整本图书脱酸工艺的研究

张金萍 郑冬青 童丽媛 鲁 钢，*

(1.南京博物院，纸质文物保护国家文物局重点科研基地，江苏南京，210016;2.南京工业大学，江苏南京，210009)

纸质文物随着时间的流逝和外界环境的影响，在内外因素的共同作用下，都会不同程度地发生酸化现象，全世界大部分珍贵的图书正处于酸化的威胁当中。美国、德国、法国、英国、加拿大、意大利等一些发达国家已经对酸化图书的批量脱酸工作进行了几十年的研究与尝试，主要的脱酸工艺有BookKeeper脱酸工艺、Book saver脱酸工艺、Papersave脱酸工艺、韦托法等［1-6］。而我国的纸张脱酸技术研究起步较晚，并只限于单页纸张的脱酸处理［7-9］，对于大规模的批量脱酸基本上还是空白。南京博物院从1983年开始进行了各种尝试，从二乙基锌 (DEZ)气体脱酸到水溶液脱酸［10］，并自行设计生产了真空微波干燥设备［11-12］。本实验即在该设备的基础上对整本图书的脱酸工艺进行了研究。

1 实验

1.1 原料和仪器

自制脱酸液;已明显酸化的图书 (20世纪80年代凸版纸印刷的出版物，由南京博物院提供)。

DRK 101B电子拉力试验机、DRK 103B白度颜色测定仪，济南德瑞克仪器有限公司;CLEAN pH30酸碱度测试计;ZK-82B真空干燥箱，上海市实验仪器总厂;真空微波干燥设备，南京博物院自制;JSM-5900扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.2 物理表征

图1 整本图书脱酸专用夹具

图2 整本图书真空脱酸浸泡装置

图3 整本图书真空微波干燥设备

使用酸碱度测试计测定纸张表面pH值，每组测试5个有效值，取其平均值;采用CIE L*a*b*表色系统，使用白度颜色测定仪测定色差变化，根据计算色差，取10个有效数据计算平均值;按照GB/T 450—2002从图书中取样，裁剪成18 cm×1.5 cm的规格，使用电子拉力试验机测定纸张的抗张强度，拉伸速度为197 mm/min，每组测试10个以上有效数据，取其平均值;使用扫描电子显微镜观察纸张老化前后的纤维形貌。

1.3 整本图书的脱酸过程

在脱酸工艺流程中，为了降低水溶液脱酸易引发的纸张褶皱问题，选择专用夹具，夹力以图书在夹具中固定不松动即可，见图1。然后将图书浸没在盛满脱酸液的脱酸浸泡专用设备中，反复进行抽真空、放气的操作，真空度控制在－0.1 MPa左右，如图2所示。浸泡完成后，将图书放进真空微波干燥箱进行干燥，以整本图书中水分含量为监控指标，当水分去除80%时，微波功率减半;当水分去除90%时，微波停止，罗茨泵启动，再干燥60 min即可，见图3。

2 结果与讨论

2.1 真空抽放次数对脱酸效果的影响

由于抽放真空需要匀速缓慢进行，实验中每隔5 min抽放一次，则6次相当于浸泡30 min，12次相当于浸泡60 min，18次相当于浸泡90 min。

2.1.1 真空抽放次数对渗透效果的影响

表1为不同真空抽放次数对整本图书脱酸pH值的影响。由表1可知，采用不同真空抽放次数，整本图书脱酸前后pH值有明显的变化。实验中发现图书首末页的pH值相对较低，真空抽放18次后首末页pH值分布梯度分别为5.97～8.10、6.84～7.45，这是因为首末页有塑封层且紧贴夹具，脱酸液渗透相对较慢，但也基本满足脱酸效果。另外，整本图书的pH值分布也会有梯度，越靠近装订线pH值越低，这主要与脱酸液的渗透有关。在一定时间内，脱酸液的渗透与书封面的材质、书的厚度有很大关系，可以通过调整真空抽放次数来最终达到脱酸液渗透的均一性的要求。结果表明，真空抽放12次可基本满足整本图书的脱酸要求。

