Молекулярная спектроскопия как основа экспертной системы различных типов бумаги Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Фотография. Изображение. Документ. Вып. 2 (2)

О.Ю. Деркачева, Д.А. Сухов, Д.М. Хейфец

МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК ОСНОВА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ БУМАГИ

Среди многообразных форм культурного и интеллектуального наследия человечества, особое место занимают исторические документы, имеющие бумажную основу.

Бумага представляет собой сложный по составу и структуре композиционный материал. Это обуславливает специфику решения широкого круга задач, стоящих перед исследователями при изучении объектов, имеющих бумажную основу - идентификация бумаги, анализ и оценка ее состава и структуры, выбор оптимальных условий хранения и наиболее мягких режимов при выполнении реставрационных работ.

Учет этой специфики находит свое отражение в развитии различных физико-химических методов исследования этих материалов. Одним из таких методов является метод инфракрасной Фурье-спектроскопии, который широко используется для оценки химического состава и структуры объектов различного происхождения и назначения.

Основой для широкого распространения инфракрасной спектроскопии как физического метода исследования явился факт избирательного ИК-поглощения химическими группами. ИК-спектры связаны с фундаментальными колебаниями молекул, составляющих вещество. Спектры ИК-поглощения в области ниже 1500 см-1 весьма чувствительны к структурным различиям в молекулах сходного химического строения, поэтому спектры в данном диапазоне иногда сравнивают с «отпечатками пальцев» молекул1. Современные ИК-Фурье спектрометры позволяют записывать спектры с высоким разрешением и отношением сигнал-шум 1000/1 за несколько минут. Колебательные спектры могут записываться в виде пропускания, когда электромагнитное излучение проходит через образец и часть электромагнитных волн с определенными частотами, соответствующими частотам фундаментальных колебаний вещества, поглощается образцом (рис. 1(1)). Для такого анализа необходимо незначительное количество материала, поэтому образцы делаются в виде таблеток, путем прямого прессования волокон или мелко измельченных опилок весом 2-4 мг. Существует возможность получать спектр поглощения материала без предварительной подготовки образца, измеряя спектры диффузного отражения света. При таком способе происходит отражение света от поверхности бумаги под разными углами (рис. 1(2)). Спектры диффузного отражения в большей степени содержат информацию о поверхности образца по сравнению со спектрами пропускания. Таким образом, эти два метода дополняют друг друга.

Применительно к исследованию исторических объектов этот метод имеет несомненное преимущество, благодаря прямому и неразрушающему характеру измерения, возможности проведения количественного анализа основных компонентов бумаги без их выделения - определения содержания в образце целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, функциональных групп, адсорбированной и связанной воды, различных добавок. Кроме данных о количестве каждого компонента, спектр каждого вещества содержит информацию о структуре компонента, что позволяет оценивать структуру целлюлозы, лигнина и всех остальных компонентов.

В настоящей работе представлены примеры использования инфракрасной Фурье-спектроскопии поглощения и диффузного отражения в средней инфракрасной области

для исследования различных типов бумаг.

Оценка надмолекулярной структуры целлюлозы

Как известно, многие практически важные свойства бумаги определяются структурой целлюлозных волокон. В лаборатории, на основе анализа ИК-спектров целлюлозных волокон различного происхождения, были выделены характеристические полосы, по которым оценивались параметры надмолекулярной структуры целлюлозы.

Для природных волокон, которые не подвергались специальным обработкам, надмолекулярная структура описывается тремя параметрами: долей упорядоченных и неупорядоченных областей, образованных макромолекулами природной конформации ЦI и долей полностью аморфной целлюлозы, образованной более дефектными макромолекулами поверхностных областей кристаллитов2.

В таблице 1 приведены рассчитанные из ИК-спек-тров поглощения структурные параметры целлюлоз различного происхождения - параметры Ц^п и ЦЫеуп, описывающие относительное содержание упорядоченных и неупорядоченных областей природной целлюлозы, и параметр ЦПнеуп, оценивающий относительное содержание поверхностно расположенных неупорядоченных областей целлюлозных макромолекул, конформация которых отличается от конформации макромолекул природной целлюлозы.

Из Таблицы 1 можно видеть пределы изменения значений структурных параметров в волокнах разного происхождения. Так, например, содержание упорядоченных областей (параметр Ц1уп ) в образцах может составлять 10-85%. Для хлопковых волокон относительное содержание упорядоченных областей природной целлюлозы лежит в пределах 55-70%, в древесных целлюлозах упорядоченных областей не больше 35%. Содержание аморфных областей целлюлозы (параметр ЦПнеуп) в волокнах, выделенных из древесины, высоко и составляет более 45%. Таким образом, данные таблицы показывают, что структурные параметры целлюлозы зависят от происхождения целлюлозного волокна и от способа обработки волокон, поэтому значения этих параметров могут быть использованы для определения типа целлюлозного волокна и способа обработки.

