酸化纸质文物水溶液真空脱酸和冷冻干燥试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京师范大学 作者:詹艳平

  以酸化纸质文物为对象,研制了一种集真空脱酸、低温预冻和真空干燥于一体的试验装置,并应用该装置对纸质文物进行真空脱酸和对脱酸后纸质文物进行真空冷冻干燥试验。研究了真空脱酸、低温预冻和真空干燥各试验工艺和数据,并对试验前后相关数据进行了对比分析。试验结果表明:真空脱酸试验后纸质文物的酸性被完全去除,脱酸速率较传统方法有很大提高;真空冷冻干燥后的纸质文物未出现皱缩、粘连、变形等现象,且油墨字迹均保持完好。研究结果证明了此方法符合当前纸质文物规模化脱酸及其干燥的要求。

  纸质文物作为重要信息载体,是一个国家和地区历史的见证,具有不可复制的重要历史文化价值。然而,这些珍贵的纸质文物如今正在被酸化、氧化、生物腐蚀和光引发降解严重损害。近现代研究结果表明酸对纸质文物的破坏起主导作用,正是由于酸的作用,有相当数量的纸质文物已经完全失去机械强度,濒于毁灭。中国具有世界上数量最庞大的珍贵纸质文物,对其进行规模化的脱酸及干燥是当前图书档案界面临的亟待解决的问题。

  近年来,文物保护工作者也对纸质文物的脱酸及其干燥进行了大量研究。美国研究员Barrow的研究指出纸质文物中含有硫酸铝,在长时间的水解后呈酸性,由于酸的催化作用造成了纸张老化。李景仁等对纸质文物纸张耐久性的影响进行了老化试验研究。研究结果表明纸张的各项性能随着酸度的增加而迅速降低,且pH 低于6.0时,75 年后耐久性就会降低50%;pH 低于5.0时,75 年后近乎完全脆化变质。郑冬青等采用了真空微波干燥技术对整本图书水溶液脱酸进行了试验研究,并对脱酸前后纸张的pH 值等理化性能进行对比, 用CCD、SEM、IR 等分析了纸张纤维的变化,研究结果发现脱酸后的图书pH值明显上升, 柔软度增加, 耐老化性能也得到较大提升, 但抗张强度、耐折度及分子结构等无明显变化。王鹤云等把三聚氰胺用于纸质文物保护处理,通过加速热老化对TEPSMA 处理前后纸张的pH 值、抗张强度、碱残留及纸张纤维断裂率进行测定,结果表明,经过TEPSMA 处理后,纸张pH 值得到明显的提高,抗张强度亦从915 N/m上升到1300 N/m,且处理前后纸张颜色变化轻微(ΔE*=1.72); 热老化实验表明,纸张经TEPSMA 处理后,能够显著降低纸张老化速率。这些研究都对纸质文物保护起推动作用,并为纸质文物脱酸及其干燥提供了重要的实验参数。但这些研究中纸质文物的脱酸时间较长,干燥后的纸质文物容易出现皱缩、变形、粘连等现象。

  为了提高纸质文物的脱酸效率并改善脱酸后纸质文物的干燥效果,本文将以真空脱酸的方式对纸质文物进行高效脱酸,并采用真空冷冻干燥技术对脱酸后的纸质文物进行冻干,为批量纸质文物脱酸干燥提供经验。

1、试验装置、材料及方法

  1.1、真空脱酸及冷冻干燥一体机的研制

  试验由三个部分组成,分别为真空脱酸、低温预冻和真空冷冻干燥。真空冷冻干燥技术已在食品、医药、生物、材料等方面应用广泛,但由于纸质文献干燥方面的相关技术资料非常稀缺,溶液的结晶特点、物料传热传质路径、过程参数等差别很大,很难直接应用市售的冷冻干燥设备进行纸质文物规模化脱酸的冷冻干燥工艺研究。针对此种情况本试验在文化部2011 年度文化科技提升计划项目的资助下,自行研制了纸质文物脱酸用真空冷冻干燥试验机,该装置是真空脱酸,低温预冻和真空冷冻干燥一体机,图1 给出了冷冻干燥装置的简图。该装置由制冷系统、真空系统、加热系统、称重系统、控制及测温系统等组成。干燥室容积为60 cm×60 cm×60 cm,干燥箱箱顶部装有一个PH 型在线称重仪,支架上安装三个电加热板,每个加热板的有效加热面积均为0.5 m2,加热板内设有温度传感器并由温度控制器控制,真空泵采用GLD-N136 旋片直联式真空泵,干燥室压力由真空泵、自动掺气阀、真空压力表等装置自动控制,真空箱能达到的极限压力为8 Pa。冷冻室容积为60 cm×60 cm×30 cm,采用法国泰康AEZ4425Z 制冷压缩机, 制冷剂为R404A,其极限制冷温度为-60℃。纸质文献的温度由插入到接近样品中心的微型热电偶测量,加热板的温度由贴在其上的热电偶测量。温度和压力传感信号进入安捷伦数据采集仪34970A,并由计算机上的采集软件加以显示、记录和保存。

真空冷冻干燥设备示意图

1.冷阱;2.水汽凝结器;3.隔板;4.计算机;5.绝热板;6.干燥箱;7.压力表;8.PID 控制器;9.自动掺气阀;10.进气阀;11.压缩机;12.真空泵;13.辐射板; 14.加热板;15.纸质文物;16.PH 型在线称重仪

图1 真空冷冻干燥设备示意图

3、结论

  (1) 真空脱酸可有效去除纸质文物的酸性,脱酸速率较传统方法提高很大,且脱酸后纸质文物表面平整,纸张未出现分解融化等现象,是一种安全、高效的脱酸方法。

  (2) 低温预冻将纸质文献中游离态的水冻结成冰,预冻后的纸质文献体积有少量膨胀,但文献表明平整光滑,纸张未出现凹凸不平,符合真空冷冻干燥的要求。

  (3) 真空冷冻干燥法能克服传统方法引起的皱缩、粘连、变形等现象,且不会破坏油墨的性能,基本保持纸质文物的原貌,是一种新颖、可靠的干燥加工方法,符合当前纸质文物规模化脱酸及其干燥的要求。

  4、展望

  真空脱酸和真空冷冻干燥为纸质文物规模化脱酸及其干燥提供了参考依据。但规模化推广应用对该技术的效率和节能又提出了更高的要求。且试验后纸质文物纸张的物理机械强度和化学性质是否得到提高,需进一步进行试验验证。

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