Summary
بروتوكول للتحليل غير التدميري لمحتوي ألياف والعمر النسبي للورق.
Abstract
والتقنيات التحليلية الحالية لتوصيف ركائز الطباعة والفنون التصويرية هي إلى حد كبير مواقع ومدمره. وهذا يحد من كميه البيانات التي يمكن الحصول عليها من عينه فرديه ويجعل من الصعب إنتاج بيانات ذات صله من الناحية الاحصائيه للمواد الفريدة والنادرة. الرنين الطيفي للتجويف الرنان هو تقنيه غير مدمره وغير ضاره ، والتي يمكنها في نفس الوقت استجواب كلا جانبي المواد المغلفة وتوفير القياسات المناسبة للتفسيرات الاحصائيه. وهذا يوفر للمحللين القدرة علي التمييز بسرعة بين المواد المغلفة علي أساس التكوين وتاريخ التخزين. في هذه المادة المنهجية ، ونحن نظهر كيف يمكن استخدام الطيف الرنانة الرنين الطيفي لا تلامس للتمييز بين التحاليل ورقه من التراكيب المختلفة ألياف الأنواع ، لتحديد العمر النسبي للورق ، والكشف عن وقياس كميه النفايات المعاد تدويرها من ألياف بعد الاستهلاك في الورق المكتبي المصنع.
Introduction
الورق هو مغلفه ، غير متجانس ، المنتجات المصنعة التي تتالف من ألياف السليسيليك ، وكلاء التحجيم ، الحشو غير العضوية ، الملونات ، والمياه. قد تنشا ألياف السليلوز من مجموعه متنوعة من المصادر النباتية. ثم يتم تقسيم المواد الخام من خلال مزيج من العلاجات الفيزيائية و/أو الكيميائية لإنتاج لب عملي يتكون أساسا من ألياف السليلوز. يمكن أيضا استعاده السليلوز في المنتج الورقي الثانوية ، أو ألياف المعاد تدويرها1. و TAPPI الأسلوب T 401 ، "تحليل ألياف الورقية والورق المقوي ،" هو حاليا الدولة من الطريقة الفنية لتحديد أنواع ألياف ونسبها الموجودة داخل عينه ورقه ويستخدم من قبل العديد من المجتمعات2. وهي تقنيه يدوية لقياس ألوان تعتمد علي الحده البصرية لمحلل بشري مدرب بشكل خاص لتمييز أنواع ألياف المكونة لعينه ورقيه. وعلاوة علي ذلك ، فان اعداد العينات لأسلوب TAPPI 401 شاق ويستغرق وقتا طويلا ، مما يتطلب تدميرا ماديا وتحللا كيميائيا للعينه الورقية. تلطيخ مع الكواشف الموصوفة خصيصا يجعل عينات ألياف تخضع لأثار الاكسده ، مما يجعل من الصعب لأرشفه عينات لحفظ أو عينه المصرفية. التالي ، فان النتائج من TAPPI الأسلوب T 401 تخضع للتفسير البشري وتعتمد بشكل مباشر علي الفطنة البصرية لمحلل الفردية ، والتي تختلف استنادا إلى مستوي هذا الفرد من الخبرة والتدريب ، مما يؤدي إلى أخطاء متاصله عند مقارنه النتائج بين مجموعات العينات وداخلها. مصادر متعددة من عدم الدقة وعدم دقتها موجودة كذلك3. بالاضافه إلى ذلك ، فان أسلوب tappi غير قادر علي تحديد كميه ألياف الثانوية أو العمر النسبي لعينات الورق4،5.
وفي المقابل ، فان تقنيه التحليل الطيفي للتجويف الرنان (RCDS) التي نقوم بوصفها في هذه المقالة توفر قدرات تحليليه مناسبه تماما للامتحانات الورقية. مجسات الطيفي العازل تحقيق ديناميات الاسترخاء من قطب وحاملات الشحن المحمول داخل مصفوفة استجابه للمجالات الكهرومغناطيسية المتغيرة بسرعة ، مثل أفران الميكروويف. وهذا ينطوي علي أعاده توجيه التناوب الجزيئية ، مما يجعل RCDS خاصه مناسبه تماما لفحص ديناميات الجزيئات في الأماكن المحصورة ، مثل الماء الممتص علي ألياف السليلوز المضمنة داخل ورقه. باستخدام الماء كجزيء المسبار ، يمكن RCDS في وقت واحد استخراج المعلومات عن البيئة الكيميائية والتكوين الفيزيائي لبوليمر السليلوز.
