Développement de méthodes pour les études spectroscopiques diélectriques de cavité séroélectrique sans contact de papier cellulosique

Le papier est un produit fabriqué, hétérogène, composé de fibres cellulosiques, d’agents de dimensionnement, de charges inorganiques, de colorants et d’eau. Les fibres de cellulose peuvent provenir d’une variété de sources végétales; la matière première est ensuite décomposée par une combinaison de traitements physiques et/ou chimiques pour produire une pulpe réalisable composée principalement de fibres de cellulose. La cellulose dans le produit de papier peut également être récupérée secondaire, ou fibre recyclée¹. La méthode TAPPI T 401, « Analyse de la fibre du papier et du carton », est actuellement la méthode de pointe pour identifier les types de fibres et leurs ratios présents dans un échantillon de papier et est utilisée par de nombreuses communautés². Il s’agit d’une technique manuelle et colorimétrique qui dépend de l’acuité visuelle d’un analyste humain spécialement formé pour discerner les types de fibres constitutives d’un échantillon de papier. En outre, la préparation de l’échantillon pour la méthode TAPPI 401 est laborieuse et prend beaucoup de temps, nécessitant la destruction physique et la dégradation chimique de l’échantillon de papier. La coloration avec des réactifs spécialement prescrits rend les échantillons de fibres soumis aux effets de l’oxydation, ce qui rend difficile l’archivage d’échantillons pour la conservation ou la banque de spécimens. Ainsi, les résultats de la méthode T 401 du TAPPI sont soumis à l’interprétation humaine et dépendent directement du discernement visuel d’un analyste individuel, qui varie en fonction du niveau d’expérience et de formation de cette personne, ce qui entraîne des erreurs inhérentes. lors de la comparaison des résultats entre et au sein des ensembles d’échantillons. De multiples sources d’imprécision et d’inexactitude sont également présentes³. En outre, la méthode TAPPI est incapable de déterminer la quantité de fibres secondaires ou l’âge relatif des échantillons de papier^4,5.

En revanche, la technique de spectroscopie diélectrique de cavité résonante (RCDS) que nous décrivons dans cet article offre des capacités analytiques qui sont bien adaptées pour des examens papier. La spectroscopie diélectrique sonde la dynamique de relaxation des dipoles et des porteurs de charge mobiles dans une matrice en réponse à l’évolution rapide des champs électromagnétiques, tels que les micro-ondes. Il s’agit d’une réorientation de rotation moléculaire, ce qui rend le RCDS particulièrement bien adapté pour examiner la dynamique des molécules dans les espaces confinés, tels que l’eau adsorbed sur les fibres de cellulose imbrées dans une feuille de papier. En utilisant l’eau comme molécule de sonde, RCDS peut simultanément extraire des informations sur l’environnement chimique et la conformation physique du polymère de cellulose.

L’environnement chimique des fibres de cellulose influence l’étendue de la liaison de l’hydrogène avec les molécules d’eau, d’où la facilité de mouvement en réponse aux champs électromagnétiques fluctuants. L’environnement cellulosique est déterminé, en partie, par les concentrations d’hémicellulose et de lignine dans l’analyte de papier. L’hémicellulose est un polymère hydrophile ramifié de pentoses, tandis que la lignine est un polymère hydrophobe, croisé et phénolique. Les quantités d’hémicellulose et de lignine dans une fibre de papier sont une conséquence du processus de fabrication du papier. L’eau adsorbed dans les cloisons de papier entre les sites hydrophiles, et la liaison d’hydrogène dans le polymère de cellulose, particulièrement avec les molécules d’eau adsorbées, influence le niveau de liaison croisée dans la structure de cellulose, le niveau de polarisation, et l’architecture des pores dans le polymère de cellulose⁵. La réponse diélectrique totale d’un matériau est une somme vectorielle de tous les moments dipole dans le système et peut être distinguée par spectroscopie diélectrique par l’utilisation des théories moyennes efficaces^6,7. De même, la capacité d’un matériau diélectrique est inversement proportionnelle à son épaisseur; par conséquent, la spectroscopie diélectrique de cavité résonante est idéale pour étudier la reproductibilité d’épaisseur d’échantillon-à-échantillon des matériaux ultra-minces de film tels que le papier^8,9,10. Bien qu’il existe un ensemble important de travaux relatifs à l’utilisation de techniques de spectroscopie diélectrique pour étudier les produits du bois et de la cellulose, la portée de ces études a été limitée aux questions de manufacturabilité du papier^{11,12 ,13}. Nous avons profité de la nature anisotrope du papier pour démontrer l’application de RCDS à l’essai du papier au-delà de l’humidité et des propriétés mécaniques^14,15,16 et pour montrer qu’il donne données numériques qui peuvent être utilisées dans les techniques d’assurance de la qualité telles que les études de capacité de jauge et le contrôle des processus statistiques en temps réel (CPS). La méthode a également des capacités médico-légales inhérentes et peut être utilisée pour confronter quantitativement les préoccupations de durabilité environnementale, soutenir les intérêts économiques et détecter les documents modifiés et contrefaits.

