CN104032623B - 甲基硅酸钾水溶液在纸张脱酸和加固中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种甲基硅酸钾水溶液在纸张脱酸和加固中的应用。该应用中，脱酸和加固的方法包括如下步骤：将纸张浸泡于脱酸剂中进行处理，处理完毕后悬挂晾干，完成所述脱酸和加固；所述脱酸剂为甲基硅酸钾的水溶液及其与醇水混合液中的任意一种。本发明将甲基硅酸钾(PMS)纸张脱酸剂去处理纸张，不仅脱酸效果明显，而且对纸张的力学性能有很好的提高。通过改善不同的溶剂以及浓度配比，纸张的酸性和力学性能均不同程度的提高。与此同时，纸张表现出明显的疏水性能。这种特点可以降低纸张纤维素的吸水性，从而减缓水对纤维的溶胀、降解以及氢键的破坏。微生物对纸张的腐蚀程度也大幅度的降低。

Description

甲基硅酸钾水溶液在纸张脱酸和加固中的应用
技术领域
本发明属于化学领域，涉及纸张档案的脱酸和加固，具体涉及甲基硅酸钾水溶液在纸张脱酸和加固中的应用。
背景技术
古籍档案是祖辈留给我们的珍贵文化遗产，是中华民族宝贵的精神财富。是中国历史传承的载体和见证，具有重要的史料价值、艺术价值，文物价值和参考价值。然而，我国现存古籍状况却不容乐观。由于经过历代战乱、禁焚以及水火灾患，古籍档案遗留下来的已经为数不多，再加上虫蛀、霉变、絮化、鼠啮、火烬、纸张老化、酸化这些现象的损害，能保存至今的更是少之又少。因此，对于珍贵文献的更好保护是摆在我们面前的一项紧迫而艰巨的任务。
古籍纸质的主要成分为纤维素，而酸是纤维索水解的催化剂，纤维素在酸性条件下很容易发生水解反应。植物纤维索经氧化、水解作用产生易粉碎的氧化纤维和亚硫酸。亚硫酸具有漂白作用.能使书页褪色.亚硫酸又属于极不稳定的化合物.当吸收空气中的氧后会生成极稳定的硫酸。纤维素经水解后，聚合度降低.生成水解纤维索.导致文献纸张发黄变脆。当纤维素水解后聚合度降至200以下时，文献纸张就会严重脆化。更重要的一点，酸在水解反应中并不消耗。硫酸生成后会长久停留在书籍上.随着时间的推移越积越多。
纤维素在发生水解的过程中还伴随氧化反应的发生。纸张中存在的醛基和羧基等氧化官能团，同时还能加速纤维索的水解过程。据预测，文献纸张的pH值每降低个1数值，其寿命就会降低2-5倍。甚至更多。由此可见酸性对于纸张的损害之大。以此，脱酸是纸质文物保护的首要任务。脱酸剂的选择便成为重中之重。
由于酸化的纸张纤维素已经被大量的破坏，因此纸张的力学性能已经很大程度地下降。因此在脱酸之后，要对纸张进行加固。目前,对纸质文物的加固保护主要有托裱法、加膜法、丝网加固法及胶液加固法等。上述方法均是“治标不治本”，不能从化学的角度真正提高纸张的力学性能。而且，先脱酸再加固这种分步处理纸张的方法费时费力，效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供甲基硅酸钾水溶液在纸张脱酸和加固中的应用。
本发明提供了一种甲基硅酸钾(PMS)在纸张脱酸和加固中的应用。
上述应用中，脱酸和加固的方法包括如下步骤：
将纸张于脱酸剂中进行浸泡，浸泡完毕后悬挂晾干，完成所述脱酸和加固；
所述脱酸剂为脱酸剂a或脱酸剂b；
其中，所述脱酸剂为脱酸剂a、脱酸剂b或脱酸剂c，
其中，所述脱酸剂a为质量百分浓度为0.5-5％的甲基硅酸钾的水溶液，所述甲基硅酸钾的水溶液的质量百分浓度具体可为2.27％；
脱酸剂b由质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与醇水溶液组成；所述醇水溶液由乙醇和水组成，所述水和乙醇的体积比为100：0-0：100，具体可为80:20、70:30、60:40、50:50、40:60或20:80，且所述水和乙醇的体积用量均不为0；
所述脱酸剂b中，质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与醇水溶液的体积比为1：3-20，具体可为1：10。
脱酸剂c由质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与乙醇组成。
所述脱酸剂c中，质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与无水乙醇的体积比为1：3-20，具体可为1：10。
所述脱酸剂的用量为所述纸张质量的50-100倍，具体可为67倍。
所述浸泡步骤中，温度为25-80℃，具体为40℃，时间为0.5-1小时。
所述纸张可为各种形式的纸张，如酸性纸、现代纸、手工纸、机械纸、报纸、单页纸、页纸或书籍。
甲基硅酸钾经常在工业方面用作疏水材料的制备，但在科学研究方面用的较少，在纸张古籍方面的应用更是首例。本发明利用PMS可以与酸性纸里面的酸或空气中的CO2发生反应的特性对纸张进行脱酸和加固。该反应会生成主产物硅醇以及副产物碳酸钾。其中，硅醇可以与纸张内部的纤维素羟基形成氢键，大幅提高纸张的力学性能；碳酸钾可以附着在纸张的表面，为其提供一定的碱储量，阻止酸的进一步入侵。上述反应的反应方程式如下所示：
CH3-Si-(OK)3+3H+→CH3-Si-(OH)3+3K+
2CH3-Si-(OK)3+3CO2+3H2O＝2CH3-Si-(OH)3+3K2CO3
利用该方法对纸张进行处理，纸张的疏水性能明显提高，这样可以防止水分入侵对纤维素的溶胀作用，并且减少纤维素的水解，不仅如此，纸张疏水的表面有效减少微生物的附着，并且抑制微生物的生长，从而减小了纸张的虫蛀、腐蚀情况。且将纸张进行老化处理后，各项性能仍然比处理之前有很大程度地提高。
该方法可对不同种类，不同酸化程度的纸张进行处理，且脱酸效果明显，力学性能提高效果良好，纸张字迹不受影响，纸张外观变化不大。由此可见，本发明具有普遍适用性。
本发明将甲基硅酸钾(PMS)纸张脱酸剂去处理纸张，不仅脱酸效果明显，而且对纸张的力学性能有很好的提高。通过改善不同的溶剂以及浓度配比，纸张的酸性和力学性能均不同程度的提高。与此同时，纸张表现出明显的疏水性能。这种特点可以降低纸张纤维素的吸水性，从而减缓水对纤维的溶胀、降解以及氢键的破坏。微生物对纸张的腐蚀程度也大幅度的降低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
按照如下方法对悬挂晾干后的纸张进行内部pH值的测试：取试样2g用100mL冷蒸馏水抽提1h，在20～25℃的环境中测定抽提液的pH。
按照如下方法对悬挂晾干后的纸张进行表面pH值的测试：用预处理液处理纸张表面，用纸张表面pH计(平头电极)对纸张表面进行测试。
力学性能(抗张强度和耐折度)的测试方法如下：采用型号NZ-135耐折度仪器对纸张耐折度进行测试；采用型号KZW-300微控抗张试验机对纸张抗张强度进行测试。
采用型号BD-1白度仪对纸张白度进行测试。
人工老化模拟实验(相当于自然条件下25年)的方法如下：将脱酸后的纸张在105℃的烘箱当中放置72h进行；并将老化后的各项性能再次进行测试，以检测其pH以及强度的保持状况。
实施例1
