Summary
Ett protokoll för oförstörande analys av fiberinnehåll och relativ ålder av papper.
Abstract
De nuvarande analytiska teknikerna för att karakterisera tryck-och grafik substrat är till stor del ex situ och destruktiv. Detta begränsar mängden data som kan erhållas från ett enskilt prov och gör det svårt att producera statistiskt relevanta data för unika och sällsynta material. Resonans håla dielektrisk spektroskopi är en oförstörande, kontaktlös teknik som samtidigt kan förhöra båda sidor av en presenad material och ge mätningar som är lämpliga för statistiska tolkningar. Detta ger analytiker möjlighet att snabbt diskriminera mellan tälttak material baserat på sammansättning och lagring historia. I denna metod artikel, visar vi hur kontaktlös resonant hålighet dielektrisk spektroskopi kan användas för att skilja mellan papper analyter av varierande fiber arter kompositioner, för att bestämma den relativa åldern på papperet, och att upptäcka och kvantifiera mängden återvunnet fiberinnehåll i tillverkade kontorspapper (PCW).
Introduction
Papper är en presenning, heterogen, tillverkad produkt består av cellulosafibrer, dimensionering agenter, oorganiska fyllmedel, färgämnen, och vatten. Cellulosafibrerna kan komma från en mängd olika växtkällor; råvaran bryts sedan ned genom en kombination av fysikaliska och/eller kemiska behandlingar för att tillverka en fungerande massa som främst består av cellulosafibrer. Cellulosan i pappersprodukten kan också återvinnas sekundär, eller återvunnet fiber1. Den TAPPI metod T 401, "fiber analys av papper och papp," är för närvarande den toppmoderna metoden för att identifiera fiber typer och deras nyckeltal som finns i ett pappersprov och utnyttjas av många samhällen2. Det är en manuell, kolorimetrisk teknikberoende av på synskärpa av en specialutbildad mänsklig analytiker att urskilja de ingående fibertyper av ett papper prov. Dessutom är provberedning för TAPPI 401 metoden mödosam och tidskrävande, vilket kräver fysisk förstörelse och kemisk nedbrytning av pappers provet. Färgning med speciellt ordinerade reagenser gör fiberprover föremål för effekterna av oxidation, vilket gör det svårt att arkivera prover för bevarande eller prov bank. Således är resultaten från TAPPI metod T 401 föremål för mänsklig tolkning och är direkt beroende av den visuella urskiljning av en individuell analytiker, som varierar beroende på den enskildes erfarenhetsnivå och utbildning, vilket leder till inneboende fel När resultaten jämförs mellan och inom prov uppsättningar. Flera källor av inexaktheter och felaktigheter finns också3. Dessutom är TAPPI-metoden oförmögen att bestämma kvantiteten av sekundär fiber eller den relativa åldern av pappersprov4,5.
I motsats, den resonans hålighet dielektrisk spektroskopi (RCDS) teknik som vi beskriver i denna artikel erbjuder analytiska funktioner som är väl lämpade för papper undersökningar. Dielektrisk spektroskopi sonder avslappnings dynamiken i dipoler och mobila Laddhållare inom en matris som svar på snabbt föränderliga elektromagnetiska fält, såsom mikrovågsugnar. Detta innebär molekylär roterande omorientering, gör RCDS särskilt väl lämpad att undersöka dynamiken i molekyler i trånga utrymmen, såsom vattnet adsorberat på cellulosafibrer inbäddad i ett pappersark. Genom att använda vatten som en sond molekyl, kan RCDS samtidigt extrahera information om kemisk miljö och fysikalisk konformation av cellulosapolymer.
