Temassız Rezonans Kavite Dielektrik Spektroskopik Çalışmalar için Yöntem Geliştirme Selülozik Kağıt

Özet

Lif içeriğinin ve göreceli kağıt yaşının tahribatsız analizi için bir protokol.

Özet

Baskı ve grafik sanatları yüzeyleri karakterize etmek için mevcut analitik teknikler büyük ölçüde ex situ ve yıkıcı. Bu, tek bir örnekten elde edilebilen veri miktarını sınırlar ve benzersiz ve nadir malzemeler için istatistiksel olarak alakalı veriler oluşturmayı zorlaştırır. Rezonans kavite dielektrik spektroskopisi, aynı anda bir sac malzemenin her iki tarafını da sorgulayabilen ve istatistiksel yorumlara uygun ölçümler sağlayan tahribatsız, temassız bir tekniktir. Bu, analistlere kompozisyon ve depolama geçmişine dayalı kaplamalı malzemeler arasında hızlı bir şekilde ayrım yapma olanağı sunar. Bu metodoloji makalesinde, temassız rezonans kavite dielektrik spektroskopinin, farklı lif türleri kompozisyonlarının kağıt analitleri arasında ayrım yapmak, kağıdın göreceli yaşını belirlemek ve tespit etmek ve ölçmek için nasıl kullanılabileceğini göstermekteyiz. üretilen ofis kağıdında tüketici sonrası atık (PCW) geri dönüştürülmüş lif içeriği miktarı.

Giriş

Kağıt selülozik lifler, boyutlandırma maddeleri, inorganik dolgu maddeleri, renklendiriciler ve su oluşan bir kaplamalı, heterojen, imal üründür. Selüloz lifleri bitki kaynaklarının çeşitli kaynaklarından kaynaklanabilir; hammadde daha sonra selüloz lifleri öncelikle oluşan uygulanabilir bir hamuru üretmek için fiziksel ve / veya kimyasal tedavilerin bir kombinasyonu ile bozulur. Kağıt ürünündeki selüloz da ikincil olarak geri kazanılabilir veya geri dönüştürülmüş lif^1. TAPPI Yöntemi T 401, "Kağıt ve mukavemet lif analizi," şu anda lif türleri ve bir kağıt örnek içinde mevcut oranları tanımlamak için sanat yönteminin devlet ve birçok topluluklar tarafından kullanılmaktadır². Bir kağıt örneğinin kurucu lif türlerini ayırt etmek için özel eğitimli bir insan analistinin görme keskinliğine dayanan manuel, kolorimetrik bir tekniktir. Ayrıca, TAPPI 401 yöntemi için numune hazırlama zahmetli ve zaman alıcı, fiziksel yıkım ve kağıt numune kimyasal bozulması gerektiren. Özel olarak reçete edilen reaktiflerle boyama, lif örneklerini oksidasyonun etkilerine maruz kalarak, numunelerin korunması veya numune bankacılığı için arşivletilmesizor hale getirir. Böylece, TAPPI Method T 401'in sonuçları insan yorumuna tabidir ve doğrudan bireyin deneyim ve eğitim düzeyine göre değişen bireysel bir analistin görsel algısına bağlıdır ve bu da doğal hatalara yol açar. sonuçları örnek kümeler arasında ve içinde karşılaştırırken. Birden fazla yanlışlık ve yanlışlık kaynakları^da3 mevcuttur. Ayrıca, TAPPI yöntemi ikincil lif miktarını veya kağıt örneklerinin göreceli yaşını^{belirlemekten acizdir 4,5}.

Buna karşılık, bu makalede tanımladığımız rezonans boşluğu dielektrik spektroskopisi (RCDS) tekniği, kağıt muayeneleri için uygun analitik yetenekler sunmaktadır. Dielektrik spektroskopi, mikrodalgalar gibi hızla değişen elektromanyetik alanlara yanıt olarak bir matris içinde dipollerin ve mobil yük taşıyıcılarının gevşeme dinamiklerini inceler. Bu moleküler dönme yeniden yönlendirme içerir, RCDS özellikle iyi sınırlı alanlarda moleküllerin dinamiklerini incelemek için uygun hale, su gibi selüloz lifleri bir kağıt levha içinde imbedbed. Bir sonda molekülü olarak su kullanarak, RCDS aynı anda kimyasal çevre ve selüloz polimer fiziksel konformasyon hakkında bilgi ayıklayabilirsiniz.

