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Engineering

Desenvolvimento de método para estudos espectroscópicos dielétricos de cavidade ressonante sem contato de papel Celulóico

Published: October 4, 2019 doi: 10.3791/59991
Automatic Translation
1, 2, 3,4, 2, 3
1Testing and Technical Services, Plant Operations, United States Government Publishing Office, 2Materials Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 3Nanoscale Device Characterization Division, Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 4College of Pharmacy, University of South Florida

Summary

Um protocolo para a análise não destrutiva do teor de fibras e da idade relativa do papel.

Abstract

As atuais técnicas analíticas para caracterizar substratos de impressão e artes gráficas são largamente ex situ e destrutivas. Isso limita a quantidade de dados que podem ser obtidos de uma amostra individual e torna difícil produzir dados estatisticamente relevantes para materiais únicos e raros. A espectroscopia dielétrica da cavidade ressonante é uma técnica não-destrutiva, sem contato que possa simultaneamente interrogar ambos os lados de um material toldo e fornecer as medidas que são apropriadas para interpretações estatísticas. Isso oferece aos analistas a capacidade de discriminar rapidamente os materiais revestidos com base na composição e no histórico de armazenamento. Neste artigo da metodologia, Nós demonstramos como a espectroscopia dieléctrica da cavidade ressonante sem contato pode ser usada para diferenciar-se entre os analitos de papel de composições de variação da espécie da fibra, para determinar a idade relativa do papel, e para detectar e quantificar a quantidade de resíduos pós-consumo (PCW) de conteúdo de fibra reciclada em papel de escritório fabricado.

Introduction

O papel é um produto sheeted, heterogéneo, manufacturado compreendido das fibras celulósico, dos agentes da cola, dos enchimentos inorgânicos, dos corantes, e da água. As fibras de celulose podem originar-se de uma variedade de fontes vegetais; a matéria-prima é então dividida através de uma combinação de tratamentos físicos e/ou químicos para produzir uma polpa viável consistindo principalmente de fibras de celulose. A celulose no produto de papel também pode ser recuperada secundária, ou fibra reciclada1. O método TAPPI T 401, "análise de fibra de papel e cartão", é atualmente o estado do método de arte para a identificação de tipos de fibras e suas proporções presentes dentro de uma amostra de papel e é utilizada por muitas comunidades2. É uma técnica manual, colorimétrico dependente na acuidade visual de um analista humano especialmente treinado para discernir os tipos constituintes da fibra de uma amostra de papel. Além disso, a preparação da amostra para o método TAPPI 401 é trabalhosa e demorada, exigindo destruição física e degradação química da amostra de papel. A coloração com reagentes especialmente prescritos processa amostras de fibras sujeitas aos efeitos da oxidação, dificultando o arquivamento de amostras para preservação ou banco de espécimes. Assim, os resultados do método TAPPI T 401 estão sujeitos à interpretação humana e dependem diretamente do discernimento visual de um analista individual, que varia de acordo com o nível de experiência e treinamento desse indivíduo, levando a erros inerentes ao comparar resultados entre e dentro de conjuntos de amostras. As fontes múltiplas da imprecisão e da inexatidão estão atuais também3. Adicionalmente, o método TAPPI é incapaz de determinar a quantidade de fibra secundária ou a idade relativa das amostras de papel4,5.

Em contraste, a técnica de espectroscopia dielétrica da cavidade ressonante (RCDS) que descrevemos neste artigo oferece capacidades analíticas que são adequadas para exames de papel. A espectroscopia dielétrica sonda a dinâmica de relaxamento de dipolos e portadores de carga móvel dentro de uma matriz em resposta a campos eletromagnéticos em rápida mutação, como microondas. Isso envolve a reorientação de rotação molecular, tornando o RCDS particularmente adequado para examinar a dinâmica das moléculas em espaços confinados, como a água adsordida nas fibras de celulose embutida dentro de uma folha de papel. Ao usar a água como uma molécula de sonda, o RCDS simultaneamente pode extrair informações sobre o ambiente químico e a conformação física do polímero de celulose.

