverschiebungen 23 der optischen X-Achsen 27/28 nicht weiter angegeben, da deren grundsätzliche Arbeitsweise als allgemein bekannt vorausgesetzt wird.

Die mit dem erfinderischen Meßverfahren gefundenen Transmissionsver­ halten und deren Ableitungen zur Bestimmung der opto-dynamischen Oberflächenspannung an laufenden Substraten lassen sich physikalisch und lichtquantentechnisch wie folgt erklären

• a) Die von der Wellenlänge abhängige Transmissionsänderung bei op­ tisch durchlässigen Substraten 22 erzeugt ein materialspezifi­ sches Durchlaßverhalten, den sogenannten finder-prints, was phy­ sikalisch allgemein bekannt ist und technisch für eine Vielzahl von Applikationen eingesetzt wird. Für das erfinderische Verfahren findet die Wellenlängenverände­ rung im Bereich von 200 nm bis 8000 nm mittels einer Breitband­ lichtquelle 4 und eines durchstimmbaren akusto-optischen Filters 8 statt.
• b) Aus dem Elipsometriemeßverfahren für transparente Kunststoffolien ist zu erfahren, daß optisch gedrehte und polarisierte Strahlen­ gänge die mathematische Dickenermittlung dieser laufenden Sub­ strate ermöglichen. Für das hier beschriebene Verfahren haben die Polarisationsfilter 7 die Aufgabe der Strahlein- und Auskopplung für das akusto-optische Filter 8. Eine optische um 90 Grad ge­ drehte Durchstrahlung der laufenden Substratbahnen 22 ist über die beiden optischen Kanäle 12 und 13 sowie den Längs- 16 und Querschlitzblenden 17 verifiziert. Mit dieser Ausführung ist eine detektionstechnische Berücksichtigung der längs- und querorien­ tierten Materialformationen, wie sie häufig bei biaxialen Folien, coatierten Bahnen oder Multilayern auftritt, möglich.
• c) Spezielle Schlitzblenden 16 und 17 erzeugen an ihren Rändern ex­ treme Streustrahlungen und damit verbundene Strahlwinkelverände­ rungen, die weit entfernt von der optischen Achslinie 27/28/32/33 liegen. Teilweise werden diese Streustrahlungseffekte bei ver­ schiedenen industriellen Verfahren zur Glanz-, Glätte-, Diver­ genz-, Opazitäts- oder Porositätsmessung von optisch durchlässi­ gen Materialien meßtechnisch genutzt und berücksichtigt. Die in beiden optischen Kanäle 12/13 bei der Ein- und Auskopplung in das laufende Substrat 22 transmittieren Streustrahlungen führen zu Adsorptions- und Diffusionserscheinungen an deren Grenzflächen. Es hat sich bei Streustrahlversuchen mit chromatischem Licht ge­ zeigt, daß entgegen der allgemeinen Wellenlängentheorie Mole­ kularstrukturänderungen optisch nachweisbar sind, welche um den Faktor 200 kleiner sind, als die verwendete Wellenlänge. Dies bedeutet, daß bei einer Wellenlänge von z. B. 400 nm optische De­ tektionen von "molekularen" Rauhigkeitkeiten im Grenzschichtbe­ reich von 2 nm möglich sind. Die für die Oberflächenspannung, Materialhaftung und polaren Gruppen verantwortlichen Grenz­ schichtbereiche bewegen sich zwischen 10 bis 200 Ångström, was 1 nm bis zu 20 nm entspricht.
• d) Bei diesen speziellen Geometrien von Durchstrahlung erfahren die transmittierten Lichtquanten bei Veränderungen der "molekularen Aufrauhung" und einer damit verbundenen Oberflächenspannungserhö­ hung eine erleichterte Materialtransmission, was zu einer größe­ ren Lichtquantenausbeute auf der Detektorseite führt.

Nur so lassen sich die praktischen Ergebnisse interpretieren, die eine direkte Korrelation zur Oberflächenspannungsdifferenz 40 und 43, und dies völlig unabhängig von der Material-, Oberflächen­ konsistenz, Kristallinität, Dicke, Dichte, Struktur, polarer Gruppierung, Temperatur oder der Vorbehandlungsart erlauben.