Selüloz liflerinin kimyasal ortamı, hidrojenin su molekülleriyle olan bağının derecesini etkiler, dolayısıyla dalgalanan elektromanyetik alanlara tepki olarak hareket kolaylığı. Selülozik ortam, kısmen, kağıt analyit hemiselüloz ve lignin konsantrasyonları tarafından belirlenir. Hemiselüloz pentozların hidrofilik dallı polimeridir, lignin ise hidrofobik, çapraz bağlı, fenolik polimerdir. Bir kağıt lif hemiselüloz ve lignin miktarları kağıt yapma sürecinin bir sonucudur. Hidrofilik siteler arasındaki kağıt bölmelerde adsorbe su ve selüloz polimer içinde hidrojen bağ, özellikle adsordi su molekülleri ile, selüloz yapısı içinde çapraz bağlantı düzeyini etkiler, düzeyi polarize edilebilirlik ve selüloz polimer⁵içinde gözenekleri mimarisi. Bir malzemenin toplam dielektrik tepkisi sistem içindeki tüm dipol momentlerinin vektör toplamıdır ve etkili orta teoriler^6,7kullanarak dielektrik spektroskopi ile ayırt edilebilir. Benzer şekilde, bir dielektrik malzemenin kapasitans kalınlığı ile ters orantılıdır; bu nedenle, rezonans kavite dielektrik spektroskopi kağıt^8,9,10gibi ultra ince film malzemelerin örnek-to-örnek kalınlığı çoğaltılabilirlik çalışması için idealdir. Ahşap ve selüloz ürünleri üzerinde dielektrik spektroskopi tekniklerinin kullanımı ile ilgili önemli bir çalışma gövdesi olmakla birlikte, bu çalışmaların kapsamı kağıt üretim sorunları ile sınırlı olmuştur^{11,12 ,13}. Biz nem ve mekanik özellikleri¹⁴ötesinde kağıt test etmek için RCDS uygulamasını göstermek için kağıt anizotropik doğa yararlanmış 14^,15,16 ve verimleri göstermek için ölçü yeteneği çalışmaları ve gerçek zamanlı istatistiksel süreç kontrolü (SPC) gibi kalite güvence tekniklerinde kullanılabilecek sayısal veriler. Yöntem aynı zamanda doğal adli yeteneklere sahiptir ve çevresel sürdürülebilirlik endişeleriyle nicel olarak yüzleşmek, ekonomik çıkarları desteklemek ve değiştirilmiş ve sahte belgeleri tespit etmek için kullanılabilir.

Rezonans kavitesi dielektrik spektroskopisi (RCDS) teorisi ve tekniği
RCDS birkaç dielektrik spektroskopi teknikleri mevcut^{biridir 17;} dielektrik spektroskopinin diğer yöntemlerine kıyasla temassız, tahribatsız ve deneysel olarak basit olduğu için özel olarak seçilmiştir. Kağıdın özelliklerini incelemek için kullanılan diğer analitik tekniklerin aksine, RCDS örnek sayfa^18'iniki tarafını hesaba katmak için yinelenen ölçüm kümelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Rezonans mikrodalga kavite tekniği hem yüzeye hem de toplu iletkenliğe duyarlı olma avantajına sahiptir. Örneğin, bir numune malzemenin yüzey iletkenliği, bir numunenin hacim¹⁸ ile nicel korelasyon içinde inceleyerek kaviteye kademeli olarak sokularak boşluğun kalite faktöründeki (Q-Factor) bir değişikliğin izlenmesiyle belirlenir. ^,19,20. İletkenlik, yüzey iletkenliğinin numune kalınlığına bölünmesi ile elde edilebilir. Kağıt gibi ince, kaplamalı bir malzemenin yüzey iletkenliği, mut 18 , 19 , mut ^18,19, test altındaki bir malzemenin dielektrik profili için bir proxy olarak işlev görür, dielektrik kaybı ile doğru orantılı olduğu için , ε", ²⁰- Dielektrik kaybı, bir elektrik alanı uygulandığında bir dielektrik malzeme tarafından ne kadar ısı nın dağıldığında niçin bir göstergesidir; daha fazla iletkenliğe sahip malzemeler, daha az iletken malzemelere göre daha yüksek dielektrik kayıp değerine sahip olacaktır.

Deneysel olarak, dielektrik kaybı, ε", numunenin yüzeyi ile ilişkili kavite rezonans kalite faktörü (Q) (yani, enerji kaybı) azalma oranı elde edilir, örneğin artan hacmi ile¹⁹. Q, rezonans frekansı f, Q = Δ f/frezonans zirvesindeki rezonans tepenin 3 dB genişliğinden f rezonans frekansıf olarak belirlenir. Bu ilişki, aşağıdaki Denklem 1 tarafından verilen çizginin eğimi ile nicel olarak ilişkilidir ve numunenin Q-faktörünün boş boşluğun Q-faktöründen karşıtlığı arasındaki farkı temsil eder ve boş boşluğun hacmine eklenen numune ve satır kesme, b", Şekil 1^19'dagösterildiği gibi, numunedeki tek düze olmayan alanı hesaplar.

