פיתוח שיטה עבור מדעי החלל ללא מגע מכשירים ספקטרוסקופיים הדיאלקטרי של הנייר תאית

סיכום

פרוטוקול לניתוח לא הרסני של תוכן הסיבים והגיל היחסי של הנייר.

תקציר

הטכניקות האנליטיות הנוכחיות לאפיון דפוס ומצעים גרפיים הם בעיקר לשעבר מאתרו והרסניים. פעולה זו מגבילה את כמות הנתונים שניתן לקבל ממדגם בודד ומקשה על יצירת נתונים רלוונטיים מבחינה סטטיסטית לחומרים ייחודיים ונדירים. ספקטרוסקופיית מדידות החלל היא טכניקה לא הרסנית, ללא מגע, אשר יכולה בו לחקור את שני הצדדים של חומר שטיח ולספק מדידות המתאימות לפרשנויות סטטיסטיות. הדבר מציע לאנליסטים את היכולת להפלות במהירות בין חומרי שטיח המבוססים על הלחנה והיסטוריית האחסון. במאמר זה מתודולוגיה, אנו מדגימים כיצד ללא מגע ספקטרוסקופיית מדידות החלל ניתן להשתמש כדי להבדיל בין מנתחי נייר של יצירות מיני סיבים משתנים, כדי לקבוע את הגיל היחסי של הנייר, כדי לזהות ולכמת כמות הפסולת שלאחר הצרכן (PCW) תוכן סיבים ממוחזר בנייר משרד מיוצר.

מבוא

הנייר הינו מוצר, הטרוסוגני, מוצרים מיוצרים המורכב מסיבי תאית, סוכני שינוי גודל, חומרי מילוי אורגניים, צבעי ומים. סיבי התאית עשויים לנבוע ממגוון מקורות צמחיים; חומר הגלם מופר לאחר מכן באמצעות שילוב של טיפולים פיזיים ו/או כימיים כדי לייצר עיסת מעשי המורכבת מסיבים תאית. הצלולוזה במוצר נייר יכול להיות גם התאושש משני, או סיבים ממוחזרים¹. השיטה TAPPI T 401, "ניתוח סיבים של נייר ו paperboard," היא כיום המדינה של שיטת האמנות לזיהוי סוגי סיבים והיחס שלהם נוכח בתוך דגימת נייר והוא מנוצל על ידי קהילות רבות². מדובר בטכניקת צביעה ידנית התלויה בחדות החזותית של אנליסט אנושי מיומן במיוחד כדי להבחין בסוגי הסיבים המרכיבים של דגימת נייר. יתר על כן, הכנה לדוגמה עבור השיטה 401 TAPPI הוא מפרך זמן רב, המחייב הרס פיזי השפלה כימית של דגימת הנייר. צביעת עם ריאגנטים שנקבעו במיוחד המעבדת דגימות סיבים בכפוף להשפעות של חמצון, מה שמקשה על הארכיון דגימות לשימור או בנקאות הדגימה. לפיכך, התוצאות משיטת ה-TAPPI T 401 כפופות לפרשנות האנושית ותלויות ישירות בהבחנה החזותית של אנליסט פרטני, המשתנה בהתאם לרמת הניסיון וההכשרה של אותו אדם, המוביל לשגיאות הטבועות בעת השוואת תוצאות בין ערכות לדוגמה. מקורות רבים של אי דיוק וחוסר דיוק נמצאים גם הם³. בנוסף, שיטת TAPPI אינה מסוגלת לקבוע את הכמות של סיבים משניים או את הגיל היחסי של דגימות נייר^4,5.

