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Engineering

Desarrollo del método para estudios espectroscópicos dieléctricos de cavidad resonante sin contacto de papel celulósico

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

Un protocolo para el análisis no destructivo del contenido de fibra y la edad relativa del papel.

Abstract

Las técnicas analíticas actuales para caracterizar sustratos de impresión y artes gráficas son en gran parte ex situ y destructivas. Esto limita la cantidad de datos que se pueden obtener de una muestra individual y hace que sea difícil producir datos estadísticamente relevantes para materiales únicos y raros. La espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante es una técnica no destructiva y sin contacto que puede interrogar simultáneamente ambos lados de un material en chapa dotada y proporcionar mediciones que son adecuadas para interpretaciones estadísticas. Esto ofrece a los analistas la capacidad de discriminar rápidamente entre materiales en chapa en función de la composición y el historial de almacenamiento. En este artículo de metodología, demostramos cómo la espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante sin contacto puede utilizarse para diferenciar entre analitos en papel de diferentes composiciones de especies de fibra, para determinar la edad relativa del papel, y para detectar y cuantificar la cantidad de contenido de fibra reciclada después del consumo (PCW) en papel de oficina fabricado.

Introduction

El papel es un producto manufacturado, heterogéneo y chapado compuesto por fibras celulósicas, agentes de dimensionamiento, rellenos inorgánicos, colorantes y agua. Las fibras de celulosa pueden originarse en una variedad de fuentes vegetales; la materia prima se descompone a través de una combinación de tratamientos físicos y/o químicos para producir una pulpa viable que consiste principalmente en fibras de celulosa. La celulosa en el producto de papel también puede recuperarse de fibra secundaria o reciclada1. El Método T401 de TAPPI, "Análisis de fibra de papel y cartón", es actualmente el método de vanguardia para identificar los tipos de fibra y sus proporciones presentes dentro de una muestra de papel y es utilizado por muchas comunidades2. Es una técnica manual y colorimétrica que depende de la agudeza visual de un analista humano especialmente entrenado para discernir los tipos de fibra constituyente de una muestra de papel. Además, la preparación de muestras para el método TAPPI 401 es laboriosa y requiere mucho tiempo, lo que requiere destrucción física y degradación química de la muestra de papel. La tinción con reactivos especialmente prescritos hace que las muestras de fibra estén sujetas a los efectos de la oxidación, lo que dificulta el archivo de muestras para su preservación o la banca de muestras. Por lo tanto, los resultados del Método T 401 de TAPPI están sujetos a interpretación humana y dependen directamente del discernimiento visual de un analista individual, que varía en función del nivel de experiencia y formación de esa persona, lo que conduce a errores inherentes al comparar los resultados entre los conjuntos de muestras y dentro de ellos. Múltiples fuentes de imprecisión e inexactitud están presentes, asícomo 3. Además, el método TAPPI es incapaz de determinar la cantidad de fibra secundaria o la edad relativa de las muestras de papel4,5.

Por el contrario, la técnica de espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante (RCDS) que describimos en este artículo ofrece capacidades analíticas que son adecuadas para exámenes en papel. La espectroscopia dieléctrica sondas la dinámica de relajación de los dipolos y los portadores de carga móviles dentro de una matriz en respuesta a campos electromagnéticos que cambian rápidamente, como microondas. Esto implica una reorientación rotacional molecular, haciendo que el RCDS sea particularmente adecuado para examinar la dinámica de las moléculas en espacios confinados, como el agua absorbida en las fibras de celulosa ensumidas en una hoja de papel. Mediante el uso de agua como molécula de sonda, RCDS simultáneamente puede extraer información sobre el entorno químico y la conformación física del polímero de celulosa.