• e) Die geschilderten und für dieses Verfahren benutzten Transmis­ sionserhöhungen sind dann besonders signifikant ausgeprägt, wenn die verwendete Wellenlänge in der Nähe oder direkt im Resonanz­ punkt der Bahnsubstrate liegt, also eine stark verminderte opti­ sche Durchlässigkeit als Opakheit auftritt und eine sensorische Erfassung weit außerhalb der Linsenbrennpunkte stattfindet. Diese lichtquantentechnischen Resonanzpunkte sind materialspezifisch zugeordnet und verändern sich im laufenden Produktions- und Ver­ edelungsprozeß für die laufenden Bahnen nur unwesentlich, wie dies praktische Ergebnisse zeigen.
• f) Weitere Versuchsreihen mit dem erfinderischen Verfahren zeigen, daß mit der angeführten Vorrichtung und den beschriebenen opti­ schen X-Achsverschiebungen und damit ausgelösten Streu- und Beu­ gungseffekten im Grenzschichtbereich der Substratbahnen 22 genü­ gend große Mengen von transmittierten Lichtquanten freisetzbar sind.
• g) Da es sich bei diesem Verfahren um eine Relativmeßmethode han­ delt, ist es notwendig, die gewünschten Oberflächenspannungswerte über eine Korrelations- oder Vergleichsmessung bei gleichen Sub­ stratarten oder Artengruppen mit niedrigen und höheren Oberflä­ chenspannungswerten, gemäß einem Zweipunkteverfahren, zu ermit­ teln.

Basierend auf den vorstehenden und notwendigen Erläuterungen läßt sich die Zweipunktkalibrierung des opto-dynamischen Verfahrens in folgenden Schritten zusammenfassen

• - im ersten Kalibrierungsschritt wird im Meßspalt 31 die später dyna­ misch zu messende Substratart mit bekannter, aber niedriger Ober­ flächenspannung, z. B. einer PP-Folie 38 mit 37 mN/m, auf einer be­ sonderen Vorrichtung eingelegt und statisch detektiert
• - anschließend erfolgt deren Resonanzpunktfindung über die Wellenlän­ genvariation im Bereich von z. B. 200 nm bis 8000 nm mittels des akusto-optischen Filters 8 für beide optischen Kanäle, und deren fotoempfindlichen Detektoren und entsprechenden Signalkonditionie­ rung die zahlenmäßige Auswertung durch einen Personalcomputer er­ möglichen
• - die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind beim ersten Wobbeldurch­ gang der Wellenlängen deckungsgleich
• - für den zweiten Wobbeldurchgang erfolgt die beschriebene Achsver­ schiebung zur rechten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44
• - im dritten Wobbeldurchgang folgt analog hierzu die Achsverschiebung zur linken Seite in X-Richtung
• - nach einer einfachen Substitutionsmethode läßt sich jetzt aus den drei aufgenommenen Spannungsintegralen der materialspezifische Resonanzpunkt ermitteln, welcher durch den größten Adsorptionswert bestimmt wird
• - gleichzeitig bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links- und Rechtsverschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse 27/28 entstanden sind, innerhalb dieses Resonanz­ punktes den Kalibrierungswert 1 für die Oberflächenspannung dieses PP-Substrates von 37 mN/m
• - im zweiten Kalibrierungsschritt erfolgt analog hierzu die Detek­ tionsaufnahme des im Meßspalt 31 eingelegten zweiten und artglei­ chen PP-Substratmusters von z. B. 48 mN/m, wobei die zumessende Sub­ stratbahn später in dem Bereich dazwischen dynamisch gemessen wer­ den soll
• - der weitere Ablauf zur Detektionsaufnahme gestaltet sich in der gleichen Weise, wie zuvor geschildert
• - es sind aber auch andere Wertekonstellationen von z. B. 29 mN/m für PP-Folien oder 31 mN/m für PP-Folien denkbar.
• - anschließend erfolgt zur Verfestigung der Erstdatenaufnahme nach der gleichen Substitutionsmethode die materialspezifische Resonanz­ punktfindung, deren Punkt ebenfalls durch den größten Adsorptions­ wert bestimmt wird in Versuchen hat sich gezeigt, daß bei beiden Kalibrierungsschrit­ ten die Resonanzpunkte nahezu deckungsgleich sind so sind z. B. bei speziellen PP-Folien die Resonanzpunkte bei einer Wellenlänge von 2.8 pm und für spezielle PE-Folien bei 3.2 pm zu finden
• - beispielhaft sind in Fig. 4 die sich hierbei ergebenen Spannungs­ profile 38/39 im Resonanzpunkt dargestellt
• - dabei bestimmt die Summe der Integralflächen, welche durch die Links- und Rechtsverschiebung der beiden optischen Kanäle 12/13 auf der X-Achse entstanden sind, den Kalibrierungswert 2 für die Ober­ flächenspannungsdifferenz dieses artgleichen PP-Substrates 3 von 43 mN/m
• - die Integraldifferenz beider Kalibrierungsaufnahmen sind den beiden Oberflächenspannungswerten von 37 mN/m und 43 mN/m zugeordnet, also 6 mN/m, um so das opto-dynamische Relativmeßsystem in Betragsüber­ einstimmung mit den tatsächlichen Absolutwerten zu bringen
• - die sich aus den beiden Resonanzpunkten ergebene Wellenlänge wird für die weiteren Meßabläufe und während des laufenden Meßprozesses nicht mehr variiert
• - damit ist die Zweipunktkalibrierung abgeschlossen
• - eine Strahlintensitätsüberwachung oder Abweichung ist in der Weise bei der erfinderischen Vorrichtung vorteilhafterweise realisiert, daß diese immer bei optischer Achsdeckung von 32/33, also bei jedem Rechts- Linkszyklus der X-Verschiebung, über die Sensoren stattfin­ det.

