Changes in the chemical and physical properties of paper documents due to natural ageing

Čabalová, I., Kačík, F., Gojný, J., Češek, B., Milichovský, M., Mikala, O., Tribulová, T., and Ďurkovič, J. (2017). “Veranderingen in de chemische en fysische eigenschappen van papieren documenten als gevolg van natuurlijke veroudering,” BioRes. 12(2), 2618-2634.

Abstract

Download PDF

hele Artikel

Veranderingen in de Chemische en Fysische Eigenschappen van Papieren Documenten door Natuurlijke Veroudering

Iveta Čabalová,a,* František Kačík,een Ján Gojný,b Břetislav Češek,b Miloslav Milichovský,b Ondřej Mikala,b Tereza Tribulová,een en Jaroslav Ďurkovič c

Het doel van deze studie was het evalueren van de veranderingen in chemische en fysische eigenschappen van het geselecteerde papier aan documenten, daterend uit de 18e eeuw tot op heden. Papieren documenten uit de 18e, 19e en 21e eeuw hadden een pH variërend van licht zure tot alkalische waarden, terwijl papieren documenten uit de 20e eeuw zuurder waren. De inhoud van mannose, glucose, holocellulose en lignine was significant gecorreleerd met de pH van het papier. Hoge gehalten aan zowel carbonzuren (azijnzuur en mierenzuur) als de meest duurzame monosaccharide (glucose) werden gevonden in de oudste onderzochte papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw. Het laagste percentage van de helderheid werd gevonden in papieren documenten uit 1920 en 1923. De laagste breuklengte werd geassocieerd met papier uit 1920.

Trefwoorden: Papieren documenten; Natuurlijke veroudering; pH; Mierenzuur; Azijnzuur; lengte van de Vezels; afgeven en cellulose / hemicellulose

Contact informatie: a: Departement Chemie en Chemische Technologieën, Technische Universiteit in Zvolen, T. G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen, de slowaakse Republiek; b: Instituut voor Chemie en Technologie van Macromoleculaire Materialen, Universiteit van Pardubice, Studentská 9, 532 10 Pardubice, tsjechië; c: Ministerie van Phytology, Technische Universiteit in Zvolen, T. G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen, Slowakije; * correspondent author: [email protected]

inleiding

de verslechtering van papier wordt veroorzaakt door verschillende factoren zoals zure hydrolyse, oxidatiemiddelen, licht, luchtverontreiniging of de aanwezigheid van micro-organismen (Zou et al. 1996a, b; Zotti et al. 2008; Zervos 2010; Area and Cheradame 2011; Kraková et al. 2012). Tijdens de natuurlijke veroudering is het verlies van papiersterkte het gevolg van de afbraak van cellulose, de belangrijkste structurele component. Cellulose degradatie in papier bereikt verschillende modi afhankelijk van een verscheidenheid van chemische processen (zure en enzymatische hydrolyse, alkalische en oxidatieve degradatie), thermische impact (invloed van verschillende temperaturen), en straling (ultraviolet en hoge energie), gezien de zure hydrolyse het meest overheersend (Whitmore en Bogaard 1994).

Ligninegehalte is van groot belang voor de conservering van op papier gebaseerde materialen. Het is een complex en deels onstabiel natuurlijk organisch polymeer, en de beperkte fotostabiliteit is belangrijk voor tentoongestelde objecten. De invloed van lignine op de stabiliteit van cellulose in papier is niet goed begrepen, maar het kan een beperkt antioxidant effect hebben. De oxidatie ervan kan echter ook bijdragen aan een ophoping van zuren, die het materiaal destabiliseren (Zou et al. 1993; Schmidt et al. 1995; Begin et al. 1998; Trafela et al. 2007). Een belangrijke bron van zuurgraad ontwikkeling in papieren documenten tijdens het verouderen is bekend dat de hydrolyse van acetaat ester groepen in de hemicellulose (Polovka et al. 2006; Zervos 2007; Jablonský et al. 2012a).

papier voor ca. 1850 werd geproduceerd met het traditionele formaatproces met behulp van gelatine (Dupont 2003), wat resulteerde in een ongeveer neutraal of licht zuur materiaal. Over het algemeen blijft gelatine in oude boeken in goede staat als het in een gunstige omgeving is bewaard bij afwezigheid van corrosieve inkten of biodeteriogenen. Gelatine is gunstig voor papier en verhoogt de levensduur (Strlič et al . 2004; Lichtblau et al. 2008). Voor papier geproduceerd tussen 1850 en 1990, de pH-waarden van waterige extracten zijn vaak lager dan 6 als gevolg van de toepassing van de alum-colofonium grootte systeem. Dit vermindert de levensverwachting van papier. Van 1990 tot heden is de productie van papier veranderd in alkaline sizing, en hedendaags papier is opnieuw stabieler (Trafela et al. 2007). De reden was om de kosten te verlagen. De moderne ” PCC ” calciumcarbonaatvuller, die nodig is voor alkalische pH tijdens het vormen van papier, maakte het minder duur om helder papier te maken (Hubbe 2005). De sterkte van papier wordt bepaald door de sterkte van de afzonderlijke vezels en de sterkte van de binding van deze vezels in een netwerk (Page and Seth 1979; Ververis et al. 2004).

