云杉硫酸鹽漿生產(chǎn)耐久性紙可行性分析

該研究采用云杉漂白硫酸鹽漿制備手抄片，使用乙二胺四乙酸（EDTA）作為螯合劑，用量分別為0%、0.25%、0.50%和0.75%；手抄片使用波長為330～440 nm的UV光照射，照射時(shí)間分別為0、10、20、30、40和50 h；最后，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)測定手抄片強(qiáng)度性能。研究結(jié)果表明：與對照樣品相比，添加適量EDTA螯合劑后，手抄片的強(qiáng)度指標(biāo)提高；延長老化時(shí)間使裂斷長、撕裂強(qiáng)度、耐折度、耐破度和抗張強(qiáng)度降低；不使用EDTA處理的情況下，延長老化時(shí)間使得撕裂指數(shù)、抗張強(qiáng)度、撕裂度、耐破度和耐折度分別降低41.9%、3.1%、28.2%、29.7%和8.6%。

圖書館和檔案館儲藏的歷史紙質(zhì)文件和手工藝品，其物理化學(xué)、化學(xué)和光學(xué)性能的惡化是造成這些文化遺產(chǎn)巨大損失的罪魁禍?zhǔn)?。提高紙張耐久性、防止其質(zhì)量惡化和保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)完整是圖書館館藏管理者最為關(guān)心的問題。

耐久紙是一種在使用過程中保持其原有質(zhì)量的紙，純纖維素纖維本身就具有耐久性。在受控的酸性條件下，純纖維素可以很容易地水解成葡萄糖。如果紙張中不含酸，加工紙將表現(xiàn)出較大的耐久性。圖書管理員最近發(fā)現(xiàn)50多年前生產(chǎn)的存檔紙質(zhì)文件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞和破損，它們的強(qiáng)度和耐久性幾乎完全消失。因高分子纖維素本身具有耐久性，故認(rèn)為造成上述現(xiàn)象的主要原因是生產(chǎn)過程、添加劑和紙的保存條件。

許多研究人員開展了提高紙的耐久性和穩(wěn)定性方面的研究，并有以下幾方面的發(fā)現(xiàn)。

（1）酸水解長期以來都被認(rèn)為是導(dǎo)致紙張損壞的一個(gè)可能原因；紙張必須用碳酸鈣和碳酸氫鎂的堿性溶液處理，以避免酸對紙張?jiān)斐傻牟焕绊?。針?種化學(xué)漿，評估了氫氧化鈣和碳酸氫鎂溶液，以及碳酸甲醇鎂非水溶液對紙張耐磨損性能的影響。使用銅乙二胺測定黏度，確定加速老化后樣品的毀損情況。結(jié)果表明，對于所測試的樣品，使用氫氧化鈣處理后的纖維素的損壞速度比使用含鎂堿液浸泡后的紙漿的慢。

（2）研究發(fā)現(xiàn)：溫度僅變化20℃即會使紙張損壞速度變化7.5%；并且，在加速老化過程中，紙張的水分含量必須保持恒定；否則，結(jié)果值將不再有效。

（3）研究發(fā)現(xiàn)：波長范圍為330～440 nm的光會損壞紙張；由于環(huán)境中熱和光的作用，紙張同時(shí)發(fā)生變黃現(xiàn)象；當(dāng)紙張完全暴露于光和熱中時(shí)，會變黃；但是只要存放在較低溫度下，紙張的白度保持不變，最終結(jié)果主要取決于熱或光；此外，在無氧環(huán)境中，即使暴露于可見光和UV光下，紙張也不會變黃或變脆?？梢灶A(yù)計(jì)，即使不暴露于熱條件中，在正常條件下紙張也會變黃；因此，特殊文件需要存放在中性環(huán)境中。

同時(shí)，許多研究人員還研究了加速老化對紙張光學(xué)性能的影響；然而，尚未開展有關(guān)使用云杉硫酸鹽漿生產(chǎn)耐久紙可行性的研究工作。因此，本研究旨在探索使用云杉硫酸鹽漿生產(chǎn)耐久紙的可行性。

1　材料與方法

1.1材料

云杉漂白硫酸鹽漿，其性能參數(shù)如表1所示。

表1　云杉硫酸鹽漿的性能

使用乙二胺四乙酸（EDTA）旨在幫助去除金屬離子，對纖維素的氧化有利，使用量分別為干纖維質(zhì)量的0%、0.25%、0.50%和0.75%。溶液的pH保持在7～7.5。

1.2手抄片抄制

手抄片抄制準(zhǔn)備工作完成后，使用PFI磨按照ISO標(biāo)準(zhǔn)5269-2（2011）打漿，打漿速度約18 000 r/min，使游離度（CSF，下同）達(dá)到（300±25）mL。按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5267-2（2002）測定游離度；最后，使用每份紙漿樣品按照SCAN標(biāo)準(zhǔn)的M5：67規(guī)范抄制定量為70g/m2的手抄片。

