可溶性四硼酸盐作为纸张脱酸剂用于纸张脱酸的方法

摘要

本发明公开了一种可溶性四硼酸盐作为纸张脱酸剂用于纸张脱酸的方法，取四硼酸盐不同浓度的水溶液与不同类型的有机溶剂混合，采用浸泡、喷洒、雾化或超临界处理等多种方式，对纸张，特别是酸化老化的纸张脱酸；可溶性四硼酸盐用作纸张脱酸剂进行脱酸，能将纸张的pH值控制在理想的范围，脱酸的过程未引起墨迹的扩散和纸张变色，而且在脱酸的同时增强了纸张的各项机械强度，四硼酸盐还提供一定的抑制微生物的作用，经四硼酸盐溶液处理后，纸张的耐久性明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用可溶性四硼酸盐对酸化纸张，例如古籍纸张进行脱酸的方法；具体涉及一种可溶性四硼酸盐作为纸张脱酸剂用于纸张脱酸的方法。 

  

背景技术

华夏文化，历史悠久，璀璨夺目。据估计：自“甲骨卜辞”有文字记载以来的中国历代古籍文献达八万种之多。“古籍”是中国古代书籍的简称，是人类物质文明和文化的主要载体和表征，是中华民族五千年的灿烂文明史给我们留下的一笔丰富的历史文化遗产。但很多珍贵古籍因年代久远、战乱离丧、水火相侵、鼠啮蠹蚀，还有环境的恶化导致大部分的古籍存在不同程度的破损，亟待保护和抢救。据统计，国家图书馆的古籍馆现有古籍约140万册件，但由于年代久远，有些传世的珍贵善本也是千疮百孔、残缺不全。时值今日，只减不增的传世古籍愈加弥足珍贵。140万册古籍藏书中，轻度破损约占30%，中度、重度各为10%，三项相加已近半数，尤其民国时期的古籍，破损更为严重。由于民国时期的造纸技术落后，纸张含酸量高，有相当部分民国线装书pH值在3以下，纸张已经发生严重酸化和霉变，失去了纸张应有的机械强度，到了濒于毁灭的地步。因此，如何保护好这些珍贵的古籍文献，是摆在我们面前的一项紧迫而艰巨的任务。 

古籍破损的类型有虫蛀、霉变、絮化、鼠啮、火烬、纸张老化、酸化等，而酸化、老化是一个连续不断的过程，所以，如果这些古籍目前不能得到有效的处理，就会继续蔓延，甚至不可恢复。古籍的酸化指的是古籍纸张的酸性逐渐增强所出现的现象。具体呈现为纸张变脆、颜色变黄、发暗，机械强度降低，严重的将无法翻动，甚至碎成纸屑。在破损纸张中，酸化对古籍造成的损害占相当大的比例，且将严重影响古籍的保存寿命。古籍文献的pH值低于6.2，就应该进行去酸处理；如果低于5.0，就必须进行去酸处理。纸张酸化带来的危害已引起各国政府的高度重视，近年来，各国纷纷开展纸质文物的脱酸处理工作。根据实验，纸张pH值在 5.0以下的书籍，保存时限最长只有200年。只要纸张内含有酸性，即使古籍文献只藏不用或处于良好的保存环境中，也不能抑制纸张发生质变。 

针对酸化是古纸降解的主要因素，在修复古籍时，加入碱性化合物使纸张的pH值提高到中性或中性以上，即“脱酸”,从而阻断纤维素的酸性水解以达到保护纸张避免破损的目的。因此，寻找适宜纸张脱酸的脱酸剂十分重要，在起到良好脱酸效果的同时尽量减少对纸张外观等的影响。  

目前常用于纸张脱酸的脱酸剂有氢氧化钙、碳酸氢钙、丙酸钙、碳酸氢镁、氢氧化钡-甲醇溶液、氧化镁、镁钛双金属醇盐、甲氧基甲基碳酸镁、乙氧基乙基碳酸镁、甲基碳酸镁和乙基碳酸镁等。

含钙化合物去酸处理后的纸张pH值明显提高，白度值也相应增加，碱保留值增加。这些理化性能指标的提高，将使文件的保存寿命延长100年以上，沉积在纸张上的含钙化合物会减缓空气中酸性气体的污染。但氢氧化钙、碳酸氢钙的饱和溶液碱性较强，不适于现代纸张的中性处理。 