Описание структурных изменений.

Корреляции со свойствами

Исследования показали, что параметры надмолекулярной структуры целлюлозы позволяют на количественном уровне описывать структурные изменения целлюлозных образцов при различных химических и физических воздействиях: при делигнификации, отбелке, старении, размоле, гидролизе, воздействии плазмой, взрывном автогидролизе и при других процессах.

Проведенная совместно с сотрудниками Государственного Эрмитажа работа по исследованию структурных изменений в образцах бумаги, подвергнутых отбелке и ускоренному старению3, показала, что эти процессы снижают степень упорядоченности природной целлюлозы и увеличивают долю аморфных областей.

В Таблице 2 даны показатели свойств хроматографической бумаги, не подвергавшейся и повергавшейся отбелке и ускоренному старению. Можно видеть, что структурные параметры целлюлозы показали количественно, что в результате обоих способов отбелки деструкция волокон не сопровождается разрушением водородных связей, однако

© О.Ю. Деркачева, Д.А. Сухов, Д.М. Хейфец

66

Рис. 1. Инфракрасные спектры пропускания (1) и диффузного отражения (2)

Структурные параметры различных целлюлозных образцов

Таблица 1

Образец Целлюлоза Ц1уп, % Целлюлоза ЦIrf % Целлюлоза Ц11неуп, %

Микрокристаллическая целлюлоза (фирма Whatman) 82 10 8

Хлопковая целлюлоза 66 17 17

Льняная целлюлоза 52 8 40

Сульфатная целлюлоза 34 22 44

Сульфитная целлюлоза 27 23 50

Порошковая целлюлоза (фирмы Sigma) 22 26 52

процессы ускоренного теплового и светового старения вызвали частичный модификационной переход областей природной целлюлозы в неупорядоченные области ЦПнеуп как у отбеленных, так и неотбеленных образцов. Сравнение параметров модели надмолекулярной структуры с традиционными характеристиками, оцениваемыми при отбеливании бумаги, показало, что параметр «доля упорядоченности целлюлозы» исследованных образцов коррелирует с данными по средней степени полимеризации. Анализ характеристик исследованных образцов позволил выявить существование линейных зависимостей между параметрами «белизна бумаги», «сопротивление излому» и структурными параметрами - Ц1уп и ЦПнеуп.

Более сильные изменения структуры целлюлозы наблюдались при механическом воздействии на волокна. Для примера рассмотрим процесс размола беленой сульфатной хвойной целлюлозы. С помощью ИК-спектроскопии было выявлено, что существенные структурные изменения происходят при механическом размоле волокон. ИК-спектры показали, что помимо аморфизации структуры, происходит направленное изменение конформации целлюлозных цепей . Увеличение времени механического воздействия приводит к увеличению деструкция целлюлозы, что проявляется в уменьшении содержания природной целлюлозы Ц1 и увеличении содержания аморфных областей целлюлозы. На рис. 2 представлено изменение параметра индекс прочности при размоле волокон при изменении доли упорядоченной целлюлозы. При увеличении времени размола наблюдается направленное уменьшение доли упорядоченной природной целлюлозы, что приводит к увеличению индекса прочности и положительно сказыва-

ется на бумагообразующих свойствах. Рис. 3 иллюстрирует изменение плотности целлюлозы с изменением параметров надмолекулярной структуры целлюлозы при изменении времени размола.

На рис. 4 можно видеть симбатное поведение значения белизны и степени упорядоченности целлюлозы. То есть при размоле за счет уменьшения размеров кристаллитов и образования функциональных групп идет падения показателя белизны на 4%.

Были обнаружены хорошие корреляции структурных параметров целлюлозы с основными свойствами бумаги (например, плотность или пухлость, разрушающее усилие, прочность при растяжении, индекс прочности, относительное удлинение, энергия разрыва, индекс энергии, сопротивление раздиранию, жесткость, белизна, прочность на разрыв, водоудержание, число двойных перегибов и другие), что позволяет предсказывать эти свойства, используя найденные калибровочные зависимости.