配制质量百分浓度为2.27％的PMS水溶液(也即脱酸剂a)100g，取酸性机制纸(1986年)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸前后性能参数对比如表1所示：
表1、脱酸前后纸张的性能参数对比
表面pH 内部pH 抗张强度(kN/m) 白度
原纸样 4.64 5.36 1.487±0.020 53.7
脱酸后 10.13 10.42 1.962±0.017 55.3
由表1可知，脱酸后纸张的表面和内部pH均有很大程度的提高，脱酸效果良好。纸张的抗张强度上升31.9％，耐折度为1(双折次数)，力学性能提升明显。
实施例2
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为80：20的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取酸性机制纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。脱酸前后性能参数对比如表2所示：
表2、脱酸前后纸张的性能参数对比
表面pH 内部pH 抗张强度(kN/m)
原纸样 4.64 5.36 1.487±0.020
脱酸后 10.47 10.75 1.988±0.031
由表2可知，脱酸后纸张的表面和内部pH均有很大程度的提高，脱酸效果良好。纸张的抗张强度上升33.7％，耐折度为5(双折次数)，力学性能提升明显。
实施例3
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(水：乙醇＝50：50)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取弱酸性手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。脱酸前后、老化前后性能参数对比如表3所示：
表3、脱酸前后纸张的性能参数对比
表面pH 内部pH 抗张强度(kN/m)
原纸样 6.44 8.48 1.730±0.022
原样老化后 5.81 8.36 1.515±0.020
脱酸后 10.87 11.05 2.143±0.011
处理样老化后 9.92 10.26 1.590±0.021
由表3可知，脱酸后纸张的表面和内部pH均有很大程度的提高，脱酸效果良好。纸张的抗张强度上升23.87％，耐折度为8(双折次数)，力学性能提升明显。老化以后，纸张的表面和内部pH仍然保持良好，老化后的处理样(脱酸后)比老化后的原样抗张强度提高4.95％，耐折度为8(双折次数)。
实施例4
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(水：乙醇＝50：50)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。脱酸前后、老化前后性能参数对比如表4所示：
表4、脱酸前后纸张的性能参数对比
表面pH 内部pH 抗张强度(kN/m)
原纸样 4.65 5.86 0.954±0.021
原样老化后 4.34 5.76 0.947±0.022
脱酸后 10.10 10.40 1.371±0.056
处理样老化后 9.79 10.27 1.361±0.024
由表4可知，脱酸后纸张的表面和内部pH均有很大程度的提高，脱酸效果良好。纸张的抗张强度上升43.7％，耐折度为1(双折次数)，力学性能提升明显。老化以后，纸张的表面和内部pH仍然保持良好，老化后的处理样(脱酸后)比老化后的原样抗张强度仍然提高43.7％。
实施例5
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与水以体积比1：10混合得到脱酸剂a100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.66，内部pH变为10.70，纸张的抗张强度上升0.81％，耐折度为3(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例6
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与水以体积比1：10混合得到脱酸剂a100g，取1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为9.75，内部pH变为10.30，纸张的抗张强度上升0.84％，耐折度为2(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例7
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为80：20的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.42，内部pH变为10.78，纸张的抗张强度上升2.08％，耐折度为5(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例8
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为80：20的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为9.76，内部pH变为10.19，纸张的抗张强度上升7.97％，耐折度为5(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例9
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为60：40的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述酸性纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.37，内部pH变为10.68，纸张的抗张强度上升26.9％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例10
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为60：40的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.68，内部pH变为10.82，纸张的抗张强度上升21.0％，耐折度为7(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例11
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为60：40的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为9.90，内部pH变为10.30，纸张的抗张强度上升29.2％，耐折度为4(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例12