镁的水溶性化合物去酸后纸张pH值可达9.4～10.4，碱残留量为2.0％。多余的就会自然地吸附在纸张表面，生成MgCO₃作为碱性残留物起到缓冲作用，能长期抵抗酸性物质的侵蚀。但其脱酸处理后纸张的pH较高，对于纸张重量超过140g/m2，大幅面纸张、照片、氧化锌复印件及已脆化纸张均不适用，局限性较大。纸张老化试验表明，纸张的机械强度有所降低，而且纸张返黄严重。 

非水系的脱酸剂中，氢氧化钡—甲醇溶液脱酸后会使字迹扩散；甲氧基甲基碳酸镁存在去酸不均匀，字迹褪色、长白斑、起皱变色和粘合剂渗出等问题，所以有一定的局限性；乙氧基乙基碳酸镁去酸后，有助于提高纸张耐久性，可以延缓老化，但也出现了纸张变色、白色沉淀物、牛顿环、字迹的褪色和扩散、有一些难闻的气味、纸张处理后的手感不同及去酸效果不均匀等现象。镁的醇盐则具有制备条件较为苛刻，工艺复杂等缺点，而且对图书有不同程度的损害，被处理的图书可能会加速吸收水分，有明显的变色，同时出现了黄色和半透明的污点，不适合作为大规模脱酸剂。 

纸张脱酸已经进行了几十年，未见使用四硼酸盐进行脱酸的报道，说明本专业技术人员并不能从现有脱酸剂材料简单推理出可以使用四硼酸盐进行脱酸。硼酸盐包括有偏硼酸盐、原硼酸盐、和多硼酸盐等。其中最重要的硼酸盐是四硼酸盐中的四硼酸钠，俗称硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O），可作为消毒剂、保鲜防腐剂、软水剂、洗眼水、肥皂添加剂、陶瓷的釉料和玻璃原料等，在工业生产中硼砂也有着重要的作用。与四硼酸钠有着某些相似性质的四硼酸盐，其硼酸根中有两个SP²杂化的BO₃平面三角形和两个SP³杂化的BO₄四面体通过共用角顶O原子而联结起来。四硼酸盐的水溶液中，存在如下水解平衡： 

因为存在这样的水解平衡，四硼酸盐水溶液可以作pH校正液。由于饱和四硼酸盐水溶液的pH在9.24左右，可有效避免溶液碱性过强，碱残留不达标的问题。此外，硼酸根中的SP²缺电子结构，使得四硼酸盐具有较强的吸电子能力，易于多羟基化合物加合以此增强分子间作用力的能力；此外由于硼化物特殊的缺电子结构，使得其化合物具有多种特殊的性质，经常作为工业生产中的改性剂，但没有任何涉及在纸张脱酸或增强方面的应用。

发明内容

本发明提供一种可溶性四硼酸盐作为纸张脱酸剂用于纸张脱酸的方法。

本发明的技术方案是，作为纸张脱酸剂的可溶性四硼酸盐是指在室温20℃时溶剂中溶解度大于0.002g/ml的四硼酸盐，所述可溶性四硼酸盐是一种可溶性四硼酸盐或几种可溶性四硼酸盐的混合物，可溶性四硼酸盐可以任选地与其他脱酸剂混合使用；纸张脱酸剂的水溶液与不同类型的有机溶剂按体积比为100：0～10：90混合，上述纸张脱酸剂水溶液质量浓度范围在0.005%～饱和，纸张脱酸剂用量为纸张质量的0.001～10倍，脱酸剂溶液与纸张接触时间为0.2～5h。 

如上所述的方法，所用的有机溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇或甘油中的一种或几种。 

如上所述的方法，利用此脱酸剂实施脱酸的方式包括浸泡、喷洒、雾化或超临界流体脱酸等所有使此可溶性脱酸剂与纸张接触的脱酸行为。 

如上所述的方法，所处理的纸张可以是现代纸和古纸，处理量可以是单页纸或多页纸或书籍。 

如上所述的方法，上述纸张脱酸剂优选的质量浓度范围在0.14～3.52%，纸张脱酸剂溶液用量值优选的为纸张质量的0.005～10倍，脱酸剂溶液与纸张接触时间优选的为0.6～2.5h，所用有机溶剂优选的为乙醇，水与乙醇体积比优选的为90：10～30：70 

