En protokol til ikke-destruktiv analyse af fiberindholdet og den relative alder af papir.
De nuværende analytiske teknikker til karakterisering af trykning og grafisk kunst substrater er stort set ex situ og destruktiv. Dette begrænser mængden af data, der kan indhentes fra en enkelt prøve og gør det vanskeligt at producere statistisk relevante data for unikke og sjældne materialer. Resonans hulrum dielektrisk spektroskopi er en ikke-destruktiv, kontaktløs teknik, der samtidig kan afhøre begge sider af et sheeted materiale og give målinger, der er egnede til statistiske fortolkninger. Dette giver analytikere mulighed for hurtigt at skelne mellem sheeted materialer baseret på sammensætning og opbevaring historie. I denne metode artikel, viser vi, hvordan kontaktfri resonans hulrum dielektrisk spektroskopi kan anvendes til at skelne mellem papir analytter af varierende fiber arter sammensætninger, at bestemme den relative alder af papiret, og til at detektere og kvantificere mængden af genanvendt fiberindhold efter forbruger affald (PCW) i forarbejdet kontor papir.
Papir er et sheeted, heterogene, fremstillede produkt består af celluloseholdige fibre, størrelses stoffer, uorganiske fyldstoffer, farvestoffer, og vand. Cellulose fibrene kan stamme fra en række plantekilder; råmaterialet nedbrydes derefter gennem en kombination af fysiske og/eller kemiske behandlinger for at producere en brugbar Pulp bestående primært af cellulosefibre. Cellulose i papir produktet kan også inddrives sekundær, eller genanvendt fiber1. TAPPI metode T 401, “fiber analyse af papir og pap,” er i øjeblikket den nyeste metode til at identificere fibertyper og deres nøgletal til stede i en papir prøve og udnyttes af mange samfund2. Det er en manual, kolorimetrisk teknik, der er afhængig af den visuelle skarphed af en specielt uddannet menneskelig analytiker til at skelne de grundlæggende fibertyper af en papir prøve. Desuden er prøveforberedelsen til TAPPI 401-metoden omstændelig og tidskrævende, hvilket kræver fysisk ødelæggelse og kemisk nedbrydning af papir prøven. Farvning med specielt ordinerede reagenser gengiver fiber prøverne under påvirkning af oxidering, hvilket gør det vanskeligt at arkivere prøver til konservering eller prøve bankvirksomhed. Resultaterne fra TAPPI metode T 401 er således genstand for menneskelig fortolkning og er direkte afhængige af den visuelle vurdering af en individuel analytiker, som varierer på grundlag af den enkeltes erfarings-og uddannelsesniveau, hvilket fører til iboende fejl ved sammenligning af resultater mellem og inden for prøvens sæt. Flere kilder til unøjagtigheder og unøjagtighed er til stede samt3. Desuden er TAPPI-metoden ikke i stand til at bestemme mængden af sekundær fiber eller den relative alder af papir prøver4,5.
I modsætning hertil giver resonans kavitets dielektriske spektroskopi (RCDS) teknik, som vi beskriver i denne artikel, analytiske egenskaber, der er velegnede til papir undersøgelser. Dielektrisk spektroskopi sonker afslapnings dynamikken af dipoler og mobile Charge bærere inden for en matrix som reaktion på hurtigt skiftende elektromagnetiske felter, såsom mikrobølger. Dette indebærer Molekylær rotations omlægning, hvilket gør RCD’ER særligt velegnede til at undersøge dynamikken i molekyler i lukkede rum, såsom det vand adsorbede på cellulose fibrene, der er indlejret i et ark papir. Ved at bruge vand som sonde molekyle kan RCD’ER samtidig udtrække oplysninger om det kemiske miljø og den fysiske kropsbygning af cellulose polymeren.