Den kemiska miljön i Cellulosafibrerna påverkar omfattningen av vätebindning med vattenmolekyler, därav enkelheten i rörelse som svar på fluktuerande elektromagnetiska fält. Den cellulosahaltiga miljön bestäms delvis av koncentrationerna av hemicellulosa och lignin i pappersanalyten. Hemicellulosa är en hydrofila Grenade polymer av pentoses, medan lignin är en hydrofob, tvärbunden, fenolpolymer. Mängden hemicellulosa och lignin i pappersfiber är en följd av papperstillverkningen. Adsorberat vatten i papper skiljeväggar mellan hydrofila platser, och vätebindning inom cellulosa polymer, särskilt med adsorberat vattenmolekyler, påverkar graden av tvärbindning inom cellulosa struktur, nivån på polarizability, och arkitekturen av porer inom cellulosa polymer5. Den totala dielektriska svar av ett material är en vektor summan av alla dipol stunder i systemet och kan särskiljas via dielektrisk spektroskopi genom användning av effektiva medel teorier6,7. Likaså är kapacitansen hos ett dielektriskt material omvänt proportionellt mot dess tjocklek. Därför är resonant hålighet dielektrisk spektroskopi idealisk för att studera prov-till-prov tjocklek reproducerbarhet av ultratunna filmer material som papper8,9,10. Även om det finns en betydande mängd arbete som rör användningen av dielektriska spektroskopi tekniker för att studera trä och cellulosa produkter, omfattningen av dessa studier har begränsats till pappers tillverkningsproblem11,12 ,13. Vi har utnyttjat den anisotropiska karaktären av papper för att demonstrera tillämpningen av jordfelsbrytare för att testa papper bortom fukt och mekaniska egenskaper14,15,16 och för att visa att det ger numeriska data som kan användas i kvalitetssäkrings tekniker som mätar kapacitetsstudier och Statistisk processtyrning i realtid (SPC). Metoden har också inneboende kriminaltekniska kapacitet och kan användas för att kvantitativt konfrontera miljömässiga hållbarhetsfrågor, stödja ekonomiska intressen och upptäcka förändrade och förfalskade dokument.
Resonant hålrum dielektrisk spektroskopi (RCDS) teori och teknik
RCDS är en av flera dielektrisk spektroskopi tekniker som är tillgängliga17; det valdes specifikt eftersom det är icke-kontakt, icke-förstörande, och experimentellt enkel i jämförelse med andra metoder för dielektrisk spektroskopi. Till skillnad från andra analytiska tekniker som används för att studera papperets egenskaper eliminerar RCDS behovet av dubbla mått uppsättningar för att redogöra för de två sidorna i ett prov blad18. Den resonant Microwave kaviteten tekniken har fördelen av att vara känslig för både ytan och bulk ledningsförmåga. Till exempel bestäms ytkonturen av ett provmaterial genom att spåra en förändring av kvalitetsfaktorn (Q-faktorn) i håligheten som ett prov successivt sätts in i kaviteten i kvantitativ korrelation med provvolymen18 ,19,20. Ledningsförmåga kan erhållas genom att helt enkelt dividera ytkonduktans med preparat tjockleken. Ytan värmeledningsförmåga av en tunn, tälttak material som papper fungerar som en proxy för dielektrisk profil av ett material under test (MUT), eftersom det är direkt proportionell mot dielektrisk förlust, ε ", av Mut18,19, 20. dielektrisk förlust är en indikation på hur mycket värme som skingras av ett dielektriskt material när ett elektriskt fält appliceras över det; material med större konduktans kommer att ha en högre dielektrisk förlust värde än mindre ledande material.
Experimentellt, den dielektriska förlusten, ε ", som är associerad med prov ytan extraheras från minskningstakten av resonans kvalitetsfaktor (Q) (dvs. energiförlust), med ökande volym av prov19. Q bestäms vid resonant frekvens f från 3 dB bredd, Δf, av resonant Peak vid resonant frekvens f, Q = Δf /f. Denna relation är kvantitativt korrelerad med lutningen på den linje som anges i ekvation 1 nedan, 
där representerar skillnaden mellan det reciproka värdet av q-faktorn för preparatet från q-faktorn i det tomma håligheten, 
är förhållandet mellan volymen det infogade preparatet till den tomma håligheten, och linje skärningspunkten, b ", står för det icke-enhetliga fältet i preparatet, som visas i figur 119.
