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环境相对湿度对纸张破损风险的影响

  • 闫智培 ✉
  • 田周玲
  • 任珊珊
  • 易晓辉
  • 张铭
  • 龙堃
  • 张楠
国家图书馆，古籍保护科技文化和旅游部重点实验室，北京，100034

中图分类号： TS761.1

最近更新：2025-03-24

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.03.017

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摘要

本研究通过测量不同环境相对湿度下，纸张的抗张指数、耐折度和撕裂指数，考察了环境相对湿度对纸张机械强度的影响；然后分别采用机械强度降幅法、机械强度和纤维素聚合度（DP）关联法评估环境相对湿度偏低（15%）和偏高（85%）对纸张破损风险的影响。结果表明，环境相对湿度偏低时，纸张的撕裂指数下降；环境相对湿度偏高时，纸张的抗张指数下降；环境相对湿度偏低或偏高时，均有部分纸张耐折度下降。由联用机械强度降幅法及机械强度和DP关联法可知，打字纸和老化打字纸本身撕裂指数中等或较低，当环境相对湿度偏低时，撕裂指数进一步下降，撕裂风险提高；老化字典纸和老化新闻纸的撕裂指数虽然在环境相对湿度偏低时降幅超过20%，但撕裂指数仍较高，撕裂风险不会显著提高；其余纸张的撕裂指数在环境相对湿度偏低时降幅较小，撕裂风险无显著提高。环境相对湿度偏低或偏高时，只有老化道林纸耐折度降幅大于20%，但也未达到显著影响折断风险的阈值，折断风险不会显著提高。环境相对湿度偏高时，所有纸张的拉断风险提高。因此，环境相对湿度偏低时对机械强度较好纸张的破损风险无明显影响，但会增加机械强度较差纸张的撕裂风险或折断风险，环境相对湿度偏高会增加所有纸张的拉断风险。

环境相对湿度是影响纸质藏品寿命的关键因素之一，主要通过以下途径影响纸质藏品[

1-3]：①影响纸张的化学降解反应速率（一般而言，环境相对湿度增加20%，纸张的化学降解反应速率成倍增长）；②环境相对湿度过低时，纸张脆性增加，更容易出现破损风险；③环境相对湿度过高时，纸张的机械强度也会改变，且纸质藏品更易生虫生霉；④环境相对湿度还可能影响藏品中使用的黏结剂、施胶剂、书写或绘画颜料等物质的性质；⑤环境相对湿度短时间内波动过大，也可能造成纸质藏品受损。因此，纸质藏品保存环境需要控制相对湿度。

但纸质藏品保存环境适宜的相对湿度范围迄今为止尚未达成统一标准。GB/T 27703—2011《信息与文献 图书馆和档案馆的文献保存要求》规定，长期文献宜在相对湿度45%~60%环境中保存，永久文献宜在相对湿度35%~45%环境中保存。GB/T 30227—2013《图书馆古籍书库基本要求》规定，善本书库的相对湿度应控制在50%~60%，西北、青藏地区的普通古籍书库相对湿度应控制在40%~60%，其余地区的普通古籍书库相对湿度应控制在45%~60%。JGJ 25—2010《档案馆建筑设计规范》规定，纸质档案库的相对湿度应在45%~60%。JGJ 66—2015《博物馆建筑设计规范》规定，纸张、文献、经卷、书法、国画、书籍、拓片、邮票等纸质藏品保存环境相对湿度范围为50%~60%。由此可见，关于纸质藏品保存环境的相对湿度上限，我国图书馆、档案馆和博物馆行业均认可60%；但是环境相对湿度下限，同时存在35%、40%、45%和50%等多种推荐值。ISO 19815:2018 《Information and documentation—Management of the environmental conditions for archive and library collections》提出，当保存环境相对湿度低于30%后，不当处理会导致纸质藏品破损风险显著增加。美国采暖、制冷与空调工程师学会指南（ASHRAE handbook）[

3]认为博物馆、美术馆、档案馆和图书馆建筑或房间的相对湿度在35%~65%时，纸质藏品破损风险较低。

纸质藏品保存环境标准推荐的环境相对湿度范围不统一，且我国相关标准推荐的环境相对湿度下限较国外标准偏高。这为全年或季节性干燥地区的纸质藏品保存环境相对湿度的控制带来困扰，如北京市冬季平均环境相对湿度约为35%，根据ISO 19815:2018和ASHRAE（2023）推荐的环境相对湿度范围，北京市冬季具有在自然条件下保存纸质藏品的可行性。但根据我国多项相关标准规定，北京市的纸质藏品保存环境在冬季均需加湿，且不同标准对需达到的环境相对湿度下限要求不一。