البيئة الكيميائية للألياف السليلوز يؤثر علي مدي الترابط الهيدروجين مع جزيئات الماء ، التالي سهوله الحركة استجابه للمجالات الكهرومغناطيسية المتقلبة. يتم تحديد البيئة السليلوتيه ، في جزء منه ، من قبل تركيزات هيميسيلولوز والليغولين في ورقه التحليلية. Hemicellulose هو البوليمر متفرع من الخماسية ، في حين ان اللينونات هو مسعور ، عبر ربط ، الفينول البوليمر. كميات الهيسيلوللوز والليغولين في ألياف الورقية هي نتيجة لعمليه صنع الورق. كثفت المياه في أقسام الورق بين المواقع المائية ، والترابط الهيدروجين داخل البوليمر السليلوز ، وخاصه مع جزيئات الماء الممتط ، يؤثر علي مستوي عبر ربط داخل هيكل السليلوز ، ومستوي polarizability ، والهندسة المعمارية من المسام داخل البوليمر السليلوز5. مجموع استجابه عازله من المواد هو مجموع متجه من جميع لحظات قطب داخل النظام ، ويمكن تمييزها عن طريق الطيفي عازله من خلال استخدام نظريات متوسطه فعاله6،7. المثل ، فان السعه من ماده عازله يتناسب عكسيا مع سمكها ؛ التالي ، الرنين الطيفي تجويف الرنانة هو المثالي لدراسة عينه إلى عينه سمك استنساخ من مواد رقيقه جدا الأفلام مثل ورقه8،9،10. وفي حين ان هناك مجموعه كبيره من الاعمال المتعلقة باستخدام تقنيات التحليل الطيفي العازل لدراسة منتجات الخشب والسليلوز ، فقد اقتصر نطاق تلك الدراسات علي قضايا تصنيع الورق11و12 ،13. لقد استفدنا من الطبيعة المتباينة للورق لإثبات تطبيق الاقراص المضغوطة لاختبار الورق خارج الرطوبة والخواص الميكانيكية14،15،16 ولإظهار انه ينتج البيانات العددية التي يمكن استخدامها في تقنيات ضمان الجودة مثل دراسات القدرة علي القياس ومراقبه العمليات الاحصائيه في الوقت الحقيقي (SPC). ولهذه الطريقة أيضا قدرات متاصله في الطب الشرعي ويمكن استخدامها لمواجهه الشواغل المتعلقة بالاستدامة البيئية من الناحية الكمية ، ودعم المصالح الاقتصادية ، وكشف الوثائق المغيرة والمزيفة.
الرنين الطيفي للتجويف الرنان (RCDS) نظرية وتقنيه
RCDS هي واحده من عده تقنيات الطيف الطيفي عازله المتاحة17؛ تم اختياره خصيصا لأنه غير الاتصال ، غير مدمره ، وبسيطه بالتجربة بالمقارنة مع غيرها من الأساليب الطيفية عازله. وعلي النقيض من التقنيات التحليلية الأخرى المستخدمة لدراسة خصائص الورق ، تلغي الاقراص المدمجة الحاجة إلى مجموعات مكرره من القياسات لحساب الجانبين من ورقه عينه18. تقنيه تجويف الميكروويف الرنانة لديها ميزه ان تكون حساسة لكل من السطح والتوصيل السائبة. علي سبيل المثال ، يتم تحديد الموصلات السطحية لماده عينه عن طريق تتبع تغيير في عامل الجودة (Q-عامل) من تجويف كما يتم ادراج عينه تدريجيا في تجويف في الارتباط الكمي مع حجم العينة18 و19و20. يمكن الحصول علي الموصليه ببساطه عن طريق تقسيم الموصلات السطحية بسماكة العينة. ال [كندوتنس] سطحيه من رقيقه, [شتيد] ماده مثل ورقه اعمال كوكيله للتشكيل الجانبي عازله من ماده تحت اختبار (موت), بما ان هو يكون مباشره متناسبة إلى الخسارة عازله, ε ", من ال [موت]18,19, 20. فقدان عازله هو مؤشر علي مقدار الحرارة تبددها ماده عازله عندما يتم تطبيق حقل كهربائي عبر ذلك ؛ والمواد ذات التوصيل الأكبر سيكون لها قيمه خسارة عازله اعلي من المواد الموصلة اقل.