Der Meßablauf und die Ermittlung der aktuellen Oberflächenspannungs­ werte lassen sich für die laufenden Substrate im in-line Betrieb, und dies sowohl für traversierende wie auch stationäre Meßsystemausfüh­ rungen, wie folgt beschreiben

• - die optischen Achsen 27/28/32 und 33 sind zum Meßbeginn deckungs­ gleich
• - danach erfolgt zunächst die beschriebene Achsverschiebung zur rech­ ten Seite in X-Richtung bis zum Punkt 44 bei gleichzeitiger Aufnah­ me der Detektionswerte für den optischen Kanal 12 und 13
• - anschließend erfolgt die Traversierbewegung und Detektionsaufnahme zur linken Seite in X-Richtung
• - beispielhaft sind in Fig. 4 die sich aus der Rechtsbewegung 23 des Strahlzuführungs- 2 zum Detektorgehäuse 3 aufgenommenen Spannungs­ integrales für PP-Substrate dargestellt
• - basierend auf den Zweipunktkalibrierwerten von 37 mN/m und 43 mN/m läßt sich jetzt nach der Substitutionsmethode der zwischen diesen beiden Werten liegende und aktuelle Oberflächenspannungsbetrag rechnerisch leicht ermitteln und ausweisen.

Praktische Messungen zeigen, daß die mit dem hier beschriebenen Ver­ fahren und deren Vorrichtung ermittelten Oberflächenspannungswerte an laufenden Substratbahnen gegenüber den statischen Messungen um +/- 1 mN/m als Absolutbetrag variieren und damit in der gewünschten Meß­ auflösungsgrenze verbleiben. Gleichermaßen sind Meßbereiche von 28- 53 mN/m erzielt worden.

Ein weiteres Bespiel dieser Kalibrier- bzw. Meßverfahrensweise und den sich daraus ableitenden Meßwerten sind für ein PE-Substrat mit Oberflächenspannungswerten von 36 mN/m und 42 mN/m der Fig. 5 zu entnehmen.

Für einen Meßsystemeinsatz im Traversiermodus wiederholen sich die beschriebenen Meßvorgänge zyklisch über die Bahnbreite, wie dies für andere technische Prozeßmeßsysteme allgemein bekannt ist.

Im stationären Betrieb verbleibt in der Regel der Meßkopf über die laufende Substratbahn, wobei es auch denkbar ist, diesen auf einer mechanischen Vorrichtung manuell auf die andere Bahnseite zu ver­ schieben und dort die Oberflächenspannung opto-dynamisch-zu messen.

