Разработка метода бесконтактной резонансной полости Dielectric Спектроскопические исследования целлюлозной бумаги

Бумага является листом, неоднородный, изготовленный продукт, состоящий из целлюлозных волокон, размерных агентов, неорганических наполнителей, красителей и воды. Целлюлозные волокна могут возникать из различных растительных источников; сырье затем расщепляется через сочетание физических и / или химических процедур для производства работоспособной целлюлозы, состоящей в основном из целлюлозных волокон. Целлюлоза в бумажном продукте также может быть восстановлена вторичной, или переработанное волокно^1. Метод TAPPI T 401, “Анализ волокна бумаги и картона”, в настоящее время является современный метод для выявления типов волокон и их соотношения, присутствующих в бумажной выборке и используется многими общинами². Это ручная, колористая техника зависит от остроты зрения специально обученных человека аналитик различать составные типы волокна в бумажном образце. Кроме того, подготовка образцов для метода TAPPI 401 является трудоемкой и трудоемкой, требующей физического уничтожения и химической деградации образца бумаги. Окрашивание специально предписанными реагентами делает образцы волокон подверженными воздействию окисления, что затрудняет архивирование образцов для сохранения или банковского образца. Таким образом, результаты метода TAPPI T 401 подвержены человеческой интерпретации и напрямую зависят от визуальной проницательности отдельного аналитика, которая варьируется в зависимости от уровня опыта и обучения этого человека, что приводит к присущим ошибкам при сравнении результатов между наборами образцов и внутри нее. Несколько источников неточности и неточности присутствуют также³. Кроме того, метод TAPPI не способен определить количество вторичного волокна или относительный возраст образцов бумаги^4,5.

В отличие от этого, резонансная методика диэлектрической спектроскопии полости (RCDS), которую мы описываем в этой статье, предлагает аналитические возможности, которые хорошо подходят для бумажных экспертиз. Диэлектрическая спектроскопия зондирует динамику релаксации диполей и носителей мобильных зарядов в матрице в ответ на быстро меняющиеся электромагнитные поля, такие как микроволновые печи. Это включает в себя молекулярную вращательную переориентацию, что делает RCDS особенно хорошо подходит для изучения динамики молекул в ограниченных пространствах, таких как вода адсорбируется на целлюлозных волокон, встроенных в лист бумаги. Используя воду в качестве молекулы зонда, RCDS одновременно может извлекать информацию о химической среде и физической конформации целлюлозного полимера.

Химическая среда целлюлозных волокон влияет на степень склеивания водорода с молекулами воды, следовательно, легкость движения в ответ на колебания электромагнитных полей. Целлюлозная среда определяется, в частности, концентрацией гемицеллюлозы и лигнина в бумажном аналите. Гемицеллюлоза является гидрофильных разветвленных полимерпенов, в то время как лигнин является гидрофобным, кросс-связанных, фенольных полимерий. Количество гемицеллюлозы и лигнина в бумажном волокне являются следствием процесса изготовления бумаги. Адсорбирование воды в бумажных перегородках между гидрофильных участками и водородной связи внутри целлюлозного полимера, особенно с молекулами адсорбирующей воды, влияет на уровень перекрестного соединения внутри целлюлозы, уровень поляризов: архитектура пор в целлюлозном полимере⁵. Общая диэлектрическая реакция материала является векторной суммой всех дипольных моментов в системе и может быть различена с помощью диэлектрической спектроскопии с помощью эффективных средних теорий^6,7. Аналогичным образом, емость диэлектрического материала обратно пропорциональна его толщине; следовательно, резонансная диэлектрическая спектроскопия полости идеально подходит для изучения толщины образца к образцу репробности ультратонких пленочных материалов, таких как бумага^8,9,10. Хотя существует значительный объем работы, относящейся к использованию методов диэлектрической спектроскопии для изучения древесины и целлюлозы продуктов, сфера этих исследований была ограничена бумажными вопросами, связанные с мануфактурой^{11,12 ,13}. Мы воспользовались анисотропным характером бумаги, чтобы продемонстрировать применение RCDS для тестирования бумаги за пределами влаги и механических свойств^14,15,16 и показать, что она дает численные данные, которые могут быть использованы в методах обеспечения качества, таких как исследования возможностей датчика и контроль статистического процесса в реальном времени (SPC). Этот метод также обладает присущими судебно-медицинским возможностями и может быть использован для количественного решения проблем экологической устойчивости, поддержки экономических интересов и обнаружения измененных и поддельных документов.

Теория и техника резонансной диэлектрической спектроскопии полости (RCDS)
RCDS является одним из нескольких методов диэлектрической спектроскопии доступны¹⁷; он был выбран специально потому, что он бесконтактный, неразрушающий и экспериментально прост по сравнению с другими методами диэлектрической спектроскопии. В отличие от других аналитических методов, используемых для изучения свойств бумаги, КОДС устраняет необходимость дублирования наборов измерений для учета двух сторон выборки листа¹⁸. Преимущество резонансной микроволновой полости имеет то, что она чувствительна как к поверхности, так и к проводке. Например, поверхностная проводимость образца материала определяется путем отслеживания изменения фактора качества (фактор) полости, поскольку образец постепенно вставляется в полость в количественной корреляции с объемом образца^{18 ,19,20}. Проводимость может быть получена путем простого деления поверхностной проводимости толщиной образца. Поверхностная проводимость тонкого, листового материала, такого как бумага, функционирует как прокси-сервер для диэлектрического профиля проверяемого материала (MUT), так как он прямо пропорционален диэлектрической потере, з, MUT^{18,19, 20}. Dielectric потеря является свидетельством того, сколько тепла рассеивается диэлектрическим материалом, когда электрическое поле применяется через него; материалы с большей проводимостью будут иметь более высокую диэлектрическое значение потерь, чем менее проводящие материалы.

Экспериментально, диэлектрической потери, к”, связанные с поверхностью образца извлекается из скорости снижения фактора качества изменения полости (я) (т.е. потеря энергии), с увеличением объема образца¹⁹. Я определяется на резонансной частоте f от ширины 3 дБ,f, резонансного пика на резонансной частоте f, йf /f. Это отношение количественно коррелирует с наклоном линии, приведенной в equation 1 ниже, где представлена разница взаимного коэффициента q-фактора образца от фактора в пустой полости, является отношение мранимого вставленный образец к объему пустой полости, и перехват линии, b», приходит для non-равномерного поля в образце, как показано в рисунке 1¹⁹.

(Уравнение 1)

В этой статье мы иллюстрируем широкую полезность этого метода, определяя соотношения видов волокон (видообразования), определяя относительный возраст естественно и искусственно выдержанных бумаг, и количественное содержание переработанного волокна белого канцелярского копировального аппарата бумажные аналиты. В то время как метод КОДС может быть подходящим для изучения других тем, таких, как вопросы старения в бумажной изоляции в электроэнергетическом аппарате, такие исследования выходят за рамки текущей работы, но было бы интересно продолжить в будущем.