微波真空技术在整本图书脱酸中的应用研究

生活中我们都有这样的经验，图书或报纸放置时间久了，纸张会变黄发脆，严重的会发生断裂或粉化。为什么会出现这些现象呢？这就是纸张酸化引起的后果。纸张的酸化问题自19世纪末期在西方国家开始引起重视，1935年美国科学家巴罗首先用书籍、手稿进行了试验,证明酸是引起纸张破损的主要原因。由于机械造纸中含有硫酸铝，水解后呈酸性，这就是图书走向“自毁碎劣”的根本原因。除了这个内因外，用酸性的或含氧化物的油墨、墨水、颜料印刷和书写也是纸张酸性增加原因之一。纸张在保存过程中，由于空气中酸性有害气体的侵蚀，并在微量金属离子催化，与水反应生成硫酸、亚硫酸、碳酸等又会促使纸张酸化。国内外目前常见的脱酸方法有水溶液法、有机溶液法和气相法。这些脱酸方法各有优缺点，很多都有较为广泛的应用。但目前针对整本图书的脱酸方法不多，进行脱酸处理，通常都先要将书拆开成单页进行处理，处理完成后再重新装订，否则图书会出现皱褶、变形等现象，因此处理周期长，费时费力。

一、微波真空技术在整本图书水溶液法脱酸工艺中的应用

我国近现代图书文献的存量非常巨大，考虑到经济性，如果水溶液法能够解决整本图书的脱酸问题，且处理后的图书文献不皱缩、变形，并可进行规模化处理，则水溶液法将会具有非常广泛的应用前景。南京博物院与南京工业大学和南京澳润微波科技有限公司合作成立课题组对此开展攻关研究，经过几年努力，在江苏省科技厅和文化部文化科技司的大力支持下，目前已取得阶段性成果。

1.脱酸液的浸泡工艺研究。整本图书脱酸技术难点之一是如何解决脱酸液在整本图书中的渗透性及在纸张中均匀分布的问题，这直接关系到脱酸效果的好坏。如果浸泡时间过长会对纸张强度、成分、书写材料、稳定性等带来不利影响。在保证脱酸效果的前提下，如何提高脱酸液在整本图书中的渗透性，缩短浸泡时间是需要重点解决的问题。课题组选用了由HMT、C4H6O4Zn和Mg(HCO3)2饱和溶液复配而成的脱酸液进行实验，采用真空浸渍技术来提高其在整本图书中的渗透速度。具体做法是将要脱酸处理的整本图书放在盛有脱酸液的浸渍容器中，再对容器进行抽真空再放气，由于内外压力差的变化，将脱酸液“压”进图书内部以达到浸润的目的。

