Л. Г. Левашова, Е. М. Шепилова, А. А. Галушкин, Т.С. Ткаченко Влияние ультразвука на прочностные свойства бумаги при водной обработке документов

Л. Г. Левашова, Е. М. Шепилова, А. А. Галушкин, Т.С. Ткаченко

Влияние ультразвука на прочностные свойства бумаги при водной обработке документов

Как правило, документы, поступающие на реставрацию, помимо ослабленной механической прочности основы и, зачастую, значительных утрат, имеют поверхностные загрязнения и загрязнения, достаточно глубоко вошедшие в структуру бумаги. Кроме того, деструктивные процессы, происходящие в ней на протяжении многих лет, приводят к изменению цветности листа – пожелтению и побурению в результате накопления в бумаге продуктов распада волокнистых и других составляющих.

Обычно перед проведением реставрационных мероприятий, связанных с упрочнением материальной основы документа, осуществляют предварительную чистку листов различными методами. Если поверхностные загрязнения достаточно легко удаляются при помощи сухой механической чистки, то загрязнения, вошедшие в структуру бумаги, а особенно продукты ее деструкции, можно в той или иной степени вывести из нее лишь с помощью различных водных обработок, начиная с простой промывки в воде и заканчивая обработкой в различных растворах с применением химических реагентов. Данные обработки проводятся, как правило, в течение длительного времени и при повышенной температуре раствора. При таком длительном контакте бумаги с водой и водными растворами химических реагентов происходит набухание целлюлозных волокон с частичной потерей водородных связей, и при высушивании бумаги идет потеря прочности с увеличением ее пористости и линейной остаточной деформации.

Большой интерес для реставраторов представляют методы очистки документов на бумаге в воде и водных растворах при уменьшении времени процесса и при увеличении количества и скорости извлечения загрязнений из документов.

Для очистки различных материалов в промышленности уже давно используются ультразвуковые технологии [1, 2]. В последнее время появились ультразвуковые (УЗ) приборы для водной обработки текстильных материалов (стирки белья). Производители этих приборов указывают в рекламных проспектах, что одновременно с очисткой текстиля происходит его дезинфекция и отбелка, что делает их привлекательными для применения в реставрационной практике.

Целью данной работы является проверка возможности применения бытовых УЗ-источников для интенсификации процессов очистки бумаги документов от загрязнений. Нами были выбраны следующие приборы (рис. 1).

1. Устройство для стирки «Solana biniclean»

Прибор состоит из блока питания, размещенного в сетевой вилке, акустического излучателя, выполненного в виде пластикового диска, соединенных электрическим шнуром.

Рис. 1. Бытовые ультразвуковые приборы: а) «Ультратон» МС-2000; б) Solana biniclean; в) «УЛЬТРАТОН-автомат»

Блок питания и пьезоэлемент, установленный в диске излучателя, преобразуют питающее напряжение в акустические колебания звуковых и ультразвуковых частот, создающие в моющем растворе волновые и кавитационные процессы, которые и способствуют разрушению частиц загрязнения.

Технические характеристики:

– напряжение питания – 220 В;

– потребляемая мощность – не более15 Вт;

– частота ультразвуковых колебаний – 6–10 кГц;

– масса – не более 200 г.

2. Ультразвуковое устройство для стирки «Ультратон» Модель МС-2000

Устройство для стирки выполнено в виде неразборного диска – излучателя, наружные мембраны которого служат для передачи ультразвуковых колебаний в окружающую среду. Диск соединен с блоком питания электрическим кабелем.

Устройство является излучателем ультразвуковых колебаний, которые в мыльном растворе образуют микроскопические пузырьки, с высоким давлением внутри.

Пузырьки проникают между волокнами, при соприкосновении с ними происходят микровзрывы, что позволяет удалить частицы грязи не только с поверхности, но и очистить внутреннюю структуру.

Технические характеристики:

– напряжение питания – 220 В;

– потребляемая мощность – не более 20 Вт;

– частота ультразвуковых колебаний – 20–60 кГц;

– масса – не более 300 г.

3. Ультразвуковой бытовой прибор для стирки текстиля «УЛЬТРАТОН-автомат»

Прибор для стирки выполнен в виде неразборного диска-излучателя, наружные мембраны которого служат для передачи ультразвуковых колебаний в окружающую среду. Диск соединен с блоком питания электрическим кабелем.

Прибор является излучателем ультразвуковых колебаний, которые в мыльном растворе образуют микроскопические пузырьки, с высоким давлением внутри.

Пузырьки проникают между волокнами, при соприкосновении с ними происходят микровзрывы, что позволяет удалить частицы грязи не только с поверхности, но и очистить внутреннюю структуру.

Прибор имеет 5 режимов генерации ультразвука: 4 – для стирки текстиля и 1 – для замачивания, отличающиеся друг от друга частотой и амплитудой ультразвуковых волн.

Технические характеристики:

– напряжение питания – 176–242 В;

– частота тока питающей сети – 50 Гц;

– потребляемая мощность – не более 10 Вт;

– частота ультразвуковых колебаний – 25–55 кГц;

– количество режимов генерации ультразвука – 5.

Два первых прибора имеют постоянные частотные характеристики, причем модель «Solana biniclean» лишь условно можно отнести к УЗ-приборам, т. к. частота его излучения находится в пределах высокочастотного звукового диапазона. Модель «УЛ ЬТ РАТ О Н – автомат» имеет несколько режимов обработки, отличающихся амплитудно-частотными характеристиками (рис. 2).