volgens Paavilainen (1993a, b) is er een afname van de treksterkte die overeenkomt met een toename van de vezelcoarseness, wat erop wijst dat de belangrijkste factoren voor een hoge treksterkte van papier een goede hechting en een hoge intrinsieke vezelsterkte zijn. De treksterkte wordt bepaald door het verlijmde oppervlak, zowel uitwendige als inwendige fibrillaties, de hoeveelheid fijne deeltjes en vooral door de flexibiliteit van natte vezels. Gandini en Pasquini (2012) merkten op dat de mechanische eigenschappen van papier rechtstreeks verband houden met de capaciteit van haar vezels om inter – en intravezelbindingen te vormen. Het maximaliseren van het gebonden gebied en de vezellengte kan het activeringsproces verhogen, terwijl vervormingen zoals knik en krul de activering kunnen verminderen.

vervormde vezels leiden ook tot een niet-uniforme verdeling van de belasting, waardoor het vermogen van de netwerken om belasting te dragen afneemt omdat zij lokale spanningspunten veroorzaken (Vainio 2007). Mohlin et al. (1996) bestudeerde de invloed van vezelvervorming op de plaatsterkte. De auteurs meldden een afname van de treksterkte en trekstijfheid met een toename van het aantal vezelvervormingen en een afname van de vormfactor.

analyse van vezeleigenschappen zoals vezellengte, vezeldiameter, lumenbreedte, celwanddikte en hun afgeleide morfologische kenmerken is belangrijk geworden bij het schatten van de pulpkwaliteit van vezels (Dinwoodie 1965; Amidon 1981). Vezellengte en-sterkte zijn bijzonder belangrijk voor scheurweerstand (Tamolang et al. 1968; Wangaard en Williams 1970; Seth en Page 1988). Bovendien toonde Seth (1990) aan dat de treksterkte wordt beïnvloed door de vezellengte.

de doelstellingen van deze studie waren het beoordelen van de veranderingen in de pH-waarden, het gehalte aan carbonzuren, holocellulose en lignine, de vezelafmetingen, de breuklengte en de helderheid van papieren documenten op verschillende leeftijden. De studie dient ook om belangrijke relaties tussen de onderzochte eigenschappen te verduidelijken.

experimenteel

materialen

papiermonsters werden genomen uit een boek dat in elk van de jaren werd gedrukt 1719, 1762, 1784, 1807, 1839, 1853, 1859, 1920, 1923, 1956, en 2007. Alle onderzochte boeken werden opgeslagen op één plek, in een oude kerk in het centrale deel van Slowakije, wat betekent dat deze een natuurlijk verouderingsproces ondergingen. Het publicatiejaar werd beschouwd als het productiejaar van het papieren document.

Methoden

Bepaling van de pH-waarden

Bepaling van de pH-waarden van papier oppervlakken (pHS) werd uitgevoerd volgens de slowaakse Technische Standaard (STN) 500374 (1996) (met een daling van gedestilleerd water en vervolgens door het plaatsen van de pH-elektrode op het oppervlak van het papier, met de bemonstering op vijf locaties), terwijl de bepaling van de pH-waarden van koude waterige papier extracten (pHE) uitgevoerd volgens de standaard STN ISO 6588 (50 0381) (1993) (koude-extractie, 2 g papier monster per 100 mL water, 1 h). De nauwkeurigheid bij pH-Bepalingen werd geschat op minder dan ± 0,2 eenheden. Metingen werden uitgevoerd op vijf replica ‘ s per monster.

inhoud van carbonzuren

ongeveer 2 g papier werd nauwkeurig gewogen en toegevoegd aan 15 mL zuiver water. De suspensie werd 2 uur gemengd en vervolgens gefilterd door een 0,45 µm filter (Jablonsky et al. 2012b). Het gehalte aan carbonzuur (mierenzuur, azijnzuur) werd geanalyseerd met behulp van hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC) en een enigszins gewijzigde methode uit Sluiter et al. (2008a), als hieronder: chromatograaf, hplc 1200 (Agilent, Santa Clara, CA, USA); kolom, polymeer IEX H–vorm (Watrex, Praha, Tsjechië); mobiele fase, 9 mM H2SO4; debiet, 0,5 mL min-1; detector, RI (brekingsindex); Geïnjecteerd volume, 100 µl; en temperatuur, 35 °C. De resultaten worden gepresenteerd als mierenzuur en azijnzuur voor zowel vrije zuren als hun in water oplosbare zouten. Metingen werden uitgevoerd op vier replica ‘ s per monster.

het gehalte aan sachariden en lignine

Papiermonsters werden gehydrolyseerd met 72% (M/M) zwavelzuur, en zowel lignine als neutrale sachariden werden bepaald volgens de NREL-methode (Sluiter et al. 2010). Kwantitatieve analyses van sacchariden werden door HPLC uitgevoerd onder de volgende omstandigheden: chromatograaf, hplc 1200 (Agilent, Santa Clara, CA, USA); column, Aminex HPX – 87P (Bio-Rad, Hercules, CA, USA); mobiele fase, gedeïoniseerd water; debiet 0,6 mL min–1; detector, RI; Geïnjecteerd volume, 50 µL; en temperatuur, 80 °C. Metingen werden uitgevoerd op vier replica ‘ s per monster.

asgehalte

ovendroog papiermonsters van 0,5 tot 2,0 g werden gedurende ten minste 4 uur in de moffeloven bij 575 ± 25 °C geplaatst en tot een constant gewicht gedroogd. Het asgehalte werd bepaald volgens Sluiter et al. (2008b) in één duplo per monster.