بالتجربة ، وفقدان عازله ، ε "، المرتبطة سطح العينة يتم استخراج من معدل انخفاض عامل الجودة صدي التجويف (Q) (اي فقدان الطاقة) ، مع زيادة حجم العينة19. يتم تحديد Q في تردد الرنانة f من عرض 3 ديسيبل, Δf, من ذروه رنانه في التردد الرنان f, Q = Δf /f. وترتبط هذه العلاقة كميا مع ميل الخط المعطي بالمعادلة 1 
أدناه ، حيث يمثل الفرق بين المعامل التبادلي للعينه من العامل q من التجويف الفارغ ، 
هو نسبه حجم العينة المدرجة إلى حجم التجويف الفارغ ، وتقاطع الخط ، ب "، حسابات الحقل غير الموحد في العينة ، كما هو مبين في الشكل 119.
(المعادلة 1)
في هذه المقالة ، ونحن نوضح فائده واسعه من هذه التقنية عن طريق تحديد نسب الأنواع ألياف (سبيتشيشن) ، وتحديد العمر النسبي للأوراق العمر بشكل طبيعي ومصطنع ، والكمية من محتوي ألياف المعاد تدويرها من ناسخه المكتب الأبيض ورقه التحاليل. في حين ان تقنيه RCDS قد تكون مناسبه لدراسة مواضيع أخرى ، مثل قضايا الشيخوخة في عزل الورق في أجهزه الطاقة الكهربائية ، وهذه الدراسات خارج نطاق العمل الحالي ولكن سيكون من المثير للاهتمام لمتابعه في المستقبل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. اعداد المواد
- سجل جميع معلومات التصنيع المقدمة مع ريم الورق (علي سبيل المثال ، الوزن الأساسي ، محتوي PCW المعلن عنه من قبل الشركة المصنعة ، وسطوع الشركة المصنعة المعلن عنه).
- تاخذ في المتوسط من عشره قياسات سمك علي طول ورقه من ريم ، وذلك باستخدام الفرجار.
- تحديد الجهاز والاتجاات المتقاطعة للورقة (اي ان الاتجاه الألى هو البعد الطويل).
- باستخدام منقلة تحديد وقطع الورق علي طول زاوية الشريط المطلوب بين الجهاز والاتجاات المتقاطعة.
- باستخدام قاطع الدوارة ، شريحة اختبار شرائط 0.5 سم واسعه بنسبه 8 سم طويلة في الاتجاه المستهدف للعينه.
- تسميه عينات من نهاية واحده وتخزين بين الشرائح المجهر الزجاجي. يخزن حتى الاختبار تحت جو النيتروجين.
ملاحظه: فانه من المستحسن ارتداء القفازات وأداء التعامل مع ملاقط لتجنب التجعيد و/أو تلويث عينات الورق.
2. المعجل ورقه الاختبار تتلاشي
ملاحظه: عينات الورق الذين تتراوح أعمارهم تحت الاشعه فوق البنفسجية الخفيفة في درجه حرارة مرتفعه في الرطوبة المحيطة المختبرية. يتم تنفيذ الشيخوخة باستخدام غرفه الهواء المعجل مجهزه 340 nm المصابيح UVA ، في الإشعاع من 0.72 W/m2 في 50 °c ل 169 h ، عن طريق اتباع البروتوكول التالي.
- معايره أجهزه استشعار الاشعه فوق البنفسجية ، عن طريق تشغيل روتين المعايرة الاشعاعيه قبل مبرمجه مسبقا في الاشعه فوق البنفسجية القائمة علي الإشعاع السريع غرفه.
- معايره أجهزه استشعار درجه الحرارة عن طريق تشغيل برنامج درجه الحرارة P4 لوحه معايره قبل مسبقا في غرفه العوامل المقاومة للحرارة.
- قياس اللون قبل ما بعد الشيخوخة من العينات ورقه باستخدام الطيفية المحمولة التي تعمل في نطاق موجه مرئية من 400 نانومتر إلى 800 نانومتر.
