F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOMAGISTRSKO DELO
Mariša Kadivec
Ljubljana, 2021
F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOMAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM 2. STOPNJE KEMIJA
Vpliv nevodnih postopkov razkislinjenja z nano- ali mikrodelci na stabilnost papirja
MAGISTRSKO DELO
Mariša Kadivec
M
ENTORICA: izr. prof. dr. Irena Kralj Cigić
Ljubljana, 2021
IZJAVA O AVTORSTVU
magistrskega dela
Spodaj podpisana Mariša Kadivec sem avtorica magistrskega dela z naslovom:
Vpliv nevodnih postopkov razkislinjenja z nano- ali mikrodelci na stabilnost papirja.
S svojim podpisom zagotavljam, da:
• je magistrsko delo izključno rezultat mojega lastnega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr. prof. dr. Irene Kralj Cigić in skrbništvom dr. Jasne Malešič iz javnega zavoda Narodna in univerzitetna knjižnica,
• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem magistrskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili,
• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje
predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007),
• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost magistrskega dela,
• je elektronska oblika magistrskega dela identična tiskani obliki magistrskega dela.
V Ljubljani, dne 27.06.2021 Podpis avtorja/-ice
je bilo opravljeno na javnem zavodu Narodna in univerzitetna knjižnica, Kemijskem inštitutu in na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo UL pod skrbništvom dr. Jasne Malešič.
Senat UL FKKT je za mentorico imenoval izr. prof. dr. Irena Kralj Cigić.
Recenzenti: prof. dr. Helena Prosen in prof. dr. Iztok Turel Komisija za oceno in zagovor magistrskega dela
Predsednik komisije: prof. dr. Iztok Turel
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Članica: izr. prof. dr. Irena Kralj Cigić
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Članica: prof. dr. Helena Prosen
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Zahvala
Za strokovno pomoč, usmerjanje in spodbudo pri delu in samem dokončanju magistrskega dela se zahvaljujem dr. Jasni Malešič ter izr. prof. dr. Ireni Kralj Cigić.
Za pomoč in uporabo laboratorija na Kemijskem inštitutu se zahvaljujem dr. Matjažu Kunaverju, doc. dr. Tini Skalar pa za SEM analizo na Fakulteti za kemijo in kemijsko
tehnologijo.
Za vso pomoč in podporo pri študiju in pisanju magistrskega dela se zahvaljujem tudi svoji družini. Največja zahvala pa gre mojemu fantu, ki me je vedno spodbujal in ni nad
mano nikoli obupal, tako da sem na koncu le dokončala magistrsko delo. K temu je veliko pripomogel tudi moj sin Lenart, ki me je nasmejal in mi dajal motivacijo za
zaključek študija, zato gre prav posebna zahvala tudi njemu.
1 Uvod ... 1
1.1 Sestava papirja ... 1
Celuloza ... 2
Lignin ... 2
Hemiceluloza ... 3
1.2 Izdelava papirja skozi zgodovino ... 4
1.3 Razgradnja papirja ... 5
1.4 Stabilizacija celuloze z razkislinjenjem ... 9
1.5 Metode karakterizacije celuloze ... 12
Določitev pH vrednosti ... 13
Alkalna zaloga – povratna nevtralizacijska titracija ... 13
Pospešena razgradnja celuloze ... 14
Določitev hitrosti razgradnje celuloze z velikostno-izključitveno kromatografijo 15 Spektrofotometrija in barvna metrika ... 19
FE-SEM in SEM-EDS analiza ... 19
2 Namen dela ... 21
3 Eksperimentalni del ... 23
3.1 Opis vzorcev papirja ... 23
3.2 Sredstva za razkislinjenje ... 23
3.3 Obdelava vzorcev ... 24
3.4 Pospešena razgradnja ... 24
3.5 Analizne metode ... 24
Metoda določanja pH... 24
Metoda določanja alkalne zaloge ... 25
Barvna metrika ... 25
Določitev stopnje polimerizacije (DP) in konstante reakcijske hitrosti razgradnje celuloze ... 26
4 Rezultati in razprava ... 29
4.1 Priprava in SEM analiza disperzije nanodelcev CaCO3 in vzorcev papirja po razkislinjenju ... 29
4.2 pH vrednosti papirja ... 31
4.3 Alkalna zaloga papirja ... 34
4.4 Vpliv razkislinjenja na barvo papirja... 36
4.5 Hitrost razgradnje vzorcev... 45
Primerjava hitrosti razgradnje papirja za obe vrsti papirja ... 48
5 Zaključek ... 49
6 Literatura ... 51
BK Bookkeeper disperzija za razkislinjenje papirja (disperzija MgO v organskem topilu perfluoroheptanu)
NR E Nanorestore Paper disperzija za razkislinjenje papirja (Ca(OH)2 v etanolu)
NR iP Nanorestore Paper disperzija za razkislinjenje papirja (Ca(OH)2 v 2- propanolu)
CS E CaLoSil disperzija za razkislinjenje papirja (Ca(OH)2 v etanolu) CS iP CaLoSil disperzija za razkislinjenje papirja (Ca(OH)2 v 2-propanolu) C E disperzija nanodelcev CaCO3 v etanolu
C iP disperzija nanodelcev CaCO3 v 2-propanolu FE-SEM vrstični elektronski mikroskop na poljsko emisijo EDS energijsko disperzni rentgenski spektrometer SEC velikostna izključitvena kromatografija DP stopnja polimerizacije
Mw masno povprečje molekulskih mas (ang. mass-average molar mass) k konstanta hitrosti razgradnje
THF tetrahidrofuran PS polistirenski standard PIC fenil izocianat
a* zeleno-rdeča komponenta CIE L*a*b* barvnega prostora L* svetlo-temna komponenta CIE L*a*b* barvnega prostora b* modro-rumena komponenta CIE L*a*b* barvnega prostora RH relativna zračna vlažnost (%)
SD standardni odmik
Povzetek: Razgradnja papirja je proces, ki se mu ne moremo izogniti, saj je papir izdelan iz organskih sestavin, ki se s časom razgrajujejo. Postopek izdelave papirja se je preko stoletij spreminjal. V obdobju med leti 1850 in 1990 so pri izdelavi papirja uporabljali les ter aluminijev sulfat, kar je povzročilo, da je papir iz tega obdobja kisel, krhek in ima kratko življenjsko dobo. Konzervatorji in znanstveniki skušajo z razvojem in uporabo različnih postopkov stabilizacije upočasniti razgradnjo zgodovinskega papirja in s tem ohraniti kulturno dediščino. Razkislinjenje je pomemben in pogosto uporabljen konzervatorski postopek za upočasnitev razgradnje papirja in posledično podaljšanje njegove življenjske dobe.
Cilj raziskave je bil, da na testnih ligninoceluloznih papirjih preverim in ocenim učinkovitost različnih brezvodnih disperzij za razkislinjenje med termično pospešeno razgradnjo. Preverila sem učinkovitost komercialno dostopnih disperzij nanodelcev Ca(OH)2 v etanolu in 2-propanolu (Nanostore paper, CaLoSiL), disperzijo za razkislinjenje Bookkeeper (submikronski delci MgO v organskem topilu perfluoroheptanu) ter laboratorijsko pripravljeno disperzijo nanodelcev CaCO3 v etanolu in 2-propanolu.
FE-SEM in SEM-EDS analizo sem uporabila za določitev velikosti delcev CaCO3 v disperziji ter njihovo porazdelitev na površini papirja. Učinkovitost sredstev za razkislinjenje po obdelavi papirja sem preverila z določitvijo pH vrednosti, alkalne zaloge in spektrofotometrično določitvijo barve.
Kinetiko razgradnje papirja sem preučevala z velikostno-izključitveno kromatografijo, in sicer z določevanjem stopnje polimerizacije celuloze pred razgradnjo in po 4, 9 in 14 dneh pospešene termične razgradnje. Med pospešeno termično razgradnjo sem spektrofotometrično določila tudi spremembo barve papirja.
Vsem obdelanim vzorcem papirja so se glede na neobdelan vzorec papirja konstante hitrosti razgradnje celuloze znižale. Razkislinjenje vzorcev papirja z disperzijo Bookkeeper in z disperzijami kalcijevega hidroksida je vidno vplivalo na barvno stabilnost papirja. Iz tega razloga lahko trdim, da razkislinjenje ligninoceluloznega papirja, pri katerem je pomembna barvna stabilnost (rokopisi, umetniške slike ...), z disperzijo Bookkeeper in disperzijami kalcijevega hidroksida ni priporočljiva. Za ohranitev tovrstnega gradiva je bolje uporabiti šibko alkalno sredstvo za razkislinjenje, in sicer disperzijo kalcijevega karbonata.
Ključne besede: Razkislinjenje, nanodelci, nano kalcijev karbonat, nano kalcijev hidroksid, sprememba barve
paper stability
Abstract: The degradation of paper is an inevitable process, as the paper is composed of organic compounds which decompose due to the processes of natural ageing. The papermaking process has changed through centuries. Between 1850 and 1990, wood and aluminum sulfate were used for the paper production, which caused paper acidity, brittleness and its limited durability. Conservators and conservation scientists are trying to find solutions to slow down the degradation of historical paper to preserve the cultural heritage. Deacidification is an important and widely used conservation treatment to slow down the degradation of paper due to acid hydrolysis and consequently increase its longevity.