bepaling van de vezellengte

Papiermonsters (ongeveer 0,1 g) werden in polyethyleen flacons geplaatst en konden met een kleine hoeveelheid water opzwellen. Vervolgens werden ze gepulpt in een shaker. Na volledige shredding werd de suspensie meerdere malen verdund zodat er in ongeveer 100 mL suspensie ten minste duizend vezels waren. Het aandeel van de vezellengteklassen (< 0,5 mm, 0,5-1 mm, 1-2 mm, 2-3 mm, 3-7 mm) werd bepaald met behulp van een vezelanalysator FS-100 (Kajaani Oy Electronics, Kajaani, Finland). Er werden metingen uitgevoerd op één enkel duplicaat per monster en het aantal vezels binnen elke populatie van duplicaat varieerde van 16.138 tot 20.112 cellen.

lichtmicroscopie van vezels

de vezelsamenstelling werd geanalyseerd met behulp van een Nikon ECLIPSE 80i-lichtmicroscoop uitgerust met een digitale Nikon DS-Fi1-camera (Nikon Instruments Europe, Amsterdam, Nederland) op een kleine hoeveelheid gekleurde vezels die het geteste Monster vertegenwoordigen, overeenkomstig ISO-norm 9184 (1990). De vezels werden gekleurd door toevoeging van 2 tot 3 druppels verschillende kleurstoffen (Herzberg, Graff en Loffton-Merritt).

Breuklengte

Breuklengte van papiermonsters werd gemeten overeenkomstig STN 500340 (1998). Voor de berekening van de breuklengte moest het basisgewicht van de papiermonsters worden gemeten volgens STN en ISO 536 (50 0310) (1999). Er werden metingen verricht op twintig duplo ‘ s per monster (150 × 15 mm).

helderheid

helderheid van papiermonsters werd beoordeeld volgens STN ISO 3688 (50 0240) (1994) met behulp van een Fibre Leucometer PL 11 6565 ZP (Carl Zeiss, Jena, Duitsland). Metingen werden uitgevoerd op 20 replica ‘ s per monster.

statistische analyse

gegevens werden geanalyseerd met behulp van eenrichtingsanalyse van variantie, en Duncan ‘ s multiple range tests werden gebruikt voor vergelijkingen van gemiddelden. De correlatiecoëfficiënten Pearson werden berekend voor de onderzochte trait-trait verbanden. De relaties werden significant geacht als P < 0,05. Multivariate associaties tussen 15 papieren eigenschappen werden geanalyseerd met behulp van een principal component analysis (PCA) om patronen van covariatie tussen de onderzochte eigenschappen te beschrijven.

resultaten en discussie

veranderingen in de pH-waarden

de pH-waarde van papier is een belangrijke factor bij het bepalen van de verouderingsstabiliteit. De metingen in Tabel 1 laten zien dat papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw waarden hadden variërend van licht zure tot neutrale pH. papieren documenten uit de 20e eeuw werden gekenmerkt door zure pH-waarden, terwijl papieren documenten uit de 21e eeuw licht alkalische pH-waarden hadden. Zuurgraad bevordert zure hydrolyse, die de afbraak van cellulose in papier versnelt (Wilson and Parks 1983). Lignocellulose materialen met een lage pH-waarde en een hoog ligninegehalte vertonen over het algemeen een snellere afbraak dan alkalische of neutrale materialen. Naast het gebruik van grondstoffen met een hoog ligninegehalte dragen ook het zure sulfietproces van de pulpproductie en/of het proces van zure dimensionering bij tot de afbraak van papier. Een lage pH-waarde is de belangrijkste factor in de afbraak van de meest bedreigde papieren documenten (Vizárová et al. 2012). Alkalisch of neutraal papier is stabieler door de onderdrukking van zure hydrolyse met betrekking tot de mate van afbraak en de snelheid van veroudering (Zappala 1991; Area and Cheradame 2011). Maršala et al. (2009) publiceerde pH-waarden van papers uit de 20e eeuw en de beginjaren van de 21e eeuw. De meest zure documenten (pH 3,9) zijn ontstaan tussen de jaren 1920 en 1960. De auteurs ontdekten ook dat het aantal documenten met neutrale pH-waarden (pH 7) geleidelijk steeg van de

jaren 1990 tot nu.

Tabel 1. Belangrijkste Kenmerken Papier voor de Onderzochte Documenten op Papier

Gegevens vertegenwoordigen het betekent SD. Gemiddelde waarden gevolgd door dezelfde letters, a–i, binnen dezelfde rij voor onderzochte papieren documenten, verschillen niet significant bij p < 0,05.

pHS, pH van papieroppervlak; pHE, pH van waterig papierextract; FA, mierenzuur; AA, azijnzuur; XYL, d-xylose; GAL, d-galactose; ARA, l-arabinose; MAN,

d-mannose; GLC, D-glucose; HOL, holocellulose; LIG, lignine; BW, basisgewicht; BL, breeklengte; B, helderheid; as, asgehalte

Tabel 1-vervolg Belangrijkste Kenmerken Papier voor de Onderzochte Documenten op Papier

Gegevens vertegenwoordigen het betekent SD. Gemiddelde waarden gevolgd door dezelfde letters, a–i, binnen dezelfde rij voor onderzochte papieren documenten, verschillen niet significant bij p < 0,05.

pHS, pH van papieroppervlak; pHE, pH van waterig papierextract; FA, mierenzuur; AA, azijnzuur; XYL, d-xylose; GAL, d-galactose; ARA, l-arabinose; MAN,

