Array Коллектив авторов - Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 3

Очистка документов и книг от загрязнений является необходимой и довольно трудоемкой операцией в реставрационном процессе. Как показывает практика, основные затруднения возникают при очистке старинных церковных книг и книг светского содержания периода XV–XVIII вв. «Отпечатки» бытования при многократном пользовании книги остаются на ней в виде «засаленности» углов, мушиных засидов, сажевых загрязнений, пятен воска и т. п. К сожалению, традиционные методы механической очистки материалов на бумажной основе (основанные на использовании стирательной резинки, резиновой крошки, абразивной шкурки с мелким зерном) нарушают целостность структуры поверхности бумаги, уменьшают толщину бумажного листа, что в конечном итоге отрицательно сказывается на механической прочности бумажных листов. Кроме того, часть снятых загрязнений (в виде пыли) остается в верхнем слое поврежденной поверхности бумаги. Следует также отметить, что нередки случаи, когда физическое состояние книг, особенно ветхость нижних углов листов блока, в принципе не позволяет применять механическую очистку.

Исходя из вышесказанного, в настоящее время весьма актуален поиск альтернативных методов очистки материалов на бумажной основе. С этой точки зрения возможность применения лазерной обработки представляет большой практический интерес. Однако введение в реставрационный процесс любых новых технологий невозможно без предварительного исследования их воздействия на физико-механические свойства бумаги и ее долговечность.

В данной работе было проведено исследование влияния лазерной обработки на физико-механические и химические свойства бумаги. Для этого были использованы опытные образцы бумаги, различающиеся между собой по композиционному составу (волокнистая составляющая, вид и количество наполнителя и проклейки, см. Табл. 1). Образцы под шифрами В-2, В-5, В-6, В-19, В-25 представляют собой бумагу опытной выработки 1961 г. Кроме того, в экспериментах использовались образцы тряпичной бумаги, которые были изготовлены в XIX в. В работе определялись следующие показатели бумаги: сопротивление излому (прочность на излом, ГОСТ 13525.-80), величина рН водной вытяжки (холодная экстракция, ГОСТ 12523-77) и белизна (коэффициент отражения). Измерение белизны бумаги проводились путем измерений на шаровом фотометре ФМШ-56 М. Для оценки влияния лазерной обработки на долговечность бумаги было проведено ускоренное термическое старение исследуемых образцов (105ºС, 72 часа) с последующим определением вышеуказанных показателей. С целью получения более объективных данных эксперименты по лазерной обработке и оценке ее влияния на бумагу многократно повторялись, а их результаты усреднялись.

Обработка бумаги осуществлялась при помощи импульсного твердотельного волоконного иттербиевого лазера со следующими выходными параметрами: длина волны излучения – 1,06 мкм; средняя мощность – около 4 Вт, длительность импульса – 10 нс, частота повторения импульсов – 20 кГц. Лазерный пучок фокусировался на поверхность бумажного листа (диаметр пятна в фокусе линзы составлял около 100 мкм). Для уменьшения теплового воздействия излучения лазера на бумагу осуществлялось высокоскоростное сканирование (перемещение лазерного луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях). Скорость сканирования варьировалась в пределах 200–500 мм/с, а область сканирования (область лазерной обработки) составляла около 4 × 6 см 2. Образцы бумаги обрабатывались лазером с обеих сторон листа.

В Табл. 1 представлены значения показателя сопротивления излому у образцов бумаги различного состава после лазерной обработки ее поверхности (с двух сторон). Из таблицы видно, что лазерная обработка снизила механическую прочность (12–200 % по среднему значению ч.д.п.), только у двух видов бумаги – В-2 из 100 % сульфатной целлюлозы и В-6 из 100 % льняной полумассы. Причем уменьшение сопротивления излому у бумаги этих двух вариантов происходит только в продольном направлении. У остальных 4-х видов бумаги (наполнителькаолин и крахмальная проклейка у тряпичной бумаги) после лазерной обработки показатель сопротивления излому не снижается. Следует отметить, что у всех видов бумаги после обработки лазером происходит незначительное увеличение данного показателя в поперечном направлении. Известно, что показатель сопротивления излому (ч.д.п.) в продольном направлении определяется прочностью и эластичностью волокна, тогда как эта величина для поперечного направления зависит от прочности межволоконных связей. Полученные изменения величины сопротивления излому для бумаги без проклейки (В-2 и В-6) можно объяснить, привлекая результаты дифференциального термического анализа [9]. При нагреве образцов бумаги воздухом до температуры 220ºС наблюдается небольшая потеря массы, связанная с дегидратацией волокна целлюлозы. Дегидратация уменьшает его эластичность, что приводит к снижению сопротивления излому бумаги. В то же время, удаление гигроскопичной воды будет сопровождаться упрочнением водородных связей, которые вносят основной вклад в энергию межволоконных связей в бумаге.