O ambiente químico das fibras de celulose influencia a extensão da ligação de hidrogênio com moléculas de água, daí a facilidade de movimento em resposta aos campos eletromagnéticos flutuantes. O ambiente celulóico é determinado, em parte, pelas concentrações de hemicelulose e lignina no analito de papel. Hemicelulose é um polímero hidrofílico ramificado de pentoses, enquanto a lignina é um polímero hidrofóbico, reticulado, fenólico. As quantidades de hemicelulose e lignina em uma fibra de papel são uma conseqüência do processo de fabricação de papel. Água adsorveada em divisórias de papel entre os sítios hidrófilos, e a ligação de hidrogênio dentro do polímero de celulose, especialmente com as moléculas de água adsorvedas, influencia o nível de cross-linking dentro da estrutura de celulose, o nível de polarizabilidade, e a arquitetura dos poros dentro do polímero de celulose5. A resposta dielétrica total de um material é uma soma vetorial de todos os momentos do dipolo dentro do sistema e pode ser distinguida via espectroscopia dielétrica através do uso de teorias médias efetivas6,7. Da mesma forma, a capacitância de um material dielétrico é inversamente proporcional à sua espessura; Portanto, a espectroscopia dielétrica da cavidade ressonante é ideal para estudar a reprodutibilidade da espessura da amostra para amostra de materiais de filmes ultrafino, como o papel8,9,10. Embora exista um corpo significativo de trabalho relacionado ao uso de técnicas de espectroscopia dielétrica para estudar produtos de madeira ecelulose, o escopo desses estudos foi limitado a problemas defabricação de papel11,12 ,13. Aproveitamos a natureza anisotrópica do papel para demonstrar a aplicação de RCDs para testar o papel além da umidade e das propriedades mecânicas14,15,16 e mostrar que ela produz dados numéricos que podem ser usados em técnicas de garantia de qualidade, como estudos de capacidade de bitola e controle de processo estatístico em tempo real (SPC). O método também tem capacidades forenses inerentes e pode ser usado para confrontar quantitativamente as preocupações de sustentabilidade ambiental, apoiar interesses econômicos e detectar documentos alterados e falsificados.

Teoria e técnica da espectroscopia dielétrica da cavidade ressonante (RCDS)
O RCDS é uma das várias técnicas de espectroscopia dielétricas disponíveis17; foi escolhida especificamente porque é não-contato, não-destrutivo, e experimentalmente simples em comparação com outros métodos de espectroscopia dielétrica. Em contraste com outras técnicas analíticas usadas para estudar as propriedades do papel, o RCDS elimina a necessidade de conjuntos duplicados de medições para dar conta dos dois lados de uma folha de amostra18. A técnica ressonante da cavidade da microonda tem a vantagem de ser sensível à superfície e à condutibilidade de maioria. Por exemplo, a condutância superficial de um material amostral é determinada pelo rastreamento de uma alteração no fator de qualidade (fator Q) da cavidade, pois uma amostra é progressivamente inserida na cavidade em correlação quantitativa com o volume do espécime18 ,19,20. A condutividade pode ser obtida simplesmente dividindo a condutância superficial pela espessura da amostra. A condutância de superfície de um material fino, revestido como o papel funciona como um proxy para o perfil dielétrico de um material o teste (MUT), porque é diretamente proporcional à perda dieléctrica, ε, do MUT18,19, a perda 20. dielétrico é uma indicação de quanto o calor é dissipado por um material dieléctrico quando um campo elétrico é aplicado através dele; materiais com maior condutância terá um maior valor de perda dielétrica do que menos materiais condutores.

Experimentalmente, a perda dielétrica, ε ", associada à superfície do espécime é extraída da taxa de diminuição do fator de qualidade da ressonância da cavidade (Q) (i.e., perda de energia), com volume crescente de espécime19. O Q é determinado na freqüência ressonante f da largura de 3 dB, Δf, do pico ressonante na freqüência ressonante f, Q = Δf /f. Esta relação é quantitativamente correlacionada com a inclinação da linha dada pela equação 1 abaixo, Equation 1 onde representa a diferença do recíproco do q-factor do espécime do q-factor da cavidade vazia, Equation 2 é a relação do volume de a amostra inserida ao volume da cavidade vazia, e a linha intercepta, b ", esclarece o campo não uniforme na amostra, como mostrado na Figura 119.