- حدد دورات الاختبار القياسية المناسبة مسبقا مبرمجه في غرفه العوامل الاساسيه.
- جبل أوراق كامله من أوراق الاختبار علي لوحه مسطحه (اختياريا ، وجبل ورقه واحده من اي جانب من لوحه مسطحه).
- ربط لوحات مسطحه لأصحاب العينة مع خواتم المفاجئة ، ودفع الخواتم بشكل مريح ضد لوحه.
- قم بتثبيت حاملي اللوحة باستخدام دبوس الإيقاف.
- نعلق الفراغات ألومنيوم لتركيب في أصحاب لوحه لتكثيف.
- بالنسبة للتعرض المنتظم ، يمكنك تغيير موضع عينات الاختبار (خمس مرات علي الأقل) اثناء دوره الاختبار.
- قياس لون ما بعد الشيخوخة من العينات الورقية باستخدام مقياس الطيف الضوئي المحمولة.
- قطع شرائط عينه من العينات ورقه الذين تتراوح أعمارهم بين لتناسب تجويف الرنانة. منطقه العينة النموذجية هي 0.5 سم (العرض) × 8 سم (الطول).
ملاحظه: لهذه الاختبارات ، ونحن نستخدم تجاريا المنتجة الملونة 90 ز/م2 (gsm) (24 رطل) ورقه مكتب من اثنين من التراكيب المختلفة: العذراء و 30 ٪ ألياف المعاد تدويرها (اي ، 0 ٪ و 30 ٪ نفايات ما بعد المستهلك [pcw] المعاد تدويرها ألياف ، علي التوالي).
3. اعداد المعدات وأخذ قياسات التجويف الرنانة
ملاحظه: ويتكون الاختبار تجويف الرنانة لاعبا أساسيا الهوائية مملوءة القياسية WR-90 مستطيل الموجه الموجي. التجويف يحتوي علي فتحه 10 مم × 1 مم تشكيله في مركز لإدخال العينة. يتم إنهاء الدليل الموجي علي كلا الطرفين من WR-90 لإقناع محولات التي تربط تجويف مع محلل شبكه الميكروويف عبر الكابلات المحورية شبه جامده. محولات اقتران تقريبا عبر الاستقطاب فيما يتعلق زاوية الاستقطاب دليل الموجي ، مما يخلق مقاومه حاده الانقطاعات في كل من الموجه الموجي ينتهي التالي تجويف الجدران. زاوية الاستقطاب حوالي 87 درجه مئوية ، وهو ما يكفي لتحقيق الطاقة الأمثل التحميل في تجويف مع تعظيم عامل الجودة. عامل الجودة ، Q0، وتردد رنانه ، و0، من تجويف فارغه في الثالث الرنين وضع الغريبة TE103 في الذي نقوم باجراء القياسات هي 3.200 و 7.435 GHz علي التوالي. يتم اجراء القياسات في الظروف المختبرية المحيطة باتباع البروتوكول المذكور أدناه.
- تسجيل درجه الحرارة والرطوبة النسبية واتخاذ القراءة الاوليه لعامل الجودة Q0، وتردد الرنانة و0 من تجويف فارغ.
- وضع العينة المضمونة في حامل العينة فوق الفتحة في وسط التجويف. اثناء القياسات ، يتم ادراج العينة في تجويف من خلال هذه الفتحة في خطوات زيادة الحجم Vx= hx· w · t، حيث hx هو طول العينة ادراجها في تجويف ، و w و t هي عرض العينة وسمك علي التوالي.
- باستخدام الفرجار Vernier علي جبل عينه ، ادراج العينة في تجويف بواسطة Δhx = 50 μm زيادات وتاخذ قراءات من عامل الجودة وتردد الرنانة في كل خطوه حتى تم خفض العينة 10 ملم (1 سم) في تجويف.
- سحب العينة من الداخل بنفس الزيادات من 50 μm وتاخذ قراءات من عامل الجودة وتردد الرنانة حتى العينة قد تراجعت تماما.
- تخزين العينة بين الشرائح الزجاجية وأعادتها إلى جو النيتروجين.
