不同紙張干熱老化性能研究

田周玲 閆智培 任珊珊 易曉輝 龍 堃 張 銘

(國家圖書館，古籍保護科技文化部重點實驗室，北京，100034)

·干熱老化·

不同紙張干熱老化性能研究

田周玲 閆智培 任珊珊 易曉輝 龍 堃 張 銘

(國家圖書館，古籍保護科技文化部重點實驗室，北京，100034)

為了研究不同紙張的預期壽命及其耐老化性能的差異性，對竹紙、宣紙、新聞紙、字典紙和構皮紙等5種不同紙張進行了模擬干熱老化實驗。并對老化過程中紙張的白度和機械強度(抗張強度、撕裂度、耐折度)進行了分析檢測，通過檢測紙張的化學性能(黏度、銅價、pH值)分析了紙張老化的內在原因。結果表明，不同紙張其白度和機械強度的大小及老化穩定性不同；初始機械強度對紙張的耐用性影響很大；纖維素的水解/氧化與紙張機械強度下降關系密切；竹紙pH值穩定性較差，長期保存時需防止其酸化加速文獻老化。

干熱老化；老化性能；紙張

紙質文獻的保存和保護是圖書館、檔案館和博物館等紙質文獻收藏單位的一項重要工作[1]。紙張素有紙壽千年之說，但是僅目前來看，國家圖書館現存最早有確切紀年的紙質文獻是公元417年的《律藏初分》，距今已有約1600年的歷史，紙張的壽命已遠超1000年。但是也有很多珍貴文獻隨著保存時間的延長，出現了紙張泛黃、易折斷或裂為碎片等機械強度下降的現象。為了研究不同紙張壽命各異的原因，需要采用模擬老化方法來對紙張的老化特性進行研究。目前常用的聚合物模擬老化方法有：紫外光加速老化[2-5]、熱老化[3,6]、水解老化[3,7]等。目前，紙質文獻收藏單位為了延長文獻壽命對珍貴文獻已經實施了減少光老化和避免水解老化的措施，為了更好地模擬在良好保存狀態下紙張的老化情況，本課題采用干熱老化的方式研究不同紙張的壽命及其在老化過程中光學、機械、化學性能的差異，進行了一系列的紙張老化實驗，并對老化過程中紙張的白度和機械強度(抗張強度、撕裂度、耐折度)進行了檢測和分析。為了進一步探究老化過程中紙張白度和機械性能變化的內在原因，分析了不同老化時間紙張的化學性能(冷抽提pH值(冷水抽提液pH值)、黏度和銅價)。

1 研究方法

1.1 紙樣及處理

實驗采用5種類型的紙張，詳細信息見表1。

根據老化箱的橫截面面積，將紙張裁成約30 cm×25 cm的長方形，裁紙的過程中保持紙張的正反面和縱橫向一致，并進行標記。將上述5種紙樣分別平均分為11份，用長尾夾夾好，并做好標記。

表1 紙樣基本性質

1.2 儀器

儀器設備：老化箱，美國Mast公司；Elrepho分光白度儀，美國Datacolor公司；Elmendorf撕裂度儀，美國TMI公司；臥式拉力機，美國TMI公司；耐折度儀，美國TMI公司；Sartorius AG pH計，美國賽得利斯公司；NDJ旋轉黏度計，上海平軒科學儀器有限公司。

1.3 加速老化方法

從上述5種紙樣中各取10份，按照紙張種類分別放置于105℃老化箱的不同隔板層進行老化實驗。為保證老化效果的均勻性，每周調整2次紙樣的放置位置，調整時，將不同的紙樣和同種紙樣的不同份按照由上往下的順序依次進行調整。在不同的老化時間點將5種紙樣分別取出1份，每次均取最上面的1份。根據GB/T 464—2008 紙和紙板的干熱加速老化的標準，在溫度為(105±2)℃的環境中連續老化。老化時間以72 h為1個單元，紙樣老化時間分別為1、4、10、20、40、60、70、80、90、100個老化單元。同時，保存1份未老化的平行樣，于避光處保存。

