Summary
Ein Protokoll zur zerstörungsfreien Analyse des Fasergehalts und des relativen Papieralters.
Abstract
Die aktuellen Analysetechniken zur Charakterisierung von Druck- und Grafiksubstraten sind weitgehend ex situ und destruktiv. Dadurch wird die Datenmenge begrenzt, die aus einer einzelnen Stichprobe gewonnen werden kann, und es wird schwierig, statistisch relevante Daten für einzigartige und seltene Materialien zu erstellen. Die resonante Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie ist eine zerstörungsfreie, berührungslose Technik, die gleichzeitig beide Seiten eines Bogenmaterials abhören und Messungen liefern kann, die für statistische Interpretationen geeignet sind. Dies bietet Analysten die Möglichkeit, schnell zwischen Bogenmaterialien basierend auf Zusammensetzung und Lagerhistorie zu unterscheiden. In diesem Methodologieartikel zeigen wir, wie kontaktlose resonante Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie verwendet werden kann, um zwischen Papieranalyten unterschiedlicher Faserartenzusammensetzungen zu unterscheiden, das relative Alter des Papiers zu bestimmen und die Menge des nachdemVerbraucherabfalls (PCW) recycelten Fasergehalts in hergestelltem Büropapier.
Introduction
Papier ist ein bogenförmiges, heterogenes, hergestelltes Produkt, das aus Zellulosefasern, Größenmitteln, anorganischen Füllstoffen, Farbstoffen und Wasser besteht. Die Zellulosefasern können aus einer Vielzahl von Pflanzenquellen stammen; Der Rohstoff wird dann durch eine Kombination physikalischer und/oder chemischer Behandlungen abgebaut, um einen bearbeitbaren Zellstoff herzustellen, der hauptsächlich aus Zellulosefasern besteht. Die Zellulose im Papierprodukt kann auch sekundär oder recyceltfaser1zurückgewonnen werden. Die TAPPI-Methode T 401, "Faseranalyse von Papier und Pappe", ist derzeit die modernste Methode zur Identifizierung von Fasertypen und deren Verhältnissen in einer Papierprobe und wird von vielen Gemeinden verwendet2. Es ist eine manuelle, kolorimetrische Technik, die auf die Sehschärfe eines speziell ausgebildeten menschlichen Analytikers angewiesen ist, um die konstituierenden Fasertypen einer Papierprobe zu unterscheiden. Darüber hinaus ist die Probenvorbereitung für die TAPPI 401-Methode mühsam und zeitaufwändig und erfordert eine physische Zerstörung und chemische Verschlechterung der Papierprobe. Die Färbung mit speziell vorgeschriebenen Reagenzien macht Faserproben den Auswirkungen der Oxidation ausgesetzt, was die Archivierung von Proben für die Konservierung oder das Probenbanking erschwert. Die Ergebnisse der TAPPI-Methode T 401 unterliegen daher der menschlichen Interpretation und hängen unmittelbar von der visuellen Unterscheidung eines einzelnen Analytikers ab, die je nach Erfahrungs- und Ausbildungsniveau dieser Person variiert, was zu inhärenten Fehlern führt. beim Vergleich der Ergebnisse zwischen und innerhalb von Stichprobensätzen. Mehrere Quellen von Ungenauigkeit und Ungenauigkeit sind auch vorhanden3. Darüber hinaus ist die TAPPI-Methode nicht in der Lage, die Menge der Sekundärfaser oder das relative Alter der Papierproben4,5zu bestimmen.
Im Gegensatz dazu bietet die in diesem Artikel beschriebene Resonononon-Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie (RCDS) analytische Fähigkeiten, die sich für Papieruntersuchungen eignen. Die dielektrische Spektroskopie untersucht die Entspannungsdynamik von Dipolen und mobilen Ladungsträgern innerhalb einer Matrix als Reaktion auf sich schnell verändernde elektromagnetische Felder wie Mikrowellen. Dabei handelt es sich um eine molekulare Rotationsneuausrichtung, wodurch RCDS besonders gut geeignet ist, die Dynamik von Molekülen in engen Räumen zu untersuchen, wie z. B. das Wasser, das auf den in einem Blatt Papier eingebetteten Zellulosefasern adsorbiert wird. Durch die Verwendung von Wasser als Sondenmolekül kann RCDS gleichzeitig Informationen über die chemische Umgebung und die physikalische Konformation des Cellulosepolymers extrahieren.
