Summary
Een protocol voor de niet-destructieve analyse van het vezelgehalte en de relatieve leeftijd van het papier.
Abstract
De huidige analytische technieken voor het karakteriseren van drukkerijen en grafisch-kunst substraten zijn grotendeels ex situ en destructief. Dit beperkt de hoeveelheid gegevens die kan worden verkregen uit een individueel monster en maakt het moeilijk om statistisch relevante gegevens te produceren voor unieke en zeldzame materialen. Resonante holte diëlektrische spectroscopie is een niet-destructieve, contactloze techniek die gelijktijdig beide zijden van een omhuld materiaal kan ondervragen en metingen kunnen verrichten die geschikt zijn voor statistische interpretaties. Dit biedt analisten de mogelijkheid om snel onderscheid te maken tussen Omhulde materialen op basis van compositie en opslag geschiedenis. In deze methodologie artikel laten we zien hoe contactloze resonante holte diëlektrische spectroscopie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen papier analyten van verschillende vezel soorten composities, om de relatieve leeftijd van het papier te bepalen, en om te meten en kwantificeren de hoeveelheid gerecycled vezelgehalte van post-consumer afval (PCW) in gefabriceerd kantoor papier.
Introduction
Papier is een omhulde, heterogene, vervaardigde product bestaat uit cellulosische vezels, dimensionerings middelen, anorganische vulstoffen, kleurstoffen, en water. De cellulosevezels kunnen afkomstig zijn van verschillende plantaardige bronnen; de grondstof wordt vervolgens afgebroken door een combinatie van fysische en/of chemische behandelingen om een werkbaar pulp te produceren dat voornamelijk uit cellulosevezels bestaat. De cellulose in het papier product kan ook worden teruggewonnen secundair, of gerecycled Fiber1. De TAPPI methode T 401, "fiber analyse van papier en karton", is momenteel de State of the art methode voor het identificeren van vezel soorten en hun verhoudingen aanwezig in een papier monster en wordt gebruikt door vele gemeenschappen2. Het is een handmatige, colorimetrische techniek die afhankelijk is van de gezichtsscherpte van een speciaal opgeleide menselijke analist om de samenstellende vezel typen van een papier monster te onderscheiden. Bovendien is de monstervoorbereiding voor de TAPPI 401-methode bewerkelijk en tijdrovend, waardoor fysieke vernietiging en chemische afbraak van het papier monster nodig zijn. Kleuring met speciaal voorgeschreven reagentia maakt vezel monsters onderhevig aan de effecten van oxidatie, waardoor het moeilijk is om monsters te archiveren voor conservering of specimen Banking. De resultaten van de TAPPI-methode T 401 zijn dus onderhevig aan menselijke interpretatie en zijn rechtstreeks afhankelijk van het visuele onderscheidingsvermogen van een individuele analist, die varieert op basis van het ervarings-en opleidingsniveau van die persoon, wat leidt tot inherente fouten bij het vergelijken van resultaten tussen en binnen sample sets. Er zijn ook meerdere bronnen van onnauwkeurigheid en onnauwkeurigheid aanwezig3. Bovendien is de Tappi-methode niet in staat om de hoeveelheid secundaire vezels of de relatieve leeftijd van papier monsters4,5te bepalen.
In tegenstelling, de resonante holte diëlektrische spectroscopie (RCDS) techniek die we beschrijven in dit artikel biedt analytische mogelijkheden die zeer geschikt voor papier onderzoeken zijn. Diëlektrische Spectroscopie meet de ontspannings dynamiek van dipolen en mobiele laad dragers binnen een matrix in reactie op snel veranderende elektromagnetische velden, zoals magnetrons. Dit omvat moleculaire rotatie heroriëntatie, waardoor RCD'S bijzonder geschikt zijn om de dynamiek van moleculen in krappe ruimten te onderzoeken, zoals het geadsordeerd water op de cellulosevezels die in een vel papier zijn geplaatst. Door water als sonde molecuul te gebruiken, kunnen RCD'S tegelijkertijd informatie over de chemische omgeving en fysieke conformatie van het cellulose-polymeer extraheren.