(Denklem 1)

Bu makalede, lif türlerinin oranlarını (türleşme) belirleyerek, doğal ve yapay olarak yaşlanmış kağıtların göreceli yaşını belirleyerek ve beyaz ofis fotokopi makinesinin geri dönüştürülmüş lif içeriğini ölçerek bu tekniğin geniş yararını gösteriyoruz. kağıt analizleri. RCDS tekniği elektrik enerjisi cihazlarında kağıt yalıtımında yaşlanma sorunları gibi diğer konuların incelenmesi için uygun olabilirken, bu tür çalışmalar mevcut çalışmanın kapsamı dışında dır ancak gelecekte takip edilmesi ilginç olacaktır.

Protokol

1. Malzemelerin kurulumu

1. Kağıt ream ile sağlanan tüm üretim bilgilerini kaydedin (örneğin, temel ağırlık, üreticinin reklamı pcw içeriği ve üreticinin reklamı parlaklık).
2. Bir kaliper kullanarak, ream bir levha boyunca on kalınlık ölçümleri ortalama alın.
3. Makineyi ve levhanın çapraz yönlerini tanımlayın (yani makine yönü uzun boyuttur).
4. Bir protractor kullanarak tanımlamak ve makine ve çapraz yönler arasında istenilen şerit açısı boyunca kağıt kesti.
5. Bir döner kesici kullanarak, dilim test şeritler 0,5 cm genişliğinde ve 8 cm uzunluğunda örnek için hedef yönde.
6. Bir uçtan alınan örnekleri etiketleyin ve cam mikroskopi slaytları arasında saklayın. Azot atmosferi altında test kadar saklayın.
   NOT: Kağıt örneklerinin buruşmasını ve/veya kirlenmesini önlemek için eldiven giymeli ve cımbızla işlem yapmak tavsiye edilir.

2. Hızlandırılmış kağıt solma testi

NOT: Kağıt numuneleri, laboratuvar ortam nemide yüksek sıcaklıkta UV ışığı altında yaşlanır. Yaşlanma, aşağıdaki protokolü izleyerek, 50 °C'de 0,72 W/m^2'lik bir ışınlama ile 340 nm UVA ampulü ile donatılmış hızlandırılmış bir hava landırma odası kullanılarak gerçekleştirilir.

1. UV tabanlı hızlandırılmış hava landırma odasında önceden programlanmış kalibrasyon radyometre rutinini çalıştırarak UV sensörlerini kalibre edin.
2. Hava durumu odasında önceden programlanmış P4 kalibrasyon paneli sıcaklık programını çalıştırarak sıcaklık sensörlerini kalibre edin.
3. Görünür dalga aralığında 400 nm ile 800 nm arasında çalışan taşınabilir bir spektrofotometre kullanarak kağıt örneklerinin yaşlanma öncesi rengini ölçün.
4. Hava durumu odasında önceden programlanmış uygun standart test döngülerini seçin.
5. Düz panele test kağıtlarının tüm yapraklarını monte edin (isteğe bağlı olarak, düz panelin her iki tarafındaki bir sayfayı monte edin).
6. Düz panelleri, halkaları panele doğru iterek, çınlama halkaları ile numune tutuculara bağlayın.
7. Durdurma pimi aşağı panel tutucuları yükleyin.
8. Yoğuşma için panel tutuculara monte etmek için alüminyum boşlukları takın.
9. Tek tip pozlama için, test döngüsü sırasında test örneklerini (en az beş kez) yeniden konumlandırın.
10. Taşınabilir bir spektrofotometre kullanarak kağıt örneklerinin yaşlanma sonrası rengini ölçün.
11. Rezonans boşluğuna uyacak şekilde yaşlı kağıt örneklerinden örnek şeritler kesin. Tipik numune alanı 0,5 cm (genişlik) x 8 cm (uzunluk) dir.
    NOT: Bu testler için, ticari olarak üretilen renkli 90 g/m² (gsm) (24 lb) ofis kağıdını iki farklı bileşimde kullanıyoruz: bakire ve %30 geri dönüştürülmüş lifler (%örn. %0 ve %30 tüketici sonrası atık [PCW] geri dönüştürülmüş lif içeriği).