Théorie et technique de spectroscopie diélectrique de cavité résonante (RCDS)
RCDS est l’une des nombreuses techniques de spectroscopie diélectrique disponibles^17; il a été choisi spécifiquement parce qu’il est sans contact, non-destructeur, et expérimentalement simple par rapport à d’autres méthodes de spectroscopie diélectrique. Contrairement à d’autres techniques analytiques utilisées pour étudier les propriétés du papier, RCDS élimine le besoin d’ensembles de mesures en double pour tenir compte des deux côtés d’une feuille d’échantillon¹⁸. La technique de cavité de micro-ondes résonnante a l’avantage d’être sensible à la fois à la conductivité de surface et de vrac. Par exemple, la conductance de surface d’un matériau échantillonest déterminé en suivant un changement dans le facteur de qualité (Q-Factor) de la cavité comme un spécimen est progressivement inséré dans la cavité en corrélation quantitative avec le volume du spécimen^{18 ,19,20}. La conductivité peut être obtenue en divisant simplement la conductance de surface par l’épaisseur du spécimen. La conductance de surface d’un matériau mince et feuilleté comme le papier fonctionne comme un proxy pour le profil diélectrique d’un matériau à l’essai (MUT), car il est directement proportionnel à la perte diélectrique, ‘ de la MUT^{18,19, 20}. La perte de diélectricité est une indication de la quantité de chaleur dissipée par un matériau diélectrique lorsqu’un champ électrique est appliqué à travers elle; les matériaux avec une plus grande conductance auront une valeur de perte diélectrique plus élevée que les matériaux moins conducteurs.

Expérimentalement, la perte diélectrique, ‘ ‘ associé à la surface du spécimen est extraite du taux de diminution du facteur de qualité de résonance de cavité (Q) (c.-à-d., perte d’énergie), avec le volume croissant de spécimen¹⁹. Le Q est déterminé à la fréquence résonnante f de la largeur de 3 dB,f, du pic résonant à la fréquence résonnante f, Q f/ f. Cette relation est quantitativement corrélée avec la pente de la ligne donnée par l’équation 1 ci-dessous, où représente la différence de la réciprocité du facteur Q du spécimen du facteur Q de la cavité vide, est le rapport du volume de le spécimen inséré au volume de la cavité vide, et l’interception de la ligne, b », explique le champ non uniforme dans le spécimen, comme le montre la figure 1¹⁹.

(Équation 1)

Dans cet article, nous illustrons l’utilité large de cette technique en déterminant les rapports des espèces de fibre (spéciation), en déterminant l’âge relatif des papiers naturellement et artificiellement vieillis, et en quantifiant la teneur en fibres recyclées du copieur de bureau blanc analytes papier. Alors que la technique RCDS peut être appropriée pour étudier d’autres sujets, tels que les questions de vieillissement dans l’isolation du papier dans les appareils électriques, de telles études sont en dehors de la portée des travaux actuels, mais serait intéressant de poursuivre à l’avenir.