表1 不同真空抽放次数对整本图书脱酸pH值的影响

2.1.2 真空抽放次数对纸张抗张强度的影响

表2为不同真空抽放次数对整本图书脱酸前后纸张抗张强度的影响。由表2可知，未经脱酸液处理的纸张抗张强度为700 N/m，随着真空抽放次数增加，纸张抗张强度先增加后下降，然后趋于稳定，说明真空抽放次数的增加有利于脱酸液的均一渗透，但会损害纸张的强度，所以真空抽放12次即可。

表2 真空抽放次数对整本图书脱酸前后纸张抗张强度的影响

2.1.3 真空抽放次数对纸张白度和色差的影响

表3为不同真空抽放次数对整本图书脱酸前后纸张白度和色差的影响。由表3可知，随着真空抽放次数的增加，整本图书的白度下降，色差增加较显著，所以在满足整本图书白度的前提下，真空抽放次数越少越好。

2.1.4 真空抽放18次后纸张的抗老化性

为了观察经过脱酸处理后的图书能否长时间保存，将真空抽放18次后的纸张在105℃下热老化72 h，纸张的pH值以及纸张的白度、色差和抗张强度分别见表4和表5。由表4可知，老化后的纸张仍能保持弱碱性，说明经过脱酸处理后纸张能残留一定的碱性物质，可延长纸张寿命。由表5可知，老化后纸张白度和抗张强度均有所增加，这与脱酸处理后的干燥程度有关。为了保证脱酸处理后整本图书的平整性，在干燥时会保留一部分水分，所以纸张白度比未处理前的低，色差较大，但经过热老化过程后，多余的水被除掉，纸张色差回落，抗张强度有所增加。

2.1.5 脱酸前后及老化后纸张的SEM图

纸张的老化主要是因为纤维素发生氧化和水解反应。在有氧气的条件下，纤维素中的羟基极易被氧化成醛基或羧基，氧桥连接减弱，发生断裂。另一方面，纸张本身含有酸性物质 (造纸工艺中带入)，空气中也存在SO2、NO2等有害气体，这些酸性物质对纤维素的水解具有催化作用。图4为脱酸处理前后及热老化后纸张的SEM图。由图4(a)和4(b)可知，未脱酸处理的纸张在105℃加速热老化后，纤维明显断裂，说明高温能够大大加快其氧化速度和水解速度。由图4(a)和4(c)可见，经脱酸处理后的纸张纤维明显增粗且光滑，而且纤维表面有一层包覆膜，能有效隔绝空气与纤维的接触从而保护纤维;纤维之间原有的松散网孔结构也得到了保持，表明纸张在脱酸处理后仍能保持原有的质感。由图4(b)和4(d)可看出，与未脱酸热老化纸张相比，脱酸处理后的纸张老化后，纤维没有明显断裂，且排列更有序，与抗张强度的变化相吻合。

表3 不同真空抽放次数对整本图书脱酸前后白度及色差的影响

表4 真空抽放18次且纸张热老化72 h后的pH值

表5 真空抽放18次且纸张热老化72 h后纸张色差和抗张强度

图4 脱酸处理前后及热老化纸张的SEM图

表6 不同干燥温度和不同干燥时间对整本图书的影响

2.2 整本图书脱酸处理后的干燥方法

图书作为特殊对象，在处理过程中必须把安全性放在首位，确保干燥过程不能对图书产生不利影响，既要防止纸张的皱缩和变形，也要防止对纸张纤维的影响，杜绝出现由于高温使图书产生焦糊等现象。这里仅探讨在800 W下，脱酸前后不同干燥温度和干燥时间对整本图书的影响 (见表6)。由表6可知，脱酸后干燥温度越高，干燥时间越短，干燥后色差(即ΔE*值)越小，但是抗张强度呈现先升高然后下降的趋势，这可能是因为60℃以前，随着温度的升高，纸张纤维中的游离水受热蒸发，所以纸张抗张强度得到提高，但温度太高也会导致结合水受热脱去，使得纸张抗张强度下降。考虑到纸张抗张强度的重要性，在800 W微波功率下，60℃的干燥条件较理想。

3 结论

为尽量减小脱酸过程中可能对整本图书产生不利影响，采用专用夹具，在真空度为－0.1 MPa的条件下整本图书在脱酸液中浸泡60 min，并选择800 W和60℃的真空微波干燥条件。脱酸处理后图书的pH值基本满足了脱酸要求，并通过热老化进一步证明脱酸处理后的图书有一定的碱残留，且纸张抗张强度有所提高，可以达到延长图书寿命的目的。

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