Функциональные группы

Наряду со структурными параметрами целлюлозы важными характеристиками являются также содержание различных функциональных групп, которые включают несопряженные и сопряженные С=О и С=С связи. Известно, что сопряженные структуры поглощают видимый свет и, следовательно, отрицательно влияют на белизну бумаги. Содержание функциональных групп для бумаги из беленой целлюлозы зависит от происхождения волокон и степени деструкции целлюлозы. Поэтому данные по полосам поглощения этих групп являются важными характеристиками при определении происхождения и деструкции или возраста бумаги.

67

Фотография. Изображение. Документ. Вып. 2 (2)

Таблица 2.

Показатели свойств хроматографической бумаги, не подвергавшейся и повергавшейся отбелке и ускоренному старению

Показатель свойства Вид обработки и ускоренного старения

Без отбелки Хлорамин Б Перекись водорода

*н/с 1020C УФЛ *н/с 1020C УФЛ *н/с 1020C УФЛ

12 суток 100 часов 12 суток 100 часов 12 суток 100 часов

Белизна, % 79.7 78.1 77.1 78.7 77.1 78.5 78.4 75.2 76.8

Целлюлоза Ц1, % 65.6 62.5 62.2 63.7 61.5 60.4 62.8 63.5 60.6

Целлюлоза Ц1 , % 12.9 14.9 12.4 16.1 15.0 14.9 14.5 14.2 13.3

Целлюлоза Ц11 , % ^ ^ неуп 21.5 25.4 22.6 20.2 23.5 24.7 22.7 23.2 25.2

*н/с - без ускоренного старения

Рис. 2. Влияние изменения доли упорядоченной природной целлюлозы на значения параметра индекс прочности

Рис. 3. Изменение плотности целлюлозы при изменении структурных параметров во время процесса размола

Рис. 5 показывает ИК-спектры поглощения образца хлопковой бумаги (кривая 1) и состаренного светом (кривая 2) в диапазоне характеристичного поглощения функциональных групп 1580-1800 см-1. Можно видеть заметное изменение интенсивности сложной полосы поглощения, связанное с увеличением содержания различных функциональных групп5 в процессе старения.

Анализ спектральных данных показал, что белизна бумаги зависит от интенсивностей полос поглощения в диапазоне частот 1580-1800 см'1. При исследовании ИК-спектров бумаги из хлопковой целлюлозы, подвергнутой различным обработкам - промывке, световой отбелке в водной среде, световому старению6; был применен один из математических методов анализа - метод регрессии на главные компоненты (РГК) для анализа спектральных кривых и выявления корреляции между полосами поглощения в данном спектральном диапазоне и белизной бумаги. Была построена модель для предсказания белизны бумаги по ее молекулярным спектрам7. Хорошая корреляционная зависимость с коэффициентом корреляции 0.95 между экспериментальными и рассчитанными по спектрам значениями белизны показана на рис. 6.

Исследование многокомпонентного материала

Так как бумага является многокомпонентным материалом, то ее инфракрасный спектр представляет собой сумму спектров отдельных компонентов. При этом важно найти способ корректного выделения спектров индивидуальных компонентов из общего экспериментального спектра.

Так, для примера, на рис.7 представлен инфракрас-ный спектр образца хлопковой бумаги в среднем ИК-диапазоне, где лежат полосы основных колебаний макромолекулы целлюлозы. На этом же рисунке представлен спектр хлопковой бумаги с наполнителем - мелом. Видно, что мел имеет полосы поглощения, которые сильно перекрываются с полосами поглощения целлюлозы, особенно в области 1200-1500 см-1. Для того, чтобы можно было анализировать структуру целлюлозы в таком образце в лаборатории было разработано специальное математическое обеспечение для компьютерной обработки спектральных кривых, которое позволяет корректно выделять полосы основных составляющих образца. В данном случае необходимо было разделить спектры целюлозы и мела. Для решения задачи разделения спектров отдельных компонентов в лаборатории были построены спектральные модели «чистых веществ». В приведенном примере при анализе колебательных спектров бумаги с мелом были использованы

68

Рис. 4. Уменьшение белизны и доли упорядоченной природной целлюлозы при увеличении времени размола

Рис. 6. Корреляция между рассчитанными по ИК-спектрам поглощения и экспериментальными значениями белизны бумаги для необработанной и обработанной хлопковой бумаги

Рис. 5. ИК-спектры поглощения в диапазоне 1580-1800 см-1 исходного Рис. 7. ИК-спектры бумаги из 100% беленых хлопковых волокон образца хлопковой бумаги (кривая 1) и после искусственного светово- без мела (красная кривая) и с°держанием мела 4°% (черная кривая)

го старения (кривая 2)

спектральные модели целлюлозы и мела.