De chemische omgeving van de cellulosevezels beïnvloedt de mate van waterstof binding met watermoleculen, vandaar het bewegings gemak als reactie op de fluctuerende elektromagnetische velden. De cellulosische omgeving wordt deels bepaald door de concentraties van Hemicellulose en lignine in de papieranalyt. Hemicellulose is een hydrofiel vertakt polymeer van pentoses, terwijl lignine een hydrofoob, kruislings, fenolisch polymeer is. De hoeveelheid Hemicellulose en lignine in een papiervezel is een gevolg van het proces van het maken van papier. Geadsorreven water in papier partities tussen de hydrofiele gebieden, en de waterstof binding binnen het cellulose-polymeer, met name met de geadsorbedde watermoleculen, beïnvloedt het niveau van dwarsbinding binnen de cellulose structuur, het niveau van polarisatie baarheid en de architectuur van poriën in het cellulose-polymeer5. De totale diëlektrische reactie van een materiaal is een vector som van alle dipool momenten binnen het systeem en kan worden onderscheiden via diëlektrische spectroscopie door het gebruik van effectieve medium theorieën6,7. Evenzo is de capaciteit van een diëlektrische materiaal omgekeerd evenredig aan de dikte; Vandaar, resonante holte diëlektrische spectroscopie is ideaal om te bestuderen monster-to-sample dikte reproduceerbaarheid van ultradun films materialen zoals papier8,9,10. Hoewel er een aanzienlijke hoeveelheid werk is met betrekking tot het gebruik van diëlektrische spectroscopie technieken om hout en cellulose producten te bestuderen, is de reikwijdte van die studies beperkt tot papierfabrikbaarheids problemen11,12 ,13. We hebben gebruik gemaakt van het anisotrope karakter van papier om de toepassing van rcd's aan te tonen om papier te testen buiten de vochtigheid en mechanische eigenschappen14,15,16 en om aan te tonen dat het numerieke gegevens die kunnen worden gebruikt in technieken voor kwaliteitsborging, zoals studie vermogens studies en real-time statistische procescontrole (SPC). De methode heeft ook inherente forensische capaciteiten en kan worden gebruikt om ecologische duurzaamheidskwesties kwantitatief te confronteren, economische belangen te ondersteunen en gewijzigde en vervalste documenten op te sporen.
Resonante holte diëlektrische spectroscopie (RCDS) theorie en techniek
RCDS is een van de verschillende diëlektrische spectroscopie technieken die beschikbaar zijn17; het werd specifiek gekozen omdat het niet-contact, niet-destructief, en experimenteel eenvoudig in vergelijking met andere methoden van diëlektrische spectroscopie. In tegenstelling tot andere analytische technieken die worden gebruikt om de eigenschappen van papier te bestuderen, elimineert RCDS de noodzaak van dubbele meet sets om rekening te kunnen maken met de twee zijden van een monster blad18. De resonante microgolf holte techniek heeft het voordeel dat hij gevoelig is voor zowel het oppervlak als de bulk geleiding. De oppervlakte geleiding van een monster materiaal wordt bijvoorbeeld bepaald door het volgen van een verandering in de kwaliteitsfactor (Q-factor) van de holte als een preparaat geleidelijk in de holte wordt ingebracht in kwantitatieve correlatie met het volume van het specimen18 ,19,20. Geleidendheid kan worden verkregen door simpelweg de oppervlakte geleiding te verdelen door de preparaatdikte. De oppervlakte geleiding van een dun, omhulde materiaal zoals papier functioneert als een proxy voor het diëlektrische Profiel van een te testen materiaal (Mut), omdat het recht evenredig is aan het diëlektrische verlies, ε ", van de MUT18,19, 20. diëlektrische verlies is een indicatie van hoeveel warmte wordt afgevoerd door een diëlektrische materiaal wanneer er een elektrisch veld wordt aangebracht over het; materialen met een grotere conductiviteit zullen een hogere diëlektrische verlies waarde hebben dan minder geleidende materialen.
Experimenteel, het diëlektrische verlies, ε ", geassocieerd met het preparaat oppervlak wordt geëxtraheerd uit de snelheid van de daling van de kwaliteit van de holte resonantie (Q) (dat wil zeggen, energieverlies), met een toenemend volume van specimen19. De Q wordt bepaald aan de resonante frequentie f van de 3 dB breedte, Δf, van de resonante piek bij de resonante frequentie f, Q = Δf /f. Deze relatie is kwantitatief gecorreleerd met de helling van de lijn gegeven door vergelijking 1 hieronder, 
waarbij het verschil van de reciproke van de q-factor van het preparaat uit de q-factor van de lege holte wordt 
aangegeven, is de verhouding van het volume van het ingevoegde preparaat op het volume van de lege holte en het snijpunt, b ", staat voor het niet-uniforme veld in het preparaat, zoals weergegeven in Figuur 119.
(Vergelijking 1)
In dit artikel illustreren we het brede nut van deze techniek door het bepalen van de verhoudingen van vezel soorten (Speciation), het bepalen van de relatieve leeftijd van natuurlijk en kunstmatig verouderde papers, en het kwantificeren van het gerecycleerde vezelgehalte van wit kantoor Copier papier analyten. Overwegende dat de RCDS-techniek geschikt kan zijn voor het bestuderen van andere onderwerpen, zoals verouderings vraagstukken in papier isolatie in elektrische apparaten, dergelijke studies vallen buiten de reikwijdte van het huidige werk, maar zouden interessant zijn om in de toekomst na te streven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. opstelling van de materialen
- Noteer alle productie-informatie die wordt geleverd met het pak papier (bijv. basisgewicht, de geadverteerde PCW-inhoud van de fabrikant en de aangekondigde helderheid van de fabrikant).