3. Ekipman Kurulumu ve rezonans boşluğu ölçümleri alınması

NOT: Rezonans boşluğu test fikstürü hava dolu standart WR-90 dikdörtgen dalga kılavuzundan oluşur. Kavite, numune yerleştirme için merkezde işlenmiş 10 mm x 1 mm'lik bir yuvaya sahiptir. Dalga kılavuzu, yarı sert koaksiyel kablolar aracılığıyla boşluğu mikrodalga ağ analizörüne bağlayan koaksiyel adaptörlere WR-90 tarafından her iki uçta da sonlandırılır. Bağlantı adaptörleri, her iki dalga kılavuzu ucunda ve dolayısıyla boşluk duvarlarında keskin empedans süreksizlikleri yaratan dalga kılavuzu polarizasyon açısına göre neredeyse çapraz polarize dir. Polarizasyon açısı yaklaşık 87°'dir, bu da kalite faktörlerini en üst düzeye çıkarırken kaviteye en uygun güç yüklemesini sağlamak için yeterlidir. Kalite faktörü, Q₀, ve rezonans frekansı, f₀, üçüncü tek rezonans modu TE₁₀₃ de ölçümleri yapmak boş boşluğun 3.200 ve 7.435 GHz sırasıyla vardır. Ölçümler, aşağıda listelenen protokole göre ortam laboratuarı koşullarında gerçekleştirilir.

1. Sıcaklık ve bağıl nemi kaydedin ve kalite faktörü Q_0'ınilk okumasını ve boş boşluğun rezonans frekansı f_0'ı alın.
2. Numunetutucuda sabitlenmiş numuneyi boşluğun merkezindeki yuvanın üzerine yerleştirin. Ölçümler sırasında numune, artan hacim V_x= h_xadımlarında bu yuva dan kaviteye yerleştirilir . w·t, h_x'in kaviteye yerleştirilen numune uzunluğu, w ve t ise sırasıyla numune genişliği ve kalınlığıdır.
3. Örnek montajüzerinde Vernier kaliper kullanarak, δh_x = 50 μm artışlarla kalıbın içine örnek yerleştirin ve numune kaviteye 10 mm (1 cm) indirilene kadar her adımda kalite faktörü ve rezonans frekansı okumaları alın.
4. Numuneyi 50 μm'lik aynı artışlarla içinden geri alın ve numune tamamen geri çekilene kadar kalite faktörü ve rezonans frekansı okumalarını alın.
5. Numuneyi cam kaydıraklar arasında saklayın ve azot atmosferine geri döndürün.
6. Kağıt örneklerinin dielektrik kaybı, ε", pertürbasyonun slop'undan elde edilir (Denklem 1). İsteğe bağlı olarak, dielektrik sabiti, ε' ölçülen V_xelde edilebilir ve rezonans frekansı f_x başka bir yerde açıklandığı gibi (ε' – 1) için pertürbasyon denklemleri çözerek^{18, 19,20.}

Sonuçlar

60° şerit açısını seçme mantığı
Test örneğinin kesme yönü, Şekil 2'dekigrafikte gösterildiği gibi dielektrik tepkinin büyüklüğünü etkiler. İlk deneylerde, test şeritleri kağıdın ortogonal açılarından kesilmiş, kağıt biliminde fiziksel özellikleri ölçmek için standart bir uygulama olduğu gibi; ancak, kağıt kağıt boyunca ortogonal olmayan açılardan kesilen şeritler kağıt türleri arasında en büyük çözünürlüğü sağlamıştır, özellikle 45° ve 60° oryantasyonlarda

Tartışma

Biz başka bir yerde liflerin lignin içeriğinin varlığı önemli ölçüde üretilen kağıtların dielektrik davranışını değiştirmek olduğunu göstermiştir¹⁵. Türleşme sadece modern kağıtların QA / QC test önemli değil ama ağırlıklı olarak bambu, kenevir, keten ve papirüs gibi ahşap olmayan bitki kaynaklarından üretilen tarihsel kağıtların çalışma büyük ilgi. Şekil 7'degösterildiği gibi, tekniğimiz ahşap olmayan bitki kaynaklarını (%100 pamuklu kağıt% 90 bambu / %10 pamuklu kağ...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Ticari Olarak Üretilen Renkli Ofis Kağıdı	Neenah Kağıdı		Staples
Q-Lab QUV hızlandırılmış yaşlandırma odası	Q-Lab Corporation, Westlake, OH
X-Rite eXact'ten Satın Alındı	X-Rite, Inc., Grand Rapids, MI
Agilent N5225A şebeke analizörü	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA
WR90 dikdörtgen dalga kılavuzu	Agilent Technologies, Santa Rosa, CA		R 100 (a = 10.16 mm, b = 22.86 mm, lz =127.0mm)
JMP veri analiz yazılımı	SAS, Cary, NC