1.4 老化時間對紙張性能的影響

分別檢測不同老化時間紙樣的白度、抗張強度、撕裂度、耐折度、冷抽提pH值、黏度和銅價。檢測方法分別依據國標GB/T 7974—2013、GB/T 12914—2008、GB/T 455—2002、GB/T 457—2008、GB/T 1545—2008、GB/T 1548—2004和GB/T 5400—1998。

2 結果與討論

2.1 白度

紙張老化的宏觀表現是顏色變黃(返黃)，隨著老化程度的加深，顏色可能逐漸加深[8]。因此，返黃是一項表征紙張老化程度的直觀指標。紙張返黃的程度可用返黃值(PC值)表示。紙張的PC值可以通過測定紙張的白度來進行計算[9]。

式中，R∞為紙張的白度。

在老化過程中紙張PC值的變化如圖1所示。

圖1 干熱老化時間對紙張PC值的影響

從圖1可以看出，隨著老化時間的延長，5種紙張的PC值都不斷上升。其中，竹紙和新聞紙的PC值較高，經過40個老化單元時，PC值已達27%，經過70個老化單元，PC值分別達39.1%和44.2%。宣紙返黃值呈中等上升幅度，70個老化單元后，PC值上升26.8%。構皮紙和字典紙白度穩定性較好，字典紙經過40個老化單元后，PC值僅為6.99%；構皮紙經過80個老化單元，PC值僅有3.69%的下降率，90個老化單元后才開始明顯返黃(PC值為14.7%)。

紙張的返黃與木素含量和結構、初始白度及制漿漂白方式均有密切關系。紙張返黃的最主要原因是紙張內木素含有的羰基或者羰基及其共軛雙鍵結構的生色基團及助色基團的變化[10]。因此，木素含量高的紙張返黃較嚴重。新聞紙為機械木漿紙，木素的含量高，竹紙由整根竹子制成，相比僅以韌皮纖維為原料的構皮紙和宣紙木素含量高，因此，這兩種紙張老化過程中返黃速度較快[5]。

宣紙和字典紙的初始白度都較高(見表1)，但是字典紙老化后PC值很低，而宣紙較高。這是因為宣紙是由青檀皮纖維和沙田稻草經過傳統的堿法蒸煮和長期的日光漂白制成，日光漂白是利用空氣中的臭氧[11]對木素產生氧化作用——主要是改變紙漿中殘留的木素和色素的結構，使原有生色基團變為無色基團進行氧化降解破壞發色基團，所以宣紙中殘余的木素含量與經過現代化制漿漂白處理的字典紙比仍然較高，同時臭氧漂白會在紙漿中產生引起返黃的羰基[12]。此外，為了實現薄而不透明的目標，字典紙生產過程中要添加白度較高、光散射系數較大的鈦白粉(二氧化鈦)和優質碳酸鈣作為填料，這兩種物質白度高、在老化條件下穩定。所以宣紙返黃值呈中等的上升速度而字典紙白度較穩定。

構皮紙由構樹皮纖維制成，沒有經過漂白，所以初始白度低；但是纖維素含量高，木素含量低，因此老化過程中返黃不明顯。

2.2 機械強度

紙張老化后，不僅會返黃，而且其機械強度也會下降[13]，隨著下降程度的加深可能直接導致紙質文獻碎片化、破損乃至毀滅。因此本實驗選用體現紙張抗拉能力的抗張強度、反映紙張抵抗反復折疊能力的耐折度和代表紙張韌性的撕裂度來表征經過老化后紙張的機械強度變化。

2.2.1 抗張強度

抗張強度是表征紙張物理強度的一個重要指標，也可以作為表征紙張老化程度的一個重要因素。由于實驗所用不同種類紙張的定量差異較大，因此用抗張指數來對比不同紙張抗張性能的差異，見圖2。從圖2可以看出，不同紙張初始抗張指數的大小順序為：竹紙>構皮紙>新聞紙>字典紙>宣紙。