לעומת זאת, טכניקת מדידות החלל (RCDS) שאנו מתארים במאמר זה מציעה יכולות אנליטיות המתאימות היטב לבדיקות נייר. מדידות ספקטרוסקופית בדיקה את דינמיקת ההרפיה של הדיתרנים ונושאות המטען הנייד בתוך מטריצה בתגובה לשינוי מהיר של שדות אלקטרומגנטיים, כגון מיקרוגל. זה כרוך כיוון הסיבוב מולקולרי מחדש, הפיכת rcds במיוחד מתאים לבחון את הדינמיקה של מולקולות בחללים סגורים, כגון המים נספחת על סיבי תאית בתוך גיליון נייר. על-ידי שימוש במים כמולקולה בדיקה, RCDS בו יכול לחלץ מידע על הסביבה הכימית והיווצרות פיזית של פולימר תאית.

הסביבה הכימית של סיבי הצלולוזה משפיעה על מידת הקשר של מימן עם מולקולות מים, ולכן קלות התנועה בתגובה לשדות האלקטרו-מגנטים היציבים. הסביבה תאית נקבעת, בין השאר, על ידי ריכוזי hemicellulose וליגנין ב מנתחי הנייר. Hemicellulose הוא פולימר בענף הידרופילי של פנטוסס, ואילו ליגנין הוא הידרופובי, פולימר מקושר, פולימרים פנוליים. כמויות הhemicellulose והליגנין בסיבי נייר הן תוצאה של תהליך יצירת הנייר. ממים נספחת במחיצות נייר בין אתרי הידרופילי, ואת הקשר מימן בתוך הפולימר התאית, במיוחד עם מולקולות מים נספחת, משפיע על רמת הקישור החוצה בתוך מבנה תאית, הרמה של פולזיביליות, ואת הארכיטקטורה של נקבוביות בתוך פולימר התאית⁵. התגובה הדיאלקטרי הכולל של חומר הוא סכום וקטורי של כל הרגעים דיפול בתוך המערכת והוא יכול להיות מכובד באמצעות ספקטרוסקופיית מדידות באמצעות תיאוריות בינוניות אפקטיביות^6,7. באופן דומה, הקיבוליות של חומר מדידות הוא ביחס הפוך לעובי שלה; מכאן, התהודה מדידות החלל ספקטרוסקופית הוא אידיאלי כדי ללמוד לדוגמה לדוגמה לדגימה בעובי של חומרים דקים במיוחד סרטים כגון נייר^8,9,10. בעוד יש גוף משמעותי של עבודה בנוגע לשימוש של טכניקות ספקטרוסקופיית מדידות כדי ללמוד עץ מוצרים תאית, היקף מחקרים אלה הוגבלה נייר יכולת בעיות^{11,12 ,13}. לקחנו את היתרון של הטבע אניסוטרופי של הנייר כדי להדגים את היישום של rcds לבדיקת נייר מעבר לחות ותכונות מכניות^14,15,16 , כדי להראות כי זה התשואות נתונים מספריים שניתן להשתמש בהם בטכניקות של אבטחת איכות כגון מחקרי יכולת למדוד ובקרת תהליכים סטטיסטיים בזמן אמת (SPC). השיטה כוללת גם יכולות משפטית הטבועות וניתן להשתמש בה כדי לכמת את החששות הסביבתיים, לתמוך באינטרסים כלכליים, ולזהות מסמכים ששונו ומזויפים.

