determination of mdf fiber size distribution: requirements...

28
Determina)on of MDF fiber size distribu)on: Requirements and innova)ve solu)on Benthien JT, Hasener J, Pieper O, Tackmann O, Bähnisch C, Heldner S, Ohlmeyer M Interna=onal Wood Composites Symposium 2013, April 0304, 2013, SeaHle Abstract For all wood par=clebased composite panels, par=cle size distribu=on and morphology are classified as crucial factors for the industrial produc=on process and the resul=ng product proper=es. Currently, par=cle size measurement of fibers for MDF produc=on is s=ll just done by skilled personnel (hap=c and visual), based on fiber mat density and an evalua=ng comparison of the actual produced MDF surface with samples of target quality. Such approaches seem to be limited in reproducibility and not op=mal for process control. Due to the large spectrum of par=cle size and the need of fiber separa=on for its determina=on, available fiber dimension detec=ng systems, e.g., from pulp and paper industry, cannot be applied adequately for the characteriza=on of MDF fibers. To determine the requirements of MDF manufacturers regarding fiber quality management, a survey was realized. All major companies worldwide were asked about their opinion on the effect of fiber size on panel quality and economic efficiency, as well as their demand regarding fiber size measurement. These results will be discussed in this conference contribu=on. Furthermore, the current state of an image analyzing based approach to measure the dimensions of dry applied fibers will be presented. The system´s efficiency will be shown in detail. Based on the characteris=cs of each individually analyzed par=cle, property profiles of three differently defibrated MDF fibers will be presented.

Upload: trinhanh

Post on 17-Jul-2018

240 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Determina)on  of  MDF  fiber  size  distribu)on:  Requirements  and  innova)ve  solu)on  Benthien  JT,  Hasener  J,  Pieper  O,  Tackmann  O,  Bähnisch  C,  Heldner  S,  Ohlmeyer  M  

Interna=onal  Wood  Composites  Symposium  2013,  April  03-­‐04,  2013,  SeaHle  

 

Abstract  

For  all  wood  par=cle-­‐based  composite  panels,  par=cle  size  distribu=on  and  morphology  are  classified  as  

crucial  factors  for  the  industrial  produc=on  process  and  the  resul=ng  product  proper=es.  Currently,  par=cle  

size  measurement  of  fibers  for  MDF  produc=on  is  s=ll  just  done  by  skilled  personnel  (hap=c  and  visual),  

based  on  fiber  mat  density  and  an  evalua=ng  comparison  of  the  actual  produced  MDF  surface  with  samples  

of  target  quality.  Such  approaches  seem  to  be  limited  in  reproducibility  and  not  op=mal  for  process  control.  

Due  to  the  large  spectrum  of  par=cle  size  and  the  need  of  fiber  separa=on  for  its  determina=on,  available  

fiber  dimension  detec=ng  systems,  e.g.,  from  pulp  and  paper  industry,  cannot  be  applied  adequately  for  the  

characteriza=on  of  MDF  fibers.    

To  determine  the  requirements  of  MDF  manufacturers  regarding  fiber  quality  management,  a  survey  was  

realized.  All  major  companies  worldwide  were  asked  about  their  opinion  on  the  effect  of  fiber  size  on  panel  

quality  and  economic  efficiency,  as  well  as  their  demand  regarding  fiber  size  measurement.  These  results  will  

be  discussed  in  this  conference  contribu=on.  

Furthermore,  the  current  state  of  an  image  analyzing  based  approach  to  measure  the  dimensions  of  dry-­‐

applied  fibers  will  be  presented.  The  system´s  efficiency  will  be  shown  in  detail.  Based  on  the  characteris=cs  

of  each  individually  analyzed  par=cle,  property  profiles  of  three  differently  defibrated  MDF  fibers  will  be  

presented.    

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Sea>le,  03.  April  2013  

J.  Benthien,  J.  Hasener,  O.  Pieper,  O.  Tackmann,  C.  Bähnisch,  S.  Heldner,  M.  Ohlmeyer  Thünen  Ins=tute  of  Wood  Research  

Requirements  and  innova=ve  solu=on  Determina)on  of  MDF  fiber  size  distribu)on:  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

About  the  Thünen  Ins)tute  

Slide  3  

Federal  Ministry  of  Food,  Agriculture  and  Consumer  Protec=on  

Rural  Areas   Fisheries  Forestry  

scien=fic  policy  advice  

•  Organic  Farming  •  Market  Analysis  •  Agricultural  Technology  •  …  

•  Forest  Ecosystems  •  Forest  Economics  

• Wood  Research  •  …  

•  Fisheries  Ecology  •  Sea  Fisheries  •  Bal=c  Sea  Fisheries  

THÜNEN  Ins=tute  of  Wood  Research  

University  of  Hamburg  Department  of  Wood  Science  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Sea>le,  03.  April  2013  

Mo=va=on  and  Results  O.  Pieper,  O.  Tackmann,  M.  Ohlmeyer  

1.  Fiber  quality  survey  

Thünen  Ins=tute  of  Wood  Research  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Fiber  quality  survey  

Aim  

•  Relevance  of  fiber  quality  for  MDF  produc=on?  