The aim of this study was to evaluate the effectiveness of various non-aqueous deacidification dispersions during thermally accelerated degradation on model lignocellulose papers.
The effectiveness of commercially available nano calcium hydroxide dispersions in ethanol or 2-propanol (Nanostore Paper, CaLoSiL), Bookkeeper deacidification dispersion (containing submicron MgO particles in organic solvent perfluoroheptane) and laboratory prepared nano calcium carbonate dispersions in ethanol or 2-propanol was evaluated.
FE-SEM and SEM-EDS analyses were performed to determine the size of CaCO3
particles in the dispersion and distribution of calcium ions on the paper surface. The effectiveness of non-aqueous dispersions after deacidification of paper was evaluated by determinations of pH value, alkaline reserve, and spectrometric determination of the color changes. The kinetics of paper degradation was studied by size-exclusion chromatography. The degree of polymerization of cellulose was determined before and after 4, 9 and 14 days of accelerated thermal degradation. During thermally accelerated degradation, the changes of paper color were followed. For all treated paper samples, the degradation rate constants decreased in comparison to the untreated control paper sample.
Deacidification of paper samples with Bookkeeper dispersion and with nano calcium hydroxide dispersion in ethanol or 2-propanol had a noticeable effect on color stability of model paper samples.
Therefore, it can be concluded that deacidification for such lignocellulose papers, where color stability is important (manuscripts, paintings, etc.) with Bookkeeper and calcium hydroxide dispersions is not recommended. To preserve such objects, the use of less invasive and milder alkaline deacidification agent, such as dispersion of nano calcium carbonate is recommended.
Keywords: Deacidification, Nanoparticles, Nano calcium hydroxide, Nano calcium carbonate, color changes
1
1 Uvod
V Evropi so papir začeli izdelovati že v 12. stoletju, z izumom tiska pa se je uveljavil kot eden izmed najpomembnejših, najbolj razširjenih nosilcev pisnih informacij o kulturi, znanosti, politiki in zgodovini.
Razgradnja papirja je proces, ki se mu ne moremo izogniti, saj je papir izdelan iz organskih sestavin, ki se s časom razgrajujejo. Potrebe po papirju so bile iz leta v leto večje, njegova kvaliteta pa je postajala slabša, saj so sčasoma začeli uporabljati surovine slabše kakovosti. Največji padec v kakovosti izdelave je bil v 19. stoletju, ko so kot surovino za izdelavo papirja začeli uporabljati les, papir pa začeli klejiti v kislem mediju s kolofonijo in aluminijevim sulfatom. Prav izdelava papirja v kislem mediju pospešuje razgradnjo le-tega, posledice pa se kažejo v njegovi krhkosti ter kratki življenjski dobi.
Ravno iz teh razlogov je papir v središču zanimanja tistih kemikov, ki se ukvarjajo z upočasnitvijo razgradnje in ohranitvijo zgodovinske kulturne dediščine.
Čeprav ga v današnjem času v veliki meri zamenjuje elektronski način zapisa, papir še vedno ostaja najbolj razširjen nosilec informacij. Poleg tega moramo nekatere informacije, ki predstavljajo velik del kulturne dediščine (rokopisi, tiski na papirju, risbe, grafike, fotografije ...), ohraniti v njihovi izvirni obliki.
1.1 Sestava papirja
Papir je kompleksen večkomponentni material, izdelan predvsem iz celuloznih vlaknin različnega izvora (40–100 %), ki so jim dodana polnila – kaolin, kalcijev karbonat itd.
(0–50 %), klejiva (0–4 %), optična belila in drugi dodatki (0–0,5 %) [1]. Klejiva zmanjšajo absorpcijo tekočin v suh papir in omogočajo črnilom in barvam, da se na površini papirja posušijo in ne absorbirajo. Naloga klejiv je torej zaščititi površino vlaken in s tem zvišati hidrofobnost papirja. Kot klejiva so na začetku uporabljali škrob, nato želatino, v 19. stoletju pa so začeli uporabljati smolo kolofonijo in aluminijev sulfat, ki sta povzročila kislost papirja in s tem hitrejšo razgradnjo le-tega. Šele po letu 1990 so pri proizvodnji papirja začeli uporabljati tudi nevtralna ali bazična klejiva [2].
Glavna sestavina papirja je celuloza, ki je eden bolj razširjenih polimerov v naravi.
Vsebnost celuloze je v semenskih laseh bombaža 99 %, medtem ko je njena vsebnost v lesu 41–45 %. Poglavitni necelulozni sestavini lesa sta hemiceluloza in lignin. V veliko manjšem obsegu so prisotne tudi druge organske (voski, smole, maščobe ...) in anorganske primesi (Ca, K, Mg, Fe, Mn …) [3].
2
Celuloza
Celuloza je linearen polimer, ki je sestavljen iz β-D-anhidroglukopiranozidnih monomernih enot, ki so med seboj povezane z β-1,4-glikozidnimi vezmi (slika 1). Število povezanih monomernih enot je odvisno od izvora celuloze in ga opišemo s stopnjo polimerizacije (DP) [1].
Slika 1: Struktura molekule celuloze
Kovalentne vezi v celulozi tvorijo primarno strukturo polimera, njeno sekundarno strukturo pa določajo intra- in intermolekularne vodikove vezi, ki se vzpostavijo zaradi velikega števila hidroksilnih skupin. Te vezi dajejo celulozni vlaknini mehansko trdnost, zaradi močnih intermolekularnih vodikovih vezi pa je slabo topna v vodi in večini organskih topil [4].
Celuloza je semikristalinični polimer, sestavljen iz kristaliničnih in amorfnih predelov.
Razmerje med kristaliničnimi in amorfnimi predeli je odvisno od izvora celulozne vlaknine [1]. V amorfnih delih je vsebnost vode približno 18 %, medtem ko je v kristaliničnih delih vsebnost vode le nekaj odstotkov. Kristalinični deli celuloze prispevajo k trdnosti vlaknin, amorfni predeli celuloze pa so vir njenih elastičnih lastnosti [5]. Prav elastične lastnosti so tiste, zaradi katerih papir lahko listamo in upogibamo, ne da bi se pri tem zlomil. Večina reakcij poteka v amorfnih predelih, kar pa povzroči, da celuloza z razgradnjo izgublja svojo elastičnost in uporabno vrednost ter postaja vedno bolj kristalinična.
Lignin
V lesu je poleg celuloze in hemiceluloze prisoten tudi lignin, ki predstavlja 15–36 % mase lesa. V celuloznih vlakninah je vsebnost lignina manjša, in sicer okoli 1,5–8 %.
Kemijsko je lignin kompleksen aromatski polimer, sestavljen iz tridimenzionalnih fenilpropanovih enot, ki so med seboj povezane z estrskimi vezmi in vezmi C-C, C-O-C s povprečno molsko maso okoli 11.000 Da (slika 2). Lignin je amorfen, netopen v vodi, heterogen, zamrežen polimer, ki v prisotnosti kislin ne hidrolizira [1].
Na splošno je prisotnost lignina v vlakninah nezaželena, saj zaradi visoke vsebnosti aromatskih enot ter dvojnih vezi absorbira UV svetlobo, kar povzroči fotooksidacijo
3
lignina, to pa povzroči hitro rumenenje papirja oziroma zmanjša barvno obstojnost papirja [6].
O
OCH3 HOH2C
HC CH CH2OH
O H3CO
CHCH2OH CHOH
OHHO H3CO
OCH3 HC
O HOCH2
O OCH3 CHOH HC
CH2OH P
P
P
Slika 2: Shema strukture lignina iglavcev (P - nadaljevanje strukture polimera)
Hemiceluloza
Hemiceluloza je polisaharid, ki je heteropolimer, saj je sestavljen iz več različnih monosaharidov (pentoze in heksoze), ki so povezane z β-1,4 glikozidnimi vezmi, α-1,6 glikozidnimi vezmi ter tudi drugimi vezmi (slika 3). Zaradi raznolikosti saharidov, ki jih sestavljajo, so strukturno neurejene. Stopnja polimerizacije (DP) hemiceluloze je veliko nižja kot pri celulozi, saj je le-ta 100–200 [1]. Po kemijski sestavi in funkciji se razlikuje od celuloze, saj je sorazmerno dobro topna v alkalijah in dobro absorbira vodo. Pod vplivom kislin hidrolizira in prehaja v ustrezne monosaharide, pod vplivom alkalij pa poteka β-alkoksi eliminacija, katere rezultat je krajšanje verige polimera. Prisotnost hemiceluloz v celuloznih vlakninah za izdelavo papirja je običajno zaželena (okoli 18 %), saj se dobro povežejo z molekulami celuloze, kar povzroči povečanje trdnosti papirja [6].
Slika 3: Primer strukture hemiceluloze
4
1.2 Izdelava papirja skozi zgodovino
Že v pradavnini so ljudje zapisovali informacije na stene jam. Sčasoma so namesto zapisov na stene začeli uporabljati tablice iz gline, lesa, kovine, kože živali in papirus.