如上所述的方法，其特征在于上述几种可溶性四硼酸盐是四硼酸锂、四硼酸钠、四硼酸钾或四硼酸钙。 

本发明利用可溶性四硼酸盐在水溶液中可发生水解，并用作pH缓冲剂的特性，将其饱和水溶液与不同类型有机溶剂按照一定体积比混合后，对纸张中的酸性物质进行中和。在脱酸的过程中，四硼酸盐溶液不仅可以有效的将纸张pH值控制在理想的范围，即中性到8.5，其碱残留状况也良好；老化实验中，处理后的纸张减缓了纸张的进一步酸化，对纸张的长期贮藏起到了保护作用。 

本发明利用了四硼酸盐典型的缺电子性，即具有较强的接受电子的能力和易发生自身聚合、形成配合物、与多羟基化合物加合等能力。在与纸张接触的过程中，能够与纤维素分子的羟基结合，提高纤维素分子间的作用力，在一定程度上提高了纸张的强度。 

本发明提供的利用可溶性四硼酸盐对现代书籍或古籍脱酸的方法，并未引起纸张外观色度的较大变化，四硼酸盐不易与纸张中易氧化的某些有色基团发生反应，因此纸张色度未发生明显变化。 

本发明采用的可溶性四硼酸盐还具有一定的抑菌性，可以抑制微生物的生长，在一定程度上对纸张起到了保护作用。 

本发明实施例虽然只列举了四硼酸盐中的几种，但能用于纸张脱酸的四硼酸盐并非仅仅限于这几种四硼酸盐，本专业技术人员根据本发明原理，可以使用所有可溶性四硼酸盐进行纸张脱酸。 

本发明虽然只选取最廉价的报纸进行纸张脱酸，但此技术并非仅仅限于对报纸进行脱酸。报纸和书籍都是以纸张为载体进行文字信息记录的一种方式，报纸的合订本与书籍只是大小不同。 

本发明通过以下方案实现：

取质量浓度范围在0.005%～饱和浓度（优选为0.14～3.52%）的四硼酸盐水溶液与不同类型的有机溶剂按照一定的体积配比混合，配比为100：0～10：90（优选为90：10～30：70），采用浸泡、喷洒、雾化或者超临界流体等脱酸方式，经过0.2～5h（优选为0.6～2.5h），按照脱酸剂溶液用量为纸张质量的0.001～10倍（优选为0.005～10），作用于酸化了的古籍纸张，以中和纸张中的酸性物质，纸张脱酸后的pH值为7.1～8.5。脱酸后的纸张在105℃中烘72h（相当于在自然条件下25年），进行人工老化模拟实验，检测其pH和强度的保持状况。

脱酸剂包括所有可溶性四硼酸盐，如硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）、Na₂B₄O₇·5H₂O、Li₂B₄O₇（无水）、K₂B₄O₇，CaB₄O₇等四硼酸盐中的一种或几种；所用溶剂是但不仅仅是甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、甘油和水中的一种或几种的混合物（优选为水或乙醇或水和乙醇的混合物），可以是能溶解脱酸剂的任何溶剂及其混合物。 

本发明有益效果是：

1. 使用可溶性硼酸盐溶液作为纸张的脱酸剂，脱酸后可将纸张pH值控制在适宜的范围，即7.1～8.5之间，脱酸后纸张的碱性适中，对纸张起到良好的脱酸效果；由于饱和四硼酸盐水溶液的pH值小于9.30，避免了pH值过高引起纤维素进一步碱性水解。

2. 使用可溶性四硼酸盐溶液作为脱酸剂，不易与纸张中的某些发色基团发生反应，脱酸处理后，纸张的色度没有发生明显的变化。 

3. 硼元素具有特殊的缺电子构型，能形成缺电子化合物。四硼酸盐属于典型的缺电子化合物，有较强的接受电子的能力，而且具有易发生自身聚合、形成配合物、与多羟基化合物加合等能力。在与纸张接触的过程中，能够与纤维素分子的羟基结合，提高纤维素分子间的作用力，在一定程度上提高了纸张的强度。 