Die chemische Umgebung der Zellulosefasern beeinflusst das Ausmaß der Wasserstoffbindung mit Wassermolekülen, daher die Leichtigkeit der Bewegung als Reaktion auf die schwankenden elektromagnetischen Felder. Die zelluloseische Umgebung wird zum Teil durch die Konzentrationen von Hemicellulose und Lignin im Papieranalyten bestimmt. Hemicellulose ist ein hydrophilverzweigtes Polymer von Pentosen, während Lignin ein hydrophobes, vernetztes Phenolpolymer ist. Die Mengen an Hemicellulose und Lignin in einer Papierfaser sind eine Folge des Papierherstellungsprozesses. Adsorbiertes Wasser in Papiertrennwänden zwischen den hydrophilen Standorten und die Wasserstoffbindung innerhalb des Cellulosepolymers, insbesondere mit den adsorbierten Wassermolekülen, beeinflusst den Grad der Vernetzung innerhalb der Zellulosestruktur, den Polarisierbarkeit und die Architektur der Poren innerhalb des Cellulosepolymers5. Die gesamte dielektrische Reaktion eines Materials ist eine Vektorsumme aller Dipolmomente innerhalb des Systems und kann durch dielektrische Spektroskopie durch den Einsatz effektiver Mediumtheorien6,7unterschieden werden. Ebenso ist die Kapazität eines dielektrischen Materials umgekehrt proportional zu seiner Dicke; Daher ist die resonante Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie ideal, um die Reproduzierbarkeit von Proben-zu-Probe-Dicke von Ultradünnen Folienmaterialien wie Papier8,9,10zu untersuchen. Zwar gibt es eine bedeutende Arbeit im Zusammenhang mit der Verwendung von dielektrischen Spektroskopie-Techniken zur Untersuchung von Holz- und Zelluloseprodukten, doch wurde der Umfang dieser Studien auf die Frage der Papierherstofakturabilität beschränkt11,12 ,13. Wir haben die anisotrope Natur von Papier genutzt, um die Anwendung von RCDS auf die Prüfung von Papier jenseits von Feuchtigkeit und mechanischen Eigenschaften zu demonstrieren14,15,16 und um zu zeigen, dass es nachgibt numerische Daten, die in Qualitätssicherungstechniken wie Messfähigkeitsstudien und statistischer Prozesskontrolle (SPC) in Echtzeit verwendet werden können. Die Methode verfügt auch über forensische Fähigkeiten und kann verwendet werden, um umweltschonende Bedenken der ökologischen Nachhaltigkeit zu bekämpfen, wirtschaftliche Interessen zu unterstützen und veränderte und gefälschte Dokumente aufzudecken.
Resonante Hohlraum-Dielektrische Spektroskopie (RCDS) Theorie und Technik
RCDS ist eine von mehreren dielektrischen Spektroskopie-Techniken zur Verfügung17; es wurde speziell gewählt, weil es berührungslos, nicht-destruktiv und experimentell einfach im Vergleich zu anderen Methoden der dielektrischen Spektroskopie ist. Im Gegensatz zu anderen Analysetechniken, die zur Untersuchung der Eigenschaften von Papier verwendet werden, macht RCDS doppelte Messsätze überflüssig, um die beiden Seiten eines Probenblatts zu berücksichtigen18. Die resonante Mikrowellen-Hohlraumtechnik hat den Vorteil, dass sie sowohl auf die Oberflächen- als auch auf die Massenleitfähigkeit empfindlich ist. Beispielsweise wird die Oberflächenleitfähigkeit eines Probenmaterials bestimmt, indem eine Änderung des Qualitätsfaktors (Q-Faktor) des Hohlraums nachverfolgt wird, da eine Probe in quantitativer Korrelation mit dem Volumen der Probe schrittweise in den Hohlraum eingeführt wird18 ,19,20. Die Leitfähigkeit kann durch einfache Division der Oberflächenleitfähigkeit durch die Probendicke erreicht werden. Die Oberflächenleitfähigkeit eines dünnen, bogenartigen Materials wie Papier fungiert als Proxy für das dielektrische Profil eines zu prüfenden Materials (MUT), da es unmittelbar proportional zum Dielektrizitätsverlust ist, 20. Dielektrizitätsverlust ist ein Hinweis darauf, wie viel Wärme von einem dielektrischen Material abgeführt wird, wenn ein elektrisches Feld darauf aufgebracht wird; Materialien mit einer höheren Leitfähigkeit haben einen höheren dielektrischen Verlustwert als weniger leitfähige Materialien.