Спектральная модель представляет собой набор элементарных полос Гауссовой Лоренцевой формы, при этом каждая полоса характеризуется четырьмя параметрами: положением максимума полосы, полушириной, формой (долей Лоренцева или Гауссова контура) и интенсивностью. Спектральная модель для каждого вещества является уникальной, так как каждое вещество обладает своим уникальным спектром поглощения, характерным только для данного вещества. Компьютерное суммирование полос поглощения спектральтной модели дает суммарную спектральную кривую данного вещества, наблюдаемую на опыте. Пример спектральной модели микрокристаллической целлюлозы Ц1 в спектральном диапазоне 1150-1550 см-1 показан на рис. 8.

В ходе специального анализа большого количества спектров «чистых» целлюлозных образцов, мягковыделенных и технических лигнинов, полученных из различных пород древесины, спектров выделенных гемицеллюлоз и различных добавок - наполнителей и проклеивающих - были созданы спектральные модели для каждого компонента8.

Такой подход дает возможность получать информацию об основных компонентах бумаги без их выделения и выявлять самые незначительные различия в строении разных типов бумаги, позволяет описывать изменения, происходя-

щие в образце при физических и химических воздействиях.

Применение спектральных моделей

Пример применения спектральных моделей показан на спектре небеленого целлюлозного волокна, полученного с помощью сульфатной варки древесины березы.

На рис. 9 приведен экспериментальный спектр данного волокна и его разложение на спектры углеводного и лигнинного компонентов, полученных с использованием их спектральных моделей. Такой подход позволил проанализировать спектры серии образцов, полученных при де-лигнификации древесины березы в течение различного времени варки, в результате чего мы имели набор волокон с разным содержанием лигнина. Построение спектральных моделей для каждого из 42 исследованных образцов разного уровня делигнификации позволило найти корреляции между рядом параметров, определяемых химическим способом, и параметрами спектральной модели лигнина и углеводов.

Например, была получена корреляция (коэффициент корреляции 0.99) между содержанием метоксильных групп в остаточном лигнине и интенсивностью полосы поглощения деформационных колебаний метоксильных групп в спектральном наборе лигнина около 1465 см-1 (см. рис. 10). Найденные корреляции могут использоваться как альтернатива химическим методам исследований образцов

69

Фотография. Изображение. Документ. Вып. 2 (2)

Рис. 8. ИК-спектр микрокристаллической целлюлозы (верхняя огибающая кривая) и набор полос спектральной модели микрокристаллической целлюлозы в спектральном диапазоне 1150-1550 см-1

Рис. 9. Экспериментальный спектр (1) небеленого сульфатного образца с содержанием остаточного лигнина 21 % и моделированные спектральные кривые углеводного (2) и лигнинного (3) компонентов в диапазоне частот 1200-1800 см-1.

для определения в них содержания остаточного лигнина, метоксильных групп, фенольных гидроксильных групп в остаточном лигнине, содержания глюкозы, глюкоуроно-вых кислот, ксилозы и других веществ непосредственно из спектра образца9. Полученные коррреляции могут использоваться для предсказания содержания вышеупомянутых параметров.

Таким образом, построение спектральных моделей отдельных компонентов и применение их при описаниии спектров многокомпонентных образцов позволяет, как получать данные о количестве каждого компонента в образце, так и по параметрам спектральной модели говорить о структуре каждого компонента19.

Спектральные модели могут быть использованы при исследовании бумаги как во всем среднем ИК-диапазоне от 400 до 4000 см-1, так и в более узкой области спектра.

Содержание и структура компонентов в многокомпонентном образце бумаги определяют физические, химические и механические свойства бумаги. Данные свойства линейно или более сложным образом зависят от содержания и структуры каждого компонента в многокомпонентном образце бумаги. Найденные аналитические зависимости с определенной погрешностью позволяют по спектрам говорить о свойствах бумаги и предсказывать эти свойства при различных процессах воздействия на бумагу,

Рис. 10. Корреляционная зависимость между содержанием метоксильных групп и интенсивностью полосы при 1465 см-1 спектральной модели лигнина для образцов древесины березы, прошедших различные стадии сульфатной делигнификации

например, при старении бумаги.

Вышеописанные исследования и легли в основу созданной авторами экспертной системы различных типов бумаги.

Программное обеспечение для обработки спектральных данных

Практическое использование разработанной методики анализа молекулярной структуры целлюлозосодержащих образцов реализуется развиваемым в СПбГТУРП в течение ряда лет специальным программным обеспечением - системой SpectralView.

