環境相對濕度對紙張破損風險的影響

摘要： 本研究通過測量不同環境相對濕度下，紙張的抗張指數、耐折度和撕裂指數，考察了環境相對濕度對紙張機械強度的影響；然后分別采用機械強度降幅法、機械強度和纖維素聚合度（DP）關聯法評估環境相對濕度偏低（15%） 和偏高（85%） 對紙張破損風險的影響。結果表明，環境相對濕度偏低時，紙張的撕裂指數下降；環境相對濕度偏高時，紙張的抗張指數下降；環境相對濕度偏低或偏高時，均有部分紙張耐折度下降。由聯用機械強度降幅法及機械強度和DP關聯法可知，打字紙和老化打字紙本身撕裂指數中等或較低，當環境相對濕度偏低時，撕裂指數進一步下降，撕裂風險提高；老化字典紙和老化新聞紙的撕裂指數雖然在環境相對濕度偏低時降幅超過20%，但撕裂指數仍較高，撕裂風險不會顯著提高；其余紙張的撕裂指數在環境相對濕度偏低時降幅較小，撕裂風險無顯著提高。環境相對濕度偏低或偏高時，只有老化道林紙耐折度降幅大于20%，但也未達到顯著影響折斷風險的閾值，折斷風險不會顯著提高。環境相對濕度偏高時，所有紙張的拉斷風險提高。因此，環境相對濕度偏低時對機械強度較好紙張的破損風險無明顯影響，但會增加機械強度較差紙張的撕裂風險或折斷風險，環境相對濕度偏高會增加所有紙張的拉斷風險。

關鍵詞：環境相對濕度；紙張；破損風險；耐折；撕裂

中圖分類號：TS761. 1 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 017

環境相對濕度是影響紙質藏品壽命的關鍵因素之一，主要通過以下途徑影響紙質藏品[1-3]：①影響紙張的化學降解反應速率（一般而言，環境相對濕度增加20%，紙張的化學降解反應速率成倍增長）；②環境相對濕度過低時，紙張脆性增加，更容易出現破損風險；③環境相對濕度過高時，紙張的機械強度也會改變，且紙質藏品更易生蟲生霉；④環境相對濕度還可能影響藏品中使用的黏結劑、施膠劑、書寫或繪畫顏料等物質的性質；⑤環境相對濕度短時間內波動過大，也可能造成紙質藏品受損。因此，紙質藏品保存環境需要控制相對濕度。

但紙質藏品保存環境適宜的相對濕度范圍迄今為止尚未達成統一標準。GB/T 27703—2011《信息與文獻 圖書館和檔案館的文獻保存要求》規定，長期文獻宜在相對濕度45%～60%環境中保存，永久文獻宜在相對濕度35%～45%環境中保存。GB/T 30227—2013《圖書館古籍書庫基本要求》規定，善本書庫的相對濕度應控制在50%～60%，西北、青藏地區的普通古籍書庫相對濕度應控制在40%～60%，其余地區的普通古籍書庫相對濕度應控制在45%～60%。JGJ 25—2010《檔案館建筑設計規范》規定，紙質檔案庫的相對濕度應在45%～60%。JGJ 66—2015 《博物館建筑設計規范》規定，紙張、文獻、經卷、書法、國畫、書籍、拓片、郵票等紙質藏品保存環境相對濕度范圍為50%～60%。由此可見，關于紙質藏品保存環境的相對濕度上限，我國圖書館、檔案館和博物館行業均認可60%；但是環境相對濕度下限，同時存在35%、40%、45% 和50% 等多種推薦值。ISO 19815：2018《Information and documentation—Management of the en?vironmental conditions for archive and library collections》提出，當保存環境相對濕度低于30%后，不當處理會導致紙質藏品破損風險顯著增加。美國采暖、制冷與空調工程師學會指南（ASHRAE handbook） [3]認為博物館、美術館、檔案館和圖書館建筑或房間的相對濕度在35%～65%時，紙質藏品破損風險較低。

