布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡進行紙張質量控制和故障分析
2024-05-27
紙是世界各地每天都在使用的日常物品，因此，使用傅立葉變換紅外（FTIR）顯微鏡進行紙張質量控制，也就不足為奇了。布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡可以分析紙制品的化學成分，并簡化它的質量控制工作。在本文中，我們介紹了造紙業面臨的故障分析挑戰，并展示了如何利用FTIR顯微鏡來克服這些挑戰。
一、紙張故障分析挑戰
你知道嗎？現代紙張的組成十分復雜，包含多種不同的成分：纖維、膠料和浸漬劑，還有填料，其中，填料的含量占了紙張成分的30%。這些填料（例如：碳酸鈣）在優化紙張的印刷適性、光澤度和不透明度等性能方面，發揮著重要作用。然而，一旦這些成分組合在一起，就很難從視覺上區分了。這導致紙張缺陷鑒別或紙張成分分析十分具有挑戰性。
剛剛制造出來的一卷紙
二、用FTIR應對挑戰
傳統的宏觀測量方法在處理紙張的不均勻成分和微觀缺陷時通常效果不佳。然而，通過使用FTIR顯微鏡，我們可以深入探索紙張成分的神秘世界。通過進行高橫向分辨率的紅外光譜測量，我們可以揭示缺陷的化學成分。另外，我們還可以對紙張的成分進行定性分析。通過這種方式，可以為樣品區域內成分的分布提供有價值的洞見。
我們在下文展示了兩個FTIR顯微鏡在造紙業的應用案例。我們使用了布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡進行分析，它可以快速定位并鑒別紙張中的缺陷。
三、案例
01 紙張雜質分析
第一個示例展示了如何通過布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡對紙樣表面的雜質進行分析。此類污染可能會影響紙張的印刷能力或對監管產生影響，特別是在食品包裝或醫學應用等領域。
為了分析和精確定位污染，我們使用FTIR顯微鏡進行了網格測量，它包含47 x 35個測量點，覆蓋2.25 x 1.75 mm的區域。因此，每個譜都對應一個50 x 50 μm的區域。
下圖分別顯示了在干凈的紙張區域和污染的紙張區域測得的光譜。測試結束后，我們使用布魯克的OPUS軟件，通過在數字譜庫中進行搜索，來對污染物進行鑒定。
通過對1100 cm-1處的譜帶進行積分，我們可以獲得污染物分布的化學圖像。得到的強度在下圖通過顏色編碼表示。
左：紙張表面的譜（干凈的紙張區域和污染的紙張區域）
右：顯示了污染物分布的化學圖像
與使用光學顯微鏡觀察到的、均勻的白紙紙張表面相比，布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡紅外圖像提供了更好的對比度，而且準確地顯示了成分的分布位置。這使我們能夠得出紙張質量的結論。
02 點狀缺陷分析
紙張上的小點狀缺陷的化學圖像
第二個案例布魯克 LUMOS II FTIR顯微鏡鑒定了一個小缺陷（見上），并分析了樣品中的填料分布。下圖顯示了不同位置缺陷和紙張的光譜。紙張光譜顯示了典型的纖維素譜帶和不同含量的碳酸鈣，這些信息在缺陷譜也得到了體現。圖中還顯示了其他無法解釋的譜帶。通過混合物檢索分析，我們可以確定這些成分分別是為紙張、Struktol?和Evatane?（下圖）。
左：缺陷（藍色）、填料（紅色）和紙張（棕色）的代表性譜
右：點狀缺陷的混合物檢索結果
這種缺陷是怎么發生的呢？Evatane?被專門添加到紙張配方中，用以改善纖維之間的粘合。因此，該物質在生產過程中很可能沒有被均勻分布在紙張中。這同樣適用于Struktol?，因為它經常用于改善紙張的表面防水特性。
綜上所述，FTIR通過化學成分分析和加強質量控制，為造紙業帶來了裨益。通過克服紙張復雜成分和微觀缺陷分析的挑戰，FTIR顯微鏡能夠深入探索紙張成分的神秘世界。它可以通過化學成像，來發現缺陷、對成分進行定性分析，并實現雜質可視化。以布魯克LUMOS II為代表的FTIR顯微鏡，能夠快速定位和鑒別缺陷，為造紙業的故障分析挑戰提供了極大幫助。
布魯克 LUMOS II 傅立葉變換紅外（FTIR）顯微鏡
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