(Ekvation 1)
I denna artikel, vi illustrerar den breda nyttan av denna teknik genom att bestämma förhållandet mellan fiber arter (artbildning), bestämning av den relativa åldern av naturligt och artificiellt äldre papper, och kvantifiera den återvunna fiberinnehållet i vit kontors kopiator pappersanalyter. Medan RCDS tekniken kan vara lämplig för att studera andra ämnen, såsom åldrandefrågor i pappers isolering i elektriska apparater, sådana studier är utanför tillämpningsområdet för det nuvarande arbetet, men skulle vara intressant att fortsätta i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. inställning av material
- Registrera all tillverkningsinformation som medföljer pappersbunt (t. ex. bas vikt, tillverkarens annonserade PCW-innehåll och tillverkarens annonserade ljusstyrka).
- Ta ett genomsnitt av tio tjocklek mätningar längs ett ark från bunt, med hjälp av en bromsmor.
- Identifiera maskinen och kors riktningar av arket (dvs. maskinens riktning är den långa dimensionen).
- Använda en gradskiva identifiera och klippa papperet längs den önskade remsan vinkeln mellan maskinen och kors riktningar.
- Med hjälp av en roterande fräs, skiva testremsor 0,5 cm bred med 8 cm lång i målorientering för provet.
- Etikettprover från ena änden och förvara mellan glas mikroskopi diabilder. Förvaras till test under kväveatmosfär.
Obs: det är tillrådligt att bära handskar och utföra hantering med pincett för att undvika att skrynklor och/eller kontaminera pappers proven.
2. accelererad testning av pappers blekning
Anmärkning: pappersprov är under UV-ljus vid förhöjd temperatur vid laboratorie luftfuktighet. Åldrandet utförs med hjälp av en accelererad vittring kammare utrustad med 340 nm UVA lökar, vid en irradians av 0,72 W/m2 vid 50 ° c för 169 h, genom att följa följande protokoll.
- Kalibrera UV-sensorer, genom att köra kalibrering radiometer rutin pre-förprogrammerad i UV-baserade accelererad vittring kammaren.
- Kalibrera temperatursensorerna genom att köra P4-kalibreringspanelens temperatur program förprogrammerad i vittring kammaren.
- Mät de pappers provens pre-post-aging färg med hjälp av en bärbar spektrofotometer som verkar i det synliga våg området från 400 nm till 800 nm.
- Välj lämpliga standardprovcykler som är förprogrammerade i vittring kammaren.
- Montera hela ark av test papper på den platta panelen (valfritt, montera ett ark av vardera sidan av den platta panelen).
- Fäst de platta panelerna till provet hållare med Snap ringar, trycka ringarna tätt mot panelen.
- Montera panel hållarna med stopp stiftet nedåt.
- Fäst aluminium ämnen att montera i panel hållare för kondensation.
- För enhetlig exponering, flytta proverna (minst fem gånger) under provningscykeln.
- Mät den efteråldrande färgen på pappers proven med en portabel spektrofotometer.
- Klipp ut prov remsor ur de gamla pappers proven för att passa resonans hålan. Den typiska preparatytan är 0,5 cm (bredd) x 8 cm (längd).
Anmärkning: för dessa tester använder vi kommersiellt producerade färgade 90 g/m2 (GSM) (24 lb) kontorspapper av två olika kompositioner: Virgin och 30% återvunna fibrer (dvs 0% och 30% efter konsument avfall [PCW] återvunnet fiberinnehåll, respektive).
