Φυσικοχημικές παράμετροι της συντήρησης χαρτιού

Abstract

Paper conservation science can make a significant contribution to the effort of saving documents of historical importance or works of art on paper. Two of the most important fields of research in the area of paper conservation are deacidification and chemical cleaning of paper with the use of the appropriate solvents. In order to propose efficient conservation processes, the causes of paper decay should be investigated. For this purpose, one of the first subjects of the present Ph.D. thesis was the extensive study of accelerated thermal ageing of paper. The behavior of lignocellulosic and pure cellulosic paper after accelerated ageing tests under conditions of high temperature and cyclically alternated (or constant) relative humidity, was studied. More precisely, the progress of optical, physical, chemical and mechanical properties of paper samples at successive intermediate stages of ageing tests was monitored. Following, the behavior of the same paper samples at successive intermediate stages of accelerated UV ageing tests was studied. The results of both sorts of accelerated ageing tests were used for comparisons with the corresponding results for the deacidified paper samples, in one of the next chapters of the thesis. In the next stage of the thesis, the preparation of dispersions of Ca(OH)₂ and Mg(OH)₂ nanoparticles in various alcohol media took place. The particles were produced with two different methods. According to the first method, Ca(OH)₂ particles were produced after “slaking” CaO in a Tris-(hydroxymethyl)-aminomethane aqueous solution. According to the second method, Mg(OH)₂ or Ca(OH)₂ particles were produced after homogeneous phase reactions of MgSO₄, MgCl₂·6H₂O or CaCl₂·2H₂O with NaOH. Particles were then dispersed in ethanol, n-propanol, 2-propanol or butanol. The produced dispersions were characterized with measurements of the average size of Ca(OH)₂ or Mg(OH)₂ particles using dynamic light scattering and with zeta-potential measurements. Deacidification took place by immersion of paper sheets in the hydroxide nanoparticles dispersions. Subsequently, the effectiveness of the proposed deacidification method for both sorts of paper was thoroughly tested by means of accelerated thermal ageing and accelerated UV ageing tests. At first, the effect that deacidification on new paper samples had, was investigated in order to find out if this method can be used as a preventive protection method. Then, the deacidification method was applied to already aged paper samples, in order to achieve a more realistic simulation of the addition of an alkaline reserve to actual, acidic old paper samples. The experiments proved that deacidification of new paper samples protected them against UV radiation but not against intense variations of relative humidity in dark rooms. Deacidification of aged paper samples can protect them either against fluctuations of relative humidity or against UV radiation. In the next series of experiments, the behavior of impregnated with iron gall ink lignocellulosic and pure cellulosic paper samples after accelerated UV ageing was studied. In addition, the effect of deacidification with dispersions of Ca(OH)₂ or Mg(OH)₂ nanoparticles on covered by iron gall ink areas of documents or works of art, was examined. For this purpose, new accelerated ageing tests were performed. From these tests it was found out that the proposed deacidification method can also be applied without problems to areas covered by iron gall ink. Another important field of paper conservation science is the chemical cleaning of paper with the use of appropriate solvents. In the present thesis, a method for the prediction of thermophysical properties of organic compounds, according to their molecular structure only, was developed. This method is a characteristic group contribution method which is based on the conjugation theory. Combined with the NRHB (Non-Random Hydrogen-Bonding) lattice fluid theory, the method can be extended to the prediction of temperature-dependent thermophysical properties. It was found out that this easy-to-use method can ensure a satisfactory accuracy of predictions. By this way, the knowledge of thermophysical properties of the compounds to be diluted (either impurities or compounds used in paper or art conservation) can lead to the selection of the most appropriate solvents for each specific case.