紙質藏品保存環境標準推薦的環境相對濕度范圍不統一，且我國相關標準推薦的環境相對濕度下限較國外標準偏高。這為全年或季節性干燥地區的紙質藏品保存環境相對濕度的控制帶來困擾，如北京市冬季平均環境相對濕度約為35%，根據ISO 19815：2018和ASHRAE（2023） 推薦的環境相對濕度范圍，北京市冬季具有在自然條件下保存紙質藏品的可行性。但根據我國多項相關標準規定，北京市的紙質藏品保存環境在冬季均需加濕，且不同標準對需達到的環境相對濕度下限要求不一。

環境相對濕度越低，紙張的化學降解速率越慢、生蟲生霉風險越低。但環境相對濕度過低時，紙張會發脆，使用時發生破損的風險可能變大。所以，環境相對濕度對紙張破損風險的影響是紙質藏品保存環境可接受相對濕度下限的核心決定因素。因此，本研究擬測定不同環境相對濕度下紙張的機械強度，探究環境相對濕度對紙張破損風險的影響。

1 材料與方法

1. 1 環境相對濕度對紙張機械強度的影響

1. 1. 1 紙張的基本性質

選取打字紙、字典紙、道林紙、新聞紙各20份，每種紙張取10份在105 ℃干熱老化28天。按照GB/T7974—2013《紙、紙板和紙漿 藍光漫反射因數D65亮度的測定（漫射/垂直法，室外日光條件）》、GB/T451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》、GB/T 451.2—2023《紙和紙板 第2部分：定量的測定》測定紙張基本信息，結果見表1。

1. 1. 2 機械強度的測定

首先，將待測樣品在溫度23 ℃，相對濕度偏低（15%）、理想（50%） 或偏高（85%） 的環境中處理4 h以上；然后在對應的環境相對濕度下，分別按照GB/T 12914—2018《紙和紙板 抗張強度的測定 恒速拉伸法 20 mm/min》、GB/T 457—2008 《紙和紙板耐折度的測定》和GB/T 455—2002《紙和紙板撕裂度的測定》測定并計算不同紙張老化前后的抗張指數、耐折度和撕裂指數。同種紙張采用除環境相對濕度外完全相同的條件測定。

1. 2 紙張機械強度與聚合度的關系

根據本課題組前期研究[4]，利用測得的不同人工加速老化時間的竹紙、構皮紙、宣紙、新聞紙和字典紙的抗張指數、耐折度、撕裂度和聚合度的數據，分析紙張機械強度與聚合度之間的關系。

具體實驗方法為：以72 h為一個老化單元，將上述紙張在105 ℃干熱老化箱中分別老化1、4、10、20、40、60、70、80、90、100個老化單元。不同老化時間紙張的抗張指數、撕裂指數、耐折度的檢測方法同1.1.2；聚合度測定方法詳見參考文獻[4]。

2 結果與討論

2. 1 環境相對濕度對紙張機械強度的影響

2. 1. 1 環境相對濕度對紙張抗張性能的影響

圖1為環境相對濕度對紙張抗張指數的影響。由圖1可知，在實驗環境相對濕度15%～85%時，所有紙張均符合如下規律：同種紙張相比，環境相對濕度越高，紙張的抗張指數越小。這是因為紙張的抗張指數主要受纖維自身強度和纖維間結合力影響，當環境相對濕度升高時，紙張的含水量也隨之升高，從而使纖維潤脹，部分纖維間的氫鍵結合被破壞，纖維間結合力變差[5-6]。

2. 1. 2 環境相對濕度對紙張耐折性能的影響

圖2為環境相對濕度對紙張耐折度的影響。由圖2可知，環境相對濕度影響了部分紙張的耐折度，老化打字紙和老化字典紙的耐折度在環境相對濕度偏低時變小；字典紙的耐折度在環境相對濕度偏高時變小；道林紙和老化道林紙的耐折度在環境相對濕度偏低或偏高時均變小。

環境相對濕度對紙張耐折度的影響是纖維柔韌性和纖維間結合力變化綜合作用的結果。在一定環境相對濕度范圍內，相對濕度越高，纖維的柔韌性越好、纖維間的結合力越差。由于不同種類紙張的纖維柔韌性和纖維間結合力存在差異，所以改變環境相對濕度對不同紙張耐折度的影響不同。

