几种脱酸润湿剂对纸张性能影响的研究

张玉芝　张金萍　云　悦　张　诺

(近现代纸质文献脱酸保护技术文化部重点实验室,纸质文物保护国家文物局重点科研基地,南京博物院,江苏南京,210016)



·脱酸润湿剂·

几种脱酸润湿剂对纸张性能影响的研究

张玉芝张金萍*云悦张诺

(近现代纸质文献脱酸保护技术文化部重点实验室,纸质文物保护国家文物局重点科研基地,南京博物院,江苏南京,210016)

纸张酸性是影响纸质文献保存寿命的重要因素,因此应对酸化严重的纸张进行脱酸处理。但部分近现代书籍中常添加为提高纸张表面强度、抗水性、平滑度、印刷适性等的施胶剂或其他疏水性填料,使得脱酸所需的浸润时间变长。为改善纸张的渗透性,需在脱酸液中引入润湿剂,因此探索脱酸过程中所加润湿剂对纸张性能的影响显得尤为必要。本实验筛选了4种润湿剂(吐温80、0P-10、OT-75和十二烷基硫酸钠(SDS))作为候选材料,针对纸张安全性参数和润湿性参数开展实验。结果表明,润湿剂OT-75既能达到理想的润湿效果,又可保护文物。

润湿剂；纸张安全性；脱酸

我国近现代文献数量庞大,分布范围广,全国大部分图书馆、博物馆、档案馆等机构都有收藏,其收藏总量是历代之最。而纸张酸性是影响纸质文献保存寿命的重要因素[1],因此针对酸化严重的纸张,很有必要对其进行脱酸处理[2]。

据文献报道[3],很多近现代书籍所用纸张在制造过程中,为改善纸张表面性能,如表面强度、抗水性、平滑度、印刷适性等,会添加施胶剂(使纸和纸板具有斥水性的化学添加剂)或类似斥水性添加剂；但同时,此类添加剂的加入使得纸张浸泡时间变长,从而影响纸张脱酸效率。为解决这一问题,探索了润湿剂在脱酸液中的作用,因此研究脱酸过程中所加润湿剂对纸张性能的影响显得尤为必要。

润湿是一种流体取代界面上另一种流体的界面现象,通常是指液体从固体表面取代气体的过程；润湿剂是一类使固体物料更易被水浸湿的物质。通过降低其表面张力或界面张力,使水能在固体物料表面上展开,或透入其表面,而把固体物料润湿，常用接触角的大小来表示物料的润湿性。本实验选用4种脱酸润湿剂，研究润湿剂对纸张性能的影响。

1　实　验

1.1脱酸润湿剂

吐温80(或聚山梨酯80,CP级,经其处理后的纸张简称为TW组,国药集团化学试剂有限公司),为非离子型表面活性剂,广泛用作乳化剂和增溶剂,是无毒、无刺激性的材料；OP-10(烷基酚聚氧乙烯醚,经其处理后的纸张简称为OP组,上海凌峰化学试剂有限公司),具有匀染、乳化、润湿、扩散、抗静电性等优点；OT-75(磺基琥珀酸钠盐表面活性剂,经其处理后的纸张简称OT组,美国亨斯迈 HUNTSMAN试剂有限公司),特别适合于水性体系,与不同的聚合物有很好的相容性;SDS(十二烷基硫酸钠,经其处理后的纸张简称SDS组,阿拉丁试剂有限公司)为白色或淡黄色粉状,溶于水,对碱和硬水不敏感，具有去污、乳化等作用,是一种无毒的阴离子表面活性剂。将这4种润湿剂采用超纯水配制溶液浓度分别为1%。

1.2主要仪器

TMI卧式拉力机,CLEAN PH30便携式pH测定仪,HPG-2132便携式色差仪,L&W纸张水分测定仪,Tinius & Olsen撕裂度仪,MIT耐折度仪,DAT动态接触角测定仪,Elix3纯水仪。

1.3润湿及干燥方法

按照脱酸流程,将纸张浸入盛有1 L不同润湿剂的容器中,浸泡15 min后,用干净毛巾吸干表面水分,用南京博物院研制的微波干燥机干燥30 min。最后将纸样存放于恒温恒湿实验室(温度(23±1)℃,相对湿度(50±2)%)72 h后,待纸张性能稳定后进行测试。

1.4纸样参数测定

1.4.1纸张物理性能测定

1.4.2接触角的测定

将1液体滴到一平滑均匀的固体表面上,液体若不铺展,则将形成一个平衡液滴,其形状由固、液、气三相交界处任意两相间的夹角所决定,通常规定在三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面的夹角为平衡接触角[4],以θ表示,见图1。图1中,γ为不同界面的表面张力,θ则该液体的接触角,可作为润湿性能的度量标准。

图1　接触角

DAT动态接触角测试仪测试中可以得到一幅幅图像,这些图像可以静止的形式或者以动画形式回放,时间可以控制在1 ms的精度。

测定过程中,用切纸刀裁取宽度15 mm纸样。使用双面胶带把样品粘在输送块上,把输送块插在入口板上,选择模式2自动加入液滴和自动输送；每次处理后纸样取样点3～4个,记录并保存数据。

通过软件设置液滴注入量为4 μL/次,软件自动拍取照片(如图2所示),并计算液滴与纸张的接触角数值。

图2　接触角测定软件界面

1.5空白纸样参数

采用1950年前后的书进行实验,纸张定量为52.3 g/m2。纸张参数为：pH值 5.11,白度Lab值分别为86.6、-0.1、14.8,厚度0.074 mm,水分7.37%,撕裂度219 mN,抗张强度0.877 kN/m,耐折度20次(4.9 N的拉力条件下)。