El entorno químico de las fibras de celulosa influye en la extensión de la unión de hidrógeno con moléculas de agua, de ahí la facilidad de movimiento en respuesta a los campos electromagnéticos fluctuantes. El entorno celulósico está determinado, en parte, por las concentraciones de hemicelulosa y lignina en el analito de papel. La hemicelulosa es un polímero hidrofílico ramificado de pentosis, mientras que la lignina es un polímero fenólico, reticulado, reticulado. Las cantidades de hemicelulosa y lignina en una fibra de papel son una consecuencia del proceso de fabricación de papel. El agua absorbida en las particiones de papel entre los sitios hidrófilos, y la unión de hidrógeno dentro del polímero de celulosa, especialmente con las moléculas de agua adsorbidas, influye en el nivel de reticulación dentro de la estructura de celulosa, el nivel de polarización, y la arquitectura de los poros dentro del polímero de celulosa5. La respuesta dieléctrica total de un material es una suma vectorial de todos los momentos dipolo dentro del sistema y se puede distinguir mediante espectroscopia dieléctrica mediante el uso de teorías medias efectivas6,7. Del mismo modo, la capacitancia de un material dieléctrico es inversamente proporcional a su espesor; por lo tanto, la espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante es ideal para estudiar la reproducibilidad del espesor de muestra a muestra de materiales de películas ultradelgadas como papel8,9,10. Si bien existe un importante conjunto de trabajos relacionados con el uso de técnicas de espectroscopia dieléctrica para estudiar productos de madera y celulosa, el alcance de esos estudios se ha limitado a cuestiones de fabricación de papel11,12 ,13. Hemos aprovechado la naturaleza anisotrópica del papel para demostrar la aplicación de RCDS a las pruebas de papel más allá de la humedad y las propiedades mecánicas14,15,16 y para demostrar que produce datos numéricos que se pueden utilizar en técnicas de control de calidad, como los estudios de capacidad de calibre y el control estadístico de procesos (SPC) en tiempo real. El método también tiene capacidades forenses inherentes y se puede utilizar para hacer frente cuantitativamente a las preocupaciones de sostenibilidad ambiental, apoyar los intereses económicos y detectar documentos alterados y falsificados.

Teoría y técnica de espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante (RCDS)
RCDS es una de varias técnicas de espectroscopia dieléctrica disponibles17; fue elegido específicamente porque es sin contacto, no destructivo y experimentalmente simple en comparación con otros métodos de espectroscopia dieléctrica. A diferencia de otras técnicas analíticas utilizadas para estudiar las propiedades del papel, RCDS elimina la necesidad de conjuntos duplicados de mediciones para tener en cuenta los dos lados de una hoja de muestra18. La técnica de cavidad de microondas resonante tiene la ventaja de ser sensible a la conductividad tanto de la superficie como de la conductividad a granel. Por ejemplo, la conductividad superficial de un material de muestra se determina mediante el seguimiento de un cambio en el factor de calidad (Q-Factor) de la cavidad a medida que una muestra se inserta progresivamente en la cavidad en correlación cuantitativa con el volumen18 de la muestra ,19,20. La conductividad se puede obtener simplemente dividiendo la conductividad de la superficie por el espesor de la muestra. La conductividad superficial de un material delgado y chapado como el papel funciona como un proxy para el perfil dieléctrico de un material sometido a prueba (MUT), ya que es directamente proporcional a la pérdida dieléctrica, ", del MUT18,19, 20. La pérdida dieléctrica es una indicación de cuánto calor se disipa por un material dieléctrico cuando se aplica un campo eléctrico a través de él; materiales con mayor conductividad tendrán un mayor valor de pérdida dieléctrica que los materiales menos conductores.

Experimentalmente, la pérdida dieléctrica, ", asociada con la superficie de la muestra se extrae de la tasa de disminución del factor de calidad de resonancia de la cavidad (Q) (es decir, pérdida de energía), con el aumento del volumen de la muestra19. La Q se determina en la frecuencia resonante f a partir de la anchura de 3 dB,f, del pico resonante en la frecuencia resonante f, Q af /f. Esta relación se correlaciona cuantitativamente con la pendiente de Equation 1 la línea dada por la Ecuación 1 a continuación, donde representa la diferencia Equation 2 de la recíproca del factor Q de la muestra del factor Q de la cavidad vacía, es la relación del volumen de el espécimen insertado en el volumen de la cavidad vacía, y la intercepción de la línea, b", representa el campo no uniforme en la muestra, como se muestra en la Figura 119.

