張玉芝，夏淑冉，張金萍，鄭冬青，蔣 弼

(1. 近現(xiàn)代紙質文獻脫酸保護技術文化部重點實驗室，南京博物院，江蘇南京 210016； 2. 東南大學，江蘇南京 211102)

0 引 言

以紙張作為載體的文物圖書、文獻、檔案、報刊等作為記載人文歷史、延續(xù)文化精華的珍貴產(chǎn)物，是人類重要的文化遺產(chǎn)。隨著時間的流逝，采用手工紙為載體的圖書、檔案歷經(jīng)千年仍能留傳于世，而用機械紙為載體的圖書卻不斷脆化、粉化，這都是紙張的酸化所引起的。

中國紙張酸化的形勢非常嚴峻，全國幾乎所有的圖書館、檔案館、博物館都存在紙張酸化的問題，特別是民國文獻尤為明顯[1，2]。引起紙張脆化、粉化的主要原因是紙張含酸量的增加，即pH值的下降。機械紙中酸的來源有四方面:1)制漿過程中殘留的；2)添加施膠劑時帶入的；3)酸性寫印色料中所帶的酸；4)污染環(huán)境中的酸性氣體[3]。其中前兩種因素為主要原因。

水溶液脫酸法不存在易燃易爆的問題，對環(huán)境安全，對操作人員友好，便于在圖書館、檔案館、博物館推廣。但已有文獻證明[4]，紙張中引入大量的水分，容易引起紙張凹凸不平，出現(xiàn)皺縮、粘連等不良現(xiàn)象。同時，由于水的表面張力較大，納米脫酸顆粒在書中沉降不均勻，采用五點法(左上、左下，中心點、右上、右下)測定脫酸后紙張pH值，五點間差值大于1.0。因此，針對酸化文獻的紙張?zhí)攸c和水溶液脫酸法的利弊，研制開發(fā)一套文獻智能化脫酸保護設備尤為必要，該設備可以實現(xiàn)自動流量調節(jié)、自動噴涂并輔以自動翻頁技術，在實現(xiàn)脫酸的同時也對紙質文獻進行了很好的保護。

1 脫酸前準備

1.1 材料

實驗用圖書(購于舊書商店，并保存于南京博物院文保所資料室，1950—1959年出版)、OT-75(磺基琥珀酸鈉鹽表面活性劑，美國亨斯邁HUNTSMAN試劑有限公司)、納米球形MgO(上海麥克林公司)、二級純水(Elix3純水儀制得)。

1.2 儀器設備

ORION 3 star臺式pH計(Thermo公司)、YZ15恒流泵(保定納通恒流泵有限公司)、耐折度儀(TMI公司)、臥式拉力機(TMI公司)、自動翻頁機(南京博物院自制)、SHA-C恒溫振蕩器(常州國華電器有限公司)、紙張透氣度儀(L&W公司)、紙張微波水份測試儀(L&W公司)、DRK白度儀(濟南德瑞克公司)、WAC空氣壓縮機(北京威爾雅寶科貿有限公司)、撕裂度儀(TMI公司)、DAT動態(tài)接觸角測定儀(TMI公司)、電子掃描顯微鏡(日本日立公司)。

1.3 脫酸液的配制

脫酸液的配制：采用MgO做為脫酸介質，其中加入質量分數(shù)1%的OT-75作為潤濕劑、助懸劑，采用超純水配制而成。

由于MgO脫酸液是一種混懸液，隨著時間的變化，混合溶液中的堿性脫酸介質會發(fā)生沉降。由于濃度的不穩(wěn)定，在霧化噴涂期間，脫酸液均放置于振蕩器中，維持其穩(wěn)定狀態(tài)。

脫酸工作開始后，恒流泵將脫酸液泵入流量計，配有過濾裝置的流量計，可動態(tài)測控脫酸液的用量，經(jīng)分配后的脫酸液被傳送至霧化噴頭處，并在壓縮空氣作用下霧化，隨后脫酸液均勻噴涂分散在紙張表面。整個脫酸系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，脫酸設備體系中配有負壓抽吸系統(tǒng)，用于回收飄散的脫酸液。脫酸液通過恒流泵輸送至噴霧處，空氣壓縮機提供的壓縮空氣是脫酸液的載體。試驗過程中，通過噴霧裝置形成的霧化脫酸液的脫酸能力會隨脫酸液濃度、恒流泵輸送流速、霧化氣壓變化而發(fā)生變化。智能化紙質文獻脫酸設備見圖1。