2.微波真空干燥工艺的研究。水浸纸张干燥后易皱缩、变形，这一直是制约水溶液脱酸法在整本图书脱酸中应用的主要因素。（1）微波真空干燥方法的可行性。图书在浸泡和干燥过程中，纸张由于氢键重组而会出现皱缩、变形等问题，因此需要有专门的夹具来进行辅助处理，防止图书在浸渍和干燥过程中的损坏。由于图书具有一定的厚度和体积，采用了夹具这种防护措施给干燥增加了难度。而传统的干燥方法热传递方式均是以热传导和热辐射，因此对具有一定厚度或体积物体的干燥效率相当低，需要相当长的时间才能达到干燥目的，因此不适合本研究需要。课题组经过广泛查阅资料文献和大量的实验后研制了一套利用微波、真空的优点，提供一种可对整本图书进行干燥，并能有效防止干燥后皱缩、变形问题，同时采用多种手段，确保整本图书的安全性的微波真空干燥设备，其安全可行性主要表现在以下几方面。一是低温干燥确保图书的安全性。液体的沸点跟外部压强有关，当液体所受的压强增大时，它的沸点升高；压强减小时，沸点降低。真空干燥就是根据这一热物理特性，实现对图书的低温干燥。只要保证一定的真空度，就能在较低温度下实现脱水干燥。由于干燥过程真空度较低，图书一直保持相对较低的温度，不会对纸张的纤维特性产生影响，最大限度地避免干燥过程对图书的破坏和影响。二是无氧状态下确保图书不氧化。由于是在真空环境中对整本图书进行干燥处理，因此在整个干燥过程中图书几乎处于无氧环境中，避免干燥过程中纸张加速氧化。三是专用夹具的应用可防止整本图书在干燥过程中的皱缩、变形。由于采用了专用夹具，对整本的图书具有一定的压力，可有效约束纸张在干燥过程中自由变形，从而从根本上避免纸张发生皱缩和变形的现象。由于是在微波场内使用，我们选择的夹具的材料是微波特性优的PTFE材料，不仅能满足微波无障碍穿透，而且该材料的热稳定性相当好同时具有一定的强度。而且在微波干燥的情况下，夹具对微波能量的传输没有影响，使整本图书的干燥能够顺利进行。四是光纤测温技术确保干燥过程中的安全。光纤测温传感器是一根很细的线状形式，能够预埋在被测物内部，能实时、准确地反映图书在干燥过程中的温度，当图书的温度超过设定温度时微波会自动停止工作，确保图书不因高温而受到破坏。(2)微波真空干燥程度的控制。浸透脱酸液的图书放入微波箱体内进行脱水干燥处理，纸张干燥的程度、脱水速率的大小都是决定干燥效果好坏的指标。纸张的含水率过高，纸张变软、膨胀、抗张强度降低、塑性增强；含水率过低，纸张脆硬、收缩、易破损和断裂。为了能准确掌握干燥工艺参数，课题组做了大量的干燥实验，了解干燥处理量和微波功率的设置大小之间的关系。功率过大，则会导致脱水过快，影响整本图书的干燥质量；过小则会影响干燥效率。经过大量实验，发现图书脱水干燥过程分为三个阶段：I升温阶段、II恒速干燥阶段和III降速阶段。第I阶段处于预热升温阶段，微波提供的能量用来加热图书，故升温速度较快。在随后的第II阶段，传入的热量只用来蒸发图书的水分，图书的含水量随时间成比例减少，干燥速率恒定且较大，此时图书的温度变化很小。在第III降速阶段，随着水分汽化量的减少，传入的微波能量大于蒸发所需的热量，部分微波能量用于加热图书。图书温度开始上升，干燥速率开始降低，含水量越小，速率越慢。此时系统自动进入保护干燥程序，图书温度只在60℃左右变化。脱水干燥过程中每分钟的平均脱水量是重要的技术参数，找到该参数可推算出脱水所需的大概时间。经多次实验可得出每分钟的平均脱水量，继而可预估图书脱水干燥的时间。通过上限温度的设定和脱水时间的计算可安全、准确地掌控脱水干燥的过程。

