纸张的脆性

作者：王建库 (国家档案局科研所)

 

 

　　在纸质档案保护工作中，作为载体材料的纸张的保护极其重要，纸张保护的核心就是延缓其老化速度，延长其保存年限。相信大多数档案工作者会有这样的体会：有些纸张脆性大一些，有些纸张脆性小一些；老化明显的纸张脆性较大；空气干燥时纸张脆性较大。纸张的脆性受造纸原料、纸张老化、大气温湿度环境等因素的影响，对纸质档案的保管、保护及利用产生直接作用。因此，研究纸张的脆性对耐久纸的生产、纸质档案的合理保管、修复及利用具有指导作用，意义重大。

 

　　一、纸张脆性的概念

 

　　脆性是人的感官经验，据一些资料介绍，一般认为当纸张受到弯曲的作用力时，易折、易碎、韧性欠佳即为脆。根据经验，构成纸页的纤维长、结合力好，则其韧性就大，经弯曲压折，强度损失较少；而纤维短，韧性差的原料所制成的纸，经弯曲压折后，强度损失较多。据此经验，研究人员逐步摸索出一些测试脆性的方法。随着断裂力学的发展，有关脆性试验的理论和方法正在不断取得进展。

 

　　二、脆性的检测方法

 

　　目前，脆性的测试方法主要有两个：脆裂度和J值。

 

　　1.纸张的脆裂度是试样压折后抗张强度的下降百分数。压折在专门的纸条压折器中完成。测试试样压折前后的抗张强度，然后计算出脆裂度：

 

 

 

　　式中：C一脆裂度，%

　　F1一未经压折试样抗张强度，kN/m；

　　F2一经压折后试样抗张强度，kN/m。

 

　　为了避免定量对结果的影响，可将两组试样测定的结果计算为裂断长，再求出降低的百分率来表示结果。脆裂度越大表明脆性越大。

 

　　2.J值由基于断裂力学的脆性模数理论发展而来，反映了表面自由能在拉伸当中的变化率，变化率的定义为：

 

 

 

　　式中：u一表面位能；

　　t一试样的厚度；

　　a一裂缝长度。

 

　　J值越大说明脆性就越小，但J值的求法比较复杂，国内较少采用。

 

　　三、影响纸张脆性的因素

 

　　影响纸张脆性的因素来自纸张自身及环境两个方面。自身因素包括：造纸所用原料、纸张定量、浆料打浆度、纸张撕裂度、纸张抗张能量吸收、纸张弹性模数、纸张老化情况等；环境因素主要是空气的温湿度。上述因素共同作用的结果，使纸张表现出一定的脆性。

 

　　由麦草、稻草、芦苇、蔗渣等草类纤维原料抄造的纸张脆性较大，而由木浆、棉浆、麻浆等抄造的纸张脆性较小，在草浆中加入木浆、棉浆、麻浆可降低纸张的脆性。有人将麦草浆处理至不同的打浆度后抄纸，然后测试其脆裂度，发现打浆度在32.5°SR时脆裂度最小。用苇浆所做实验表明，脆裂度出现最小值的打浆度：硫酸盐苇浆是40°SR，亚硫酸盐苇浆是45°SR。用不同定量的竹浆纸、木浆纸所做实验表明，对同一种纸张而言，定量越高则脆裂度越大。

 

　　脆裂度与撕裂度之间存在着一定关系，如果纸发脆，则撕裂度低，相应的脆裂度就提高。抗张能量吸收是一个用以评价纸或纸板韧性的指标。韧性与脆性是一对矛盾，纸张韧性好则不脆，如韧性差，纸就发脆。由此可得出推论：如果抗张能量吸收值高，则脆裂度就小，反之脆裂度就高。纸张的脆性与纸张的刚度有关，而刚度又取决于弹性模数。有人认为，弹性模数越高，则脆性也大，相应脆裂度就高。

 

　　相对湿度与脆裂度有一定关系，当纸页中纤维毛细管吸水量大时，纤维较为柔软，因此脆裂度随相对湿度的提高而降低。

 

　　纸张的老化情况也会影响纸张的脆性，尤其是酸性施胶的纸张，老化速度快，纸张强度下降明显。随着老化的不断发展，纸张的脆性不断提高，老化严重者一触即碎，脆性极大，完全失去机械强度。

 

　　四、降低纸张脆性的途径

 

　　通过上述分析，我们对影响纸张脆性的因素有了较全面的认识，因此可从以下几个方面采取措施降低纸张的脆性：

 

　　1.优化造纸工艺

 

　　严格控制打浆度，将麦草浆打浆度掌握在30°SR左右，苇浆掌握在40—45°SR；采用草浆与木浆、棉浆、麻浆混抄的办法，改善草浆抄纸发脆的问题；适量加填，据报道，在蔗渣浆抄纸时加入填料滑石粉、碳酸钙可降低纸张的脆性；采用中性施胶技术，以碳酸钙等碱性填料加填，增加纸张的耐久性，延缓其老化变脆的速度。

 

　　2.去酸加固

 

　　酸是引起纸张老化变脆的主要原因之一，因此，对酸度较大的纸张采取去酸处理，可延缓其老化变脆的速度；对已经老化变脆、酸度增大的纸张应先进行去酸处理，然后予以加固，以增强其韧性和机械强度，降低其脆性。

 

　　3.控制好纸质档案存储和使用环境的温湿度

 

　　纸张的脆性受环境温湿度的影响，在纸质档案保管及提供利用过程中，环境温度应控制在14—24℃、相对湿度控制在45%一60%，在此温湿度范围内，纸张具有较佳的机械强度及脆性指标，有利于纸张的保护。