我国档案馆、图书馆、博物馆和民间藏有大量的纸质文献,由于自然或人为等各种原因,这些纸质文献存在不同程度的病害,纸张酸化是其中较为常见的病害之一,特别是晚清以后至新中国初期纸张的酸化问题尤其严重。
伴随着纸张酸化问题的产生,纸张脱酸保护技术也应运而生。这些脱酸技术从原理上来说,都是通过引入碱性物质中和纸张中的酸性物质,并保持碱性成分略微过量,从而可以长久防止出现“二次酸化”的现象。目前主流的脱酸方法主要有气相法和液相法两种,液相法又分为水溶液法和有机溶液法。
气相脱酸法指的是将碱性气体或者易气化的碱性物质在一定的环境条件下,与纸张充分接触,渗入纸张纤维内部,与其中的酸性物质反应,从而达到脱酸的目的。气相脱酸法的优势在于可以在不拆分已装订纸张文献的前提下实现批量处理的效果,但是其对设备要求较高,且有一定的安全隐患,目前已很少使用。
液相脱酸法与气相法相比,操作更为简单,是目前主要的脱酸方法。其中,水溶液法就是将碱性物质溶解在水中,然后将纸张浸泡于脱酸液,利用酸碱中和反应达到脱酸的目的。水溶液脱酸法在脱酸的同时还可以实现去污的功能,而且操作简单,实用性强;但该方法容易造成字迹、颜料的晕染褪色以及纸张的褶皱变形。由于水溶液法的缺点,人们开发出了有机溶液脱酸法,利用溶解了碱性物质的有机溶液进行脱酸。有机溶液脱酸法操作简便,不会对字迹和纸张造成任何损伤,但用于一些浸润性差的纸张效果不是很好。
实践证明,没有哪种脱酸方法是万能的,每种脱酸方法都有自身的缺点和适用范围。随着科技的进步和实践的探索,人们对纸张酸化机理和脱酸过程的了解也在加深,不断有新的纸张脱酸技术涌现出来。等离子体纸张脱酸技术是比较有代表性的一种。
等离子体是由大量的电子、分子、离子和自由基等粒子构成的气态物质。根据等离子体中各种粒子温度是否相同,等离子体可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体。一般情况下,在实际使用中的等离子体是非平衡等离子体,其内部电子温度可达104K以上,但离子、原子等重粒子温度却仍然保持室温,故其在宏观上仍表现为常温状态。非热平衡等离子体由于内部粒子能级水平高,更容易和其他物质产生相互作用。
纸张脱酸的基本原理均为碱性物质和纸张中的酸性物质发生中和反应。不管是液相脱酸法或是气相脱酸法,其目的都是克服纸张纤维的表面张力作用,改善物质输运条件,使碱性成分可以和纸张纤维充分、均匀接触进而与纤维内部的酸性物质发生反应。纸张的主要成分纤维素分子中每个葡萄糖基上有3个裸露的羟基,羟基本身是亲水性的高表面能基团,但是在长期的存放过程中,其表面会吸附大量杂质,使得羟基被覆盖,纤维的表面能降低,宏观上表现为浸润性差,这也是影响脱酸效果的动力学因素。
在等离子体脱酸过程中,利用常温常压等离子体的聚合、交联、氧化和微刻蚀作用,可以将羟基与其他杂质基团之间的连接打断,将葡萄糖基上的羟基暴露出来。同时,利用等离子体的氧化作用可以在纤维表面产生更多的游离羟基,羟基数量的增多可以进一步改善纤维的表面润湿性,增加碱性脱酸成分与纸张纤维之间的接触,从而保证分布在纸张纤维中的酸性物质可以被完全彻底地中和。此外,相互缠结的纸张纤维表面的羟基之间会形成氢键,氢键之间的相互作用可以显著提高纤维之间的粘接程度,宏观上则表现为纸张抗张强度的提高。
对于大气压非平衡等离子体来说,其能量范围一般在1~10eV,其对材料的作用深度为100nm之内,所以采用常温常压等离子体对纸张进行脱酸处理,在达到脱酸效果的同时,并不会改变纸张纤维的本体的结构。
结果显示,经过等离子体脱酸的纸张pH值可由4.1~6.8提高到7.4~8.9,纸张的耐折度和抗张强度具有一定程度的提高。经过人工加速老化实验,纸张pH没有出现下降,并且耐折度和抗张强度的保留率大于90%。
纸张酸化是一个世界性的难题,由于纸张原料、制造工艺、保存环境的差异造成了酸化原因、程度和表现各不相同,加剧了纸张脱酸的困难。本文介绍的新型等离子体纸张脱酸技术,具有脱酸彻底、安全环保等优势,或可成为将来纸张脱酸的主流方法之一。