整本圖書脫酸工藝的研究

張金萍 鄭冬青 童麗媛 魯 鋼，*

(1.南京博物院，紙質文物保護國家文物局重點科研基地，江蘇南京，210016;2.南京工業大學，江蘇南京，210009)

紙質文物隨著時間的流逝和外界環境的影響，在內外因素的共同作用下，都會不同程度地發生酸化現象，全世界大部分珍貴的圖書正處于酸化的威脅當中。美國、德國、法國、英國、加拿大、意大利等一些發達國家已經對酸化圖書的批量脫酸工作進行了幾十年的研究與嘗試，主要的脫酸工藝有BookKeeper脫酸工藝、Book saver脫酸工藝、Papersave脫酸工藝、韋托法等［1-6］。而我國的紙張脫酸技術研究起步較晚，并只限于單頁紙張的脫酸處理［7-9］，對于大規模的批量脫酸基本上還是空白。南京博物院從1983年開始進行了各種嘗試，從二乙基鋅 (DEZ)氣體脫酸到水溶液脫酸［10］，并自行設計生產了真空微波干燥設備［11-12］。本實驗即在該設備的基礎上對整本圖書的脫酸工藝進行了研究。

1 實驗

1.1 原料和儀器

自制脫酸液;已明顯酸化的圖書 (20世紀80年代凸版紙印刷的出版物，由南京博物院提供)。

DRK 101B電子拉力試驗機、DRK 103B白度顏色測定儀，濟南德瑞克儀器有限公司;CLEAN pH30酸堿度測試計;ZK-82B真空干燥箱，上海市實驗儀器總廠;真空微波干燥設備，南京博物院自制;JSM-5900掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.2 物理表征

圖1 整本圖書脫酸專用夾具

圖2 整本圖書真空脫酸浸泡裝置

圖3 整本圖書真空微波干燥設備

使用酸堿度測試計測定紙張表面pH值，每組測試5個有效值，取其平均值;采用CIE L*a*b*表色系統，使用白度顏色測定儀測定色差變化，根據計算色差，取10個有效數據計算平均值;按照GB/T 450—2002從圖書中取樣，裁剪成18 cm×1.5 cm的規格，使用電子拉力試驗機測定紙張的抗張強度，拉伸速度為197 mm/min，每組測試10個以上有效數據，取其平均值;使用掃描電子顯微鏡觀察紙張老化前后的纖維形貌。

1.3 整本圖書的脫酸過程

在脫酸工藝流程中，為了降低水溶液脫酸易引發的紙張褶皺問題，選擇專用夾具，夾力以圖書在夾具中固定不松動即可，見圖1。然后將圖書浸沒在盛滿脫酸液的脫酸浸泡專用設備中，反復進行抽真空、放氣的操作，真空度控制在－0.1 MPa左右，如圖2所示。浸泡完成后，將圖書放進真空微波干燥箱進行干燥，以整本圖書中水分含量為監控指標，當水分去除80%時，微波功率減半;當水分去除90%時，微波停止，羅茨泵啟動，再干燥60 min即可，見圖3。

2 結果與討論

2.1 真空抽放次數對脫酸效果的影響

由于抽放真空需要勻速緩慢進行，實驗中每隔5 min抽放一次，則6次相當于浸泡30 min，12次相當于浸泡60 min，18次相當于浸泡90 min。

2.1.1 真空抽放次數對滲透效果的影響

表1為不同真空抽放次數對整本圖書脫酸pH值的影響。由表1可知，采用不同真空抽放次數，整本圖書脫酸前后pH值有明顯的變化。實驗中發現圖書首末頁的pH值相對較低，真空抽放18次后首末頁pH值分布梯度分別為5.97～8.10、6.84～7.45，這是因為首末頁有塑封層且緊貼夾具，脫酸液滲透相對較慢，但也基本滿足脫酸效果。另外，整本圖書的pH值分布也會有梯度，越靠近裝訂線pH值越低，這主要與脫酸液的滲透有關。在一定時間內，脫酸液的滲透與書封面的材質、書的厚度有很大關系，可以通過調整真空抽放次數來最終達到脫酸液滲透的均一性的要求。結果表明，真空抽放12次可基本滿足整本圖書的脫酸要求。

表1 不同真空抽放次數對整本圖書脫酸pH值的影響

2.1.2 真空抽放次數對紙張抗張強度的影響

表2為不同真空抽放次數對整本圖書脫酸前后紙張抗張強度的影響。由表2可知，未經脫酸液處理的紙張抗張強度為700 N/m，隨著真空抽放次數增加，紙張抗張強度先增加后下降，然后趨于穩定，說明真空抽放次數的增加有利于脫酸液的均一滲透，但會損害紙張的強度，所以真空抽放12次即可。

