Metodutveckling för kontaktlös resonant hålrum dielektriska spektroskopiska studier av cellulosa papper

Summary

Ett protokoll för oförstörande analys av fiberinnehåll och relativ ålder av papper.

Abstract

De nuvarande analytiska teknikerna för att karakterisera tryck-och grafik substrat är till stor del ex situ och destruktiv. Detta begränsar mängden data som kan erhållas från ett enskilt prov och gör det svårt att producera statistiskt relevanta data för unika och sällsynta material. Resonans håla dielektrisk spektroskopi är en oförstörande, kontaktlös teknik som samtidigt kan förhöra båda sidor av en presenad material och ge mätningar som är lämpliga för statistiska tolkningar. Detta ger analytiker möjlighet att snabbt diskriminera mellan tälttak material baserat på sammansättning och lagring historia. I denna metod artikel, visar vi hur kontaktlös resonant hålighet dielektrisk spektroskopi kan användas för att skilja mellan papper analyter av varierande fiber arter kompositioner, för att bestämma den relativa åldern på papperet, och att upptäcka och kvantifiera mängden återvunnet fiberinnehåll i tillverkade kontorspapper (PCW).

Introduction

Papper är en presenning, heterogen, tillverkad produkt består av cellulosafibrer, dimensionering agenter, oorganiska fyllmedel, färgämnen, och vatten. Cellulosafibrerna kan komma från en mängd olika växtkällor; råvaran bryts sedan ned genom en kombination av fysikaliska och/eller kemiska behandlingar för att tillverka en fungerande massa som främst består av cellulosafibrer. Cellulosan i pappersprodukten kan också återvinnas sekundär, eller återvunnet fiber¹. Den TAPPI metod T 401, “fiber analys av papper och papp,” är för närvarande den toppmoderna metoden för att identifiera fiber typer och deras nyckeltal som finns i ett pappersprov och utnyttjas av många samhällen². Det är en manuell, kolorimetrisk teknikberoende av på synskärpa av en specialutbildad mänsklig analytiker att urskilja de ingående fibertyper av ett papper prov. Dessutom är provberedning för TAPPI 401 metoden mödosam och tidskrävande, vilket kräver fysisk förstörelse och kemisk nedbrytning av pappers provet. Färgning med speciellt ordinerade reagenser gör fiberprover föremål för effekterna av oxidation, vilket gör det svårt att arkivera prover för bevarande eller prov bank. Således är resultaten från TAPPI metod T 401 föremål för mänsklig tolkning och är direkt beroende av den visuella urskiljning av en individuell analytiker, som varierar beroende på den enskildes erfarenhetsnivå och utbildning, vilket leder till inneboende fel När resultaten jämförs mellan och inom prov uppsättningar. Flera källor av inexaktheter och felaktigheter finns också³. Dessutom är TAPPI-metoden oförmögen att bestämma kvantiteten av sekundär fiber eller den relativa åldern av pappersprov^4,5.

I motsats, den resonans hålighet dielektrisk spektroskopi (RCDS) teknik som vi beskriver i denna artikel erbjuder analytiska funktioner som är väl lämpade för papper undersökningar. Dielektrisk spektroskopi sonder avslappnings dynamiken i dipoler och mobila Laddhållare inom en matris som svar på snabbt föränderliga elektromagnetiska fält, såsom mikrovågsugnar. Detta innebär molekylär roterande omorientering, gör RCDS särskilt väl lämpad att undersöka dynamiken i molekyler i trånga utrymmen, såsom vattnet adsorberat på cellulosafibrer inbäddad i ett pappersark. Genom att använda vatten som en sond molekyl, kan RCDS samtidigt extrahera information om kemisk miljö och fysikalisk konformation av cellulosapolymer.

Den kemiska miljön i Cellulosafibrerna påverkar omfattningen av vätebindning med vattenmolekyler, därav enkelheten i rörelse som svar på fluktuerande elektromagnetiska fält. Den cellulosahaltiga miljön bestäms delvis av koncentrationerna av hemicellulosa och lignin i pappersanalyten. Hemicellulosa är en hydrofila Grenade polymer av pentoses, medan lignin är en hydrofob, tvärbunden, fenolpolymer. Mängden hemicellulosa och lignin i pappersfiber är en följd av papperstillverkningen. Adsorberat vatten i papper skiljeväggar mellan hydrofila platser, och vätebindning inom cellulosa polymer, särskilt med adsorberat vattenmolekyler, påverkar graden av tvärbindning inom cellulosa struktur, nivån på polarizability, och arkitekturen av porer inom cellulosa polymer⁵. Den totala dielektriska svar av ett material är en vektor summan av alla dipol stunder i systemet och kan särskiljas via dielektrisk spektroskopi genom användning av effektiva medel teorier^6,7. Likaså är kapacitansen hos ett dielektriskt material omvänt proportionellt mot dess tjocklek. Därför är resonant hålighet dielektrisk spektroskopi idealisk för att studera prov-till-prov tjocklek reproducerbarhet av ultratunna filmer material som papper^8,9,10. Även om det finns en betydande mängd arbete som rör användningen av dielektriska spektroskopi tekniker för att studera trä och cellulosa produkter, omfattningen av dessa studier har begränsats till pappers tillverkningsproblem^{11,12 ,13}. Vi har utnyttjat den anisotropiska karaktären av papper för att demonstrera tillämpningen av jordfelsbrytare för att testa papper bortom fukt och mekaniska egenskaper^14,15,16 och för att visa att det ger numeriska data som kan användas i kvalitetssäkrings tekniker som mätar kapacitetsstudier och Statistisk processtyrning i realtid (SPC). Metoden har också inneboende kriminaltekniska kapacitet och kan användas för att kvantitativt konfrontera miljömässiga hållbarhetsfrågor, stödja ekonomiska intressen och upptäcka förändrade och förfalskade dokument.