D-mannose; GLC, D-glucose; HOL, holocellulose; LIG, lignine; BW, basisgewicht; BL, breeklengte; B, helderheid; as, asgehalte

strlič et al. (2007) bestudeerde papieren documenten uit 1870, die voor 70% uit katoen en 30% uit tarwe en stro bestonden. De auteurs vonden dat de pHE van deze papiermonsters zuur was (pH 4.7). Dit was ook het geval voor papiermonsters uit 1874, die voor 50% uit houtpulp en voor 50% Uit sulfietpulp bestonden. Een alkalische pH (pH 8,8) werd geregistreerd in papiermonsters uit 2002, die voor 70% Uit gebleekte kraftpulp en voor 30% Uit gebleekte sulfietpulp bestonden.

veranderingen in de hoeveelheid azijnzuur en mierenzuur

de grootste hoeveelheden carbonzuren werden gevonden in het oudste onderzochte papieren document uit 1762 (Tabel 1), waarin het gehalte aan azijnzuur 3 bereikte.8 mg g – 1 en mierenzuur bereikten 5,8 mg g-1.

hoge waarden van carbonzuren werden ook gevonden in papieren documenten uit 1807. Jablonsky et al. (2012b) gemeten 4,8 mg g–1 azijnzuur in papieren documenten die werden onderworpen aan een versnelde rijpingsperiode van 60 dagen. Mierenzuur dringt dieper binnen in stapels papier dan azijnzuur, dat zijn potentieel voor degradatie in archieven en bibliotheken onthult (Tétreault et al. 2013). De verwijdering van vluchtige organische stoffen heeft een significant positief effect op de papierstabiliteit en kan in bepaalde gevallen hun levensverwachting verdubbelen (Strlič et al. 2011). Bovendien werd in dit werk vastgesteld dat het gehalte aan azijnzuur en mierenzuur onderling gecorreleerd waren (zie aanvullende tabel S1).

veranderingen in het gehalte aan sachariden, lignine en as

een significant deel van het papier bestaat uit sachariden. Gebaseerd op de kwantitatieve resultaten van neutrale sacchariden in papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw, bevatten deze monsters het hoogste aandeel glucose, zeer kleine hoeveelheden andere hemicellulose componenten (d.w.z. galactose, mannose en arabinose), en geen xylose (Tabel 1).

de afbraak van hemicellulose begint met deacetylering, waarbij azijnzuur wordt gevormd dat zowel de hydrolyse van glycosidebindingen in polysachariden als de daaropvolgende reacties van opkomende monosachariden katalyseert (Nuopponen et al. 2004; Esteves en Pereira 2009). Tot 1859 varieerde de hoeveelheid glucose van ongeveer 87 tot 91%. In 1920 daalde de hoeveelheid glucose tot 35,4% omdat houtpulp in die tijd een belangrijk onderdeel was van drukpapier.

papieren documenten uit 1920 en 1923 werden gemaakt van zachthoutpulp, zoals blijkt uit het hoge gehalte aan lignine en Glucomannaan in hun papiermonsters. Deze documenten hadden ook lage waarden voor breuklengte en helderheid.

de aanwezigheid van ligninechromoforen in de onderzochte papiermonsters resulteerde in een significante vergeling van het papier. Papieren documenten uit 1920 bevatten een hoog asgehalte (21,9%), wat hun lage sterkte kan verklaren, bijvoorbeeld in vergelijking met het papieren document uit dezelfde periode (1923), dat een lager asgehalte bevatte. De lengte van het document uit 1923 was bijna twee keer zo hoog. Hoog vulstofgehalte heeft een indirect effect op de oppervlaktesterkte en de stijfheid van papier (Ciullo 1996).

veranderingen in de vezellengteverdeling

de resultaten van de vezellengteverdeling (Fig. 1) toonde aan dat het grootste deel van de vezels in de oudste onderzochte papieren documenten (tot 1859) in de lengteklasse van 0,5 tot 1,0 mm lag (variërend van 38,5 tot 46,0%).

Fig. 1. Aandeel van de vezellengteklassen in de onderzochte papieren documenten

Fig. 2. Lichtmicroscopie beelden van vezels aanwezig in de onderzochte papieren documenten. Sommige beelden zijn aangepast van Gojný et al. (2014)

deze papiermonsters bevatten ook een relatief hoog aandeel vezels langer dan 1 mm. de microscopische analyse van vezels (Fig. 2) onthulde dat de papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw voornamelijk werden gemaakt van lappenpulp (katoen, vlas, hennep). Volgens Kilpinen (1994) werden in het verleden kortere katoenvezels (3 tot 5 mm) gebruikt om papier te maken. Microscopische analyses van Collings en Milner (1984) met betrekking tot in Europa tussen 1400 en 1800 vervaardigde papieren specimens toonden vooral mengsels van hennep en vlasvezels met hogere concentraties hennep (bv. 75%) aan in eerdere papiermonsters. Hoewel zowel katoen als katoen bevattende stoffen in Europa beschikbaar waren in deze periode, werden ze tot de 19e eeuw niet algemeen gebruikt om aanzienlijk katoen-vodgenmateriaal voor de papierproductie te produceren. Aanzienlijke hoeveelheden katoenvezels zijn daarom zeldzaam in papieren documenten vóór 1800.

papieren documenten uit de 20e eeuw bevatten vezels in de lengteklasse van 0,5 tot 1,0 mm, van 28% (1950) tot 40% (1956), met een groot deel vezels langer dan 2 mm (van 16% tot 30%). De microscopische analyse van papieren documenten uit 1920 en 1923 bevestigde dat deze papiermonsters voornamelijk uit zachthoutpulp werden gemaakt.