Leta 105 našega štetja je Kitajec Ts´ai Lun ostanke ribiških mrež in starih krp z batom zbil v kašo in s pomočjo sita oblikoval papir. To je najstarejši zapis o izdelavi papirja, s čimer se je začel razvoj papirništva. Izum papirja se je s Kitajske širil čez srednjo Azijo, v severno Afriko in v Evropo pa je pripotoval šele po 1000 letih. Okoli leta 1200 so prvi papir izdelali v Italiji, proti koncu 14. stoletja v Nemčiji, leta 1579 pa se je proizvodnja papirja že začela tudi v Ljubljani. Sama izdelava papirja in njegova kvaliteta sta se spreminjali skozi zgodovino [4].
V Evropi so papir do konca 18. stoletja izdelovali pretežno iz belih lanenih in konopljenih krp, kasneje v 17. stoletju pa tudi iz bombažnih. Vsa tekstilna vlakna so mehansko z mešanjem razvlaknili v papirno kašo (slika 4). Izdelan in na soncu posušen papir so površinsko klejili z želatino. Tako narejen papir je bil zelo kakovosten in obstojen [2].
Slika 4: Oblikovanje lista papirja po Diderotovi in d'Alembertovi Enciklopediji, ki je izhajala 1751–1777.
Ob koncu šestnajstega stoletja so izumili kovinske naprave za mletje vlaknin (»holandec«), kar je vodilo do padca kvalitete papirja, saj so med postopkom izdelave v papir prišle večje količine ionov bakra in železa, hkrati pa so se celulozna vlakna zaradi mletja v papirju skrajšala [2].
Potrebe po papirju so se še povečevale in po odkritju beljenja vlaknin s klorom (1788) so začeli poleg bombažnih krp uporabljati tudi obarvane krpe, ki so jih predhodno pobelili.
Površinsko klejenje papirja z želatino pa je nadomestilo klejenje z naravno smolo kolofonijo, ki so jo oborili s kislim aluminijevim sulfatom. To je povzročilo, da je
5
vsebnost kislin v papirju narasla, pH vrednost papirja pa se je znižala. Prav klejenje v kislem je poglavitni razlog za nizko obstojnost in hitro razgradnjo papirja, izdelanega med letoma 1850 in 1990 [1,2].
V drugi polovici 19. stoletja so zaradi večjega povpraševanja za izdelavo papirja začeli uporabljati cenejša vlakna lesenega izvora. Tako pridobljena vlakna so bila manj prožna in zaradi prisotnosti lignina močno obarvana.
Leta 1867 so razvili kemijski postopek sulfitnega razklopa lesa, s katerim so iz lesa odstranili lignin. Leta 1853 so razvili natronski postopek proizvodnje celulozne vlaknine, ki se je skozi leta spreminjal in je še danes v uporabi pri proizvodnji sulfatnih celuloznih vlaknin. Proizvodnja papirja je začela hitreje naraščati, ko so vpeljali večstopenjsko beljenje.
Tehnološke izboljšave, ki so vodile do masovne proizvodnje papirja, so povzročile, da je bil papir med letoma 1850 in 1990 bistveno manj obstojen kot papir iz prejšnjih stoletij.
Zamenjava bombažnih, lanenih in konopljinih vlaken z manj kvalitetnimi lesnimi vlakni in klejenje papirja s smolo in aluminijevim sulfatom sta glavna razloga za slabšo kvaliteto. Po letu 1990 so papir iz okoljevarstvenih razlogov začeli klejiti v nevtralnem ali šibko bazičnem.
1.3 Razgradnja papirja
Razgradnja papirja je neizogiben proces, saj je izdelan iz organskih sestavin, ki se s časom razgrajujejo. Na hitrost razgradnje papirja in s tem razgradnjo dokumentov vpliva kakovost (izvor) surovin, ki sestavljajo papir, kakovost surovin, ki sestavljajo zapis (črnila itd.), tehnologija izdelave papirja in pogoji shranjevanja gradiva. Razgradnja je lahko posledica fizikalnih ali kemijskih procesov, pri čemer nas s stališča uporabe zanimajo predvsem procesi, ki vodijo k zmanjšanju povprečne molske mase makromolekul in s tem do poslabšanja mehanskih lastnosti [2]. Razgradnjo povzročajo različni dejavniki, ki jih poenostavljeno delimo na endogene in eksogene (slika 5) [5].
6
Slika 5: Poenostavljena shema dejavnikov, ki vplivajo na razgradnjo papirja.
Razgradnja celuloze lahko poteka na več načinov; poznamo fotolizo (cepitev vezi zaradi vpliva svetlobe), termolizo (cepitev vezi zaradi vpliva temperature), fotooksidacijo in termooksidacijo, kjer sodeluje kisik, radiolizo, mehansko razgradnjo, biološko razgradnjo itd. Dva najpomembnejša kemijska procesa razgradnje celuloze, ki potekata pri sobni temperaturi v papirju, sta kislinska hidroliza in oksidativna razgradnja. V kislem okolju je kislinska hidroliza največji dejavnik razgradnje, v nevtralnem in šibko alkalnem okolju pa oksidativna razgradnja. V nekaterih primerih lahko oba procesa potekata tudi sočasno [1,2].
Reakcije kemijske razgradnje celuloze potekajo v lažje dostopnih amorfnih delih oziroma strukturno neurejenih področjih celuloznih vlaknin, ki vsebujejo več absorbirane vode.
Med razgradnjo pride do krajšanja polimernih verig (cepitev glikozidne vezi), kar povzroči postopno kristalizacijo. Zaradi večanja stopnje kristaliničnosti vlaken ta postopno izgubljajo elastične lastnosti in postajajo krhka. Začetni DP celuloze je v papirju običajno med 1000 in 36000, ko DP pade pod 400–500, se to pri papirju kaže kot izguba mehanskih lastnosti in krhkost papirja. Splošno velja, da je papir iz celuloze z manj kot 200 β-D-glukopiranozidnimi enotami praktično neuporaben [7].
7
Mehanizmi razgradnje papirja
- Kislinsko katalizirana hidroliza
V prisotnosti kislin poteka hidrolizna cepitev β-glikozidne vezi celuloze. Mehanizem reakcije je prikazan na sliki 6. Prva faza reakcije poteče hitro, v njej pa proton reagira s kisikom, ki povezuje dve glukozni enoti. V drugi fazi sledi počasen prenos pozitivnega naboja na C-1 atom, pri tem pa pride do cepitve glikozidne vezi in tvorbe cikličnega karbokationa . V tretji fazi poteče hitra adicija vode na karbokation, kar vodi do nastanka krajše molekule celuloze in oksonijevega iona, ki spet lahko katalizira nadaljnjo hidrolizo. Na hitrost in stopnjo hidrolize vplivajo vsebnost protonov, vsebnost vlage, temperatura in dostopnost glikozidne vezi, ki je pogojena s sekundarno strukturo celuloze [8].
Slika 6: Mehanizem kislinsko katalizirane hidrolize celuloze
Razlog za hitro razgradnjo in kislost zgodovinskih knjig iz obdobja 1850–1990 je v uporabi celuloznih vlaknin slabše kvalitete ter površinskega klejenja papirja z naravno smolo kolofonijo in aluminijevim sulfatom Al2(SO4)3·18H2O (angl. alum). Aluminijev sulfat olajša obarjanje hidrofobne kolofonije znotraj strukture papirja, tako da se hidrolizira v prisotnosti vode, pri tem pa nastanejo kisli oksonijevi ioni (reakcija 1).
[Al(H2O)6]3+ + H2O ↔ [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O+ (1)
8
Papir (slika 7) iz tega obdobja je tako znan kot papir slabe kakovosti s kratko življenjsko dobo, saj se hitro razgrajuje in postane krhek. Pregledi knjižničnih zbirk so pokazali, da je v knjižnicah zaskrbljujoč delež gradiva (70–85 %), ki se hitro razgrajuje [8].
Poleg kislega klejiva povečanje kislosti v papirju povzročijo tudi plini, kot sta SO2 in NOx, ki se absorbirajo iz ozračja (atmosferska onesnaževala). Poleg kislin iz ozračja lahko papir vsebuje tudi organske kisline, ki nastajajo pri razgradnji celuloze. Tudi fotokemična oksidacija lignina in hemiceluloze lahko prispeva k povečanju deleža karboksilnih skupin v molekulski strukturi. Te kisline pa v veliko manjši meri prispevajo k znižanju pH in razgradnji celuloze [5,9,10].
Slika 7: Primer poškodovanega papirja zaradi kislinske hidrolize celuloze Razgradnja celuloze se upočasni z višanjem pH vodnega ekstrakta celuloze iz kislega proti nevtralnemu mediju [11,12], v ospredje pa stopita druga procesa, ki naj bi bila odgovorna za razgradnjo celuloze (alkalna razgradnja in oksidacija).
- Alkalna razgradnja
Glikozidne vezi v celulozi so obstojne v bazičnem mediju pri temperaturah pod 150–
170 °C, torej je alkalna razgradnja omejena predvsem na končno glikozidno enoto.
Poglaviten neoksidativen proces, ki vodi do depolimerizacije celuloze pri sobni temperaturi, je β-alkoksi eliminacija. V razredčenih alkalijah lahko poteče izomerizacija z udeležbo karbonilne skupine. Poleg izomerizacije lahko v alkalnem mediju potečejo še druge reakcije: benzilna premestitev, cepitev C-C vezi, reverzna aldolna kondenzacija, aldolna kondenzacija. Te reakcije povzročijo, da v celulozi v alkalnih raztopinah pride do postopnega cepljenja končnih reducirajočih enot [5].