3. inställning av utrustning och med resonant hålighet mätningar
Anmärkning: Den resonant hålighet provning fixtur består av en luftfylld standard WR-90 rektangulär vågledare. Kaviteten har en 10 mm x 1 mm slot bearbetad i centrum för att infoga preparatet. Vågledaren avslutas i båda ändarna av WR-90 till koaxialadaptrar som förbinder kaviteten med en mikrovågsnätverksanalysator via halvstyv koaxialkabel. Kopplingen adaptrar är nästan tvär polariserad med avseende på vågledare polarisation vinkel, vilket skapar skarpa impedans diskontinuitet vid både vågledare slutar och därmed hålighet väggarna. Polarisation vinkeln är ca 87 °, vilket är tillräckligt för att uppnå optimal kraft lastning i hålighet samtidigt maximera kvalitetsfaktorn. Kvalitetsfaktorn, Q0, och resonansfrekvensen, f0, av den tomma håligheten vid det tredje udda resonant läge te103 där vi gör mätningarna är 3,200 respektive 7,435 GHz. Mätningarna utförs i omgivnings laboratorieförhållanden genom att följa nedanstående protokoll.
- Anteckna temperatur och relativ fuktighet och ta den första behandlingen av kvalitetsfaktorn Q0, och resonansfrekvensen f0 i det tomma hålet.
- Placera preparatet säkrat i provhållaren ovanför facket i mitten av kaviteten. Under mätningarna sätts preparatet in i hålighet genom denna lucka i steg om volym Vx= hx· w · t, där hx är preparat längden insatt i hålighet, och w och t är preparathållarbredden respektive tjockleken.
- Använd Vernier-bromskoket på prov fästet och sätt in provet i kaviteten med Δhx = 50 μm steg och ta avläsningar av kvalitetsfaktorn och resonansfrekvensen vid varje steg tills provet har sänkts 10 mm (1 cm) in i kaviteten.
- Dra tillbaka provet från insidan med samma steg om 50 μm och ta avläsningar av kvalitetsfaktorn och resonansfrekvensen tills provet har dragits in helt.
- Förvara provet mellan glas rutschbanor och returnera dem till kväveatmosfär.
- Dielektrisk förlust, ε ", av pappers proven erhålls från den slör av störning (ekvation 1). Alternativt kan den dielektriska konstanten, ε "erhållas från uppmätt Vx, och resonansfrekvensen fx genom att lösa de störning ekvationer för (ε" – 1) som beskrivs i annanstans18, 19,20.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Motivering för val av 60 °-bandvinkel
Testprovets snitt orientering påverkar omfattningen av det dielektriska svaret, vilket visas i grafen i figur 2. I inledande experiment, testremsor klipptes från rätvinkliga vinklar av arket, som är standard praxis för mätning av fysikaliska egenskaper i pappers vetenskap; men remsor som skärs från icke-ortogonala vinklar längs pappers bladet har gett den största upplösningen mellan papperstyper, särskilt vid 45 ° och 60 ° riktningar15. Denna svars skillnad kan rationaliseras på basen på den preferens-orienteringen av cellulosa kedjar, det avviker ungefärligt 30 °-45 ° från det normala, inom cellulosamicrofibrillen strukturerar insida cellväggarna av bosatt växter21 ,22. Dielektriska studier på fiber orientering av fabrikstillverkade papper ark har visat att längs både tråd och filt sidor av arket, är inriktningen av cellulosa polymer kedjorna ca 30 ° från maskinens riktning, vilket motsvarar vår beteckning på 60 °-orientering längs pappersarket23,24.
Effekten av koncentrationer av bomullsfibrer på dielektrisk förlust
Figur 3 visar dielektriska förlust profiler av bomull som innehåller Bond papper upphandlas av den amerikanska federala regeringen med 60 ° remsor. Felstaplarna representerar standardavvikelsen för de enskilda mätningarna. Uppgifterna visar tydligt resonant hålighet förmåga att skilja mellan Bond papper av olika koncentrationer av bomull fiber. Detta är förenligt med vårt tidigare arbete, där vi använde RCDS teknik för att skilja mellan papper av varierande icke-trä fiber koncentrationer som härrör från växtkällor såsom ört salvia, kakao skal, och bambu15.
