نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری حفاظت و مرمت اشیاء فرهنگی و تاریخی، دانشکده حفاظت و مرمت، دانشگاه هنر اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار، دانشکده حفاظت و مرمت، دانشگاه هنر اصفهان، اصفهان، ایران

3 استادیار، دانشکده حفاظت و مرمت، دانشگاه هنر اصفهان، اصفهان، ایران

4 استادیار، گروه پژوهشی شیمی و فرایند، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

10.22092/ijwpr.2023.105602.1747

چکیده

سابقه و هدف: سفیدکاری کاغذ دغدغه بسیاری از حفاظت‌گران است. تحقیقاتی با هدف ارزیابی برخی مواد سفید‌کننده سنتی مورد استفاده در حفاظت اسناد و کتاب­ها مانند پراکسید هیدروژن و بوروهیدرید سدیم انجام شده است که نشان می­دهد این مواد در خصوصیات مکانیکی کاغذهای تاریخی بهبود قابل توجهی ایجاد نمی­کند. همچنین بررسی تأثیر احیاء کننده­ها بر کاغذهای اکسید شده، نشان از اثربخشی کمپلکس ترت بوتیل آمین بوران داشته است. در بررسی دیگر، پنج فرایند رنگبری با اکسید­کننده­ها (هیپوکلریت کلسیم، پراکسید هیدروژن در دو غلظت، سفیدگری نوری (Light Bleaching) و پرمنگنات پتاسیم) و دو فرایند رنگبری با احیاء کننده­ها (بوروهیدرید سدیم و ترت بوتیل آمین بوران) با یکدیگر مقایسه و تأثیر آنها بر روی سلولز خالص (کاغذ صافی واتمن) و دو کاغذ مختلف تاریخی بررسی شده است. نتایج حکایت از آن دارد که تمام روش‌های رنگبری آزمایش شده منجر به افزایش روشنی شده‌اند. با توجه به اختلاف‌نظرها، در این پژوهش میزان اثربخشی دو ماده کاهنده بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم بر ویژگی­های ظاهری و ساختاری کاغذ بررسی می­گردد.
مواد و روش­ها: در این تحقیق از کاغذ فیلتر واتمن شماره 1 (Whatman Filter Paper No. 1) ساخت کشور انگلستان با ضخامت 180 میکرون، قطر 11 سانتی­متر، وزن پایه 87 گرم بر مترمربع (گرماژ) و درصد خاکستر 06/0 درصد استفاده شده است. معرف­های شیمیایی شامل پرسولفات پتاسیم، بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم در بالاترین خلوص در نوع آزمایشگاهی از شرکت مرک آلمان تهیه شده است.
سه محلول شامل پرسولفات پتاسیم (2 درصد وزنی/حجمی)، بوروهیدرید سدیم (1 درصد وزنی/حجمی) و دی­تیونیت سدیم (1 درصد وزنی/حجمی) در آب مقطر ( Distilled water, pH; 7)، برای انجام آزمون­ها بر روی نمونه­های کاغذ به شیوه غوطه­وری استفاده شده است.