9
- Oksidativna razgradnja
Oksidacija celuloze s kisikom, ki je prisoten v prostoru, kjer shranjujemo papir, poteka po verižnem radikalskem mehanizmu. Ločimo tri stopnje: iniciacija – reakcija tvorbe prostih radikalov, verižna reakcija – propagacija in terminacija – prekinitev verižne reakcije [13]. Oksidativno razgradnjo katalizirajo tudi ioni prehodnih kovin, kot sta baker in železo, ki sta prisotna v nekaterih črnilih in pigmentih. Železovi ioni so ključna sestavina železo-taninskega črnila (ang. iron gall ink), ki je eno najpogosteje uporabljenih črnil od 12. do 20. stoletja [5].
Pri oksidaciji celuloznega polimera nastajajo aldehidi in ketoni, zaradi katerih se molekula celuloze lažje hidrolizira. Oksidacija celuloze pa prispeva tudi k povišani vsebnosti kislin v papirju, saj lahko s fotooksidacijo primarne alkoholne skupine oksidirajo v aldehide in kasneje v karboksilne kisline. Kisline v večjih količinah povzročajo cepitev glikozidne vezi in s tem krajšanje polimernih verig. Razgradni produkti hidrolize z nizko molsko maso pospešujejo oksidacijske reakcije [1,13,14].
Oksidacija pa lahko vodi tudi do razbarvanja preko karbonilne skupine, saj deli le-te (C=C vezi, -CO vezi) absorbirajo vidno svetlobo (kromoforji) [15].
Rumenenje papirja pa lahko povzročijo tudi kromoforji v ligninu (konjugirane C=C vezi, orto/para kinoni), ki nastanejo ob njeni fotooksidaciji, ki se sproži z absorpcijo ultravijolične svetlobe [1,13].
1.4 Stabilizacija celuloze z razkislinjenjem
Najpogostejši razlog za kislinsko razgradnjo zgodovinskih papirjev je posledica klejenja papirja z aluminijevim sulfatom in kolofonijo. Upočasnitev kislinske razgradnje papirja je za konzervatorje velik izziv. Da bi ohranili kisel papir, izdelan med letoma 1850 in 1990, so začeli gradiva iz tega obdobja razkislinjevati. Razkislinjenje je uveljavljen konzervatorski postopek za podaljšanje življenjske dobe kislega papirja. Samo razkislinjenje zelo kislega papirja pa je tudi bolj trajnostno in energetsko manj zahtevno in je dobra alternativa že uveljavljenemu hlajenju ogroženih zbirk [7].
Stabilizacijo kislega papirja z razkislinjenjem z vodnimi raztopinami zemljoalkalijskih hidrogenkarbonatov je leta 1936 patentiral Schierholtz [2]. Razkislinjenje je pomemben konzervatorski postopek obdelave papirja s šibkimi alkalijami, ki nevtralizirajo obstoječe kisline v papirju s pretvorbo le-teh v soli. Presežek alkalije tvori alkalno zalogo v papirju.
Alkalna zaloga je papirju dodana z namenom, da nevtralizira kisline, ki nastajajo med nadaljnjim procesom razgradnje ali pri absorpciji plinov iz ozračja [9].
10
Razkislinjenje je učinkovito le pri obdelavi papirja, ki še ni popolnoma razgrajen (krhek), saj se razgradnjo papirja le upočasni, ne povrne pa mehanskih lastnosti. Krhek papir ohranjamo z drugimi postopki (digitalizacija, umik originalnih izvodov iz uporabe). Samo razkislinjenje pa mora biti izvedeno na način, da ne poškoduje knjig, ne spremeni teksture papirja ter ne povzroča sprememb barve papirja [16].
Poznamo številne postopke vodnega in nevodnega razkislinjenja. Pri vodnem razkislinjenju papirja se najpogosteje uporabljajo karbonati zemljoalkalijskih kovin (CaCO3 in MgCO3), ki jih zaradi boljše topnosti v vodi v papir običajno vnašamo v obliki hidrogenkarbonatov (Ca(HCO3)2 in Mg(HCO3)2 ). Zelo pogosto pa se uporabljajo tudi kalcijevi/magnezijevi hidroksidi, ki se v papirju ob prisotnosti atmosferskega CO2
pretvorijo v ustrezne karbonate. Kljub temu, da z uporabo hidroksidov učinkovito znižamo kislost papirja, pa je njihova uporaba problematična, saj lahko v papirju povzročijo bistveno višje pH vrednosti v primerjavi s karbonati zemljoalkalijskih kovin.
Vrednosti pH nad 9 po razkislinjenju niso zaželene, saj lahko vplivajo na spremembo barve črnila, pigmentov, potekati pa začnejo tudi druge reakcije razgradnje (alkalna razgradnja) [8,9,16].
Zabeležena je bila tudi uporaba barijevega hidroksida, ki daje dobre rezultate, vendar se ne uporablja, ker je strupen. Pri vodnem postopku razkislinjenja lahko uporabljamo tudi okside (kalcijev in magnezijev), ki po reakciji z vodo in ogljikovim dioksidom prav tako tvorijo ustrezne hidrokside in karbonate.
Kljub učinkoviti stabilizaciji, ki jo dosežemo z uporabo vodnih raztopin, pa postopek ni primeren za obdelavo številnih zapisov, ki vsebujejo vodotopno črnilo ali žige. Voda lahko povzroči tudi spremembe v barvi, strukturi papirja (nabrekanje listov papirja, poškodbe knjižnih vezav, gubanje strani) ter razlivanje črnil. Dodaten izziv pa predstavlja razkislinjenje pri vezanih knjigah, saj je treba pred vodnim razkislinjenjem razdreti obstoječo vezavo [9]. Postopek sušenja gradiva pa je zaradi visokega vrelišča vode razmeroma dolgotrajen.
Iz tega razloga so poleg vodnega razkislinjenja razvili tudi nevodne postopke razkislinjenja, kar sta prva storila Bayens-Cope (1969) in Smith (1970). Pri nevodnih postopkih razkislinjenja alkalijo vnesemo v papir v brezvodnih raztopinah, suspenzijah ali v plinski fazi [8]. Alkalije, ki se uporabljajo v obliki brezvodnih raztopin, so predvsem magnezijevi alkoksidi, kot na primer metoksi magnezijev metilkarbonat (MMMC), raztopljen v organskih, običajno nepolarnih topilih. V svetu sta najbolj razširjena postopka masovnega razkislinjenja na osnovi MMMC in Bookkeeper, ki vsebuje disperzijo magnezijevega oksida v perfluoroheptanu.
Še ena skupina sredstev za razkislinjenje, ki so se uporabljala v preteklosti, so organokovinske spojine, kot je dietil cink (DEZ), ki pa je zaradi vnetljivosti izjemno nevaren. Za razkislinjenje so poleg amonijaka primerni tudi nekateri amini, ki nudijo le začasen učinek razkislinjenja (hitro izhlapijo iz papirja in ne tvorijo alkalne zaloge v
11
papirju), še aminosilani v tekoči fazi in etanolamin. Ta poleg zagotavljanja alkalnosti tudi tvori komplekse s kovinskimi ioni, kot so Al3+, Cu2+, Fe3+, ki pa lahko pospešijo razgradnjo papirja [9].
Problemi, ki lahko nastanejo pri nevodnem razkislinjenju, so, da med postopkom iz objekta ne speremo stranskih produktov kislinske hidrolize, nekatere aktivne alkalne komponente so zelo reaktivne (alkoksidi reagirajo z vodo, zato je treba gradivo pred obdelavo posušiti) ali pa se prepočasi pretvorijo v ustrezne karbonate [5].
V zadnjih dvajsetih letih je pozornost raziskovalcev s področja kulturne dediščine pritegnila nanotehnologija, in sicer potencialna uporabnost nanodelcev namesto običajnih mikrodelcev v nevodnem in vodnem mediju, da bi povečali učinkovitost razkislinjenja papirja. Razvili so številne postopke razkislinjenja z uporabo disperzij nanodelcev.
Izvedena je bila študija učinkovitosti uporabe vodne in brezvodne disperzije nanodelcev Ca(OH)2 v 2-propanolu kot sredstva za razkislinjenje[16,17], študija sinteze nanodelcev Mg(OH)2 [18] in njihova uporaba pri konzerviranju papirja [19] in druge [20,21]. V zadnjih letih se za uporabo v konzervatorskih delavnicah priporoča predvsem uporaba nanodelcev kalcijevega karbonata in nanodelcev kalcijevega propionata [22], saj so postopki, ki vsebujejo nanodelce kalcijevega hidroksida, preveč invazivni za uporabo na umetniških delih.
Opisane metode temeljijo predvsem na brezvodnih disperzijah nanodelcev, saj manj polarna topila od vode zmanjšujejo problem raztapljanja in razlivanja črnil, papir pa tudi manj nabreka. Najučinkovitejša je uporaba kratkoverižnih alkoholov (2-propanol), saj imajo nizko površinsko napetost in so idealni za vlaženje hidrofilnega papirja brez poškodbe vlaken [16,18,19]. Opazimo tudi dobro kinetično stabilnost pri disperziji (npr.
kalcijevega hidroksida), topilo pa je okolju prijazno, hitro hlapno in ni toksično [15,18].
