細菌纖維素在紙質檔案修復中的應用研究

胡維星

（棲霞市中醫醫院，山東 棲霞 265300）

引言

近年來，隨著生物技術的發展，一些生物材料逐漸被應用于紙質檔案的修復中。其中，細菌纖維素作為一種天然、可降解的生物材料，具有優良的物理性能和穩定性，受到了廣泛關注。細菌纖維素是由某些細菌在一定條件下分泌的一種天然高分子材料，具有較高的結晶度和分子排列規整性，使其具有優良的力學性能和穩定性。此外，細菌纖維素的生產過程中不使用任何化學原料，是一種環保、可持續的生物材料。這些特點使得細菌纖維素在文物保護領域具有廣闊的應用前景。

1 細菌纖維素的介紹與研究背景

細菌纖維素（BacterialCellulose，BC）是由特定的微生物（主要為細菌）產生的細胞外纖維素。作為一種新型的生物材料，它具有許多獨特的性質和優勢，包括良好的生物親和性、相容性、降解性、適應性、高持水性、結晶度、良好的納米纖維網絡、高張力和強度，以及良好的機械韌性等。

近年來，隨著對細菌纖維素的研究不斷深入，其生產方法和應用領域也在不斷拓展。目前，木醋桿菌是研究最多的能夠產生細菌纖維素的菌種，其培養過程相對簡單，使用含有葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、Na2HPO4 等營養成分和pH 值調節材料的培養基即可［1］。然而，盡管細菌纖維素具有許多優良性質和應用前景，其研究和應用仍面臨一些挑戰，如生產效率、純度、可控性等方面的問題。未來，需要進一步深入研究細菌纖維素的形成機制、性質調控等方面的內容，以推動其在更多領域的應用和發展。

2 紙質檔案修復技術概述

我國的檔案修復工作源遠流長，從先秦開始就有了很長的發展和傳承。檔案文件的傳統修復方法是利用淀粉中含有的大量羥基和水分，使其黏合、對接和增強；除此之外，他還需要用到一些動物的膠水，比如魚頭、魚骨、魚皮，這些東西都可以用來做膠水，再用來黏合和修補紙張，但動物膠的制造比較復雜，在這個時代也很難實現。

當今社會，科技發展推動了物質化學研究的進步，進而促使檔案復原技術多樣化。紙質檔案修復技術主要包括去污、去酸、加固、修裱、字跡恢復等。具體方法包括機械法、化學溶劑法等。去酸技術的目的是使檔案紙張接近中性，延長壽命，加固技術使用紙張、粘合劑加固破損檔案。修裱技術則是對破損檔案進行修復，字跡恢復技術使模糊或褪色字跡變清晰。此外，紙質檔案修復還需要注意一些原則，修復需遵循保持原貌、不損壞有價值歷史痕跡的原則，使用的材料和方法應符合永久保存要求，并具有可逆性，以最大限度地延長檔案壽命。

3 研究方法與實驗設計

3.1 實驗材料與設備儀器

（1）實驗材料：細菌纖維素、普通復印紙（70 g/m）、宣紙、書寫稿紙、學生實用繪圖儀、NaOH、丙三醇、水。

（2）設備儀器：電子天平、定距裁紙器、量筒、燒杯、過濾網、酒精燈、玻璃棒、稱量血、液體溫度計等，還有纖維標準解離器、恒溫恒濕試驗箱、ZB-A 色度儀、ZPM-1000 型紙張耐破度測定儀、紙張撕裂度測定儀、微電腦測控拉力試驗機、MIT 耐折度測定儀等。

3.2 實驗過程與操作步驟

首先，需要確保細菌纖維素處于中性環境中。這是因為細菌纖維素在弱酸環境下能更好地保持其品質，同時也有助于延長其保質期。但當我們準備使用它時，必須用大量的清水沖洗至中性。第二步，使用纖維疏解器對細菌纖維素進行細致的解離，使得纖維能夠均勻地懸浮在水中，形成細菌纖維素漿液。這個步驟相對簡單，不需要特殊的實驗環境或高超的操作技能。第三步，完成漿液制備后，再通過表面涂刷的方式，將細菌纖維素均勻地應用到紙張上。使用排刷確保紙張完全被涂刷，然后用玻璃棒推勻。第四步，將涂刷后的紙張平放在工作臺上，并在上面鋪一層塑料紙以防止紙張與臺面粘連。在常溫下自然晾干，讓紙張上的多余水分完全揮發。第五步，通過一系列測試來評估修復效果。這些測試包括光學性能（如白度變化）和機械性能（如撕裂度、耐破度、抗張力和耐折度）的測定。這些性能的變化直接反映了細菌纖維素在紙張修復中的應用效果。為了更深入地了解細菌纖維素的修復效果，本文將研究五個關鍵因素：細菌纖維素漿液的濃度、纖維解離器的轉數、涂布的纖維素量、漿液的pH 值以及涂布溫度。這些因素將直接影響檔案紙張的修復效果，因此我們的實驗將圍繞它們展開。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗數據說明與誤差分析