Equation 3(Ecuación 1)

En este artículo, ilustramos la amplia utilidad de esta técnica determinando las proporciones de las especies de fibra (especiación), determinando la edad relativa de los papeles envejecidos de forma natural y artificial, y cuantificando el contenido de fibra reciclada de la copiadora de oficina blanca analitos de papel. Mientras que la técnica RCDS puede ser adecuada para estudiar otros temas, como el envejecimiento en el aislamiento del papel en los aparatos de energía eléctrica, tales estudios están fuera del alcance de la obra actual, pero sería interesante seguir en el futuro.

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Protocol

1. Configuración de materiales

  1. Registre toda la información de fabricación proporcionada con el resg de papel (por ejemplo, el peso básico, el contenido de PCW anunciado por el fabricante y el brillo anunciado por el fabricante).
  2. Tome un promedio de diez medidas de espesor a lo largo de una hoja de la resm, utilizando una pinza.
  3. Identifique la máquina y las direcciones transversales de la hoja (es decir, la dirección de la máquina es la dimensión larga).
  4. Usando un transportador identificar y cortar el papel a lo largo del ángulo de tira deseado entre la máquina y las direcciones transversales.
  5. Usando un cortador rotativo, corte tiras de prueba de 0,5 cm de ancho por 8 cm de largo en la orientación objetivo de la muestra.
  6. Etiquete muestras de un extremo y almacene entre diapositivas de microscopía de vidrio. Conservar hasta realizar pruebas en la atmósfera de nitrógeno.
    NOTA: Es aconsejable usar guantes y realizar el manejo con pinzas para evitar arrugas y/o contaminar las muestras de papel.

2. Pruebas aceleradas de desvanecimiento de papel

NOTA: Las muestras de papel se envejecen bajo luz UV a temperatura elevada a temperatura ambiente de laboratorio. El envejecimiento se realiza utilizando una cámara de intemperie acelerada equipada con bombillas UVA de 340 nm, a una irradiación de 0,72 W/m2 a 50 oC durante 169 h, siguiendo el siguiente protocolo.

  1. Calibre los sensores UV ejecutando la rutina del radiómetro de calibración preprogramada en la cámara de intemperie acelerada basada en UV.
  2. Calibre los sensores de temperatura ejecutando el programa de temperatura del panel de calibración P4 preprogramado en la cámara de intemperie.
  3. Mida el color previo al envejecimiento de las muestras de papel utilizando un espectrofotómetro portátil que funciona en el rango de onda visible de 400 nm a 800 nm.
  4. Seleccione los ciclos de prueba estándar adecuados preprogramados en la cámara de intemperie.
  5. Monte hojas enteras de papeles de prueba en el panel plano (opcionalmente, monte una hoja de cada lado del panel plano).
  6. Fije los paneles planos a los portamuestras con anillos de presión, empujando los anillos firmemente contra el panel.
  7. Instale los soportes del panel con el pasador de tope hacia abajo.
  8. Fije los espacios en blanco de aluminio para montar los soportes del panel para la condensación.
  9. Para una exposición uniforme, cambie la posición de las muestras de ensayo (al menos cinco veces) durante el ciclo de ensayo.
  10. Mida el color posterior al envejecimiento de las muestras de papel utilizando un espectrofotómetro portátil.
  11. Corte las tiras de muestra de las muestras de papel envejecidas para ajustarlas a la cavidad resonante. El área típica del espécimen es de 0,5 cm (ancho) x 8 cm (longitud).
    NOTA: Para estas pruebas, utilizamos papel de oficina de 90 g/m2 (gsm) (24 lb) producido comercialmente de dos composiciones diferentes: fibras vírgenes y 30% recicladas (es decir, 0% y 30% de residuos post-consumo [PCW] contenido de fibra reciclada, respectivamente).

