비접촉식 공진성 유전체 분광연구용 셀룰로오스 종이 공진법 개발
Summary
섬유 함량 및 종이의 상대적 나이의 비파괴 분석을 위한 프로토콜.
Abstract
인쇄 및 그래픽 아트 기판을 특성화하기 위한 현재의 분석 기법은 대체로 초기화되고 파괴적입니다. 이렇게 하면 개별 샘플에서 얻을 수 있는 데이터의 양이 제한되고 고유하고 희귀한 재료에 대해 통계적으로 관련된 데이터를 생성하기가 어려워진다. 공진 캐비티 유전체 분광법은 비파괴, 비접촉식 기술로, 시트된 재료의 양면을 동시에 심문하고 통계해석에 적합한 측정을 제공할 수 있습니다. 이를 통해 분석가는 구성 및 보관 기록에 따라 시트된 재료를 신속하게 구별할 수 있습니다. 이 방법론 기사에서는 비접촉식 공진 공진 유전체 분광법을 사용하여 다양한 섬유 종 조성물의 종이 분석물을 구별하고, 종이의 상대적 나이를 결정하고, 이를 감지하고 정량화하는 방법을 보여줍니다. 제조 된 사무실 종이에서 소비 후 폐기물 (PCW) 재활용 섬유 함량의 양.
Introduction
종이는 셀룰로오스 섬유, 크기 조정제, 무기 충전제, 착색제 및 물로 구성된 시트, 이질성, 제조 된 제품입니다. 셀룰로오스 섬유는 다양한 식물 공급원으로부터 유래할 수 있다; 원료는 다음 셀룰로오스 섬유의 주로 구성된 실행 가능한 펄프를 생산하기 위해 물리적 및 / 또는 화학 적 처리의 조합을 통해 세분화된다. 종이 제품의 셀룰로오스는 또한 이차, 또는 재활용 섬유1을회수할 수 있다. TAPPI 방법 T 401, “종이 및 판지의 섬유 분석”은 현재 종이 샘플 내에 존재하는 섬유 유형 및 그 비율을 식별하기위한 최첨단 방법이며 많은 커뮤니티2에서활용되고 있습니다. 그것은 종이 샘플의 구성 섬유 유형을 식별하기 위해 특별히 훈련 된 인간 분석가의 시력에 의존하는 수동, 색색 기술입니다. 또한 TAPPI 401 방법에 대한 시료 준비는 힘들고 시간이 많이 소요되며, 종이 시료의 물리적 파괴 및 화학적 열화를 필요로 합니다. 특별히 규정된 시약으로 염색하면 섬유 시료가 산화의 영향을 받게 되므로 보존 또는 시편 뱅킹을 위해 샘플을 보관하기가 어렵습니다. 따라서 TAPPI Method T 401의 결과는 인간의 해석에 따라 달라지며 개별 분석가의 시각적 분별에 직접적으로 의존하며, 이는 개인의 경험과 훈련 수준에 따라 달라지며, 이는 내재된 오류로 이어진다. 샘플 세트 간 및 결과를 비교할 때 부정확성과 부정확성의 여러 소스뿐만 아니라 존재3. 또한, TAPPI 방법은 이차 섬유의 양 또는 종이 샘플의 상대 연령을 결정할 수 없다4,5.
대조적으로, 이 문서에서 설명하는 공진 캐비티 유전체 분광법(RCDS) 기술은 종이 검사에 적합한 분석 기능을 제공합니다. 유전체 분광법은 마이크로파와 같이 빠르게 변화하는 전자기장에 대응하여 매트릭스 내에서 다이폴 및 이동식 충전 캐리어의 이완 역학을 프로브합니다. 이것은 분자 회전 방향 전환, RCDS를 종이 의 한 장 안에 매겨진 셀룰로오스 섬유에 흡착된 물과 같은 밀폐된 공간에서 분자의 역학을 검토하기 위하여 특히 적당하게 만듭니다. RCDS는 물을 프로브 분자로 사용하여 셀룰로오스 중합체의 화학 적 환경 및 물리적 형태에 대한 정보를 동시에 추출 할 수 있습니다.
