Desarrollo del método para estudios espectroscópicos dieléctricos de cavidad resonante sin contacto de papel celulósico

El papel es un producto manufacturado, heterogéneo y chapado compuesto por fibras celulósicas, agentes de dimensionamiento, rellenos inorgánicos, colorantes y agua. Las fibras de celulosa pueden originarse en una variedad de fuentes vegetales; la materia prima se descompone a través de una combinación de tratamientos físicos y/o químicos para producir una pulpa viable que consiste principalmente en fibras de celulosa. La celulosa en el producto de papel también puede recuperarse de fibra secundaria o reciclada¹. El Método T401 de TAPPI, “Análisis de fibra de papel y cartón”, es actualmente el método de vanguardia para identificar los tipos de fibra y sus proporciones presentes dentro de una muestra de papel y es utilizado por muchas comunidades^2. Es una técnica manual y colorimétrica que depende de la agudeza visual de un analista humano especialmente entrenado para discernir los tipos de fibra constituyente de una muestra de papel. Además, la preparación de muestras para el método TAPPI 401 es laboriosa y requiere mucho tiempo, lo que requiere destrucción física y degradación química de la muestra de papel. La tinción con reactivos especialmente prescritos hace que las muestras de fibra estén sujetas a los efectos de la oxidación, lo que dificulta el archivo de muestras para su preservación o la banca de muestras. Por lo tanto, los resultados del Método T 401 de TAPPI están sujetos a interpretación humana y dependen directamente del discernimiento visual de un analista individual, que varía en función del nivel de experiencia y formación de esa persona, lo que conduce a errores inherentes al comparar los resultados entre los conjuntos de muestras y dentro de ellos. Múltiples fuentes de imprecisión e inexactitud están presentes, así^{como 3}. Además, el método TAPPI es incapaz de determinar la cantidad de fibra secundaria o la edad relativa de las muestras de papel^4,5.

Por el contrario, la técnica de espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante (RCDS) que describimos en este artículo ofrece capacidades analíticas que son adecuadas para exámenes en papel. La espectroscopia dieléctrica sondas la dinámica de relajación de los dipolos y los portadores de carga móviles dentro de una matriz en respuesta a campos electromagnéticos que cambian rápidamente, como microondas. Esto implica una reorientación rotacional molecular, haciendo que el RCDS sea particularmente adecuado para examinar la dinámica de las moléculas en espacios confinados, como el agua absorbida en las fibras de celulosa ensumidas en una hoja de papel. Mediante el uso de agua como molécula de sonda, RCDS simultáneamente puede extraer información sobre el entorno químico y la conformación física del polímero de celulosa.

El entorno químico de las fibras de celulosa influye en la extensión de la unión de hidrógeno con moléculas de agua, de ahí la facilidad de movimiento en respuesta a los campos electromagnéticos fluctuantes. El entorno celulósico está determinado, en parte, por las concentraciones de hemicelulosa y lignina en el analito de papel. La hemicelulosa es un polímero hidrofílico ramificado de pentosis, mientras que la lignina es un polímero fenólico, reticulado, reticulado. Las cantidades de hemicelulosa y lignina en una fibra de papel son una consecuencia del proceso de fabricación de papel. El agua absorbida en las particiones de papel entre los sitios hidrófilos, y la unión de hidrógeno dentro del polímero de celulosa, especialmente con las moléculas de agua adsorbidas, influye en el nivel de reticulación dentro de la estructura de celulosa, el nivel de polarización, y la arquitectura de los poros dentro del polímero de celulosa⁵. La respuesta dieléctrica total de un material es una suma vectorial de todos los momentos dipolo dentro del sistema y se puede distinguir mediante espectroscopia dieléctrica mediante el uso de teorías medias efectivas^6,7. Del mismo modo, la capacitancia de un material dieléctrico es inversamente proporcional a su espesor; por lo tanto, la espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante es ideal para estudiar la reproducibilidad del espesor de muestra a muestra de materiales de películas ultradelgadas como papel^8,9,10. Si bien existe un importante conjunto de trabajos relacionados con el uso de técnicas de espectroscopia dieléctrica para estudiar productos de madera y celulosa, el alcance de esos estudios se ha limitado a cuestiones de fabricación de papel^{11,12 ,13}. Hemos aprovechado la naturaleza anisotrópica del papel para demostrar la aplicación de RCDS a las pruebas de papel más allá de la humedad y las propiedades mecánicas^14,15,16 y para demostrar que produce datos numéricos que se pueden utilizar en técnicas de control de calidad, como los estudios de capacidad de calibre y el control estadístico de procesos (SPC) en tiempo real. El método también tiene capacidades forenses inherentes y se puede utilizar para hacer frente cuantitativamente a las preocupaciones de sostenibilidad ambiental, apoyar los intereses económicos y detectar documentos alterados y falsificados.