1.3性能測定

手抄片抄制完成后，對手抄片樣品進(jìn)行光老化測試。為了本研究之目的，使用輸出波長為330～440 nm的加速光老化裝置。光老化試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5630-3（1996）進(jìn)行。老化時(shí)間間隔分別為0、10、20、30、40和50 h。老化結(jié)束時(shí)，按照與ISO標(biāo)準(zhǔn)等效的下列伊朗國家標(biāo)準(zhǔn)測定前述手抄片的強(qiáng)度性能3次：耐破指數(shù)，ISO 2758（2014）；撕裂指數(shù)，ISO 1974（2012）；耐折度，ISO 5626（1993）；抗張指數(shù)，ISO 1924-3（2005）；裂斷長，ISO 1924-3（2005）。

1.4數(shù)據(jù)分析

應(yīng)注意到，所有助劑均加入打漿后的紙漿中。數(shù)據(jù)分析按照完全隨機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行，采用Duncan試驗(yàn)在95%顯著水平（significance level）下進(jìn)行比較和分組。使用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件（IBM軟件，紐約阿蒙克；版本11.5）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2　結(jié)果與討論

表2列出了EDTA和時(shí)間結(jié)果的方差分析。

表2　EDTA和時(shí)間結(jié)果的方差分析

圖1～5給出了EDTA和老化時(shí)間對耐久性手抄片紙強(qiáng)度性能的影響。

圖1　老化時(shí)間和EDTA用量對裂斷長的影響

圖3　老化時(shí)間和EDTA用量對耐折度的影響

圖4　老化時(shí)間和EDTA用量對耐破指數(shù)的影響

圖5　老化時(shí)間和EDTA用量對抗張指數(shù)的影響

從圖1～5可以清楚地看出，與其他試驗(yàn)樣品相比，各EDTA用量下對照樣品的負(fù)面影響均更為嚴(yán)重。

2.1EDTA對手抄片紙強(qiáng)度性能的影響

EDTA對抗張強(qiáng)度和耐折次數(shù)的影響在95%水平下較為顯著；而對裂斷長、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)的影響在95%水平下并不顯著（見表2）。圖1～5表明，增加EDTA螯合劑的用量使得手抄片樣品的裂斷長、撕裂指數(shù)、耐折度、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)增大；因此，EDTA在提高裂斷長、撕裂指數(shù)、耐折度、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)方面的積極作用非常明顯。

2.2老化時(shí)間對手抄片紙強(qiáng)度指數(shù)的影響

時(shí)間對撕裂長度、耐折次數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)的影響在95%水平下較為顯著（見表2）。延長老化時(shí)間嚴(yán)重影響紙張的性能，并導(dǎo)致撕裂長度、撕裂指數(shù)、耐折度、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)降低。

2.3EDTA和老化時(shí)間的協(xié)同作用對手抄片強(qiáng)度

指數(shù)的影響

EDTA和老化時(shí)間的協(xié)同作用對手抄片撕裂長度、耐折次數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和抗張指數(shù)的影響在95%水平下不顯著（見表2）。對于所研究的所有性能，幾乎觀察不到延長老化時(shí)間和增大EDTA用量產(chǎn)生的負(fù)面影響。

耐久紙是一種在使用時(shí)和存放或存檔很長一段時(shí)間后仍保持其初始性能的紙。已確定酸水解、氧化和光化學(xué)過程是造成紙張損壞的主要原因。預(yù)計(jì)增加纖維長度和降低紙張中金屬離子（比如Cu2+、Fe2+、Fe3+和Mn2+）和芳香族化合物的含量可以提高紙張的耐久性。

確定加速老化對紙張的影響所采用的方法包括測定紙張的強(qiáng)度性能，比如耐折度、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)。在這些性能中，耐折度是最能夠表明老化的強(qiáng)度指標(biāo)，并且精確度和靈敏度最高。

在多種試驗(yàn)條件下研究了紙張樣品在干熱和濕熱加速老化條件下的機(jī)械性能；確定了耐折度是監(jiān)測紙張結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的高靈敏性方法。

鑒于不同紙張的強(qiáng)度或定量不同，許多研究人員強(qiáng)調(diào)，紙張折疊過程中引入的張力必須與抗張指數(shù)一致。另一方面，另外一些學(xué)者建議，耐折試驗(yàn)應(yīng)采用所需要的載荷以恒定的折疊次數(shù)進(jìn)行，以確定所需的因素。最后，為解釋由加速老化得到的結(jié)果，需認(rèn)識到加速老化和自然老化之間的關(guān)系。

3　結(jié)論

（1）延長加速老化時(shí)間對手抄片強(qiáng)度性能造成不利影響，裂斷長、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度均降低。

（2）在不使用EDTA處理的情況下，延長老化時(shí)間使得手抄片撕裂指數(shù)、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別降低 41.9%、3.1%、28.2%、29.7%和8.6%；而在樣品使用量為0.75%的EDTA處理的情況下，延長老化時(shí)間使得手抄片撕裂指數(shù)、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度僅分別降低6.8%、0.6%、5.0%、4.5%和2.9%。

（3）增大EDTA螯合劑的用量對手抄片紙張的強(qiáng)度性能有利。

（4）老化時(shí)間為50 h的情況下，EDTA用量自0.75%增大后使得手抄片撕裂指數(shù)、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)和耐折度分別增大 33.4%、2.6%、22.5%、24.8%和7.7%。

（5）加速老化時(shí)間和EDTA這2個(gè)變量未引起手抄片顯著影響。此外，這2個(gè)變量造成手抄片的較小影響表現(xiàn)出減小的趨勢。

（馬倩倩編譯）