Prednosti uporabe nanodelcev za razkislinjenje papirja:
- specifična površina trdne snovi se poveča z zmanjšanjem njene prostornine, - manjši delci imajo boljšo sposobnost prodiranja v celulozna vlakna (se lahko
porazdelijo po celotni debelini papirja) in se bolje oprimejo papirnega nosilca, - na površini papirja je manj belih nanosov (ni estetsko moteče) [17,21].
Zaradi potrebe po razkislinjenju večje količine knjig v knjižnicah in arhivih so postopke brezvodnega razkislinjenja prilagodili za masovno ali množično razkislinjenje. Nekateri postopki omogočajo hkratno razkislinjenje celotne skladovnice knjig. Poznamo več postopkov masovnega razkislinjenja: PapersaveTM in PapersaveTM Swiss, CSC Book SaverTM, BookkeeperTM, LibertecTM, BuckeburgTM. Masovno razkislinjenje je smiselno izvajati na gradivu, ki ima pH vrednost papirja 5,5 ali nižjo, saj je pri teh razgradnja še posebej hitra, hkrati pa je vpliv razkislinjenja na obstojnost gradiva najbolj izrazit [10].
Običajno pa noben postopek masovnega razkislinjenja v celoti ne izpolnjuje vseh kriterijev za učinkovito razkislinjenje, znani so tudi stranski učinki razkislinjenja. Pogoste
12
težave so pri razkislinjenju so neenakomerni nanos alkalije, previsoke pH vrednosti papirja po razkislinjenju, vidni površinski nanosi alkalije ter nezaželeno rumenenje papirja med razgradnjo [5].
Postopek masovnega razkislinjenja običajno temelji na štirih korakih:
- Sušenje gradiva, s čimer zmanjšajo vsebnost vlage v papirju, izboljšajo vnos reagenta in zmanjšajo obseg drugih reakcij.
- Razkislinjenje, ki je impregnacijski korak, pri katerem pride do transporta aktivnega reagenta v papir. Tu pride tudi do nevtralizacije prisotnih kislin.
- »Ponovno sušenje«: odstranitev preostalega topila in ostalih hlapnih snovi.
- Tvorba alkalne zaloge, primerno navlaženje papirja ter dodatno izhlapevanje hlapnih snovi [10].
Postopek BookkeeperTM uporablja edinstven koncept razkislinjenja, in sicer suspenzijo submikronskih delcev magnezijevega okisida z dodatkom površinsko aktivne snovi v inertni tekočini (perflouroalkan). Postopek Bookkeeper pa je poleg masovnega razkislinjenja na voljo tudi za splošno uporabo v pršilu, ki omogoča razkislinjenje posameznih dokumentov. Magnezijev oksid se na površini papirja v prisotnosti majhnih količin vode iz papirja ali zraka pretvori v magnezijev hidroksid. Hidroksid se porabi za nevtralizacijo kislin, prisotnih v papirju, njegov presežek pa reagira s CO2 iz atmosfere, pri čemer nastane karbonat, ki predstavlja alkalno zalogo v papirju.
Pri svoji raziskavi sem za razkislinjenje ligninoceluloznega papirja uporabila komercialno dostopne disperzije Nanorestore Paper [23], ki vsebuje nanodelce Ca(OH)2
v etanolu ali 2-propanolu, CaLoSil, ki prav tako vsebuje nanodelce Ca(OH)2 v etanolu ali 2-propanolu ter disperzijo Bookkeeper [24]. Vse te disperzije so shranjene v zaprtih plastenkah, da preprečimo stik z zrakom in posledično nastanek karbonatov. Disperzije lahko nanašamo na papir s sprejem, s čopičem ali pa papir v disperzijo pomočimo. Najbolj enakomerno razkislinjenje dosežemo z namakanjem papirja v disperzijo, zato sem tudi sama vzorce papirja obdelala na ta način [25].
Po standardu ISO 18344: 2016 »Effectiveness of paper deacidification processes« je določeno, da naj bi bila vsebnost alkalne zaloge po obdelavi višja od 0,5 % MgCO3 oz.
0,59 % CaCO3 [26] .
1.5 Metode karakterizacije celuloze
Čeprav je papir zelo kompleksen material, je poznanih veliko metod za njegovo karakterizacijo. Metode za študije stabilizacije in razgradnje celuloze temeljijo na mehanskih lastnostih celuloznih materialov, saj je s tem pogojena njihova uporabnost.
Mehanske lastnosti papirja pa so v veliki meri odvisne od dolžine polimerne verige celuloze. Med stopnjo polimerizacije (DP), ki predstavlja število monomerov v celulozni verigi, in mehanskimi lastnostmi papirja je bila dokazana povezava (spremembi
13
mehanskih lastnosti sledimo z meritvami stopnje polimerizacije) [2]. Spodaj bom opisala le metode za karakterizacijo celuloze, ki sem jih uporabljala pri študiji stabilnosti ligninoceluloznih modelnih papirjev po razkislinjenju.
Določitev pH vrednosti
Določitev pH vrednosti je ena izmed najbolj razširjenih kemijskih metod pri študiji stabilnosti/razgradnje papirja. Kislost/bazičnost papirja je ključni parameter v povezavi z mehanizmi in stopnjo razgradnje [2]. Po definiciji pH opredelimo kot aktivnost oksonijevih ionov v vodni raztopini. Papir je heterogen sistem, zaradi česar prihaja do majhnih sprememb pri definiciji pH vrednosti papirja: gre za koncentracijo oksonijevih ionov, ki so ekstrahirani iz papirja v vodni medij. Poznamo več standardnih metod, ki večinoma temeljijo na ekstrakciji z destilirano vodo – ekstrakcija s hladno vodo, vročo vodo in določitev pH vrednosti na površini papirja z uporabo ploščate kombinirane elektrode [8].
Metoda določitve pH v hladnem vodnem ekstraktu je porušna metoda, saj pri določitvi vzorec uničimo. Pri tej metodi čas ekstrakcije vzorca močno vpliva na določitev pH vrednosti. Pri kislih vzorcih naj bi se po eni uri že vzpostavilo ravnotežje, ki omogoča točno določitev pH. Pri alkalnih vzorcih se karbonati počasneje ekstrahirajo v vodo, zato se ravnotežje vzpostavi po daljšem času [27]. Za določitev pH je potrebna relativno velika količina vzorca. Pri svoji raziskavi sem pH v vodnem ekstraktu merila po eni uri, saj me je zanimalo, kakšna je pH vrednost in s tem vpliv na sam papir takoj po obdelavi in ne po določenem času, ko pH vrednost papirja pade zaradi postopnega nastanka karbonatov.
Alkalna zaloga – povratna nevtralizacijska titracija
Vsebnost alkalne zaloge v papirju ima pomembno vlogo, saj v zadostni količini prepreči kislost papirja zaradi absorpcije kislih plinov iz ozračja in nevtralizira kisline, ki nastanejo med razgradnjo materiala [2]. Določitev alkalne zaloge z nevtralizacijsko titracijo je standardizirana (ISO standard 10716: 1994; Paper and board – Determination of alkali reserve).
Nevtralizacijska titracija je titracija kisline z bazo ali obratno, pri čemer gre za reakcijo med oksonijevimi in hidroksidnimi ioni v raztopini. Pri titraciji določamo končno točko, ki mora čim bolje sovpadati z ekvivalentno točko. Končno točko določamo z barvnimi indikatorji ali potenciometrično s pH metrom. Kislinsko-bazni indikatorji so večinoma organske spojine, ki so v protonirani obliki obarvani drugače kot v neprotonirani. Barvna sprememba se zgodi pri tisti pH vrednosti, ko protonirana oblika prehaja v neprotonirano ali obratno. Z direktno nevtralizacijsko titracijo s kislino vsebnosti CaCO3 ne moremo določiti, saj je difuzija kalcijevega karbonata iz papirja v destilirano vodo prepočasna. Pri
14
določitvi uporabimo povratno titracijo, pri kateri v raztopino dodamo reagent v presežku (HCl nevtralizira alkalno zalogo v papirju) – reakcija 2, nato pa titriramo (z NaOH) le presežno količino reagenta (reakcija 3). Iz količine porabljenega prvotnega reagenta izračunamo količino analita. Reakcija analita s prvotnim reagentom mora biti stehiometrična.
Reakcije:
CO32- + 2H3O+ → CO2 + 3H2O (2)
H3O+ + OH- → 2H2O (3)
Pospešena razgradnja celuloze
Reakcije razgradnje celuloze so pri sobni temperaturi počasne, za raziskave pa lahko razgradnjo celuloze pospešimo z zvišanjem temperature, relativne vlažnosti, vsebnosti nečistoč v okoliški atmosferi ali pa z obsevanjem vzorcev celuloze s svetlobo različnih valovnih dolžin [2]. Za pospešeno razgradnjo se uporablja posebne komore (slika 8), v katerih lahko izvajamo pospešeno razgradnjo pod statičnimi ali dinamičnimi pogoji (T, RH). Pogoji za pospešeno razgradnjo celuloze so opisani v različnih standardih, ki se med seboj razlikujejo [9].