环境相对湿度越低，纸张的化学降解速率越慢、生虫生霉风险越低。但环境相对湿度过低时，纸张会发脆，使用时发生破损的风险可能变大。所以，环境相对湿度对纸张破损风险的影响是纸质藏品保存环境可接受相对湿度下限的核心决定因素。因此，本研究拟测定不同环境相对湿度下纸张的机械强度，探究环境相对湿度对纸张破损风险的影响。

1 材料与方法

1.1　环境相对湿度对纸张机械强度的影响

1.1.1　纸张的基本性质

选取打字纸、字典纸、道林纸、新闻纸各20份，每种纸张取10份在105 ℃干热老化28天。按照GB/T 7974—2013《纸、纸板和纸浆 蓝光漫反射因数D65亮度的测定（漫射/垂直法，室外日光条件）》、GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 451.2—2023《纸和纸板 第2部分：定量的测定》测定纸张基本信息，结果见表1。1.1.2　机械强度的测定

表1  纸张基本信息
Table 1  Basic information of papers
纸张种类白度/%老化白度/%厚度/mm定量/（g·m-2）
打字纸 79.8 57.6 0.687 31.3
字典纸 87.2 78.0 0.694 41.1
道林纸 74.9 68.0 0.749 75.3
新闻纸 56.7 49.6 0.707 47.2

注   表中数据均为平均值。

首先，将待测样品在温度23 ℃，相对湿度偏低（15%）、理想（50%）或偏高（85%）的环境中处理4 h以上；然后在对应的环境相对湿度下，分别按照GB/T 12914—2018《纸和纸板 抗张强度的测定 恒速拉伸法 20 mm/min》、GB/T 457—2008《纸和纸板耐折度的测定》和GB/T 455—2002《纸和纸板撕裂度的测定》测定并计算不同纸张老化前后的抗张指数、耐折度和撕裂指数。同种纸张采用除环境相对湿度外完全相同的条件测定。

1.2　纸张机械强度与聚合度的关系

根据本课题组前期研究[

4]，利用测得的不同人工加速老化时间的竹纸、构皮纸、宣纸、新闻纸和字典纸的抗张指数、耐折度、撕裂度和聚合度的数据，分析纸张机械强度与聚合度之间的关系。

具体实验方法为：以72 h为一个老化单元，将上述纸张在105 ℃干热老化箱中分别老化1、4、10、20、40、60、70、80、90、100个老化单元。不同老化时间纸张的抗张指数、撕裂指数、耐折度的检测方法同1.1.2；聚合度测定方法详见参考文献[

4]。

2 结果与讨论

2.1　环境相对湿度对纸张机械强度的影响

2.1.1　环境相对湿度对纸张抗张性能的影响

图1为环境相对湿度对纸张抗张指数的影响。由图1可知，在实验环境相对湿度15%~85%时，所有纸张均符合如下规律：同种纸张相比，环境相对湿度越高，纸张的抗张指数越小。这是因为纸张的抗张指数主要受纤维自身强度和纤维间结合力影响，当环境相对湿度升高时，纸张的含水量也随之升高，从而使纤维润胀，部分纤维间的氢键结合被破坏，纤维间结合力变差[

5-6]。

图1  环境相对湿度对纸张抗张指数的影响

Fig. 1  Effect of ambient relative humidity on tensile index of papers

2.1.2　环境相对湿度对纸张耐折性能的影响

图2为环境相对湿度对纸张耐折度的影响。由图2可知，环境相对湿度影响了部分纸张的耐折度，老化打字纸和老化字典纸的耐折度在环境相对湿度偏低时变小；字典纸的耐折度在环境相对湿度偏高时变小；道林纸和老化道林纸的耐折度在环境相对湿度偏低或偏高时均变小。

图2  环境相对湿度对纸张耐折度的影响

Fig. 2  Effect of ambient relative humidity on the folding resistance of papers

环境相对湿度对纸张耐折度的影响是纤维柔韧性和纤维间结合力变化综合作用的结果。在一定环境相对湿度范围内，相对湿度越高，纤维的柔韧性越好、纤维间的结合力越差。由于不同种类纸张的纤维柔韧性和纤维间结合力存在差异，所以改变环境相对湿度对不同纸张耐折度的影响不同。

