纸,酸化与对策⑭|各类脱酸技术及其特点
时间：2020-04-14 09:03:45来源：国家古籍保护中心
作者│武汉大学信息管理学院博士生导师、教授 刘家真
既有的脱酸技术的共同特点是：通过技术手段引入外来碱性因子，彻底中和纸张纤维内的氢离子，并在纸张内保持一定量的碱残留以持续抑制新增的酸性因子，使纸张长期保持中性或弱碱性。随引入碱性因子的手段不同，下图将脱酸技术分为多类，每类都有其特点但也存在缺憾。如：无论是脱酸的均匀性、易操作性还是经济性，水性脱酸都是最好的，但它的脱酸对象有限；非液相脱酸有利于某些书籍、档案材料和图形艺术品的大批量地、整体地脱酸，但在干燥条件下，酸性和碱性物质是彼此分离的，使其脱酸的均匀性和彻底性受到挑战。以下论述各种脱酸技术的特点，以便需要考虑脱酸者选择。
图1.已有的脱酸技术
01水性脱酸
水性脱酸（Aqueous Deacidification）是以水作为酸的溶剂或碱的溶剂，通过水洗、碱水溶液浸泡将纸内的酸溶解和实现酸碱中和，以达到脱酸目的。近年来，随着材料科学研究的发展，国内有人通过对纸张等离子化处理以活化纸张纤维，使碱性水雾中的碱离子可顺利进入纸张纤维内的孔穴，以提高水性脱酸的有效性。
水性脱酸以水作为流动相提供水合氢离子和氢氧根离子，可以确保纸中碱性化合物分布的最广泛和均匀，只要有足够的浓度和时间，彻底脱酸是没有问题的。此外，碱性水浴还可以清除纸内水溶性污渍以及催化纸张纤维氧化的铁离子。正因为此，这个较为古老的脱酸技术不仅至今仍在中国普遍使用，在某些欧美国家也在应用。
但水性脱酸会使纸张膨胀与变形，水溶性字迹会洇开或脱色，粘合剂有可能脱开等，它的适用面是相当有限的，更不可能对装订成册的图书、档案进行大批量脱酸，仅适合单页逐一脱酸。
02 碱性有机溶液脱酸
为避免水对纸张和字迹的影响，将碱性物质完全溶解在有机溶剂内制成碱性有机溶液，可以对整册书进行大批量脱酸，其典型的脱酸工艺如图2。该脱酸技术是将以金属醇盐为基础的碱性剂溶解在非极性的有机溶剂内（如甲醇、氯氟烃、硅烷基溶剂与庚烷等）形成碱性有机溶液。随着液体的流动，脱酸剂可以均匀地分布在整个被处理的成册书刊、文件中，溶解的碱性物质能够直接与纸中的酸反应并中和它们，这类脱酸剂还能与纸内所含的水分发生反应，生成不溶性的碱性颗粒物在纸内沉淀，即产生“碱储备物质”。
图2.典型的碱性有机溶液脱酸
韦陀法就是碱性有机溶剂脱酸法的代表，在脱酸完毕会在纸上残留碳酸镁（MgCO3），其最低碱储量可达1.5%。碱性有机溶液脱酸的优点是，纸张可迅速干燥并不褶皱、不膨胀、不变形，不会损坏水溶性字迹，且能保持原始装订不受影响。但它存在的问题是：大多数有机溶剂易燃易爆、有毒，也并不适于油溶性字迹（如圆珠笔字迹等）的脱酸处理。
碱性有机溶液脱酸具有投资小、工艺简单等特点，因此在国外仍然有不少国家用该脱酸技术进行大批量脱酸。
03 气相脱酸
气相脱酸（Vapor Phase Deacidification）是使用碱性气体（如氨气、吗啉、二乙基锌等）渗透入纸张内以中和纸中酸。气相脱酸具有大批量脱酸的优点，上世纪七、八十年代曾在国外有过使用，但终因其存在明显缺憾，如基本上没有留下任何碱储备。加上有毒，高危，不安全隐患多，对工艺条件要求高，操作困难等，现在全球不再使用。
04 非反应式、非水分散体系脱酸
与碱性有机溶剂脱酸相同的是，非反应式、非水分散体系脱酸（Non-reactive, Non-aqueous Dispersion Deacidification）也是采用非极性有机溶剂，但其脱酸剂并不溶解其中，而是悬浮在有机溶剂内，形成非水的碱性氧化物悬浮液。其脱酸剂多用碱性氧化物，如氧化镁等。
其脱酸原理不同于以上所有的脱酸技术，作为脱酸剂的碱性氧化物（如MgO或其他）并不直接与纸张中的酸发生酸碱中和反应。通过喷涂（单页脱酸）或浸泡（大批量脱酸）后，干燥的碱性氧化物颗粒分布在单张纸叶或整册书刊中。随着时间的推移，驻留在纸中的碱性氧化物将导致纸张内任何酸的中和。其典型的例子是Bookkeeper脱酸工艺（Preservation Technologies）。以下以Bookkeeper脱酸工艺说明其脱酸原理。
Bookkeeper脱酸工艺的脱酸剂是氧化镁（MgO）颗粒，其载液是有机溶剂全氟庚烷，亚微米级的氧化镁颗粒（粒度直径：100nm-1.0μm）被均匀地分散和悬浮在全氟庚烷内。当脱酸溶液通过喷涂或浸泡的方式接触到纸张时，若氧化镁颗粒粒度小于纸张中孔隙尺度，氧化镁颗粒就可以渗透进纸内孔洞并通过静电力将其紧紧地吸附在纸张上。
图3. Bookkeeper碱性颗粒在纸张纤维中分布图
无论是液态的水还是潮湿的空气，氧化镁颗粒都可与水高度反应而生成氢氧化镁。分布在纸内的氧化镁颗粒接触到纸内的水分和空气中的水汽后即形成氢氧化镁，后又在空气中二氧化碳的作用下，氢氧化镁转变为碳酸镁。碳酸镁遇到纸内的酸，酸中的氢离子就被碳酸根（CO32-）俘获，中和反应由此产生。以下为简要的化学反应过程。
经过Bookkeeper脱酸处理的纸张，其有代表性的pH值在8.0~9.5范围内，其典型的碱储量相当于于按纸张重量添加1.5%的碳酸钙。
非反应、非水分散体系脱酸有以下主要优点，由于其无水，水性脱酸的众多问题均迎刃而解。Bookkeeper选用的全氟溶剂具有无色无毒及对普通有机化合物溶解性很差的特点，所以也克服了碱性有机溶剂脱酸中对某些字迹损坏的困扰。因此，它的脱酸对象广泛，几乎可以用于所有的纸质藏品，包括装订和未装订的文献、印刷和手写材料、报刊书籍、信件和信封、邮票、地图、美术绘画和其他纸质收藏品等。
非反应、非水分散体系脱酸也存在一些挑战，主要有二：一是在非水分散体系中，有机溶剂的性质对纳米粒子的分散程度有明显的影响；二是其脱酸剂（现在多用氧化镁）是否可以做到足够小（纳米级）但又具有足够大的表面积，使其可以驻留在纸张纤维极小的孔洞内长期发生脱酸作用。第一个问题影响到脱酸的均匀度，第二个问题影响到脱酸在纸内进行的深度。目前，该类脱酸法在国内发展较快，但尚若不满足以上两个条件，脱酸的有效性就会受到影响。
未完待续
