Читаем Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 2 полностью

Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 2

Рассмотрим последовательное изменение теплоемкости по мере повышения температуры. Можно предположить, что на плавление кристаллов целлюлозы требуется затрата тепловой энергии, что отражается начальными участками подъема кривых. До 373°К (100 °C) никакого химического изменения не происходит. Теплоемкость изменяется за счет физического плавления кристаллов и удаления капиллярной и гидратной воды. После максимума преобладают процессы старения полимера. Композиция «бумага – 5 %-ный раствор NaПМАК» и бумага стареют при более низких температурах.

График зависимости теплоемкости от температуры можно условно разделить на четыре области:

I – область до 373°К (до 100 °C) – область устойчивости к старению;

II – от 373°К до 433°К – область медленного старения без деструкции (может быть использована для контроля длительности сохранности объекта консервации);

III – от 433°К до 523°К – область быстрого старения с деструкцией полимера и разложением бумаги;

IV – выше 523°К – область термоокислительной деструкции, где происходит обугливание бумаги.

Для исследуемых образцов были рассчитаны энтальпии физических переходов:

Пленка NaПМАК _trH = 185 Дж/Моль х К, Т_tr = 417,3°К

Бумага _trН = 99,1 Дж/Моль х К, Т_tr = 391,6°К

Бумага – 5 %-ный NaПМАК _trH = 184 Дж/Моль х К, Т_tr = 381°К

Проведенное исследование показало, что в композиции «бумага – 5 %-ный раствор NaПМАК» происходит физическое взаимодействие между ее компонентами.

Теплостарение проводили в течение 1–6 часов при температуре до 100, 160 и 240 °C, после чего оценивали изменение механических свойств бумаги и композиций.

Об устойчивости к старению под действием тепла образцов бумаги, обработанной полиакриловыми сополимерами, судили по изменению их прочностных характеристик, а также по потере массы во времени (в условиях, приводящих к деструкции как полиакрилата, так и целлюлозы бумаги). На рис. 2 представлены данные по влиянию продолжительности теплового воздействия на прочностные свойства образцов бумаги. Приведенные данные показывают, что в течение 2 часов происходит возрастание прочности всех образцов бумаги, что связано, очевидно, с испарением остаточной сорбированной воды, которая является пластификатором для целлюлозных волокон бумаги.

Дальнейшее снижение прочностных характеристик обусловлено, вероятнее всего, старением бумаги. Причем старение непропитанной полимерами бумаги протекает быстрее, чем пропитанной. Это говорит о том, что полиакрилаты задерживают процесс старения бумаги. При 160 °C наблюдается аналогичная зависимость изменения прочности консервированной полиакрилатами бумаги. Выбор температуры в пределах от 100^оС до 160^оС обусловлен тем, что при этом происходит интенсивное старение бумаги, а термодеструкция полимеров практически не наблюдается.

Рис. 2. Влияние времени t (час) теплового старения (Т = 100 °C) на разрывную прочность _р (Па) образцов газетной бумаги, обработанной 2 мас.% растворами сополимеров состава, мас.%: 1 – 96 NaАК-4 МА; 2 – NaПАК; 3 – 96 NaАК-4 БА; 4 – смоченной водой и высушенной при комнатной температуре.

О возрастании устойчивости бумаги к высокотемпературному воздействию при консервации ее исследуемыми акриловыми сополимерами свидетельствуют данные рис. 3, на котором представлено изменение массы образцов бумаги в условиях протекания термоокислительной деструкции как полимера, так и бумаги.

Рис. 3. Потеря веса Р (%) композиции бумага – полимер во времени t (ч) термоокислительной деструкции при 240 °C. Бумага пропитана 2 мас.% растворами сополимеров состава, мас.%: 1 – 96 NаАК-4БА; 2 – 96 NаАК-4МА; 3 – NаПМАК; 4 – NаПАК; 5 – исходная бумага.

Полученные данные позволяют выделить температурные диапазоны сушки, теплостарения и термодеструкции. Для композиции «бумага – консервант», подвергшейся термовоздействию при 100° и 160 °C, зависимость прочности от времени прогрева проходит через максимум, который наблюдался после 2 часов прогрева (сушки). При дальнейшем увеличении времени прогрева происходит уменьшение механической прочности. Повышение механической прочности и жесткости бумаги обусловлено процессами удаления воды, служащей пластификатором волокон целлюлозы, одновременно с удалением воды происходит термостарение целлюлозы, приводящее к снижению ее прочности. Скорость протекания этих антибатных процессов пропорциональна увеличению температуры теплостарения. Увеличение концентрации пропитывающих растворов повышает прочность бумаги при любом времени прогрева. При 240 °C целлюлоза разлагается, обугливается и теряет прочность. Введение полимера в бумагу замедляет скорость термодеструкции.