圖1 智能化紙質文獻脫酸設備Fig.1 Automated deacidification equipment of paper literature

1.4 酸化圖書樣本

試驗中采用的酸化圖書為20世紀50年代的機械紙；紙張尺寸為20.4cm×13.9cm×1.4cm；紙張定量為55.24g/m2；紙張未噴涂脫酸液前相對含水率為7.2%；紙張pH值為4.5。

1.5 脫酸效果評估

通過對整本書進行正反噴涂各一次，擬達到的理想脫酸效果如下：紙張的7.0

2 脫酸參數(shù)選擇

2.1 脫酸液濃度選擇

一方面，被噴涂脫酸液的紙張不能過于潮濕。若過于潮濕，則會導致紙張軟弱無力，自動翻頁機不能正常拾取紙張進行翻頁，所以要求脫酸液的濃度不能太低。另一方面，被噴涂脫酸液的紙張外觀、顏色的改變在可控范圍內。因為脫酸介質基本不溶于水，如果脫酸液濃度過高，紙張表面沉降過多的脫酸液，將導致紙張表面變白，嚴重的將顯現(xiàn)白色斑點(圖2)。適宜的脫酸液濃度有利于脫酸液的均勻分布。

圖2 白色斑點Fig.2 White spots

在這兩種因素制約下，選擇了脫酸液質量分數(shù)為1%、3%、5%、7%、9%進行試驗。試驗證明，采用正反兩面各噴涂一次的脫酸方法，當脫酸液質量分數(shù)為1%或3%時，不能滿足1.5節(jié)所述脫酸要求；而當脫酸液質量分數(shù)為7%或9%時，雖滿足了脫酸要求但紙面有白色斑點，不予采用。當脫酸液質量分數(shù)為5%時，滿足脫酸要求，同時紙張不會出現(xiàn)白色斑點。

2.2 蠕動泵所輸送流量的選擇

要滿足酸化紙張的脫酸要求，需要蠕動泵輸送一定的脫酸液。一方面，如果脫酸液輸送流量不足，為達到脫酸要求，則需延長噴涂時間，這將直接影響脫酸的效率；另一方面，若所輸送的脫酸液流量較大，為滿足脫酸需要，需控制噴涂的時間較短，對機械運行的響應要求較高。針對恒流泵所輸送流量，設置了3個梯度，即8、10、12mL/min，結果表明：當恒流泵所輸送流量為10mL/min時較科學合理。

2.3 氣流壓力的確定

空氣壓縮機所提供的壓縮空氣使得脫酸液得以霧化，所提供的氣流壓力為0.10MPa時，脫酸液自噴嘴噴出時粒子較大，分散不佳，易在紙張表面易形成不均勻的白色斑點，如圖2所示。氣流壓力為0.20MPa時，脫酸液粒子小且霧化均勻性好，脫酸粒子懸浮于空氣中，不易沉降，使得短時間紙張表面沉降的脫酸液量不能滿足脫酸要求。當氣流壓力為0.16MPa時，粒子大小適宜且均勻性好。綜合各方面因素，選擇空氣壓縮機所的氣流壓力在0.16MPa時比較科學合理。

分析紙張白色斑點形成的原因有：1)MgO粒子難溶于水，分散性較差；2)脫酸液的霧化程度小，若高壓氣源提供的氣流壓力過小，則脫酸液霧化程度低，噴涂液滴很大。綜合這兩個指標，將脫酸液的濃度與氣流壓力做交叉試驗，檢驗紙張是否會出現(xiàn)白斑。

每次采用5頁酸化紙張進行試驗，若其中一張紙出現(xiàn)白色斑點，則斷定為陽性(+)，否則為陰性(-)，具體實驗結果見表1。

表1 不同脫酸液質量分數(shù)與氣流壓力交叉作用下的紙張狀態(tài)

