en
×

分享给微信好友或者朋友圈

使用微信“扫一扫”功能。
作者简介:

张玉芝(1982—),女,硕士,副研究馆员,研究方向为纸质文物保护,E-mail:524584277@qq.com

中图分类号:K876.9;G312

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2022)04-0066-06

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20210902239

参考文献 1
黎珊,戴红旗,孔泳,等.凹凸棒土的应用研究进展[J].化工进展,2013,32(12):2934-2939.LI Shan,DAI Hongqi,KONG Yong,et al.Research progress of attapulgite’s application[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2013,32(12):2934-2939.
参考文献 2
吴月,李艾,黄进,等.凹凸棒的研究进展[J].化学工程与装备,2018(11):281-282.WU Yue,LI Ai,HUANG Jin,et al.Research progress of attapulgite[J].Chemical Engineering & Equipment,2018(11):281-282.
参考文献 3
高庆春,程金兰,杜书兰,等.凹凸棒土对阳离子淀粉的吸附性能及其在纸浆中的应用[J].林业工程学报,2019,4(2):80-86.GAO Qingchun,CHENG Jinlan,DU Shulan,et al.Adsorption of cationic starch on attapulgite and its application in paper industry[J].Journal of Forestry Engineering,2019,4(2):80-86.
参考文献 4
郁骏.凹凸棒土结构性能及在造纸中的应用[D].南京:南京林业大学,2016.YU Jun.Structure properties of attapulgite and application in papermaking[D].Nanjing:Nanjing Forestry University,2016.
参考文献 5
张金萍,郑冬青,童丽媛,等.整本图书脱酸工艺的研究[J].中国造纸,2014,33(9):31-34.ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,TONG Liyuan,et al.Deacidification of a whole book without debinding[J].China Pulp & Paper,2014,33(9):31-34.
参考文献 6
于书大,张金萍,郑冬青,等.图书脱酸保护研究[J].中国造纸,2016,35(11):14-18.YU Shuda,ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,et al.Research on deacidification conservation of books[J].China Pulp & Paper,2016,35(11):14-18.
参考文献 7
FALAYI T,NTULI F.Effect of attapulgite calcination on heavy metal adsorption from acid mine drainage[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2015,32(4):707-716.
目录contents

    摘要

    凹凸棒土又被称为“万用之土”,在工业生产中有广泛应用。将其与纸质文献脱酸常用的碱性介质氢氧化镁复合,产生一种新的复合物。经反复研究,确定复合物中氢氧化镁的负载量最多为25%,同时通过透射电子显微镜(TEM)确定了复合物的状态,物性分析表明凹凸棒土是良好的脱酸材料载体,并验证复合物的形成。后将这种复合脱酸材料应用于纸张脱酸,经过对比,发现其脱酸性能优越且脱酸后纸张性能明显增强。

    Abstract

    Attapulgite clay is well-known as a “universal soil” and has been widely used in industrial production. In our study, it was compounded with magnesium hydroxide—an alkaline medium commonly used for deacidification of paper—to produce a new composite material. After several trials, it was determined that the magnesium hydroxide loading in this composite was at most 25%. The dispersion of the composite was confirmed using transmission electron microscopy (TEM). Physical property analysis showed that attapulgite clay was a good carrier for the deacidification material, and verified the formation of the composite. Subsequently, this composite material was applied to paper deacidification. Through comparison, it was found that the deacidification performance of the composite was superior and that the properties of the paper were significantly enhanced after deacidification.

    关键词

    凹凸棒土氢氧化镁复合物脱酸

  • 0 引言

  • 凹凸棒土属于稀有非金属矿产资源,它是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物,所含成分中硅含量最高,其次是铝、镁、钾和钙等,在我国储量丰富,具有质量好、开采容易、价格低廉的特点。凹凸棒土也是一种天然的纳米材料,具有较大长径比的针状结构——这种独特结构使之在土壤修复、污水治理、家禽饲养、酿酒工业中均有应用[1-2]

  • 此外,也有报道将凹凸棒土添加到纸张原料中,对成纸后的白度和强度都十分有利[3],利用其结构中含有的Si—OH和Mg—OH与纸张纤维以氢键形式结合,增加纸张的强度[4]

  • 利用凹凸棒土独特的结构特点和组分构成,将其与纸质文献脱酸常用的碱性材料复合[5-6],制备成一种新的复合脱酸材料,并将其应用于文献脱酸,以期达到缓释脱酸、纸张性能提高的协同作用。

