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(jìn)行紙張質(zhì)量控制，也就不足為奇了。FTIR顯微鏡可以分析紙制品的化學(xué)成分，并簡(jiǎn)化它的質(zhì)量控制工作。在本文中，我們介紹了造紙業(yè)面臨的故障分析挑戰(zhàn)，并展示了如何利用FTIR顯微鏡來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。
紙張故障分析挑戰(zhàn)
你知道嗎？現(xiàn)代紙張的組成十分復(fù)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(yōu)化紙張的印刷適性、光澤度和不透明度等性能方面，發(fā)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(jué)上區(qū)分了。這導(dǎo)致紙張缺陷鑒別或紙張成分分析十分具有挑戰(zhàn)性。
了解FTIR顯微鏡
用FTIR應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
傳統(tǒng)的宏觀測(cè)量方法在處理紙張的不均勻成分和微觀缺陷時(shí)通常效果不佳。然而，通過(guò)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(guò)進(jìn)行高橫向分辨率的紅外光譜測(cè)量，我們可以揭示缺陷的化學(xué)成分。另外，我們還可以對(duì)紙張的成分進(jìn)行定性分析。通過(guò)這種方式，可以為樣品區(qū)域內(nèi)成分的分布提供有價(jià)值的洞見。
我們?cè)谙挛恼故玖藘蓚€(gè)FTIR顯微鏡在造紙業(yè)的應(yīng)用案例。我們使用了布魯克的FTIR顯微鏡LUMOS II進(jìn)行分析，它可以快速定位并鑒別紙張中的缺陷。
案例1
紙張雜質(zhì)分析
第一個(gè)示例展示了如何通過(guò)FTIR顯微鏡對(duì)紙樣表面的雜質(zhì)進(jìn)行分析。此類污染可能會(huì)影響紙張的印刷能力或?qū)ΡO(jiān)管產(chǎn)生影響，特別是在食品包裝或醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。
為了分析和精確定位污染，我們使用FTIR顯微鏡進(jìn)行了網(wǎng)格測(cè)量，它包含47 x 35個(gè)測(cè)量點(diǎn)，覆蓋2.25 x 1.75 mm的區(qū)域。因此，每個(gè)譜都對(duì)應(yīng)一個(gè)50 x 50 μm的區(qū)域。
下圖分別顯示了在干凈的紙張區(qū)域和污染的紙張區(qū)域測(cè)得的光譜。測(cè)試結(jié)束后，我們使用布魯克的OPUS軟件，通過(guò)在數(shù)字譜庫(kù)中進(jìn)行搜索，來(lái)對(duì)污染物進(jìn)行鑒定。
通過(guò)對(duì)1100 cm-1處的譜帶進(jìn)行積分，我們可以獲得污染物分布的化學(xué)圖像。得到的強(qiáng)度在下圖通過(guò)顏色編碼表示。
左：紙張表面的譜（干凈的紙張區(qū)域和污染的紙張區(qū)域）
右：顯示了污染物分布的化學(xué)圖像
與使用光學(xué)顯微鏡觀察到的、均勻的白紙紙張表面相比，紅外圖像提供了更好的對(duì)比度，而且準(zhǔn)確地顯示了成分的分布位置。這使我們能夠得出紙張質(zhì)量的結(jié)論。
案例2
點(diǎn)狀缺陷分析
紙張上的小點(diǎn)狀缺陷的化學(xué)圖像
第二個(gè)案例鑒定了一個(gè)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(xiàn)。圖中還顯示了其他無(wú)法解釋的譜帶。通過(guò)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(lán)色）、填料（紅色）和紙張（棕色）的代表性譜
右：點(diǎn)狀缺陷的混合物檢索結(jié)果
這種缺陷是怎么發(fā)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(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中很可能沒(méi)有被均勻分布在紙張中。這同樣適用于Struktol®，因?yàn)樗?jīng)常用于改善紙張的表面防水特性。
綜上所述，F(xiàn)TIR通過(guò)化學(xué)成分分析和加強(qiáng)質(zhì)量控制，為造紙業(yè)帶來(lái)了裨益。通過(guò)克服紙張復(fù)雜成分和微觀缺陷分析的挑戰(zhàn)，F(xiàn)TIR顯微鏡能夠深入探索紙張成分的神秘世界。它可以通過(guò)化學(xué)成像，來(lái)發(fā)現(xiàn)缺陷、對(duì)成分進(jìn)行定性分析，并實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)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(yè)的故障分析挑戰(zhàn)提供了極大幫助。
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