无接触谐振腔介电谱法研究纤维素纸张的方法开发

该方法为传统的纸张纤维分析提供了一种客观且可由机器重复的操作替代方案，并超越了传统纤维分析的计量学局限性。与传统纤维分析不同，该方法快速、无需接触、非破坏性，且无需专业培训，也不依赖于分析人员的视觉敏锐度。记录纸令随附的所有制造信息，例如定量、制造商宣称的消费后废料含量以及制造商宣称的白度。

佩戴手套，并使用镊子操作，以避免折痕和污染纸样。使用千分尺从纸垛中取一张纸，沿纸张纵向和横向平均测量10个点的厚度。确定纸张的纵向和横向方向。

使用量角器确定纸张在机器方向与横向之间的目标条带角度，并沿该角度裁剪。使用旋转切割刀，按样品的目标方向切割出宽0.5厘米、长8厘米的测试条。从一端标记样品，并将其存放在玻璃显微镜载玻片之间。

在氮气氛围中保存至测试前。按照文中实验方案进行加速纸张褪色测试。从老化后的纸张样品上裁剪出适合谐振腔的样品条。

典型试样尺寸为0.5厘米×8厘米。谐振腔测试装置由一个充满空气的标准WR-90矩形波导构成。记录温度和相对湿度。

获取空腔体的初始品质因数 Q₀ 和谐振频率 f₀。然后，将固定在样品架中的样品置于腔体中心狭缝的上方。在测量过程中，样品通过狭缝逐步插入腔体，插入体积依次增加；体积等于插入部分的高度乘以样品宽度再乘以样品厚度。

使用样品架上的游标卡尺，以50微米为增量将样品逐步插入腔体。每步插入后记录一次品质因数和共振频率，直至样品完全插入腔体内部10毫米为止。随后以相同的50微米增量将样品从腔体内部逐步撤回。

持续测量品质因数和共振频率，直至样品完全撤回。将样品存放在玻璃载片之间，并将其放回氮气环境中。纸样样品的介电损耗由扰动曲线的斜率获得。

测试样品的切割方向会影响其介电响应的强度。图中展示了未经使用、直接获取的蓝色24磅办公用纸在经过169小时紫外线褪色处理前后，不同条带切割角度下介电响应的比较结果。沿纸张非正交角度切割的条带在区分纸张类型方面提供了最佳分辨效果，尤其是在45度和60度方向上表现尤为明显。

美国联邦政府采购的含棉卷筒纸在使用60度条带测得的介电损耗谱显示，不同浓度的棉纤维可以被区分。在46%相对湿度和49%相对湿度条件下，对联邦政府采购的100%棉卷筒纸进行了测试结果比较。经过169小时的紫外加速老化后，纤维素聚合物的降解现象可被识别，表现为原始纸样和再生纸样的平均介电损耗值均有所下降。

值得注意的是，即使经过加速老化阶段后，该技术仍可区分原始材料与再生材料。基于等高线图的线性回归拟合显示了根据制造商标称的亮度和废纸回收含量所确定的白色办公复印纸的介电损耗。进行该操作时最重要的是保持实验室温度和湿度条件的一致性。

该方法不仅对造纸工业具有巨大的前景和直接的应用价值，而且在安全证件制造、法医学、海关执法以及考古学与文物保护科学领域也具有重要应用潜力。