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由等体积比的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述酸性纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.62，内部pH变为11.05，纸张的抗张强度上升18.2％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例13
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为40：60的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上上述酸性纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.7，内部pH变为10.89，纸张的抗张强度上升3.70％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例14
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为40：60的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.48，内部pH变为10.70，纸张的抗张强度上升32.0％，耐折度为6(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例15
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为40：60的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为9.90，内部pH变为10.32，纸张的抗张强度上升47.4％，耐折度为3(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例16
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为20：80的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述酸性纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.62，内部pH变为10.79，纸张的抗张强度上升4.71％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例17
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为20：80的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.77，内部pH变为11.12，纸张的抗张强度上升45.7％，耐折度为7(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例18
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与醇水溶液(由体积比为20：80的水与乙醇组成)以体积比1：10混合得到脱酸剂b100g，取上述1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.11，内部pH变为10.4，纸张的抗张强度上升67.1％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高
实施例19
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与无水乙醇以体积比1：10混合得到脱酸剂c100g，取上述酸性纸(1986)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.60，内部pH变为10.74，纸张的抗张强度上升33.5％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例20
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与无水乙醇以体积比1：10混合得到脱酸剂c100g，取上述手工纸(宣纸)1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为10.98，内部pH变为11.07，纸张的抗张强度上升46.3％，耐折度为7(双折次数)，力学性能明显提高。
实施例21
将质量百分浓度为25％的PMS水溶液与无水乙醇以体积比1：10混合得到脱酸剂c100g，取上述1978年《北京日报》1.5g浸入其中，将装置置于40℃的水浴锅中，加热1h，之后悬挂晾干。
脱酸后纸张的表面pH变为9.76，内部pH变为10.02，纸张的抗张强度上升134.4％，耐折度为1(双折次数)，力学性能明显提高。

Claims (3)

1.甲基硅酸钾在纸张脱酸和加固中的应用；
所述脱酸和加固包括如下步骤：
将纸张于脱酸剂中进行浸泡，浸泡完毕后悬挂晾干，完成所述脱酸和加固；所述脱酸剂的用量为所述纸张质量的50-100倍；
所述脱酸剂为脱酸剂a、脱酸剂b或脱酸剂c，
其中，所述脱酸剂a为质量百分浓度为0.5-5％的甲基硅酸钾的水溶液，
脱酸剂b由质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与醇水溶液组成；所述醇水溶液由乙醇和水组成，所述水和乙醇的体积比为100：0-0：100，且所述水和乙醇的体积用量均不为0；所述脱酸剂b中，质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与醇水溶液的体积比为1：3-20；
脱酸剂c由质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与乙醇组成；所述脱酸剂c中，质量百分浓度为25％的甲基硅酸钾的水溶液与乙醇的体积比为1：3-20。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述浸泡步骤中，温度为25-80℃，时间为0.5-1小时。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述温度为40℃。
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