Experimentell wird der dielektrische Verlust, der mit der Oberfläche der Probe verbunden ist, aus der Abnahmerate des Hohlraumresonanzqualitätsfaktors (Q) (d. h. Energieverlust) mit zunehmendem Volumen der Probe19extrahiert. Die Q wird bei der Resonanzfrequenz f aus der Breite von 3 dB,f, der Resonanzspitze bei der Resonanzfrequenz f, Q =f /fbestimmt. Diese Beziehung ist quantitativ korreliert mit der Steigung 
der Linie, die in Gleichung 1 unten angegeben ist, wobei die Differenz 
des Gegenwerts des Q-Faktors der Probe vom Q-Faktor des leeren Hohlraums darstellt, ist das Verhältnis des Volumens der die eingefügte Probe auf das Volumen des leeren Hohlraums und der Leitungsabfang, b", berücksichtigt das ungleichmäßige Feld in der Probe, wie in Abbildung 119dargestellt.
(Gleichung 1)
In diesem Artikel veranschaulichen wir den breiten Nutzen dieser Technik, indem wir die Verhältnisse von Faserarten (Speziation), das relative Alter natürlicher und künstlich gealterten Papiere bestimmen und den Recyclingfasergehalt von weißen Bürokopierern quantifizieren. Papieranalyten. Während die RCDS-Technik für die Untersuchung anderer Themen geeignet sein mag, wie z. B. Alterungsfragen bei der Papierisolierung in elektrischen Energiegeräten, fallen solche Studien nicht in den Rahmen der aktuellen Arbeit, wären aber in Zukunft interessant.
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Protocol
1. Aufbau der Materialien
- Zeichnen Sie alle Produktionsinformationen auf, die mit dem Papiergehalt bereitgestellt werden (z. B. Basisgewicht, beworbener PCW-Inhalt des Herstellers und angekündigte Helligkeit des Herstellers).
- Nehmen Sie durchschnittlich zehn Dickenmessungen entlang eines Blechs aus dem Ream, mit einem Bremssattel.
- Identifizieren Sie die Maschine und Kreuzrichtungen des Blechs (d. h. die Maschinenrichtung ist die lange Dimension).
- Mit einem Winkelmesser identifizieren und schneiden Sie das Papier entlang des gewünschten Streifenwinkels zwischen der Maschine und Querrichtungen.
- Mit einem Drehschneider, Scheibenprüfstreifen 0,5 cm breit und 8 cm lang in der Zielausrichtung für die Probe.
- Beschriften Sie Proben von einem Ende und lagern Sie zwischen Glasmikroskopie-Dias. Lagern Sie bis zur Prüfung unter Stickstoffatmosphäre.
HINWEIS: Es ist ratsam, Handschuhe zu tragen und die Handhabung mit einer Pinzette durchzuführen, um Rillen und/oder Verunreinigen der Papierproben zu vermeiden.
2. Beschleunigte Papierverblassen-Tests
HINWEIS: Papierproben werden bei erhöhter Temperatur bei Umgebungsfeuchtigkeit im Labor unter UV-Licht gereift. Die Alterung erfolgt mit einer beschleunigten Verwitterungskammer, die mit 340 nm UVA-Lampen ausgestattet ist, bei einer Bestrahlungsstärke von 0,72W/m2 bei 50 °C für 169 h, wobei das folgende Protokoll befolgt wird.
- Kalibrieren Sie die UV-Sensoren, indem Sie die in der UV-basierten beschleunigten Verwitterungskammer vorprogrammierte Kalibrierradiometerroutine ausführen.
- Kalibrieren Sie die Temperatursensoren, indem Sie das in der Verwitterungskammer vorprogrammierte P4-Kalibrierpanel-Temperaturprogramm ausführen.
