פיתוח שיטה עבור מדעי החלל ללא מגע מכשירים ספקטרוסקופיים הדיאלקטרי של הנייר תאית

הנייר הינו מוצר, הטרוסוגני, מוצרים מיוצרים המורכב מסיבי תאית, סוכני שינוי גודל, חומרי מילוי אורגניים, צבעי ומים. סיבי התאית עשויים לנבוע ממגוון מקורות צמחיים; חומר הגלם מופר לאחר מכן באמצעות שילוב של טיפולים פיזיים ו/או כימיים כדי לייצר עיסת מעשי המורכבת מסיבים תאית. הצלולוזה במוצר נייר יכול להיות גם התאושש משני, או סיבים ממוחזרים¹. השיטה TAPPI T 401, “ניתוח סיבים של נייר ו paperboard,” היא כיום המדינה של שיטת האמנות לזיהוי סוגי סיבים והיחס שלהם נוכח בתוך דגימת נייר והוא מנוצל על ידי קהילות רבות². מדובר בטכניקת צביעה ידנית התלויה בחדות החזותית של אנליסט אנושי מיומן במיוחד כדי להבחין בסוגי הסיבים המרכיבים של דגימת נייר. יתר על כן, הכנה לדוגמה עבור השיטה 401 TAPPI הוא מפרך זמן רב, המחייב הרס פיזי השפלה כימית של דגימת הנייר. צביעת עם ריאגנטים שנקבעו במיוחד המעבדת דגימות סיבים בכפוף להשפעות של חמצון, מה שמקשה על הארכיון דגימות לשימור או בנקאות הדגימה. לפיכך, התוצאות משיטת ה-TAPPI T 401 כפופות לפרשנות האנושית ותלויות ישירות בהבחנה החזותית של אנליסט פרטני, המשתנה בהתאם לרמת הניסיון וההכשרה של אותו אדם, המוביל לשגיאות הטבועות בעת השוואת תוצאות בין ערכות לדוגמה. מקורות רבים של אי דיוק וחוסר דיוק נמצאים גם הם³. בנוסף, שיטת TAPPI אינה מסוגלת לקבוע את הכמות של סיבים משניים או את הגיל היחסי של דגימות נייר^4,5.

לעומת זאת, טכניקת מדידות החלל (RCDS) שאנו מתארים במאמר זה מציעה יכולות אנליטיות המתאימות היטב לבדיקות נייר. מדידות ספקטרוסקופית בדיקה את דינמיקת ההרפיה של הדיתרנים ונושאות המטען הנייד בתוך מטריצה בתגובה לשינוי מהיר של שדות אלקטרומגנטיים, כגון מיקרוגל. זה כרוך כיוון הסיבוב מולקולרי מחדש, הפיכת rcds במיוחד מתאים לבחון את הדינמיקה של מולקולות בחללים סגורים, כגון המים נספחת על סיבי תאית בתוך גיליון נייר. על-ידי שימוש במים כמולקולה בדיקה, RCDS בו יכול לחלץ מידע על הסביבה הכימית והיווצרות פיזית של פולימר תאית.

הסביבה הכימית של סיבי הצלולוזה משפיעה על מידת הקשר של מימן עם מולקולות מים, ולכן קלות התנועה בתגובה לשדות האלקטרו-מגנטים היציבים. הסביבה תאית נקבעת, בין השאר, על ידי ריכוזי hemicellulose וליגנין ב מנתחי הנייר. Hemicellulose הוא פולימר בענף הידרופילי של פנטוסס, ואילו ליגנין הוא הידרופובי, פולימר מקושר, פולימרים פנוליים. כמויות הhemicellulose והליגנין בסיבי נייר הן תוצאה של תהליך יצירת הנייר. ממים נספחת במחיצות נייר בין אתרי הידרופילי, ואת הקשר מימן בתוך הפולימר התאית, במיוחד עם מולקולות מים נספחת, משפיע על רמת הקישור החוצה בתוך מבנה תאית, הרמה של פולזיביליות, ואת הארכיטקטורה של נקבוביות בתוך פולימר התאית⁵. התגובה הדיאלקטרי הכולל של חומר הוא סכום וקטורי של כל הרגעים דיפול בתוך המערכת והוא יכול להיות מכובד באמצעות ספקטרוסקופיית מדידות באמצעות תיאוריות בינוניות אפקטיביות^6,7. באופן דומה, הקיבוליות של חומר מדידות הוא ביחס הפוך לעובי שלה; מכאן, התהודה מדידות החלל ספקטרוסקופית הוא אידיאלי כדי ללמוד לדוגמה לדוגמה לדגימה בעובי של חומרים דקים במיוחד סרטים כגון נייר^8,9,10. בעוד יש גוף משמעותי של עבודה בנוגע לשימוש של טכניקות ספקטרוסקופיית מדידות כדי ללמוד עץ מוצרים תאית, היקף מחקרים אלה הוגבלה נייר יכולת בעיות^{11,12 ,13}. לקחנו את היתרון של הטבע אניסוטרופי של הנייר כדי להדגים את היישום של rcds לבדיקת נייר מעבר לחות ותכונות מכניות^14,15,16 , כדי להראות כי זה התשואות נתונים מספריים שניתן להשתמש בהם בטכניקות של אבטחת איכות כגון מחקרי יכולת למדוד ובקרת תהליכים סטטיסטיים בזמן אמת (SPC). השיטה כוללת גם יכולות משפטית הטבועות וניתן להשתמש בה כדי לכמת את החששות הסביבתיים, לתמוך באינטרסים כלכליים, ולזהות מסמכים ששונו ומזויפים.