Za raziskavo razgradnje celuloze sem glede na izbran standard uporabila temperaturo 80 ºC ter 65 % relativne vlage. Za študije razgradnje celuloze z dodatki (črnila) pa se velikokrat uporablja ciklične pogoje, in sicer temperaturo 90 ºC ter relativno vlago med 30 in 80 % (vlaga se spreminja na vsake tri ure). Ciklični pogoji naj bi bolje simulirali pogoje naravne razgradnje celuloze [2].
S pomočjo eksperimentov pospešene razgradnje lahko:
- določimo konstanto razgradnje pri sobni temperaturi (Arrheniusova enačba), - primerjamo stabilnost različnih vzorcev pri določenih izbranih pogojih, - raziskujemo mehanizme razgradnje.
Med pospešeno razgradnjo lahko sledimo različnim lastnostim vzorcev papirja (mehanske lastnosti, DP, barva, itn.) in s tem določimo kinetiko razgradnje celuloze. V primeru kislinsko katalizirane hidrolize celuloze ob visokem začetnem DP in enako močnih vezeh reakcija sledi kinetiki prvega reda, saj reakcijo razgradnje celuloze lahko obravnavamo kot monomolekularno. Hitrost reakcije je torej linearno odvisna od koncentracije celuloze [2].
S primerjavo konstant razgradnje ali znižanja stopnje polimerizacije lahko določimo, ali postopki stabilizacije (različna sredstva za razkislinjenje, dodatki antioksidantov ...) vplivajo pozitivno ali negativno na stabilnost vzorca.
15
Slika 8: Laboratorijska komora za termično pospešeno razgradnjo materialov pri določeni temperaturi in relativni zračni vlagi
Določitev hitrosti razgradnje celuloze z velikostno-izključitveno kromatografijo
Za določitev hitrosti razgradnje celuloze moramo slediti spremembi stopnje polimerizacije (DP) v odvisnosti od časa pospešene razgradnje. Stopnjo polimerizacije lahko določamo na dva načina:
- z viskozimetrijo, ki je standardizirana in enostavna metoda (določimo viskozimetrično povprečje stopnje polimerizacije) [2].
- z velikostno-izključitveno kromatografijo (določimo povprečno molsko maso celuloze, iz katere lahko izračunamo DP ter porazdelitev molskih mas v vzorcu) [28,29].
Pri študiji stabilnosti ligninoceluloznega papirja po razkislinjenju sem uporabljala metodo določitve stopnje polimerizacije z velikostno-izključitveno kromatografijo derivatizirane celuloze. Zaradi višje vsebnosti lignina določitev DP pri ligninoceluloznem papirju z viskozimetrijo ni mogoča, saj se lignocelulozni vzorci v topilih slabo topijo [1].
Za izračun konstante hitrosti razgradnje po določitvi stopnje polimerizacije pri različnih eksperimentalnih časih uporabimo Ekenstamovo enačbo:
16
1 𝐷𝑃t− 1
𝐷𝑃0= 𝑘 ∙ 𝑡
pri čemer je DP0 stopnja polimerizacije ob času 0, DPt je stopnja polimerizacije ob času t, t je eksperimentalni čas, k pa je konstanta hitrosti [30].
Velikostno-izključitvena kromatografija (ang. size-exclusion chromatography), SEC, je separacijska tehnika, kjer se makromolekule ločijo glede na velikost oz. glede na hidrodinamsko prostornino, ki jo molekule zavzamejo v raztopini [31]. Razvejane molekule zavzamejo manjšo hidrodinamsko prostornino v raztopini kot linearne pri isti molski masi.
Princip ločevanja temelji na tem, da manjše molekule migrirajo v porozne strukture stacionarne faze (pore) in se v njih zadržijo, medtem ko večje molekule neovirano potujejo naprej oziroma se v njih zadržujejo manj časa in se tako eluirajo prej (slika 9).
Pri tej vrsti ločevanja analit ne sme reagirati s površino stacionarne faze. Stacionarna faza je porozen gel, za katerega je velikost por točno določena, mobilna faza pa je topilo ali šibka raztopina nevtralne soli.
Mobilna faza mora:
- popolnoma raztapljati polimer, - imeti nizko viskoznost,
- preprečiti interakcije vzorca s stacionarno fazo.
Velikost molekule je pri nekaterih primerih (tudi pri celulozi) povezana z molsko maso. Pri relativnih metodah zato lahko iz oblike kromatografskega vrha enostavno preračunamo porazdelitev molskih mas iz standardov [31].
Elucijski čas
Slika 9: Shema principa ločbe delcev pri velikostno izključitveni kromatografiji
17
Kromatografski sistem
Tipični kromatografski sistem je izokratski HPLC sistem. Sestavljen je iz rezervoarja, v katerem je mobilna faza, ter visokotlačne črpalke, ki črpa mobilno fazo v injektor. V tok mobilne faze preko injektorja vnesemo vzorec, ki je pripravljen v enakem topilu kot mobilna faza. Vzorec se nato preko predkolone eluira v analizno kolono, kjer poteče ločba. Na koncu, pri izhodu, se nahaja detektorska celica. Signal iz detektorja potuje do integratorja, rekorderja ali računalnika za nadaljnjo obdelavo, vzorec pa se spere v odpad (slika 10).
Slika 10: Shema kromatografa z dvema detektorjema Določitev molskih mas
V koloni se analit loči glede na hidrodinamski volumen, to je volumen, ki ga molekula zavzema v raztopini. Pri določitvi mase lahko uporabimo detektor, ki bi bil občutljiv na maso analita (npr. viskozimetrični detektor, membranski osmometrični detektor ali detektor na sipanje laserske svetlobe), kadar tega nimamo na voljo, pa uporabimo detektor, ki je občutljiv na koncentracijo analita (npr. detektor na spremembo absorbance, UV, vidne ali IR svetlobe, detektor na spremembo lomnega količnika RI). Pri tem pa moramo metodo umeriti [28,29].
Zaradi dobre topnosti v mobilni fazi THF sem pri svojem delu uporabila polistirenske standarde, ki se običajno uporabljajo za univerzalno umeritev. Umeritveno krivuljo dobimo tako, da izrišemo odvisnost logM od Vp, pri čemer je M molska masa standarda in Vp retencijska prostornina eluenta, pri kateri se eluira analit. S pomočjo umeritvene krivulje lahko nato neznanemu vzorcu določimo številčno (Mn) ali masno (Mw) povprečje molskih mas.
18
Velikostna izključitvena kromatografija derivatizirane celuloze
Celuloza je zaradi številnih vodikovih vezi in sorazmerno visoke kristaliničnosti topna le v redkih topilnih sistemih [14]. Celuloza je topna v koncentriranih raztopinah baz (20 % NaOH) ali kislin (80 % H3PO4), vendar se v njih tudi hitro razgrajuje, zato te niso primerne za raztapljanje v primerih, ko želimo določati molsko maso topljenca.
Pri viskozimetričnem določanju povprečne molske mase standard predpisuje raztapljanje celuloze v 0,5 mol/L vodni raztopini bis(etilendiamin) bakrovega(II) hidroksida (CED).
Topilo CED ni primerno za velikostno-izključitveno kromatografijo, saj zaradi močno alkalnega pH poškoduje kolone.
Zelo pogost topilni sistem za celulozo je tudi sistem LiCl/N,N-dimetilacetamid (LiCl/DMAc). Raztopina celuloze v LiCl/DMAc je stabilna, vendar pa metoda zahteva 5 mg vzorca, česar pa pri zgodovinskih dokumentih ni mogoče zagotoviti [14,32].
Za določanje povprečne molske mase lahko pripravimo derivat celuloze, saj s tem povečamo topnost. V preteklosti sta bila zelo pomembna derivata nitrirana celuloza in acetilirana celuloza. Pri svojem delu sem pripravljala celulozni trikarbanilatni derivat (slika 10), ki je zelo obstojen, dobro topen v THF, pri pripravi derivata pa ne pride do depolimerizacije celuloze. V karbanilirani celulozi imajo fenilne skupine visoko molarno absorptivnost, kar v UV delu spektra omogoča detekcijo analita tudi pri nizkih koncentracijah [14,28,29].
Slika 11: Shema molekule celuloze trikarbanilata
Pri reakciji celuloze s fenil izocianatom se kot topilo uporabljajo dimetilformamid, dimetilsulfoksid ali piridin. Dokazano je, da piridin ne povzroča sprememb v verigi celulozne molekule med 48-urnim potekom reakcije pri 80 °C, zato sem ga uporabila pri svoji raziskavi.
19
Spektrofotometrija in barvna metrika
Barva je posledica interakcije med materialom in svetlobo. Med obsevanjem materiala se svetloba lahko odbije (reflektira), prehaja skozenj (transmitira) ali pa se absorbira. Čista celuloza svetlobe vidnega dela spektra skoraj ne absorbira, v UV območju elektromagnetnega spektra pa je absorpcija svetlobe bolj izrazita [2].
Naravni procesi razgradnje papirja neizogibno prispevajo k spremembi barve celuloze, kar je lahko posledica nastajanja kromoforjev med razgradnjo celuloze. Kromoforji absorbirajo svetlobo, absorbirana energija pa se lahko sprošča preko več možnih procesov, tudi s fluorescenco. Rumena barva je lahko torej tudi posledica emisije v rumenem področju elektromagnetnega valovanja (570 nm) [2].
