幾種脫酸潤濕劑對紙張性能影響的研究

張玉芝　張金萍　云　悅　張　諾

(近現代紙質文獻脫酸保護技術文化部重點實驗室,紙質文物保護國家文物局重點科研基地,南京博物院,江蘇南京,210016)

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·脫酸潤濕劑·

幾種脫酸潤濕劑對紙張性能影響的研究

張玉芝張金萍*云悅張諾

(近現代紙質文獻脫酸保護技術文化部重點實驗室,紙質文物保護國家文物局重點科研基地,南京博物院,江蘇南京,210016)

紙張酸性是影響紙質文獻保存壽命的重要因素,因此應對酸化嚴重的紙張進行脫酸處理。但部分近現代書籍中常添加為提高紙張表面強度、抗水性、平滑度、印刷適性等的施膠劑或其他疏水性填料,使得脫酸所需的浸潤時間變長。為改善紙張的滲透性,需在脫酸液中引入潤濕劑,因此探索脫酸過程中所加潤濕劑對紙張性能的影響顯得尤為必要。本實驗篩選了4種潤濕劑(吐溫80、0P-10、OT-75和十二烷基硫酸鈉(SDS))作為候選材料,針對紙張安全性參數和潤濕性參數開展實驗。結果表明,潤濕劑OT-75既能達到理想的潤濕效果,又可保護文物。

潤濕劑；紙張安全性；脫酸

我國近現代文獻數量龐大,分布范圍廣,全國大部分圖書館、博物館、檔案館等機構都有收藏,其收藏總量是歷代之最。而紙張酸性是影響紙質文獻保存壽命的重要因素[1],因此針對酸化嚴重的紙張,很有必要對其進行脫酸處理[2]。

據文獻報道[3],很多近現代書籍所用紙張在制造過程中,為改善紙張表面性能,如表面強度、抗水性、平滑度、印刷適性等,會添加施膠劑(使紙和紙板具有斥水性的化學添加劑)或類似斥水性添加劑；但同時,此類添加劑的加入使得紙張浸泡時間變長,從而影響紙張脫酸效率。為解決這一問題,探索了潤濕劑在脫酸液中的作用,因此研究脫酸過程中所加潤濕劑對紙張性能的影響顯得尤為必要。

潤濕是一種流體取代界面上另一種流體的界面現象,通常是指液體從固體表面取代氣體的過程；潤濕劑是一類使固體物料更易被水浸濕的物質。通過降低其表面張力或界面張力,使水能在固體物料表面上展開,或透入其表面,而把固體物料潤濕，常用接觸角的大小來表示物料的潤濕性。本實驗選用4種脫酸潤濕劑，研究潤濕劑對紙張性能的影響。

1　實　驗

1.1脫酸潤濕劑

吐溫80(或聚山梨酯80,CP級,經其處理后的紙張簡稱為TW組,國藥集團化學試劑有限公司),為非離子型表面活性劑,廣泛用作乳化劑和增溶劑,是無毒、無刺激性的材料；OP-10(烷基酚聚氧乙烯醚,經其處理后的紙張簡稱為OP組,上海凌峰化學試劑有限公司),具有勻染、乳化、潤濕、擴散、抗靜電性等優點；OT-75(磺基琥珀酸鈉鹽表面活性劑,經其處理后的紙張簡稱OT組,美國亨斯邁 HUNTSMAN試劑有限公司),特別適合于水性體系,與不同的聚合物有很好的相容性;SDS(十二烷基硫酸鈉,經其處理后的紙張簡稱SDS組,阿拉丁試劑有限公司)為白色或淡黃色粉狀,溶于水,對堿和硬水不敏感，具有去污、乳化等作用,是一種無毒的陰離子表面活性劑。將這4種潤濕劑采用超純水配制溶液濃度分別為1%。

1.2主要儀器

TMI臥式拉力機,CLEAN PH30便攜式pH測定儀,HPG-2132便攜式色差儀,L&W紙張水分測定儀,Tinius & Olsen撕裂度儀,MIT耐折度儀,DAT動態接觸角測定儀,Elix3純水儀。