- Messen Sie die Voralterungsfarbe der Papierproben mit einem tragbaren Spektralphotometer, das im sichtbaren Wellenbereich von 400 nm bis 800 nm arbeitet.
- Wählen Sie die entsprechenden Standard-Prüfzyklen aus, die in der Verwitterungskammer vorprogrammiert sind.
- Montieren Sie ganze Bogen mit Testpapierauflagen auf dem Flachbildschirm (optional ein Blatt von beiden Seiten des Flachbildschirms montieren).
- Befestigen Sie die Flachplatten an den Probenhaltern mit Druckknöpfen und schieben Sie die Ringe eng an die Platte.
- Installieren Sie die Panel-Halter mit dem Stopp-Pin nach unten.
- Befestigen Sie Aluminiumrohlinge, die in den Plattenhaltern für Kondensation montiert werden.
- Für eine gleichmäßige Exposition die Prüfproben (mindestens fünfmal) während des Testzyklus neu positionieren.
- Messen Sie die Nachalterungsfarbe der Papierproben mit einem tragbaren Spektralphotometer.
- Schneiden Sie Probenstreifen aus den gealterten Papierproben, um in die Resonanzhöhle zu passen. Der typische Probenbereich beträgt 0,5 cm (Breite) x 8 cm (Länge).
HINWEIS: Für diese Tests verwenden wir kommerziell hergestelltes farbiges 90 g/m2 (gsm) (24 lb) Büropapier mit zwei verschiedenen Zusammensetzungen: native und 30% recycelte Fasern (d. h. 0% bzw. 30% Post-Consumer-Abfall [PCW] recycelten Fasergehalt).
3. Einrichtung der Ausrüstung und Anklangshohlraummessungen
HINWEIS: Die Resonanzhohlraumprüfvorrichtung besteht aus einem luftgefüllten Standard-Rechteckwellenleiter WR-90. Der Hohlraum verfügt über einen 10 mm x 1 mm Schlitz, der in der Mitte für das Eineinsetzen der Proben bearbeitet wird. Der Wellenleiter wird an beiden Enden durch den WR-90 zu Koaxialadaptern beendet, die den Hohlraum über halbstarre Koaxialkabel mit einem Mikrowellen-Netzwerkanalysator verbinden. Die Kupplungsadapter sind hinsichtlich des Wellenleiterpolarisationswinkels nahezu kreuzpolarisiert, was an beiden Wellenleiterenden und damit an den Hohlraumwänden zu scharfen Impedanzdiskontinuitäten führt. Der Polarisationswinkel beträgt ca. 87°, was ausreicht, um eine optimale Kraftbelastung in den Hohlraum zu erreichen und gleichzeitig den Qualitätsfaktor zu maximieren. Der Qualitätsfaktor Q0und die Resonanzfrequenz, f0, des leeren Hohlraums im dritten ungeraden Resonanzmodus TE103, bei dem wir die Messungen durchführen, beträgt 3.200 bzw. 7.435 GHz. Die Messungen werden unter Umgebungslaborbedingungen durchgeführt, indem das unten aufgeführte Protokoll befolgt wird.
- Zeichnen Sie die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit auf und nehmen Sie den ersten Messwert des Qualitätsfaktors Q0und der Resonanzfrequenz f0 des leeren Hohlraums.
- Positionieren Sie die Probe, die im Probenhalter gesichert ist, über dem Schlitz in der Mitte des Hohlraums. Während der Messungen wird die Probe durch diesen Schlitz in Schritten von zunehmendem Volumen Vx = hx w-t, wobei hx die Probenlänge ist, die in den Hohlraum eingeführt wird, und w und t sind die Probenbreite bzw. -dicke.
- Mit dem Vernier-Sättel auf der Probenhalterung legen Sie die Probe in die Kavität um50 m in Schritten und nehmen Sie bei jedem Schritt Messungen des Qualitätsfaktors und der Resonanzfrequenz, bis die Probe 10 mm (1 cm) in den Hohlraum abgesenkt wurde.
- Ziehen Sie die Probe in den gleichen Schritten von 50 m aus dem Innenraum zurück und nehmen Sie Messungen des Qualitätsfaktors und der Resonanzfrequenz, bis die Probe vollständig zurückgezogen wurde.