Sprememba barve papirja je kompleksen kemijski proces med procesom razgradnje celuloze. Kromoforji naj bi nastajali kot posledica razgradnje celuloze verige in zaradi procesa tvorbe oksidirane celuloze. Vsebnost karbonilnih skupin naj bi bila ključna za znižanje beline celuloze.
Za določitve barve papirja se pogosto uporablja UV-VIS spektrofotometer, pri katerem je vzorec papirja obsevan, merimo pa intenziteto razpršene odbite svetlobe. Pri tem ni potrebna priprava vzorca. Razpršena odbita svetloba se zbira na integracijski sferi ali pa je spektrofotometer opremljen s sistemom zrcal, ki omogočajo prenos signala na detektor [2].
Instrument umerimo s polimernim standardom, odboj (reflektanca) pa se izmeri v odstotkih, relativno na polimeren standard. Spremembe v barvi podajamo s pomočjo komponent barvnega prostora. Za ta namen se uporablja CIE L*a*b* barvni prostor, ki temelji na barvnih nasprotjih. L* predstavlja svetlost/temnost, a* predstavlja rdečo/zeleno komponento ter b* rumeno/zeleno komponento.
FE-SEM in SEM-EDS analiza
FE-SEM (elektronski mikroskop na poljsko emisijo) je tehnika, ki se uporablja za vizualizacijo zelo majhnih podrobnosti na površini papirja, pri povečavah od 10x do 300.000x. Površino vzorca skenira z visokoenergijskim snopom elektronov, v vzorcu rastrskega skeniranja. V primerjavi s SEM je pri tem mikroskopu boljša ločljivost do 1 nm in veliko večji razpon energije [33].
SEM-EDS je prav tako tehnika, kjer lahko ob hkratni vizualizaciji (elektronska mikroskopija) pridobimo tudi kvantitativne informacije o sestavi vzorca.
Elektroni, potrebni za nastanek elektronske slike, v tem primeru predstavljajo primarni žarek, ki izbije elektron iz notranje lupine analita in povzroči rentgensko fluorescenco.
20
Vzorci, ki jih opazujemo ali analiziramo s SEM, morajo biti električno prevodni, da lahko odvajajo statični naboj, ki ga povzroči curek vpadnih elektronov. Če vzorec sam po sebi ni prevoden, nanj predhodno napršimo tanko plast zlata ali ogljika. Nekateri elektronski mikroskopi omogočajo delo pri višjih tlakih kot običajno (npr. od 2 do 133 Pa - Zeiss Supra 35VP). Pri tem načinu dela neprevodnih vzorcev ni treba napršiti s prevodnim materialom (ogljik, zlato), saj statični naboj na vzorcu odvaja ioniziran plin pod znižanim tlakom v merilni komori instrumenta.
21
2 Namen dela
Namen magistrskega dela je bil, da na testnih ligninoceluloznih papirjih preverim in ocenim učinkovitost različnih brezvodnih disperzij za razkislinjenje med termično pospešeno razgradnjo. Preveriti sem želela učinkovitost komercialno dostopnih disperzij nanodelcev Ca(OH)2 v etanolu in 2-propanolu (Nanorestore paper, CaLoSiL) ter disperzije za razkislinjenje Bookkeeper, ki vsebuje submikronske delce MgO v organskem topilu perfluoroheptanu. Njihovo učinkovitost stabilizacije papirja bom primerjala z učinkovitostjo razkislinjenja z laboratorijsko pripravljeno disperzijo nanodelcev CaCO3 v etanolu in 2-propanolu. Disperzija nanodelcev CaCO3 v alkoholu je manj alkalna kot preostale raztopine za razkislinjenje, zato pričakujem, da bo le-ta bolj primerna.
Velikost delcev CaCO3 in njihovo porazdelitev na papirju bom preverila s SEM analizo.
Oceno učinkovitosti po razkislinjenju bom preverila z določitvijo pH vrednosti, alkalne zaloge in s spektrofotometrično določitvijo barve. Vzorce papirja pred in po razkislinjenju bom nato 14 dni pospešeno razgrajevala v komori pri temperaturi 80 °C in 65 % RH.
Kinetiko razgradnje bom proučevala z velikostno-izključitveno kromatografijo. Določila bom stopnjo polimerizacije celuloze pred razgradnjo in po 4, 9, 14 dneh pospešene razgradnje. Iz teh meritev bom izračunala konstanto razgradnje papirja. Med pospešeno razgradnjo bom prav tako spektrofotometrično izmerila spremembe barve papirja po 4, 9 in 14 dneh razgradnje.
Rezultate vseh analiz pred in po razkislinjenju ter pred in po pospešeni razgradnji bom primerjala med seboj in ocenila učinkovitost raztopin za razkislinjenje ter njihov vpliv na stabilnost papirja. Z izvedbo eksperimentov pospešene razgradnje bom tako prišla do podatkov o obstojnosti teh papirjev ter seveda do podatka, ali lahko njihovo življenjsko dobo podaljšamo, če jih obdelamo z alkalijami.
Na podlagi teh meritev bom lahko predvidevala, katero sredstvo za razkislinjenje bi lahko uspešno upočasnilo razgradnjo ligninoceluloznega papirja in pri tem ne bi vplivalo tako na barvno obstojnost papirja kot tudi drugih črnil ali pigmentov, ki so pogosto prisotni na izvirnih dokumentih.
23
3 Eksperimentalni del
3.1 Opis vzorcev papirja
Pri raziskavi sem uporabila dve vrsti kislega ligninskega papirja. Papir P1, ki je bil izdelan in raziskan v projektu PaperTreat, in papir P2, ki je bil predhodno že uporabljen v projektu Step CT-90-0100. Sestava in pH vrednost posameznega papirja je predstavljena v tabeli 1.
Tabela 1: Sestava modelnega papirja P1 in P2 ter pripadajoča vrednost pH
Papir P1 Papir P2
Sestava 90 % lesovine
10 % beljenih celuloznih vlaken
75 % lesovine 25 % celulozna vlakna
Aditivi 20 % kaolina in
aluminijevega sulfata
20 % kaolina in aluminijevega sulfata
pH 5,0 ± 0,1 6,0 ± 0,1
3.2 Sredstva za razkislinjenje
Pri raziskavi sem uporabila pet komercialno dostopnih sredstev za razkislinjenje, in sicer:
CaLoSil IP-5 in CaLoSil E5 (IBZ-Salzchemie GmbH & Co.KG, Halsbrücke, Nemčija), Bookkeeper disperzijo za razkislinjenje (Preservation technologies, Cranberry Township, USA) ter Nanorestore paper Ethanol 3 in Nanorestore paper Propanol 3 (C.S.G.I., Italija).
V tabeli 2 je podroben opis sredstev za razkislinjenje. Pri disperzijah CaLoSil in Nanorestore uporabljajo brezvodni etanol in 2-propanol, saj bi v nasprotnem primeru kalcijev hidroksid reagiral z vodo in CO2, pri čemer bi nastal karbonat ali pa bi prišlo do spremembe velikosti nanodelcev.
Poleg komercialno dostopnih sredstev sem v laboratoriju pripravila še disperzijo nanodelcev CaCO3 v etanolu in 2-propanolu. Disperzijo nanodelcev CaCO3 sem pripravila iz CaCO3 prahu (99,9 %, 20 nm, CNM), ki sem ga dala v etanol (Sigma- Aldrich, 96 vol%) ali 2-propanol (Sigma-Aldrich, 99,8 %) s koncentracijo 2 %. Raztopine sem trikrat po tri minute obdelala z uporabo ultrazvočne naprave (GmbH, model UP400S). Disperzijo sem uporabila v enem dnevu, saj so se delci v disperziji po določenem času sprejeli (aglomerirali).
24
Tabela 2: Opisi in oznake sredstev za razkislinjenje Sredstvo za
razkislinjenje – oznaka
Sredstvo za razkislinjenje
(uradno ime izdelka) Disperzija nanodelcev – opis NR E Nanorestore Paper
Ethanol 3
Ca(OH)2 v etanolu; 3 g/L (0,04 mol/L) NR iP Nanorestore paper
Propanol 3
Ca(OH)2 v 2-propanolu; 3 g/L (0,04 mol/L)
CS E CaLoSil E5 Ca(OH)2 v etanolu; 5 g/L (0,07 mol/L) CS iP CaLoSil IP5 Ca(OH)2 v 2-propanolu; 5 g/L
(0,07 mol/L)
BK Bookkeeper Sub-mikronski delci MgO z dodatkom
aktivne snovi (derivat perfluoropolieter) v inertni tekočini (perfluoroalkan)
C E CaCO3 v etanolu; 20 g/L (0,2 mol/L)
C iP CaCO3 v 2-propanolu; 20 g/L
(0,2 mol/L)
Pri pripravi svoje disperzije sem uporabila višjo koncentracijo, kot se uporablja v CaLoSil in Nanorestore sredstvih za razkislinjenje, saj je kalcijev karbonat veliko manj topen v vodi in posledično v celuloznih vlaknih, kot pa kalcijev hidroksid [2].
3.3 Obdelava vzorcev
Vzorce papirja sem za 5 min namočila v petrijevke z različnimi disperzijami ter jih neprestano mešala. Po končanem namakanju sem jih s pinceto vzela iz disperzije ter jih položila na Milar folijo, da so se posušili.