Equation 3(Equação 1)

Neste artigo, nós ilustramos a utilidade larga desta técnica determinando as relações da espécie da fibra (especiação), determinando a idade relativa de papéis naturalmente e artificialmente envelhecidos, e quantificando o índice recicl da fibra da copiadora branca do escritório analitos de papel. Considerando que a técnica de RCDS pode ser adequada para o estudo de outros temas, tais como problemas de envelhecimento no isolamento de papel em aparelhos de energia elétrica, tais estudos estão fora do escopo do trabalho atual, mas seria interessante para prosseguir no futuro.

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Protocol

1. configuração de materiais

  1. Registre todas as informações de fabricação fornecidas com a resma de papel (por exemplo, peso de base, conteúdo de PCW anunciado pelo fabricante e brilho anunciado do fabricante).
  2. Tome uma média de dez medições de espessura ao longo de uma folha da resma, usando um paquímetro.
  3. Identifique a máquina e os sentidos transversais da folha (isto é, a direção da máquina é a dimensão longa).
  4. Usando um transferidor identificar e cortar o papel ao longo do ângulo de tira desejado entre a máquina e direções cruzadas.
  5. Usando um cortador rotativo, tiras de teste de fatia 0,5 cm de largura por 8 cm de comprimento na orientação do alvo para a amostra.
  6. Rotule amostras de uma extremidade e armazene entre corrediças da microscopia de vidro. Armazene até testar a atmosfera do nitrogênio.
    Nota: é aconselhável usar luvas e realizar manuseio com pinças para evitar vincos e/ou contaminar as amostras de papel.

2. teste de desvanecimento do papel acelerado

Nota: as amostras de papel são envelhecidas a UV-luz na temperatura elevada na umidade ambiental do laboratório. O envelhecimento é realizado usando uma câmara de resistência acelerada equipada com bulbos UVA 340 nm, em uma irradiância de 0,72 W/m2 a 50 ° c para 169 h, seguindo o seguinte protocolo.

  1. Calibre os UV-Sensors, executando a rotina do radiômetro da calibração pre-pré-programada na câmara de intemperismo acelerada UV-baseada.
  2. Calibre os sensores de temperatura executando o P4 calibrar o programa de temperatura do painel pré-programado na câmara de intempéries.
  3. Meça a cor do pre-post-Aging das amostras de papel usando um espectrofotômetro portátil que opera-se na escala visível da onda de 400 nanômetro a 800 nanômetro.
  4. Selecione os ciclos de teste padrão apropriados pre-pré-programados na câmara do intemperismo.
  5. Monte folhas inteiras de papéis de teste no painel plano (opcionalmente, monte uma folha de cada lado do painel plano).
  6. Aperte os painéis planos para os suportes de amostra com anéis de pressão, empurrando os anéis confortavelmente contra o painel.
  7. Instale os suportes do painel com o pino de parada para baixo.
  8. Prenda os espaços em alumínio para montagem nos suportes do painel para condensação.
  9. Para exposição uniforme, reposicione as amostras de teste (pelo menos cinco vezes) durante o ciclo de teste.
  10. Meça a cor pós-envelhecimento das amostras de papel usando um espectrofotômetro portátil.
  11. Corte as tiras de amostra das amostras de papel envelhecidas para caber na cavidade ressonante. A área típica do espécime é 0,5 cm (largura) x 8 cm (comprimento).
    Nota: para estes testes, usamos comercialmente produzidos colorido 90 g/m2 (GSM) (24 lb) papel de escritório de duas composições diferentes: virgem e 30% fibras recicladas (ou seja, 0% e 30% resíduos pós-consumo [PCW] conteúdo de fibra reciclada, respectivamente).