- Bewahren Sie die Probe zwischen Glasrutschen auf und bringen Sie sie in die Stickstoffatmosphäre zurück.
- Der dielektrische Verlust, n", der Papierproben wird aus dem Slop der Störung gewonnen (Gleichung 1). Optional kann die Dielektrizitätskonstante, ' aus dem gemessenen Vx, und der Resonanzfrequenz fx durch Lösen der Störgleichungen für (' – 1) wie in andernorts beschrieben18, 19,20.
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Representative Results
Begründung für die Wahl des 60°-Streifenwinkels
Die Schnittausrichtung der Testprobe beeinflusst die Größe des dielektrischen Ansprechgangs, wie in Abbildung 2dargestellt. In ersten Experimenten wurden Teststreifen aus den orthogonalen Winkeln des Blattes geschnitten, wie es üblich ist, um physikalische Eigenschaften in der Papierwissenschaft zu messen; Streifen, die aus nichtorthogonalen Winkeln entlang des Papierbogens geschnitten wurden, haben jedoch die größte Auflösung zwischen den Papiertypen, insbesondere bei den 45°- und 60°-Orientierungen15,erbracht. Dieser Ansprechunterschied kann auf der Grundlage der bevorzugten Ausrichtung der Zellulosekette rationalisiert werden, die etwa 30°-45° vom Normalen abweicht, innerhalb der Cellulose-Mikrofibrilstruktur innerhalb der Zellwände lebender Pflanzen21 ,22. Dielektrische Untersuchungen zur Faserausrichtung von werkseitig gefertigten Papierbögen haben gezeigt, dass die Ausrichtung der Cellulose-Polymerketten entlang der Draht- und Filzseite des Blechs etwa 30° von der Maschinenrichtung entfernt ist, was unserem Bezeichnung der 60°-Ausrichtung entlang des Papierblattes23,24.
Auswirkungen der Konzentrationen von Baumwollfasern auf den Dielektrizitätsverlust
Abbildung 3 zeigt die dielektrischen Verlustprofile von baumwollhaltigen Anleihepapieren, die von der US-Bundesregierung mit 60°-Streifen beschafft wurden. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung der einzelnen Messungen dar. Die Daten zeigen deutlich die Fähigkeit der Resonanzhöhle, zwischen Bondpapieren verschiedener Konzentrationen von Baumwollfasern zu unterscheiden. Dies steht im Einklang mit unserer früheren Arbeit, bei der wir mit der RCDS-Technik zwischen Papieren unterschiedlicher Nicht-Holzfaserkonzentrationen aus pflanzlichen Quellen wie Demhersal, Kakaoschalen und Bambus15unterschieden haben.
Auswirkungen von Umweltbedingungen auf die Testergebnisse
Es ist wichtig, die Kontrolle über Labortemperatur und Luftfeuchtigkeit während der Prüfung von Materialien zu halten. Papier ist natürlich hygroskopische Mischung. In unserer Arbeit fanden wir heraus, dass die Temperatur einen sehr nominellen Einfluss auf das dielektrische Profil einer Papierprobe hat. Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) des Labors hat jedoch einen viel größeren Einfluss auf die Ergebnisse. Abbildung 4 vergleicht die Ergebnisse der von der Bundesregierung beschafften 100% Baumwollanleihenpapiere mit 46% RH bzw. 49% RH. Im Allgemeinen haben wir bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit reproduzierbarere Dielektrizitätsverluste von Probe zu Probe erhalten. Daher ist es ratsam, Papierproben unter gut kontrollierten Umgebungsbedingungen zu testen, um Probenvergleiche zu ermöglichen.
Relatives Alter des Papiers
Die RCDS-Technik hat einen unglaublichen Nutzen jenseits der Speziation. Wir haben in unseren anderen Arbeiten die Fähigkeit der Resonanzhöhle gezeigt, zwischen relativ endenden Baumwollbondpapieren mit gleichem Gehalt zu unterscheiden, die im Abstand von 40 Jahren hergestellt werden. Ältere Papierproben weisen niedrigere durchschnittliche Dielektrizitätsverlustwerte auf als neuere Papiere, was auf den Verlust der Polarisierbarkeit infolge des Abbaus des Cellulosepolymers25hindeutet.
