红外光谱法在纸张分析中的应用
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红外光谱法在纸张分析中的应用


摘要红外光谱法作为一种应用广泛的光谱分析手段,在纸张分析中有重要的应用,其应用范围不 断得到拓展,本文综述了红外光谱法在纸张分析中的应用。

1引言
红外光谱法作为快速、微损甚至无损的分析方法,具有灵敏度高检测时间短样品量少等特 点,广泛应用于材料、化工、生物、环保、地质等领域的研究在纸张分析方面,主要用在纸张原料、成 分、老化的分析,以及对纸张、书画鉴定等本文就近年来纸张的红外光谱分析应用研究作一综述
2红外光谱在纸张分析中的应用
2. 1对纸张原料鉴定
对纸张原料的鉴定可为古代书画的断代及保护提供科学依据。当前有多种分析造纸植物纤维 种类的方法,红外光谱是其中一种重要的分析方法
Gaiside P等[1通过对树皮、亚麻和棉花等6种经过处理和未经处理的植物纤维的衰减全反射 傅里叶变换红外光谱的分析,基于木素和其他成分红外图谱上吸收峰的强度比,发现每种纤维的比 值会落在一个特征范围内,据此可对纤维进行定性分柝他们又应用偏光衰减全反射红外光谱[2]分 析得到亚寐剑麻和椰树纤维外层的缠绕方向和缠绕角度,这也可用于纤维的鉴定。
刘雪云等[3]将常用造纸原料制浆并抄片为成品纸,测量1000(— 400Cbm_范围内的近红外光 谱,谱图信号经滤波和一阶微分预处理后提取主成分用于聚类分析。他们认为,上述方法能对样品 正硫快速分类,可以为快速无损鉴别纸浆种类,即造纸原料,提供一种准确可靠的方法。
2. 2对纸张成分分析
纸张是纤维素、木素以及填料等多种材料的混合体,不同物质的红外光谱往往不同,因此可用 红外光谱来分析纸张的成分。
Lang P L等[通过对1400年到1800年25个古纸样品红外光谱分析,结合主成分回归分析方 法,分离了 3个和施胶有关的因子,同时用此方法对纸张的其他成分和性能(铁、硫、pH值、年代等) 进行了较好的预测。他们认为该方法是研究纸张耐久性和施胶度关系的有效手段。
叶炜等[5研发了新的光学系统用于纸张红外水分仪,并对150- 35Cg /m2的黄色牛皮纸进行了 测试,通过采用线性回归分析对其数据进行处理,发现其测试精度优于O. 8%同时发现采用上述 系统测试450g/m2的箱板纸时其输出信号经放大滤波后仍可以获得稳定的输出,有望解决高定量 纸张水分测量的难题
Trafela T等[6]应用传统分析方法获得纸张的灰分、木素含量纤维素聚合度、铝含量等性质, 结合红外光谱对纸张的上述性质进行预测,预测值和实验值有较好的一致性„进而认为根据红外图 谱来推测纸张年代是值得研究的方向。
2. 3对纸张老化分析
纸张的老化主要是受包括光照、微生物、空气污染等在内的多种因素的影响而导致纤维素的降 解。纸张的老化伴随着化学键的变化,而化学键的变化可以在红外图谱上得到反映,这使得红外光 谱成为研究纸张老化的有效手段
李坚[7]利用傅里叶变换红外光谱仪研究了纸在阳光暴露或人造紫外光辐射时其表面性质的变 化,发现1740- 1710cm- 1的吸收峰经光照后增强,经紫外光辐射的增强更大,认为是紫外光辐射使 纤维素产生更多含有羧基和羰基的光降解产物;而1265cm-1处木素特征吸收峰强度明显减弱,认 为是产生此吸收峰的木素遭到破坏
Proniewicz L M等[8]分析了软木和棉花的纯纤维在湿热(10(ĴC,饱和水蒸气)环境下处理了 21天后红外光谱和拉曼光谱的变化,研究发现不同的测定方法所得的谱图有明显的区别他们认 为水解改变了 CCH COH OCH HCH等化学键的弯曲振动,且水蒸气在水解过程中起到了重要作 用。
Yonenobu H等[9]对古代和纸书画卷轴的纤维素和半纤维素红外光谱进行了分析,发现非结晶 区和半结晶区的红外吸收峰明显弱于结晶区,与传统的破坏性的糖类分析方法结果一致,认为这为 研究纸张老化提供了一种无损分析方法
Lojewska J等[1<°通过对纸张在各种条件下(饱和水蒸气,干燥空气,100C,150C )的人工老化 实验来模拟水解老化和氧化老化,发现老化产生的羰基会在1500- 1900cm^的红外波段有吸收 峰,通过羰基吸收峰的变化,得到纸张的老化动力学曲线,进而建立了关于水解反应路径和一级动 力学反应机理之间关系的模型
Gaiside P等将偏光红外光谱用于纤维的老化研究,发现无定形区的纤维老化之后会更加明 显。在对亚麻190C的热老化后,所观察到的偏光红外光谱印证了纤维素无定形区的氧化并生成羰 基和碳酸盐,同时也证明老化是从非结晶区开始的
2.4对纸张、书画鉴定
由于纸张成分的复杂性,导致红外光谱多种成分谱图的重叠,但是这种谱图的复杂性,有时也 在成分不太明确的情况下直接用于纸张的区分,李继民‘等[采用傅里叶变换红外光谱技术对复印纸进行分
析,以1429cm 189W1的吸光度比值表示纤维素的结晶度,发现不同厂家、不同牌号、不同生产时间的复印纸中添加的填料种类 和纤维素的结晶度不同;热老化和紫外光老化规律不同这为纸张的相同性比对和同一认定提供了 一种实用的检验方法赵亮[12也做了类似工作。
那娜等[13]尝试用傅里叶变换红外光谱法结合近红外傅里叶变换拉曼光谱法鉴定中国字画尽 管他们没能在真迹和赝品的宣纸纸张检测中发现其红外光谱有明显区别,但结合印章的红外光谱 和拉曼光谱分析、墨迹的红外光谱分析,发现真迹和赝品的谱图差异,据此认为可鉴定字画真伪。
3结论
近年来,红外光谱法在对纸张原料、成分、老化的分析及对纸张、书画鉴定等方面具有较多应 用。随着研究的不断深入,红外光谱与X射线衍射光谱、X射线荧光光谱和拉曼光谱等其他分析手 段结合使用,红外光谱法将在纸张分析中起到越来越重要的作甩