- الخسارة عازله, ε ", من الورقة عينات يكون نلت من ال [سلوب] من الاضطراب (معادله 1). اختياريا ، يمكن الحصول علي ثابت عازله ، ε ' من قياس Vx، وتردد رنانه وx عن طريق حل معادلات التعكر ل (ε '-1) كما هو موضح في مكان آخر18، 19و20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الأساس المنطقي لاختيار زاوية الشريط 60 °
ويؤثر اتجاه القطع في عينه الاختبار علي حجم الاستجابة العازلة ، كما هو مبين في الرسم البياني في الشكل 2. في التجارب الاوليه ، تم قطع شرائط الاختبار من زوايا متعامدة من ورقه ، كما هو الممارسة القياسية لقياس الخصائص الفيزيائية في علم الورق ؛ ومع ذلك, شرائط قطع من زوايا غير متعامدة علي طول ورقه ورقه قدمت أعظم القرار بين أنواع الورق, لا سيما في 45 ° و 60 ° الاتجاات15. ويمكن ترشيد هذا الفرق في الاستجابة علي أساس التوجه التفضيلي لسلسله السليلوز ، التي تنحرف تقريبا 30 °-45 درجه مئوية من المعتاد ، داخل هيكل ميكروفيريل السليلوز داخل جدران الخلية من النباتات الحية21 ،22. وقد أظهرت الدراسات العازلة علي اتجاه ألياف من الصفائح الورقية المصنعة للمصنع ان علي طول كل من الأسلاك وشعر الجانبين من ورقه ، واتجاه سلاسل السليلوز البوليمر هو حوالي 30 درجه من اتجاه الجهاز ، والذي يتوافق مع لدينا تعيين من ال 60 ° اتجاه علي طول الورقةورقيه 23,24.
تاثير تركيزات ألياف القطن علي فقدان عازله
ويبين الشكل 3 ملامح الخسارة العازلة لأوراق السندات التي تحتوي علي القطن والتي اشترتها الحكومة الاتحادية الامريكيه باستخدام شرائط 60 درجه. تمثل أشرطه الخطا الانحراف المعياري للقياسات الفردية. وتبين البيانات بوضوح قدره التجويف الرنان علي التفريق بين أوراق السندات لمختلف تركيزات ألياف القطن. وهذا يتسق مع عملنا السابق ، الذي استخدمنا تقنيه RCDS للتمييز بين أوراق متفاوتة من تركيزات ألياف غير الخشبية المستمدة من المصادر النباتية مثل عشبه حكيم ، قشور الكاكاو ، والخيزران15.
اثر الظروف البيئية علي نتائج الاختبار
من المهم الحفاظ علي السيطرة علي درجه حرارة المختبر والرطوبة اثناء اختبار المواد. الورق هو خليط الرطوبة المجهرية بشكل طبيعي. في عملنا وجدنا ان درجه الحرارة لها تاثير اسمي جدا علي الشخصية عازله من عينه ورقيه. ومع ذلك ، فان الرطوبة النسبية (RH) من المختبر تتمتع بتاثير أكبر بكثير علي النتائج. الشكل 4 يقارن نتائج اختبار 100 ٪ ورقه السندات القطنية التي تم شراؤها من قبل الحكومة الاتحادية في 46 ٪ rh و 49 ٪ rh ، علي التوالي. بشكل عام ، حصلنا علي المزيد من النتائج القابلة للتكرار لفقدان العينة العازلة في الرطوبة النسبية الأعلى. ولذلك ، فانه من المستحسن لاختبار العينات الورقية تحت الظروف البيئية التي تسيطر عليها جيدا لتمكين مقارنات عينه.
العمر النسبي للورق
تقنيه RCDS لديها فائده لا يصدق وراء المحدد. لقد أظهرنا في عملنا الأخرى قدره التجويف الرنان علي التمييز بين أوراق السندات القطنية ذات العمر النسبي لنفس المحتوي الذي تم تصنيعه 40 سنه. العينات الورقية القديمة تظهر انخفاض متوسط قيم فقدان عازله من الأوراق الجديدة ، مما يوحي بفقدان polarizability نتيجة لتدهور البوليمر السليلوز25.
كما ان تجاربنا علي التحاليل الورقية التي تتراوح اعمارها بين السنتين تظهر اختلافات واضحة بين تجارب الخبو الخفيف قبل وبعد الاشعه فوق البنفسجية علي كل من الأوراق العذراء (0% PCW) و (30% PCW). كما هو مبين في الشكل 6، بعد 169 h من الشيخوخة المعجل الاشعه فوق البنفسجية ، وتدهور البوليمر السليلوز هو ملحوظ كما انخفض متوسط قيم الخسارة العازلة لكل من الأصناف البكر والمعاد تدويرها. ومن الجدير بالتنويه ان هذه التقنية يمكن ان يميز بين المواد البكر والمعاد تدويرها حتى بعد التسارع فتره الشيخوخة25.