Unsere Experimente an künstlich gealterten Papieranalyten zeigen auch deutliche Unterschiede zwischen den Vor- und Nachuv-Lichtfading-Experimenten sowohl an jungfräulichen (0% PCW) als auch (30% PCW) Papieren. Wie in Abbildung 6dargestellt, ist nach 169 h UV-beschleunigter Alterung der Abbau des Cellulosepolymers erkennbar, da die durchschnittlichen dielektrischen Verlustwerte sowohl für die jungfräulichen als auch für die recycelten Sorten gesunken waren. Es ist bemerkenswert, dass die Technik auch nach der beschleunigten Reifung sanieren kann zwischen den nativen und recycelten Materialien25.
Wiedergewonnener Fasergehalt von White Office Papers
Wir haben die dielektrischen Verlustdaten auf White Office Papers von mehreren Herstellern zusammengestellt, die unterschiedliche Prozentsätze der beworbenen Helligkeit (hauptsächlich aufgrund proprietärer Additive) und PCW-Recycling-Inhalte aufweisen. Es scheint einige noch zu verstehen Beziehung zwischen dem Recycling-Faser-Gehalt und die beworbene Helligkeit des Papieranalyten. Im Allgemeinen ist in Kohorten von Papieren der gleichen Qualität der durchschnittliche dielektrische Verlust mit steigender Herstellerhelligkeit verstorben, obwohl die beworbenen Helligkeitswerte für die gleiche Art von Papieren im Wesentlichen von Hersteller an Hersteller. Abbildung 5 zeigt ein Konturdiagramm, das auf einer linearen Regressionsanpassung basiert, die den dielektrischen Verlust von weißem Bürokopierpapier auf der Grundlage der beworbenen Helligkeit und des recycelten Altpapiergehalts (% PCW) der Analyten des Herstellers zeigt. Die Daten deuten darauf hin, dass der Dielektrizitätsverlust auch empfindlich auf optische Aufheller und andere Additive reagiert, die die verschiedenen Hersteller verwenden, um die beworbene Helligkeit zu erhalten.
Abbildung 1: Veränderungen des Hohlraumqualitätsfaktors (Gleichung 1) als Funktion das probeneingefügte Volumen, Vx, für mehrere Proben: 25%-(rote Dreiecke), 50% (blaue Kreise) bzw. 100% Bond-Baumwollpapierproben (grüne Quadrate) . Die Steigung der Parzellen stellt für jede Probe den Dielektrizitätsverlust , , , dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Ein Vergleich des dielektrischen Ansprechs nach Streifenwinkel (0°, 45°, 60° und 90°) für native "As-Received" blaue 24-lb Büropapiere vor (grüne Kreise) und nach UV-Ausblendung für 169 h (rote Quadrate). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von mindestens fünf Einzelmessungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3:Dielektrische Verlustprofile baumwollhaltige Rindspapierproben, die verschiedene Mengen Baumwolle enthalten, die in 60°-Streifen geschnittensind. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von mindestens fünf Einzelmessungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4:Ein Vergleich des dielektrischen Ansprechverhaltens von 100 % Baumwollbondpapier bei wechselnder Luftfeuchtigkeit, der zeigt, dass der Dielektrizitätsverlust bei höherer relativer Luftfeuchtigkeit reproduzierbarer zu sein scheint. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von mindestens fünf Einzelmessungen dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5:Ein Konturdiagramm, das auf einer linearen Regressionsanpassung basiert und den erwarteten dielektrischen Verlust von weißem Bürokopierpapier auf der Grundlage der beworbenen Helligkeit des Herstellers und des Recycling-Altpapiergehalts (% PCW) der Analyten zeigt. Die Daten deuten darauf hin, dass der Dielektrizitätsverlust auch empfindlich auf optische Aufheller und die anderen Additive reagiert, die verschiedene Hersteller verwenden, um die beworbene Helligkeit zu erhalten. Die in dieser Abbildung verwendeten Daten wurden mit 60°-Teststreifen erhoben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Bestimmung des relativen Alters von Papier von 30% Post-Consumer Waste (PCW) recycelten und nativen (0% PCW) Blättern des gleichen