Resonant hålrum dielektrisk spektroskopi (RCDS) teori och teknik
RCDS är en av flera dielektrisk spektroskopi tekniker som är tillgängliga¹⁷; det valdes specifikt eftersom det är icke-kontakt, icke-förstörande, och experimentellt enkel i jämförelse med andra metoder för dielektrisk spektroskopi. Till skillnad från andra analytiska tekniker som används för att studera papperets egenskaper eliminerar RCDS behovet av dubbla mått uppsättningar för att redogöra för de två sidorna i ett prov blad¹⁸. Den resonant Microwave kaviteten tekniken har fördelen av att vara känslig för både ytan och bulk ledningsförmåga. Till exempel bestäms ytkonturen av ett provmaterial genom att spåra en förändring av kvalitetsfaktorn (Q-faktorn) i håligheten som ett prov successivt sätts in i kaviteten i kvantitativ korrelation med provvolymen^{18 ,19,20}. Ledningsförmåga kan erhållas genom att helt enkelt dividera ytkonduktans med preparat tjockleken. Ytan värmeledningsförmåga av en tunn, tälttak material som papper fungerar som en proxy för dielektrisk profil av ett material under test (MUT), eftersom det är direkt proportionell mot dielektrisk förlust, ε “, av Mut^{18,19, 20}. dielektrisk förlust är en indikation på hur mycket värme som skingras av ett dielektriskt material när ett elektriskt fält appliceras över det; material med större konduktans kommer att ha en högre dielektrisk förlust värde än mindre ledande material.

Experimentellt, den dielektriska förlusten, ε “, som är associerad med prov ytan extraheras från minskningstakten av resonans kvalitetsfaktor (Q) (dvs. energiförlust), med ökande volym av prov¹⁹. Q bestäms vid resonant frekvens f från 3 dB bredd, Δf, av resonant Peak vid resonant frekvens f, Q = Δf /f. Denna relation är kvantitativt korrelerad med lutningen på den linje som anges i ekvation 1 nedan, där representerar skillnaden mellan det reciproka värdet av q-faktorn för preparatet från q-faktorn i det tomma håligheten, är förhållandet mellan volymen det infogade preparatet till den tomma håligheten, och linje skärningspunkten, b “, står för det icke-enhetliga fältet i preparatet, som visas i figur 1¹⁹.

(Ekvation 1)

I denna artikel, vi illustrerar den breda nyttan av denna teknik genom att bestämma förhållandet mellan fiber arter (artbildning), bestämning av den relativa åldern av naturligt och artificiellt äldre papper, och kvantifiera den återvunna fiberinnehållet i vit kontors kopiator pappersanalyter. Medan RCDS tekniken kan vara lämplig för att studera andra ämnen, såsom åldrandefrågor i pappers isolering i elektriska apparater, sådana studier är utanför tillämpningsområdet för det nuvarande arbetet, men skulle vara intressant att fortsätta i framtiden.

Protocol

1. inställning av material Registrera all tillverkningsinformation som medföljer pappersbunt (t. ex. bas vikt, tillverkarens annonserade PCW-innehåll och tillverkarens annonserade ljusstyrka). Ta ett genomsnitt av tio tjocklek mätningar längs ett ark från bunt, med hjälp av en bromsmor. Identifiera maskinen och kors riktningar av arket (dvs. maskinens riktning är den långa dimensionen). Använda en gradskiva identifiera och klippa papperet längs den önskade remsan vinkel…

Representative Results

Motivering för val av 60 °-bandvinkelTestprovets snitt orientering påverkar omfattningen av det dielektriska svaret, vilket visas i grafen i figur 2. I inledande experiment, testremsor klipptes från rätvinkliga vinklar av arket, som är standard praxis för mätning av fysikaliska egenskaper i pappers vetenskap; men remsor som skärs från icke-ortogonala vinklar längs pappers bladet har gett den största upplösningen mellan papperstyper, särskilt vid 45 ° och 6…

Discussion

Vi har visat på annat håll att närvaron av lignin innehåll av fibrer avsevärt förändrar dielektriska beteende av tillverkade papper¹⁵. Artbildning är inte bara viktigt i QA/QC testning av moderna papper men av stort intresse för studiet av historiska papper som huvudsakligen tillverkas av icke-trä växtkällor, såsom bambu, hampa, lin, och papyrus. Som framgår i figur 7, vår teknik kan skilja mellan icke-trä växtkällor (100% bomull papper kontra 90% ba…

Materials

commercially produced colored office paper	Neenah Paper		Purchased from Staples
Q-Lab QUV accelerated weathering chamber	Q-Lab Corporation, Westlake, OH
X-Rite eXact	X-Rite, Inc., Grand Rapids, MI
Agilent N5225A network analyzer	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA
WR90 rectangular waveguide	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA		R 100 (a = 10.16 mm, b = 22.86 mm, lz =127.0mm)
JMP data analysis software	SAS, Cary, NC