Η Επιστήμη της Συντήρησης Χαρτιού συμβάλλει αποφασιστικά στην προσπάθεια διατήρησης ιστορικών εγγράφων ή έργων τέχνης σε χαρτί. Δύο από τους κυριότερους τομείς της έρευνας στο χώρο της συντήρησης χαρτιού είναι η αποξίνιση και ο χημικός καθαρισμός του χαρτιού με χρήση κατάλληλων διαλυτών. Προκειμένου να προταθούν αποτελεσματικές διεργασίες συντήρησης θα πρέπει πρώτα να διερευνηθούν τα αίτια της φθοράς του χαρτιού. Για το σκοπό αυτό ένα από τα πρώτα θέματα της διατριβής αφορούσε την εκτεταμένη μελέτη της θερμικά επιταχυνόμενης γήρανσης του χαρτιού. Μελετήθηκε η συμπεριφορά λιγνινοκυτταρινικού και αμιγώς κυτταρινικού χαρτιού μετά από πείραμα επιταχυνόμενης γήρανσης σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και κυκλικά εναλλασσόμενης (ή σταθερής) σχετικής υγρασίας παρακολουθώντας την εξέλιξη οπτικών, φυσικοχημικών και μηχανικών ιδιοτήτων των δειγμάτων σε διαδοχικά ενδιάμεσα στάδια της γήρανσης. Στη συνέχεια μελετήθηκε η συμπεριφορά των ίδιων δειγμάτων χαρτιού σε ενδιάμεσα διαδοχικά στάδια επιταχυνόμενης γήρανσης υπό την επίδραση ακτινοβολίας UV. Τα αποτελέσματα και των δύο ειδών πειραμάτων επιταχυνόμενης γήρανσης χρησιμοποιήθηκαν για να συγκριθούν με τα αντίστοιχα των αποξινισμένων δειγμάτων στη συνέχεια. Σε επόμενο στάδιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε η Παρασκευή αιωρημάτων νανοσωματιδίων Ca(OH)₂ και Mg(OH)₂ με μέσο διασποράς διάφορες αλκοόλες. Τα σωματίδια παρήχθησαν με δύο διαφορετικές μεθόδους. Σύμφωνα με την πρώτη μέθοδο, σωματίδια Ca(OH)₂ παρήχθησαν με «σβήσιμο» (ενυδάτωση) CaO σε υδατικό διάλυμα Tris-(υδροξυμέθυλο)-αμινομεθανίου. Σύμφωνα με τη δεύτερη μέθοδο, σωματίδια Mg(OH)₂ ή Ca(OH)₂ παρήχθησαν με αντιδράσεις ομογενούς φάσης ανάμεσα σε MgSO₄, MgCl₂·6H₂O ή CaCl₂·2H₂O και NaOH. Τα σωματίδια διασπάρθηκαν στη συνέχεια σε αιθανόλη, προπανόλη, 2-προπανόλη ή βουτανόλη. Τα παρασκευασθέντα αιωρήματα χαρακτηρίστηκαν με μέτρηση του μέσου μεγέθους των αιωρούμενων σε αυτά σωματιδίων Ca(OH)₂ ή Mg(OH)₂ με τη βοήθεια δυναμικής σκέδασης του φωτός και μέτρηση του ζ-δυναμικού τους. Η εφαρμογή των αιωρημάτων στα δείγματα χαρτιού έγινε με τη μέθοδο της εμβάπτισης. Στη συνέχεια μελετήθηκε ενδελεχώς η αποτελεσματικότητα που προσφέρει η συγκεκριμένη μέθοδος αποξίνισης και στα δύο είδη χαρτιού, με τη βοήθεια πειραμάτων θερμικά επιταχυνόμενης γήρανσης και γήρανσης υπό την επίδραση ακτινοβολίας UV. Πρώτα μελετήθηκε η επίπτωση που είχε η αποξίνιση σε δείγματα νέου χαρτιού προκειμένου να διαπιστωθεί εάν αυτή η μέθοδος μπορεί να λειτουργήσει ως μία μέθοδος προληπτικής προστασίας. Έπειτα η μέθοδος αποξίνισης εφαρμόστηκε σε ήδη γηρασμένα δείγματα χαρτιού με σκοπό την όσο το δυνατό ρεαλιστικότερη προσομοίωση της απόδοσης αλκαλικού αποθέματος σε πραγματικά δείγματα όξινου παλαιού χαρτιού. Από τα πειράματα αποδείχτηκε ότι η αποξίνιση δειγμάτων νέου χαρτιού παρέχει προστασία έναντι της ακτινοβολίας UV, όχι όμως και κατά των έντονων μεταβολών σχετικής υγρασίας σε σκοτεινούς χώρους. Η αποξίνιση δειγμάτων παλαιού χαρτιού παρέχει προστασία τόσο έναντι της ακτινοβολίας UV όσο και έναντι των διακυμάνσεων της σχετικής υγρασίας. Σε επόμενα πειράματα μελετήθηκε η συμπεριφορά εμποτισμένων με σιδηρογαλλικό μελάνι δειγμάτων λιγνινοκυτταρινικού και αμιγώς κυτταρινικού χαρτιού μετά από φωτοχημική γήρανση. Επίσης διερευνήθηκε η επίπτωση που είχε η αποξίνιση με αιωρήματα νανοσωματιδίων Ca(OH)₂ ή Mg(OH)₂ στις εμποτισμένες με σιδηρογαλλικό μελάνι περιοχές των εγγράφων ή έργων τέχνης. Γι’ αυτό το σκοπό διεξήχθησαν νέα πειράματα επιταχυνόμενης γήρανσης. Από τα πειράματα αυτά διαπιστώθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος αποξίνισης μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς πρόβλημα και στις περιοχές που καλύπτονται από σιδηρογαλλικό μελάνι. Ένα άλλο σημαντικό πεδίο στην επιστήμη συντήρησης χαρτιού είναι ο χημικός καθαρισμός του με τη χρήση κατάλληλων διαλυτών. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μέθοδος πρόβλεψης των ιδιοτήτων οργανικών ενώσεων με βάση αποκλειστικά τη μοριακή τους δομή. Η μέθοδος αυτή είναι μία μέθοδος συνεισφοράς χαρακτηριστικών ομάδων και βασίζεται στη θεωρία συζυγών δομών. Συνδυαζόμενη με τη θεωρία δικτυακού ρευστού μη τυχαίας διευθέτησης (NRHB) η μέθοδος μπορεί να επεκταθεί ακόμα και στην πρόγνωση ιδιοτήτων που εξαρτώνται από τηθερμοκρασία. Διαπιστώθηκε ότι αυτή η απλή στην εφαρμογή μέθοδος εξασφαλίζει μεγάλη ακρίβεια προβλέψεων. Με αυτό τον τρόπο, γνωρίζοντας τις θερμοφυσικές ιδιότητες των προς διάλυση ενώσεων (είτε πρόκειται για ρύπους είτε πρόκειται για ενώσεις που χρησιμοποιούνται στη συντήρηση χαρτιού ή έργων τέχνης), μπορούν να προταθούν οι καταλληλότεροι σε κάθε περίπτωση διαλύτες.