3. Configuración del equipo y toma de mediciones de cavidad resonante

NOTA: El accesorio de prueba de cavidad resonante consta de una guía de onda rectangular estándar WR-90 llena de aire. La cavidad tiene una ranura de 10 mm x 1 mm mecanizada en el centro para la inserción de la muestra. La guía de onda se termina en ambos extremos por los adaptadores WR-90 a coaxial que conectan la cavidad con un analizador de red de microondas a través de cables coaxiales semirrígidos. Los adaptadores de acoplamiento están polarizados casi cruzados con respecto al ángulo de polarización de la guía de onda, lo que crea discontinuidades de impedancia nítidas en ambos extremos de la guía de onda y, en consecuencia, en las paredes de la cavidad. El ángulo de polarización es de unos 87o, lo que es suficiente para lograr una carga de energía óptima en la cavidad mientras se maximiza el factor de calidad. El factor de calidad, Q0, y la frecuencia resonante, f0, de la cavidad vacía en el tercer modo resonante impar TE103 en el que realizamos las mediciones son 3.200 y 7.435 GHz respectivamente. Las mediciones se realizan en condiciones de laboratorio ambiente siguiendo el protocolo que se indica a continuación.

  1. Registre la temperatura y la humedad relativa y tome la lectura inicial del factor de calidad Q0, y la frecuencia resonante f0 de la cavidad vacía.
  2. Coloque la muestra asegurada en el soporte de la muestra por encima de la ranura en el centro de la cavidad. Durante las mediciones, la muestra se inserta en la cavidad a través de esta ranura en pasos de aumento del volumen Vxx á hx. w-t, donde hx es la longitud de la muestra insertada en la cavidad, y w y t son el ancho y el grosor de la muestra respectivamente.
  3. Usando la pinza Vernier en el soporte de la muestra, inserte la muestra en la cavidad en incrementos de 50 m y tome las lecturas del factor de calidad y la frecuencia resonante en cada paso hasta que la muestra se haya bajado 10 mm (1 cm) en la cavidad.
  4. Retirar la muestra del interior en los mismos incrementos de 50 m y tomar lecturas del factor de calidad y la frecuencia resonante hasta que la muestra se haya retraído por completo.
  5. Almacene la muestra entre diapositivas de vidrio y devuélvala a la atmósfera de nitrógeno.
  6. La pérdida dieléctrica, ", de las muestras de papel se obtiene de la descuidada de la perturbación (Ecuación 1). Opcionalmente, la constante dieléctrica, ' se puede obtener de la Vxmedida , y la frecuencia resonante fx mediante la resolución de las ecuaciones de perturbación para (' – 1) como se describe en otroslugares 18, 19,20.

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Representative Results

Razones para elegir el ángulo de la tira de 60o
La orientación de corte de la muestra de ensayo influye en la magnitud de la respuesta dieléctrica, como se muestra en el gráfico de la Figura 2. En los experimentos iniciales, las tiras reactivas se cortaron desde los ángulos ortogonales de la hoja, al igual que la práctica estándar para medir las propiedades físicas en la ciencia del papel; sin embargo, las tiras cortadas desde ángulos no ortogonales a lo largo de la hoja de papel han proporcionado la mayor resolución entre los tipos de papel, particularmente en las orientaciones de 45o y 60o15. Esta diferencia de respuesta se puede racionalizar sobre la base de la orientación preferencial de la cadena de celulosa, que se desvía aproximadamente 30o-45o de lo normal, dentro de la estructura microfibrilar de celulosa dentro de las paredes celulares de las plantas vivas21 ,22. Los estudios dieléctricos sobre la orientación de la fibra de las hojas de papel fabricadas en fábrica han demostrado que a lo largo de los lados del alambre y del fieltro de la hoja, la orientación de las cadenas de polímeros de celulosa es de unos 30o de la dirección de la máquina, que corresponde a nuestra designación de la orientación de 60o a lo largo de la hoja de papel23,24.

Efecto de las concentraciones de fibra de algodón en la pérdida dieléctrica
La Figura 3 muestra los perfiles de pérdida dieléctrica de los papeles de bonos que contienen algodón adquiridos por el Gobierno Federal de los Estados Unidos utilizando tiras de 60o. Las barras de error representan la desviación estándar de las mediciones individuales. Los datos demuestran claramente la capacidad de la cavidad resonante para diferenciar entre los papeles de unión de diversas concentraciones de fibra de algodón. Esto es consistente con nuestro trabajo anterior, en el que utilizamos la técnica RCDS para distinguir entre papeles de diferentes concentraciones de fibra no maderera derivadas de fuentes vegetales como la salvia de hierbas, cáscaras de cacao y bambú15.

