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紙張纖維素的降解反應是什么?

時間:2022-04-28 09:44:27 來源:李賢惠、賀宇紅等《纖維組分對古籍紙質(zhì)文獻老化的影響》

纖維素的分子式為(C6H10O5)n,由脫水D-吡喃式葡萄糖單元通過1-4-β-苷鍵連接而成的一種線性高分子聚合物,每個葡萄糧單元上有3個-OH,這些羥基直接影響到纖維素的物化性質(zhì),如潤脹、酸化、水解、氧化等反應,從而影響到紙張的耐久性。纖維素降解會改變纖維的微晶結(jié)構(gòu),造成分子鏈斷裂,聚合度降低,導致纖維承受能力變差,但分子量減小,又有利于短分子鏈之間氫鍵重組,纖維與纖維之間結(jié)合更緊密,曾有研究表明,紙張老化的早期,強度提高,緣于纖維間氫鍵的重組,掃描電子顯微鏡也不能清楚解釋氫鍵重組現(xiàn)象,只能觀察到纖維斷裂。因此紙張機械強度降低是纖維聚合度下降、纖維之間結(jié)合力增加和纖維自身結(jié)合力減弱共同作用的結(jié)果。

纖維素結(jié)構(gòu)圖

1、纖維素的酸降解。空氣中的CO2、SO2、CI2、H2S等,在微量重金屬離子的催化下,它們與紙張中的水分反應生成硫酸、亞硫酸、碳酸、鹽酸等,這些酸能使纖維素發(fā)生水解反應,造成苷鍵斷裂,生成一系列短分子鏈的化合物,導致纖維素聚合度下降,還原性末端基增加,還原能力增加,機械強度下降,耐老化性能受損。酸在纖維素降解過程中只扮演催化劑的角度,不會消耗,所以紙張中的酸越積越多,pH值會越來越低,紙張酸化會越來越嚴重。

纖維素酸消解開始階段,纖維素的吸濕能力顯著降低,到了一定值后,微晶體縱向分裂為兩個或兩個以上的較小微晶體時,因聚合度不變而表面積增加,導致吸濕能力逐漸增加,纖維素吸濕潤脹之后促進纖維素的水解反應。

2、纖維素的氧化降解。纖維素在發(fā)生水解的過程中還發(fā)生氧化反應。鐵和鎂等過渡金屬元素是纖維素氧化反應的催化劑。同時,醛基和羧基能加速纖維素水解速度。

纖維素的氧化降解,主要發(fā)生在C2、C3、C6位的游離羥基上,同時也發(fā)生在C1位還原性末端基上,苷鍵斷裂消除β-烷氧基從而形成羰基,纖維素氧化降解可能產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)的羰基和羧基,甚至是生成不同結(jié)構(gòu)的非末端羧酸或末端羧酸。羰基、羧基和酮基都是引起紙張返黃的基本基團。

纖維素降解的古籍書葉-素材來自銳立文保項目

3、纖維素的微生物降解。微生物里的纖維素酶也能使纖維素苷鍵斷裂,聚合度降低。纖維素酶(cellulase)廣泛存在于自然界的生物體中,細菌、真菌、動物體內(nèi)等都能產(chǎn)生纖維素酶。

4、纖維素的光降解。在光照和氧存在的條件下,纖維素可降解產(chǎn)生各種游離基,加速纖維長鏈降解。

空氣中的某些成分在紫外線照射下,能生成強氧化劑,從而對紙張造成危害,如紫外線下NO2反應生成O3,SO2生成SO3,SO3與水結(jié)合形成H2SO4,O3和H2SO4均能引起纖維素發(fā)生降解反應;另外,紙張經(jīng)紅外線照射后,產(chǎn)生熱效應,紙張溫度升高,也會加速紙張降解反應速度,從而加速紙張老化。

綜上所述4點,才導致了纖維素的降解反應。以上內(nèi)容摘自天一閣博物館:李賢惠、賀宇紅、王金玉,浙江大學文化遺產(chǎn)研究院:奚三彩、張溪文的《纖維組分對古籍紙質(zhì)文獻老化的影響》一文片段。

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