4. 在研究脱酸剂的保留性时，通过人工老化模拟实验，在105℃中烘72h（相当于在自然条件下25年）后测试纸张在老化后的pH值和强度，其保持状况良好。 

5. 四硼酸盐还具有一定的抑菌性，有利于纸张的长期保存。 

具体实施方案

下面通过实施实例进一步详细阐述本发明的使用方法。 

实验采用1989年的New York Times报纸，其各项性能参数如下表所列： 

pH抗张强度（KN/m）伸长率（%）撕裂度mN）耐折度（次）3.231.720.87122.05

实施例1

取1989年的New York Times报纸约130g装入适当大小的容器中，在室温25℃下将四硼酸钠饱和水溶液与乙醇按照体积比为80:20的比例混合均匀，取850ml的醇水溶液，浸泡处理40min，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为8.46；抗张强度为1.82，比脱酸前提高了5.8%；伸长率为1.39，比脱酸前提高了59.8%；撕裂度为146.8，比脱酸前提高了20.3%；耐折度为7，比脱酸前提高了40%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

纸张脱酸前后、老化后性能参数对比如下表所示： 

 pH抗张强度伸长率%撕裂度mN耐折度脱酸后8.461.821.39146.87老化后8.021.711.11135.24

实施例 2

取1989年的New York Times报纸约207g，装入适当大小的容器中，在室温25℃下将四硼酸盐（四硼酸钠、四硼酸钾、四硼酸钙等）饱和水溶液与乙醇按照体积比为80:20的比例混合均匀，取1200ml的醇水溶液，浸泡处理40min，中和纸张中的酸性物质。取下表所列的脱酸剂，按照相同的溶剂体积配比与乙醇混合，采用相同的条件，对相同量的纸张进行处理作为参照。从脱酸结果比较可以看出，使用硼酸盐进行脱酸，其脱酸效果明显优于下表所列的其他类型的脱酸剂。105℃老化72小试后强度保持良好。

纸张脱酸前后、老化后性能参数对比如下表所示： 

 Na₂B₄O₇K₂B₄O₇CaB₄O₇CaCO₃Ca(C₂H₅COO)₂Ca(OH)₂MgCO₃Mg(HCO₃)₂Mg(OH)₂pH8.338.387.326.756.849.126.706.716.78

实施例3

取1989年的New York Times报纸约110g，装入适当大小的容器中，在室温25℃下将四硼酸钠饱和水溶液和四硼酸钾水溶液与乙醇按照体积比为25:25:50的比例混合均匀，取950ml的醇水溶液，浸泡处理40min，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为8.24，；抗张强度为1.99，比脱酸前提高了15.7%；伸长率为1.21，比脱酸前提高了68.1%；撕裂度为142.0，比脱酸前提高了16.4%；耐折度为8，比脱酸前提高了60%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例4 

取1989年的New York Times报纸约211g，装入2L的雾化装置中，在室温25℃下将四硼酸钾饱和水溶液和四硼酸钙饱和水溶液与乙醇按照体积比为40:20:40的比例混合均匀，取1500ml的醇水溶液，从雾化器中打入混合溶液，处理1.5h，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为8.19；抗张强度为2.24，比脱酸前提高了30.2%；伸长率为1.24，比脱酸前提高了41.7%；撕裂度为145.5，比脱酸前提高了19.3%；耐折度为8，比脱酸前提高了60%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例5 

取1989年的New York Times报纸约240g，装入2L的雾化装置中，在室温25℃下将四硼酸钙饱和水溶液与乙醇按照体积比为65:35的比例混合均匀，取1800ml的醇水溶液，从雾化器中打入混合溶液，处理1.5h，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为7.59；抗张强度为2.23，比脱酸前提高了29.7%；伸长率为1.33，比脱酸前提高了52.9%；撕裂度为192.8，比脱酸前提高了58.0%；耐折度为14，比脱酸前提高了180%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例6 

取1989年的New York Times报纸约187g，装入适宜大小的容器中，在室温25℃下将四硼酸锂饱和水溶液和四硼酸钠饱和水溶液与乙醇按照体积比为30:30:40的比例混合均匀，取1000ml装入喷壶，对纸张喷洒处理1h，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为8.47；抗张强度为1.95，比脱酸前提高了13.4%；伸长率为1.32，比脱酸前提高了51.7%；撕裂度为152.0，比脱酸前提高了24.6%；耐折度为8，比脱酸前提高了40%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例7 

取1989年的New York Times报纸约301g，装入适宜大小的容器中，在室温25℃下将四硼酸钠饱和水溶液与乙醇按照体积比为75:25的比例混合均匀，取2400ml装入喷壶，对纸张喷洒处理1h，中和纸张中的酸性物质。脱酸后纸张pH为8.19；抗张强度为2.02，比脱酸前提高了17.4%；伸长率为1.38，比脱酸前提高了58.6%；撕裂度为146.0，比脱酸前提高了19.7%；耐折度为8，比脱酸前提高了60%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例8 