מהדהד-ספקטרוסקופיית מדידות וטכניקה
RCDS הוא אחד מספר טכניקות ספקטרוסקופיית מדידות זמין¹⁷; הוא נבחר במיוחד משום שהוא אינו קשר, לא הרסני, ופשוט בהשוואה לשיטות אחרות של ספקטרוסקופיית מדידות. בניגוד לטכניקות אנליטיות אחרות המשמשות לחקר מאפייני הנייר, RCDS מבטלת את הצורך בערכות כפולות של מדידות לחשבון עבור שני הצדדים של גיליון מדגם¹⁸. לטכניקת החלל הפנימי של מיקרוגל יש את היתרון של רגישות הן למשטח והן למוליכות בצובר. לדוגמה, לפני השטח של חומר מדגם נקבע על ידי מעקב אחר שינוי בפקטור האיכות (Q-Factor) של החלל כמדגם מוכנס בהדרגה לתוך החלל בקורלציה כמותית עם כרך של המדגם^{18 ,19,20}. מוליכות יכולה להיות מושגת על ידי חלוקת מוליכות המשטח על ידי עובי הדגימה. מוליכות הפנים של משטח דק, חומר שחור כמו הפונקציות הנייר כפרוקסי עבור הפרופיל הדיאלקטרי של חומר תחת מבחן (MUT), כפי שהוא פרופורציונלי ישירות לאובדן מדידות, ε ", של מוט^{18,19, 20}. הפסד מדידות הוא אינדיקציה כמה החום מתפוגג על ידי חומר מדידות כאשר שדה חשמלי מוחל על פני זה; חומרים בעלי מוליכות גבוהה יותר יהיו בעלי ערך אובדן מדידות גבוה יותר מחומרים מוליכי פחות.

ניסויים, אובדן מדידות, ε ", הקשורים עם פני השטח של הדגימה מופק משיעור הירידה של מקדם באיכות תהודה של הגוף (Q) (כלומר, אובדן אנרגיה), עם נפח הולך וגובר של הדגימה¹⁹. Q נקבע בתדר התהודה f מ 3 dB רוחב, Δf, של פסגת התהודה בתדר התהודה f, Q = Δf /f. קשר זה הוא ככמת באמצעות השיפוע של הקו נתון על ידי משוואה 1 להלן, היכן מייצג את ההפרש של ההופכי של מקדם q של הדגימה מן Q-factor של חלל ריק, הוא היחס של הנפח של הדגימה שנוספה לאמצעי האחסון של החלל הריק, והקו מיירט, b ", מחשבון עבור השדה הלא אחיד בדגימה, כפי שמוצג באיור¹⁹.

(משוואה 1)

במאמר זה, אנו ממחישים את כלי השירות הרחב של טכניקה זו על ידי קביעת היחס של מינים סיבים (speciation), קביעת הגיל היחסי של ניירות מלאכותיים באופן טבעי ומלאכותי, ו לכמת את התוכן סיבים ממוחזרים של מכונת צילום של המשרד הלבן מנתחי נייר. בעוד שטכניקת RCDS עשויה להיות מתאימה ללימוד נושאים אחרים, כגון הזדקנות בעיות נייר במנגנון החשמל, מחקרים כאלה נמצאים מחוץ לטווח העבודה הנוכחית, אך יהיה מעניין להמשיך בעתיד.

פרוטוקול

1. כיוונון חומרים

1. הקלט את כל מידע הייצור שסופק עם לחורר של נייר (למשל, משקל בסיס, היצרן מפורסם תוכן PCW, והיצרן מפורסם בהירות).
2. לקחת ממוצע של עשר מדידות עובי לאורך גיליון מן הקודח, באמצעות caliper.
3. זיהוי המכונה והכיוונים הצולבים של הגיליון (כלומר, כיוון המכונה הוא הממד הארוך).
4. שימוש בעזרת מד ולגזור את הנייר לאורך זווית הרצועה הרצויה בין המכונה לבין הכיוונים.
5. באמצעות חותך רוטרי, פורסים מבחן רצועות 0.5 ס"מ רחב על ידי 8 ס"מ ארוך בכיוון היעד של המדגם.
6. דגימות תוויות מקצה אחד וחנות בין שקופיות מיקרוסקופ זכוכית. אחסן עד בדיקה תחת אווירת חנקן.
   הערה: מומלץ לחבוש כפפות ולבצע טיפול בפינצטה כדי להימנע מהקרם ו/או לזהם דגימות הנייר.

