云杉硫酸盐浆生产耐久性纸可行性分析

云杉硫酸盐浆生产耐久性纸可行性分析

该研究采用云杉漂白硫酸盐浆制备手抄片，使用乙二胺四乙酸（EDTA）作为螯合剂，用量分别为0%、0.25%、0.50%和0.75%；手抄片使用波长为330～440 nm的UV光照射，照射时间分别为0、10、20、30、40和50 h；最后，根据ISO标准测定手抄片强度性能。研究结果表明：与对照样品相比，添加适量EDTA螯合剂后，手抄片的强度指标提高；延长老化时间使裂断长、撕裂强度、耐折度、耐破度和抗张强度降低；不使用EDTA处理的情况下，延长老化时间使得撕裂指数、抗张强度、撕裂度、耐破度和耐折度分别降低41.9%、3.1%、28.2%、29.7%和8.6%。

图书馆和档案馆储藏的历史纸质文件和手工艺品，其物理化学、化学和光学性能的恶化是造成这些文化遗产巨大损失的罪魁祸首。提高纸张耐久性、防止其质量恶化和保持其化学结构完整是图书馆馆藏管理者最为关心的问题。

耐久纸是一种在使用过程中保持其原有质量的纸，纯纤维素纤维本身就具有耐久性。在受控的酸性条件下，纯纤维素可以很容易地水解成葡萄糖。如果纸张中不含酸，加工纸将表现出较大的耐久性。图书管理员最近发现50多年前生产的存档纸质文件发生严重损坏和破损，它们的强度和耐久性几乎完全消失。因高分子纤维素本身具有耐久性，故认为造成上述现象的主要原因是生产过程、添加剂和纸的保存条件。

许多研究人员开展了提高纸的耐久性和稳定性方面的研究，并有以下几方面的发现。

（1）酸水解长期以来都被认为是导致纸张损坏的一个可能原因；纸张必须用碳酸钙和碳酸氢镁的碱性溶液处理，以避免酸对纸张造成的不利影响。针对3种化学浆，评估了氢氧化钙和碳酸氢镁溶液，以及碳酸甲醇镁非水溶液对纸张耐磨损性能的影响。使用铜乙二胺测定黏度，确定加速老化后样品的毁损情况。结果表明，对于所测试的样品，使用氢氧化钙处理后的纤维素的损坏速度比使用含镁碱液浸泡后的纸浆的慢。

（2）研究发现：温度仅变化20℃即会使纸张损坏速度变化7.5%；并且，在加速老化过程中，纸张的水分含量必须保持恒定；否则，结果值将不再有效。

（3）研究发现：波长范围为330～440 nm的光会损坏纸张；由于环境中热和光的作用，纸张同时发生变黄现象；当纸张完全暴露于光和热中时，会变黄；但是只要存放在较低温度下，纸张的白度保持不变，最终结果主要取决于热或光；此外，在无氧环境中，即使暴露于可见光和UV光下，纸张也不会变黄或变脆。可以预计，即使不暴露于热条件中，在正常条件下纸张也会变黄；因此，特殊文件需要存放在中性环境中。

同时，许多研究人员还研究了加速老化对纸张光学性能的影响；然而，尚未开展有关使用云杉硫酸盐浆生产耐久纸可行性的研究工作。因此，本研究旨在探索使用云杉硫酸盐浆生产耐久纸的可行性。

1　材料与方法

1.1材料

云杉漂白硫酸盐浆，其性能参数如表1所示。

表1　云杉硫酸盐浆的性能

使用乙二胺四乙酸（EDTA）旨在帮助去除金属离子，对纤维素的氧化有利，使用量分别为干纤维质量的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

手抄片抄制准备工作完成后，使用PFI磨按照ISO标准5269-2（2011）打浆，打浆速度约18 000 r/min，使游离度（CSF，下同）达到（300±25）mL。按照标准ISO 5267-2（2002）测定游离度；最后，使用每份纸浆样品按照SCAN标准的M5：67规范抄制定量为70g/m2的手抄片。

1.3性能测定

手抄片抄制完成后，对手抄片样品进行光老化测试。为了本研究之目的，使用输出波长为330～440 nm的加速光老化装置。光老化试验按照标准ISO 5630-3（1996）进行。老化时间间隔分别为0、10、20、30、40和50 h。老化结束时，按照与ISO标准等效的下列伊朗国家标准测定前述手抄片的强度性能3次：耐破指数，ISO 2758（2014）；撕裂指数，ISO 1974（2012）；耐折度，ISO 5626（1993）；抗张指数，ISO 1924-3（2005）；裂断长，ISO 1924-3（2005）。