Teoría y técnica de espectroscopia dieléctrica de cavidad resonante (RCDS)
RCDS es una de varias técnicas de espectroscopia dieléctrica disponibles^17; fue elegido específicamente porque es sin contacto, no destructivo y experimentalmente simple en comparación con otros métodos de espectroscopia dieléctrica. A diferencia de otras técnicas analíticas utilizadas para estudiar las propiedades del papel, RCDS elimina la necesidad de conjuntos duplicados de mediciones para tener en cuenta los dos lados de una hoja de muestra¹⁸. La técnica de cavidad de microondas resonante tiene la ventaja de ser sensible a la conductividad tanto de la superficie como de la conductividad a granel. Por ejemplo, la conductividad superficial de un material de muestra se determina mediante el seguimiento de un cambio en el factor de calidad (Q-Factor) de la cavidad a medida que una muestra se inserta progresivamente en la cavidad en correlación cuantitativa con el volumen¹⁸ de la muestra ^,19,20. La conductividad se puede obtener simplemente dividiendo la conductividad de la superficie por el espesor de la muestra. La conductividad superficial de un material delgado y chapado como el papel funciona como un proxy para el perfil dieléctrico de un material sometido a prueba (MUT), ya que es directamente proporcional a la pérdida dieléctrica, “, del MUT^{18,19, 20}. La pérdida dieléctrica es una indicación de cuánto calor se disipa por un material dieléctrico cuando se aplica un campo eléctrico a través de él; materiales con mayor conductividad tendrán un mayor valor de pérdida dieléctrica que los materiales menos conductores.

Experimentalmente, la pérdida dieléctrica, “, asociada con la superficie de la muestra se extrae de la tasa de disminución del factor de calidad de resonancia de la cavidad (Q) (es decir, pérdida de energía), con el aumento del volumen de la muestra¹⁹. La Q se determina en la frecuencia resonante f a partir de la anchura de 3 dB,f, del pico resonante en la frecuencia resonante f, Q af /f. Esta relación se correlaciona cuantitativamente con la pendiente de la línea dada por la Ecuación 1 a continuación, donde representa la diferencia de la recíproca del factor Q de la muestra del factor Q de la cavidad vacía, es la relación del volumen de el espécimen insertado en el volumen de la cavidad vacía, y la intercepción de la línea, b”, representa el campo no uniforme en la muestra, como se muestra en la Figura 1^19.

(Ecuación 1)

En este artículo, ilustramos la amplia utilidad de esta técnica determinando las proporciones de las especies de fibra (especiación), determinando la edad relativa de los papeles envejecidos de forma natural y artificial, y cuantificando el contenido de fibra reciclada de la copiadora de oficina blanca analitos de papel. Mientras que la técnica RCDS puede ser adecuada para estudiar otros temas, como el envejecimiento en el aislamiento del papel en los aparatos de energía eléctrica, tales estudios están fuera del alcance de la obra actual, pero sería interesante seguir en el futuro.