2.1.3　环境相对湿度对纸张撕裂性能的影响

图3为环境相对湿度对纸张撕裂指数的影响。由图3可知，所有纸张的撕裂指数均随环境相对湿度升高而升高。这可能是因为纸张的撕裂指数受纤维柔韧性影响更大，环境相对湿度升高导致纤维柔韧性改善，所以纸张的撕裂指数升高。

图3  环境相对湿度对纸张撕裂指数的影响

Fig. 3  Effect of ambient relative humidity on tear index of papers

综上所述，环境相对湿度偏低可能导致纸张撕裂性能变差，环境相对湿度偏高可能导致纸张抗张性能变差，环境相对湿度偏低或偏高均可能导致纸张耐折性能变差。但环境相对湿度不理想造成的纸张机械强度下降，是否一定引起纸张破损风险增加，需进一步研究。

2.2　纸张的机械强度与破损风险

目前，尚无公认的纸张机械强度与破损风险之间对应关系的评估标准。当前，纸质藏品保护相关研究多以纤维素聚合度（DP）指示纸张的破损风险。Strlič等[

7]研究发现，DP能够较好的指示纸张的磨损和撕裂风险，并建立了以DP为指标的纸张破损风险评估标准：当DP<300时，纸张容易撕裂和碎片化，但不使用时纸张并不会出现撕裂或缺失；当DP<500时，纸张磨损程度随DP减小而增加；当DP>500时，纸张的磨损不严重。该研究还揭示了随着纸张老化，其破损风险发生变化的DP阈值。但纸张的自然老化（DP下降）过程是长期缓慢的，短时的环境相对湿度不理想不会明显影响纸张的DP。因此，DP不能作为评估环境相对湿度对纸张破损风险影响的直接指标。

2.2.1　机械强度降幅法

由于纸张老化过程中化学降解和机械性能变化存在相互影响。Parsa等[

8]研究发现，机械性能变化也能指示纸张的适用性。该研究预测，纸张的刚度较初始值下降20%近似对应于DP下降至300，二者变化几乎等效，均可作为判断纸张老化较严重的阈值。因此，拟以“环境相对湿度偏低或偏高时纸张的机械强度，较环境相对湿度理想时纸张对应的机械强度降幅是否超过20%”为标准，判断环境相对湿度不理想是否引起纸张破损风险增加。

图4为环境相对湿度偏低对纸张机械强度的影响。由图4可知，环境相对湿度偏低时，所有纸张的抗张指数均有所上升；大部分纸张的耐折度降低，但只有老化道林纸的耐折度降幅超过20%；所有纸张的撕裂指数均下降，打字纸、老化打字纸、老化字典纸和老化新闻纸的撕裂指数降幅均大于20%。因此，根据机械强度降幅法，环境湿度偏低可能导致老化道林纸折断风险增加，打字纸、老化打字纸、老化字典纸和老化新闻纸撕裂风险增加。

图4  环境相对湿度偏低对纸张机械强度的影响

Fig. 4  Effect of the lower ambient relative humidity on the mechanical strength of papers

图5为环境相对湿度偏高对纸张机械强度的影响。由图5可知，环境相对湿度偏高时，所有纸张的撕裂指数均提高；部分纸张的耐折度下降，但降幅均<20%；所有纸张的抗张指数均下降且降幅均>20%。因此，根据机械强度降幅法，环境相对湿度偏高导致纸张拉断风险增加。

图5  环境相对湿度偏高对纸张机械强度的影响

Fig. 5  Effect of the higher ambient relative humidity on the mechanical strength of papers

2.2.2　机械强度和DP关联法

2.2.2.1　机械强度和DP的关系

DP虽然不能作为评估环境相对湿度对纸张破损风险影响的直接指标，但DP是纸张机械强度的重要影响因素。建立纸张机械强度与DP之间的关系，可以间接参考Strlič等[

7]的研究结果，评估不理想的环境相对湿度造成的纸张机械强度变化，对纸张破损风险的影响。因此，接下来根据不同人工加速老化时间下的竹纸、宣纸、字典纸和构皮纸的机械强度和DP测定结果的分析，探究纸张机械强度和DP之间的关系（图6）。

