超声雾化N-羟甲基丙烯酰胺用于老化纸张的增强修复研究

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纸张作为纸质文物的主要载体,是人类文明的瑰宝,传承与记录了中华民族的历史文化与精神文明。近年来,因年久失修、自然老化、虫蛀霉变,大量的纸张已出现严重的酸化、老化,泛黄发脆甚至粉碎化等现象。以纸张为载体的纸质文物的保护与修复现已受到关注和重视,但对于纸张从根源上的修复工作较少,难以真正延长其使用寿命。现有的相关保护与修复工作主要关注脱酸进程,对增强加固的研究相对较少。现有的增强修复方法或对纸张结构造成破坏、或改变纸张的宏观形貌,或加速纸张老化,且依赖人工,不可批量化增强修复。根据纸张的老化机理及影响纸张强度的主要因素,结合老化纸张的现状及对纸质文物修复的要求,本文采用超声雾化法,以极低的速度将雾化后的微米级增强剂输送到纸张内部,确保纸张缓慢、充分吸收增强剂,尽量避免了纸张的形变,且可用于批量化增强修复。本文选用了具有良好的水溶性和化学反应活性的单体N-羟甲基丙烯酰胺作为纸张的增强剂,通过N-羟甲基丙烯酰胺与纸张纤维的交联反应及其自交联聚合的产物填充于纸张纤维间的空隙,提高纸张纤维间的结合强度,实现对纸张的增强修复。采用超声雾化法将N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)用于静电复印纸的增强修复,探究了雾化吸收量、增强剂浓度、雾化速率及干燥温度对静电复印纸增强效果的影响,以及增强前后纸张的宏观形貌、微观表面结构、表面元素含量及内部化学基团的变化。根据研究结果发现,当N-羟甲基丙烯胺溶液浓度为3.0 mol/L,雾化量为20 m L,纸张吸收量为7.24 g/m2,雾化速率为1.10 m L/min时,静电复印纸的抗张指数增幅达到最高18.03%,撕裂指数由4.97 m N·m2·g-1上升至5.13 m N·m2·g-1,白度变化较小,色差为1.227,难以被人眼察觉;通过提高干燥温度可提高NMA与纸张纤维的相互作用,在干燥温度50℃下干燥0.5小时,抗张指数增幅最高可达到22.36%。增强修复后纸张的宏观形貌没有明显改变,验证了NMA可成功实现对纸张增强修复且不造成二次损伤,因此可用于老化纸这类珍贵古籍文献的增强修复。采用超声雾化法将N-羟甲基丙烯酰胺用于老化纸(五十年代纸)的增强修复,研究结果表明,N-羟甲基丙烯酰胺对老化纸的增强修复效果较静电复印纸更为显著,当N-羟甲基丙烯胺溶液浓度为3.0 mol/L,雾化量为20 m L,纸张吸收量为4.78 g/m2,雾化速率为1.10 m L/min时,抗张指数增幅最高为26.45%,撕裂指数上升8.33%,同时色差也相对较大,达到1.492。通过提高干燥温度,有利于促进NMA对纸张的增强修复,干燥温度50℃时,老化纸的抗张指数增幅最高可达到33.77%。老化纸的宏观形貌未出现明显的凹凸不平或褶皱等形变;通过XPS分析结果发现,老化纸中N元素表面分布含量由0.87%增长到2.51%,老化纸因暴露更多的羟基和小分子纤维素,对N-羟甲基丙烯酰胺的吸收和相互作用更为强烈。最后,通过综合评估静电复印纸及老化纸经人工老化前后的各项物理性能、宏观表面形貌变化及化学基团变化等评价增强修复后纸张的抗老化性能,结果表明无论是中性抄造的静电复印纸还是已严重酸化的老化纸,经过N-羟甲基丙烯酰胺增强的纸样,在人工老化后,物理性能均优于未处理纸样,尤其是抗张指数和撕裂指数有更稳定的表现;通过红外光谱的分析发现,增强修复后的纸张在老化过程中氢键的特征峰更为稳定,NMA的加入一定程度地保护了纸张纤维间的结合。
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