1.3潤濕及干燥方法

按照脫酸流程,將紙張浸入盛有1 L不同潤濕劑的容器中,浸泡15 min后,用干凈毛巾吸干表面水分,用南京博物院研制的微波干燥機干燥30 min。最后將紙樣存放于恒溫恒濕實驗室(溫度(23±1)℃,相對濕度(50±2)%)72 h后,待紙張性能穩定后進行測試。

1.4紙樣參數測定

1.4.1紙張物理性能測定

1.4.2接觸角的測定

將1液體滴到一平滑均勻的固體表面上,液體若不鋪展,則將形成一個平衡液滴,其形狀由固、液、氣三相交界處任意兩相間的夾角所決定,通常規定在三相交界處自固液界面經液滴內部至氣液界面的夾角為平衡接觸角[4],以θ表示,見圖1。圖1中,γ為不同界面的表面張力,θ則該液體的接觸角,可作為潤濕性能的度量標準。

圖1　接觸角

DAT動態接觸角測試儀測試中可以得到一幅幅圖像,這些圖像可以靜止的形式或者以動畫形式回放,時間可以控制在1 ms的精度。

測定過程中,用切紙刀裁取寬度15 mm紙樣。使用雙面膠帶把樣品粘在輸送塊上,把輸送塊插在入口板上,選擇模式2自動加入液滴和自動輸送；每次處理后紙樣取樣點3～4個,記錄并保存數據。

通過軟件設置液滴注入量為4 μL/次,軟件自動拍取照片(如圖2所示),并計算液滴與紙張的接觸角數值。

圖2　接觸角測定軟件界面

1.5空白紙樣參數

采用1950年前后的書進行實驗,紙張定量為52.3 g/m2。紙張參數為：pH值 5.11,白度Lab值分別為86.6、-0.1、14.8,厚度0.074 mm,水分7.37%,撕裂度219 mN,抗張強度0.877 kN/m,耐折度20次(4.9 N的拉力條件下)。

接觸角測定過程中,至少裁取紙樣3條,每條測3組數據,最終測定結果為有效數據的平均值,空白紙樣(以KB組表示)在0.05 s、0.5 s和1 s的動態接觸角分別為111.22°、109.15°和110.56°。

2　結果與討論

2.1不同潤濕劑處理后紙張厚度

分別取10張處理前后的紙張,測定總厚度,以其平均值進行厚度統計。圖3為不同潤濕劑處理后紙張厚度。由圖3可知,與未處理紙張(KB組)相比,經4種脫酸潤濕劑(TW組、OP組、OT組、SDS組)浸泡、干燥處理后,紙張的厚度變化介于0.002～0.005 mm之間,因此經4種脫酸潤濕劑處理后紙張厚度變化非常小。

圖3　不同潤濕劑處理后紙張厚度

2.2不同潤濕劑處理后紙張水分、pH值

圖4為不同潤濕劑處理后的紙張水分和pH值。由圖4可見,紙樣經不同脫酸潤濕劑處理后,水分變化基本處于6.7%～7.4%之間,處理前后測定的紙張性質基本穩定、可信度高；且經4種潤濕劑處理后,紙張pH值略有增加(增幅在0.3～0.6左右),這種增長對紙張脫酸有利。

圖4　不同潤濕劑處理后的紙張水分和pH值

2.3不同潤濕劑處理后的紙張色差

圖5　不同潤濕劑處理后的紙張色差

2.4不同潤濕劑處理后紙張強度

用相同濃度、相同用量(1 L)的潤濕劑處理紙張,并采用恒溫恒室的設備測定紙張物理性能,計算其平均值,結果見表1。

表1　不同處理方法的紙張性能測定結果

2.5不同潤濕劑處理前后的紙張潤濕性

用動態接觸角測定儀測定空白紙樣及各潤濕劑處理后紙樣的接觸角,其結果如圖6所示。由圖6可知，OT組和SDS組接觸角減小明顯,只能測定0.05 s、0.1 s、0.2 s的接觸角,KB組、TW組、OP組測定了0.05 s、0.5 s、1 s的接觸角。

