Methodeontwikkeling voor contactloze resonante holte diëlektrische spectroscopische studies van Cellulosisch papier

Papier is een omhulde, heterogene, vervaardigde product bestaat uit cellulosische vezels, dimensionerings middelen, anorganische vulstoffen, kleurstoffen, en water. De cellulosevezels kunnen afkomstig zijn van verschillende plantaardige bronnen; de grondstof wordt vervolgens afgebroken door een combinatie van fysische en/of chemische behandelingen om een werkbaar pulp te produceren dat voornamelijk uit cellulosevezels bestaat. De cellulose in het papier product kan ook worden teruggewonnen secundair, of gerecycled Fiber¹. De TAPPI methode T 401, “fiber analyse van papier en karton”, is momenteel de State of the art methode voor het identificeren van vezel soorten en hun verhoudingen aanwezig in een papier monster en wordt gebruikt door vele gemeenschappen². Het is een handmatige, colorimetrische techniek die afhankelijk is van de gezichtsscherpte van een speciaal opgeleide menselijke analist om de samenstellende vezel typen van een papier monster te onderscheiden. Bovendien is de monstervoorbereiding voor de TAPPI 401-methode bewerkelijk en tijdrovend, waardoor fysieke vernietiging en chemische afbraak van het papier monster nodig zijn. Kleuring met speciaal voorgeschreven reagentia maakt vezel monsters onderhevig aan de effecten van oxidatie, waardoor het moeilijk is om monsters te archiveren voor conservering of specimen Banking. De resultaten van de TAPPI-methode T 401 zijn dus onderhevig aan menselijke interpretatie en zijn rechtstreeks afhankelijk van het visuele onderscheidingsvermogen van een individuele analist, die varieert op basis van het ervarings-en opleidingsniveau van die persoon, wat leidt tot inherente fouten bij het vergelijken van resultaten tussen en binnen sample sets. Er zijn ook meerdere bronnen van onnauwkeurigheid en onnauwkeurigheid aanwezig³. Bovendien is de Tappi-methode niet in staat om de hoeveelheid secundaire vezels of de relatieve leeftijd van papier monsters^4,5te bepalen.

In tegenstelling, de resonante holte diëlektrische spectroscopie (RCDS) techniek die we beschrijven in dit artikel biedt analytische mogelijkheden die zeer geschikt voor papier onderzoeken zijn. Diëlektrische Spectroscopie meet de ontspannings dynamiek van dipolen en mobiele laad dragers binnen een matrix in reactie op snel veranderende elektromagnetische velden, zoals magnetrons. Dit omvat moleculaire rotatie heroriëntatie, waardoor RCD’S bijzonder geschikt zijn om de dynamiek van moleculen in krappe ruimten te onderzoeken, zoals het geadsordeerd water op de cellulosevezels die in een vel papier zijn geplaatst. Door water als sonde molecuul te gebruiken, kunnen RCD’S tegelijkertijd informatie over de chemische omgeving en fysieke conformatie van het cellulose-polymeer extraheren.

De chemische omgeving van de cellulosevezels beïnvloedt de mate van waterstof binding met watermoleculen, vandaar het bewegings gemak als reactie op de fluctuerende elektromagnetische velden. De cellulosische omgeving wordt deels bepaald door de concentraties van Hemicellulose en lignine in de papieranalyt. Hemicellulose is een hydrofiel vertakt polymeer van pentoses, terwijl lignine een hydrofoob, kruislings, fenolisch polymeer is. De hoeveelheid Hemicellulose en lignine in een papiervezel is een gevolg van het proces van het maken van papier. Geadsorreven water in papier partities tussen de hydrofiele gebieden, en de waterstof binding binnen het cellulose-polymeer, met name met de geadsorbedde watermoleculen, beïnvloedt het niveau van dwarsbinding binnen de cellulose structuur, het niveau van polarisatie baarheid en de architectuur van poriën in het cellulose-polymeer⁵. De totale diëlektrische reactie van een materiaal is een vector som van alle dipool momenten binnen het systeem en kan worden onderscheiden via diëlektrische spectroscopie door het gebruik van effectieve medium theorieën^6,7. Evenzo is de capaciteit van een diëlektrische materiaal omgekeerd evenredig aan de dikte; Vandaar, resonante holte diëlektrische spectroscopie is ideaal om te bestuderen monster-to-sample dikte reproduceerbaarheid van ultradun films materialen zoals papier^8,9,10. Hoewel er een aanzienlijke hoeveelheid werk is met betrekking tot het gebruik van diëlektrische spectroscopie technieken om hout en cellulose producten te bestuderen, is de reikwijdte van die studies beperkt tot papierfabrikbaarheids problemen^{11,12 ,13}. We hebben gebruik gemaakt van het anisotrope karakter van papier om de toepassing van rcd’s aan te tonen om papier te testen buiten de vochtigheid en mechanische eigenschappen^14,15,16 en om aan te tonen dat het numerieke gegevens die kunnen worden gebruikt in technieken voor kwaliteitsborging, zoals studie vermogens studies en real-time statistische procescontrole (SPC). De methode heeft ook inherente forensische capaciteiten en kan worden gebruikt om ecologische duurzaamheidskwesties kwantitatief te confronteren, economische belangen te ondersteunen en gewijzigde en vervalste documenten op te sporen.