3. configuração do equipamento e tomada de medições de cavidade ressonante

Nota: o dispositivo de teste de cavidade ressonante consiste em um padrão de ar-preenchido WR-90 retangular Waveguide. A cavidade tem um entalhe de 10 milímetros x 1 milímetro feito à máquina no centro para a inserção do espécime. A guia de ondas é terminada em ambas as extremidades pelo WR-90 aos adaptadores coaxial que conectam a cavidade com um analisador da rede da microonda através dos cabos coaxiais semi-rígidos. Os adaptadores do acoplamento são quase cruz polarizada com respeito ao ângulo da polarização do Waveguide, que cria descontinuidades afiadas da impedância em ambas as extremidades do Waveguide e conseqüentemente nas paredes da cavidade. O ângulo da polarização é aproximadamente 87 °, que é suficiente conseguir o carregamento óptimo do poder na cavidade ao maximizar o fator de qualidade. O fator de qualidade , Q0, e a freqüência ressonante, f0, da cavidade vazia na terceira modalidade ressonante estranha te103 em que nós fazemos as medidas são 3,200 e 7,435 gigahertz respectivamente. As medições são realizadas em condições laboratoriais ambientais, seguindo o protocolo listado abaixo.

  1. Registre a temperatura e a umidade relativa e tome a leitura inicial do fator de qualidade Q0, e a freqüência ressonante f0 da cavidade vazia.
  2. Posicione a amostra fixada no suporte da amostra acima da ranhura no centro da cavidade. Durante as medições, o espécime é inserido na cavidade através deste slot em etapas de aumento do volume Vx= hx· w · t, onde hx é o comprimento do espécime introduzido na cavidade, e w e t são a largura e a espessura do espécime respectivamente.
  3. Usando o compasso de calibre de Vernier na montagem da amostra, introduza a amostra na cavidade por Δhx = incrementos de 50 μm e tome leituras do fator de qualidade e da freqüência ressonante em cada etapa até que a amostra estêve abaixada 10 milímetros (1 cm) na cavidade.
  4. Retrair a amostra do interior com os mesmos incrementos de 50 μm e tome as leituras do fator de qualidade e da frequência de ressonância até que a amostra tenha sido totalmente retraída.
  5. Armazene a amostra entre as lâminas de vidro e retorne-as à atmosfera do nitrogênio.
  6. A perda dielétrica, ε ", das amostras de papel é obtida a partir do slop da perturbação (equação 1). Opcionalmente, a constante dielétrica, ε ' pode ser obtida a partir da medida Vx, e a freqüência ressonante fx , resolvendo as equações de perturbação para (ε ' – 1), conforme descrito em outros18, 19,20.

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Representative Results

Raciocínio para a escolha do ângulo de tira de 60 °
A orientação de corte da amostra de teste influencia a magnitude da resposta dielétrica, como mostrado no gráfico na Figura 2. Em experimentos iniciais, tiras de teste foram cortadas a partir dos ângulos ortogonais da folha, como é prática padrão para medir propriedades físicas na ciência do papel; no entanto, as tiras cortadas de ângulos não ortogonais ao longo da folha de papel forneceram a maior resolução entre os tipos de papel, particularmente nas orientações de 45 ° e 60 °15. Essa diferença de resposta pode ser racionalizada com base na orientação preferencial da cadeia de celulose, que se afasta aproximadamente 30 °-45 ° do normal, dentro da estrutura Microfibril da celulose dentro das paredes celulares de plantas vivas21 ,22. Estudos dielétricos sobre orientação de fibra de folhas de papel fabricadas em fábrica mostraram que ao longo dos lados do fio e feltro da folha, a orientação das cadeias de polímero de celulose é de cerca de 30 ° a partir da direção da máquina, o que corresponde ao nosso designação da orientação 60 ° ao longo da folha de papel23,24.

Efeito das concentrações de fibra de algodão na perda dielétrica
A Figura 3 mostra os perfis de perda dielétrica de papéis de ligação contendo algodão adquiridos pelo governo federal dos EUA usando tiras de 60 °. As barras de erro representam o desvio padrão das medições individuais. Os dados demonstram claramente a habilidade da cavidade ressonante de diferenciar-se entre papéis da ligação de várias concentrações de fibra do algodão. Isso é consistente com o nosso trabalho anterior, no qual usamos a técnica de RCDS para distinguir entre papéis de diferentes concentrações de fibras não-madeira derivadas de fontes vegetais, como o sábio de ervas, cascas de cacau e bambu15.

