Methodeontwikkeling voor contactloze resonante holte diëlektrische spectroscopische studies van Cellulosisch papier

Samenvatting

Een protocol voor de niet-destructieve analyse van het vezelgehalte en de relatieve leeftijd van het papier.

Samenvatting

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.

Inleiding

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 monsters^4,5te 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 theorieën^6,7. 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 papier^8,9,10. 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 problemen^{11,12 ,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 eigenschappen^14,15,16 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 specimen^{18 ,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 MUT^{18,19, 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.

Protocol

1. opstelling van de materialen

1. 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).
2. Neem een gemiddelde van tien diktemetingen langs een vel van de Ream, met behulp van een remklauw.
3. Identificeer de machine en kruis richtingen van het blad (d.w.z. de machine richting is de lange afmeting).
4. Met behulp van een gradenboog identificeren en knippen van het papier langs de gewenste strook hoek tussen de machine en dwars richtingen.
5. Met behulp van een roterende frees, segment teststrips 0,5 cm breed 8 cm lang in de doel oriëntatie voor het monster.
6. 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.

1. Kalibreer de UV-sensoren door de routine van de radioometer kalibratie vooraf voorgeprogrammeerd in de op UV-gebaseerde versnelde verwerings kamer uit te voeren.
2. Kalibreer de temperatuursensoren door het temperatuurprogramma P4 Kalibreer voor voorgeprogrammeerd in de verwerings kamer uit te voeren.
3. 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.
4. Selecteer de juiste standaard testcycli die vooraf voorgeprogrammeerd zijn in de verwerings kamer.
5. Monteer hele vellen test papier op het platte paneel (optioneel, Monteer één vel van beide zijden van het platte paneel).
6. Bevestig de platte panelen aan de samplehouders met Snap ringen, duw de ringen stevig tegen het paneel.
7. Installeer de paneel houders met de stop-PIN omlaag.
8. Bevestig aluminium blanks om in de paneel houders te monteren voor condensatie.
9. Voor een uniforme blootstelling, herpositioneer de test monsters (ten minste vijf keer) tijdens de testcyclus.
10. Meet de post-Aging kleur van de papier monsters met behulp van een draagbare spectrofotometer.
11. 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.

1. Noteer de temperatuur en relatieve vochtigheid en neem de eerste lezing van de kwaliteitsfactor Q₀, en de resonante frequentie f₀ van de lege holte.
2. 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 V_x= h_x· w · t, waarbij h_x de preparaat lengte in de holte is geplaatst, en w en t de preparaat breedte en dikte respectievelijk.
3. Gebruik de Vernier remklauw op de monsterhouder, steek het monster in de holte door Δh_x = 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.
4. 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.
5. Bewaar het monster tussen de glazen glijbanen en terug naar de stikstof atmosfeer.
6. 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 V_x, en de resonante frequentie f_x door het oplossen van de perturbatie vergelijkingen voor (ε ' – 1) zoals beschreven in elders^{18, 19,20}.

Resultaten

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 ...

Discussie

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 t...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
commercieel geproduceerd gekleurd kantoorpapier	Neenah Paper		Gekocht bij Staples
QUV geaccelereerde weerkamerkamer	Q-Lab Corporation, Westlake, OH
X-Rite eXact	X-Rite, Inc., Grand Rapids, MI
Agilent N5225A netwerkanalyzer	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA
WR90 rechthoekige golfgeleider	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA		R 100 (a = 10,16 mm, b = 22,86 mm, lz =127,0mm)
JMP data-analysesoftware	SAS, Cary, NC