由表1可知，在低氣流壓力(0.1MPa)條件下，MgO質量分數(shù)大于3%時會出現(xiàn)白色斑點現(xiàn)象；在0.16MPa條件下，大于5%時會出現(xiàn)白色斑點；在0.2MPa條件下，不會出現(xiàn)白色斑點，但氣流會將脫酸液吹散，造成pH值和堿殘留量單次噴涂情況下不合格，重復噴涂2次或以上能滿足脫酸要求，脫酸成本較高，脫酸周期延長。

理想的脫酸要同時滿足pH、堿殘留量、不出現(xiàn)白斑、低成本等條件。綜合以上最后確定噴霧脫酸的參數(shù)如下：脫酸液質量分數(shù)為5%，恒流泵輸送流速為10mL/min，壓縮機氣流壓力為0.16MPa。

3 脫酸效果評價

將1.4中所述的圖書采用這種噴涂方案進行脫酸，并參照相關標準[5-9]進行紙張性能測試，結果見表2。

表2 噴涂前后紙張性能參數(shù)變化

從表2可以看出，經(jīng)霧化噴涂后，紙張的pH升高，堿殘留合格，紙張性能(抗張強度、耐折度、撕裂度)增強。由于紙張吸附了MgO顆粒，而且這些堿性顆粒在紙張纖維間分布較好，造成紙張透氣率下降。紙張顏色變白，這也與MgO顆粒的沉降有關。其中，pH值為重點檢測項目，舉例說明具體的檢測過程及結果見表3。

表3 脫酸后pH值情況

通過表3可見，脫酸后紙張的pH值有顯著提高，而且整頁紙張的pH值均勻，沒有出現(xiàn)各測試點間pH差值大于1.0的情況，噴涂效果理想。

將脫酸前后的紙張放置于恒溫恒濕實驗室(溫度：(23±1)℃，相對濕度：(50±2)%的環(huán)境中)，穩(wěn)定72h后，采用DAT動態(tài)接觸角測定儀測定紙張的接觸角隨時間的變化(圖3)，噴霧脫酸前后的紙樣均6組，每組測試點8個，記錄平均值。

圖3 紙張接觸角隨時間的變化情況Fig.3 Contact angle changes over time

通過圖3可以看出，紙張的接觸角在脫酸后降低，這與脫酸液中添加了OT-75有直接聯(lián)系，但接觸角的這種變化并沒有影響紙張的性能[10]，對紙張是科學安全的。同時，水自身的表面張力比較大，加入OT-75后，接觸角降低，表面張力減弱，有利于MgO粒子在紙張表面的附著、沉降。

為更好地觀察脫酸效果，將脫酸前后的樣品用電子掃描顯微鏡進行了分析，具體見圖4，并進行了X射線能譜儀分析，見圖5。

由掃描電鏡的結果表明：脫酸液的粒子在紙張纖維中分散均勻性好。由圖5(b)和圖5(c)對比可知，噴涂后紙張中的Mg含量極大提高，這是由于MgO的增多引起。這些殘留在紙張纖維間的堿性粒子可以進一步的對抗外界和紙張自身產(chǎn)生的酸性物質，保持紙張性能在較長的一段時間內處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 脫酸前、后紙張纖維狀態(tài)Fig.4 Fibers situation before and after deacidification

圖5 掃描電鏡取樣及脫酸前后紙張能譜分析Fig.5 Sampling and EDS before and after deacidificaiton

將脫酸后的圖書拍照(圖6)可知，噴涂后紙張并沒有發(fā)生變形、卷曲等變化。僅在封面有少許白色粉末殘留，采用物理方法擦除即可。

圖6 脫酸后圖書狀態(tài)Fig.6 Books situation after deacidification

4 結 論

智能化脫酸過程充分利用了水溶液的安全性高、操作簡單的優(yōu)點，同時避免出現(xiàn)紙張變形、卷曲、皺縮、暈色等情況，是一種安全、高效的脫酸手段。

文中的酸化圖書的pH在4.5左右，理想的脫酸要同時滿足pH、堿殘留量、不出現(xiàn)白色斑點、低成本等條件，本實驗最后確定噴霧脫酸的參數(shù)如下：脫酸液質量分數(shù)為5%，恒流泵輸送流速為10mL/min，壓縮機氣流壓力為0.16MPa，從而達到了比較理想的脫酸效果。但針對酸化情況不同的圖書，需調整具體參數(shù)。

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