محتوي ألياف المستردة من أوراق المكتب الأبيض
قمنا بتجميع بيانات فقدان عازله علي أوراق المكتب الأبيض من العديد من الشركات المصنعة يضم نسب متفاوتة من سطوع المعلن عنها (أساسا بسبب المضافات الملكية) والمحتوي المعاد تدويره PCW. يبدو ان هناك بعض العلاقة التي لم يتم فهمها بين محتوي ألياف المعاد تدويرها والسطوع المعلن عنه للتحليل الورقي. بشكل عام ، ضمن الأفواج من ورقات من نفس النوعية متوسط فقدان عازله المتوفي مع زيادة سطوع الشركة المصنعة المعلن عنها ، علي الرغم من ان قيم السطوع المعلن عن نفس النوع من الأوراق التي درست اختلفت بشكل كبير من الشركة المصنعة للشركة المصنعة. ويعرض الشكل 5 مؤامرة كفاف علي أساس الانحدار الخطي تناسب تبين فقدان عازله من ورقه ناسخه المكتب الأبيض استنادا إلى سطوع الشركة المصنعة المعلنة والنفايات المعاد تدويرها محتوي الورق (٪ pcw) من التحاليل. تشير البيانات إلى ان الخسارة العازلة حساسة أيضا للاضاءه البصرية والمواد المضافة الأخرى التي يستخدمها المصنعون المختلفون للحصول علي السطوع المعلن عنه.
الشكل 1: التغيرات في عامل جوده التجويف (المعادلة 1) كداله العينة المدرجة الحجم ، Vx، لعده عينات: 25 ٪-(مثلثات حمراء) ، 50 ٪ (الدوائر الزرقاء) و 100 ٪ أوراق القطن السندات العينات (المربعات الخضراء) ، علي التوالي . يمثل الانحدار من المؤامرات الخسارة عازله, Ɛˈli ", لكل عينه. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: مقارنه بين الاستجابة العازلة بزاوية الشريط (0 ° ، 45 درجه ، 60 درجه ، و 90 درجه) لعذراء "كما وردت" الأزرق 24-lb أوراق المكتب قبل (الدوائر الخضراء) وبعد الاشعه فوق البنفسجية يتلاشى ل 169 h (المربعات الحمراء). تمثل أشرطه الخطا الانحراف المعياري لخمسه قياسات فرديه علي الأقل. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: ملفات الخسارة العازلة التي تحتوي علي عينات من ورق السندات تحتوي علي كميات مختلفه من القطن مقطعه إلى شرائط 60 درجه. تمثل أشرطه الخطا الانحراف المعياري لخمسه قياسات فرديه علي الأقل. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: مقارنه بين الاستجابة العازلة من ورقه السندات القطنية 100 ٪ في تغيير الرطوبة المحيطة ، وتبين ان فقدان عازله يبدو ان تكون أكثر استنساخا في الرطوبة المحيطة اعلي النسبية. تمثل أشرطه الخطا الانحراف المعياري لخمسه قياسات فرديه علي الأقل. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: مؤامرة كفاف ، استنادا إلى الانحدار الخطي صالح ، والتي تبين الخسارة العازلة المتوقعة من ورقه ناسخه المكتب الأبيض استنادا إلى سطوع الشركة المصنعة المعلن عنها ومحتوي النفايات الورقية المعاد تدويرها (٪ pcw) من التحاليل. تشير البيانات إلى ان الخسارة العازلة حساسة أيضا للاضاءه البصرية والمواد المضافة الأخرى التي تستخدمها الشركات المصنعة المختلفة للحصول علي السطوع المعلن عنه. تم جمع البيانات المستخدمة في هذا الرقم مع شرائط اختبار 60 درجه. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: تحديد العمر النسبي للورق بنسبه 30 ٪ من نفايات ما بعد الاستهلاك (pcw) المعاد تدويرها والبكر (0 ٪ PCW) من نفس الشركة المصنعة ، ووزن الأساس ، وهوي من خلال الشيخوخة الاصطناعية لمده 169 ساعة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: التفريق بين الأوراق المصنوعة من مجموعه متنوعة من ألياف يمزج من خلال فقدان عازله مقابل النسبة المئوية غير المبيض الخشب اللين كرافت (UBSK) ألياف الشجر. قطن = 100% قطن; الخيزران القطن = 90 ٪ الخيزران/10 ٪ من القطن ؛ SUBSK = 80 ٪ سيج/20 ٪ UBSK ؛ CUBSK = 60 ٪ قشر الكاكاو/40 ٪ UBSK. القياسات التي أجريت عند 32% رطوبة نسبيه. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