圖2 干熱老化時間對紙張抗張指數的影響

從圖2還可以看出老化過程中紙張的抗張指數變化規律為：在老化的初期階段(4個老化單位以內)，上述5種紙張的抗張指數均略有增加，而后隨老化時間的延長抗張指數均呈下降趨勢；在90個老化單元后，5種紙張的抗張指數均趨于穩定。這可能是因為在老化過程中纖維素不斷降解，纖維素鏈變短。纖維素鏈變短，一方面會引起纖維自身的強度變差，紙張的抗張指數下降；另一方面還可能會因為纖維變短引起纖維之間的交織加強，紙張的抗張指數上升[14]。因此，在老化初期，纖維素降解程度較低時，纖維結合加強引起的抗張指數上升幅度超過纖維斷裂引起的下降幅度，所以表現為紙張的抗張指數上升。之后，纖維素降解程度加大，斷鏈引起的抗張指數下降的作用占據了主導地位，所以表現為紙張的抗張指數下降。

此外，雖然隨老化時間的延長，5種紙張的抗張指數都在下降，但是仍然與初始抗張指數有密切的關系，表現為初始抗張指數較高的紙張，老化后的抗張指數仍然較高。但是不同紙張的抗張指數隨老化時間延長的穩定性也存在少許差異。不同紙張抗張指數的穩定性(以指數數值下降百分比計)順序為：新聞紙>宣紙>竹紙>構皮紙>字典紙。

2.2.2 撕裂度

撕裂度為將預先切口的紙(或紙板)，撕至一定長度所需力的平均值。在國家標準GB/T 24423—2009信息與文獻文獻用紙耐久性要求和GB/T 24422—2009信息與文獻檔案紙耐久性和耐用性要求中，都將撕裂度列為紙張物理強度的表征指標。老化過程中紙張的撕裂指數變化如圖3所示。

圖3 干熱老化時間對紙張撕裂指數的影響

從圖3可以看出，構皮紙的撕裂指數遠高于其他幾種紙，老化后雖大幅下降但仍遠勝其他紙種；字典紙、竹紙和宣紙的初始撕裂指數比較接近，但是字典紙的撕裂指數經過老化后迅速下降，竹紙和宣紙老化后撕裂指數的下降趨勢類似；新聞紙初始撕裂指數較低，但是穩定性較好，老化后撕裂指數與竹紙和宣紙維持在同一水平。

2.2.3 耐折度

耐折度是在標準張力條件下，試樣斷裂時的雙折疊次數的對數(以10為底)。耐折度經常被用于表征紙張的壽命，但是在實際工作中，由于有些紙張，特別是薄的手工紙的耐折次數很低，很難檢測，因此，其應用受到很大制約。本課題中，為能夠盡可能多地檢測出各種紙張之間耐折性能的差別，彈簧的張力采用2.94 N。老化過程中紙張的耐折度變化如圖4所示。

圖4 干熱老化時間對紙張耐折度的影響

從圖4可以看出，不同紙張的耐折度大小順序為：構皮紙>新聞紙≈字典紙>竹紙>宣紙。在初始老化階段(4個老化單元)，構皮紙、竹紙和宣紙的耐折度變化很小，而新聞紙和字典紙的耐折度急速下降；之后，新聞紙的耐折度緩慢下降，其他4種紙的下降速度較快。而竹紙在經過70個老化單元老化之后、宣紙在經過80個老化單元老化之后、字典紙經過80個老化單元老化之后，其耐折度在2.94 N的彈簧張力下也沒有測到數值。由此可見經過上述老化時間老化后對應紙種的耐折性已經非常差。紙張的耐折能力主要受纖維自身強度、柔韌性、纖維長度及纖維結合力的影響，與抗張強度相比，耐折度受纖維長度的影響更大，紙張的柔韌性對耐折度的影響也很大。

綜上所述，構皮紙具有最好的耐撕裂和耐折性能，且具有較好的耐老化性；竹紙的抗張性能很好，耐撕裂和耐折性能中等，耐老化性能較差；宣紙耐撕裂性能中等，抗張和耐折性能差，耐老化性較好；新聞紙的機械強度中等，但是穩定性最高；字典紙機械性能穩定性較差。4個老化單元以內，各種紙張的機械性能均變化不大，之后開始大幅下降，初始機械強度對紙張的耐用性影響很大。