  • 1 实验前准备

  • 1.1 实验材料

  • 实验用图书(收藏于南京博物院文保所资料室,出版年份为1940—1969年),凹凸棒土(江苏沃源环保科技有限公司)、全氟庚烷(常熟市鸿嘉氟科技有限公司)、乙醇镁(安耐吉化学)、氟碳表面活性剂281(上海福田化工科技有限公司)。

  • 1.2 仪器设备

  • 砂磨机(仪征纬度实验设备有限公司)、JEM-2100透射电子显微镜(日本电子公司)、二级Elix3纯水仪(美国Millipore)、便携式pH计(梅特勒-托利多公司)、X’Pert Pro X射线衍射仪(Philips)、ASAP 2020自动吸附仪(Micromeritics)。

  • 2 脱酸材料的制备及表征

  • 2.1 凹凸棒土的加工

  • 2.1.1 凹凸棒土活化

  • 工作中对凹凸棒土采用焙烧法进行活化。文献[7]表明:当凹凸棒土加热温度超过350℃后,凹凸棒土内的孔道结构开始塌陷;当加热温度超过600℃后,凹凸棒土就会完全失去其特有的纤维状结构。因此将活化温度定为250℃,在这个温度下活化不会破坏凹凸棒土的自身孔道结构和强度。

  • 将200g凹凸棒土原矿粉末加入到1 000mL去离子水中,用磁力搅拌器剧烈搅拌约0.5h后静置,取上层悬浮液置于烘箱中干燥(110℃),再置于马弗炉中,从室温程序升温至250℃,升温速度10℃/min,恒温2h,得活化的凹凸棒土。

  • 2.1.2 凹凸棒土纯化

  • 用X射线粉末衍射法(XRD)测定样品物相组成。所用仪器为Philips X’ Pert Pro X射线衍射仪,测定条件为Cu靶,Cu Kα射线(λ=0.154 056 2nm),Ni滤波片,管压40kV,管流40mA,扫描步长0.02°。XRD结果见图1。

  • 根据图1,原矿中除了具有凹凸棒土的特征衍射峰(14.0°、16.5°、19.8°、21.0°、27.7°、35.2°和39.6°)外,还出现了石英的特征衍射峰(26.8°、42.5°、50.2°、55.1°、61.5°、68.2°、73.4°和75.8°),表明凹凸棒土中还伴生有石英成分。石英成分密度大,悬浮性差,因此有必要降低其含量。

  • 图1 凹凸棒土XRD图谱

  • Fig.1 XRD pattern of attapulgite clay

  • 凹凸棒土内存在较强的氢键和静电作用力,这使得天然凹凸棒土棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集。对凹凸棒土采取高压对辊方式处理,有利于解离凹凸棒土的棒晶束。经过对辊处理的凹凸棒土粉,粉末粒径减小,有利于分散。借助2.1.1中所述方法,使用纯化水对凹凸棒土进行纯化,取悬浮较好的上层留用,共纯化3次。

  • 2.2 氢氧化镁的合成

  • 实验过程中,首先利用水解法制备微纳米级的氢氧化镁,具体的化学方程式如下:

  • MgOC2H52+2H2OMg(OH)2+2C2H5OH
    (1)
  • 经多次实验发现,乙醇镁与纯水在70~80℃下反应2h,水解后氢氧化镁的实际质量与理论值一致,表明乙醇镁水解完全生成氢氧化镁。

  • 2.3 复合物中氢氧化镁的负载量

  • 将5g乙醇镁与7g处理后的凹凸棒土粉末混合,加入50mL纯水,持续搅拌,并加热到75℃,恒温2h,使乙醇镁完全水解为氢氧化镁,并与凹凸棒土混合均匀,水解后将混合物过滤、洗涤和烘干。

  • 水解后的样品烘干后,以氟碳溶剂为分散介质,并加入固体总质量0.01%的非离子型含氟表面活性剂TF281,在砂磨机中研磨分散。

  • 为进一步研究Mg(OH)2-凹凸棒土脱酸材料中氢氧化镁的分散状态,制备了一系列不同负载量的Mg(OH)2-凹凸棒土脱酸材料。这里的负载量指氢氧化镁质量(g)与复合物质量(g)之比,即氢氧化镁的质量分数(%)。

  • 图2为不同负载量的Mg(OH)2-凹凸棒土脱酸材料的XRD图谱,从中可见,脱酸材料中出现的都是凹凸棒土及凹凸棒土中所含石英的特征衍射峰,其中27°处是凹凸棒土中所含石英的特征衍射峰。这些脱酸材料中氢氧化镁的负载量为2%~14%,XRD图谱中均无明显的氢氧化镁衍射峰,表明凹凸棒土上氢氧化镁的负载量小于14%时,氢氧化镁在其中呈均匀分散状态。