На первом этапе работы необходимо было выяснить, как влияют факторы воздействия УЗ динамических колебаний на механическую прочность бумаги.

Рис. 2. Частотные характеристики прибора «УЛЬТРАТОН – автомат» при различных режимах работы

Известно, что УЗ-очистка может рассматриваться как сложный физико-химический процесс, включающий в себя:

1) кавитационное разрушение химически связанных с поверхностью и нерастворимых загрязнений;

2) кавитационное разрушение нерастворимых и химически не связанных загрязнений;

3) эмульгирование и увеличение скорости растворения загрязнений;

4) удаление отдельных загрязнений из зоны очистки микропотоками и флотацией на всплывающих пузырьках.

Кавитационно-эррозионное воздействие на бумагу как на волокнисто-пористый коллойдный материал, где целлюлозные волокна связаны между собой низкоэнергетической водородной связью, может привести к значительному ослаблению прочности бумаги до ее полного разрушения, и поэтому даже при использовании низкомощных источников излучения необходимо было в первую очередь изучить их влияние на прочностные характеристики бумаги.

Эксперимент производился на образцах бумаги массой 80 г/м² из сульфитной, сульфатной целлюлозы и хлопковой полумассы. Обработка образцов проводилась погружением их в кювету с дистиллированной водой при температуре 18–20^оС на 1 час, на дно кюветы помещался источник излучения (рис. 3).

Предварительные исследования показали, что при погружении бумаги в воду на 2,5 часа и более происходит снижение показателя прочности на излом даже без УЗ-воздействия. Поэтому оптимальным временим обработки бумаги в воде можно считать ее погружение на 1 час.

Поскольку наиболее чувствительным показателем к любым воздействиям на бумагу, связанным с ее долговечностью, считается сопротивление излому, этот показатель и был выбран нами в качестве основного критерия оценки прочности бумаги. Также оценивались оптические характеристики образцов – коэффициент отражения. Контрольными образцами являлись те же виды бумаги, прошедшие водную обработку без УЗ-воздействия. Полученные данные представлены в таблицах. Из таблицы 1 видно, что прочность бумаги на излом после УЗ-воздействия не снижается по сравнению с контрольными образцами, а у бумаги из сульфатной целлюлозы происходит увеличение этого показателя, причем эта тенденция сохраняется и после термостарения (особенно в машинном направлении).

Рис. 3. Промывка документа дистиллированной водой с применением ультразвукового прибора

Относительно режима УЗ-обработки можно сделать такой вывод: в наибольшей степени увеличение показателя сопротивления излому наблюдается при воздействии на бумагу высокочастотного звукового диапазона – прибора «Solana». В несколько меньшей степени – при воздействии прибора «Ультратон» МС-2000, и примерно те же результаты получены при работе на мягких режимах (1 и 5) прибора «УЛЬТРАТОН-автомат».

В то же время (таблица 2) наиболее заметное увеличение коэффициента отражения дает применение более жестких режимов (3 и 4) прибора «УЛЬТРАТОН – автомат». Можно предположить, что некоторое увеличение коэффициента отражения исследованных образцов бумаги является не столько следствием отбелки целлюлозы при УЗ-воздействии на нее, сколько результатом удаления из нее продуктов деструкции, возникающих при естественном старении, т. к. хлопковая бумага, а также бумага из сульфитной и сульфатной целлюлозы, взятая для опытов, была выработана в 1961 г.

Воздействие УЗ-обработки на газетную бумагу того же года выпуска при различных режимах с использованием вышеуказанных приборов показало (табл. 3), что интенсификация процесса очистки старой бумаги с низким значением исходной белизны наиболее эффективно происходит на режимах 1 и 3 прибора «УЛЬТРАТОН – автомат» и с использованием приборов «Solana» и «Ультратон» МС-2000. При этом на всех режимах УЗ-обработки коэффициент отражения увеличивается больше, чем при промывке дистиллированной водой без ультразвукового воздействия.

На фотографии видно (ил. 4), что образцы старой газетной бумаги после воздействия ультразвуком имеют более светлый тон. Результат опыта наглядно показывает, что УЗ-обработка газетного листа более эффективна, чем промывка в воде в течение того же времени (ил. 5).

Суммируя вышесказанное, можно заключить, что применение бытовых УЗ-приборов для стирки текстиля при водной обработке бумаги приводит к интенсификации процесса очистки ее от загрязнений и продуктов деструкции целлюлозы, не оказывая отрицательного воздействия на механическую прочность. Сравнение результатов работы использованных нами УЗ-источников не выявило явных преимуществ какого-либо из них.

Дальнейшее исследование предполагает изучение процессов очистки документов с помощью УЗ-приборов в водных растворах ряда химических реагентов щелочного характера, в буферных растворах, в растворах, содержащих отбеливающие и поверхностно-активные вещества.

Литература

1. Келлер О. К., Кратыш Г. С., Лубеницкий Г. Д. Ультразвуковая очистка [Текст] / О. К. Келлер, Г.С. Кратыш, Г.Д. Лубеницкий. – Л.: Машиностроение. – 1974. – С. 181.

2. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах [Текст] / Б.Г.Новицкий. – М.: Химия. – 1983. – С. 192.

Таблица 1. Влияние УЗ-обработки на показатель сопротивления бумаги излому до и после термостарения (100 °C, 72 часа), ч.д.п.

Таблица 2. Влияние УЗ-обработки на изменение коэффициента отражения газетной бумаги

Таблица 3. Влияние УЗ-обработки на изменение коэффициента отражения газетной бумаги

Данный текст является ознакомительным фрагментом.