2. 1. 3 環境相對濕度對紙張撕裂性能的影響

圖3為環境相對濕度對紙張撕裂指數的影響。由圖3可知，所有紙張的撕裂指數均隨環境相對濕度升高而升高。這可能是因為紙張的撕裂指數受纖維柔韌性影響更大，環境相對濕度升高導致纖維柔韌性改善，所以紙張的撕裂指數升高。

綜上所述，環境相對濕度偏低可能導致紙張撕裂性能變差，環境相對濕度偏高可能導致紙張抗張性能變差，環境相對濕度偏低或偏高均可能導致紙張耐折性能變差。但環境相對濕度不理想造成的紙張機械強度下降，是否一定引起紙張破損風險增加，需進一步研究。

2. 2 紙張的機械強度與破損風險

目前，尚無公認的紙張機械強度與破損風險之間對應關系的評估標準。當前，紙質藏品保護相關研究多以纖維素聚合度（DP） 指示紙張的破損風險。Strli?等[7]研究發現，DP能夠較好的指示紙張的磨損和撕裂風險，并建立了以DP為指標的紙張破損風險評估標準：當DPlt;300時，紙張容易撕裂和碎片化，但不使用時紙張并不會出現撕裂或缺失；當DPlt;500時，紙張磨損程度隨DP減小而增加；當DPgt;500時，紙張的磨損不嚴重。該研究還揭示了隨著紙張老化，其破損風險發生變化的DP閾值。但紙張的自然老化（DP下降） 過程是長期緩慢的，短時的環境相對濕度不理想不會明顯影響紙張的DP。因此，DP不能作為評估環境相對濕度對紙張破損風險影響的直接指標。

2. 2. 1 機械強度降幅法

由于紙張老化過程中化學降解和機械性能變化存在相互影響。Parsa等[8]研究發現，機械性能變化也能指示紙張的適用性。該研究預測，紙張的剛度較初始值下降20%近似對應于DP下降至300，二者變化幾乎等效，均可作為判斷紙張老化較嚴重的閾值。因此，擬以“環境相對濕度偏低或偏高時紙張的機械強度，較環境相對濕度理想時紙張對應的機械強度降幅是否超過20%”為標準，判斷環境相對濕度不理想是否引起紙張破損風險增加。

圖4 為環境相對濕度偏低對紙張機械強度的影響。由圖4可知，環境相對濕度偏低時，所有紙張的抗張指數均有所上升；大部分紙張的耐折度降低，但只有老化道林紙的耐折度降幅超過20%；所有紙張的撕裂指數均下降，打字紙、老化打字紙、老化字典紙和老化新聞紙的撕裂指數降幅均大于20%。因此，根據機械強度降幅法，環境濕度偏低可能導致老化道林紙折斷風險增加，打字紙、老化打字紙、老化字典紙和老化新聞紙撕裂風險增加。

圖5 為環境相對濕度偏高對紙張機械強度的影響。由圖5可知，環境相對濕度偏高時，所有紙張的撕裂指數均提高；部分紙張的耐折度下降，但降幅均lt;20%；所有紙張的抗張指數均下降且降幅均gt;20%。因此，根據機械強度降幅法，環境相對濕度偏高導致紙張拉斷風險增加。

2. 2. 2 機械強度和DP關聯法

2. 2. 2. 1 機械強度和DP的關系

DP雖然不能作為評估環境相對濕度對紙張破損風險影響的直接指標，但DP是紙張機械強度的重要影響因素。建立紙張機械強度與DP之間的關系，可以間接參考Strli?等[7]的研究結果，評估不理想的環境相對濕度造成的紙張機械強度變化，對紙張破損風險的影響。因此，接下來根據不同人工加速老化時間下的竹紙、宣紙、字典紙和構皮紙的機械強度和DP測定結果的分析，探究紙張機械強度和DP 之間的關系（圖6）。

由圖6可知，對于同種紙張，抗張指數、耐折度和撕裂指數均與DP呈較好的相關性，DP越大，紙張的機械強度越好。因此， 根據破損風險較低（DP≈500） 和破損風險較高（DP≈300） 對應的紙張機械強度，來評估環境相對濕度對紙張破損風險的影響具有合理性。由于紙張數量有限，且紙張的機械強度測定為人工檢測，測量的不確定性較大，因此確定紙張破損風險較大時，對應的精確機械強度安全閾值需謹慎。但出于降低紙質藏品破損風險的目標，基于“就高不就低”的原則，可根據紙張的機械強度與DP的對應關系，對不理想的環境相對濕度造成的紙張機械強度變化是否引起紙張破損風險增加進行簡單評估。