2.3 化學性能

不同紙張之所以具有不同的白度和機械性能穩定性與構成紙張的纖維素狀態密切相關，在紙張的老化過程中，纖維素發生水解會引起纖維素鏈變短，纖維素長鏈的斷裂會引起紙張的機械強度下降。纖維素隨著老化時間的延長，也可能逐步緩慢的氧化而失去原來的白度和韌性[15]。因此，本部分通過檢測紙張的聚合度和銅價分別表征了不同老化時間紙張中纖維素的鏈長和還原性末端基數量，結果見圖5和圖6。

聚合度是指紙張中組成纖維素的葡萄糖基的數量。因此，聚合度可表征紙張纖維長度，是紙張老化程度的重要指標[16]。因新聞紙為機械漿紙，其木素含量過高使得聚合度測試結果無法真實反映纖維素的聚合度，該部分不討論新聞紙的聚合度變化情況。老化過程中其他4種紙張的聚合度變化如圖5所示。

圖5 干熱老化時間對紙張聚合度的影響

從圖5可以看出，4種紙的聚合度大小順序為：構皮紙>竹紙>宣紙>字典紙，構皮紙的原始聚合度在2200左右，在前40個老化單元內，聚合度迅速降低到500，隨后緩慢下降至400左右。竹紙的原始聚合度在1300左右，在前40個老化單元內，聚合度迅速降低到350，隨后緩慢下降到300左右。宣紙和字典紙的聚合度下降比較緩慢，80個老化單元老化后變化更小，最低值在150～200之間，此時紙張已嚴重脆化[17]。這表明在老化過程中構成紙張的纖維素不斷發生水解，鏈長逐漸變短；并且初始纖維素鏈越長的紙種纖維素水解速度越快，40個老化單元后所有紙張的纖維素鏈長均已較短，之后緩慢水解。構皮紙的纖維素聚合度最高，這與其最高的撕裂指數和耐折度一致。

紙漿的銅價是指100 g絕干紙漿纖維，在堿性介質中，于100℃時將硫酸銅還原為氧化亞銅的克數。對于漂白漿和精制漿(宣紙和字典紙)，銅價可以確定水解纖維素或氧化纖維素還原某些金屬離子到低價狀態的能力，所以紙漿銅價可以用來檢查纖維素的降解程度、變質程度以及估算還原基的量。對于機械漿(新聞紙)和未漂漿(竹紙和構皮紙)，雖然其中木素等雜質較多，銅價無法準確反映纖維素的還原能力，但是可以評估紙漿中具有還原性的物質(氧化纖維素、水解纖維素、木素和糖等)的量。同時，紙張耐久性研究尚不夠系統深入，沒有合適的測定方法來檢測機械漿和未漂漿中纖維素在老化過程中被氧化和水解的程度。因此，新聞紙、竹紙和構皮紙也采用銅價來評估老化過程中還原性物質的數量變化來觀察其大致趨勢。老化過程中5種紙張的銅價變化如圖6所示。

圖6 干熱老化時間對紙張銅價的影響

從圖6可以看出，銅價的大小順序為:竹紙>宣紙>新聞紙>字典紙>構皮紙。在老化的過程中，5種紙張的銅價均呈上升趨勢，在0～4個老化單元內，上升較為緩慢，這表明在4個老化單元以內，纖維素的水解和氧化速率較慢，這與該階段內較慢的機械強度下降水平一致；在4～40個老化單元內，銅價迅速升高，這表明在該階段纖維素迅速水解和氧化導致纖維素長鏈斷裂、紙張的機械強度快速下降；然后上升速度變緩，到90個老化單元之后，基本平穩，此時纖維素的水解/氧化程度很高，紙張的白度和機械強度均已處于較低水平。

