Sviluppo del metodo per studi spettroscopici distesina di cavità senza contatto della carta cellulosica

La carta è un prodotto rivestito, eterogeneo, composto da fibre cellulosiche, agenti di dimensionamento, riempitivi inorganici, coloranti e acqua. Le fibre di cellulosa possono provenire da una varietà di fonti vegetali; la materia prima viene quindi scomposta attraverso una combinazione di trattamenti fisici e/o chimici per produrre una polpa lavorabile costituita principalmente da fibre di cellulosa. La cellulosa nel prodotto della carta può anche essere recuperata in fibra secondaria o riciclata¹. Il metodo TAPPI T 401, “Analisi della fibra di carta e cartone”, è attualmente il metodo all’avanguardia per identificare i tipi di fibre e i loro rapporti presenti all’interno di un campione di carta ed è utilizzato da molte comunità². Si tratta di una tecnica manuale e colorimetrica che si basa sull’acuità visiva di un analista umano appositamente addestrato per discernere i tipi di fibra costitutivi di un campione di carta. Inoltre, la preparazione del campione per il metodo TAPPI 401 è laboriosa e dispendiosa in termini di tempo, richiedendo la distruzione fisica e la degradazione chimica del campione di carta. La colorazione con reagenti appositamente prescritti rende i campioni di fibra soggetti agli effetti dell’ossidazione, rendendo difficile archiviare i campioni per la conservazione o per le banche di campioni. Pertanto, i risultati del metodo T 401 T 401 sono soggetti a interpretazione umana e dipendono direttamente dal discernimento visivo di un singolo analista, che varia in base al livello di esperienza e formazione di quell’individuo, portando a errori intrinseci quando si confrontano i risultati tra e all’interno di set di campioni. Sono presenti anche molteplici fonti di imprecisione e imprecisione³. Inoltre, il metodo TAPPI non è in grado di determinare la quantità di fibra secondaria o l’età relativa dei campioni di carta^4,5.

Al contrario, la tecnica di spettroscopia dielettrica a cavità risonante (RCDS) che descriviamo in questo articolo offre funzionalità analitiche adatte per gli esami cartacei. La spettroscopia diselettrica sonda la dinamica di rilassamento dei dipoli e dei vettori di carica mobile all’interno di una matrice in risposta ai campi elettromagnetici in rapida evoluzione, come le microonde. Si tratta di un riorientamento rotazionale molecolare, rendendo l’RCDS particolarmente adatto per esaminare la dinamica delle molecole in spazi ristretti, come l’adsorbito d’acqua sulle fibre di cellulosa incastonato all’interno di un foglio di carta. Utilizzando l’acqua come molecola sonda, gli RCDS possono estrarre simultaneamente informazioni sull’ambiente chimico e sulla conformazione fisica del polimero di cellulosa.

L’ambiente chimico delle fibre di cellulosa influenza l’estensione del legame dell’idrogeno con le molecole d’acqua, da qui la facilità di movimento in risposta ai campi elettromagnetici fluttuanti. L’ambiente cellulosico è determinato, in parte, dalle concentrazioni di emicellulosa e lignina nell’analita carta. L’emicellulosa è un polimero icfilo ramificato di pentosi, mentre la lignina è un polimero fenobico, incrociato e fenolico. Le quantità di emicellulosa e lignina in una fibra di carta sono una conseguenza del processo di fabbricazione della carta. L’acqua adsorbita nelle partizioni di carta tra i siti idrofili e il legame di idrogeno all’interno del polimero di cellulosa, in particolare con le molecole d’acqua assorbenata, influenza il livello di collegamento incrociato all’interno della struttura della cellulosa, il livello di polarizzabilità, e l’architettura dei pori all’interno del polimero di cellulosa⁵. La risposta dielettrica totale di un materiale è una somma vettoriale di tutti i momenti del dipolo all’interno del sistema e può essere distinta attraverso la spettroscopia dielettrica attraverso l’uso di teorie medie efficaci^6,7. Allo stesso modo, la capacità di un materiale dielettrico è inversamente proporzionale al suo spessore; quindi, la spettroscopia dielettrica a cavità risonante è ideale per studiare la riproducibilità dello spessore campione-campione di materiali di pellicola ultrasottile come la carta^8,9,10. Sebbene vi sia un notevole lavoro basato sull’uso di tecniche di spettroscopia dielettriche per studiare i prodotti in legno e cellulosa, la portata di tali studi è stata limitata ai problemi di manufattibilità della carta^{11,12 ,13}. Abbiamo approfittato della natura anisotropica della carta per dimostrare l’applicazione di RCDS per testare la carta oltre l’umidità e le proprietà meccaniche^14,15,16 e per dimostrare che produce dati numerici che possono essere utilizzati in tecniche di garanzia della qualità come gli studi sulle capacità di misurazione e il controllo dei processi statistici in tempo reale (SPC). Il metodo ha anche capacità forensi intrinseche e può essere utilizzato per affrontare quantitativamente le preoccupazioni di sostenibilità ambientale, sostenere gli interessi economici e rilevare documenti alterati e contraffatti.