셀룰로오스 섬유의 화학 적 환경은 물 분자와 수소 결합의 정도에 영향을 미치므로 변동하는 전자기장에 반응하여 운동의 용이성을 제공합니다. 셀룰로오스 환경은 부분적으로 종이 세포에서 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 농도에 의해 결정됩니다. 헤미셀룰로오스는 펜토오스의 친수성 분지 폴리머이며, 리그닌은 소수성, 가교, 페놀 성모입니다. 종이 섬유에서 헤미셀룰로오스와 리그닌의 양은 제지 공정의 결과입니다. 친수성 부위 사이의 종이 분할에 흡착 된 물, 그리고 셀룰로오스 중합체 내의 수소 결합, 특히 흡착 된 물 분자와 함께, 셀룰로오스 구조 내에서 가교의 수준에 영향을 미칩니다. 편광성, 셀룰로오스 중합체 내기의 기공의 구조5. 재료의 총 유전체 반응은 시스템 내의 모든 다이폴 모멘트의 벡터 합계이며 효과적인 배지 이론6,7의사용을 통해 유전체 분광법을 통해 구별 될 수 있습니다. 마찬가지로, 유전체 재료의 정전 용량은 그 두께에 반비례; 따라서 공진 캐비티 유전체 분광법은 종이8,9및10과같은 초박막 재료의 샘플 대 샘플 두께 재현성을 연구하는 데 이상적입니다. 목재 및 셀룰로오스 제품을 연구하기 위해 유전체 분광 기술의 사용에 관한 중요한 업무가 있지만, 이러한 연구의 범위는 종이 제조 가능성 문제11,12로 제한되었습니다. ,13. 우리는 수분 및 기계적 특성14,15,16을 넘어 종이를 테스트하는 RCDS의 적용을 입증하기 위해 종이의 이방성 특성을 활용하고 수율을 보여 주었으며 게이지 기능 연구 및 실시간 통계 공정 제어(SPC)와 같은 품질 보증 기술에 사용할 수 있는 수치 데이터. 이 방법은 또한 고유한 포렌식 기능을 가지고 있으며 환경 지속 가능성 문제에 정량적으로 대처하고 경제적 이익을 지원하며 변경된 문서와 위조 문서를 탐지하는 데 사용할 수 있습니다.
공진 캐비티 유전체 분광법(RCDS) 이론 및 기술
RCDS는 사용할 수있는 여러 유전체 분광 기술 중 하나입니다17; 그것은 유전체 분광법의 다른 방법에 비해 비 접촉, 비파괴, 실험적으로 간단하기 때문에 특별히 선택되었다. 종이의 특성을 연구하는 데 사용되는 다른 분석 기술과 는 달리, RCDS는 샘플시트(18)의양면을 설명하기 위해 중복 된 측정 세트의 필요성을 제거합니다. 공진 마이크로파 캐비티 기술은 표면과 벌크 전도도 모두에 민감하다는 장점이 있습니다. 예를 들어, 시편이 시편의부피(18)와 양적 상관관계로 캐비티에 점진적으로 삽입됨에 따라 캐비티의 품질 계수(Q-Factor)의 변화를 추적하여 시료의 표면 전도도가 결정됩니다. ,19,20. 전도도는 표면 전도도를 시편 두께로 간단히 나누어 얻을 수 있습니다. 이 MUT18,19의 유전체 손실, θ에 정비례하기 때문에 종이와 같은 얇고 시트된 재료의 표면 전도도는 시험 중인 재료의 유전체 프로파일에 대한 프록시로서 기능합니다. 20. 유전체 손실은 전기장이 적용 될 때 유전체 재료에 의해 얼마나 많은 열이 방출되는지를 나타냅니다. 전도도가 높은 재료는 전도성 물질보다 유전체 손실 값이 더 높습니다.
실험적으로, 유전체 손실, θ”, 시편의 표면과 관련된 캐비티 공진 품질 인자(Q)의 감소율로부터 추출(즉, 에너지 손실),시편(19)의부피 증가와 함께. 상기 Q는 공진 주파수 f, Q=Δ f/f에서 공진 피크의 3dB 폭, Δf,공진 피크로부터의 공진 주파수 f에서결정된다. 이 관계는 아래 수학식 1에 의해 주어진 선의 기울기와 정량적으로 상관되며, 
여기서 빈 캐비티의 Q-factor에서 시편의 Q 
계수의 상호 차이를 나타내며, 이는 부피의 비율이다. 삽입된 시편은 도 119에도시된 바와 같이, 빈 공동의 부피에 삽입되고, 라인 인터셉트, b”, 시편 내의 불균일한 필드를 차지한다.
(수학식 1)
이 기사에서는 섬유 종의 비율 (표본)을 결정하고, 자연적이고 인위적으로 숙성 된 논문의 상대 연령을 결정하고, 백색 사무실 복사기의 재활용 섬유 함량을 정량화하여이 기술의 광범위한 유용성을 설명합니다. 종이 타문. RCDS 기술은 전력 장치에서 종이 절연의 노화 문제와 같은 다른 주제를 연구하는 데 적합할 수 있지만, 이러한 연구는 현재 작업의 범위를 벗어나지만 미래에 추구하는 것이 흥미로우할 것이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 섬유의 리그닌 함량의 존재가 제조 된 논문(15)의유전체 거동을 크게 변화시킨다는 것을 다른 곳에서 보여 주었다. 견본은 현대 논문의 QA/QC 시험에서 뿐만 아니라 대나무, 대마, 아마 및 파피루스와 같은 비 나무 식물 근원에서 주로 제조된 역사적인 논문의 연구결과에 있는 큰 관심사입니다. 그림 7에도시 된 바와 같이, 우리의 기술은 비 나무 식물 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
미국 정부 출판 사무소 및 국립 표준 기술 연구소.
Materials
| 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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