papieren documenten uit 1950 en 1956 bestonden voornamelijk uit gebleekte zachthoutpulp, terwijl papiermonsters uit 2007 werden vervaardigd uit gebleekte hardhoutpulp (Fig. 2). Deze laatste papieren documenten bevatten het grootste aandeel vezels in een lengteklasse van 0,5 tot 1,0 mm (53,8%). De verdeling van de vezellengte van Pulp die wordt waargenomen na het verpulveren en/of het vervaardigen van papier is een functie van zowel de verdeling van de oorspronkelijke vezellengte als de effecten van de verwerking. Omdat de verdeling van de vezellengte de treksterkte, scheur, opaciteit, porositeit en vele andere papiereigenschappen beïnvloedt, hebben papiermakers vele technieken ontwikkeld om gemiddelde vezellengte te meten (Clark 1985). Andere studies hebben ook melding gemaakt van de significante relatie tussen vezellengte en de sterkte van papier (bijv. breuklengte en scheurindex) (Seth and Page 1988; Niskanen 1998; Molteberg and Høibø 2006).

gecorreleerde eigenschappen

statistische analyse van de onderzochte eigenschappen bracht aan het licht dat sommige kenmerken andere kenmerken positief of negatief beïnvloedden. De correlatiecoëfficiënten tussen de onderzochte kenmerken zijn weergegeven in de aanvullende tabel S1.

binnen de onderzochte papieren documenten was er een significant verband tussen de pH en de inhoud van mannose, glucose, de totale opbrengst van sacchariden (d.w.z. holocellulose) en lignine. Figuur 3a toont de correlatie van pHE op de hoeveelheid holocellulose, die piekte bij een pHE van 7,18. De gegevens werden uitgerust met een tweede-orde veelterm, en de metingen van de pHE verklaarden 61% van de variatie in het gehalte aan holocellulose (R2 = 0,610, P = 0,014).

Papierhelderheid was ook gerelateerd aan de pHE (Fig. 3b), waarbij de metingen van de pHE 36% van de variatie in de helderheid van de papieren documenten verklaarden (R2 = 0,356, P = 0,040). Eerdere studies hebben aangetoond dat de zuurgraad de afbraak van cellulose, holocellulose, en papier via zuur-gekatalyseerde hydrolyse versnelt (Wilson and Parks 1983). Zwak, verkleurd en bros papier correleerde met een lage pH, terwijl neutraal en alkalisch papier over het algemeen in een veel betere staat van bewaring waren (Sobucki en Drewniewska-Idziak 2003).

bovendien was er een positief verband tussen de breuklengte en het aandeel van de vezellengteklasse 0,5 tot 1,0 mm (Fig. 3c). Metingen van het aandeel van vezellengteklasse 0,5 tot 1,0 mm verklaarden 53% van de variatie in de breuklengte van papieren documenten (R2 = 0,529, P = 0,007).

Fig. 3. Relaties tussen de pH van waterig papierextract en het gehalte aan holocellulose (a) en de helderheid van papier (b); de relatie tussen het aandeel van vezellengteklasse 0,5 tot 1,0 mm en de breuklengte van papieren documenten (c)

Grotere vezellengte en hogere vezelsterkte ondersteunt een hogere papiersterkte (Fišerová et al. 2009). In deze studie was de vezellengteklasse 0,5 tot 1,0 mm duidelijk het overheersende percentage voor het merendeel van de onderzochte papieren documenten en was dus in de eerste plaats verantwoordelijk voor de sterkte van de papiermonsters. Bovendien heeft de hoeveelheid mannose de helderheid van het papier negatief beïnvloed omdat lignine, de belangrijkste lignocellulosecomponent die verantwoordelijk is voor het verminderen van de helderheid (Chen et al. 2012), goed gecorreleerd met het mannosegehalte (zie aanvullende tabel S1).

Fig. 4. Posities van 15 papiereigenschappen op de eerste en tweede as van de hoofdcomponentanalyse (PCA). De onderste en de linkerbijl verwijzen naar de papieren kenmerken, terwijl de bovenste en de rechterbijl verwijzen naar het drukjaar voor de onderzochte papieren documenten.

associaties tussen papieren kenmerken

een principale componentanalyse (PCA) werd uitgevoerd om te evalueren hoe de onderzochte kenmerken werden geassocieerd (Fig. 4). De eerste as verklaarde 46% van de variatie en toonde sterke positieve belasting voor de inhoud van holocellulose en glucose, evenals voor de pHS en pHE. De negatieve kant van de as gaf een sterke belasting aan voor de inhoud van lignine, mannose en as.

de tweede as verklaarde 20% van de variatie en toonde een sterke positieve belasting voor de breuklengte, helderheid en xylose-gehalte. De negatieve zijde van de as gaf een sterke belasting aan voor het gehalte aan zowel mierenzuur als azijnzuur.

daarnaast konden vier groepen compacte homogene clusters worden onderscheiden in een multivariate paper trait analyse die duidelijk van elkaar gescheiden waren. Papieren documenten gedrukt in 1762, 1784, 1807 en 1839 vormden de eerste cluster, gevolgd door clusters van papieren documenten gedrukt in 1853 en 1859, vervolgens 1920 en 1923, en ten slotte 1950 en 1956. Het in 1719 afgedrukte papiermonster vormde een enkel gescheiden Monster; hetzelfde geldt voor het papieren document uit 2007. Het laatste papieren document was het meest gescheiden exemplaar van alle andere groepen, en kenmerken zoals breuklengte en helderheid werden uitsluitend nauw geassocieerd met dit document.