Miljö villkorens inverkan på provningsresultaten
Det är viktigt att bibehålla kontrollen över laboratorie temperatur och fuktighet vid provning av material. Papper är naturligt hygroskopisk blandning. I vårt arbete fann vi att temperaturen har en mycket nominell inverkan på dielektrisk profil av ett pappersprov. Laboratoriets relativa fuktighet (RH) utövar dock en mycket större påverkan på resultaten. Figur 4 jämför resultaten av tester 100% bomull Bond papper upphandlas av den federala regeringen på 46% rh och 49% RH, respectively. I allmänhet fick vi mer reproducerbara prov-till-prov dielektrisk förlust resultat vid högre relativ luftfuktighet. Därför är det tillrådligt att testa pappersprover under väl kontrollerade miljöförhållanden för att möjliggöra prov jämförelser.
Papperets relativa ålder
Den RCDS tekniken har otrolig nytta bortom speciation. Vi har visat i vårt andra arbete resonant hålighet förmåga att skilja mellan relativa ålder bomull Bond papper av samma innehåll tillverkas 40 år isär. Äldre pappersprov uppvisar lägre genomsnittliga dielektriska förlustvärden än nyare papper, vilket tyder på förlust av polarisabilitet som ett resultat av nedbrytningen av cellulosa polymer25.
Våra experiment på artificiellt föråldrade papper analyter visar också tydliga skillnader mellan före och efter UV-ljus blekning experiment på både Virgin (0% PCW) och (30% PCW) papper. Som visas i figur 6, efter 169 h UV-accelererad åldrande, nedbrytningen av cellulosapolymer är urskiljbar som den genomsnittliga dielektriska förlustvärden hade minskat för både jungfru och återvunna sorter. Det är anmärkningsvärt att tekniken kan skilja mellan jungfru och återvunnet material även efter den accelererade åldrande perioden25.
Återvunna fiberinnehåll av vita kontorspapper
Vi har sammanställt dielektrisk förlust data på vita kontorspapper från flera tillverkare med varierande procent av annonserade ljusstyrka (främst på grund av egenutvecklade tillsatser) och PCW återvunnet material. Det verkar finnas en del ännu inte förstått förhållandet mellan återvunnet fiberinnehåll och den annonserade ljusstyrkan på papperet analyte. I allmänhet inom kohorter av papper av samma kvalitet den genomsnittliga dielektriska förlusten avled med ökande tillverkarens annonserade ljusstyrka, även om den annonserade ljusstyrkan värden för samma typ av papper granskas varierade avsevärt från tillverkaren. Figur 5 presenterar en kontur Plot bygger en linjär regression passform som visar dielektrisk förlust av vita kontors kopiator papper baserat på tillverkarens annonserade ljusstyrka och återvunnet avfall pappers innehåll (% PCW) av analyterna. Uppgifterna tyder på att dielektrisk förlust är också känslig för optiska vitmedel och andra tillsatser de olika tillverkarna använder för att få den annonserade ljusstyrkan.