  • 图2 Mg(OH)2-凹凸棒土XRD图

  • Fig.2 XRD patterns of Mg(OH)2-attapulgite compounds

  • 为证实复合物中氢氧化镁的负载极限值,需继续提高复合物中氢氧化镁的比例,特此将脱酸材料中氢氧化镁的负载量增加至20%、25%、30%、35%和40%,并进行XRD测定(图3)。

  • 根据图3,氢氧化镁的负载量为20%和25%时,其特征衍射峰仍不明显,增加到30%时,氢氧化镁的特征衍射峰较为明显。以氢氧化镁和凹凸棒土经机械混匀所得的机械混合样为对照,以验证复合物的形成,机械混合样中氢氧化镁的质量分数为25%和40%时,其衍射峰均较强。以上结果表明凹凸棒土上负载25%及以下的氢氧化镁时,氢氧化镁仍未形成完整的晶体结构,在凹凸棒土上呈均匀分散状态,分散在凹凸棒土表面或孔道中。因此在后续实验中,用于纸质文献脱酸实验的脱酸复合物中氢氧化镁负载量确定为25%。

  • 图3 Mg(OH)2-凹凸棒土XRD图

  • Fig.3 XRD patterns of Mg(OH)2-attapulgite compounds

  • 2.4 复合物研究

  • 2.4.1 透射电子显微镜分析

  • 为验证凹凸棒土和氢氧化镁的分散状态,进行脱酸复合物的透射电子显微镜(TEM)分析,照片记录如图4所示。

  • 图4 Mg(OH)2-凹凸棒土透射电子显微镜图片

  • Fig.4 TEM images of Mg(OH)2-attapulgite compounds

  • 从图4a和4b中可见,凹凸棒土为纳米棒状结构,直径约为20nm,分散良好。从图4c和4d可见,在Mg(OH)2-凹凸棒土复合物中,凹凸棒土的棒状结构及氢氧化镁团状结构交错,表明一部分氢氧化镁负载到凹凸棒土表面或孔道当中,另有一部分与凹凸棒土混合在一起。

  • 2.4.2 复合物的物性参数

  • 对新合成的材料,需要先做物性分析,以了解材料基本情况。用N2吸附-脱附法测定样品的表面积和孔结构,所用仪器为Micromeritics ASAP 2020型自动吸附仪。在-196℃下测定样品对氮气的吸脱附等温线。比表面积用BET方法计算,孔体积和孔径分布用BJH方法通过脱附曲线计算。测试之前,样品在200℃抽真空至系统真空度优于8 μmHg。

  • 以相对压力(P/P0)为X轴,以N2吸附量为Y轴,作凹凸棒土原矿的吸附-脱附等温线(图5),其中红色为脱附曲线,黑色为吸附曲线,在相对压力0.8~1.0之间,吸附-脱附等温线有一个明显的滞后环,表明凹凸棒土原矿具有中孔结构。

  • 图5 原矿凹凸棒土的N2吸附-脱附等温线

  • Fig.5 N2adsorption-desorption curves of raw attapulgite clay

  • 图6是凹凸棒土的孔径分布图,可见原矿凹凸棒土存在孔径为10~70nm之间的孔结构。而经过提纯与活化的凹凸棒土孔径分布在5~50nm之间,孔径分布更为集中,特别是在10nm附近,孔体积明显增大。不同负载量的Mg(OH)2-凹凸棒土(纯化后)脱酸材料的物性数据见表1。

  • 根据表1:纯化后的凹凸棒土比表面积为102.8m2·g-1,孔体积为0.24cm3·g-1,平均孔径为11.1nm;纯氢氧化镁的比表面积为88.7m2·g-1,孔体积为0.51cm3·g-1,平均孔径为17.2nm,氢氧化镁中的孔可能是氢氧化镁颗粒堆积而形成的孔,孔道大小与固体颗粒粒径为同一数量级。凹凸棒土中的中孔结构、较大的比表面积、合适的孔径和孔体积使之成为出色的复合物载体。

  • 图6 原矿凹凸棒土与活化凹凸棒土的孔径分布图

  • Fig.6 Pore size distribution diagram of raw attapulgite clay and activated attapulgite

  • 表1 Mg(OH)2-凹凸棒土的比表面积与孔体积

  • Table1 Specific surface areas and pore volumes of Mg(OH)2-attapulgite compounds