conclusies

1. papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw werden gekenmerkt door licht zure tot neutrale pH-waarden, die uit de 20e eeuw door zure waarden en die uit 2007 door licht alkalische waarden. De inhoud van mannose, glucose, holocellulose en lignine werd significant beïnvloed door de pH-waarde van papier.
2. papieren documenten uit de 18e en 19e eeuw werden gemaakt van niet-houtvezels (rag), die uit de jaren 1920 van zachthoutpulp, die uit het midden van de 20e eeuw van zachthout gebleekte pulp, en ten slotte die uit 2007 van gebleekte hardhoutpulp.
3. Breuklengte werd beïnvloed door zowel de vezellengteklasse van 0,5 tot 1,0 mm als de mate van delignificatie zoals weergegeven door de helderheid.
4. de laagste sterkte werd geassocieerd met 1920 papieren documenten gemaakt van houtvezels en bevatten zeer hoge hoeveelheden lignine en as (vulstoffen). Papieren documenten uit 1920 en 1923 hadden ook het laagste percentage van de helderheid. Daarom verdienen papieren documenten uit deze periode bijzondere aandacht en bescherming in openbare archieven en bibliotheken.
5. het papieren document dat in 2007 werd gedrukt, was het meest afgescheiden exemplaar van alle andere groepen papieren documentclusters met betrekking tot een multivariate analyse van de kenmerken van papier.
6. om het papier beter bestand te maken tegen veroudering is het van cruciaal belang om de alkalische pH-waarden te behouden, de luchtvochtigheid en de temperatuur van de omgeving waar de boeken worden bewaard te verlagen.

dankbetuigingen

de auteurs danken mevrouw E. Ritch-Krč voor de taalrevisie. Deze publicatie is het resultaat van het Project “verhoging van de capaciteit van het menselijk potentieel voor de overdracht van resultaten van onderzoek en ontwikkeling op het gebied van biomassaproductie en-verwerking in de praktijk” (ITMS).: 262110230087), ondersteund door het operationele programma “Onderwijs”, gefinancierd door het Europees Sociaal Fonds (50%) en door het Slowaakse wetenschappelijke Subsidieagentschap VEGA uit hoofde van contract nr. 1/0521/15 (50%).

referenties Geciteerd

Amidon, T. E. (1981). “Effect van de houteigenschappen van hardhout op Eigenschappen van kraftpapier,” Tappi 64, 123-126.

Area, M. C., and Cheradame, H. (2011). “Paper aging and degradation: Recent findings and research methods,” BioResources 6 (4), 5307-5337. DOI: 10.15376 / biores.6.4.5307-5337

Begin, P., Deschatelets, S., Grattan, D., Gurnagul, N., Iraci, J., Kaminska, E., Woods, D. en zou, X. (1998). “The impact of lignin on paper permanence: A comprehensive study of the aging behaviour of handsheets and commercial paper samples,” Restaurator 19 (3), 135-154.

Chen, Y., Fan, Y., Tshabalala, M. A., Stark, N. M., Gao, J., and Liu, R. (2012). “Optical property analysis of thermally and photolytically aged Eucalyptus camaldulensis chemithermomechanical pulp (CTMP),” BioResources 7(2), 1474-1487. DOI: 10.15376 / biores.7.2.1474-1487

Ciullo, P. A. (1996). Industriële mineralen en het gebruik ervan: A Handbook and Formulary, Noyes Publication, Westwood, NJ, USA.

Clark, J. D. A. (1985). “Fibrillation and fiber bonding,” in: Pulp Technology and Treatment for Paper, J. D. A. Clark (ed.), Miller Freeman Publications, San Francisco, CA, USA, PP. 160-180.

Collings, T., and Milner, D. (1984). “The nature and identification of cotton paper-making fibres in paper,” Paper Conservator 8(1), 59-71. DOI: 10.1080/03094227.1984.9638458

Dinwoodie, J. M. (1965). “De relatie tussen vezelmorfologie en papiereigenschappen van: A review of literature, ” Tappi 48, 440-447.

Dupont, A. L. (2003). Gelatine Sizing of Paper and its Impact on the Degradation of Cellulose during Ageing, Ph. D. Dissertation, Universiteit van Amsterdam, Amsterdam, Nederland.

Esteves, B., and Pereira, H. (2009). “Wood modification by heat treatment: A review,” BioResources 4 (1), 370-404. DOI: 10.15376 / biores.1.1.1-2

Fišerová, M., Gigac, J., en Balberčák, J. (2009). “Relationship between fibre characteristics and treksterkte of hardwood and softwood kraft pulps,” Cellulose Chemistry and Technology 44 (7-8), 249-253.

Gandini, A., and Pasquini, D. (2012). “The impact of cellulose fibre surface modification on some physico-chemical properties of the consequently papers,” Industrial Crops and Products 35 (1), 15-21. DOI: 10.1016 / j.indcrop.2011.06.015

Gojný, J., Češek, B., Mikala, O., en Čabalová, I. (2014). “Fibres length distribution of historical paper documents,” Acta Facultatis Xylologiae 56 (2), 55-61. (in het Slowaaks)

Hubbe, M. A. (2005). “Acid and alkaline sizings for printing, writing, and drawing papers,” The Book and Paper Group Annual 23, 139-151.

ISO 9184 (1990). “Paper, board and pulps-Fibre furnish analysis,” International Organization for Standardization, Genève, Zwitserland.

Jablonsky, M., Botkova, M., en Hrobonova, K. (2012a). “Accelerated ageing of wood-containing papers: Formation of weak acids and deterioration of treksterkte,” Wood Research 57, 3, 419-434.Jablonsky, M., Hrobonova, K., Katuscak, S., Lehotay, J., and Botkova, M. (2012b). “Formation of azijnzuur and mierenzuur in unmodified and modified papers during accelarated ageing,” Cellulose Chemistry and Technology 46 (5-6), 331-340.

