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Restaurator. International Journal for the Preservation of Library and Archival Material

Editor-in-Chief: Eyb-Green, Sigrid / Henniges, Ute

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ISSN
1865-8431
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Volume 33, Issue 3-4 (Oct 2012)

Issues

Bleaching in Paper Conservation

Smith Anthony W.
Published Online: 2012-10-24 | DOI: https://doi.org/10.1515/res-2012-0011

Abstract

Chemical bleaches are powerful chemical agents that destroy colour by breaking and reforming covalent bonds within organic colouring matter. They are, consequently, the most potentially damaging chemicals used in paper conservation treatments and their use should only be considered when all other means of removing discolouration have been fully explored. The colour of organic compounds depends upon the presence of a number of multiple bonds linked together in a conjugated system known as a chromophore. Rupture of the conjugated system renders it colourless. This is the process that occurs in bleaching. Chemical bleaches may be either oxidising or reducing agents. The tendency of paper to yellow with age is know as brightness reversion. Lignin is an important source of colour, especially in regard to the yellowing of paper based on mechanical wood pulps. In non ligneous papers, yellowing is commonly associated with the oxidation of cellulose and associated materials, such as hemicelluloses, resulting in the formation of carbonyl groups. The most powerful oxidising bleaches are based on the hypochlorite ion, OClˉ, and include bleaching powder, sodium hypochlorite , calcium hypochlorite and chloramine-T. The preparation, chemical properties and use of these agents are discussed in detail. Attention is draw to the importance of keeping the pH above 9 during treatment. This is in order to minimise the formation of carbonyl groups. After bleaching with these agents, thorough washing and deacidification is recommended. The oxidising agent chlorine dioxide has certain advantages. However, in a conservation context, its use is highly questionable due to serious health and safety issues. Hydrogen peroxide is a moderate bleaching agent and its preparation, chemical properties and use are discussed in detail. Stabilising agents are recommended when using this bleach. Sodium borohydride is the only reducing agent commonly used in paper conservation. Not only is it an effective bleaching agent it also has the benefit of increasing paper stability by re-ducing the carbonyl groups present in oxidised cellulose. Its preparation, chemical properties and use are discussed in detail.

Zusammenfassung

Bleichen in der Papierrestaurierung: Ein Überblick

Bleichchemikalien sind äußerst reaktionsfähig. Sie sind daher geeignet, die Farbe organischer Verbindungen durch Veränderung der Struktur ihrer kovalenten Bindungen zu zerstören. Konsequenterweise sollten sie als die in der Papierrestaurierung (fallweise) zur Anwendung kommenden Chemikalien angesehen werden, die das wohl höchste Gefährdungspotential für die Objekte aufweisen. Ihr Einsatz sollte daher nur in Betracht gezogen werden, wenn alle anderen in der Papierrestaurierung verfügbaren technische Möglichkeiten zur Entfernung störender Verfärbungen erfolglos ausgeschöpft wurden. Die Farbwirkung organischer Verbindungen beruht auf einem System von Doppel- und Einfachbindungen, die als konjugierte Bindungen bezeichnet werden und ausgewählte Bereiche des sichtbaren Lichtes absorbieren. Die Zerstörung dieses konjugierten Systems, d.h. der regelmäßigen Abfolge von Doppel- und Einfachbindungen führt dazu, dass es farblos wird. Diese Modifikation Verbindungsstruktur ist die Grundlage der chemischen Bleichung. Bleichchemikalien sind entweder Oxidations- oder Reduktionsmittel. Die Bleichung muss nicht notwendigerweise stabil sein, sondern die Molekülstruktur der behandelten Substanz kann sich durch Alterung dahingehend verändern, dass sie wieder farblich erscheint. In diesem Fall spricht man von Brightness Reversion oder ColourReversion. Die Fähigkeit eines Papiers durch Alterung zu vergilben wird unter diese Begriffe eingeordnet. Eine wichtige, Vergilbung verursachende Substanz ist Lignin, das für die Vergilbung von holzschliffhaltigen Papieren verantwortlich ist. Allerdings vergilben auch ligninfreie Papiere aufgrund von Oxidationsprozessen der Cellulose oder ihrer Begleitstoffe, der Hemicellulosen, bei denen Carbonylgruppen gebildet werden. Bleichmittel mit dem stärksten Oxidationspotential basieren auf der Präsenz des Hypochloritions (OCl-); diese Bleichmittel umfassen z.B. das sogenannte Bleichpulver Natrium- und Calciumhypochlorit sowie Chloramin-T. Die Präparation von Bleichlösungen und die Wirkungsweise dieser Bleichmittel werden im Detail beschrieben. Insbesondere ist beim Einsatz von Hypochloritbleichen von Bedeutung, dass der pH der Bleichlösung oberhalb von pH 9 liegt, um die Bildung von Carbonylgruppen der Celluloseoxidation weitgehend zu unterdrücken. Grundsätzlich ist bei allen Bleichprozessen in der Papierrestaurierung eine intensive Nachbehandlung zur Entfernung von Bleichrückständen einschließlich einer nachfolgenden Entsäuerung empfohlen. Neben den Hypochloriten ist auch Chlordioxid ein interessantes oxidierendes Bleichmittel. Allerdings ist eine Anwendung im Bereich der Papierrestaurierung zunehmend fragwürdig wegen erheblicher Sicherheitsbedenken für die Bearbeiter geworden. Wasserstoffperoxid verfügt über ein „moderates“ Oxidationspotential. Auch für Wasserstoffperoxid werden Herstellung von Bleichlösungen und Anwendungsmöglichkeiten im Detail vorgestellt. Das einzige leistungsfähige reduzierende Bleichmittel, das in der Papierrestaurierung große Verbreitung gefunden hat, ist Natriumborhydrid. Natriumborhydrid ist aber nicht nur ein effektives Bleichreagens, sondern bietet den zusätzlichen Vorteil, die Stabilität der damit behandelten Papiere durch Reduktion von Carbonylgruppen der oxidierten Cellulose zu verbessern. Die Herstellung entsprechender Bleichlösungen und deren chemische Wirkung werden vorgestellt und diskutiert.