- Neem een gemiddelde van tien diktemetingen langs een vel van de Ream, met behulp van een remklauw.
- Identificeer de machine en kruis richtingen van het blad (d.w.z. de machine richting is de lange afmeting).
- Met behulp van een gradenboog identificeren en knippen van het papier langs de gewenste strook hoek tussen de machine en dwars richtingen.
- Met behulp van een roterende frees, segment teststrips 0,5 cm breed 8 cm lang in de doel oriëntatie voor het monster.
- Label monsters van de ene kant en opslaan tussen glas microscopie dia's. Bewaren tot testen onder stikstof atmosfeer.
Opmerking: het is raadzaam om handschoenen te dragen en de behandeling met een pincet uit te voeren om te voorkomen dat de papier monsters worden gekreuerd en/of vervuerd.
2. versnelde papier fade testen
Opmerking: papier monsters worden gerijpt onder UV-licht bij verhoogde temperatuur bij de omgevingsvochtigheid in het laboratorium. De veroudering wordt uitgevoerd met behulp van een versnelde verwerings kamer uitgerust met 340 nm UVA-lampen, bij een bestraling van 0,72 W/m2 bij 50 °c voor 169 h, door het volgende protocol te volgen.
- Kalibreer de UV-sensoren door de routine van de radioometer kalibratie vooraf voorgeprogrammeerd in de op UV-gebaseerde versnelde verwerings kamer uit te voeren.
- Kalibreer de temperatuursensoren door het temperatuurprogramma P4 Kalibreer voor voorgeprogrammeerd in de verwerings kamer uit te voeren.
- Meet de pre-post-Aging kleur van de papier monsters met behulp van een draagbare spectrofotometer die actief is in het zichtbare golf bereik van 400 nm tot 800 nm.
- Selecteer de juiste standaard testcycli die vooraf voorgeprogrammeerd zijn in de verwerings kamer.
- Monteer hele vellen test papier op het platte paneel (optioneel, Monteer één vel van beide zijden van het platte paneel).
- Bevestig de platte panelen aan de samplehouders met Snap ringen, duw de ringen stevig tegen het paneel.
- Installeer de paneel houders met de stop-PIN omlaag.
- Bevestig aluminium blanks om in de paneel houders te monteren voor condensatie.
- Voor een uniforme blootstelling, herpositioneer de test monsters (ten minste vijf keer) tijdens de testcyclus.
- Meet de post-Aging kleur van de papier monsters met behulp van een draagbare spectrofotometer.
- Snijd de monster stroken uit de verouderde papier monsters om de resonerende holte te passen. Het typische specimen gebied is 0,5 cm (breedte) x 8 cm (lengte).
Opmerking: voor deze tests gebruiken we commercieel geproduceerde gekleurde 90 g/m2 (GSM) (24 lb) kantoor papier van twee verschillende composities: Virgin en 30% gerecycleerde vezels (d.w.z. 0% en 30% post-consumer afval [PCW] gerecycleerde vezelinhoud, respectievelijk).
3. installatie van apparatuur en het nemen van resonante holte metingen
Opmerking: de resonante holte test armatuur bestaat uit een luchtgevulde standaard WR-90 rechthoekige golfgeleider. De holte heeft een 10 mm x 1 mm slot bewerkt in het midden voor het inbrengen van het preparaat. De Waveguide wordt aan beide uiteinden beëindigd door de WR-90 naar coax adapters die de holte verbinden met een microgolf netwerk Analyzer via semi-stijve coaxiale kabels. De koppelings adapters zijn bijna gepolariseerd met betrekking tot de Waveguide-polarisatie hoek, die scherpe impedantie onderbrekingen creëert bij beide Waveguide-uiteinden en bijgevolg de spouw wanden. De polarisatie hoek is ongeveer 87 °, wat voldoende is om een optimale kracht belasting in de holte te bereiken, terwijl de kwaliteitsfactor wordt gemaximaliseerd. De kwaliteitsfactor, Q0, en de resonante frequentie, f0, van de lege holte bij de derde oneven resonante modus te103 waarbij we de metingen respectievelijk 3,200 en 7,435 GHz maken. De metingen worden uitgevoerd in omgevings laboratoriumomstandigheden door het onderstaande protocol te volgen.
- Noteer de temperatuur en relatieve vochtigheid en neem de eerste lezing van de kwaliteitsfactor Q0, en de resonante frequentie f0 van de lege holte.
