细菌纤维素在纸质档案修复中的应用研究

胡维星

（栖霞市中医医院，山东 栖霞 265300）

引言

近年来，随着生物技术的发展，一些生物材料逐渐被应用于纸质档案的修复中。其中，细菌纤维素作为一种天然、可降解的生物材料，具有优良的物理性能和稳定性，受到了广泛关注。细菌纤维素是由某些细菌在一定条件下分泌的一种天然高分子材料，具有较高的结晶度和分子排列规整性，使其具有优良的力学性能和稳定性。此外，细菌纤维素的生产过程中不使用任何化学原料，是一种环保、可持续的生物材料。这些特点使得细菌纤维素在文物保护领域具有广阔的应用前景。

1 细菌纤维素的介绍与研究背景

细菌纤维素（BacterialCellulose，BC）是由特定的微生物（主要为细菌）产生的细胞外纤维素。作为一种新型的生物材料，它具有许多独特的性质和优势，包括良好的生物亲和性、相容性、降解性、适应性、高持水性、结晶度、良好的纳米纤维网络、高张力和强度，以及良好的机械韧性等。

近年来，随着对细菌纤维素的研究不断深入，其生产方法和应用领域也在不断拓展。目前，木醋杆菌是研究最多的能够产生细菌纤维素的菌种，其培养过程相对简单，使用含有葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、Na2HPO4 等营养成分和pH 值调节材料的培养基即可［1］。然而，尽管细菌纤维素具有许多优良性质和应用前景，其研究和应用仍面临一些挑战，如生产效率、纯度、可控性等方面的问题。未来，需要进一步深入研究细菌纤维素的形成机制、性质调控等方面的内容，以推动其在更多领域的应用和发展。

2 纸质档案修复技术概述

我国的档案修复工作源远流长，从先秦开始就有了很长的发展和传承。档案文件的传统修复方法是利用淀粉中含有的大量羟基和水分，使其黏合、对接和增强；除此之外，他还需要用到一些动物的胶水，比如鱼头、鱼骨、鱼皮，这些东西都可以用来做胶水，再用来黏合和修补纸张，但动物胶的制造比较复杂，在这个时代也很难实现。

当今社会，科技发展推动了物质化学研究的进步，进而促使档案复原技术多样化。纸质档案修复技术主要包括去污、去酸、加固、修裱、字迹恢复等。具体方法包括机械法、化学溶剂法等。去酸技术的目的是使档案纸张接近中性，延长寿命，加固技术使用纸张、粘合剂加固破损档案。修裱技术则是对破损档案进行修复，字迹恢复技术使模糊或褪色字迹变清晰。此外，纸质档案修复还需要注意一些原则，修复需遵循保持原貌、不损坏有价值历史痕迹的原则，使用的材料和方法应符合永久保存要求，并具有可逆性，以最大限度地延长档案寿命。

3 研究方法与实验设计

3.1 实验材料与设备仪器

（1）实验材料：细菌纤维素、普通复印纸（70 g/m）、宣纸、书写稿纸、学生实用绘图仪、NaOH、丙三醇、水。

（2）设备仪器：电子天平、定距裁纸器、量筒、烧杯、过滤网、酒精灯、玻璃棒、称量血、液体温度计等，还有纤维标准解离器、恒温恒湿试验箱、ZB-A 色度仪、ZPM-1000 型纸张耐破度测定仪、纸张撕裂度测定仪、微电脑测控拉力试验机、MIT 耐折度测定仪等。

3.2 实验过程与操作步骤

首先，需要确保细菌纤维素处于中性环境中。这是因为细菌纤维素在弱酸环境下能更好地保持其品质，同时也有助于延长其保质期。但当我们准备使用它时，必须用大量的清水冲洗至中性。第二步，使用纤维疏解器对细菌纤维素进行细致的解离，使得纤维能够均匀地悬浮在水中，形成细菌纤维素浆液。这个步骤相对简单，不需要特殊的实验环境或高超的操作技能。第三步，完成浆液制备后，再通过表面涂刷的方式，将细菌纤维素均匀地应用到纸张上。使用排刷确保纸张完全被涂刷，然后用玻璃棒推匀。第四步，将涂刷后的纸张平放在工作台上，并在上面铺一层塑料纸以防止纸张与台面粘连。在常温下自然晾干，让纸张上的多余水分完全挥发。第五步，通过一系列测试来评估修复效果。这些测试包括光学性能（如白度变化）和机械性能（如撕裂度、耐破度、抗张力和耐折度）的测定。这些性能的变化直接反映了细菌纤维素在纸张修复中的应用效果。为了更深入地了解细菌纤维素的修复效果，本文将研究五个关键因素：细菌纤维素浆液的浓度、纤维解离器的转数、涂布的纤维素量、浆液的pH 值以及涂布温度。这些因素将直接影响档案纸张的修复效果，因此我们的实验将围绕它们展开。