圖6　不同潤濕劑處理后紙張的接觸角

最終測試結果顯示，潤濕劑OT-75、SDS處理后的紙張接觸角下降明顯,其中OT組紙張的潤濕性最好；TW組和OP組紙張接觸角下降不明顯,對紙張的潤濕性改善作用有限,不建議作為脫酸過程中的潤濕劑使用。

3　結　論

本實驗以紙張厚度、pH值、白度、強度(撕裂度、抗張強度、耐折度)作為安全性指標,接觸角作為潤濕性指標,在對酸化紙張進行脫酸時,研究了5種脫酸潤濕劑對紙張安全性及潤濕性的影響。不同潤濕劑處理紙張后，紙張厚度、水分變化不大，紙張pH值略有增加，且紙張顏色基本不受影響。但潤濕劑OT-75(磺基琥珀酸鈉鹽表面活性劑)處理紙張后，紙張安全性好、潤濕性佳。對滲透性差的酸化紙張,推薦采用潤濕劑OT-75加入脫酸液中。

[1]ZHENG Dong-qing, ZHANG Jin-ping, CHEN Xiao-li, et al. Deacidification of a Whole Book without Debinding by Immersion[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(10): 34.

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[2]TAN Wei, CHENG Li-fen, FANG Yan-xiong, et al. Deacidification of Aged Paper by Using Natural Acid Stripping Agents[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(4): 74.

譚偉, 程麗芬, 方巖雄, 等. 天然脫酸劑對紙張脫酸效果的研究[J]. 中國造紙, 2013, 32(4): 74.

[3]LI Jian-wen, ZHAN Huai-yu, LIU Wei-hua. Application and Development of Surface Sizing Agent in Papermaking Industry[J]. Papermaking Chemistry, 2007, 26(2): 59.

李建文, 詹懷宇, 劉偉華. 表面施膠劑在造紙工業中的應用進展[J]. 造紙化學品, 2007, 26(2): 59.

[4]ZHAO Zhen-guo. Contact Angle and Its Application in Surface Chemistry Research [J]. Chemical Research and Application, 2000, 12(4): 370.

趙振國. 接觸角及其在表面化學研究中的應用[J]. 化學研究與應用, 2000, 12(4): 370.

[5]TANG Shun-qing. Colorimetry[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1990.

(責任編輯：董鳳霞)

Effects of Wetting Agents on Deacidified Paper Properties

ZHANG Yu-zhiZHANG Jin-ping*YUN YueZHANG Nuo

(KeyLabofPaperLiteraturesDeacidificationConservationinNeotericandModernChina,KeyLabofPaperLiteraturesConservationinNeotericandModernChina,NanjingMuseum,Nanjing,JiangsuProvince, 210016)

Acidity of paper is a very important factor affecting the presercation life of the paper based cultured relics, so deacidification is necessary for the books printed with acid papers. Usually size agents or fillers are used in papermaking to enhance its strengths, water-proof ability, smoothness and printability, and they will prolong deacidifying solution permeating into papers. Wetting agents can improve decidifying solution penetration into this paper. In this thesis, the effects of wetting agents Tween 80, OP-10, OT-75 and SDS on the paper properties and contact angles were investigated. The results indicated that wetting agent OT-75 had satisfactory wetting efficiency and also eusured the safety of paper based cultural relic.

wetting agents; paper safety; deacidification

張玉芝女士，助理館員；主要研究方向：文物保護科學技術。

2016- 02-15(修改稿)

國家科技支撐計劃課題(2014BAK09B05)“近現代文獻脫酸關鍵技術研究及集成應用示范”；國家文化科技提升計劃項目“智能化脫酸技術在整本圖書保護中的應用研究”。

張金萍女士，E-mail:332179241@qq.com。

TS761

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.007

(*E-mail: 332179241@qq.com)