2. בדיקת התפוגגות נייר מואצת

הערה: דגימות נייר מתיישנות תחת אור UV בטמפרטורה גבוהה בלחות הסביבה של המעבדה. ההזדקנות מבוצעת באמצעות תא בליה מואץ מצויד 340 nm בנורות ננומטר, ב irradiance של 0.72 W/m² ב 50 ° c עבור 169 h, על ידי ביצוע הפרוטוקול הבא.

1. כיול את חיישני UV, על ידי הפעלת שגרת רדיומטר הכיול מראש בחדר הבליה המואצת מבוסס UV.
2. כיול את חיישני הטמפרטורה על-ידי הפעלת תוכנית הטמפרטורה של P4 כיול מראש בתוך תא הבליה.
3. למדוד את הצבע טרום לאחר הזדקנות של דגימות נייר באמצעות ספקטרוסקופיה ניידת הפעלה בטווח גל גלוי מ 400 nm ל 800 nm.
4. בחר מחזורי בדיקה סטנדרטיים מתאימים שתוכנתו מראש בחדר הבליה.
5. מדפים שלמים של ניירות מבחנים על הלוח השטוח (לחלופין, יש לטעון גיליון אחד משני צדי הלוח השטוח).
6. הדק את הפאנלים השטוחים למחזיקי הדגימה עם טבעות הצמד, ודוחף את הטבעות לכיוון הפאנל.
7. התקן את מחזיקי הפנל באמצעות הנעץ למטה.
8. לחבר ריקים אלומיניום כדי לעלות על מחזיקי הפאנל עבור עיבוי.
9. לחשיפה אחידה, מקם מחדש את דגימות הבדיקה (חמש פעמים לפחות) במהלך מחזור הבדיקה.
10. מדוד את הצבע שלאחר ההזדקנות של דגימות הנייר באמצעות ספקטרוסקופיה ניידת.
11. גזור רצועות לדוגמה מתוך דגימות נייר מיושן כדי להתאים את חלל התהודה. אזור הדגימה אופייני הוא 0.5 ס מ (רוחב) x 8 ס מ (אורך).
    הערה: עבור בדיקות אלה, אנו משתמשים בייצור מסחרי צבעוני 90 g/m² (gsm) (24 ליברות) נייר משרד של שתי יצירות שונות: בתולה ו 30% סיבים ממוחזרים (כלומר, 0% ו 30% לאחר הצרכן פסולת [pcw] ממוחזר התוכן סיבים, בהתאמה).

3. התקנת ציוד ולקיחת מדידות חלל

הערה: מתקן בדיקת חלל התהודה מורכב מדריך גל מלבני ממולא-90. חלל יש 10 מ"מ x 1 מ"מ חריץ המכונה במרכז להכנסת דגימה. מדריך גל הוא הסתיים בשני הקצוות על ידי WR-90 כדי מתאמים מקוכי לחבר את החלל עם מנתח רשת מיקרוגל באמצעות כבלים קואקסיאליים חצי נוקשה. מתאמי הזיווגים כמעט חוצים את הקוטביות ביחס לזווית הקיטוב של מדריך גל, שיוצרת התנגדות חדה בשני הכיוונים של המדריך, וכתוצאה מכך קירות החלל. הזווית הפולריזציה היא כ 87 °, אשר מספיקה כדי להשיג כוח אופטימלי העמסה לתוך חלל תוך כדי למקסם את הגורם האיכותי. הגורם האיכותי , Q₀, ותדר התהודה, f₀, של החלל הריק במצב שלישי התהודה המוזרה השלישי TE₁₀₃ שבו אנחנו עושים את המידות הם 3.200 ו 7.435 GHz בהתאמה. המידות מתבצעות בתנאי מעבדה הסביבה על ידי ביצוע הפרוטוקול המפורט להלן.