  • 图7是Mg(OH)2-凹凸棒土的孔径分布图,可见凹凸棒土在4nm和25nm这两个位置有孔存在,而氢氧化镁的孔出现在10~30nm之间,孔体积较大。氢氧化镁和凹凸棒土中出现两个孔径分布,可以认为是氢氧化镁和凹凸棒土两个孔径分布图的叠加,而负载量25%的Mg(OH)2-凹凸棒土复合物的孔径分布与机械混合样不同,大孔范围孔径值更小一些,表明负载量25%的Mg(OH)2-凹凸棒土脱酸材料中的氢氧化镁并不仅仅是机械混合,部分氢氧化镁还负载到凹凸棒土的表面或孔道当中。

  • 图7 Mg(OH)2-凹凸棒土的孔径分布图

  • Fig.7 Pore size distribution diagram of Mg(OH)2-attapulgite

  • 3 复合物的应用

  • 3.1 pH值变化

  • 取出版于1947年的《解析几何学》作为研究对象,脱酸材料选用2.2所述方法合成的氢氧化镁和2.3所述方法制备的氢氧化镁/凹凸棒土复合物。将两种脱酸材料分散在氟碳溶剂中,其中Mg(OH)2-凹凸棒土中氢氧化镁的负载量为25%,控制两种脱酸材料中的氢氧化镁的量保持一致,氟碳溶剂中氢氧化镁的质量分数梯度为0.042%、0.084%、0.126%(g/g,分别以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示),进行浸泡脱酸,浸泡时间持续30min。

  • 参照GB/T22894—2008《纸和纸板加速老化在80℃和65%相对湿度条件下的湿热处理》的要求,将脱酸处理前后的纸张放入老化箱湿热老化9d,每隔24h取样,并测定纸张的表面pH值,平行测定5组,计算平均值,对比结果见表2。

  • 表2 脱酸效果对比汇总

  • Table2 Comparison of deacidification effects

  • (续表2)

  • 通过表2的对比可见:单纯使用氢氧化镁脱酸,经Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ梯度处理后的纸张在9d湿热老化后,pH值从脱酸前的7.78、7.91和8.47分别降低到7.24、7.80和7.86;而使用复合物脱酸,pH值从7.88、8.78、8.90降低为7.75、8.09、8.29(其中,氢氧化镁组的Ⅰ梯度的3d,Ⅲ梯度的老化3d,复合物组Ⅱ梯度的老化3d,变化规律与其他略显不同,可能是纸张样本个体不同所致)。纵观整体数据,经对比可见,使用复合物脱酸比单纯使用氢氧化镁脱酸效果更明显,耐老化性能更优越。推测在湿热老化过程中,复合物中的氢氧化镁从凹凸棒土的孔道中缓慢释放,从而表现出缓释脱酸的效果。权衡纸张的脱酸效果、复合物的使用量等多因素后,确定Ⅱ梯度为最佳。

  • 3.2 机械性能变化

  • 使用氢氧化镁质量分数0.084%的Mg(OH)2-凹凸棒土悬浊液对纸张进行脱酸,并测定纸张的机械性能,包括耐折度(6组)、抗张强度(6组)和撕裂度(4组)。再比较湿热老化9d前后(其中-0表示纸张老化前的数据,-9表示湿热老化9天后数据)纸张的机械性能变化情况,记录平均值,计入表3。

  • 表3 纸张机械性能变化

  • Table3 Changes of mechanical properties

  • 通过表3可以看出:经脱酸处理纸张的3项机械性能指标均比脱酸前有所提高;湿热老化9d后,经复合物、氢氧化镁脱酸处理的纸张性能优于未脱酸处理的纸张,其中又以复合物组为最优。可见,凹凸棒土与氢氧化镁间确实有提高纸张性能的协同、促进作用。

  • 4 结论

  • 经验证可知:高温焙烧可以活化凹凸棒土,但需将焙烧温度控制在250℃;高压对辊处理、纯水处理筛选3次,可以达到凹凸棒土纯化的目的。

  • 考虑到文物或图书文献的安全性,脱酸过程未使用乙醇镁,而是将其水解为氢氧化镁作为脱酸介质,经反复验证,Mg(OH)2-凹凸棒土复合物中氢氧化镁的最大负载量为25%。

  • TEM分析证实了Mg(OH)2-凹凸棒土不是仅仅机械混合在一起,部分氢氧化镁还负载到凹凸棒土的表面或孔道当中;物料的物性分析也验证了此结论。

  • 通过对比未脱酸、氢氧化镁脱酸、复合物脱酸前后的纸张,发现使用复合物脱酸效果最优,复合物两组分间有缓释脱酸、纸张性能增强的协同作用(在氟碳溶剂脱酸体系中,氢氧化镁的质量分数为0.084%时,脱酸效果最佳)。建议在无水脱酸过程中使用Mg(OH)2-凹凸棒土复合物代替单纯的氢氧化镁脱酸。

  • 参考文献

    • [1] 黎珊,戴红旗,孔泳,等.凹凸棒土的应用研究进展[J].化工进展,2013,32(12):2934-2939.LI Shan,DAI Hongqi,KONG Yong,et al.Research progress of attapulgite’s application[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2013,32(12):2934-2939.