Teoria e tecnica della spettroscopia dielettrica a cavità risonante (RCDS)
L’RCDS è una delle numerose tecniche di spettroscopia dielettriche disponibili¹⁷; è stato scelto specificamente perché non-contatto, non distruttivo, e sperimentalmente semplice rispetto ad altri metodi di spettroscopia dielettrica. A differenza di altre tecniche analitiche utilizzate per studiare le proprietà della carta, RCDS elimina la necessità di set duplicati di misure per tenere conto dei due lati di un foglio campione¹⁸. La tecnica della cavità a microonde risonante ha il vantaggio di essere sensibile sia alla superficie che alla conduttività di massa. Ad esempio, la conduttanza superficiale di un materiale campione viene determinata monitorando una variazione del fattore di qualità (Q-Factor) della cavità in quanto un campione viene progressivamente inserito nella cavità nella correlazione quantitativa con il volume del campione^{18 ,19,20}. La conduttività può essere ottenuta semplicemente dividendo la conduttanza superficiale per lo spessore del campione. La conduttanza superficiale di un sottile materiale lasterato come la carta funge da proxy per il profilo dielettrico di un materiale sottoposto a test (MUT), in quanto è direttamente proporzionale alla perdita dielettrica, in bianco”, del MUT^{18,19, 20}. La perdita dielettrica è un’indicazione di quanto calore viene dissipato da un materiale dielettrico quando viene applicato un campo elettrico su di esso; materiali con maggiore conduttanza avranno un valore di perdita dielettrica più elevato rispetto ai materiali meno conduttivi.

Sperimentalmente, la perdita dielettrica, ovvero “, associata alla superficie del campione, viene estratta dal tasso di diminuzione del fattore di qualità della risonanza della cavità (Q) (cioè la perdita di energia), con l’aumento del volume del campione¹⁹. La Q è determinata alla frequenza risonante f dalla larghezza 3 dB,ovvero f, del picco risonante alla frequenza risonante f, Q ,Q Questa relazione è quantitativamente correlata alla pendenza della retta data dall’equazione 1 qui sotto, dove rappresenta la differenza del reciproco del fattore Q del campione dal fattore Q della cavità vuota, è il rapporto del volume di il campione inserito nel volume della cavità vuota, e l’intercettazione di linea, b”, rappresenta il campo non uniforme nel provino, come mostrato nella Figura 1¹⁹.

(Equazione 1)

In questo articolo, illustriamo l’ampia utilità di questa tecnica determinando i rapporti delle specie di fibra (speciazione), determinando l’età relativa dei documenti naturalmente e artificialmente invecchiati e quantificando il contenuto di fibre riciclate della fotocopiatrice di bianco ufficio analiti di carta. Mentre la tecnica RCDS può essere adatta per studiare altri argomenti, come i problemi di invecchiamento nell’isolamento della carta negli apparati elettrici, tali studi sono al di fuori dell’ambito del lavoro attuale, ma sarebbe interessante perseguire in futuro.