Methodenentwicklung für kontaktlose Resonanzhöhlen dielektrische spektroskopische Studien von Cellulosic Paper

Papier ist ein bogenförmiges, heterogenes, hergestelltes Produkt, das aus Zellulosefasern, Größenmitteln, anorganischen Füllstoffen, Farbstoffen und Wasser besteht. Die Zellulosefasern können aus einer Vielzahl von Pflanzenquellen stammen; Der Rohstoff wird dann durch eine Kombination physikalischer und/oder chemischer Behandlungen abgebaut, um einen bearbeitbaren Zellstoff herzustellen, der hauptsächlich aus Zellulosefasern besteht. Die Zellulose im Papierprodukt kann auch sekundär oder recyceltfaser¹zurückgewonnen werden. Die TAPPI-Methode T 401, “Faseranalyse von Papier und Pappe”, ist derzeit die modernste Methode zur Identifizierung von Fasertypen und deren Verhältnissen in einer Papierprobe und wird von vielen Gemeinden verwendet². Es ist eine manuelle, kolorimetrische Technik, die auf die Sehschärfe eines speziell ausgebildeten menschlichen Analytikers angewiesen ist, um die konstituierenden Fasertypen einer Papierprobe zu unterscheiden. Darüber hinaus ist die Probenvorbereitung für die TAPPI 401-Methode mühsam und zeitaufwändig und erfordert eine physische Zerstörung und chemische Verschlechterung der Papierprobe. Die Färbung mit speziell vorgeschriebenen Reagenzien macht Faserproben den Auswirkungen der Oxidation ausgesetzt, was die Archivierung von Proben für die Konservierung oder das Probenbanking erschwert. Die Ergebnisse der TAPPI-Methode T 401 unterliegen daher der menschlichen Interpretation und hängen unmittelbar von der visuellen Unterscheidung eines einzelnen Analytikers ab, die je nach Erfahrungs- und Ausbildungsniveau dieser Person variiert, was zu inhärenten Fehlern führt. beim Vergleich der Ergebnisse zwischen und innerhalb von Stichprobensätzen. Mehrere Quellen von Ungenauigkeit und Ungenauigkeit sind auch vorhanden³. Darüber hinaus ist die TAPPI-Methode nicht in der Lage, die Menge der Sekundärfaser oder das relative Alter der Papierproben^4,5zu bestimmen.

Im Gegensatz dazu bietet die in diesem Artikel beschriebene Resonononon-Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie (RCDS) analytische Fähigkeiten, die sich für Papieruntersuchungen eignen. Die dielektrische Spektroskopie untersucht die Entspannungsdynamik von Dipolen und mobilen Ladungsträgern innerhalb einer Matrix als Reaktion auf sich schnell verändernde elektromagnetische Felder wie Mikrowellen. Dabei handelt es sich um eine molekulare Rotationsneuausrichtung, wodurch RCDS besonders gut geeignet ist, die Dynamik von Molekülen in engen Räumen zu untersuchen, wie z. B. das Wasser, das auf den in einem Blatt Papier eingebetteten Zellulosefasern adsorbiert wird. Durch die Verwendung von Wasser als Sondenmolekül kann RCDS gleichzeitig Informationen über die chemische Umgebung und die physikalische Konformation des Cellulosepolymers extrahieren.

Die chemische Umgebung der Zellulosefasern beeinflusst das Ausmaß der Wasserstoffbindung mit Wassermolekülen, daher die Leichtigkeit der Bewegung als Reaktion auf die schwankenden elektromagnetischen Felder. Die zelluloseische Umgebung wird zum Teil durch die Konzentrationen von Hemicellulose und Lignin im Papieranalyten bestimmt. Hemicellulose ist ein hydrophilverzweigtes Polymer von Pentosen, während Lignin ein hydrophobes, vernetztes Phenolpolymer ist. Die Mengen an Hemicellulose und Lignin in einer Papierfaser sind eine Folge des Papierherstellungsprozesses. Adsorbiertes Wasser in Papiertrennwänden zwischen den hydrophilen Standorten und die Wasserstoffbindung innerhalb des Cellulosepolymers, insbesondere mit den adsorbierten Wassermolekülen, beeinflusst den Grad der Vernetzung innerhalb der Zellulosestruktur, den Polarisierbarkeit und die Architektur der Poren innerhalb des Cellulosepolymers⁵. Die gesamte dielektrische Reaktion eines Materials ist eine Vektorsumme aller Dipolmomente innerhalb des Systems und kann durch dielektrische Spektroskopie durch den Einsatz effektiver Mediumtheorien^6,7unterschieden werden. Ebenso ist die Kapazität eines dielektrischen Materials umgekehrt proportional zu seiner Dicke; Daher ist die resonante Hohlraum-Dielektrizitätsspektroskopie ideal, um die Reproduzierbarkeit von Proben-zu-Probe-Dicke von Ultradünnen Folienmaterialien wie Papier^8,9,10zu untersuchen. Zwar gibt es eine bedeutende Arbeit im Zusammenhang mit der Verwendung von dielektrischen Spektroskopie-Techniken zur Untersuchung von Holz- und Zelluloseprodukten, doch wurde der Umfang dieser Studien auf die Frage der Papierherstofakturabilität beschränkt^{11,12 ,13}. Wir haben die anisotrope Natur von Papier genutzt, um die Anwendung von RCDS auf die Prüfung von Papier jenseits von Feuchtigkeit und mechanischen Eigenschaften zu demonstrieren^14,15,16 und um zu zeigen, dass es nachgibt numerische Daten, die in Qualitätssicherungstechniken wie Messfähigkeitsstudien und statistischer Prozesskontrolle (SPC) in Echtzeit verwendet werden können. Die Methode verfügt auch über forensische Fähigkeiten und kann verwendet werden, um umweltschonende Bedenken der ökologischen Nachhaltigkeit zu bekämpfen, wirtschaftliche Interessen zu unterstützen und veränderte und gefälschte Dokumente aufzudecken.