Kilpinen, O. (1994). “Nonwood specialty pulps,” in: Nonwood Plant Fiber Pulping-Progress Report 21, TAPPI Press, Atlanta, GA, PP. 9-18.

Kraková, L., Chovanová, K., Selim, S. A., Šimonovičová, A., en Puškarová, A. (2012). “A multiphasic approach for investigation of the microbial diversity and its biodegradative abilities in historical paper and perchment documents,” International Biodeterioration and Biodegradation 70, 117-125. DOI: 10.1016 / j.ibiod.2012.01.011

Lichtblau, D., Strlič, M., Trafela, T., Kolar, J., and Anders, M. (2008). “Determination of mechanical properties of historical paper based on Nir spectroscopy and chemometrics-a new instrument,” Applied Physics A. 92, 191-195. DOI: 10.1007/s00339-008-4479-1

Maršala, M., Kuka, I., Bukovský, V., en Švehlová, D. (2009). “De belangrijkste parameters voor het monteren van de duurzaamheid van papieren documenten,” Knižnica 10, 35-38 (in het Slowaaks).

Mohlin, U. B., Dahlbom, J., en Hornatowska, J. (1996). “Fibre deformation and sheet strength,” Tappi Journal 79 (6), 105-111.

Molteberg, D., en Høibø, O. (2006). “Development and variation of wood density, kraft pulp yield and fibre dimension in young Norway spar (Picea abies),” Wood Science and Technology 40, 173-189. DOI: 10.1007 / s00226-005-0020-2

Niskanen, K. (1998). Paper Physics, Fapet Oy, Helsinki, Finland.

Nuopponen, M., Vuorinen, T., Jamsä, S., en Viitaniemi, P. (2004). “Thermal modificaties in zachthout studied by FT-IR and UV resonance Raman spectroscopies,” Journal of Wood Chemistry and Technology 24 (1), 13-26. DOI: 10.1081 / WCT-120035941

Paavilainen, L. (1993a). “Conformability-flexibility and collapsibility-of sulfate pulp fibres,” Paperi ja Puu 75(9), 689-702.

Paavilainen, L. (1993b). “Importance of cross-dimensional fibre properties and grofheid for the characterisation of softwood sulphate pulp,” Paperi ja Puu 75(5), 343-351.

Page, D. H, and Seth, R. (1979). “The extensional behaviour of commercial mechanical pulps,” Pulp and Paper Canada 80 (8), T235-T237.

Polovka, M., Polovkova, J., Vizarova, K., Kirschnerova, S., Bielikova, L., en Vrska, M. (2006). “The application of FTIR spectroscopy on characterization of paper samples, modified by Bookkeeper process,” Vibrational Spectroscopy 41 (1), 112-117. DOI: 10.1016 / j.vibspec.2006.01.010

Seth, R. S. (1990). “Vezelkwaliteitsfactoren in de papierfabricage-I. Het belang van vezellengte en-sterkte,” in: Materials Interactions Relevant to the Pulp, Paper and Wood Industries, D. F. Caulfield, J. D. Passaretti, and S. F. Sobczynski (Eds.), Materials Research Society, San Francisco, CA, USA, PP. 125-142.

Seth, R. S., and Page, D. H. (1988). “Fibre properties and tearing resistance,” Tappi Journal 71, 103-107.Schmidt, J. A., Rye, C. S., and Gurnagul, N. (1995). “Lignin remt autoxidative degradation of cellulose,” Polymer Degradation and Stability 49 (2), 291-297.

Sluiter, A., Hams, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., en Templeton, D. (2008a). Bepaling van suikers, bijproducten en afbraakproducten in monsters van vloeibare Fractieprocessen (NREL/TP-510-42623), National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, USA.

Sluiter, A., Hams, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., en Templeton, D. (2008b). Bepaling van as in biomassa (NREL / TP-510-42622), National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, VS.

Sluiter, A., Hams, B., Ruiz, R., Scarlata, C., Sluiter, J., Templeton, D., Crocker, D. (2010). Bepaling van structurele koolhydraten en lignine in biomassa (NREL / TP-510-42618), National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, USA.

Sobucki, W., en Drewniewska-Idziak, B. (2003). “Survey of the preservation status of the 19th and 20th century collections at the National Library in Warsaw,” Restaurator 24 (3), 189-201. DOI: 10.1515 / RUST.2003.189

stn 500340 (1998). “Papier en karton. Bepaling van trekeigenschappen, ” VÚPC, Bratislava, Slowakije.

stn 500374 (1996). “Testing of pulp and paper. Surface pH measurement of paper and pulp, ” VÚPC, Bratislava, Slovakia.

STN EN ISO 536 (50 0310) (1999). “Papier en karton. Bepaling van grammage, ” VÚPC, Bratislava, Slowakije.

STN ISO 3688 (50 0240) (1994). “Pulp. Measurement of diffuse blue reflectance factor (ISO brightness), ” VÚPC, Bratislava, Slovakia.

STN ISO 6588 (50 0381) (1993). “Papier, karton en pulp. Bepaling van de pH van waterige extracten, ” VÚPC, Bratislava, Slowakije.

Strlič, M., Cigić, I. K., Kolar, J., De Bruin, G., en Pihlar, B. (2007). “Non-destructive evaluation of historical paper based on pH estimation from VOC emissions,” Sensors 7 (12), 3136-3145. DOI: 10.3390 / s7123136

Strlič, M., Cigić, I. K., Možir, A., De Bruin, G., Kolar, J., en Cassar, M. (2011). “The effect of volatile organic compounds and hypoxia on paper degradation,” Polymer Degradation and Stability 96(47), 608-615. DOI: 10.1016 / j.polymdegradstab.2010.12.017

Strlič, M., Kolar, J., Kočar, D., Drnovšek, T., Selih, V., Susič, R., en Pihlar, B. (2004). “Wat is de pH van alkalisch papier?, “e-Preservation Science 1, 35-47.