Impacto das condições ambientais nos resultados dos testes
É importante manter o controle sobre a temperatura e a umidade do laboratório durante o teste dos materiais. O papel é naturalmente mistura higroscópica. Em nosso trabalho, descobrimos que a temperatura tem uma influência muito nominal sobre o perfil dielétrico de uma amostra de papel. No entanto, a umidade relativa (RH) do laboratório exerce uma influência muito maior sobre os resultados. A Figura 4 compara os resultados do teste 100% de papel Bond de algodão adquiridos pelo Governo Federal em 46% rh e 49% RH, respectivamente. Em geral, obtivemos resultados de perda dielétrica de amostra para amostra mais reprodutíveis com maior umidade relativa. Portanto, é aconselhável testar amostras de papel em condições ambientais bem controladas para permitir comparações de amostras.

Idade relativa do papel
A técnica de RCDS tem utilidade incrível além da especiação. Nós demonstramos em nosso outro trabalho a habilidade da cavidade ressonante de distinguir entre papéis relativos da ligação do algodão da idade do mesmo índice manufacturado 40 anos distante. Amostras de papel mais antigas exibem menores valores médios de perda dielétrica do que os papéis mais novos, sugerindo a perda de polarizabilidade como resultado da degradação do polímero de celulose25.

Nossos experimentos em analitos de papel artificialmente envelhecidos também demonstram diferenças claras entre os experimentos de desvanecimento da luz antes e depois de UV em papéis virgens (0% PCW) e (30% PCW). Como mostrado na Figura 6, após 169 h de envelhecimento acelerado por UV, a degradação do polímero de celulose é perceptível, pois os valores médios de perda dielétrica diminuíram tanto para a Virgem quanto para as variedades recicladas. É notável que a técnica pode distinguir entre a Virgem e materiais reciclados, mesmo após o período de envelhecimento acelerado25.

Conteúdo de fibra recuperado de papéis de escritório branco
Nós compilamos os dados de perda dielétrica em papéis de escritório branco de vários fabricantes com diferentes porcentagens de brilho anunciado (principalmente devido a aditivos proprietários) e PCW conteúdo reciclado. Parece haver alguma relação ainda a ser compreendida entre o conteúdo de fibra reciclada e o brilho anunciado do papel analyte. Em geral, dentro de coortes de papéis da mesma qualidade a perda dielétrica média falecida com aumento do brilho anunciado do fabricante, embora os valores de brilho anunciados para o mesmo tipo de papéis examinados variou substancialmente de fabricante. A Figura 5 apresenta um gráfico de contorno com base em um ajuste de regressão linear mostrando a perda dielétrica do papel da copiadora de escritório branco com base no brilho anunciado do fabricante e no conteúdo de papel reciclado (% PCW) dos analitos. Os dados sugerem que a perda dielétrica é igualmente sensível aos abridores ópticos e aos outros aditivos que os vários fabricantes usam para obter o brilho anunciado.