Herstellers, Basisgewicht und Farbton durch künstliche Alterung für 169 Stunden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Differenzierung von Papieren, die aus einer Vielzahl von Fasermischungen durch dielektrischen Verlust im Vergleich zu prozentualen ungebleichten Weichholzkraft (UBSK) Baumfasern hergestellt werden. Baumwolle = 100% Baumwolle; Bambus-Baumwolle = 90% Bambus/10% Baumwolle; SUBSK = 80% Salbei/20% UBSK; CUBSK = 60% Kakaoschale/40% UBSK. Messungen bei 32% relativer Luftfeuchtigkeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Wir haben an anderer Stelle gezeigt, dass das Vorhandensein von Ligningehalt von Fasern das dielektrische Verhalten von hergestellten Papieren signifikant verändert15. Die Speziation ist nicht nur bei der QS/QC-Prüfung moderner Papiere wichtig, sondern auch bei der Erforschung historischer Papiere, die überwiegend aus nicht-holzpflanzlichen Quellen wie Bambus, Hanf, Flachs und Papyrus hergestellt wurden. Wie in Abbildung 7dargestellt, kann unsere Technik zwischen Nicht-Holz-Pflanzenquellen unterscheiden (100% Baumwollpapier gegenüber 90% Bambus / 10% Baumwollpapier). Dies steht im Einklang mit früheren Arbeiten, die andere dielektrische spektroskopische Techniken verwenden, um zwischen gereinigten Formen pflanzlicher, bakterieller, tierischer und rekonstituierter Zellulose und zwischen weißem Wove-Papier und Zeitungspapier zu unterscheiden, die mit verschiedene Arten von Zellstoff mit verschiedenen Verfahren6,26,27. So können dielektrische Verlustprofile die morphologischen Unterschiede in Zelluloseketten aus verschiedenen Pflanzenfaserarten und Pflanzenfaserartenmischungen bestätigen. Das Protokoll und die in diesem Papier vorgestellten Ergebnisse basieren auf der Vernehmung des Probenschnitts bei 60° Grad relativ zur Maschinenrichtung (90°). Dieser Ansatz ist neu für die Papierstichprobenanalyse; Derzeit werden Messungen der physikalischen Eigenschaften von Papier in orthogonalen Winkeln entlang der so genannten Maschine (90°) und Kreuzrichtung (0°) durchgeführt. Wir haben durch Experimente festgestellt, dass der 60°-Winkel die beste Diskriminierung aufgrund der Polarisierbarkeit dieser Materialien zwischen einer Vielzahl von industriell hergestellten Proben als den 0°-, 45°- und 90°-Orientierungen für alle in dieser Artikel: Speziation, Bestimmung des relativen Alters und Bestimmung des PCW-Fasergehalts.
Die resonante höhlendielektrische Spektroskopie bietet Papierwissenschaftlern ein leistungsfähiges Werkzeug, um zwischen Papierproben zu unterscheiden. Die Bestimmung des relativen Papieralters und die Identifizierung und Quantifizierung des PCW-Fasergehalts in Papier sind mit dieser Technik möglich, da beide Probleme im Abbau des Cellulosepolymers wurzeln. Der Abbau des Cellulosepolymers verändert den Polymerisationsgrad und die Umgebung, in die Wasser adsorbiert wird, und letztlich die Polarisierbarkeit des Blechs28,29,30. Der thermische Abbau beschleunigt und vergrößert das Ausmaß der Hydrolyse und oxidativen Schädigung des Polymers, und die Menge des gesamten Abbaus des Blattes papier wird auch durch die Bestandteile innerhalb des Blattes oder des Dokuments beeinflusst. Sekundärfasern unterliegen sowohl chemischen als auch physikalischen Verschlechterungen, da sie bei Temperaturen von 60 °C bis 80 °C nach Demerlass der mechanischen Zerkleinerungs- und Zerkleinerungsmechanismen des Re-Pulping steiler bleichen können31 . Diese Prozesse machen die Sekundärfasern kürzer als Frischfasern und abbauen die Sekundärfasern chemisch. Eine weitere Folge des Recyclingprozesses und der Abbauquelle für Sekundärfasern ist die Hornisierung oder das Glühen, Schrumpfen und Aushärten des Cellulosepolymers, wodurch die Morphologie der Polymerkette und die Umgebung, in der Wasser ist zu adsorbieren32. Der Verlust von Hemicellulosen durch Recycling unterscheidet auch den Gehalt an Frischfasern von recyceltem Fasergehalt33,34,35.