- Plaats het preparaat bevestigd in de monsterhouder boven de sleuf in het midden van de holte. Tijdens de metingen wordt het preparaat in de holte ingebracht door deze sleuf in stappen van toenemend volume Vx= hx· w · t, waarbij hx de preparaat lengte in de holte is geplaatst, en w en t de preparaat breedte en dikte respectievelijk.
- Gebruik de Vernier remklauw op de monsterhouder, steek het monster in de holte door Δhx = 50 μm stappen en neem de meetwaarden van de kwaliteitsfactor en resonante frequentie bij elke stap totdat het monster is verlaagd 10 mm (1 cm) in de holte.
- Trek het monster uit het inwendige in dezelfde stappen van 50 μm en neem de meetwaarden van de kwaliteitsfactor en resonante frequentie op totdat het monster volledig is teruggetrokken.
- Bewaar het monster tussen de glazen glijbanen en terug naar de stikstof atmosfeer.
- Het diëlektrische verlies, ε ", van de papieren monsters wordt verkregen uit de spoeling van de perturbatie (vergelijking 1). Optioneel, de diëlektrische constante, ε ' kan worden verkregen uit de gemeten Vx, en de resonante frequentie fx door het oplossen van de perturbatie vergelijkingen voor (ε ' – 1) zoals beschreven in elders18, 19,20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Motivering voor de keuze van de 60 ° strip hoek
De snij oriëntatie van het testmonster beïnvloedt de grootte van de diëlektrische respons, zoals weergegeven in de grafiek in Figuur 2. In eerste experimenten, teststrips werden gesneden uit de orthogonale hoeken van het blad, zoals standaard praktijk voor het meten van fysieke eigenschappen in papier wetenschap; strips die zijn afgesneden van niet-orthogonale hoeken langs de papier plaat hebben echter de grootste resolutie tussen papiersoorten verschaft, met name op de 45 ° en 60 ° oriëntaties15. Dit reactie verschil kan worden gerationaliseerd op basis van de preferentiële oriëntatie van de cellulose keten, die ongeveer 30 °-45 ° afwijkt van de normale, binnen de cellulose microfibril structuur binnen de celwanden van levende planten21 ,22. Diëlektrische studies over Fiber oriëntatie van in de fabriek vervaardigde papier vellen hebben aangetoond dat langs zowel de draad-als de vilt zijden van het blad de oriëntatie van de cellulose polymeerketens ongeveer 30 ° van de machine richting is, wat overeenkomt met onze aanwijzing van de oriëntatie 60 ° langs het papier blad23,24.
Effect van concentraties van katoenvezels op het diëlektrische verlies
Figuur 3 toont de diëlektrische verlies profielen van katoen-bevattende obligatie documenten verkregen door de Amerikaanse federale overheid met behulp van 60 ° strips. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van de afzonderlijke metingen. De gegevens tonen duidelijk het vermogen van de resonante Holte om onderscheid te maken tussen obligatie nota's van verschillende concentraties katoenvezels. Dit is in overeenstemming met ons vorige werk, waarin we de RCDS-techniek gebruikten om onderscheid te maken tussen papers van verschillende niet-houtvezel concentraties afgeleid van plantaardige bronnen zoals het kruid salie, cacaoschil en bamboe15.
Gevolgen van de milieuomstandigheden voor de testresultaten
Het is belangrijk om de controle over de temperatuur en vochtigheid van het laboratorium te behouden tijdens het testen van materialen. Papier is van nature hygroscopisch mengsel. In ons werk constateerden we dat de temperatuur een zeer nominale invloed heeft op het diëlektrische Profiel van een papier monster. De relatieve vochtigheid (RV) van het laboratorium hanteert echter een veel grotere invloed op de resultaten. Figuur 4 vergelijkt de resultaten van het testen van 100% katoen obligatie papier aangeschaft door de federale overheid op 46% rh en 49% RH, respectievelijk. Over het algemeen hebben we meer reproduceerbare resultaten van het diëlektrische monster-to-sample verkregen bij een hogere relatieve vochtigheid. Daarom is het raadzaam om papieren monsters onder goed gecontroleerde omgevingscondities te testen om steekproef vergelijkingen mogelijk te maken.
Relatieve leeftijd van het papier
De RCDS-techniek heeft een ongelooflijk nut buiten de Speciation. We hebben in ons andere werk aangetoond dat het vermogen van de resonante Holte om onderscheid te maken tussen de relatieve leeftijd katoen obligatie papers van dezelfde inhoud vervaardigd 40 jaar uit elkaar. Oudere papier monsters vertonen lagere gemiddelde diëlektrische verlies waarden dan nieuwere papers, wat suggereert dat het verlies van polarisatie baarheid het gevolg is van de afbraak van het cellulose-polymeer25.