نمونه­های کاغذ فیلتر واتمن  به مدت 2 روز (48 ساعت) تحت اکسیداسیون در محلول 2 درصد پرسولفات پتاسیم در آب مقطر به روش غوطه­وری قرار گرفتند و بعد نمونه­ها شسته شدند. در ادامه، نمونه­های اکسید شده به­وسیله دو محلول بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم 1 درصد در آب مقطر در بازه­های زمانی 1 تا 5 ساعت، اصلاح شده و بعد در آب مقطر شسته شدند. همچنین، نمونه­ها تحت کهنه­سازی تسریع یافته بر اساس استاندارد ASTM به شماره D4714-96 در درجه حرارت 2±90 سانتی­گراد و میزان رطوبت‌نسبی 2 ±50 درصد به مدت 384 ساعت قرار گرفتند. روش­های آزمون شامل پتانسیواستات، رنگ­سنجی، مقاومت به کشش،  pH‌سنجی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی مادون‌قرمز است.
نتایج: نتایج نشان می­دهد اکسید‌کننده­ترین محلول در بین سه محلول مورد استفاده در روز اول، پرسولفات پتاسیم است و نشان­دهنده کاهنده بودن دو محلول دی­تیونیت سدیم و بوروهیدرید سدیم است که با توجه به نتایج آزمون، بوروهیدرید سدیم قدرت کاهندگی بیشتری را نسبت به دی­تیونیت سدیم نشان می­دهد. نمونه اکسید شده با pH 92/3 پس از کهنه­سازی تسریع یافته، با افزایش چند واحدی pH پس از اصلاح با دو ماده کاهنده همراه بوده است. بررسی داده­های حاصل از آزمون مقاومت به کشش نشان می­دهد در قیاس با نمونه اکسید شده با شاخص کشش 06/1، نمونه­های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم در همه پنج بازه زمانی اصلاح، سبب افزایش شاخص کششی نمونه­های کاغذ شده است. بررسی طیف‌سنجی مادون‌قرمز نمونه­های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم نشان می­دهد این ماده کاهنده، با احیاء پیوندهای C=O به C-O و کاهش جذب در ناحیهcm-1 1640 سبب بهبود ساختار سلولز پس از کهنه­سازی تسریع یافته شده است. کاهش باند جذبی در ناحیهcm-1 1640 تقریباً در همه بازه­های زمانی اصلاح با این ماده نسبت به طیف نمونه اکسید شده دیده می­شود.
بر اساس داده­ها، نمونه­های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم افزایش قابل توجهی (تقریباً 25 واحدی) را در فاکتور L (روشنی-تیرگی) پس از کهنه­سازی داشته­اند که نشان می­دهد این دو ماده با احیاء ترکیبات رنگی سبب افزایش روشنی نمونه­­ها شده‌اند. در بررسی میکروسکوپی از سطح الیاف، در نمونه­ اکسید شده با پرسولفات پتاسیم جدایی موضعی الیاف مشاهده می­شود. در نمونه­های اصلاح شده با بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم، الیاف با قوام و درهم تنیدگی بیشتری مشاهده می­گردد.
نتیجه‌ گیری: پیوندهای دوگانه و گروه­های کربونیل شکل گرفته در نمونه­ کاغذهای اکسید شده با پرسولفات پتاسیم، مسئول اصلی زردی و تیرگی کاغذ بوده­اند. عوامل کاهنده بوروهیدرید سدیم و دی­تیونیت سدیم سبب کاهش این آلدهید و کتون به هیدروکربن شده، در نتیجه با از بین رفتن پیوندهای چندگانه مزدوج، جذب نور کاغذ کم شده و این مسئله سبب افزایش روشنی کاغذ شده است. کاهش پیوندهای دوگانه و احیاء آنها سبب بازآرایی دوباره زنجیره سلولز شده که به افزایش مقاومت مکانیکی و استحکام نمونه­های کاغذ منجر شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