Figure 1
Figura 1: alterações no fator de qualidade da cavidade (equação 1) como função o volume inserido do espécime, Vx, para vários espécimes: 25%-(triângulos vermelhos), 50% (círculos azuis) e 100% amostras de papel de algodão Bond (quadrados verdes), respectivamente . A inclinação das parcelas representa a perda dielétrica, ɛ ", para cada amostra. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: uma comparação da resposta dielétrica pelo ângulo de tira (0 °, 45 °, 60 °, e 90 °) para o Virgin "como-recebeu" papéis de escritório azuis de 24 libras antes (círculos verdes) e após UV-desvanecimento para 169 h (quadrados vermelhos). As barras de erro representam o desvio padrão de pelo menos cinco medições individuais. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: perfis de perda dielétrica que contenham espécimes de papel Bond contendo de diferentes quantidades de algodão cortados em tiras de 60 °. As barras de erro representam o desvio padrão de pelo menos cinco medições individuais. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: uma comparação da resposta dielétrica do papel Bond do algodão de 100% em mudar a umidade ambiental, mostrando que a perda dieléctrica parece ser mais reprodutível na umidade ambiental relativa mais elevada. As barras de erro representam o desvio padrão de pelo menos cinco medições individuais. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: um gráfico de contorno, com base em um ajuste de regressão linear, mostrando a perda dielétrica esperada do papel da copiadora de escritório branco com base no brilho anunciado do fabricante e no conteúdo de papel reciclado (% PCW) dos analitos. Os dados sugerem que a perda dielétrica é igualmente sensível aos abridores ópticos e aos outros aditivos que os vários fabricantes usam para obter o brilho anunciado. Os dados utilizados nesta figura foram coletados com tiras de teste de 60 °. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: determinação da idade relativa do papel de 30% de resíduos pós-consumo (PCW) reciclados e virgens (0% PCW) folhas do mesmo fabricante, peso base, e matiz através do envelhecimento artificial para 169 horas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: diferenciação de papéis fabricados a partir de uma variedade de misturas de fibras através de perda dielétrica versus percentual de fibra de madeira não branqueada Kraft (UBSK) da árvore. Algodão = 100% algodão; Bambu-algodão = 90% bambu/10% algodão; SUBSK = 80% Sage/20% UBSK; CUBSK = 60% casca de cacau/40% UBSK. Medições realizadas em 32% de umidade relativa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Mostramos em outro lugar que a presença de teor de lignina das fibras altera significativamente o comportamento dielétrico dos artigos fabricados15. Especiação não é apenas importante no teste de QA/QC de papéis modernos, mas de grande interesse no estudo de documentos históricos que foram predominantemente fabricados a partir de fontes de plantas não-madeira, tais como bambu, cânhamo, linho, e papiro. Como mostrado na Figura 7, nossa técnica pode distinguir entre fontes de plantas não-madeitais (100% de papel de algodão versus 90% de bambu/10% de papel de algodão). Isso é consistente com o trabalho anterior empregando outras técnicas espectroscópicas dielétricas para distinguir entre as formas purificadas planta, bacteriana, animal, e as celuloses reconstituídas e entre o papel de teceu branco e jornal que são fabricados com diferentes tipos de polpa de madeira utilizando diferentes processos6,26,27. Assim, os perfis de perda dielétrica podem confirmar as diferenças morfológicas nas cadeias de celulose oriundas de diferentes espécies de fibras vegetais e misturas de espécies de fibras vegetais. O protocolo e os resultados apresentados neste trabalho dependem do interrogatório da amostra cortada a 60 ° graus em relação à direção da máquina (90 °) do papel. Esta aproximação é nova à análise da amostra de papel; Atualmente as medições das propriedades físicas do papel são executadas em ângulos ortogonais ao longo do que são conhecidas como as direções da máquina (90 °) e transversal (0 °). Encontramos, através da experimentação, que o ângulo de 60 ° proporciona a melhor discriminação com base na polarizabilidade desses materiais entre uma ampla gama de amostras industrialmente fabricadas do que as orientações de 0 °, 45 ° e 90 ° para todos os propósitos discutidos em Este artigo: especiação, determinação da idade relativa, e determinação do índice da fibra de PCW.