Tamolang, F. N., Wangaard, F. F., and Kellogg, R. M. (1968). “Hardwood fibre strength and pulp-sheet properties,” Tappi Jounal 51, 19-27.

Tétreault, J., Dupont, A. L., Bégin, P., En Paris, S. (2013). “The impact of volatile compounds released by paper on cellulose degradation in ambient hygrothermal conditions,” Polymer Degradation and Stability 98 (9), 1827-1837. DOI: 10.1016 / j.polymdegradstab.2013.05.017

Trafela, T., Strlič, M., Kolar, J., Lichtblau, D. A., Anders, M., Mencigar, D. P., en Pihlar, B. (2007). “Nondestructive analysis and dating of historical paper based on ir spectroscopy and chemometric data evaluation,” Analytical Chemistry 79 (16), 6319-6323. DOI: 10.1021 / ac070392t

Vainio, A. (2007). Interfibre Bonding and Fibre Segment Activation in Paper-Observations on the Phenomena and their Influence on Paper Strength Properties, Ph. D. Dissertation, Helsinki University of Technology, Helsinki, Finland.

Ververis, C., Georghiou, K., Christodoulakis, N., Santas, P., en Santas, R. (2004). “Vezelafmetingen, lignine en cellulose gehalte van verschillende plantaardige materialen en hun geschiktheid voor papierproductie,” industriële gewassen en producten 19 (3), 245-254. DOI: 10.1016 / j.indcrop.2003.10.006

Vizárová, K., Kirschnerová, S., Kačík, F., Briškárová, A., Šutý, Š. en Katuščák, S. (2012). “Relation between the decrease of degree of polymerisation of cellulose and the loss of groundwood pulp paper mechanical properties during accelerated ageing,” Chemical Papers 66 (12), 1124-1129.Wangaard, F. F., and Williams, D. L. (1970). “Fibre length and fibre strength in relation to tearing resistance of hadwood pulp,” Tappi Journal 53, 2153-2154.

Whitmore, P. M., and Bogaard, J. (1994). “Determination of the cellulose scission route in the hydrolytic and oxidative degradation of paper,” Restaurator 15 (1), 26-45.

Wilson, W. K, and Parks, E. J. (1983). “Historical survey of research at the National Bureau of Standards on materials for archival records,” Restaurator 5 (3-4), 191-241. DOI: 10.1515 / rust.1983.5.3-4.191

Zappala, A. (1991). “An international survey on standardizing art papers and others intended for conservation,” Restaurator 12 (1), 18-35. DOI: 10.1515 / rust.1991.12.1.18

Zervos, S. (2007). “Accelerated ageing kinetics of pure cellulose paper after wassen, alkalization and impregnation with methylcellulose,” Restaurator 28 (1), 55-69. DOI: 10.1515 / rust.2007.55

Zervos, S. (2010). “Natural and accelerated ageing of cellulose and paper: A literature review,” in: Cellulose: Structure and Properties, Derivatives and Industrial Uses, A. Lejeune, and T. Deprez (Eds.), New York: Nova Publishing, PP. 155-203.

Zotti, M., Ferroni, A., en Calvini, P. (2008). “Microfungal biodeterioration of historic paper: Preliminary FTIR and microbiological analyses,” International Biodeterioration and Biodegradation 62 (2), 186-194. DOI: 10.1016 / j.ibiod.2008.01.005

Zou, X., Uesaka, T., en Gurnagul, N. (1996a). “Prediction of paper permanence by accelerated aging I. Kinetic analysis of the aging process,” Cellulose 3, 243-267. DOI: 10.1007 / BF02228805

Zou, X., Uesaka, T., and Gurnagul, N. (1996b). “Prediction of paper permanence by accelerated aging II. Comparison of the predictions with natural aging results,” Cellulose 3, 269-279. DOI: 10.1007 / BF02228806

Zou, X., Gurnagul, N., and Uesaka, T. (1993). “The role of lignine in the mechanical permanence of paper. Part I: Effect of lignin content, ” Journal of Pulp and Paper Science 19 (6), j235-j239.

artikel ingediend: 25 februari 2016; Peer review voltooid: 9 oktober 2016; herziene versie ontvangen: 24 januari 2017; voorlopige aanvaarding: 7 februari 2017; gepubliceerd: 21 februari 2017.

DOI: 10.15376 / biores.12.2.2618-2634

Tabel S1.

Pearson Correlatie Coëfficiënten voor de Onderzochte Papier Eigenschappen

Noot: vetgedrukte correlatiecoëfficiënten zijn significant bij P < 0,05.

pHS, pH van papieroppervlak; pHE, pH van waterig papierextract; FA, mierenzuur; AA, azijnzuur; XYL, d-xylose; GAL, d-galactose; ARA, l-arabinose; MAN, D-mannose; GLC, D-glucose; HOL, holocellulose; LIG, lignine; BW, basisgewicht; BL, breuklengte; B, helderheid; as, asgehalte; FL1, vezellengteklasse <0,5 mm; FL2, vezellengte klasse 0,5–1 mm; FL3, vezellengte klasse 1-2 mm; FL4, vezellengte klasse 2-3 mm; FL5, vezellengte klasse 3-7 mm.