4.1.1 數據說明

（1）紙張力試驗說明：張力測量卡盤之間的距離設定為150 毫米，紙樣品的長度大于175 毫米，寬度為12 毫米。由于部分紙張定量信息不明確，所以本文研究是采用抗張力數據來進行分析。

（2）紙的耐折度試驗說明：耐折度試驗的拉力為4.9N，折彎的角度為左右135 度±2 英寸。樣品的尺寸長度大于150 毫米，寬度為15 毫米。

（3）色差測量試驗說明：色差測量是按照國際照明委員會制定的CE 標準色度學體系來確定的，即紅、綠和藍三原色是由紅、綠和藍三原色混合而成，所以用紅、綠、藍三色漫反射因子Rx、Ry、Rz 對紙張樣本的亮度、彩度和色調角度等進行標記，并與設定紙張對比樣本進行色差計算。

（4）受限于紙張本身的纖維性、填充劑的均勻性及實驗操作的誤差，本次測試的白度隨機選取了10 組數據，取其平均值，每一張紙的取樣量不得多于2 份；每次測量8 ～ 9 個紙張樣品，取其抗張力和耐折度的平均值；測量取得10 組數據，去除其中的最大、最小值，然后取其平均值。

4.1.2 誤差分析

（1）儀器誤差：本試驗中使用的所有機械設備在使用之前都進行了校零設置，但在實際使用中，因機械及儀表自身的測量范圍、測量精度等原因，難免會出現一些不可忽視的誤差。

（2）人為誤差：讀數錯誤是常見問題，計算機測控讀數裝置可避免人為誤差。環境誤差以溫度和濕度為主，建立恒溫恒濕實驗室難度大。實驗中，將每個試驗與原紙Y 組進行比較。最后，采用恒溫恒濕（室溫為23℃±1℃，相對濕度50%±2%）測試盒在特定環境下進行5 小時后取出使用，以控制溫度和濕度對測量結果的影響。但操作期間溫度和濕度控制仍有難度，這影響了結果的準確性和可重復性。

（3）量化誤差：細菌纖維素的定量是試驗難題，因其強吸濕性和保水性，不能精確地對細菌纖維素質量進行分析。干燥處理后，細菌纖維素難以恢復濕膜狀態，不利制備漿料。因此，本實驗采用估算法計算含量［2］。比較四種細菌纖維素在干燥條件下的重量，選擇未打開袋子的濕重條件下約為133 克，完全干燥時約為4.2 克，并以此確定質量干濕重量轉化標準。

表1：細菌纖維素質量對比數據

4.2 修復效果對比分析

4.2.1 細菌纖維素制漿濃度對紙張修復效果的影響

濃度越高，紙張耐折度、耐破指數、抗張指數和裂指數可能會得到提高。例如，當細菌纖維素的用量為3%時，紙張耐折度提高44.7%，耐破指數提高17.9%，抗張指數提高22.4%，裂指數提高16.1%。除了上述性能有所提高外，實驗證明，細菌纖維素可以作為一種檔案修復材料。修復后紙張除了白度略有下降外，紙張其他機械性能均得到不同程度地提高另外，紙張的柔軟度會隨著細菌纖維素濃度的增加而降低。對于雙面有字或字跡遇水擴散的檔案，不適宜使用高濃度的細菌纖維素進行修復，因為高濃度的細菌纖維素可能會影響字跡的擴散。