Resonante holte diëlektrische spectroscopie (RCDS) theorie en techniek
RCDS is een van de verschillende diëlektrische spectroscopie technieken die beschikbaar zijn¹⁷; het werd specifiek gekozen omdat het niet-contact, niet-destructief, en experimenteel eenvoudig in vergelijking met andere methoden van diëlektrische spectroscopie. In tegenstelling tot andere analytische technieken die worden gebruikt om de eigenschappen van papier te bestuderen, elimineert RCDS de noodzaak van dubbele meet sets om rekening te kunnen maken met de twee zijden van een monster blad¹⁸. De resonante microgolf holte techniek heeft het voordeel dat hij gevoelig is voor zowel het oppervlak als de bulk geleiding. De oppervlakte geleiding van een monster materiaal wordt bijvoorbeeld bepaald door het volgen van een verandering in de kwaliteitsfactor (Q-factor) van de holte als een preparaat geleidelijk in de holte wordt ingebracht in kwantitatieve correlatie met het volume van het specimen^{18 ,19,20}. Geleidendheid kan worden verkregen door simpelweg de oppervlakte geleiding te verdelen door de preparaatdikte. De oppervlakte geleiding van een dun, omhulde materiaal zoals papier functioneert als een proxy voor het diëlektrische Profiel van een te testen materiaal (Mut), omdat het recht evenredig is aan het diëlektrische verlies, ε “, van de MUT^{18,19, 20}. diëlektrische verlies is een indicatie van hoeveel warmte wordt afgevoerd door een diëlektrische materiaal wanneer er een elektrisch veld wordt aangebracht over het; materialen met een grotere conductiviteit zullen een hogere diëlektrische verlies waarde hebben dan minder geleidende materialen.

Experimenteel, het diëlektrische verlies, ε “, geassocieerd met het preparaat oppervlak wordt geëxtraheerd uit de snelheid van de daling van de kwaliteit van de holte resonantie (Q) (dat wil zeggen, energieverlies), met een toenemend volume van specimen¹⁹. De Q wordt bepaald aan de resonante frequentie f van de 3 dB breedte, Δf, van de resonante piek bij de resonante frequentie f, Q = Δf /f. Deze relatie is kwantitatief gecorreleerd met de helling van de lijn gegeven door vergelijking 1 hieronder, waarbij het verschil van de reciproke van de q-factor van het preparaat uit de q-factor van de lege holte wordt aangegeven, is de verhouding van het volume van het ingevoegde preparaat op het volume van de lege holte en het snijpunt, b “, staat voor het niet-uniforme veld in het preparaat, zoals weergegeven in Figuur 1¹⁹.

(Vergelijking 1)

In dit artikel illustreren we het brede nut van deze techniek door het bepalen van de verhoudingen van vezel soorten (Speciation), het bepalen van de relatieve leeftijd van natuurlijk en kunstmatig verouderde papers, en het kwantificeren van het gerecycleerde vezelgehalte van wit kantoor Copier papier analyten. Overwegende dat de RCDS-techniek geschikt kan zijn voor het bestuderen van andere onderwerpen, zoals verouderings vraagstukken in papier isolatie in elektrische apparaten, dergelijke studies vallen buiten de reikwijdte van het huidige werk, maar zouden interessant zijn om in de toekomst na te streven.