Impacto de las condiciones ambientales en los resultados de las pruebas
Es importante mantener el control sobre la temperatura y la humedad del laboratorio durante la prueba de los materiales. El papel es naturalmente mezcla higroscópica. En nuestro trabajo encontramos que la temperatura tiene una influencia muy nominal en el perfil dieléctrico de una muestra de papel. Sin embargo, la humedad relativa (RH) del laboratorio ejerce una influencia mucho mayor en los resultados. En la Figura 4 se comparan los resultados de las pruebas de papel de bonos 100% algodón adquiridos por el Gobierno Federal en 46% de humedad relativa y 49% de humedad relativa, respectivamente. En general, obtuvimos resultados de pérdida dieléctrica de muestra a muestra más reproducibles a una mayor humedad relativa. Por lo tanto, es aconsejable probar muestras de papel en condiciones ambientales bien controladas para permitir comparaciones de muestras.

Edad relativa del papel
La técnica RCDS tiene una utilidad increíble más allá de la especiación. Hemos demostrado en nuestro otro trabajo la capacidad de la cavidad resonante para distinguir entre los papeles de unión de algodón de edad relativa del mismo contenido fabricados con 40 años de diferencia. Las muestras de papel más antiguas presentan valores de pérdida dieléctrica promedio más bajos que los papeles más nuevos, lo que sugiere la pérdida de polarización como resultado de la degradación del polímero de celulosa25.

Nuestros experimentos sobre analitos de papel envejecidos artificialmente también demuestran claras diferencias entre los experimentos de desvanecimiento de luz antes y después de los rayos UV en papeles vírgenes (0% PCW) y (30% PCW). Como se muestra en la Figura 6,después de 169 h de envejecimiento acelerado por uv, la degradación del polímero de celulosa es discernible ya que los valores medios de pérdida dieléctrica habían disminuido tanto para las variedades vírgenes como para las recicladas. Es notable que la técnica puede distinguir entre los materiales vírgenes y reciclados incluso después del período de envejecimiento acelerado25.

Contenido de fibra recuperada de los documentos de oficina blanca
Hemos recopilado los datos de pérdida dieléctrica en papeles de oficina blancos de varios fabricantes con diferentes porcentajes de brillo anunciado (principalmente debido a aditivos patentados) y contenido reciclado PCW. Parece haber algunas que aún no se entienden entre el contenido de fibra reciclada y el brillo anunciado del analito de papel. En general, dentro de las cohortes de papeles de la misma calidad la pérdida dieléctrica promedio fallecida con el aumento del brillo anunciado por el fabricante, aunque los valores de brillo anunciados para el mismo tipo de papeles examinados variaron sustancialmente de fabricante a fabricante. La Figura 5 presenta una gráfica de contorno basada en un ajuste de regresión lineal que muestra la pérdida dieléctrica de papel copiador de oficina blanco basado en el brillo anunciado del fabricante y el contenido de papel de desecho reciclado (% PCW) de los analitos. Los datos sugieren que la pérdida dieléctrica también es sensible a los iluminadores ópticos y otros aditivos que los diversos fabricantes utilizan para obtener el brillo anunciado.