4.2.2 細菌纖維素打漿轉數對紙張修復效果影響分析

細菌纖維素打漿轉數對紙張修復效果具有顯著影響。打漿轉數主要影響細菌纖維素的纖維長度和分散程度，進而影響到紙張修復后的物理性能和機械性能。在打漿轉速100 000 ～ 900 000 rpm 范圍內，紙張修復后的撕裂度變化呈先上升后下降、波動較大的趨勢，受到纖維素細小纖維尺寸的影響，撕裂度先上升后下降，隨后又下降，直至打漿轉速超過600 000 rpm 后才逐漸上升；當打漿轉速超過90 000 rpm 時，撕裂度就會出現一個最大值，之后就會進入一個穩定狀態，再也不會隨打漿次數的增加而顯著提高?？偟膩碚f，修補后的紙頁撕裂程度有了較大的提高。因此，在選擇細菌纖維素打漿轉數時，需要根據紙張的具體情況和修復要求來確定。通過調整打漿轉數，可以獲得適宜的纖維長度和分散程度，從而實現更好的紙張修復效果。

4.2.3 細菌纖維素涂布量對紙張修復效果影響分析

細菌纖維素的涂布量對紙張修復效果具有重要影響。涂布量決定了紙張表面細菌纖維素的覆蓋程度和分布情況，進而影響紙張的機械性能和表面質量。細菌纖維素涂布量與紙的撕裂度成正比，隨著涂布量的增大，紙的撕裂度增長幅度趨于平穩。在150 g/ m2至250 g/ m2的 范圍是比較理想 的。由于細菌纖維素的涂布量對紙的抗張力的影響曲線有很大的起伏，所以用4%的正負偏差輔助法和橫向阻力變化曲線作為對照，當細菌纖維素的涂布量超過50 g/m 時，其抗拉力不會呈線性上升，也不會有明顯的提高，而會在一定的區間范圍內波動。由此可以看出，當涂布量區間時，抗拉力并不是持續上升的。當細菌纖維素涂布量為50 g/m ～ 300 g/m 時，其抗張力的總體水平是相當可觀的。

4.2.4 細菌纖維素制漿pH 值對紙張修復效果影響分析

細菌纖維素的制漿pH 值對紙張修復效果具有一定影響。實驗證明，當pH 值在4 ～ 6 之間時，紙張的機械性能最佳。在此pH 范圍內，細菌纖維素結構松散，能更好地填補紙張表面的纖維間隙，增強紙張的致密性和纖維間的結合力；當pH 值約為8 時，細菌纖維素未能充分解離為均勻、潔白的漿液，存在明顯的顆粒和黏凝滯狀物。實驗采取制取細菌纖維素漿液后再調節pH 值的方法。加入微量氫氧化鈉溶液后，漿液未見變色、分層、沉積。但pH 值改變后，細菌纖維素的保質期縮短，2 ～ 3天后開始變黃。因此，不宜長期室溫擱置。選擇適宜的pH 值時，還需綜合考慮其他因素如細菌纖維素的濃度、打漿轉數和涂布量等對紙張修復效果的影響。

4.2.5 細菌纖維素溫度對紙張修復效果的影響分析

細菌纖維素的溫度對紙張修復效果具有重要影響。在適宜的溫度范圍內，較高的溫度可以促進細菌纖維素的活性，加快其分解和作用速度，從而有助于提高紙張的機械性能。實驗證明，細菌纖維素漿液溫度對撕裂度影響不明顯。溫度在40℃時撕裂度略有下降，其他溫度下保持相同水準。因此，溫度對修復紙張撕裂度無顯著影響。耐破度在溫度影響下呈曲線變化［3］。60℃時紙張修復耐破度較好，但整體溫度變化對耐破度影響不大。紙張縱向抗張力隨溫度上升呈上升趨勢，而橫向抗張力則呈非線性變化，40℃左右時處于較好水平。耐折度隨溫度提高而上升，40 ～ 60℃之間達到最佳水平，60℃后隨溫度繼續增加而下降。

5 結語

綜上所述，細菌纖維素是可以通過溶解的方式進行修復的，但具體的修復方法和使用效果還需要以后的研究和驗證。已有研究證明，將細菌纖維素以物理分解的方法制成漿料，用于紙張的修復是可行的。經過處理的細菌纖維素可以提高紙的綜合性能，也可以用來修復破損的紙張。除分解模式外，還可將細菌纖維素加工成溶液或干薄膜，用于檔案修復，并提高修復效果和延長紙質檔案的壽命。同時，還需要關注環保和安全性等方面的問題，以確保其在修復過程中的可持續性和可行性。