造纸业如何利用FTIR显微镜进行纸张质量控制和故障分析

2023-09-16 20:41:36 布鲁克（北京）科技有限公司-光谱仪器

纸是世界各地每天都在使用的日常物品，因此，使用傅立叶变换红外（FTIR）显微镜进行纸张质量控制，也就不足为奇了。FTIR显微镜可以分析纸制品的化学成分，并简化它的质量控制工作。在本文中，我们介绍了造纸业面临的故障分析挑战，并展示了如何利用FTIR显微镜来克服这些挑战。

纸张故障分析挑战

你知道吗？现代纸张的组成十分复杂，包含多种不同的成分：纤维、胶料和浸渍剂，还有填料，其中，填料的含量占了纸张成分的30%。这些填料（例如：碳酸钙）在优化纸张的印刷适性、光泽度和不透明度等性能方面，发挥着重要作用。然而，一旦这些成分组合在一起，就很难从视觉上区分了。这导致纸张缺陷鉴别或纸张成分分析十分具有挑战性。

刚刚制造出来的一卷纸

了解FTIR显微镜

用FTIR应对挑战

传统的宏观测量方法在处理纸张的不均匀成分和微观缺陷时通常效果不佳。然而，通过使用FTIR显微镜，我们可以深入探索纸张成分的神秘世界。通过进行高横向分辨率的红外光谱测量，我们可以揭示缺陷的化学成分。另外，我们还可以对纸张的成分进行定性分析。通过这种方式，可以为样品区域内成分的分布提供有价值的洞见。

我们在下文展示了两个FTIR显微镜在造纸业的应用案例。我们使用了布鲁克的FTIR显微镜LUMOS II进行分析，它可以快速定位并鉴别纸张中的缺陷。

案例1

纸张杂质分析

第一个示例展示了如何通过FTIR显微镜对纸样表面的杂质进行分析。此类污染可能会影响纸张的印刷能力或对监管产生影响，特别是在食品包装或医学应用等领域。

为了分析和精确定位污染，我们使用FTIR显微镜进行了网格测量，它包含47 x 35个测量点，覆盖2.25 x 1.75 mm的区域。因此，每个谱都对应一个50 x 50 μm的区域。

下图分别显示了在干净的纸张区域和污染的纸张区域测得的光谱。测试结束后，我们使用布鲁克的OPUS软件，通过在数字谱库中进行搜索，来对污染物进行鉴定。

通过对1100 cm^-1处的谱带进行积分，我们可以获得污染物分布的化学图像。得到的强度在下图通过颜色编码表示。

左：纸张表面的谱（干净的纸张区域和污染的纸张区域）

右：显示了污染物分布的化学图像

与使用光学显微镜观察到的、均匀的白纸纸张表面相比，红外图像提供了更好的对比度，而且准确地显示了成分的分布位置。这使我们能够得出纸张质量的结论。

案例2

点状缺陷分析

纸张上的小点状缺陷的化学图像

第二个案例鉴定了一个小缺陷（见上），并分析了样品中的填料分布。下图显示了不同位置缺陷和纸张的光谱。纸张光谱显示了典型的纤维素谱带和不同含量的碳酸钙，这些信息在缺陷谱也得到了体现。图中还显示了其他无法解释的谱带。通过混合物检索分析，我们可以确定这些成分分别是为纸张、Struktol®和Evatane®（下图）。

左：缺陷（蓝色）、填料（红色）和纸张（棕色）的代表性谱

右：点状缺陷的混合物检索结果

这种缺陷是怎么发生的呢？Evatane^®被专门添加到纸张配方中，用以改善纤维之间的粘合。因此，该物质在生产过程中很可能没有被均匀分布在纸张中。这同样适用于Struktol^®，因为它经常用于改善纸张的表面防水特性。

综上所述，FTIR通过化学成分分析和加强质量控制，为造纸业带来了裨益。通过克服纸张复杂成分和微观缺陷分析的挑战，FTIR显微镜能够深入探索纸张成分的神秘世界。它可以通过化学成像，来发现缺陷、对成分进行定性分析，并实现杂质可视化。以布鲁克LUMOS II为代表的FTIR显微镜，能够快速定位和鉴别缺陷，为造纸业的故障分析挑战提供了极大帮助。

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