FT Raman und FTIR Untersuchungen zur Qualitätskontrolle und Alterung von Papier

Zusammenfassung

Papier ist ein sehr komplexer Stoff aus pflanzlichen Fasern, Füllmitteln, Haftstoffen, Beschichtungsmaterialien und einer Vielzahl von Zuschlägen, die bei der Herstellung hinzugegeben werden, um dadurch Papiere mit spezifischen Eigenschaften, wie Farbe, Transparenz, mechanische Stabilität, Porosität zu erhalten. Die Stabilität solcher Papiere und ihrer Einbände - im Falle von Büchern - hängt unmittelbar von ihrer Zusammensetzung und ihrer jeweiligen Struktur ab. Zur Charakterisierung des Zustandes und der Haltbarkeit von Papier ist es erforderlich, die zum Verfall von Papier führenden chemischen und physikalischen Parameter zu untersuchen.

Für den Zerfall von Papier sind eine Reihe von chemischen Reaktionen verantwortlich, insbesondere Hydrolyse- und Oxidationsvorgänge spielen dabei neben dem Vernetzungsgrad der Cellulose eine große Rolle. Sowohl interne als auch externe Komponenten beeinflussen den Säuregehalt, die Konzentration der Übergangsmetallionen und den Ligninanteil. Unter den äußeren Einflüssen zur Alterung von Papier kommt den atmosphärischen Schadstoffen und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft besondere Bedeutung zu.

In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung der Schwingungsspektroskopie zur Qualtitätskontrolle und Alterung von Papier beschrieben. Als Methoden werden die Continuous Scan FTIR (Fourier Transform Infrarot) Aufnahmetechnik und die FT Laser Raman Spektroskopie angewendet. Diese beiden zerstörungsfreien Analysenmethoden wurden sowohl für industrielle Papiere als auch für künstlich gealterte Papierproben eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die FTIR / Raman Spektroskopie eine deutliche Unterscheidung von holzhaltigen und holzfreien Papieren erlaubt. Ebenso kann die durch Licht hervorgerufene Oxidation des Lignins bestimmt werden. Darüberhinaus ergeben diese Methoden Aussagen über den Carbonatgehalt von Papier, der als ein signifikanter Faktor für die Säurestabilität von Papier gilt.

FT Raman and FTIR investigations for quality control and ageing of paper

Summary

Paper is a complex material composed of plant fibres, fillers, adhesives, coatings and a variety of other materials, each of them added to the pulp to give the resulting paper specific properties, e. g. colour, opacity, mechanical stability, reduced porosity etc. The long-term stability of paper and board materials arises from their composition and structure. In order to assess the condition and ageing characteristics of paper it is necessary to understand the phenomena leading to its degradation and to be able to investigate the resulting chemical and mechanical alterations.

The degradation of paper has been identified by a number of chemical reactions, especially hydrolysis and oxidation, further cross-linking of the cellulose. The presence of certain additives such as acid contaminants being present due to internal or external factors within the paper, transition metal ions, lignin etc. play an important role in generating the composition of paper. Among the external influences on the ageing characteristics, the effects of atmospheric pollutants and the stability of relative humidity in the environment are very important.

This paper describes two applications of vibrational spectroscopy with regard to quality control and ageing of paper: continuous scan FTIR (Fourier Transform infrared) and FT Laser Raman spectroscopy.These techniques have been tested on samples of industrial papers, as well as in laboratory aged samples. The results indicate the feasibility of FTIR / Raman spectroscopy for the determination of the amount of lignin in various papers and the light induced oxidation of lignin. Furthermore the carbonates content is measured which is very important to the acidity content of paper.