當紙張的抗張指數達到30 N·m/g時，紙張的抗張性能較好。由圖6（a）可知，當DP≈300時，竹紙、宣紙、字典紙和構皮紙的抗張指數分別為35.3、21.1、22.8和23.8 N·m/g。當DP≈500時，竹紙、宣紙、字典紙和構皮紙的抗張指數分別為45.7、29.4、27.1 和33.0 N·m/g，均具有良好的抗張性能。

由于耐折度測定結果與實驗時使用的張力大小直接相關，而藏品用紙較薄，無法使用標準張力測定，從而經常出現無法直接對比耐折度大小的情況。因此，環境相對濕度對紙張耐折度的影響評估不能通過直接比較耐折度的大小，只能對比同種紙張老化前后耐折度的下降幅度，超過該下降幅度說明紙張的耐折性能發生了較明顯的變化。由圖6（b）可知，當DP≈300時，竹紙、宣紙、字典紙、構皮紙的耐折度分別為0.17、0.69、1.79、0.50；當DP≈500時，竹紙、宣紙、字典紙、構皮紙的耐折度分別為1.60、1.63、2.83、1.96。計算可得，從DP≈500 老化至DP≈300，同種紙張的耐折度降低0.94～1.46，降低幅度為37%～89%。據此推測，當耐折度降低lt;0.95 且降幅lt;37%時，紙張的耐折性能變化不明顯。

當撕裂指數達到5.00 mN·m2/g左右時，紙張的撕裂性能較好。由圖6（c）可知，當DP≈300 時，竹紙、宣紙、字典紙和構皮紙的撕裂指數分別為2.21、4.16、2.27和4.95 mN·m2/g；當DP≈500時，竹紙、宣紙、字典紙和構皮紙的撕裂指數分別為5.07、5.77、4.08和10.89 mN·m2/g，均具有較好的撕裂性能。

2. 2. 2. 2 環境相對濕度對破損風險的影響

由圖1可知，環境相對濕度偏低和理想時，打字紙、老化打字紙、字典紙、老化字典紙、新聞紙和老化新聞紙的抗張指數均gt;30 N·m/g；道林紙和老化道林紙在環境相對濕度理想時抗張指數不高（≈25 N·m/g），當環境相對濕度偏高時進一步下降至15 N·m/g左右。這表明除了本身抗張性能較好的紙張（打字紙） 外，環境相對濕度偏高可能造成多種紙張拉斷風險增加。

環境相對濕度偏低或偏高時，所有紙張的耐折度大小變化均lt;0.95，且降幅均lt;37%（圖2）。這表明不理想的環境相對濕度對紙張的耐折性能影響不明顯。

由圖3可知，環境相對濕度理想時，字典紙、老化字典紙、新聞紙、老化新聞紙、打字紙、道林紙、老化道林紙的撕裂指數均gt;8.00 mN·m2/g，當環境相對濕度偏低時，上述紙張的撕裂指數均有所下降，但均gt;5.00 mN·m2/g，撕裂性能仍較好；在環境相對濕度理想時，只有老化打字紙撕裂指數僅為3.60 mN·m2/g，當環境相對濕度偏低時，撕裂指數進一步下降至2.80 mN·m2/g，此時，紙張往往非常脆弱需要進行加固處理[9]。由此表明，環境相對濕度偏低對強度較好紙張的撕裂風險影響不明顯，會進一步加劇強度較差紙張的撕裂風險。

2. 2. 3 2種方法比較

根據機械強度降幅法，環境相對濕度偏高造成紙張拉斷風險增加；環境相對濕度偏低可能增加老化道林紙的折斷風險，還可能造成打字紙、老化打字紙、老化字典紙和老化新聞紙的撕裂風險增加。根據機械強度和DP關聯法，環境相對濕度偏高對打字紙的拉斷風險無明顯影響，但可能增加其余紙張的拉斷風險；環境相對濕度偏低會增加老化打字紙的撕裂風險。