Onze experimenten op kunstmatig verouderde papier analyten tonen ook duidelijke verschillen tussen de voor-en na-UV licht fading experimenten op zowel Virgin (0% PCW) en (30% PCW) papers. Zoals getoond in Figuur 6, na 169 h van UV-versnelde veroudering, is de afbraak van het cellulose-polymeer onderscheidingsvermogen omdat de gemiddelde diëlektrische verlies waarden voor zowel de Virgin als de gerecycleerde rassen waren afgenomen. Het is opmerkelijk dat de techniek kan onderscheid maken tussen de Maagd en gerecycleerde materialen zelfs na de versnelde veroudering periode25.
Teruggewonnen vezelgehalte van witte kantoorartikelen
We hebben de diëlektrische verliesgegevens verzameld op witte kantoorartikelen van verschillende fabrikanten met verschillende percentages van geadverteerde helderheid (voornamelijk als gevolg van gepatenteerde additieven) en PCW gerecyclede inhoud. Er lijkt te zijn een aantal nog te begrijpen relatie tussen de gerecycleerde vezelinhoud en de geadverteerde helderheid van de papier analyt. In het algemeen, binnen cohorten van papier van dezelfde kwaliteit het gemiddelde diëlektrische verlies overledene met toenemende helderheid van de fabrikant, hoewel de geadverteerde helderheidswaarden voor hetzelfde type van de onderzochte documenten aanzienlijk varieerden van fabrikant aan de fabrikant. Figuur 5 presenteert een contour plot op basis van een lineaire regressie pasvorm die het diëlektrische verlies van wit kantoor Copier papier weergeeft, gebaseerd op de geadverteerde helderheid van de fabrikant en het papier gehalte van gerecycled afval (% PCW) van de analyten. De gegevens suggereren dat het diëlektrische verlies ook gevoelig is voor optische witmakers en andere additieven die de verschillende fabrikanten gebruiken om de geadverteerde helderheid te verkrijgen.
Figuur 1: veranderingen in de factor voor de kwaliteit van de holte (vergelijking 1) als functie het preparaat geplaatste volume, Vx, voor verschillende specimens: 25%-(rode driehoeken), 50% (blauwe cirkels) en 100% obligatie katoen papier monsters (groene vierkantjes), respectievelijk . De helling van de percelen vertegenwoordigt het diëlektrische verlies, Vogele ", voor elk monster. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: een vergelijking van diëlektrische respons door strip hoek (0 °, 45 °, 60 ° en 90 °) voor Virgin "as-received" Blue 24-lb Office papers vóór (groene cirkels) en na UV-vervaging voor 169 h (rode vierkantjes). De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van ten minste vijf afzonderlijke metingen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: diëlektrische verlies profielen katoen bevattende obligatie papier specimens met verschillende hoeveelheden katoen gesneden in 60 ° strips. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van ten minste vijf afzonderlijke metingen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: een vergelijking van diëlektrische respons van 100% katoen obligatie papier in veranderende omgevingsvochtigheid, waaruit blijkt dat het diëlektrische verlies lijkt te zijn meer reproduceerbare bij hogere relatieve omgevingsvochtigheid. De foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van ten minste vijf afzonderlijke metingen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: een contour plot, gebaseerd op een lineaire regressie-pasvorm, die het verwachte diëlektrische verlies van wit kantoor kopieerpapier weergeeft op basis van de aangekondigde helderheid van de fabrikant en de inhoud van het gerecycleerde afvalpapier (% PCW) van de analyten. De gegevens suggereren dat het diëlektrische verlies ook gevoelig is voor optische witmakers en de andere additieven die verschillende fabrikanten gebruiken om de geadverteerde helderheid te verkrijgen. De gegevens die in dit cijfer werden gebruikt, werden verzameld met 60 ° teststrips. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: bepaling van de relatieve leeftijd van het papier van 30% na consumptie afval (PCW) gerecycled en Virgin (0% PCW) vellen van dezelfde fabrikant, basisgewicht, en tint door kunstmatige veroudering gedurende 169 uur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: differentiatie van de papieren vervaardigd uit een verscheidenheid van vezels mengsels door diëlektrische verlies versus percentage ongebleekte zacht hout Kraft (UBSK) boom vezel. Katoen = 100% katoen; Bamboe-katoen = 90% bamboe/10% katoen; SUBSK = 80% salie/20% UBSK; CUBSK = 60% cacaoschil/40% UBSK. Metingen uitgevoerd bij 32% relatieve vochtigheid. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