Zur Prozeßkontrolleinbindung oder Nachregelung von Vorbehandlungs­ prozessen zur Oberflächenspannungserhöhung, wie dies häufig bei Coro­ na- oder Flammbehandlungen erwünscht ist, sind die ermittelten Sub­ stitutions- und über die Kalibrierung zugeordneten Absolutwerte nach einer Signalkonditionierung und in technisch bekannter Weise mit dem gleichen Personalcomputer umform- und den externen Einrichtungen zu­ führbar.

Gleichermaßen gilt dies für die statistische Weiterverarbeitung der Meßdaten hinsichtlich deren Mittelwerte, Variationskoeffizienten, Trends, Grenzwertüberschreitungen usw., wie dies von Prozeßmeßein­ richtungen gefordert wird.

Abschließend sei hervorgehoben, daß die erfinderische Lehre durch die voranstehenden Ausführungsbeispiele lediglich erläutert, jedoch kei­ nesfalls eingeschränkt ist.

Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Lehre auch weitere Verfah­ rensschritte zur opto-dynamischen Oberflächenspannung an laufenden Substratbahnen zu, die andere bzw. weitere konstruktive Merkmale auf­ weisen.

Bezugszeichenliste

1 - Gehäuse der Lichtquelleneinrichtung
2 - Strahlzuführungsgehäuse
3 - Detektorgehäuse
4 - Breitbandlichtquelle
5 - Lichtversorgungs- Intensitätsregeleinrichtung
6 - Plankonvexlinse
7 - Polarisationsfilter
8 - akusto-optisch durchstimmbares Filter
9 - Hochfrequenzgenerator 10-100 Mhz zur Wellenlängenvariation
10 - Strahlteiler
11 - Bikonvexlinsen zur Lichtfasereinkopplung
12 - Lichtleitfaser - optischer Kanal 1
13 - Lichtleitfaser - optischer Kanal 2
14 - Plankonvexlinsen zur Lichtfaserauskopplung
15 - Kombinationsblende mit 90 Grad versetzten Öffnungsschlitzen
16 - Längsöffnungsschlitz
17 - Queröffnungsschlitz
18 - große Plankonvexlinsen
19 - Bikonvexlinsen
20 - optische Detektoren : Fotodiodenarray oder Zeilensensoren
21 - Grundplatte für die Detektoren
22 - in Y-Richtung des Meßspaltes durchgeführtes Substrat
23 - X-Verschieberichtung des Strahlzuführungsgehäuse
24 - X-Verschieberichtung des Detektorgehäuses
25 - geo. Abstand der optischen Achsen 1/2 in der Lichtzuführungsr.
26 - geo. Abstand der optischen Achsen 1/2 in Detektoreinrichtung
27 - X-Achse des optischen Kanales 1
28 - X-Achse des optischen Kanales 2
29 - Brennweite der Bikonvexlinsen 19
30 - geom. Abstand der Bikonvexlinsen außerhalb deren Brennpunkte
31 - Meßspalt für das durchlaufende Substrat
32 - optische Y-Achse der Strahlzuführungseinrichtung
33 - optische Y-Achse der Detektoreinrichtung
34 - kissenförmige Abbildung der Längschlitzblende auf dem Detektor bei deckungsgleichen optischen Achsen im Strahlkanal 1
35 - kissenförmige Abbildung der Querschlitzblende auf dem Detektor bei deckungsgleichen optischen Achsen im Strahlkanal 2
36 - verzerrte Abbildung auf dem Detektor bei einer optischen X-Ach­ senverschiebung des Strahlkanales 1 nach rechts
37 - verzerrte Abbildung auf dem Detektor bei einer optischen X-Ach­ senverschiebung des Strahlkanales 2 nach rechts
38 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für eine PP-Folie mit einem Oberflächenspannungswert von 37 mNm
39 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für eine PP-Folie mit einem Oberflächenspannungswert von 43 mNm
40 - das durch Substitution ermittelte und normierte Oberflächenspan­ nungsintegral
41 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für eine PE-Folie mit einer Oberflächenspannungswert von 36 mNm
42 - Spektral- und Transmissionsdetektion beider optischen Kanäle für eine PE-Folie mit einer Oberflächenspannungswert von 42 mNm
43 - das durch Substitution ermittelte und normierte Oberflächenspan­ nungsintegral
44 - Verschieberichtung der optischen X-Achse nach rechts

Claims (15)