3.4 Pospešena razgradnja
Vsi vzorci so bili izpostavljeni 14-dnevni pospešeni termični razgradnji. Obdelane in neobdelane vzorce sem našila na Whatmanov filter papir ter jih obesila v Votsch VC 0020 klimatsko komoro, s temperaturo 80 °C in relativno vlažnostjo 65 %. Med pospešeno razgradnjo sem vzorce analizirala 4., 9. in 14. dan.
3.5 Analizne metode
Metoda določanja pH
pH vrednost vzorcev sem določila z metodo pH hladne ekstrakcije po standardu T 509 om-02 [34].Vzorce papirja sem narezala na enakomerne kvadratke, velike do 1 cm2, in
25
jih nato natehtala v epruveto 50,00 ± 0,05 mg. S pipeto sem vzorcem dodala 3,5 mL hladne destilirane vode, jih s stekleno palčko premešala ter jih pustila zaprte v epruveti 1 h pri temperaturi 25 ± 5 °C. Količine za analizo sem glede na standard sorazmerno dvajsetkrat zmanjšala. pH sem določila s pH metrom (Mettler Toledo MP 220) z umerjeno kombinirano stekleno elektrodo (Methrohm, 6.0227.100, pH 0–14, 0–80 °C), pri čemer sem pazila, da se sam vzorec ni dotikal površine elektrode. Elektrode sem umerjala z dvema pufroma, Sigma-Aldrich: pH = 4,01 (citrat/HCl) in pH = 10,00 (borova kislina/KCl/NaOH). Pufre sem uporabljala največ en teden. Za vsak vzorec sem izvedla po dve meritvi.
Metoda določanja alkalne zaloge
Učinkovitost razkislinjenja vzorcev sem določila tudi z metodo določanja alkalne zaloge po standardu T 553 om-05 [35]. Količine za določitev alkalne zaloge sem sorazmerno zmanjšala za osmino glede na standard. V erlenmajerico sem natehtala 125,0 ± 0,1 mg suhega, na koščke razrezanega papirja in s pipeto dodala 3,1 mL destilirane vode ter presežek kisline 2,5 mL 0,1 M HCl. To sem segrela do vrenja in pustila vreti še 1 min.
Erlenmajerico sem nato odstavila in ohladila na sobno temperaturo ter dodala kapljico indikatorja metil rdeče. Raztopino sem nato retitrirala z bazo, in sicer z 0,1 M NaOH, do preskoka barve iz rožnate v rumeno. Po preskoku barve sem počakala še 2 min, da sem se prepričala, da barva indikatorja ne izgine, ter odčitala volumen NaOH. Za vsak vzorec sem izvedla dve določitvi.
Reakcije za izračun alkalne zaloge:
1. Reakcija karbonata s presežkom kisline: CO32- + 2H3O+ → CO2 + 3H2O 2. Reakcija nezreagirane kisline z bazo: H3O+ + OH- → 2H2O
𝐴𝑙𝑘𝑎𝑙𝑛𝑎 𝑧𝑎𝑙𝑜𝑔𝑎 = (𝑐(𝐻𝐶𝑙) ∙ 𝑉(𝐻𝐶𝑙) − 𝑐(𝑁𝑎𝑂𝐻) ∙ 𝑉(𝑁𝑎𝑂𝐻)) ∙ 0,05 ∙ 𝑀(CaCO3) 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑢ℎ𝑒𝑔𝑎 𝑝𝑎𝑝𝑖𝑟𝑗𝑎
Tako pridobljena alkalna zaloga predstavlja masni delež CaCO3 v %.
Barvna metrika
Barvo vzorcev sem določila pred in po razkislinjenju ter pred in po pospešeni razgradnji z UV–VIS spektrofotometrom Minolta CM-3610d z difuznim odbojem, brez spekularne komponente in D65 svetlobnim virom. Instrument ima d/8° geometrijo. Instrument sem umerila s polimernim Minolta standardom, odboj (reflektanca) pa se nato izrazi v odstotkih, relativno na polimeren standard. Vrednosti za barve sem izrazila v CIE L*a*b*
barvnem prostoru, kjer lahko svetlobo, odbito od površine telesa, prevedemo v tri koordinate, ki opisujejo:
26
- svetlost (L* = 100), temnost (L* = 0), - zeleno (–a*) / rdečo komponento (+a*), - rumeno (+b*)/ modro komponento (–b*),
pri čemer algoritem upošteva tudi povprečne lastnosti človeškega očesa in njegovo specifično občutljivost za posamezne dele barvnega spektra [2]. Vsi rezultati so povprečje treh meritev, pri katerih ni potrebna priprava vzorca. Iz teh koordinat sem izračunala še razliko med vrednostmi L*, a*, b* (ΔL*, Δa*, Δb*) in celotno barvno razliko (ΔE*) med dvema vzorcema glede na referenčni vzorec (vzorec, ki ni obdelan in ni pospešeno razgrajen).
Določitev stopnje polimerizacije (DP) in konstante reakcijske hitrosti razgradnje celuloze
Za določitev masnega povprečja molskih mas celuloze (Mw) sem uporabila velikostno- izključitveno kromatografijo (SEC) derivatizirane celuloze. Analizo sem izvajala na kromatografskem sistemu Agilent HPLC serije 1100, opremljenim z razplinjevalnikom, binarno črpalko, avtomatskim vzorčevalnikom (Agilent serije 1100), dvema zaporedno vezanima kolonama (Jordi Gel DVB mixed bed), odgovarjajočo predkolono (5 cm Guard GPC mixed bed) ter UV-VIS detektorjem. Kromatografska kolona je bila termostatirana na 35 °C, za mobilno fazo sem uporabila THF s pretokom 1 mL/min, injiciran volumen pa je bil 50 µL. Kromatografski podatki so bili obdelani s programsko opremo Cirrus.
Pri velikostno-izključitveni kromatografiji, kjer uporabljamo UV-VIS detektor, občutljiv na koncentracijo analita in ne na njegovo molekulsko maso, je potrebna umeritev, ki jo izvedemo z uporabo univerzalne umeritve z uporabo polistirenskih standardov [28].
Absorpcijski maksimum polistirena je pri 210 nm, karbanilirane celuloze pa pri 235 nm, zato sem UV-VIS detektor uporabljala pri teh dveh valovnih dolžinah. Za vse vzorce sem izvedla dve ponovitvi, tipična RSD pri določitvah Mw je bila 5 %.
Za umeritveno premico sem uporabila polistirenske standarde (PS) z znanimi vrednostmi molske mase pri maksimumu vrha (Mp). Standardi so bili pripravljeni z mešanjem treh različnih PS, kot je prikazano v tabeli 3. Koncentracija mešanic PS v THF je bila 0,1 g/L.
27
Tabela 3: Mešanice standardov za umeritev SEC določitev
Vzorec Mp (gmol-1)
mešanica PS1 1090000, 130000, 17800 mešanica PS2 2570000, 246000, 34800 mešanica PS3 579000, 67000, 8400
Priprava derivata
Vzorce za analizo sem odvzela z votlo iglo (okoli 5 mg), jih dala v stekleno vialo ter jih postavila v termostat za 2 h (Binder, D) na 105 °C. S sušenjem iz papirja odstranimo adsorbirano vodo, kar je pri pripravi derivata izrednega pomena, saj ga je potrebno pripravljati v brezvodnem mediju. V viale sem nato dodala 1 mL suhega piridina (H20 ≤ 0,005 %, Fluka, Buchs) in 0,1 mL fenil izocianata (p.a., Fluka, Buchs), jih zatesnila in postavila v termostat za 48 h na 80 °C, da je potekla reakcija v pripravljeni mešanici. Po 48 h sem reakcijo ustavila z dodatkom 0,1 mL metanola ter vse skupaj ohladila na sobno temperaturo. Rumenkasto viskozno tekočino sem nato redčila z mobilno fazo, tako da sem jo 50 µL odpipetirala v viale s 450 µL THF. Na koncu sem razredčen vzorec z injekcijsko brizgo prefiltrirala v nove viale ter jih zatesnila, da vzorec ni izparel.
FE-SEM mikroskopija in EDS analiza
Za morfološko analizo velikosti delcev CaCO3 na obdelanemu vzorcu papirja in v disperziji je bil uporabljen vrstični elektronski mikroskop na poljsko emisijo (FE-SEM, Zeiss ULTRA plus). Disperzija je bila nanešena na aluminijev nosilec z uporabo dvoslojnega lepilnega karbonskega traku in posušena pri 80 °C. Vzorci papirja so električno neprevodni in da zagotovimo njihovo prevodnost, so bili pred analizo prav tako posušeni in naprašeni s prevodno plastjo Au/Pd kovine debeline 10 nm. Mikroskop je med analizo deloval pri pospeševalni napetosti od 2 kV do 5 kV, delovna razdalja med vzorcem in virom elektronom je bila 5,5 mm, za detekcijo pa je bil uporabljen sekundarni elektronski (SE) detektor.
EDS (energijsko disperzijski spektrometer) analiza je bil izvedena z uporabo EDS Oxford detektorja. Pri tej analizi je bila pospešena napetost 15 kV, velikost aperture 60 µm,
28
delovna razdalja pa je bila 5,5 mm. Pri tej analizi poleg dobro ločljive slike določimo še elementno porazdelitev na površini papirja.