    • [2] 吴月,李艾,黄进,等.凹凸棒的研究进展[J].化学工程与装备,2018(11):281-282.WU Yue,LI Ai,HUANG Jin,et al.Research progress of attapulgite[J].Chemical Engineering & Equipment,2018(11):281-282.

    • [3] 高庆春,程金兰,杜书兰,等.凹凸棒土对阳离子淀粉的吸附性能及其在纸浆中的应用[J].林业工程学报,2019,4(2):80-86.GAO Qingchun,CHENG Jinlan,DU Shulan,et al.Adsorption of cationic starch on attapulgite and its application in paper industry[J].Journal of Forestry Engineering,2019,4(2):80-86.

    • [4] 郁骏.凹凸棒土结构性能及在造纸中的应用[D].南京:南京林业大学,2016.YU Jun.Structure properties of attapulgite and application in papermaking[D].Nanjing:Nanjing Forestry University,2016.

    • [5] 张金萍,郑冬青,童丽媛,等.整本图书脱酸工艺的研究[J].中国造纸,2014,33(9):31-34.ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,TONG Liyuan,et al.Deacidification of a whole book without debinding[J].China Pulp & Paper,2014,33(9):31-34.

    • [6] 于书大,张金萍,郑冬青,等.图书脱酸保护研究[J].中国造纸,2016,35(11):14-18.YU Shuda,ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,et al.Research on deacidification conservation of books[J].China Pulp & Paper,2016,35(11):14-18.

    • [7] FALAYI T,NTULI F.Effect of attapulgite calcination on heavy metal adsorption from acid mine drainage[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2015,32(4):707-716.

  • 参考文献

    • [1] 黎珊,戴红旗,孔泳,等.凹凸棒土的应用研究进展[J].化工进展,2013,32(12):2934-2939.LI Shan,DAI Hongqi,KONG Yong,et al.Research progress of attapulgite’s application[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2013,32(12):2934-2939.

    • [2] 吴月,李艾,黄进,等.凹凸棒的研究进展[J].化学工程与装备,2018(11):281-282.WU Yue,LI Ai,HUANG Jin,et al.Research progress of attapulgite[J].Chemical Engineering & Equipment,2018(11):281-282.

    • [3] 高庆春,程金兰,杜书兰,等.凹凸棒土对阳离子淀粉的吸附性能及其在纸浆中的应用[J].林业工程学报,2019,4(2):80-86.GAO Qingchun,CHENG Jinlan,DU Shulan,et al.Adsorption of cationic starch on attapulgite and its application in paper industry[J].Journal of Forestry Engineering,2019,4(2):80-86.

    • [4] 郁骏.凹凸棒土结构性能及在造纸中的应用[D].南京:南京林业大学,2016.YU Jun.Structure properties of attapulgite and application in papermaking[D].Nanjing:Nanjing Forestry University,2016.

    • [5] 张金萍,郑冬青,童丽媛,等.整本图书脱酸工艺的研究[J].中国造纸,2014,33(9):31-34.ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,TONG Liyuan,et al.Deacidification of a whole book without debinding[J].China Pulp & Paper,2014,33(9):31-34.

    • [6] 于书大,张金萍,郑冬青,等.图书脱酸保护研究[J].中国造纸,2016,35(11):14-18.YU Shuda,ZHANG Jinping,ZHENG Dongqing,et al.Research on deacidification conservation of books[J].China Pulp & Paper,2016,35(11):14-18.

    • [7] FALAYI T,NTULI F.Effect of attapulgite calcination on heavy metal adsorption from acid mine drainage[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2015,32(4):707-716.

  • 您是第位访问者
    主办单位:上海博物馆 编辑出版:《文物保护与考古科学》编辑委员会
    地址:上海市徐汇区龙吴路1118号,上海博物馆文物保护科技中心,《文物保护与考古科学》编辑部
    电话:021-54362886 传真:021-54363740 E-mail:wwbhykgkx@163.com
    文物保护与考古科学 ® 2026 版权所有
    沪ICP备10003390号-3
    沪公网安备 31010102005301号