Résumé

Le blanchiment dans la restauration du papier: un aperçu

Les substances chimiques de blanchiment sont des agents extrêmement réactifs qui sont capables de détruire la couleur des combinaisons organiques en réformant et en détruisant la structure de leurs liaisons covalentes. Ces produits sont les agents chimiques potentiellement les plus dangereux dans la restauration du papier et on ne devrait par conséquent les utiliser pour les traitements de blanchiment qu’après avoir exploré à fond sans succès tous les autres moyens techniques dont on dispose qui sont susceptibles d’éliminer les taches indésirables sur les objets. La couleur des composés organiques dépend de la présence d’un nombre mutiple de liaisons reliées entre elles en un système conjugué appelé chromophore. La rupture de ce système conjugué détruit la couleur. C’est sur la modification de cette structure que repose le blanchiment. Les blanchiments chimiques peuvent être réalisés par des agents d’oxydation ou de réduction. Le blanchiment n’est pas obligatoirement stable car la structure de la molécule de la substance traitée peut se modifier au cours du vieillissement de telle sorte que le papier peut récupérer de la couleur. Dans ce cas on parle de Brightness reversion ou de Colour reversion. La lignine est une substance qui joue un rôle important dans le jaunissement du papier au cours du vieillissement, surtout lorsqu’il s’agit d’un papier à base de pâte mécanique. Cependant même les papiers ne comportant pas de lignine jaunissent aussi par des processus d’oxydation de la cellulose ou de ses composants associés, comme les hémicelluloses, résultant de la formation de groupes carbonyles. Les produits de blanchiment présentant le plus grand potentiel d’oxydation se basent sur la présence de l’ion hypochlorite, OCI ; ces produits de blanchiment se composent p. ex. de ce qu’on appelle la poudre de blanchiment à l’hypochlorite de sodium et de calcium ainsi qu’à la chloramine-T. La préparation des solutions de blanchiment à l’aide de ces produits ainsi que leur façon d’agir seront décrites dans le détail. Il est important en particulier de souligner que lors de l’utilisation de blanchiment avec des hypochlorites le pH de la solution de blanchiment doit être supérieur à pH 9 afin d’éviter le plus possible la formation de groupes carbonyles par oxydation de la cellulose. On recommande en tout cas dans le domaine de la restauration du papier lors de processus de blanchiment de procéder à un traitement ultérieur intensif afin d’éliminer les résidus du blanchiment comportant une désacidification subséquente. En dehors des hypochlorites le dioxyde de chlore est aussi un produit d’oxydation intéressant pour la procédure de blanchiment. Cependant son utilisation dans le domaine de la restauration du papier devient de plus en plus problématique à cause des problèmes importants de sécurité et de santé posés pour les personnes concernées qui y travaillent. Le péroxyde d’hydrogène dispose d’un potentiel d’oxydation « modéré ». Seront présentées également pour le péroxyde d’hydrogène la fabrication de solutions de blanchiment ainsi que les possibilités d’utilisation. On recommande par ailleurs l’utilisation d’agents stabilisants lors de ce blanchiment. Le borohydride de sodium est le seul agent réducteur communément utilisé dans la conservation du papier. Non seulement c’est un agent efficace de blanchiment mais encore il présente l’avantage d’améliorer la stabilité du papier traité par réduction des groupes carbonyles présents dans la cellulose oxydée. La préparation correspondante de solutions de blanchiment ainsi que leurs propriétés chimiques et leur utilisation seront discutées.

About the article

Smith Anthony W.

Anthony W. Smith completed his PhD in chemistry at Birkbeck College, London University, in 1971. After 4 years as a Postdoctoral Research Assistant in the Metallurgy and Materials Science department at the Imperial College of Science and Technology, he was appointed as a Leverhulme Research Fellow in the Research Laboratory of the British Museum. He began his career in conservation science in 1978 as science lecturer at the Textile Conservation Centre in Hampton Court Palace. In 1983, he left the Centre for the post of Lecturer in Science in the School of Art History and Conservation, Camberwell College of Arts (The University of the Arts, London). From 1990 to 1996,he was Principal Lecturer in Science and Course Director of the College’s MA in Conservation (paper), a role he returned to in 1998. He retired from his post in October 2001. Since retiring he has worked with the Institute of Physics to organize two international conferences on the preservation and conservation of digital printing, presenting two papers on ink jet printing, and has seen two PhD students through to completion.


Published Online: 2012-10-24

Published in Print: 2012-10-01


Citation Information: Restaurator. International Journal for the Preservation of Library and Archival Material, ISSN (Online) 1865-8431, ISSN (Print) 0034-5806, DOI: https://doi.org/10.1515/res-2012-0011.

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