Figure 1
Figura 1: Cambios en el factor de calidad de lacavidad (ecuación 1) como una función el volumen insertado de la muestra, Vx, para varios especímenes: 25%-(triángulos rojos), 50% (círculos azules) y 100% bond muestras de papel de algodón (cuadrados verdes), respectivamente . La pendiente de las parcelas representa la pérdida dieléctrica, ", para cada muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Una comparación de la respuesta dieléctrica por ángulo detira (0o, 45o, 60o y 90o) para papeles de oficina azules vírgenes "como recibidos" de 24 libras antes (círculos verdes) y después de la decoloración UV para 169 h (cuadrados rojos). Las barras de error representan la desviación estándar de al menos cinco mediciones individuales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Perfiles depérdida dieléctrica muestran muestras de papel bond que contienen algodón que contienen diferentes cantidades de algodón cortadas en tiras de 60o. Las barras de error representan la desviación estándar de al menos cinco mediciones individuales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Una comparación de larespuesta dieléctrica del papel de unión de algodón 100% en la humedad ambiental cambiante, mostrando que la pérdida dieléctrica parece ser más reproducible a una mayor humedad ambiental relativa. Las barras de error representan la desviación estándar de al menos cinco mediciones individuales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Una gráfica de contorno, basada en un ajuste deregresión lineal, que muestra la pérdida dieléctrica esperada de papel copiador de oficina blanco basado en el brillo anunciado del fabricante y el contenido de papel de desecho reciclado (% PCW) de los analitos. Los datos sugieren que la pérdida dieléctrica también es sensible a los iluminadores ópticos y los otros aditivos que varios fabricantes utilizan para obtener el brillo anunciado. Los datos utilizados en esta figura se recopilaron con tiras reactivas de 60o. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Determinación de la edad relativa del papel del 30% de los residuos post-consumo (PCW) reciclados y vírgenes (0% PCW) del mismo fabricante, peso base y tono a través del envejecimiento artificial durante 169 horas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Diferenciación de papeles fabricados a partir de una variedad de mezclas de fibra a través de pérdida dieléctrica frente al porcentaje de fibra de árbol de madera blanda sin blanquear (UBSK). Algodón: 100% algodón; Bambú-Algodón- 90% bambú/10% algodón; SUBSK 80% Sage/20% UBSK; CUBSK á 60% cáscara de cacao/40% UBSK. Mediciones realizadas al 32% de humedad relativa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Hemos demostrado en otros lugares que la presencia de contenido de lignina de fibras altera significativamente el comportamiento dieléctrico de los papeles fabricados15. La especiación no sólo es importante en las pruebas de control de calidad de los papeles modernos, sino de gran interés en el estudio de documentos históricos que fueron fabricados predominantemente a partir de fuentes de plantas no madereras, como el bambú, el cáñamo, el lino y el papiro. Como se muestra en la Figura 7,nuestra técnica puede distinguir entre fuentes de plantas no madereras (100% papel de algodón frente a 90% bambú / 10% papel de algodón). Esto es consistente con trabajos anteriores que emplean otras técnicas espectroscópicas dieléctricas para distinguir entre las formas purificadas de células vegetales, bacterianas, animales y reconstituidas y entre el papel de tejedor blanco y la imprenta que se fabrican con diferentes tipos de pulpa de madera utilizando diferentes procesos6,26,27. Por lo tanto, los perfiles de pérdida dieléctrica pueden confirmar las diferencias morfológicas en las cadenas de celulosa originarias de diferentes especies de fibra vegetal y mezclas de especies de fibra vegetal. El protocolo y los resultados presentados en este documento se basan en interrogar el corte de muestra a 60 grados en relación con la dirección de la máquina (90o) del papel. Este enfoque es novedoso para el análisis de muestras en papel; Actualmente, las mediciones de las propiedades físicas del papel se realizan en ángulos ortogonales a lo largo de lo que se conoce como las direcciones de la máquina (90o) y de la cruz (0o). Encontramos, a través de la experimentación, que el ángulo de 60o ofrece la mejor discriminación basada en la polarización de esos materiales entre una amplia gama de muestras fabricadas industrialmente que las orientaciones de 0o, 45o y 90o para todos los fines discutidos en este artículo: especiación, determinación de la edad relativa y determinación del contenido de fibra de PCW.

La espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante proporciona a los científicos de papel una poderosa herramienta para discriminar entre muestras de papel. La determinación de la edad relativa del papel y la identificación y cuantificación del contenido de fibra PCW en papel son posibles con esta técnica porque ambos problemas están arraigados en la degradación del polímero de celulosa. La degradación del polímero de celulosa cambia el grado de polimerización y el medio ambiente en el que se absorbe el agua y, en última instancia, la cantidad de polarización de la hoja28,29,30. La degradación térmica acelera y magnifica la extensión de la hidrólisis y el daño oxidativo al polímero, y la cantidad de degradación total a la hoja de papel también está influenciada por los materiales constitutivos dentro de la hoja o el documento. Las fibras secundarias sufren degradación química y física, ya que pueden someterse a múltiples ciclos de blanqueo iterativo a temperaturas que oscilan entre 60oC y 80oC después de soportar los mecanismos mecánicos de corte y trituración de la repulpación31 . Estos procesos hacen que las fibras secundarias sean más cortas que las fibras vírgenes, así como degradar químicamente las fibras secundarias. Otra consecuencia del proceso de reciclaje y fuente de degradación de las fibras secundarias es la hornificación, o el recocido, encogimiento y endurecimiento del polímero de celulosa, alterando así la morfología de la cadena de polímeros y el medio ambiente en el que agua debe ser adsorbido32. La pérdida de hemicelulosas debida al reciclaje también diferencia el contenido de fibra reciclada33,34,35.