图6  纸张机械强度与DP的关系

Fig. 6  Relationship between mechanical strength and DP of papers

由图6可知，对于同种纸张，抗张指数、耐折度和撕裂指数均与DP呈较好的相关性，DP越大，纸张的机械强度越好。因此，根据破损风险较低（DP≈500）和破损风险较高（DP≈300）对应的纸张机械强度，来评估环境相对湿度对纸张破损风险的影响具有合理性。由于纸张数量有限，且纸张的机械强度测定为人工检测，测量的不确定性较大，因此确定纸张破损风险较大时，对应的精确机械强度安全阈值需谨慎。但出于降低纸质藏品破损风险的目标，基于“就高不就低”的原则，可根据纸张的机械强度与DP的对应关系，对不理想的环境相对湿度造成的纸张机械强度变化是否引起纸张破损风险增加进行简单评估。

当纸张的抗张指数达到30 N·m/g时，纸张的抗张性能较好。由图6(a)可知，当DP≈300时，竹纸、宣纸、字典纸和构皮纸的抗张指数分别为35.3、21.1、22.8和23.8 N·m/g。当DP≈500时，竹纸、宣纸、字典纸和构皮纸的抗张指数分别为45.7、29.4、27.1和33.0 N·m/g，均具有良好的抗张性能。

由于耐折度测定结果与实验时使用的张力大小直接相关，而藏品用纸较薄，无法使用标准张力测定，从而经常出现无法直接对比耐折度大小的情况。因此，环境相对湿度对纸张耐折度的影响评估不能通过直接比较耐折度的大小，只能对比同种纸张老化前后耐折度的下降幅度，超过该下降幅度说明纸张的耐折性能发生了较明显的变化。由图6(b)可知，当DP≈300时，竹纸、宣纸、字典纸、构皮纸的耐折度分别为0.17、0.69、1.79、0.50；当DP≈500时，竹纸、宣纸、字典纸、构皮纸的耐折度分别为1.60、1.63、2.83、1.96。计算可得，从DP≈500老化至DP≈300，同种纸张的耐折度降低0.94~1.46，降低幅度为37%~89%。据此推测，当耐折度降低<0.95且降幅<37%时，纸张的耐折性能变化不明显。

当撕裂指数达到5.00 mN·m2/g左右时，纸张的撕裂性能较好。由图6(c)可知，当DP≈300时，竹纸、宣纸、字典纸和构皮纸的撕裂指数分别为2.21、4.16、2.27和4.95 mN·m2/g；当DP≈500时，竹纸、宣纸、字典纸和构皮纸的撕裂指数分别为5.07、5.77、4.08和10.89 mN·m2/g，均具有较好的撕裂性能。

2.2.2.2　环境相对湿度对破损风险的影响

由图1可知，环境相对湿度偏低和理想时，打字纸、老化打字纸、字典纸、老化字典纸、新闻纸和老化新闻纸的抗张指数均>30 N·m/g；道林纸和老化道林纸在环境相对湿度理想时抗张指数不高（≈25 N·m/g），当环境相对湿度偏高时进一步下降至15 N·m/g左右。这表明除了本身抗张性能较好的纸张（打字纸）外，环境相对湿度偏高可能造成多种纸张拉断风险增加。

环境相对湿度偏低或偏高时，所有纸张的耐折度大小变化均<0.95，且降幅均<37%（图2）。这表明不理想的环境相对湿度对纸张的耐折性能影响不明显。

由图3可知，环境相对湿度理想时，字典纸、老化字典纸、新闻纸、老化新闻纸、打字纸、道林纸、老化道林纸的撕裂指数均>8.00 mN·m2/g，当环境相对湿度偏低时，上述纸张的撕裂指数均有所下降，但均>5.00 mN·m2/g，撕裂性能仍较好；在环境相对湿度理想时，只有老化打字纸撕裂指数仅为3.60 mN·m2/g，当环境相对湿度偏低时，撕裂指数进一步下降至2.80 mN·m2/g，此时，纸张往往非常脆弱需要进行加固处理[

9]。由此表明，环境相对湿度偏低对强度较好纸张的撕裂风险影响不明显，会进一步加剧强度较差纸张的撕裂风险。

2.2.3　2种方法比较

根据机械强度降幅法，环境相对湿度偏高造成纸张拉断风险增加；环境相对湿度偏低可能增加老化道林纸的折断风险，还可能造成打字纸、老化打字纸、老化字典纸和老化新闻纸的撕裂风险增加。根据机械强度和DP关联法，环境相对湿度偏高对打字纸的拉断风险无明显影响，但可能增加其余纸张的拉断风险；环境相对湿度偏低会增加老化打字纸的撕裂风险。