接触角测定过程中,至少裁取纸样3条,每条测3组数据,最终测定结果为有效数据的平均值,空白纸样(以KB组表示)在0.05 s、0.5 s和1 s的动态接触角分别为111.22°、109.15°和110.56°。

2　结果与讨论

2.1不同润湿剂处理后纸张厚度

分别取10张处理前后的纸张,测定总厚度,以其平均值进行厚度统计。图3为不同润湿剂处理后纸张厚度。由图3可知,与未处理纸张(KB组)相比,经4种脱酸润湿剂(TW组、OP组、OT组、SDS组)浸泡、干燥处理后,纸张的厚度变化介于0.002～0.005 mm之间,因此经4种脱酸润湿剂处理后纸张厚度变化非常小。

图3　不同润湿剂处理后纸张厚度

2.2不同润湿剂处理后纸张水分、pH值

图4为不同润湿剂处理后的纸张水分和pH值。由图4可见,纸样经不同脱酸润湿剂处理后,水分变化基本处于6.7%～7.4%之间,处理前后测定的纸张性质基本稳定、可信度高；且经4种润湿剂处理后,纸张pH值略有增加(增幅在0.3～0.6左右),这种增长对纸张脱酸有利。

图4　不同润湿剂处理后的纸张水分和pH值

2.3不同润湿剂处理后的纸张色差

图5　不同润湿剂处理后的纸张色差

2.4不同润湿剂处理后纸张强度

用相同浓度、相同用量(1 L)的润湿剂处理纸张,并采用恒温恒室的设备测定纸张物理性能,计算其平均值,结果见表1。

表1　不同处理方法的纸张性能测定结果

2.5不同润湿剂处理前后的纸张润湿性

用动态接触角测定仪测定空白纸样及各润湿剂处理后纸样的接触角,其结果如图6所示。由图6可知，OT组和SDS组接触角减小明显,只能测定0.05 s、0.1 s、0.2 s的接触角,KB组、TW组、OP组测定了0.05 s、0.5 s、1 s的接触角。

图6　不同润湿剂处理后纸张的接触角

最终测试结果显示，润湿剂OT-75、SDS处理后的纸张接触角下降明显,其中OT组纸张的润湿性最好；TW组和OP组纸张接触角下降不明显,对纸张的润湿性改善作用有限,不建议作为脱酸过程中的润湿剂使用。

3　结　论

本实验以纸张厚度、pH值、白度、强度(撕裂度、抗张强度、耐折度)作为安全性指标,接触角作为润湿性指标,在对酸化纸张进行脱酸时,研究了5种脱酸润湿剂对纸张安全性及润湿性的影响。不同润湿剂处理纸张后，纸张厚度、水分变化不大，纸张pH值略有增加，且纸张颜色基本不受影响。但润湿剂OT-75(磺基琥珀酸钠盐表面活性剂)处理纸张后，纸张安全性好、润湿性佳。对渗透性差的酸化纸张,推荐采用润湿剂OT-75加入脱酸液中。

[1]ZHENG Dong-qing, ZHANG Jin-ping, CHEN Xiao-li, et al. Deacidification of a Whole Book without Debinding by Immersion[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(10): 34.

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[2]TAN Wei, CHENG Li-fen, FANG Yan-xiong, et al. Deacidification of Aged Paper by Using Natural Acid Stripping Agents[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(4): 74.

谭伟, 程丽芬, 方岩雄, 等. 天然脱酸剂对纸张脱酸效果的研究[J]. 中国造纸, 2013, 32(4): 74.

[3]LI Jian-wen, ZHAN Huai-yu, LIU Wei-hua. Application and Development of Surface Sizing Agent in Papermaking Industry[J]. Papermaking Chemistry, 2007, 26(2): 59.

李建文, 詹怀宇, 刘伟华. 表面施胶剂在造纸工业中的应用进展[J]. 造纸化学品, 2007, 26(2): 59.

[4]ZHAO Zhen-guo. Contact Angle and Its Application in Surface Chemistry Research [J]. Chemical Research and Application, 2000, 12(4): 370.

赵振国. 接触角及其在表面化学研究中的应用[J]. 化学研究与应用, 2000, 12(4): 370.

[5]TANG Shun-qing. Colorimetry[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1990.

(责任编辑：董凤霞)

Effects of Wetting Agents on Deacidified Paper Properties

ZHANG Yu-zhiZHANG Jin-ping*YUN YueZHANG Nuo

(KeyLabofPaperLiteraturesDeacidificationConservationinNeotericandModernChina,KeyLabofPaperLiteraturesConservationinNeotericandModernChina,NanjingMuseum,Nanjing,JiangsuProvince, 210016)

Acidity of paper is a very important factor affecting the presercation life of the paper based cultured relics, so deacidification is necessary for the books printed with acid papers. Usually size agents or fillers are used in papermaking to enhance its strengths, water-proof ability, smoothness and printability, and they will prolong deacidifying solution permeating into papers. Wetting agents can improve decidifying solution penetration into this paper. In this thesis, the effects of wetting agents Tween 80, OP-10, OT-75 and SDS on the paper properties and contact angles were investigated. The results indicated that wetting agent OT-75 had satisfactory wetting efficiency and also eusured the safety of paper based cultural relic.

wetting agents; paper safety; deacidification

张玉芝女士，助理馆员；主要研究方向：文物保护科学技术。

2016- 02-15(修改稿)

国家科技支撑计划课题(2014BAK09B05)“近现代文献脱酸关键技术研究及集成应用示范”；国家文化科技提升计划项目“智能化脱酸技术在整本图书保护中的应用研究”。

张金萍女士，E-mail:332179241@qq.com。

TS761

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.007

(*E-mail: 332179241@qq.com)