Study on the Correlation Between SEC and Mechanical Tests of Different Paper Types for Degradation State Evaluation

SUMMARIES

The degradation of six modern types of pulp and paper by two mechanical tests, i.e. tensile strength and the zero-span tensile strength, on one hand and by size exclusion chromatography on the other is described. Various artificial ageing treatments were applied to each sample in order to establish a relationship between mechanical strength and the molecular mass of the cellulose. Our results reveal the influence of the pulp type and of the non-polysaccharidic compounds on the relationship between the molecular and the mechanical properties especially in early degradation states, while the nature of the ageing treatment has an extremely small effect. In contrast, when more advanced degradation states are reached, all paper and pulp samples approach a similar behaviour. Based on this observation and on the limiting molecular mass (an almost constant value which is reached after excessive deterioration of cellulose), we defined an alarming “critical value” for the molecular mass of cellulose. It is independent of the ageing process or of the conservation history, of the pulp and of the non-polysaccharidic material. The value that we suggest to be 100,000 g mol^-1 indicates an advanced degradation state of a paper document. Below this value, a cellulosic document can be considered as being very fragile; in addition, the loss of mechanical strength becomes faster and faster. An eighteenth-century document was characterised in the same way and confirmed the validity our results.

Afin de définir le degré de dégradation de six types modernes de papier des mesures ont été effectuées d'une part à l'aide de tests mécaniques, c.-à-d. relatifs à leur résistance à la traction et à la durée zéro de résistance à la traction, et d'autre part sur leur poids moléculaire au moyen de la chromatographie SEC. Différents traitements de vieillissement ont été appliqués à chaque type de papier afin de déterminer une relation entre la résistance mécanique et la masse moléculaire de la cellulose/holocellulose. D'après les résultats de ces analyses on définit une « valeur critique » d'alarme pour la masse moléculaire de la cellulose. Celle-ci se situe à notre avis au seuil de 100 000 g mol^-1 et indique un stade avancé de dégradation du papier indépendant du processus de vieillissement ou de l'histoire de la conservation du papier, de la composition de la fibre et des composants non-polysaccharides. Ces résultats révèlent l'influence des deux derniers paramètres cités alors que la nature du traitement de vieillissement artificiel n'a en comparaison que très peu d'effet. Cependant à un poids moléculaire bas tous les types de papier se sont comportés de façon similaire, et non seulement la force de résistance mécanique est considérablement réduite mais elle se détériore aussi rapidement que la dégradation se poursuit au niveau moléculaire. Un document émanant du 18^ème Siècle a été étudié selon cette méthode et confirme la validité de nos résultats.

Der Abbau von sechs modernen Zellstoff- und Papiertypen wurde einerseits mittels deren mechanischer Festigkeit, d.h. Zugfestigkeit und Null-Zugfestigkeit, und andererseits mittels ihres Molekulargewichtes durch Größenausschlußchromatographie (SEC) verfolgt. Um einen Zusammenhang zwischen mechanischer Festigkeit und Molekulargewicht der Cellulose herzustellen, wurden die Proben verschiedenen Methoden zur Beförderung des Abbaus unterworfen. Unsere Ergebnisse weisen auf einen Einfluss des Zellstofftyps und der nicht-polysaccharidischen Zusatzstoffe auf die Beziehung zwischen molekularer und mechanischer Eigenschaften hin, und dies besonders in den frühen Abbaustadien, während die Art der Alterung von sehr geringer Auswirkung auf die beobachtete Relation ist. Jedoch tendieren bei fortgeschritteneren Abbaustadien alle Proben zu einem ähnlichen Verhalten. Aufgrund dieser Beobachtung und des durch Extrapolation erhaltenen Grenzmolekulargewichts (das nach extremer Alterung von Cellulose annähernd konstant ist), wird 100 000 g mol^-1 als „kritisches Molekulargewicht“ für Cellulose vorgeschlagen. Es beschreibt einen fortgeschrittenen Abbaugrad, und zwar unabhängig von der Art der Alterung und auch von der Faserart und dem nicht-cellulosischen Papierbestandteilen. Werte unterhalb dieses „kritischen Molekulargewichts“ weisen auf einen weit fortgeschrittenen Abbaugrad und auf eine hohe Zerbrechlichkeit des Dokumentes hin; außerdem nimmt die mechanische Festigkeit in diesem niedermolekularen Bereich immer schneller ab. Ein Papier aus dem 18. Jh. wurde in gleicher Weise untersucht und bekräftigt die Ergebnisse.