Figur 1: förändringar i kvalitetsfaktorn för hålighet (ekvation 1) som en funktion preparatet insatt volym, Vx, för flera prover: 25%-(röda trianglar), 50% (blå cirklar) och 100% papper Bond bomull prover (gröna rutor), respektive . Sluttningen av tomterna representerar dielektrisk förlust, ɛ ", för varje prov. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: en jämförelse av dielektriska svar med remsor vinkel (0 °, 45 °, 60 °, och 90 °) för Virgin "som-mottagna" blå 24-lb kontorspapper innan (gröna cirklar) och efter UV-blekning för 169 h (röda fyrkanter). Felstaplar representerar standardavvikelsen för minst fem enskilda mätningar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: dielektrisk förlust profiler bomulls innehållande Bond-pappersprover som innehåller olika mängder bomull skurna i 60 ° remsor. Felstaplar representerar standardavvikelsen för minst fem enskilda mätningar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: en jämförelse av dielektrisk respons på 100% bomull Bond papper i förändrade omgivande luftfuktighet, visar att dielektrisk förlust verkar vara mer reproducerbara vid högre relativ luftfuktighet. Felstaplar representerar standardavvikelsen för minst fem enskilda mätningar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: en kontur, baserad på en linjär Regressions passform, som visar den förväntade dielektriska förlusten av vit kontors kopiator papper baserat på tillverkarens annonserade ljusstyrka och det återvunna pappers innehållet (% PCW) för analyterna. Uppgifterna tyder på att dielektrisk förlust är också känslig för optiska vitmedel och andra tillsatser olika tillverkare använder för att få den annonserade ljusstyrkan. De data som används i denna siffra samlades in med 60 ° testremsor. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: bestämning av den relativa åldern på papper med 30% återvunnet och jungfruligt (0% PCW) ark av samma tillverkare, bas vikt och nyans genom artificiellt åldrande i 169 timmar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: differentiering av papper som tillverkats av en mängd olika fiberblandningar genom dielektrisk förlust kontra procent oblekt Barr kraft (UBSK) träd fibrer. Bomull = 100% bomull; Bambu-bomull = 90% bambu/10% bomull; SUBSK = 80% salvia/20% UBSK; CUBSK = 60% kakao Husk/40% UBSK. Mätningar utförda vid 32% relativ luftfuktighet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har visat på annat håll att närvaron av lignin innehåll av fibrer avsevärt förändrar dielektriska beteende av tillverkade papper15. Artbildning är inte bara viktigt i QA/QC testning av moderna papper men av stort intresse för studiet av historiska papper som huvudsakligen tillverkas av icke-trä växtkällor, såsom bambu, hampa, lin, och papyrus. Som framgår i figur 7, vår teknik kan skilja mellan icke-trä växtkällor (100% bomull papper kontra 90% bambu/10% bomull papper). Detta är förenligt med tidigare arbete med andra dielektriska spektroskopiska tekniker för att skilja mellan renade former växt-, bakterie-, djur-och rekonstituerade cellulosor och mellan vitt vävde-papper och nyhets Sprint som tillverkas med olika typer av ved massa med olika processer6,26,27. Således kan dielektrisk förlust profiler bekräfta morfologiska skillnader i cellulosa kedjor från olika växt fiber arter och växt fiber arter blandningar. Protokollet och de resultat som presenteras i detta dokument bygger på förhör provet skära vid 60 ° grader i förhållande till maskinens (90 °) riktning av papperet. Detta tillvägagångssätt är nytt för provanalys av papper; för närvarande mätningar av fysiska egenskaper av papper utförs i ortogonala vinklar längs vad som kallas maskinen (90 °) och Cross (0 °) riktningar. Vi fann, genom experiment, att 60 ° vinkeln ger den bästa diskrimineringen baserad på polarizabilityen av dessa material mellan ett brett spektrum av industriellt tillverkade prover än 0 °, 45 ° och 90 ° riktlinjer för alla de ändamål som diskuteras i Denna artikel: artbildning, bestämning av relativ ålder, och bestämning av PCW fiberinnehåll.
Den resonant hålrum dielektrisk spektroskopi ger papper forskare med ett kraftfullt verktyg för att diskriminera papper prover. Bestämning av den relativa åldern av papper och identifiering och kvantifiering av PCW fiberinnehåll i papper är möjliga med denna teknik eftersom båda problemen är rotade i nedbrytningen av cellulosapolymer. Nedbrytningen av cellulosapolymer förändrar graden av polymerisation och miljön i vilken vatten adsorberas och i slutändan mängden polarizabilityen av arket28,29,30. Termisk nedbrytning accelererar och förstorar omfattningen av hydrolys och oxidativ skada på polymeren, och mängden av den totala nedbrytningen till pappersarket påverkas också av de ingående materialen i arket eller dokumentet. Sekundära fibrer genomgår både kemisk och fysikalisk nedbrytning, eftersom de kan utsättas för flera iterativa blekning cykler vid temperaturer mellan 60 ° c och 80 ° c efter varaktig den mekaniska hackning och fragmentering mekanismer för re-Pulping31 . Dessa processer gör de sekundära fibrerna kortare än Virgin fibrer, samt kemiskt förnedrande sekundära fibrer. En annan konsekvens av återvinningsprocessen och källan till nedbrytning för sekundära fibrer är hornification, eller glödgning, krymper och härdning av cellulosapolymer, vilket förändrar morfologin av polymerkedjan och den miljö där vatten ska adsorberas32. Förlusten av hemicellulosor på grund av återvinning också skiljer Virgin från återvunnet fiberinnehåll33,34,35.