1. הקלט את הטמפרטורה ואת הלחות היחסית ולקחת את הקריאה הראשונית של פקטור האיכות Q₀, ואת תדר התהודה f₀ של חלל ריק.
2. הצב את הדגימה מאובטחת במחזיק לדוגמה מעל החריץ במרכז החלל. במהלך המידות, הדגימה מוכנס לתוך חלל דרך חריץ זה בשלבים של הגדלת נפח V_x= h_x· w · t, שבו h_x הוא אורך הדגימה מוכנס לחלל, ו w ו- t הם רוחב ועובי הדגימה בהתאמה.
3. באמצעות קליבר מדגם על הר המדגם, להכניס את המדגם לתוך חלל ידי Δh_x = 50 יקרומטר בהפרשים ולקחת קריאות של הגורם האיכותי ואת תדירות התהודה בכל שלב עד המדגם הופחת 10 מ"מ (1 ס מ) לתוך החלל.
4. למשוך את המדגם מתוך הפנים בהפרשים זהה של 50 יקרומטר ולקחת קריאות של הגורם האיכותי ואת תדירות התהודה עד המדגם כבר הוכנס במלואו.
5. לאחסן את המדגם בין שקופיות זכוכית ולהחזיר אותם לאטמוספירה חנקן.
6. הפסד מדידות, ε ", של דגימות הנייר מתקבל מתוך שאיפה של הפרטורציה (משוואה 1). באופן אופציונלי, הקבוע הדיאלקטרי, ε ' ניתן להשיג מתוך ה-_xהנמדד, ותדירות התהודה f_x על-ידי פתרון משוואות הפרטורבציה עבור (ε ' – 1) כמתואר במקום אחר^{18, 19,20}.

תוצאות

רציונל לבחירת זווית הסטריפ של 60 מעלות
כיוון החיתוך של דגימת הבדיקה משפיע על סדר הגודל של התגובה הדיאלקטרי, כפי שמוצג בגרף באיור 2. בניסויים הראשוניים נחתכו רצועות הבדיקה מזוויות אורתוגונאליות של הסדין, כמקובל למדוד תכונות פיזיות במדעי הנייר; עם זאת, רצועות שנחתכו מזוויות לא אורתוגונאליות לאורך גיליון נייר סיפקו את הרזולוציה הגדולה ביותר בין סוגי הנייר, במיוחד ב 45 ° ו 60 ° הכיוונים¹⁵. הפרש תגובה זה ניתן לרציונליזציה על בסיס הכיוון ההעדפה של שרשרת ...

דיון

הצגנו במקום אחר כי הנוכחות של ליגנין תוכן של סיבים משנה באופן משמעותי את ההתנהגות המעכבה של ניירות מיוצרים¹⁵. היווצרות המינים הוא לא רק חשוב בדיקות QA/QC של העיתונים המודרניים אלא התעניינות רבה במחקר של ניירות היסטוריים אשר יוצרו בעיקר ממקורות צמחים שאינם מעץ, כגון במבוק, קנבוס, פשתן, פפירוס. כפי שמוצג באיור 7, הטכניקה שלנו יכולה להבחין בין מקורות צמחיים שאינם מעץ (100% נייר כותנה לעומת 90% במבוק/10% כותנה נייר). זה עקבי עם העבודה הקודמת העסקת אחרים מדידות ספקטרוסקופי...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
נייר משרדי צבעוני בייצור מסחרי	נייר		נרכש מ-Staples
Q-Lab QUV תא בליה מואץ	Q-Lab Corporation, Westlake, OH
X-Rite eXact	X-Rite, Inc., גרנד ראפידס, MI
מנתח רשת Agilent N5225A	Agilent Technologies, סנטה רוזה, קליפורניה
WR90 מוליך גל מלבני	Agilent Technologies, סנטה רוזה, CA		R 100 (a = 10.16 מ"מ, b = 22.86 מ"מ, lz = 127.0 מ"מ)
תוכנת ניתוח נתונים	JMP SAS, קארי, קרוליינה הצפונית