We hebben elders laten zien dat de aanwezigheid van lignine-gehalte van vezels het diëlektrische gedrag van gefabriceerde papiersoorten significant wijzigt15. Speciation is niet alleen belangrijk in de QA/QC testen van moderne papers, maar van groot belang in de studie van historische papers die voornamelijk werden vervaardigd uit niet-hout plantaardige bronnen, zoals bamboe, hennep, vlas en papyrus. Zoals weergegeven in Figuur 7, kan onze techniek onderscheid maken tussen niet-hout plantaardige bronnen (100% katoen papier versus 90% bamboe/10% katoen papier). Dit is in overeenstemming met eerdere werkzaamheden waarbij gebruik wordt gemaakt van andere diëlektrische spectroscopische technieken om onderscheid te maken tussen gezuiverde vormen plant, bacteriële, dierlijke en gereconstitueerde celluverliezen en tussen wit velijnpapier en krantenpapier die zijn vervaardigd met verschillende soorten houtpulp met behulp van verschillende processen6,26,27. Zo kunnen diëlektrische verlies profielen de morfologische verschillen in cellulose ketens die afkomstig zijn van verschillende plantaardige vezel soorten en plantenvezel soorten mengsels, bevestigen. Het protocol en de resultaten die in dit document worden weergegeven, zijn afhankelijk van het ondervragend gebruik van de steekproef op 60 ° graden ten opzichte van de machine (90 °) richting van het papier. Deze aanpak is nieuw voor de analyse van papier monsters; momenteel worden metingen van fysieke eigenschappen van papier uitgevoerd in orthogonale hoeken langs wat bekend staat als de machine (90 °) en kruis (0 °) richtingen. We constateerden, door middel van experimenten, dat de 60 °-hoek de beste discriminatie biedt op basis van de polarisatie baarheid van die materialen tussen een breed scala van industrieel vervaardigde monsters dan de oriëntaties van 0 °, 45 ° en 90 ° voor alle doeleinden die worden besproken in Dit artikel: Speciation, bepaling van de relatieve leeftijd, en bepaling van PCW vezelgehalte.
De resonante holte diëlektrische spectroscopie biedt papier wetenschappers met een krachtig instrument om onderscheid te maken tussen papier monsters. De bepaling van de relatieve leeftijd van het papier en de identificatie en kwantificering van PCW vezelgehalte in papier zijn mogelijk met deze techniek, omdat beide problemen zijn geworteld in de afbraak van het cellulose-polymeer. De afbraak van het cellulose-polymeer verandert de mate van polymerisatie en het milieu waarin water wordt geadsord en uiteindelijk de hoeveelheid polarisering van het blad28,29,30. Thermische degradatie versnelt en vergroot de mate van hydrolyse en oxidatieve schade aan het polymeer, en de hoeveelheid totale degradatie naar het vel papier wordt ook beïnvloed door de samenstellende materialen in het blad of het document. Secundaire vezels ondergaan zowel chemische als fysische afbraak, omdat ze kunnen worden blootgesteld aan meerdere iteratieve bleek cycli bij temperaturen variërend van 60 °C tot 80 °C na het doorstaan van de mechanische snij-en versnipperings mechanismen van herpulping31 . Deze processen maken de secundaire vezels korter dan maagdelijke vezels, evenals chemisch vernederend de secundaire vezels. Een ander gevolg van het recyclingproces en de bron van afbraak voor secundaire vezels is hornificatie, of het gloeien, krimpen en verharden van het cellulose polymeer, waardoor de morfologie van de polymeer keten en de omgeving waarin water moet worden geadsorreven32. Het verlies van hemicelluverliest als gevolg van recycling onderscheidt ook Virgin van gerecycled vezelgehalte33,34,35.
Naar onze beste weten zijn niet-destructieve, contactloze methoden zoals microgolf Holte, niet gebruikt om de samenstellende vezel soort of de aanwezigheid en hoeveelheid secundaire vezels binnen een papier blad te bepalen. Secundaire vezelinhoud is momenteel gecertificeerd via forensische boekhoudmethoden door auditorganisaties van derden36,37. Historisch gezien zijn analytische methoden voor de identificatie en kwantificering van secundaire vezels in papier goed ontvangen, omdat ze niet de vereiste nauwkeurigheid lijken te hebben die door de papierproducerende Gemeenschap is vereist (d.w.z. op zijn best een nauwkeurigheid van ± 50% van de geadverteerde claim)38,39. Evenzo zijn traditionele papieren testprotocollen, elementair onderzoek en isotopenanalyse van commercieel beschikbare White Office papers niet in staat om te onderscheiden met een statistisch vertrouwen tussen papieren van Maagd en secundair vezelgehalte 40,41,42. Methoden om de leeftijd van papier te bepalen, zoals carbon-14 dating, zijn ook bewerkelijk en destructief en kunnen niet worden uitgevoerd met een redelijke nauwkeurigheid op hedendaagse monsters. De resonante holte diëlektrische spectroscopie methode die we hier hebben gedemonstreerd is veelzijdig genoeg om te voldoen aan en overtreffen de metrologische grenzen van de TAPPI T 401 methode van Fiber analyse. Ons werk toont aan dat de contactloze, in-situ techniek goed geschikt is om materialen te karakteriseren op basis van de soorten en hoeveelheden cellulose polymeer die ze bevatten, evenals het niveau en de soorten degradatie die door het cellulose polymeer worden ervaren, ongeacht Als deze afbraak aanwezig is als gevolg van leeftijd (natuurlijk of versneld) of via de aanwezigheid van secundaire vezels. Tot dusver hebben we geen hand bladen of andere soorten Handgemaakte papieren bestudeerd en kunnen we daarom geen commentaar geven op het effect van steekproef oriëntatie op papieren die niet industrieel worden vervaardigd. Het is niet nodig om de Vochtbepaling van papieren monsters (die wordt uitgevoerd in een laboratorium oven bij 105 °c) uit te voeren, aangezien de permittiviteit-metingen in essentie dienen als proxy voor de bepaling van het vochtgehalte43. Temperatuur en vochtigheid dragen bij aan de gemeten waarden, en het is belangrijk om monsters te vergelijken die worden geanalyseerd onder dezelfde omgevingscondities.
