酸化紙質文物水溶液真空脫酸和冷凍干燥試驗研究

2014-03-11 詹艷平南京師范大學

　　以酸化紙質文物為對象，研制了一種集真空脫酸、低溫預凍和真空干燥于一體的試驗裝置，并應用該裝置對紙質文物進行真空脫酸和對脫酸后紙質文物進行真空冷凍干燥試驗。研究了真空脫酸、低溫預凍和真空干燥各試驗工藝和數據，并對試驗前后相關數據進行了對比分析。試驗結果表明：真空脫酸試驗后紙質文物的酸性被完全去除，脫酸速率較傳統方法有很大提高;真空冷凍干燥后的紙質文物未出現皺縮、粘連、變形等現象，且油墨字跡均保持完好。研究結果證明了此方法符合當前紙質文物規模化脫酸及其干燥的要求。

　　紙質文物作為重要信息載體，是一個國家和地區歷史的見證，具有不可復制的重要歷史文化價值。然而，這些珍貴的紙質文物如今正在被酸化、氧化、生物腐蝕和光引發降解嚴重損害。近現代研究結果表明酸對紙質文物的破壞起主導作用，正是由于酸的作用，有相當數量的紙質文物已經完全失去機械強度，瀕于毀滅。中國具有世界上數量最龐大的珍貴紙質文物，對其進行規模化的脫酸及干燥是當前圖書檔案界面臨的亟待解決的問題。

　　近年來，文物保護工作者也對紙質文物的脫酸及其干燥進行了大量研究。美國研究員Barrow的研究指出紙質文物中含有硫酸鋁，在長時間的水解后呈酸性，由于酸的催化作用造成了紙張老化。李景仁等對紙質文物紙張耐久性的影響進行了老化試驗研究。研究結果表明紙張的各項性能隨著酸度的增加而迅速降低，且pH 低于6.0時，75 年后耐久性就會降低50%;pH 低于5.0時，75 年后近乎完全脆化變質。鄭冬青等采用了真空微波干燥技術對整本圖書水溶液脫酸進行了試驗研究，并對脫酸前后紙張的pH 值等理化性能進行對比, 用CCD、SEM、IR 等分析了紙張纖維的變化，研究結果發現脫酸后的圖書pH值明顯上升, 柔軟度增加, 耐老化性能也得到較大提升, 但抗張強度、耐折度及分子結構等無明顯變化。王鶴云等把三聚氰胺用于紙質文物保護處理，通過加速熱老化對TEPSMA 處理前后紙張的pH 值、抗張強度、堿殘留及紙張纖維斷裂率進行測定，結果表明，經過TEPSMA 處理后，紙張pH 值得到明顯的提高，抗張強度亦從915 N/m上升到1300 N/m，且處理前后紙張顏色變化輕微(ΔE*=1.72); 熱老化實驗表明，紙張經TEPSMA 處理后，能夠顯著降低紙張老化速率。這些研究都對紙質文物保護起推動作用，并為紙質文物脫酸及其干燥提供了重要的實驗參數。但這些研究中紙質文物的脫酸時間較長，干燥后的紙質文物容易出現皺縮、變形、粘連等現象。

　　為了提高紙質文物的脫酸效率并改善脫酸后紙質文物的干燥效果，本文將以真空脫酸的方式對紙質文物進行高效脫酸，并采用真空冷凍干燥技術對脫酸后的紙質文物進行凍干，為批量紙質文物脫酸干燥提供經驗。

1、試驗裝置、材料及方法

　　1.1、真空脫酸及冷凍干燥一體機的研制

　　試驗由三個部分組成，分別為真空脫酸、低溫預凍和真空冷凍干燥。真空冷凍干燥技術已在食品、醫藥、生物、材料等方面應用廣泛，但由于紙質文獻干燥方面的相關技術資料非常稀缺，溶液的結晶特點、物料傳熱傳質路徑、過程參數等差別很大，很難直接應用市售的冷凍干燥設備進行紙質文物規模化脫酸的冷凍干燥工藝研究。針對此種情況本試驗在文化部2011 年度文化科技提升計劃項目的資助下，自行研制了紙質文物脫酸用真空冷凍干燥試驗機，該裝置是真空脫酸，低溫預凍和真空冷凍干燥一體機，圖1 給出了冷凍干燥裝置的簡圖。該裝置由制冷系統、真空系統、加熱系統、稱重系統、控制及測溫系統等組成。干燥室容積為60 cm×60 cm×60 cm，干燥箱箱頂部裝有一個PH 型在線稱重儀，支架上安裝三個電加熱板，每個加熱板的有效加熱面積均為0.5 m2，加熱板內設有溫度傳感器并由溫度控制器控制，真空泵采用GLD-N136 旋片直聯式真空泵，干燥室壓力由真空泵、自動摻氣閥、真空壓力表等裝置自動控制，真空箱能達到的極限壓力為8 Pa。冷凍室容積為60 cm×60 cm×30 cm，采用法國泰康AEZ4425Z 制冷壓縮機，制冷劑為R404A，其極限制冷溫度為-60℃。紙質文獻的溫度由插入到接近樣品中心的微型熱電偶測量，加熱板的溫度由貼在其上的熱電偶測量。溫度和壓力傳感信號進入安捷倫數據采集儀34970A，并由計算機上的采集軟件加以顯示、記錄和保存。

真空冷凍干燥設備示意圖