對比可知，2種方法的評價結果有相同也存在差異，主要區別為：機械強度降幅法指出，環境相對濕度偏高造成打字紙拉斷風險增加，而環境相對濕度偏低會增加老化道林紙的折斷風險，同時也會增加打字紙、老化字典紙、老化新聞紙撕裂風險；而機械強度和DP關聯法均判定，不理想的環境相對濕度對上述紙張的破損風險無明顯影響。這是因為上述紙張的機械強度較好，雖然不理想的相對濕度環境造成其強度指標降幅超過20%，但是降低后的機械強度仍較高。

鑒于評估環境相對濕度對紙張破損風險影響的最終目標是盡可能減少紙質藏品破損。因此，為了提高評估的敏感性和可靠性，可以采用2種方法聯用的方式，更全面地篩選出本身較脆弱的或更易受環境相對濕度影響的紙質藏品。具體而言，如果機械強度和DP關聯法判定紙張的破損風險較高，那么直接采納該判定結果；如果機械強度和DP關聯法判定紙張的破損風險較低，而機械強度降幅法判定紙張的破損風險較高，這時可以比較紙張的機械強度測量值與對應指標安全閾值的大小，如果紙張的機械強度測量值遠高于對應指標的安全閾值，那么判定不理想的環境相對濕度導致紙張發生對應破損風險增加的可能性較小；如果紙張的機械強度測量值接近對應指標的安全閾值，那么判定不理想的環境相對濕度存在造成增大紙張對應破損風險的可能性。如當環境相對濕度偏高時，打字紙的的抗張指數為31.0 N·m/g（gt;30.0 N·m/g），按照機械強度和DP關聯法應判定“環境濕度偏高對打字紙的拉斷風險無影響”；但抗張指數下降24.8%，降幅超過20%，按照機械強度降幅法應判定“環境相對濕度偏高造成打字紙拉斷風險增加”。鑒于2種方法對打字紙判定結果不一致，且此時打字紙的抗張指數已非常接近評估的安全閾值，為提高評估的可靠性，判定環境相對濕度偏高可能增加打字紙的拉斷風險。

基于上述機械強度降幅與機械強度和DP關聯法聯用原則，判定環境相對濕度偏低對字典紙、老化字典紙、道林紙、新聞紙和老化新聞紙的破損風險無明顯影響，但可能造成打字紙和老化打字紙破損風險增加；環境相對濕度偏高可能造成所有紙張的拉斷風險增加。由此表明，環境相對濕度偏高會增加多種紙張的拉斷風險；環境相對濕度偏低對機械強度較好紙張的破損風險影響不明顯，可能導致機械強度較差的紙張破損風險增加。因此，機械強度較好的紙張保存環境可以接受較低的相對濕度；對于本身機械強度較差、脆弱的紙張，應在理想的濕度環境中保存。如果無法達到理想的保存濕度條件，應盡量避免使用；若確需使用，則應在濕度適宜的環境中充分適應后再使用，以降低破損風險。

3 結論

根據機械強度降幅法， 環境相對濕度偏低（15%） 時打字紙、老化打字紙、老化字典紙和老化新聞紙的撕裂風險增加， 環境相對濕度偏高時（85%） 所有紙張的拉斷風險增加，環境相對濕度偏低時老化道林紙的折斷風險增加。根據機械強度和DP關聯法，環境相對濕度偏低時老化打字紙的撕裂風險增加，環境相對濕度偏高時所有紙張的拉斷風險增加。

為了提高判斷的敏感性和可靠性，2種方法聯用得到以下結論：環境相對濕度偏低，字典紙、老化字典紙、道林紙、老化道林紙、新聞紙和老化新聞紙等紙張的破損風險無明顯變化，打字紙、老化打字紙破損風險可能增加；環境相對濕度偏高會增加多種紙張的拉斷風險。因此，所有紙張的破損風險在高濕環境中均會增加，且高濕環境會縮短紙張的預期壽命，同時增加紙張生蟲生霉風險，因此所有紙質藏品均不宜在高濕環境中保存。機械強度較好的紙張破損風險受低濕環境影響較小，可接受較低的保存環境相對濕度；本身機械強度較差的、脆弱的紙張在環境相對濕度偏低時破損風險會進一步加劇，應在理想的環境相對濕度中保存。

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（責任編輯：呂子露）