De meest kritische stappen binnen het protocol die in dit werk worden voorgesteld, betreffen nauwkeurige afstemming van de teststrips op het volume van de gebruikte microgolf holte. Andere microgolf holten en Monsterhouders kunnen echter zodanig zijn ontworpen dat zij grotere hoeveelheden monsters kunnen ondervragen zonder dat het monster moet worden verminderend om een analyse uit te voeren, waarbij deze experimentele beperking wordt omzeild.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Dit is een bijdrage van het Nationaal Instituut voor normen en technologie en is niet onderhevig aan auteursrechten. Bepaalde commerciële apparatuur, instrumenten of materialen worden in dit verslag geïdentificeerd om de experimentele procedure adequaat te specificeren. Een dergelijke identificatie is niet bedoeld om aanbeveling of goedkeuring door het Nationaal Instituut voor normen en technologie of het Publicatiebureau van de Amerikaanse regering te impliceren, en is evenmin bedoeld om te impliceren dat de geïdentificeerde materialen of apparatuur noodzakelijkerwijs de best beschikbare voor het doel. De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
United States Government Publishing Office en het National Institute of Standards and Technology.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Marinissen, E. J., Zorian, Y. Test Conference, 2009. ITC 2009. International. , 1-11 (2009).
- TAPPI/ANSI Method T 401 om-15, Fiber analysis of paper and paperboard. , TAPPI Press. (2015).
- Jablonsky, M., et al. Cellulose Fibre Identification through Color Vectors of Stained Fibre. BioResources. 10 (3), 5845-5862 (2015).
- El Omari, H., Zyane, A., Belfkira, A., Taourirte, M., Brouillette, F. Dielectric Properties of Paper Made from Pulps Loaded with Ferroelectric Particles. Journal of Nanomaterials. 2016, 1-10 (2016).
- Sahin, H. T., Arslan, M. B. A Study on Physical and Chemical Properties of Cellulose Paper Immersed in Various Solvent Mixtures. International Journal of Molecular Sciences. 9, 78-88 (2008).
- Einfeldt, J., Kwasniewski, A. Characterization of Different Types of Cellulose by Dielectric Spectroscopy. Cellulose. 9, 225-238 (2002).
- Zteeman, P. A. M., van Turnhout, J. Dielectric Protperties of Inhomogenous Media. Broadband Dielectric Spectroscopy. Kremer, F., Schonhals, A. , 495-522 (2003).
- Broadband Dielectric Spectroscopy. Kremer, F., Schonhals, A. , Springer-Verlag. New York. (2003).
- Fenske, K., Misra, D. Dielectric Materials at Microwave Frequencies. Applied Microwave & Wireless. , 92-100 (2000).
- Jonscher, A. K.
- Simula, S., et al.
- Sundara-Rajan, K., Byrd, L., Mamishev, A. V. Moisture Content Estimation in Paper Pulp Using Fringing Field Impedance Spectroscopy. TAPPI Journal. 4 (2), 23-27 (2005).
- Williams, N. H. Moisture Leveling in Paper, Wood, Textiles and Other Mixed Dielectric Sheets. The Journal of Microwave Power. 1 (3), 73-80 (1966).
- Kombolias, M., et al. Non-Destructive Analysis of Printing Substrates via Resonant Cavity Broadband Dielectric Spectroscopy. 254th American Chemical Society National Meeting. , Washington, DC. (2017).
- Kombolias, M., Obrzut, J., Montgomery, K., Postek, M., Poster, D., Obeng, Y. Dielectric Spectroscopic Studies of Biological Material Evolution and Application to Paper. TAPPI Journal. 17 (9), 501-505 (2018).
- Kombolias, M., et al. Broadband Dielectric Spectroscopic Studies of Biological Material Evolution and Application to Paper. PaperCon 2018. , Charlotte, NC. (2018).
- Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials. Keysight Technologies. 5989-2589, USA. In www.keysight.com, ed Keysight Technologies (2017).
- Orloff, N. D., et al. Dielectric Characterization by Microwave Cavity Perturbation Corrected for Nonuniform Fields. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 62 (9), 2149-2159 (2014).
- Obrzut, J., Emiroglu, C., Kirilov, O., Yang, Y., Elmquist, R. E. Surface Conductance of Graphene from Non-Contact Resonant Cavity. Measurement. 87, 146-151 (2016).
- IEC. Nanomanufacturing-Key control characteristics - Part 6-4: Graphene - Surface conductance measurement using resonant cavity. International Electrotechnical Commission: 2016. , (2016).
- Thomas, J., Idris, N. A., Collings, D. A. Pontamine Fast Scarlet 4B Bifluorescence and Measurement of Cellulose Microfibril Angles. Journal of Microscopy. 268 (1), 13-27 (2017).
- Anderson, C. T., Carroll, A., Akhmetova, L., Somerville, C. Real-Time Imaging of Cellulose Reorientation during Cell Wall Expansion in Arabdopsis roots. Plant Physiology. 152, 787-796 (2010).
- Osaki, S. Quick Determination of Dielectric Anisotropy of Paper Sheets by Means of Microwaves. Journal of Applied Polymer Science. 37, 527-540 (1989).
- Osaki, S. Microwaves Quickly Determine the Fiber Orientation of Paper. TAPPI Journal. 70, 105-108 (1987).
- Kombolias, M., et al. Broadband Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper Aging. TAPPI Journal. 17 (9), (2018).
- Einfeldt, J. Application of Dielectric Relaxation Spectroscopy to the Characterization of Cellulosic Fibers. Chemical Fibers International. 51, 281-283 (2001).
- Driscoll, J. L. The Dielectric Properties of Paper and Board and Moisture Profile Correction at Radio Frequency. Paper Technology and Industry. 17 (2), 71-75 (1976).
- Havlinova, B., Katuscak, S., Petrovicova, M., Makova, A., Brezova, V. A Study of Mechanical Properties of Papers Exposed to Various Methods of Accelerated Ageing. Part I. The Effect of Heat and Humidity on Original Wood-Pulp Papers. Journal of Cultural Heritage. 10, 222-231 (2009).
- Zieba-Palus, J., Weselucha-Birczynska, A., Trzcinska, B., Kowalski, R., Moskal, P. Analysis of Degraded Papers by Infrared and Raman Spectroscopy for Forensic Purposes. Journal of Molecular Structure. 1140, 154-162 (2017).
- Capitani, D., Di Tullio, V., Proietti, N. Nuclear Magnetic Resonance to Characterize and Monitor Cultural Heritage. Progress in Nuclear Resonance Spectroscopy. 64, (2012).
- Bajpai, P. Recycling and deinking of recovered paper. 1st edn. , Elsevier. (2014).
- Fernandes Diniz, J. M. B., Gil, M. H., Castro, J. A. A. M. Hornification-its origin and interpretation in wood pulps. Wood Science and Technology. 37, 489-494 (2004).
- Cao, B., Tschirner, U., Ramaswamy, S. Impact of pulp chemical composition on recycling. TAPPI Journal. 81 (12), 119-127 (1998).
- Saukkonen, E., et al. Effect of the carbohydrate composition of bleached kraft pulp on the dielectric and electrical properties of paper. Cellulose. 22 (2), 1003-1017 (2015).
- Wu, B., Taylor, C. M., Knappe, D. R. U., Nanny, M. A., Barlaz, M. A. Factors Controlling Alkylbenzene Sorption to Municipal Solid Waste. Environmental Science & Technology. 35 (22), 4569-4576 (2001).
- Ho, R., Mai, K. W., Horowitz, M. A.
- Aoki, T., et al. In Evaluation of back end of line structures underneath wirebond pads in ultra low-k device. Electronic Components and Technology Conference (ECTC), IEEE 62nd. , 1097-1102 (2012).
- Rantanen, W. J.
- Topol, A. W., et al.
- Jones, K., Benson, S., Roux, C. The forensic analysis of office paper using carbon isotope ratio mass spectrometry - Part 1: Understanding the background population and homogeneity of paper for the comparison and discrimination of samples. Forensic Science International. 231, 354-363 (2013).
- Jones, K., Benson, S., Roux, C. The forensic analysis of office paper using oxygen isotope ratio mass spectrometry. Part 1: Understanding the background population and homogeneity of paper for the comparison and discrimination of samples. Forensic Science International. 262, 97-107 (2016).
- Recycled Paper Research at the Library of Congress. Library of Congress. , Washington, DC. (2014).
- TAPPI 550 om-13: Determination of Equilibrium Moisture in Pulp, Paper and Paperboard for Chemical Analysis. TAPPI. , (2013).