A espectroscopia dielétrica da cavidade ressonante fornece cientistas de papel com uma ferramenta poderosa para discriminar entre amostras de papel. A determinação da idade relativa do papel e a identificação e quantificação do teor de fibra de PCW em papel são possíveis com essa técnica, pois ambos os problemas estão enraizados na degradação do polímero de celulose. A degradação do polímero de celulose modifica o grau de polimerização e o ambiente em que a água é adsorada e, em última análise, a quantidade de polarizabilidade da folha28,29,30. A degradação térmica acelera e amplia a extensão da hidrólise e danos oxidativos ao polímero, e a quantidade de degradação total para a folha de papel também é influenciada pelos materiais constituintes dentro da folha ou do documento. As fibras secundárias passam por degradação química e física, uma vez que podem ser submetidas a múltiplos ciclos de branqueamento iterativos em temperaturas variando de 60 ° c a 80 ° c após suportar os mecanismos mecânicos de desbastamento e trituração de re-polping31 . Estes processos tornam as fibras secundárias mais curtas do que as fibras virgens, assim como a degradação química das fibras secundárias. Outra consequência do processo de reciclagem e da fonte de degradação para fibras secundárias é a hornificação, ou o recozimento, encolhimento e endurecimento do polímero de celulose, alterando assim a morfologia da cadeia polimérica e o ambiente em que a água deve ser adsorvido32. A perda de hemicelulose devido à reciclagem também diferencia a Virgem do conteúdo de fibra reciclada33,34,35.

Ao melhor de nosso conhecimento, os métodos não-destrutivos, sem contato tais como a cavidade da microonda, não foram empregados para determinar a espécie constituinte da fibra ou a presença e a quantidade de fibra secundária dentro de uma folha de papel. O conteúdo de fibra secundária é atualmente certificado por meio de métodos de contabilidade forense por organizações de auditoria de terceiros36,37. Historicamente, foram bem recebidos métodos analíticos para a identificação e quantificação de fibras secundárias em papel, pois não parecem ter a precisão necessária exigida pela comunidade de fabricação de papel (ou seja, na melhor das formas, uma precisão de ± 50% da reivindicação anunciada)38,39. Da mesma forma, protocolos tradicionais de teste de papel, análise elementar e análise isotópica de papéis de escritório branco disponíveis comercialmente não conseguiram distinguir com qualquer confiança estatística entre papéis de conteúdo de fibra virgem e secundária 40,41,42. Métodos para determinar a idade do papel, como o carbono-14 namoro, também são trabalhosas e destrutivas e não pode ser realizada com qualquer precisão razoável em amostras contemporâneas. O método de espectroscopia dielétrica de cavidade ressonante que temos demonstrado aqui é versátil o suficiente para atender e exceder os limites metrológicos do método TAPPI T 401 de análise de fibra. Nosso trabalho demonstra que a técnica sem contato, in situ, é bem adequada para caracterizar materiais baseados nos tipos e quantidades de polímero de celulose que eles contêm, bem como o nível e os tipos de degradação experimentados pelo polímero de celulose, independentemente Se essa degradação estiver presente devido à idade (natural ou acelerada) ou através da presença de fibra secundária. Até agora, não examinamos folhas de mão ou outros tipos de papéis artesanais e, portanto, não pode comentar sobre o efeito da orientação da amostra em papéis que não são fabricados industrialmente. Não é necessário realizar a determinação de umidade de amostras de papel (que é realizada em um forno de laboratório a 105 ° c) como as medidas de permissividade, em essência, servem como um proxy para a determinação do teor de umidade43. A temperatura e a umidade contribuem para os valores medidos, sendo importante comparar as amostras analisadas as mesmas condições ambientais.

As etapas mais críticas dentro do protocolo apresentado neste trabalho envolvem precisamente a correspondência das tiras de teste de amostra para o volume da cavidade de microondas utilizada. No entanto, outras cavidades de microondas e suportes de amostras podem ser projetados para serem capazes de interrogar volumes maiores de amostra sem a necessidade de mutilar a amostra para realizar uma análise, ignorando essa limitação experimental.

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Disclosures

Esta é uma contribuição do Instituto Nacional de normas e tecnologia, e não sujeita a direitos autorais. Determinados equipamentos, instrumentos ou materiais comerciais são identificados neste relatório para especificar adequadamente o procedimento experimental. Tal identificação não se destina a implicar recomendação ou endosso pelo Instituto Nacional de normas e tecnologia ou pelo escritório editorial do governo dos Estados Unidos, nem se destina a implicar que os materiais ou equipamentos identificados são necessariamente o melhor disponível para a finalidade. Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Editora do governo dos Estados Unidos e do Instituto Nacional de normas e tecnologia.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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