لقد أظهرنا في مكان آخر ان وجود المحتوي اللينان من ألياف لا يغير بشكل كبير السلوك العازل للأوراق المصنعة15. التصميم ليس مهما فقط في اختبار QA/QC من الأوراق الحديثة ولكن اهتماما كبيرا في دراسة الأوراق التاريخية التي كانت تصنع في الغالب من مصادر النباتات غير الخشبية ، مثل الخيزران والقنب والكتان والبردي. كما هو مبين في الشكل 7، لدينا تقنيه يمكن التمييز بين مصادر النباتات غير الخشبية (100 ٪ ورقه القطن مقابل 90 ٪ الخيزران/10 ٪ ورقه القطن). وهذا يتسق مع العمل السابق الذي يستخدم تقنيات الطيف الطيفي الأخرى للتمييز بين النباتات المنقية والبكتيرية والحيوانية والمعاد تشكيلها وبين الورق الأبيض والصحف الذي يتم تصنيعه أنواع مختلفه من لب الخشب باستخدام عملياتمختلفه 6 ،26،27. التالي ، يمكن للمحات فقدان عازله تاكيد الاختلافات المورفولوجية في سلاسل السليلوز التي تنشا من أنواع مختلفه من ألياف النباتية والنباتات خليط الأنواع ألياف. يعتمد البروتوكول والنتائج المعروضة في هذه الورقة علي التحقيق في قطع العينة عند 60 درجه مئوية بالنسبة إلى اتجاه اله (90 درجه) من الورقة. هذا النهج هو الرواية لتحليل العينات الورقية; حاليا يتم اجراء قياسات الخواص الفيزيائية للورق في زوايا متعامدة علي طول ما يعرف باله (90 درجه) والاتجاات المتقاطعة (0 °). وجدنا ، من خلال التجريب ، ان زاوية 60 درجه يتيح أفضل التمييز استنادا إلى polarizability من تلك المواد بين مجموعه واسعه من العينات المصنعة صناعيا من 0 ° ، 45 ° ، و 90 ° التوجات لجميع الأغراض التي نوقشت في هذه المادة: تحديد العمر النسبي ، وتحديد محتوي ألياف PCW.
يوفر الطيف الطيفي للتجويف الرنان لعلماء الورق أداه قويه للتمييز بين العينات الورقية. ومن الممكن تحديد العمر النسبي للورق وتحديد وقياس محتوي ألياف PCW في الورق مع هذه التقنية لان كلا من المشاكل متجذرة في تدهور البوليمر السليلوز. يغير الانحلال من ال [السليلوز] بوليمر الدرجة من البلمره والبيئة داخل اي ماء يكون كثفت وفي النهاية المبلغة من ال [بولاريبيليتي] من الورقة28,29,30. فالتحلل الحراري يسرع ويضخم مدي التحلل المائي والضرر التاكسدي الذي يلحق بالبوليمر ، كما يتاثر مقدار التحلل الكلي لورقه الورق بالمواد المكونة داخل الورقة أو الوثيقة. تخضع ألياف الثانوية للتدهور الكيميائي والفيزيائي ، حيث انها قد تتعرض لدورات تبييض متكررة متعددة في درجات حرارة تتراوح من 60 درجه مئوية إلى 80 درجه مئوية بعد تحمل أليات التقطيع والتقطيع الميكانيكية لأعاده النبض31 . هذه العمليات تجعل ألياف الثانوية أقصر من ألياف البكر ، وكذلك المهينة كيميائيا ألياف الثانوية. ومن النتائج الأخرى لعمليه أعاده التدوير ومصدر التحلل للألياف الثانوية ، أو الصلب ، وتقلص وتصلب البوليمر السليلوز ، التالي تغيير المورفولوجية من سلسله البوليمر والبيئة التي ماء ان يكون كثفت32. ويميز فقدان الهيسيلولسيس بسبب أعاده التدوير أيضا العذراء من محتويألياف المعادتدويرها33،34،35.