Till det bästa av vår kunskap, icke-förstörande, kontaktlösa metoder såsom mikrovågsugn hålighet, har inte använts för att bestämma den ingående fiber arter eller förekomsten och mängden av sekundära fibrer inom ett papper ark. Sekundärt fiberinnehåll är för närvarande certifierat via kriminaltekniska redovisningsmetoder av tredje part revisionsorganisationer36,37. Historiskt sett har analysmetoder för identifiering och kvantifiering av sekundär fiber i papper mottagits väl eftersom de inte förefaller ha den noggrannhet som krävs av papperstillverkande gemenskapen (dvs. i bästa fall en noggrannhet på ± 50% av utannonserat anspråk)38,39. På samma sätt har traditionella papper provningsprotokoll, elementär analys och isotopanalys av kommersiellt tillgängliga vita kontorspapper har inte kunnat skilja med någon statistisk förtroende mellan papper av Virgin och sekundära fiberinnehåll 40,41,42. Metoder för att bestämma åldern på papper, som Carbon-14 dejting, är också mödosamma och destruktiva och kan inte utföras med någon rimlig noggrannhet på samtida prover. Den resonant hålighet dielektrisk spektroskopi metod vi har visat här är mångsidig nog att möta och överträffa de metrologiska gränserna för TAPPI T 401 metod för fiber analys. Vårt arbete visar att den kontaktlösa, in situ-tekniken är väl lämpad för att karakterisera material baserat på de typer och mängder av cellulosapolymer de innehåller, liksom nivån och typerna av nedbrytning upplevs av cellulosapolymer, oavsett om denna nedbrytning är närvarande på grund av ålder (naturlig eller accelererad) eller via närvaron av sekundär fiber. Hittills har vi inte undersökt hand skivor eller andra typer av handgjorda papper och kan därför inte kommentera effekten av prov orientering på papper som inte tillverkas industriellt. Det är inte nödvändigt att utföra fukt bestämning av pappersprov (som utförs i en laboratorie ugn vid 105 ° c) som permittiviteten mätningar i huvudsak fungera som en proxy för vattenhalt bestämning43. Temperatur och luftfuktighet bidrar till de uppmätta värdena, och det är viktigt att jämföra prover som analyseras under samma miljöförhållanden.
De mest kritiska stegen i det protokoll som presenteras i detta arbete innebär att exakt matcha provet prov remsor till volymen av mikrovågshålan används. Men andra mikrovågskaviteter och prov innehavare kan utformas för att kunna förhöra större volymer av provet utan att behöva styva provet för att utföra en analys, kringgå denna experimentella begränsning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Detta är ett bidrag från det nationella institutet för standarder och teknik, och är inte föremål förupphovsrätt. Viss kommersiell utrustning, instrument eller material identifieras i denna rapport för att specificera försöksförfarandet på ett adekvat sätt. En sådan identifiering är inte avsedd att antyda rekommendation eller godkännande från det nationella institutet för standarder och teknik eller Förenta staternas statliga förlags kontor, och är inte heller avsett att antyda att de identifierade materialen eller utrustningen är nödvändigtvis den bästa tillgängliga för ändamålet. Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Förenta staternas regerings-publicerande kontor och medborgareinstitutet av normal och teknologi.
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).