•  State  of  the  art  in  quality  control?  

 

Approach  

•  Worldwide  survey  in  2011  

 

Response  rate  

•  300  ques=onnaires  

•  Response  rate  10%  

•  n  =  29  

Slide  5  

Europe  

America  

Asia  

Australia  

Africa  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Which  type  of  fiberboard  do  you  produce?  

Slide  6  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Furniture  grade     Molding/  3D  surface    

Direct  prin=ng   Flooring   Pigmented  MDF   Others  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Fiber  quality  survey  

Q:  Is  fiber  quality  a  crucial  factor  in  your  process?  A:  Yes  (90%)    Q:  Do  you  asses  fiber  quality  for  QC?  A:  Yes  (90%)  

Slide  7  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Yes  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Which  method  is  applied  to  evaluate  fiber  quality?  

Slide  8  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Hap=cal  and  visual  evalua=on  by  operator  

Various  sieving  methods  

Op=cal  evalua=on  by  instrument  

Pulmac  shive  analyzer  

Bulk  density  aler  mat  forming  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Which  board  proper)es  are  affected  by  fiber  quality?  

Slide  9  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Internal  bond   Thickness  swelling  

Other   Direct  prin=ng  or  lacquering  

quality    

Moulding  quality    

Coa=ng  quality  

Surface  soundness    

Physical  and  mechanical  proper=es     Surface  quality    

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

How  is  the  fiber  quality  adjusted  during  produc)on?  

Slide  10  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

0%  

25%  

50%  

75%  posi=ve    neutral    nega=ve  

How  does  the  fines  content  affect  the  process?  

Slide  11  

Note  

•  The  fines  content  was  mostly  classified  to  affect  the  process  nega=vely  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

How  does  the  fiber  content  affect  the  process?  

Slide  12  

Note  

•  The  fibers  content  was  nearly  always  classified  to  have  a  posi=ve  or  no  effect  on  the  process.  

0%  

25%  

50%  

75%  posi=ve    neutral    nega=ve  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

How  do  shives  affect  the  process?  

Slide  13  

Note  

•  Beside  some  clear  cases,  the  effect  of  shives  was  classified  to  be  nega=ve  and  posi=ve  on  the  process  at  the  same  =me.  

0%  

25%  

50%  

75%  posi=ve    neutral    nega=ve  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Fiber  quality  survey  

Summary  

•  Fiber  quality  is  of  worldwide  interest  for  MDF  produc=on  

•  MDF  proper=es  are  affected  by  fiber  quality  

•  In  prac=ce,  fiber  quality  is  adjusted  by  various  process  parameters  

•  Fibers  are  the  most  wanted  structures  

•  The  acceptable  amount  of  fines  and  shives  depends  on  the  intended  MDF  type  

Slide  14  

Conclusion  

•  A  measuring  device  is  needed,  which  allows  an  individual  characteriza=on  of  MDF  fibers  for  process  control  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Sea>le,  03.  April  2013  

Opera=on  principals  and  test  results  J.  Benthien,  J.  Hasener,  S.  Heldner,  C.  Bähnisch,  M.  Ohlmeyer  

2.  MDF  fiber  characteriza)on  

Thünen  Ins=tute  of  Wood  Research    

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Limita)ons  of  currently  available  fiber  analyzers  

Slide  16  

Problem  

•  MDF  fiber  composi=on  spreads  from  small  dust  par=cles  up  to  several  cen=meter-­‐sized  fiber  bundles  

Current  limita)ons  

•  Low  sample  size;  fiber  bundles  may  block  the  system  

•  Sieve  analysis  capture  fiber  width  only  

•  Limited  reproducibility  

Solu)on  

•  Image  analyzing  system,  based  on  dry-­‐separated  fibers  

•  Developed  by  the  Thünen  Ins=tute  and  Grecon  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Opera)on  Principal  

Slide  17  

by  D.  Schmidt  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Measuring  Device  

•  0.5  g  fibers  

•  82  images  per  minute  

•  Image  size:  93  x  62  mm  

•  Pixel  size  23.2  µm  

•  1094  dpi  (ppi)  

•  8  minutes  per  run  

•  650  images  per  run  

•  250,000  fibers  per  run  

•  3  replica=ons  per  fiber  

Slide  18  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Image  analysis  

Image  processing  

•  Flow  line  tracing  (1)  and  separa=on  of  overlapping  fiber  (2)  

•  Image  moment  method  (3)  

•  Special  treatment,  if  (1)  and  (3)  are  not  applicable  

Gray  scale  image   Processed  image  

Slide  19  

(1)  

(3)  