إلى أفضل ما لدينا من المعرفة ، غير مدمره ، طرق تماس مثل تجويف الميكروويف ، لم يتم استخدامها لتحديد أنواع ألياف المكونة أو وجود وكميه من ألياف الثانوية داخل ورقه ورقه. يتم حاليا اعتماد محتوي ألياف الثانوية من خلال أساليب المحاسبة الجنائية من قبل منظمات مراجعه الحسابات من طرف ثالث36،37. ومن الناحية التاريخية ، فان الطرق التحليلية لتحديد وتقدير كميه ألياف الثانوية في الورق قد لقيت استقبالا حسنا لأنه لا يبدو ان لديها الدقة اللازمة التي يتطلبها مجتمع صناعه الورق (اي ، علي أفضل تقدير ، دقه ± 50 ٪ من المطالبة المعلن عنها)38،39. المثل ، فان البروتوكولات التقليدية لاختبار الورق ، والتحليل العنصري ، وتحليل النظائر للأوراق المكتبية البيضاء المتاحة تجاريا لم تستطع التمييز مع اي ثقة احصائيه بين أوراق المحتوي البكر وألياف الثانوية 40،41،42. أساليب لتحديد عمر الورق ، مثل الكربون 14 التي يرجع تاريخها ، هي أيضا شاقه ومدمره ولا يمكن ان يؤديها مع اي دقه معقولة علي العينات المعاصرة. الرنانة تجويف الرنين الطيفي الطريقة التي أظهرناها هنا هو تنوعا بما فيه الكفاية لتلبيه وتجاوز حدود المترولوجيه من tappi T 401 طريقه تحليل ألياف. عملنا يدل علي ان التماس ، في الموقع تقنيه مناسبه تماما لتوصيف المواد استنادا إلى أنواع وكميات البوليمر السليلوز التي تحتوي عليها ، فضلا عن مستوي وأنواع التدهور التي شهدتها البوليمر السليلوز ، بغض النظر إذا كان هذا التدهور موجودا بسبب العمر (الطبيعي أو المتسارع) أو عن طريق وجود ألياف الثانوية. حتى الآن ، لم يتم فحص أوراق اليد أو أنواع أخرى من الأوراق اليدوية ، التالي لا يمكن التعليق علي تاثير التوجه عينه علي الأوراق التي لا تصنع صناعيا. ليس من الضروري اجراء تحديد الرطوبة من العينات الورقية (التي يتم اجراؤها في فرن المختبر في 105 درجه مئوية) كما قياسات الحساسية ، في جوهره ، بمثابه وكيل لتحديد محتوي الرطوبة43. وتسهم درجه الحرارة والرطوبة في القيم المقيسة ، ومن المهم مقارنه العينات المحللة في ظل نفس الظروف البيئية.
وتنطوي الخطوات الأكثر اهميه في البروتوكول المقدم في هذا العمل علي مطابقه دقيق لشرائط اختبار العينات لحجم تجويف الميكروويف المستخدم. ومع ذلك ، قد يتم تصميم تجاويف الميكروويف الأخرى وأصحاب العينات لتكون قادره علي استجواب كميات أكبر من العينة دون الحاجة إلى تشوه العينة لاجراء تحليل ، متجاوزا هذا القيد التجريبي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
هذا هو مساهمه من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ، وليست خاضعه لحقوق التاليف والنشر. يتم تحديد بعض المعدات أو الاداات أو المواد التجارية في هذا التقرير لتحديد الاجراء التجريبي بشكل مناسب. ولا يقصد بهذا التحديد ان ينطوي علي توصيه أو تاييد من جانب المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا أو مكتب النشر الحكومي التابع للولايات المتحدة ، كما انه لا يقصد به ان يعني ضمنا ان المواد أو المعدات المحددة هي بالضرورة أفضل المتاحة لهذا الغرض. وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.
Acknowledgments
مكتب النشر الحكومي التابع للولايات المتحدة والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.
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).