Det kemiske miljø af cellulose fibrene har indflydelse på omfanget af brint binding med vandmolekyler, og dermed den lette bevægelse som reaktion på de svingende elektromagnetiske felter. Det celluloseholdige miljø bestemmes dels af koncentrationerne af Hemicellulose og lignin i papir analytten. Hemicellulose er en hydrofile forgrenet polymer af pentoser, mens lignin er en hydrofobe, tværbundet, phenolpolymer. Mængden af Hemicellulose og lignin i en papir fiber er en konsekvens af papirfremstilling proces. Adsorbede vand i papir skillevægge mellem de hydrofile sites, og hydrogen binding i cellulose polymer, især med adsorbede vand molekyler, påvirker niveauet af kryds bindingen inden for cellulose struktur, niveauet af polarizabilitet og arkitekturen af porer i cellulose polymeren5. Den totale dielektriske respons af et materiale er en vektor sum af alle de dipol øjeblikke i systemet og kan skelnes via dielektrisk spektroskopi gennem brug af effektive medium teorier6,7. Tilsvarende er kapacitansen af et dielektrisk materiale omvendt proportional med dets tykkelse; Derfor resonans hulrum dielektrisk spektroskopi er ideel til at studere prøve-til-prøve tykkelse reproducerbarhed af ultra-tynde film materialer såsom papir8,9,10. Mens der er en betydelig mængde arbejde vedrørende brugen af dielektriske spektroskopi teknikker til at studere træ og celluloseprodukter, omfanget af disse undersøgelser har været begrænset til papir fremstillingbarhed spørgsmål11,12 ,13. Vi har udnyttet den anisotropiske karakter af papir til at demonstrere anvendelsen af RCD’er til afprøvning af papir ud over fugt og mekaniske egenskaber14,15,16 og for at vise, at det giver numeriske data, der kan anvendes i kvalitetssikringsteknikker såsom måler kapacitets undersøgelser og realtids statistisk proceskontrol (SPC). Metoden har også iboende kriminaltekniske kapaciteter og kan bruges til kvantitativt at konfrontere miljømæssige bæredygtighedsproblemer, støtte økonomiske interesser og afsløre ændrede og forfalskede dokumenter.
Resonans hulrum dielektrisk spektroskopi (RCDS) teori og teknik
RCDS er en af flere dielektriske spektroskopi teknikker til rådighed17; Det blev valgt specifikt, fordi det er ikke-kontakt, ikke-destruktiv, og eksperimentelt enkel i forhold til andre metoder til dielektrisk spektroskopi. I modsætning til andre analytiske teknikker, der anvendes til at undersøge papirets egenskaber, eliminerer RCD’ER behovet for duplikerede sæt af målinger, der skal tages i betragtning for de to sider af et prøveark18. Resonanten mikrobølge hulen teknik har den fordel at være følsom over for både overfladen og bulk ledningsevne. F. eks. bestemmes overflade ledning af et prøvemateriale ved at spore en ændring af hulrummets Kvalitetsfaktor (Q-faktor), da et præparat gradvis indsættes i hulrummet i kvantitativ korrelation med enhedens volumen18 ,19,20. Ledningsevne kan opnås ved blot at dividere overflade konduktivitet med prøve tykkelsen. Overfladen ledning af et tyndt, sheeted materiale som papir fungerer som en proxy for dielektriske profil af et materiale under test (MUT), da det er direkte proportional med dielektrisk tab, ε “, af Mut18,19, 20. dielektrisk tab er en indikation af, hvor meget varme spredes af et dielektrisk materiale, når et elektrisk felt påføres på tværs af det; materialer med større konduktiv vil have en højere dielektrisk tab værdi end mindre ledende materialer.
Eksperimentelt, det dielektriske tab, ε “, forbundet med enhedens overflade ekstraheres fra hastigheden af fald i kavitets resonans kvalitet faktor (Q) (dvs. energulab), med stigende volumen af prøve19. Q bestemmes ved resonansfrekvensen f fra den 3 dB bredde, Δf, af resonans toppen ved resonansfrekvensen f, Q = Δf /f. Denne forbindelse er kvantitativt korreleret med hældningen af linjen givet ved ligning 1 nedenfor, hvor repræsenterer forskellen mellem den gensidige af q-faktor af prøven fra Q-faktor af den tomme hulrum, er forholdet mellem mængden af den indsatte prøve til volumenet af det tomme hulrum og linje skæringspunktet, b “, tegner sig for det ikke-ensartede felt i prøven, som vist i figur 119.
(Ligning 1)
I denne artikel illustrerer vi den brede nytte af denne teknik ved at bestemme forholdet mellem fiber arter (speciation), bestemmelse af den relative alder af naturligt og kunstigt alderen papirer, og kvantificere det genvundne fiberindhold i hvid kontor kopimaskine papir analytter. Mens RCDS teknik kan være egnet til at studere andre emner, såsom aldring spørgsmål i papir isolering i elektriske apparater, sådanne undersøgelser er uden for rammerne af det nuværende arbejde, men ville være interessant at forfølge i fremtiden.
Vi har vist andetsteds, at tilstedeværelsen af ligninindhold af fibre ændrer betydeligt den dielektriske opførsel af fremstillede papirer15. Speciation er ikke kun vigtigt i QA/QC afprøvning af moderne papirer, men af stor interesse i studiet af historiske papirer, som hovedsagelig blev fremstillet af ikke-træ plantekilder, såsom bambus, hamp, hør, og papyrus. Som vist i figur 7, kan vores teknik skelne mellem ikke-træ plantekilder (100% bomuld papir versus 90…
The authors have nothing to disclose.
Amerikanske regering Publishing Office og National Institute of Standards and Technology.
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 |