4 实验结果与分析

4.1 实验数据说明与误差分析

4.1.1 数据说明

（1）纸张力试验说明：张力测量卡盘之间的距离设定为150 毫米，纸样品的长度大于175 毫米，宽度为12 毫米。由于部分纸张定量信息不明确，所以本文研究是采用抗张力数据来进行分析。

（2）纸的耐折度试验说明：耐折度试验的拉力为4.9N，折弯的角度为左右135 度±2 英寸。样品的尺寸长度大于150 毫米，宽度为15 毫米。

（3）色差测量试验说明：色差测量是按照国际照明委员会制定的CE 标准色度学体系来确定的，即红、绿和蓝三原色是由红、绿和蓝三原色混合而成，所以用红、绿、蓝三色漫反射因子Rx、Ry、Rz 对纸张样本的亮度、彩度和色调角度等进行标记，并与设定纸张对比样本进行色差计算。

（4）受限于纸张本身的纤维性、填充剂的均匀性及实验操作的误差，本次测试的白度随机选取了10 组数据，取其平均值，每一张纸的取样量不得多于2 份；每次测量8 ～ 9 个纸张样品，取其抗张力和耐折度的平均值；测量取得10 组数据，去除其中的最大、最小值，然后取其平均值。

4.1.2 误差分析

（1）仪器误差：本试验中使用的所有机械设备在使用之前都进行了校零设置，但在实际使用中，因机械及仪表自身的测量范围、测量精度等原因，难免会出现一些不可忽视的误差。

（2）人为误差：读数错误是常见问题，计算机测控读数装置可避免人为误差。环境误差以温度和湿度为主，建立恒温恒湿实验室难度大。实验中，将每个试验与原纸Y 组进行比较。最后，采用恒温恒湿（室温为23℃±1℃，相对湿度50%±2%）测试盒在特定环境下进行5 小时后取出使用，以控制温度和湿度对测量结果的影响。但操作期间温度和湿度控制仍有难度，这影响了结果的准确性和可重复性。

（3）量化误差：细菌纤维素的定量是试验难题，因其强吸湿性和保水性，不能精确地对细菌纤维素质量进行分析。干燥处理后，细菌纤维素难以恢复湿膜状态，不利制备浆料。因此，本实验采用估算法计算含量［2］。比较四种细菌纤维素在干燥条件下的重量，选择未打开袋子的湿重条件下约为133 克，完全干燥时约为4.2 克，并以此确定质量干湿重量转化标准。

表1：细菌纤维素质量对比数据

4.2 修复效果对比分析

4.2.1 细菌纤维素制浆浓度对纸张修复效果的影响

浓度越高，纸张耐折度、耐破指数、抗张指数和裂指数可能会得到提高。例如，当细菌纤维素的用量为3%时，纸张耐折度提高44.7%，耐破指数提高17.9%，抗张指数提高22.4%，裂指数提高16.1%。除了上述性能有所提高外，实验证明，细菌纤维素可以作为一种档案修复材料。修复后纸张除了白度略有下降外，纸张其他机械性能均得到不同程度地提高另外，纸张的柔软度会随着细菌纤维素浓度的增加而降低。对于双面有字或字迹遇水扩散的档案，不适宜使用高浓度的细菌纤维素进行修复，因为高浓度的细菌纤维素可能会影响字迹的扩散。