Развиваемая система включает в себя функциональные блоки и компоненты (см. рис. 11), автоматизирующие весь цикл исследования образца:

• база данных эталонных спектральных моделей различных типов бумаги

• база данных полученных спектральных моделей исследуемых образцов бумаги

• база данных вычисленных параметров состава, структуры и свойств исследуемых образцов бумаги

• база знаний - набор устойчивых правил и формулировка решений для задач идентификации и оценки текущего состояния бумаги

• функциональный модуль обработки ИК-спектров и построения спектральной модели исследуемого образца

70

Рис. 11. Состав системы SpectralView

Рис. 10. Корреляционная зависимость между содержанием метоксильных групп и интенсивностью полосы при 1465 см-1 спектральной модели лигнина для образцов древесины березы, прошедших различные стадии сульфатной делигнификации

• функциональный модуль определения компонентного состава образца

• функциональный модуль оценки свойств бумаги

• функциональный модуль логической обработки и экспертных заключений 1 2

1 Пейнтер П, Коулмен М, КенигДж. Теория колебательной спектроскопии. Приложение к полимерным материалам. М., 1986. С. 15-19.

2 SukhovD.A., ValovP.M., Terentiev O.A., Zhilkin A.N. Cellulose structure in relation to paper properties // TAPPI Journal. 1991. V.74. № 3. P. 201-204 ; SukhovD.A., Derkacheva O.Yu., Privalov V.I. Cellulose structure- properties relationships // Cellulosics: Materials for Selective Separations and Other Technologies. Ellis Horwood Ed., 1993. Р. 185-194 ; €ухов Д.А. Анализ взаимосвязи строения и свойств целлюлозных волокон по их колебательным спектрам: Автореф. дисс. ... д-ра хим. наук. СПб., 2002. 34 с. ; Герасимова Н.Г., Деркачева О.Ю., СуховД.А. Изучение влияния отбелки и старения на бумагу с использованием ИК-Фурье спектроскопии // Тео-

рия и практика сохранения памятников культуры: Сб. научных трудов / РНБ. СПб., 2003. Вып. 21. С. 73-78.

3 Герасимова Н.Г., Деркачева О.Ю., Сухов Д.А. Указ. соч.

4 Sukhov D.A., Derkacheva O.Yu., FedorovA.V., Koskenhely K., Paltakari J. The use of FTIR spectroscopy in determination of refining effects // Proceed. of 8th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp (Riga, August 22-25, 2004). Riga, 2004. P. 345-348.

5 Calvini P., Gorassini A. FTIR - Deconvolution Spectra of Paper Documents // Restaurator. 2002. № 23. Р. 48-66 ; Garside P., Wyeth P. Polarised ATR-FTIR Characterisation of Cellulosic Fibres in Relation to Historic Artifacts // Restaurator. 2004. № 25. Р. 249-259.

6 Герасимова Н.Г., Добрусина С.А., Вовк Н.С. Исследование светового отбеливания бумаги в установке "Пультекс” с люминесцентными лампами // Обеспечение сохранности памятников культуры: традиционные подходы - нетрадиционные решения / Материалы V междунар. конф. СПб.: РНБ, 2006. С. 151 -166.

7 Dynina A.V., Derkacheva O.U. Using Infrared Spectroscopy and Principal Component Regression for Study of the Bleaching and Ageing Influence on Paper Brightness // Proceed. of 7th International Symposium on Chemometrics WSC7 (February 15-19, 2010). P. 79-80.

8 Деркачева О.Ю., Сухов Д.А., Федоров А.В. Стабильность спектральных моделей лигнина и углеводного комплекса в лигноцеллюлозных материалах // Материалы международной конференции «Физикохимия лигнина» (АГТУ, 3-6 июля 2005). Архангельск, 2005. С. 177-180.

9 Sukhov D.A., Derkacheva O.Yu., Kheyfetz D.M., Gellerstedt G., Josefsson T. Alternative to the multivariate characterization of pulp // Extended Abstracts of the 4th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp. Stresa, 1996. P. 400-404.

10 Sukhov D.A., Derkacheva O.Yu., Kheyfets D.M., Kazanskiy S.A. The new prospects of FTIR spectroscopy for non-destructive testing paper artistic and cultural objects // 4th International Conference «Non-Destructive Testing of Works of Art». Berlin, 1994. V 2. P. 795-798 ; Сухов Д.А., Деркачева О.Ю., Хейфец Д.М., Евстигнеев Э.И., Казанский С.А. Перспективы инфракрасной Фурье-спектроскопии как неразрушающего метода анализа предметов искусства и культуры, сделанных с использованием древесины, растительных волокон, целлюлозы // Теория и практика сохранения памятников культуры: Сб. научных трудов. СПб., 1995. Вып. 17. С. 105-110.

71