纤维素纸非接触式共振腔电谱研究的方法研究

Summary

一种对纸张纤维含量和相对年龄进行无损分析的协议。

Abstract

目前用于描述印刷和图形艺术基材特征的分析技术在很大程度上是原地和破坏性的。这限制了可以从单个样本获得的数据量，并使难以为独特和稀有材料生成与统计相关的数据。谐振腔电谱是一种非破坏性的非接触式技术，可以同时询问板材的两侧，并提供适合统计解释的测量。这为分析人员提供了根据成分和存储历史记录快速区分板材的能力。在该方法文章中，我们演示了如何使用非接触式共振腔电谱法来区分不同纤维成分的纸张分析物，确定纸张的相对年龄，以及检测和量化生产办公用纸中消费后废物 （PCW） 再生纤维含量的量。

Introduction

纸张是一种异质的制造产品，由纤维素纤维、尺寸剂、无机填料、着色剂和水组成。纤维素纤维可能来自各种植物来源;然后，通过物理和/或化学处理的组合分解原材料，以生产主要由纤维素纤维组成的可行纸浆。纸制品中的纤维素也可二次回收，或回收^纤维1。TAPPI方法T 401，”纸张和纸板的纤维分析”，是目前识别纤维类型及其比例在纸样中存在的最先进的方法，被许多社区^{所使用2。}它是一种手动的色度技术，依赖于经过专门培训的人类分析员的视觉敏锐度，以识别纸样纤维的组成类型。此外，TAPPI 401方法的样品制备既费时又费时，需要物理销毁和纸样化学降解。使用特别指定的试剂染色会使纤维样品受到氧化的影响，因此很难将样品存档以进行保存或标本库。因此，TAPPI 方法 T 401 的结果由人工解释，并直接取决于单个分析员的视觉辨别力，该识别因个人的经验和培训水平而异，从而导致固有的错误比较样本集之间和样本集中的结果时。存在多个不精确和不准确的来源，^以及3。此外，TAPPI方法无法确定二次纤维的数量或纸^样4、5的相对年龄。

相比之下，本文描述的谐振腔电介质光谱（RCDS）技术提供了非常适合纸张检查的分析功能。Dielectric 光谱可探测矩阵中偶极子和移动电荷载体的松弛动力学，以响应快速变化的电磁场（如微波）。这涉及到分子旋转调整方向，使RCDS特别适合检查密闭空间内分子的动态，例如嵌入在一张纸中的纤维素纤维上的水吸附。通过使用水作为探针分子，RCDS可以同时提取有关纤维素聚合物的化学环境和物理构象的信息。

纤维素纤维的化学环境影响氢与水分子结合的程度，因此在电磁场波动时运动容易。纤维素环境部分是由纸解毒剂中六纤维素和木质素的浓度决定的。血纤维素是一种亲水分枝聚合物的五氯苯酚，而木质素是一种疏水性、交联的酚类聚合物。纸纤维中的六氯细胞素和木质素的含量是造纸过程的结果。亲水位点之间的纸张分区中的吸附水，以及纤维素聚合物内的氢键，特别是与吸附水分子的粘附，影响纤维素结构内的交联水平，偏振性，以及纤维素^聚合物5内的孔隙结构。材料的总介电响应是系统内所有偶极子矩的矢量总和，可以通过利用有效的介质^理论6，7来区分。同样，介电材料的电容与其厚度成反比;因此，谐振腔电谱是研究超薄薄膜材料（如^{纸8、9、10）}的样品到样品厚度可重复性的理想选择。虽然关于使用电介质光谱技术研究木材和纤维素产品有大量工作，但这些研究的范围仅限于纸张可制造性^{问题11、12 ， 13}.我们利用纸张的各向异性，证明刚果民盟在测试纸张时的应用超出水分和机械性能 14、15、16，并表明它产生可用于质量保证技术（如仪表能力研究和实时统计过程控制 （SPC）））的数字数据。该方法还具有固有的取证能力，可用于定量应对环境可持续性问题，支持经济利益，并检测篡改和伪造文件。

谐振腔电介质光谱（RCDS）理论与技术
RCDS是可用的几种电介质光谱技术之^一。特别选择它，因为它是非接触的，非破坏性的，并且与其他电介质光谱方法相比，实验简单。与用于研究纸张特性的其他分析技术不同，RCDS 消除了重复的测量集，以考虑样品表¹⁸的两侧。谐振微波腔技术具有对表面和体积电导率均敏感的优点。例如，样品材料的表面电导率是通过跟踪腔的质量系数 （Q-因子） 的变化来确定的，因为试样在与试样体积¹⁸的定量相关性中逐渐插入腔中^，19，20.只需将表面电导率除以试样厚度即可获得电导率。薄薄的薄板材料（如纸张）的表面电导作用是被测材料（MUT）的介电轮廓的代理，因为它与MUT^18、19的介电损耗成正^比。20.电介质损耗表示当电场施加电场时，电介质材料会消散多少热量;具有较大导电性的材料将比导电性较低的材料具有更高的介电损耗值。

实验中，从腔共振质量因子（Q）（Q）的下降率中提取与试样表面相关的介电损耗，即”介质损耗”，^随试样体积的增加而增大。Q 在谐振频率f处从谐振频率 f 的 3 dB 宽度的μf，在谐振频率f、Q = +f /f的谐振频率 f 处确定。此关系与下面公式 1 给出的线的斜率在数量上相关，其中表示试样 Q 因子与空腔 Q 因子的对等差，即插入的试样到空腔的体积，和线截距，b”，占标本中的不均匀场，如图1¹⁹所示。

（公式 1）

在本文中，我们通过确定纤维物种（物种）的比例、确定自然和人工老化纸张的相对年龄以及量化白色办公室复印机的再生纤维含量来说明该技术的广泛效用。纸分析物。虽然RCDS技术可能适合研究其他课题，如电力设备中纸张绝缘的老化问题，但这类研究不属于当前工作的范围，但将来会感兴趣。

Protocol

1. 材料设置 记录随纸张系列提供的所有制造信息（例如，基础重量、制造商的 PCW 广告内容和制造商的广告亮度）。 使用卡钳，沿雷带的薄片进行平均十次厚度测量。 识别机器和纸张的交叉方向（即，机器方向为长尺寸）。 使用量角器识别并沿机器和交叉方向之间的所需条形角度切割纸张。 使用旋转切割器，在样品的目标方向上切割 0.5 厘米宽 0.5 厘米宽 8 …

Representative Results

选择 60° 条带角度的理由测试样品的切割方向影响介电响应的大小，如图2所示。在最初的实验中，从纸张的正交角度切割测试条，这是测量纸张科学物理性能的标准做法;然而，从纸张上非正交角度切割的条材在纸张类型之间提供了最大的分辨率，特别是在 45° 和 60° 方向15时。这种反应差异可以根据纤维素链的优优先方向进行合理化，该方…

Discussion

我们已经在其他地方表明，纤维木质素含量的存在确实显著地改变了人造^纸15的介电行为。在现代论文的QA/QC测试中，物种化不仅很重要，而且对研究历史论文也很感兴趣，这些论文主要是由非木材植物来源（如竹子、大麻、亚麻和纸草）制成的。如图7所示，我们的技术可以区分非木材植物来源（100%棉纸与90%竹纸/10%棉纸）。这与以前采用其他介电光谱技术…

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