1.4数据分析

应注意到，所有助剂均加入打浆后的纸浆中。数据分析按照完全随机设计进行，采用Duncan试验在95%显著水平（significance level）下进行比较和分组。使用SPSS统计软件（IBM软件，纽约阿蒙克；版本11.5）进行统计计算。

2　结果与讨论

表2列出了EDTA和时间结果的方差分析。

表2　EDTA和时间结果的方差分析

图1～5给出了EDTA和老化时间对耐久性手抄片纸强度性能的影响。

图1　老化时间和EDTA用量对裂断长的影响

图3　老化时间和EDTA用量对耐折度的影响

图4　老化时间和EDTA用量对耐破指数的影响

图5　老化时间和EDTA用量对抗张指数的影响

从图1～5可以清楚地看出，与其他试验样品相比，各EDTA用量下对照样品的负面影响均更为严重。

2.1EDTA对手抄片纸强度性能的影响

EDTA对抗张强度和耐折次数的影响在95%水平下较为显著；而对裂断长、撕裂指数和耐破指数的影响在95%水平下并不显著（见表2）。图1～5表明，增加EDTA螯合剂的用量使得手抄片样品的裂断长、撕裂指数、耐折度、耐破指数和抗张指数增大；因此，EDTA在提高裂断长、撕裂指数、耐折度、耐破指数和抗张指数方面的积极作用非常明显。

2.2老化时间对手抄片纸强度指数的影响

时间对撕裂长度、耐折次数、撕裂指数和耐破指数的影响在95%水平下较为显著（见表2）。延长老化时间严重影响纸张的性能，并导致撕裂长度、撕裂指数、耐折度、耐破指数和抗张指数降低。

2.3EDTA和老化时间的协同作用对手抄片强度

指数的影响

EDTA和老化时间的协同作用对手抄片撕裂长度、耐折次数、撕裂指数、耐破指数和抗张指数的影响在95%水平下不显著（见表2）。对于所研究的所有性能，几乎观察不到延长老化时间和增大EDTA用量产生的负面影响。

耐久纸是一种在使用时和存放或存档很长一段时间后仍保持其初始性能的纸。已确定酸水解、氧化和光化学过程是造成纸张损坏的主要原因。预计增加纤维长度和降低纸张中金属离子（比如Cu2+、Fe2+、Fe3+和Mn2+）和芳香族化合物的含量可以提高纸张的耐久性。

确定加速老化对纸张的影响所采用的方法包括测定纸张的强度性能，比如耐折度、抗张指数、撕裂指数和耐破指数。在这些性能中，耐折度是最能够表明老化的强度指标，并且精确度和灵敏度最高。

在多种试验条件下研究了纸张样品在干热和湿热加速老化条件下的机械性能；确定了耐折度是监测纸张结构发生变化的高灵敏性方法。

鉴于不同纸张的强度或定量不同，许多研究人员强调，纸张折叠过程中引入的张力必须与抗张指数一致。另一方面，另外一些学者建议，耐折试验应采用所需要的载荷以恒定的折叠次数进行，以确定所需的因素。最后，为解释由加速老化得到的结果，需认识到加速老化和自然老化之间的关系。

3　结论

（1）延长加速老化时间对手抄片强度性能造成不利影响，裂断长、抗张指数、撕裂指数、耐破指数和耐折度均降低。

（2）在不使用EDTA处理的情况下，延长老化时间使得手抄片撕裂指数、抗张指数、撕裂指数、耐破指数和耐折度分别降低 41.9%、3.1%、28.2%、29.7%和8.6%；而在样品使用量为0.75%的EDTA处理的情况下，延长老化时间使得手抄片撕裂指数、抗张指数、撕裂指数、耐破指数和耐折度仅分别降低6.8%、0.6%、5.0%、4.5%和2.9%。

（3）增大EDTA螯合剂的用量对手抄片纸张的强度性能有利。

（4）老化时间为50 h的情况下，EDTA用量自0.75%增大后使得手抄片撕裂指数、抗张指数、撕裂指数、耐破指数和耐折度分别增大 33.4%、2.6%、22.5%、24.8%和7.7%。

（5）加速老化时间和EDTA这2个变量未引起手抄片显著影响。此外，这2个变量造成手抄片的较小影响表现出减小的趋势。

（马倩倩编译）