取1989年的New York Times报纸约169g，装入2L超临界CO2处理釜中，在16MPa，38℃的条件下，从副泵打入夹带剂四硼酸钠饱和水溶液、四硼酸钙水溶液-乙醇（45:40:15），共1000ml溶液，处理2.5h，CO2流体的流量为0.002t/h。脱酸后纸张pH为8.03；抗张强度为2.32，比脱酸前提高了34.9%；伸长率为1.26，比脱酸前提高了44.8%；撕裂度为184.8，比脱酸前提高了51.5%；耐折度为10，比脱酸前提高了100%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例9 

取1989年的New York Times报纸约174g，装入2L超临界CO2处理釜中，在22MPa，36℃的条件下，从副泵打入夹带剂四硼酸钾饱和水溶液-乙醇混合溶液（体积比为80:20）1200ml，处理3.5h，CO2流体的流量为0.002t/h。脱酸后纸张pH为8.19；抗张强度为2.14，比脱酸前提高了24.4%；伸长率为1.23，比脱酸前提高了41.4%；撕裂度为192.8，比脱酸前提高了58.0%；耐折度为12，比脱酸前提高了140%。老化后pH及强度保持良好，脱酸效果良好。

实施例10 

取1989年的New York Times报纸约216g，装入2L超临界CO₂处理釜中，在25MPa，36℃的条件下，从副泵打入夹带剂四硼酸钾饱和水溶液-乙醇混合溶液（体积比为60:40）1600ml，处理4h，CO₂流体的流量为0.002t/h。超临界CO₂处理后，纸张pH值为8.38，老化后pH保留良好；纸张抗张强度为2.72，比脱酸前提高了58.2%；伸长率为1.57，比脱酸前提高了80.4%，撕裂度195.2，比脱酸前提高了60%；耐折度为14，比脱酸前提高了180%；105℃老化72小试后强度保持良好。

实施例11 

取1989年的New York Times报纸约108g，装入2L超临界CO₂处理釜中，在24MPa，39℃的条件下，从副泵分别打入夹带剂，各四硼酸钠饱和水溶液-乙醇混合溶液（体积比为50:50）700ml，处理1.4h，CO₂流体的流量为0.002t/h。超临界处理后，纸张pH值为8.33，老化后pH保留良好；纸张抗张强度为2.70，比脱酸前提高了56.9%；伸长率为1.54，比脱酸前提高了77.0%；撕裂度204.2，比脱酸前提高了67.2%；耐折度为13，比脱酸前提高了160%；105℃老化72小试后强度保持良好。

实施例12 

取1989年的New York Times报纸约114g，装入2L超临界CO₂处理釜中，在22MPa，35℃的条件下，从副泵打入夹带剂四硼酸钾饱和水溶液与乙醇混合溶液（体积比为50:50）1000ml，处理2h，CO₂流体的流量为0.002t/h。取相同配比、相同体积的脱酸剂，采用喷洒法处理相同质量的纸张作为参照。超临界处理后， 纸张pH值为8.49（喷洒法8.20），老化后pH保留良好；纸张抗张强度为2.82（喷洒法2.44），比脱酸前提高了63.9%；伸长率为1.49（喷洒法1.42），比脱酸前提高了77.0%；撕裂度199.7（喷洒法171.2），比脱酸前提高了63.7%；耐折度为14（喷洒法11），比脱酸前提高了180%；老化后强度保持良好，保留效果优于浸泡法。

实施例13 

取1989年的New York Times报纸约149g，装入2L超临界CO₂处理釜中，在21MPa，38℃的条件下，从副泵打入夹带剂四硼酸钠饱和水溶液与乙醇混合溶液（体积配比75:25），共750ml溶液，处理1.5h，CO₂流体的流量为0.002t/h。取相同配比、相同体积的脱酸剂，采用喷洒法处理相同质量的纸张作为参照。超临界处理后，纸张抗张强度为2.82（喷洒法2.44），比脱酸前提高了63.9%；伸长率为1.46（喷洒法1.21），比脱酸前提高了67.8%；撕裂度184.2（喷洒法151.2），比脱酸前提高了51.5%；耐折度为12（喷洒法8），比脱酸前提高了140%；老化后强度保持良好，保留效果优于浸泡法。