Hasta el punto de nuestro conocimiento, no se han empleado métodos no destructivos y sin contacto, como la cavidad de microondas, para determinar la especie de fibra constituyente o la presencia y cantidad de fibra secundaria dentro de una hoja de papel. El contenido de fibra secundaria está certificado actualmente a través de métodos de contabilidad forense por organizaciones de auditoría de terceros36,37. Históricamente, los métodos analíticos para la identificación y cuantificación de la fibra secundaria en papel han sido bien recibidos porque no parecen tener la precisión necesaria requerida por la comunidad de fabricación de papel (es decir, en el mejor de los casos, una precisión de 50% de la reclamación anunciada)38,39. Del mismo modo, los protocolos tradicionales de pruebas en papel, el análisis elemental y el análisis isotópico de los white office papers disponibles comercialmente no han podido distinguir con ninguna confianza estadística entre papeles de contenido de fibra virgen y secundaria 40,41,42. Los métodos para determinar la edad del papel, como la datación de carbono-14, también son laboriosos y destructivos y no se pueden realizar con una precisión razonable en muestras contemporáneas. El método de espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante que hemos demostrado aquí es lo suficientemente versátil como para cumplir y superar los límites metrológicos del método TAPPI T 401 de análisis de fibra. Nuestro trabajo demuestra que la técnica in situ sin contacto es adecuada para caracterizar materiales basados en los tipos y cantidades de polímero de celulosa que contienen, así como el nivel y los tipos de degradación experimentados por el polímero de celulosa, independientemente si esa degradación está presente debido a la edad (natural o acelerada) o a través de la presencia de fibra secundaria. Hasta ahora, no hemos examinado hojas de mano u otros tipos de papeles hechos a mano y, por lo tanto, no podemos comentar el efecto de la orientación de la muestra en papeles que no se fabrican industrialmente. No es necesario realizar la determinación de la humedad de las muestras de papel (que se realiza en un horno de laboratorio a 105 oC) ya que las mediciones de permisibilidad, en esencia, sirven como proxy para la determinación del contenido de humedad43. La temperatura y la humedad contribuyen a los valores medidos, y es importante comparar las muestras analizadas en las mismas condiciones ambientales.

Los pasos más críticos dentro del protocolo presentado en este trabajo implican hacer coincidir con precisión las tiras de prueba de muestra con el volumen de la cavidad de microondas utilizada. Sin embargo, otras cavidades de microondas y portamuestras pueden estar diseñados para poder interrogar grandes volúmenes de muestra sin necesidad de mutilar la muestra para realizar un análisis, evitando esta limitación experimental.

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Disclosures

Esta es una contribución del Instituto Nacional de Normas y Tecnología, y no está sujeta al derecho de autor. En el presente informe se identifican determinados equipos, instrumentos o materiales comerciales para especificar adecuadamente el procedimiento experimental. Dicha identificación no pretende implicar recomendación o respaldo por parte del Instituto Nacional de Normas y Tecnología o de la Oficina editorial del Gobierno de los Estados Unidos, ni pretende dar a entender que los materiales o equipos identificados son necesariamente el mejor disponible para el propósito. Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Oficina de Publicaciones del Gobierno de los Estados Unidos y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

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

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Ingeniería Número 152 Cavidad resonante espectroscopia dieléctrica papel análisis de fibra envejecimiento del papel contenido reciclado
Desarrollo del método para estudios espectroscópicos dieléctricos de cavidad resonante sin contacto de papel celulósico
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Kombolias, M., Obrzut, J., Postek, M. T., Poster, D. L., Obeng, Y. S. Method Development for Contactless Resonant Cavity Dielectric Spectroscopic Studies of Cellulosic Paper. J. Vis. Exp. (152), e59991, doi:10.3791/59991 (2019).

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