Resonante Hohlraum-Dielektrische Spektroskopie (RCDS) Theorie und Technik
RCDS ist eine von mehreren dielektrischen Spektroskopie-Techniken zur Verfügung¹⁷; es wurde speziell gewählt, weil es berührungslos, nicht-destruktiv und experimentell einfach im Vergleich zu anderen Methoden der dielektrischen Spektroskopie ist. Im Gegensatz zu anderen Analysetechniken, die zur Untersuchung der Eigenschaften von Papier verwendet werden, macht RCDS doppelte Messsätze überflüssig, um die beiden Seiten eines Probenblatts zu berücksichtigen¹⁸. Die resonante Mikrowellen-Hohlraumtechnik hat den Vorteil, dass sie sowohl auf die Oberflächen- als auch auf die Massenleitfähigkeit empfindlich ist. Beispielsweise wird die Oberflächenleitfähigkeit eines Probenmaterials bestimmt, indem eine Änderung des Qualitätsfaktors (Q-Faktor) des Hohlraums nachverfolgt wird, da eine Probe in quantitativer Korrelation mit dem Volumen der Probe schrittweise in den Hohlraum eingeführt wird^{18 ,19,20}. Die Leitfähigkeit kann durch einfache Division der Oberflächenleitfähigkeit durch die Probendicke erreicht werden. Die Oberflächenleitfähigkeit eines dünnen, bogenartigen Materials wie Papier fungiert als Proxy für das dielektrische Profil eines zu prüfenden Materials (MUT), da es unmittelbar proportional zum Dielektrizitätsverlust ist, ²⁰. Dielektrizitätsverlust ist ein Hinweis darauf, wie viel Wärme von einem dielektrischen Material abgeführt wird, wenn ein elektrisches Feld darauf aufgebracht wird; Materialien mit einer höheren Leitfähigkeit haben einen höheren dielektrischen Verlustwert als weniger leitfähige Materialien.

Experimentell wird der dielektrische Verlust, der mit der Oberfläche der Probe verbunden ist, aus der Abnahmerate des Hohlraumresonanzqualitätsfaktors (Q) (d. h. Energieverlust) mit zunehmendem Volumen der Probe¹⁹extrahiert. Die Q wird bei der Resonanzfrequenz f aus der Breite von 3 dB,f, der Resonanzspitze bei der Resonanzfrequenz f, Q =f /fbestimmt. Diese Beziehung ist quantitativ korreliert mit der Steigung der Linie, die in Gleichung 1 unten angegeben ist, wobei die Differenz des Gegenwerts des Q-Faktors der Probe vom Q-Faktor des leeren Hohlraums darstellt, ist das Verhältnis des Volumens der die eingefügte Probe auf das Volumen des leeren Hohlraums und der Leitungsabfang, b”, berücksichtigt das ungleichmäßige Feld in der Probe, wie in Abbildung 1¹⁹dargestellt.

(Gleichung 1)

In diesem Artikel veranschaulichen wir den breiten Nutzen dieser Technik, indem wir die Verhältnisse von Faserarten (Speziation), das relative Alter natürlicher und künstlich gealterten Papiere bestimmen und den Recyclingfasergehalt von weißen Bürokopierern quantifizieren. Papieranalyten. Während die RCDS-Technik für die Untersuchung anderer Themen geeignet sein mag, wie z. B. Alterungsfragen bei der Papierisolierung in elektrischen Energiegeräten, fallen solche Studien nicht in den Rahmen der aktuellen Arbeit, wären aber in Zukunft interessant.