4.2.2 细菌纤维素打浆转数对纸张修复效果影响分析

细菌纤维素打浆转数对纸张修复效果具有显著影响。打浆转数主要影响细菌纤维素的纤维长度和分散程度，进而影响到纸张修复后的物理性能和机械性能。在打浆转速100 000 ～ 900 000 rpm 范围内，纸张修复后的撕裂度变化呈先上升后下降、波动较大的趋势，受到纤维素细小纤维尺寸的影响，撕裂度先上升后下降，随后又下降，直至打浆转速超过600 000 rpm 后才逐渐上升；当打浆转速超过90 000 rpm 时，撕裂度就会出现一个最大值，之后就会进入一个稳定状态，再也不会随打浆次数的增加而显著提高。总的来说，修补后的纸页撕裂程度有了较大的提高。因此，在选择细菌纤维素打浆转数时，需要根据纸张的具体情况和修复要求来确定。通过调整打浆转数，可以获得适宜的纤维长度和分散程度，从而实现更好的纸张修复效果。

4.2.3 细菌纤维素涂布量对纸张修复效果影响分析

细菌纤维素的涂布量对纸张修复效果具有重要影响。涂布量决定了纸张表面细菌纤维素的覆盖程度和分布情况，进而影响纸张的机械性能和表面质量。细菌纤维素涂布量与纸的撕裂度成正比，随着涂布量的增大，纸的撕裂度增长幅度趋于平稳。在150 g/ m2至250 g/ m2的 范围是比较理想 的。由于细菌纤维素的涂布量对纸的抗张力的影响曲线有很大的起伏，所以用4%的正负偏差辅助法和横向阻力变化曲线作为对照，当细菌纤维素的涂布量超过50 g/m 时，其抗拉力不会呈线性上升，也不会有明显的提高，而会在一定的区间范围内波动。由此可以看出，当涂布量区间时，抗拉力并不是持续上升的。当细菌纤维素涂布量为50 g/m ～ 300 g/m 时，其抗张力的总体水平是相当可观的。

4.2.4 细菌纤维素制浆pH 值对纸张修复效果影响分析

细菌纤维素的制浆pH 值对纸张修复效果具有一定影响。实验证明，当pH 值在4 ～ 6 之间时，纸张的机械性能最佳。在此pH 范围内，细菌纤维素结构松散，能更好地填补纸张表面的纤维间隙，增强纸张的致密性和纤维间的结合力；当pH 值约为8 时，细菌纤维素未能充分解离为均匀、洁白的浆液，存在明显的颗粒和黏凝滞状物。实验采取制取细菌纤维素浆液后再调节pH 值的方法。加入微量氢氧化钠溶液后，浆液未见变色、分层、沉积。但pH 值改变后，细菌纤维素的保质期缩短，2 ～ 3天后开始变黄。因此，不宜长期室温搁置。选择适宜的pH 值时，还需综合考虑其他因素如细菌纤维素的浓度、打浆转数和涂布量等对纸张修复效果的影响。

4.2.5 细菌纤维素温度对纸张修复效果的影响分析

细菌纤维素的温度对纸张修复效果具有重要影响。在适宜的温度范围内，较高的温度可以促进细菌纤维素的活性，加快其分解和作用速度，从而有助于提高纸张的机械性能。实验证明，细菌纤维素浆液温度对撕裂度影响不明显。温度在40℃时撕裂度略有下降，其他温度下保持相同水准。因此，温度对修复纸张撕裂度无显著影响。耐破度在温度影响下呈曲线变化［3］。60℃时纸张修复耐破度较好，但整体温度变化对耐破度影响不大。纸张纵向抗张力随温度上升呈上升趋势，而横向抗张力则呈非线性变化，40℃左右时处于较好水平。耐折度随温度提高而上升，40 ～ 60℃之间达到最佳水平，60℃后随温度继续增加而下降。

5 结语

综上所述，细菌纤维素是可以通过溶解的方式进行修复的，但具体的修复方法和使用效果还需要以后的研究和验证。已有研究证明，将细菌纤维素以物理分解的方法制成浆料，用于纸张的修复是可行的。经过处理的细菌纤维素可以提高纸的综合性能，也可以用来修复破损的纸张。除分解模式外，还可将细菌纤维素加工成溶液或干薄膜，用于档案修复，并提高修复效果和延长纸质档案的寿命。同时，还需要关注环保和安全性等方面的问题，以确保其在修复过程中的可持续性和可行性。