Nach bestem Wissen und Gewissen wurden nicht zerstörungsfreie, berührungslose Methoden wie Mikrowellenhöhlen eingesetzt, um die konstituierenden Faserarten oder das Vorhandensein und die Menge der Sekundärfaser in einem Papierblatt zu bestimmen. Sekundärfaser-Inhalte werden derzeit durch forensische Buchhaltungsmethoden von externen Auditing-Organisationen36,37zertifiziert. Historisch gesehen wurden analytische Methoden zur Identifizierung und Quantifizierung von Sekundärfasern in Papier gut angenommen, da sie nicht die erforderliche Genauigkeit zu haben scheinen, die von der Papierherstellungsgemeinschaft gefordert wird (d. h. bestenfalls eine Genauigkeit von 50% der beworbenen Forderung)38,39. In ähnlicher Weise konnten herkömmliche Papiertestprotokolle, Elementaranalysen und Isotopenanalysen kommerziell verfügbarer White Office-Papiere nicht mit statistischem Vertrauen zwischen Papieren mit nativem und sekundärem Fasergehalt unterscheiden. 40,41,42. Methoden zur Bestimmung des Alters von Papier, wie Carbon-14-Datierung, sind auch mühsam und destruktiv und können nicht mit einer angemessenen Genauigkeit auf zeitgenössischen Proben durchgeführt werden. Die resonante dielektrische Spektroskopiemethode für Dierhöhlen, die wir hier demonstriert haben, ist vielseitig genug, um die messtechnischen Grenzen der TAPPI T 401 Methode der Faseranalyse zu erfüllen und zu überschreiten. Unsere Arbeit zeigt, dass die berührungslose In-situ-Technik gut geeignet ist, Materialien basierend auf den Arten und Mengen von Cellulosepolymeren, die sie enthalten, sowie dem Niveau und den Arten des Abbaus des Cellulosepolymers zu charakterisieren, unabhängig davon, ob wenn dieser Abbau aufgrund des Alters (natürlich oder beschleunigt) oder durch das Vorhandensein von Sekundärfasern vorhanden ist. Bisher haben wir keine Handblätter oder andere Arten von handarbeitten Papieren geprüft und können daher die Auswirkungen der Probenorientierung auf Papiere, die nicht industriell hergestellt werden, nicht kommentieren. Es ist nicht notwendig, die Feuchtigkeitsbestimmung von Papierproben (die in einem Laborofen bei 105 °C durchgeführt wird) durchzuführen, da die Permittivitätsmessungen im Wesentlichen als Proxy für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts dienen43. Temperatur und Luftfeuchtigkeit tragen zu den gemessenen Werten bei, und es ist wichtig, Proben zu vergleichen, die unter den gleichen Umgebungsbedingungen analysiert werden.
Die wichtigsten Schritte innerhalb des in dieser Arbeit vorgestellten Protokolls umfassen die genaue Anpassung der Probenprüfstreifen an das Volumen der verwendeten Mikrowellenhöhle. Andere Mikrowellenhohlräume und Probenhalter können jedoch so konzipiert sein, dass sie größere Probenmengen abhören können, ohne dass die Probe verstümmelt werden muss, um eine Analyse durchzuführen, um diese experimentelle Einschränkung zu umgehen.
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Disclosures
Dies ist ein Beitrag des National Institute of Standards and Technology, der nicht dem Urheberrecht unterliegt. In diesem Bericht werden bestimmte kommerzielle Ausrüstungen, Instrumente oder Materialien identifiziert, um das Versuchsverfahren angemessen zu spezifizieren. Diese Identifizierung soll weder eine Empfehlung oder Billigung durch das National Institute of Standards and Technology oder das United States Government Publishing Office implizieren, noch soll sie implizieren, dass die identifizierten Materialien oder Ausrüstungen notwendigerweise das Beste, was für den Zweck zur Verfügung steht. Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
United States Government Publishing Office und das National Institute of Standards and Technology.
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 |
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