מהדהד-ספקטרוסקופיית מדידות וטכניקה
RCDS הוא אחד מספר טכניקות ספקטרוסקופיית מדידות זמין¹⁷; הוא נבחר במיוחד משום שהוא אינו קשר, לא הרסני, ופשוט בהשוואה לשיטות אחרות של ספקטרוסקופיית מדידות. בניגוד לטכניקות אנליטיות אחרות המשמשות לחקר מאפייני הנייר, RCDS מבטלת את הצורך בערכות כפולות של מדידות לחשבון עבור שני הצדדים של גיליון מדגם¹⁸. לטכניקת החלל הפנימי של מיקרוגל יש את היתרון של רגישות הן למשטח והן למוליכות בצובר. לדוגמה, לפני השטח של חומר מדגם נקבע על ידי מעקב אחר שינוי בפקטור האיכות (Q-Factor) של החלל כמדגם מוכנס בהדרגה לתוך החלל בקורלציה כמותית עם כרך של המדגם^{18 ,19,20}. מוליכות יכולה להיות מושגת על ידי חלוקת מוליכות המשטח על ידי עובי הדגימה. מוליכות הפנים של משטח דק, חומר שחור כמו הפונקציות הנייר כפרוקסי עבור הפרופיל הדיאלקטרי של חומר תחת מבחן (MUT), כפי שהוא פרופורציונלי ישירות לאובדן מדידות, ε “, של מוט^{18,19, 20}. הפסד מדידות הוא אינדיקציה כמה החום מתפוגג על ידי חומר מדידות כאשר שדה חשמלי מוחל על פני זה; חומרים בעלי מוליכות גבוהה יותר יהיו בעלי ערך אובדן מדידות גבוה יותר מחומרים מוליכי פחות.

ניסויים, אובדן מדידות, ε “, הקשורים עם פני השטח של הדגימה מופק משיעור הירידה של מקדם באיכות תהודה של הגוף (Q) (כלומר, אובדן אנרגיה), עם נפח הולך וגובר של הדגימה¹⁹. Q נקבע בתדר התהודה f מ 3 dB רוחב, Δf, של פסגת התהודה בתדר התהודה f, Q = Δf /f. קשר זה הוא ככמת באמצעות השיפוע של הקו נתון על ידי משוואה 1 להלן, היכן מייצג את ההפרש של ההופכי של מקדם q של הדגימה מן Q-factor של חלל ריק, הוא היחס של הנפח של הדגימה שנוספה לאמצעי האחסון של החלל הריק, והקו מיירט, b “, מחשבון עבור השדה הלא אחיד בדגימה, כפי שמוצג באיור¹⁹.

(משוואה 1)

במאמר זה, אנו ממחישים את כלי השירות הרחב של טכניקה זו על ידי קביעת היחס של מינים סיבים (speciation), קביעת הגיל היחסי של ניירות מלאכותיים באופן טבעי ומלאכותי, ו לכמת את התוכן סיבים ממוחזרים של מכונת צילום של המשרד הלבן מנתחי נייר. בעוד שטכניקת RCDS עשויה להיות מתאימה ללימוד נושאים אחרים, כגון הזדקנות בעיות נייר במנגנון החשמל, מחקרים כאלה נמצאים מחוץ לטווח העבודה הנוכחית, אך יהיה מעניין להמשיך בעתיד.