表2 真空抽放次數對整本圖書脫酸前后紙張抗張強度的影響

2.1.3 真空抽放次數對紙張白度和色差的影響

表3為不同真空抽放次數對整本圖書脫酸前后紙張白度和色差的影響。由表3可知，隨著真空抽放次數的增加，整本圖書的白度下降，色差增加較顯著，所以在滿足整本圖書白度的前提下，真空抽放次數越少越好。

2.1.4 真空抽放18次后紙張的抗老化性

為了觀察經過脫酸處理后的圖書能否長時間保存，將真空抽放18次后的紙張在105℃下熱老化72 h，紙張的pH值以及紙張的白度、色差和抗張強度分別見表4和表5。由表4可知，老化后的紙張仍能保持弱堿性，說明經過脫酸處理后紙張能殘留一定的堿性物質，可延長紙張壽命。由表5可知，老化后紙張白度和抗張強度均有所增加，這與脫酸處理后的干燥程度有關。為了保證脫酸處理后整本圖書的平整性，在干燥時會保留一部分水分，所以紙張白度比未處理前的低，色差較大，但經過熱老化過程后，多余的水被除掉，紙張色差回落，抗張強度有所增加。

2.1.5 脫酸前后及老化后紙張的SEM圖

紙張的老化主要是因為纖維素發生氧化和水解反應。在有氧氣的條件下，纖維素中的羥基極易被氧化成醛基或羧基，氧橋連接減弱，發生斷裂。另一方面，紙張本身含有酸性物質 (造紙工藝中帶入)，空氣中也存在SO2、NO2等有害氣體，這些酸性物質對纖維素的水解具有催化作用。圖4為脫酸處理前后及熱老化后紙張的SEM圖。由圖4(a)和4(b)可知，未脫酸處理的紙張在105℃加速熱老化后，纖維明顯斷裂，說明高溫能夠大大加快其氧化速度和水解速度。由圖4(a)和4(c)可見，經脫酸處理后的紙張纖維明顯增粗且光滑，而且纖維表面有一層包覆膜，能有效隔絕空氣與纖維的接觸從而保護纖維;纖維之間原有的松散網孔結構也得到了保持，表明紙張在脫酸處理后仍能保持原有的質感。由圖4(b)和4(d)可看出，與未脫酸熱老化紙張相比，脫酸處理后的紙張老化后，纖維沒有明顯斷裂，且排列更有序，與抗張強度的變化相吻合。

表3 不同真空抽放次數對整本圖書脫酸前后白度及色差的影響

表4 真空抽放18次且紙張熱老化72 h后的pH值

表5 真空抽放18次且紙張熱老化72 h后紙張色差和抗張強度

圖4 脫酸處理前后及熱老化紙張的SEM圖

表6 不同干燥溫度和不同干燥時間對整本圖書的影響

2.2 整本圖書脫酸處理后的干燥方法

圖書作為特殊對象，在處理過程中必須把安全性放在首位，確保干燥過程不能對圖書產生不利影響，既要防止紙張的皺縮和變形，也要防止對紙張纖維的影響，杜絕出現由于高溫使圖書產生焦糊等現象。這里僅探討在800 W下，脫酸前后不同干燥溫度和干燥時間對整本圖書的影響 (見表6)。由表6可知，脫酸后干燥溫度越高，干燥時間越短，干燥后色差(即ΔE*值)越小，但是抗張強度呈現先升高然后下降的趨勢，這可能是因為60℃以前，隨著溫度的升高，紙張纖維中的游離水受熱蒸發，所以紙張抗張強度得到提高，但溫度太高也會導致結合水受熱脫去，使得紙張抗張強度下降。考慮到紙張抗張強度的重要性，在800 W微波功率下，60℃的干燥條件較理想。

3 結論

為盡量減小脫酸過程中可能對整本圖書產生不利影響，采用專用夾具，在真空度為－0.1 MPa的條件下整本圖書在脫酸液中浸泡60 min，并選擇800 W和60℃的真空微波干燥條件。脫酸處理后圖書的pH值基本滿足了脫酸要求，并通過熱老化進一步證明脫酸處理后的圖書有一定的堿殘留，且紙張抗張強度有所提高，可以達到延長圖書壽命的目的。

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