- Ahmad, Z., Iis, S., Halim, Z., and Sarifuddin, N., 2011. Effect of Fiber Length Variations on Properties of Coir Fiber Reinforced Cement-Albumen Composite (CFRCC). IIUM Engineering Journal. 12, 63-76.
- Banik, G., Brukle, I., 2011.Paper and water. Elsevier Ltd. Burlington.
- Bicchieri, M., Brusa, P., 2017. The bleaching of paper by reduction with Borane Tert-Butylamine complex, Article in Restaurator, https://www.researchgate.net/publication/249945185, accessed online Jan.
Burgess, H. D. 1980. Preprints of the 1980 International Conference on the Conservation of Library and Archive Materials and the Graphic Arts; Institute of Paper Conservation: Cambridge; pp 447–452.
- Burgess, H., D., 1982. Relationships between Color Production in Cellulose and the Chemical Changes Brought About by Bleaching. Lecture presented at AIC Book and Paper Specialty Group Annual Meeting. Restoration of Documents. Academy of Sciences. 57-67.
- Calvini, P., Gorassini, A., Luciano, G., and Franceschi, E., 2006. FTIR and WAXS analysis of periodate oxycellulose: evidence for a cluster mechanism of oxidation. Vibrational Spectroscopy. 40. 177-183.
- Carter, H., 1996. The Chemistry of paper preservation: part 2, the yellowing of paper and conservation bleaching. J. Chem. Educ. 11, 1068-1073.
- Chang, J., Y., Chen, W., C., Huang, T., K., Wang, J., C., Fu, P., S., Chen, J., H., and Hung, C., C., 2012. Evaluating the accuracy of tooth color measurement by combining the Munsell color system and dental colorimeter. Kaohsiung Journal of Medical sciences. 28, 490-494.
- Christie, R., M., 2001. Colour Chemistry. RSC Paperbacks. Royal Social of Chemistry. Cambridge CB40WF, UK.
- Ciolacu, D., Kovac, J., and Kokol, V., 2010. The effect of the cellulose-binding domain from Clostridium cellulovorans on the supramolecular structure of cellulose fibers. Carbohydrate research. 345, 621-630.
- Colom, X., Carrillo, F., 2002. Crystallinity changes in lyocell and viscose-type fibres by caustic treatment. European Polymer Journal. 38, 2225-2230.
- Cristina Area, M., Cheradame, H., 2011. Paper aging and degradation; recent findings and research methods. Bio Resources. 6, 5307-5337.
- Durovic, M., zelinger, J., 1993. Chemical processes in the bleaching of paper in library and archival collections. Restaurator. 14, 78–101.
- Fackler, K., Stevanic, J., S., Ters, T., Hinterstoisser, B., Schwanninger, M., and Salmén, L., 2011. FT-IR Imaging Spectroscopy to Localize and Characterize Simultaneous and Selective White-Rot Decay within Sprude Woodcell. Holzforschung. 659, 411-420.
- Fellers, C., Iversen, T., Lindström, T., Nilsson, T., and Rigdahl, M., 1989. Ageing/ Degradation of paper: A literature survey. Report No.1E.tockholm.
- Hajji, L., Boukir, A., Assouik, J., Pessanha, J., Figueirinhas, S., L.,  and Carvalho, M., L., 2016. Artificial aging paper to assess long-term effects of conservative treatment. Monitoring by infrared spectroscopy (ATR-FTIR), X-ray diffraction (XRD), and energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF). Microchemical Journal. 124. 646-656.
- Hennniges, U., Potthast, A., 2009. Bleaching Revisited: Impact of Oxidative and Reductive BleachingTreatments on Cellulose and Paper. Restaurator. 294 – 320.
- Holik, H., 2006. Handbook of paper and board. John Wiley & Sons. 32p.
- Khajeh-mahmoudi, M., Azadi Boyaghchi, M., Mohammadi Achachluei, M., and Ghahraman Afshar, M., 2021. Evaluation of the effect of oxidizing bleaches on the visual and structural properties of paper. J. Color. Sci. Tech., JCST-2103-1138.
- Łojewski, T., Zięba, K., Knapik, A., Bagniuk, J., Lubańska, A., and Łojewska, J., 2010. Evaluating paper degradation progress: Cross-linking between chromatographic, spectroscopic and chemical results. Applied Physics. 100, 809-821.
- Margutti, S., Conio, G., Calvini, P., and 2001. Pedemonte, E., Hydrolytic and oxidative degradation of paper. Restaurator. 2, 67–83.
- Mosca conte, A.,  Pulci, O.,  Knapik, A.,  Bagniuk, J.,  Del Sole, R.,  Lojewska, J.,  Missori, M., 2012. Role of Cellulose Oxidation in the Yellowing of Ancient Paper. APS Journals, Phys. Rev. Lett., 108(16):285-294.
- Poletto, M., Ornaghi, H., L., Zattera, A., J., 2014. Native Cellulose: Structure, Characterization and Thermal Properties. Materials. 7, 6105-6119.
- Polovka, M., Polovková, J. Vizárová, K., Kirschnerová, S., Bieliková, L., and Vrška, M., 2006. The application of FTIR spectroscopy on characterization of paper samples, modified by Bookkeeper process. Vibrational Spectroscopy. 41. 112-117.
- Rushdy, A., M., Wahba, W., N., Youssef, A., M., and Kamel, S., 2017. Influence of Bleaching Materials on Mechanical and Morphological Properties for Paper Conservation. Egypt. J. Chem.Vol. 60, No. 5, 893 – 903.
- Silverstein, R., M., Webster, F., X., and Kiemle, D., J., 2005. Spectrometric identification of organic compounds. JOHN WILEY & SONS, INC. College of Environmental Science & Forestry. State University of New York.
- Smith, A., W., 2012. Bleaching in paper conservation. Restaurator. 3/4, 223-248.
- Wasif, A., I., Indi, Y., M., 2010. Combined scouring-bleaching of cotton using potassium persulphate. Indian Journal of Fibre & Textile Research. Vol. 35, pp. 353-357
- Xu, F., Yu, J., Tesso, T., Dowell, F., and Wang, D., 2013. Qualitative and Quantitative Analysis of Lignocellulosic Biomass Using Infrared Techniques: A Mini-Review. Applied Energy. 104 801-809.