Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 2 - Страница 19

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 см². 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.

Сравнение значений показателей белизны и рН контрольных образцов бумаги с соответствующими значениями этих показателей у образцов бумаги после обработки (Табл. 2) показывает, что обработка поверхности бумаги лазерным пучком не оказывает отрицательного воздействия на свойства бумаги, характеризуемые этими показателями.

Таблица 1. Влияние лазерной обработки на физико-механические свойства бумаги (показатель сопротивления излому)

Проведенное тепловое старение образцов бумаги (Табл. 3) также не показало отрицательного влияния лазерной обработки поверхности бумаги на ее долговечность, т. к. изменения значений показателей сопротивления излому, белизны и рН у контрольных образцов были аналогичны изменениям значений этих показателей у образцов бумаги, обработанных лазером.

Таблица 2. Влияние лазерной обработки на белизну бумаги и значение показателя кислотности (рН)

Таблица 3. Изменение физико-механических, оптических и химических свойств контрольных образцов бумаги и образцов бумаги с лазерной обработкой после теплового старения (100ºС, 72 часа)

Визуальный осмотр зон очистки (при помощи оптического стереомикроскопа МБС-10) показал, что в результате однократной лазерной обработки происходит удаление значительной части загрязнений без нарушения структуры поверхности бумаги и ее колористических характеристик.

После успешного завершения серии тестовых испытаний на модельных образцах, продемонстрировавших безопасность воздействия лазера на бумагу, в работе были проведены эксперименты по лазерной очистке подлинного исторического документа – листа списанной рукописной книги XVII века с типичными загрязнениями (см. ил. 1, 2).

В результате лазерной обработки были удалены основные поверхностные загрязнения. Состояние бумаги до и после лазерной очистки контролировалось при помощи оптического и электронного сканирующего микроскопов.

Ил. 3. Изображения поверхности листа рукописной бумажной книги, полученные на электронном сканирующем микроскопе: слева – исходное состояние, справа – после очистки с помощью лазера

Изображения поверхности бумажного листа, полученные на электронном сканирующем микроскопе JSM-35, приведены на ил. 3. На этих изображениях отчетливо видно, что с помощью лазера были удалены основные загрязнения поверхностного слоя бумаги, и при этом полностью отсутствуют нарушения морфологии поверхности бумаги и повреждения структуры целлюлозных волокон.

Таким образом, проведенные исследования показали, что лазерная обработка с использованием импульсно-периодического лазера с длиной волны излучения 1,06 мкм, наносекундной длительностью и частотой повторения импульсов единицы-десятки кГц в сочетании с высокоскоростным (скорость 200–500 мм/с) сканированием лазерного луча является эффективным и безопасным способом очистки бумаги, который может быть рекомендован для практического использования в реставрации документов на бумажных носителях.

В заключение авторы выражают благодарность М. Д. Геращенко за помощь в обработке образцов с помощью лазера и Н. Н. Сапрыкиной за их исследование на электронном сканирующем микроскопе.

Литература

1. Salimbeni R. Laser techniques in Conservation in Europe // SPIE Proceedings. 2005. Vol. 5857. P. 8–18.

2. Парфенов В. А. Лазерные технологии реставрации и исследования произведений искусства // Исследования в консервации культурного наследия: Материалы международной научно-методической конференции, посвященной 50-летнему юбилею ГосНИИР. М., 2008. Вып. 2. С. 217–226.