(1)  and  (2)  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Fiber  material  

Fiber  A  

•  High  temperature/  long  =me  

•  16  bar  (200  °C)/  8  min  

Fiber  B  

•  “Standard“  •  8  bar  (170  °C)/  4  min  

Fiber  C  

•  Low  temperature/  short  =me  

•  4  bar  (143  °C)/  1  min  

Slide  20  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Rela)ve  frequency  

Seite  21  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Fiber  A  16  bar/  8  min  

Fiber  B  8  bar/  4  min  

Fiber  C  4  bar/  1  min  

0-­‐1  mm  

1-­‐3  mm  

3-­‐6  mm  

>6  mm  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Double  length-­‐weighted  rela)ve  frequency  

Seite  22  

0%  

1%  

2%  

0   2   4   6  Fiber  length  (mm)  

 Fiber  A  

 Fiber  B  

 Fiber  C  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Double  length-­‐weighted  rela)ve  frequency  

Seite  23  

0%  

25%  

50%  

75%  

100%  

Fiber  A  16  bar/  8  min  

Fiber  B  8  bar/  4  min  

Fiber  C  4  bar/  1  min  

0-­‐1  mm  

1-­‐3  mm  

3-­‐6  mm  

>6  mm  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Characteris)c  values  

Seite  24  

Fiber   A   B   C  

Cooking  condi)ons   16  bar/  8  min   8  bar/  4  min   4  bar/  1  min  

Double  length-­‐weighted  rela=ve  frequency  

0-­‐1  mm   10.3%   7.4%   7.9%  

0-­‐3  mm   59.0%   53.9%   46.7%  

3-­‐6  mm   27.5%   33.7%   35.7%  

>  6  mm   3.2%   5.1%   9.6%  

Double  length-­‐weighted  fiber  length   2.6  mm   2.9  mm   3.3  mm  

Longest  detected  fiber   16.3  mm   18.4  mm   32.8  mm  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Data  treatment  

Characteris)c  values  and  bar  chart  

•  4  length  classes  (width:  0-­‐1  mm;  1-­‐3  mm;  3-­‐6  mm;  >6  mm)  

•  Further  procedure  like  for  graph  pain=ng  

Slide  25  

Line  chart  

•  655  length  classes  (width:  0.05  mm)  

•  Weigh=ng  number  of  fibers  two  =mes  by  the  fiber  length  average  of  each  length  class  (n*l2)    

•  Calcula=on  of  the  (double  length-­‐weighted)  rela=ve  frequency  

Double  length-­‐weighted  fiber  length  

•  Data  from  characteris=c  value  calcula=on  

•  Lw=  ∑n*l3/∑n*l2  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Conclusion  and  outlook  

Slide  26  

Conclusion  

•  A  new  approach  for  MDF  fiber  characteriza=on  is  needed  

•  The  presented  measuring  device  fulfills  the  requirements  for  MDF  fiber  characteriza=on  

•  The  effect  of  varying  cooking  temperature  and  =me  on  the  fiber  quality  was  shown  

Outlook  

•  Characteriza=on  of  differently  manufactured  MDF  fibers  (Grinding  gap  distance,  wood  specie,…)  

•  Correla=on  of  fiber  characteris=cs  and  fiberboard  proper=es  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Acknowledgement  

Co-­‐authors  ins)tu)ons  and  companies  

•  Fagus-­‐GreCon  Greten  GmbH  &  Co.  KG  (Grecon),  Dr.  Jörg  Hasener  

•  University  of  Hamburg  (UHH),  

•  The  Cogni=ve  Systems  Laboratory  (KOGS),  Chris=an  Bähnisch  •  Department  of  Wood  Science,  Mechanical  Wood  Technology,  Olaf  Tackmann  

Slide  27  

Kind  support  from  colleagues  

•  Chris=na  Waitkus,  Thünen  Ins=tute,  Scien=fic  Informa=on  Centre  

•  Doerthe  Schmidt,  Thünen  Ins=tute  for  World  Forestry  

Further  project  partners  

•                                                 ,  Clemens  Seidl  

•  Sonae-­‐Industria  SGPS  S.A.  c/o  Glunz  AG,  Dr.  Alfred  Pfemeter  

•  Ins=tut  für  Holztechnologie  Dresden  gGmbH  (IHD),  Dr.  Detlef  Krug,  Christoph  Wenderdel  

Benthien  et  al.  Int  Wood  Comp  Sym  2013  03.  April  2013  

Thanks  for  your  kind  a>en)on!  

Sea>le,  03.  April  2013  

Jan  T.  Benthien  Thünen  Ins=tute  of  Wood  Research  Leuschnerstr.  91c  ·∙  21031  Hamburg  ·∙  Germany  Phone  +49  40  73962-­‐652  ·∙  Fax  +49  40  73962-­‐699  

jan.benthien@=.bund.de  www.=.bund.de