1. Verfahren und zur opto-dynamischen Oberflächenspannungsmessung an laufenden Substratbahnen wie: Kunststoffolien, kaschierte oder coatierte Film-, Folien- oder Papierbahnen, welche eine noch meß­ bare optische Transmission im Wellenlängenbereich von 200 bis 8000 nm aufweisen und dadurch gekennzeichnet, daß die optisch-stationär oder über die Bahnbreite traversierend und in-line arbeitende Meß­ einrichtung die im Meßspalt (31) senkrecht durchlaufende Substrat­ bahn (2) mit zwei um 90 Grad gegeneinander versetzten Optokanälen (12/13) mit chromatischem Licht in einem moderat und lückenlos veränderbaren Wellenlängenbereich von 200 nm bis zu 8000 nm durch­ strahlt wird und das während der Transmission gegenüber der optischen Y-Achsen (32/33) nach links und rechts gerichtete Quer­ verschiebungen (23) der beiden Strahlzuführungen (12/13) gegenüber den auf der anderen Substratbahnseite befindlichen Detektoren (20) und entlang deren optischen X-Achsen (27/28) stattfinden, so daß die beiden Y-Achsen (32/33) während des für beide Kanäle (12/13) zeitgleich ablaufenden Meßvorganges nicht deckungsgleich sind, und über die so erzeugten optischen Abbildungsverzerrungen sich Trans­ missionsintegrale ausbilden aus denen der Relativwert der Oberflä­ chenspannung gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine opti­ sche Detektion der durch die senkrecht laufenden Substratbahn (22) und deren Grenzschichtbereiche durchtretenen Lichtphotonenmenge außerhalb der Brennpunkte (23) der fotoempfindlichen Elemente (20) auf der Sensorseite erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge zur Findung des größten Substratadsorptionswertes lückenlos im Bereich von 200 nm bis 8000 nm durchstimmbar ist und die Oberflächenspannungsermittlung in diesem Adsorptionspunkt aus­ geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verschiebeprozeß entlang der beiden optischen Achsen (27/28) eine Spannungsintegralaufnahme als Funktion der transmitierten Lichtintensität verbunden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenspannungsmeßwert nach der Substitutionsmethode gegen­ über zwei bekannten Substratmeßwerten gleicher Materialart bere­ chenbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meßsystemkalibrierung zwei Oberflächenspannungswerte bei gleicher Substratart statisch aufgenommen werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wo­ bei die im Meßspalt (31) senkrecht durchlaufende Substratbahn (22) mit chromatischem Licht von einer Seite durchstrahlt und auf deren Lichtintensität auf der anderen Substratseite detektions- technisch erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Meßprozesses eine Verschiebeeinrichtung die Strahlzuführung mit den beiden um 90 Grad versetzten optischen Kanälen (12/13) gegen­ über den Detektoren (20) entlang der optischen X-Achse (27/28) geometrisch verändert, so daß deren Y-Achsen (32/33) beim Meßvor­ gang nicht mehr deckungsgleich sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ge­ meinsame Breitbandlichtquelle (4) für den Wellenlängenbereich von 200 nm bis 8000 nm benutzt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wel­ lenlänge mittels eines akusto-optischen Filters (8) lückenlos variiert wird.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei breitbandige Lichtfaserbündel (12/13) die Strahlzuführung zum Meßort an der laufenden Substratbahn (22) zuführen.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß über zwei um 90 Grad versetzte Schlitzblenden (16/17) die Strahlprojektion auf die im Meßspalt durchlaufende Substratbahn (22) stattfindet.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Verschiebeeinrichtung die Strahlzuführung (12/13) gegenüber dem Detektorgehäuse (3) entlang der optischen und geometrischen X-Achse (22/23) zu beiden Seiten und während des Meßvorganges bewegt.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fotoempfindlichen Detektoren (20) außerhalb deren Linsenbrennpunkte (29) und um 90 Grad gegeneinan­ der versetzt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannungsmeßeinrichtung eigen­ ständig stationär oder mechanisch in vorhandene Traversiersysteme integriert und in den Prozeßmeßbetrieb in-line eingebunden ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7-14, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Auswertung, Ermittlung der Oberflächenspanungswerte, Steuerung der Verschiebeeinrichtung und des akusto-optischen Filters (8) mittels eines gemeinsamen Perso­ nalcomputers ausgeführt wird.