綜上所述，紙張的種類對其白度和機械性能存在決定性的影響，珍貴紙質文獻優先要采用耐老化的紙張制作；對于同種紙張，纖維素的水解和氧化對于其機械強度的下降起到了至關重要的作用。因此，在紙質文獻的保存保護過程中，如果要延長紙張的壽命，必須減緩纖維素的水解和氧化速率。由于纖維素在中性和弱堿性條件下比較穩定，而在酸性條件下較易被水解，所以紙張酸化是加速纖維素水解、紙張老化的一個重要因素。因此，本部分檢測了不同紙張的pH值隨老化時間的變化，結果見圖7。

圖7 干熱老化時間對紙張冷抽提pH值的影響

從圖7可以看出，5種紙張的初始pH值均高于7，隨著老化時間的延長，所有紙張的pH值均呈下降趨勢，但是下降速率不一：字典紙的冷抽提pH值均在8.0以上，新聞紙的冷抽提pH值一直在7.0以上，這與目前的制漿造紙工藝有關，字典紙和新聞紙均采用堿法制漿，并使用碳酸鈣等物質作為填料[18-19]，使得紙張具有較高的堿保留量，并且字典紙可能還采用了堿性施膠工藝[20]，所以它們都具有較高的pH值，且穩定性較好；宣紙的冷抽提pH值呈緩慢下降趨勢，且最低值約在7.4左右，這主要得益于宣紙的堿法制漿工藝；構皮紙的初始冷抽提pH值在8.2左右，老化過程中，冷抽提pH值下降緩慢，老化后的最低數值基本在7.0左右，說明構皮紙的抗老化性能良好；竹紙冷抽提pH值較低，老化過程中的下降也非常明顯，20個老化單元后，pH值降至6左右，這將會加速紙張的老化，這可能與其較高的木素含量有關。

3 結 論

對竹紙、宣紙、新聞紙、字典紙和構皮紙5種不同紙張進行了模擬干熱老化實驗。

3.1 構皮紙具有最好的耐撕裂和耐折性能，且具有較好的耐老化性；竹紙的抗張性能很好，耐撕裂和耐折性能中等，耐老化性能較差；宣紙耐撕裂性能中等，抗張和耐折性能差，耐老化性較好；新聞紙的機械強度中等，但是穩定性最高；字典紙機械性能穩定性較差。

3.2 4個老化單元以內，各種紙張的機械性能均變化不大，之后開始大幅下降，初始機械強度對紙張的耐用性影響很大。珍貴紙質文獻優先要采用耐老化的紙張制作。

3.3 纖維素的水解/氧化與紙張機械強度下降關系密切。

3.4 竹紙pH值穩定性較差，長期保存時需要防止其酸化加速紙質文獻老化。

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(責任編輯：馬 忻)

Research on the Dry Heat Aging Resistant Properties of Different Papers

TIAN Zhou-ling*YAN Zhi-pei REN Shan-shan YI Xiao-hui LONG Kun ZHANG Ming

(NationalLibraryofChina,KeyLabofAncientBookPreservationandConservation,MinistryofCulture,Beijing， 100034)

(*E-mail: tianzhl@nlc.cn)

In order to study the life-expectancy and difference in aging resistant properties of different papers, dry heat aging experiments of different paper samples (paper made from bamboo, Xuan paper, newsprint, dictionary paper and paper made from mulberry) were conducted. The brightness and mechanical strength (tensile strength, tearing resistance and folding endurance) of different papers during aging process were analyzed. Furthermore, the chemical properties (viscosity, copper number and pH) of paper were tested to search the immanent cause of paper ageing. Results indicated that ageing resistance stabilities of different kinds of paper were different. The aging resistant property of paper greatly depended on initial mechanical strength. The decrease of mechanical strength was closely related to the hydrolysis/oxidation of fiber. The pH value of the paper made from bamboo was not quite stable, it is necessary to prevent it from acidification then accelerating aging in long time storage.

dry heat aging; aging resistant properties; paper

田周玲女士，碩士，副研究館員；主要從事文獻保護研究工作。

2016- 11- 02(修改稿)

國家文化科技提升計劃項目資助，項目編號：2015-實01。

TS761.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.008