二、微波真空干燥工艺对脱酸效果的影响

为了研究微波真空干燥工艺对图书脱酸效果的影响，进行了一些对比实验。

1.实验材料和方法。（1）实验材料制备。已明显酸化的图书（50年代末期出版，32开胶版纸印刷）一本，平均分为四份，分别采用空白（A）、减压渗透浸泡脱酸液+微波真空干燥（B）、减压渗透浸泡脱酸液+自然干燥（C）和自然浸泡脱酸液+自然干燥（D）四种工艺处理。为了对比老化后的变化情况，各取出一半样品放入105℃烘箱中热老化72h。（2）实验方法。①pH值。酸碱度对纸张的稳定性和耐久性有很大影响，整本图书脱酸效果最主要的验证指标就是脱酸后的PH值变化。根据GB/T 1545.2-1989的要求，采用水抽提法测其PH值。②抗张指数。抗张指数指纸在一定条件下所能承受的最大张力，它受纤维本身强度和纤维之间结合影响,分别取各试样纸张裁成宽15mm、长大于100mm的纸条，采用DRK101B型电子拉力实验机进行抗拉强度实验。③耐折度。耐折度指纸样在一定张力下，抗往复折叠的能力。耐折度受纤维本身强度和纤维间结合状况的影响。耐折度比其他强度参数更易受老化的影响。分别取各试样纸张裁成宽15mm、长约为100mm左右的纸条，采用DRK111型纸张耐折度测定仪进行耐折度实验。由于样品是年代较长的机械纸，耐折度较低，故本实验张力设为4.9N。④柔软度。纸张的柔软度是指在一定作用力下，把一定宽度和长度的试样压入一定宽的缝隙一定深度时，试样本身弯曲力和试样与仪器缝隙之间摩擦阻力的矢量和。分别取各试样纸张裁成100mm×100mm的试片，采用DRK119型纸张柔软度仪进行测试。⑤撕裂度。纸张的撕裂度是指继续撕开已切口的单张纸所需力的平均值是表征纸张物理强度的重要指标。分别取各试样纸张裁成长63mm、宽50mm的试片，采用DRK108B型纸张撕裂度仪进行测试。

2.结果与讨论。（1）外观。整本图书的脱酸处理中外观是比较重要的衡量指标，不能因脱酸使图书产生皱缩、变形等情况。经比较各样品老化前后的外观，发现采用B工艺脱酸的图书基本无皱缩、变形；采用C工艺脱酸则会在干燥阶段略有皱缩、形变；而采用D工艺脱酸则会产生明显的皱缩、形变。（2）处理时间。采用微波真空干燥技术的B工艺脱酸周期大大缩短，极大地提高了效率。（3）pH值。采用B、C、D三种工艺脱酸的图书其pH值明显上升，达到了脱酸的预期效果。经热老化后PH值仍能保持碱性，脱酸处理时效性较好。（4）抗张强度。脱酸后的样品抗张强度均得到提高，其中样品B上升24%、样品C上升16.7%、样品D上升14.81%。老化后样品B、样品C和样品D的抗张强度与样品A相比分别提高了73.5%、64.7%和50.0%。脱酸后的图书其老化后抗张强度与未脱酸图书相比有较大提高。（5）耐折度。脱酸后的样品耐折度均得到一定程度的提高，其中样品B上升16%、样品C上升10%、样品D上升6%。老化后样品B、样品C和样品D的耐折度与样品A相比分别提高了200%、192.3%和176.9%。脱酸后的图书其老化后耐折度与未脱酸图书相比有显著提高。（6）柔软度。脱酸后图书的柔软度老化前后均优于未脱酸图书，说明图书经脱酸后变得更为柔软。（7）撕裂度。脱酸后的样品撕裂度均得到一定程度的提高，其中样品B上升8.7%、样品C上升5.4%、样品D上升8.2%。老化后样品B、样品C和样品D的撕裂度与样品A相比分别提高了31.9%、27.6%和23.6%。脱酸后的图书其撕裂度与未脱酸图书相比有一定提高，老化后提高的趋势更为明显。

上述研究得出如下结论。（1）采用微波真空技术干燥的图书脱酸后表面无皱缩、变形、粘连等现象，而采用自然干燥的图书会出现皱缩、变形等现象。为保证图书的品相，不可采用自然干燥法。（2）采用微波真空干燥技术可大大缩短水溶液法脱酸处理周期，为规模化处理提供可能。（3）经对比研究，采用微波真空干燥技术不影响脱酸效果，脱酸后的图书pH值能达到理想值且时效性较好、光泽度略有下降、抗张强度、耐折度、柔软度、撕裂度均得到不同程度提高，脱酸效果总体良好。（4）目前的微波真空干燥设备每次仅能处理几本图书，为达到规模化推广应用的目标应对设备及工艺进行进一步改进。