对比可知，2种方法的评价结果有相同也存在差异，主要区别为：机械强度降幅法指出，环境相对湿度偏高造成打字纸拉断风险增加，而环境相对湿度偏低会增加老化道林纸的折断风险，同时也会增加打字纸、老化字典纸、老化新闻纸撕裂风险；而机械强度和DP关联法均判定，不理想的环境相对湿度对上述纸张的破损风险无明显影响。这是因为上述纸张的机械强度较好，虽然不理想的相对湿度环境造成其强度指标降幅超过20%，但是降低后的机械强度仍较高。

鉴于评估环境相对湿度对纸张破损风险影响的最终目标是尽可能减少纸质藏品破损。因此，为了提高评估的敏感性和可靠性，可以采用2种方法联用的方式，更全面地筛选出本身较脆弱的或更易受环境相对湿度影响的纸质藏品。具体而言，如果机械强度和DP关联法判定纸张的破损风险较高，那么直接采纳该判定结果；如果机械强度和DP关联法判定纸张的破损风险较低，而机械强度降幅法判定纸张的破损风险较高，这时可以比较纸张的机械强度测量值与对应指标安全阈值的大小，如果纸张的机械强度测量值远高于对应指标的安全阈值，那么判定不理想的环境相对湿度导致纸张发生对应破损风险增加的可能性较小；如果纸张的机械强度测量值接近对应指标的安全阈值，那么判定不理想的环境相对湿度存在造成增大纸张对应破损风险的可能性。如当环境相对湿度偏高时，打字纸的的抗张指数为31.0 N·m/g（>30.0 N·m/g），按照机械强度和DP关联法应判定“环境湿度偏高对打字纸的拉断风险无影响”；但抗张指数下降24.8%，降幅超过20%，按照机械强度降幅法应判定“环境相对湿度偏高造成打字纸拉断风险增加”。鉴于2种方法对打字纸判定结果不一致，且此时打字纸的抗张指数已非常接近评估的安全阈值，为提高评估的可靠性，判定环境相对湿度偏高可能增加打字纸的拉断风险。

基于上述机械强度降幅与机械强度和DP关联法联用原则，判定环境相对湿度偏低对字典纸、老化字典纸、道林纸、新闻纸和老化新闻纸的破损风险无明显影响，但可能造成打字纸和老化打字纸破损风险增加；环境相对湿度偏高可能造成所有纸张的拉断风险增加。由此表明，环境相对湿度偏高会增加多种纸张的拉断风险；环境相对湿度偏低对机械强度较好纸张的破损风险影响不明显，可能导致机械强度较差的纸张破损风险增加。因此，机械强度较好的纸张保存环境可以接受较低的相对湿度；对于本身机械强度较差、脆弱的纸张，应在理想的湿度环境中保存。如果无法达到理想的保存湿度条件，应尽量避免使用；若确需使用，则应在湿度适宜的环境中充分适应后再使用，以降低破损风险。

3 结论

根据机械强度降幅法，环境相对湿度偏低（15%）时打字纸、老化打字纸、老化字典纸和老化新闻纸的撕裂风险增加，环境相对湿度偏高时（85%）所有纸张的拉断风险增加，环境相对湿度偏低时老化道林纸的折断风险增加。根据机械强度和DP关联法，环境相对湿度偏低时老化打字纸的撕裂风险增加，环境相对湿度偏高时所有纸张的拉断风险增加。

为了提高判断的敏感性和可靠性，2种方法联用得到以下结论：环境相对湿度偏低，字典纸、老化字典纸、道林纸、老化道林纸、新闻纸和老化新闻纸等纸张的破损风险无明显变化，打字纸、老化打字纸破损风险可能增加；环境相对湿度偏高会增加多种纸张的拉断风险。因此，所有纸张的破损风险在高湿环境中均会增加，且高湿环境会缩短纸张的预期寿命，同时增加纸张生虫生霉风险，因此所有纸质藏品均不宜在高湿环境中保存。机械强度较好的纸张破损风险受低湿环境影响较小，可接受较低的保存环境相对湿度；本身机械强度较差的、脆弱的纸张在环境相对湿度偏低时破损风险会进一步加剧，应在理想的环境相对湿度中保存。

参 考 文 献

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