Способ восстановления поврежденных влагой волокнистых материалов органического происхождения и изделий из них

Изобретение относится к восстановлению библиотечных фондов и музейных экспонатов из капиллярно-пористых материалов, поврежденных при затоплениях, в частности книг. Предварительно замороженный объект размещают в рабочей камере и циклично проводят сублимационную сушку. В каждом цикле создают разрежение в камере и нагревают ее стенки до заданной температуры, подают в камеру поток сухого воздуха с повышением давления в камере, дополнительно проводят высокочастотный нагрев восстанавливаемого объекта, затем отключают нагрев, прекращают подачу потока воздуха и вновь создают разрежение в камере. В процессе сушки осуществляют контроль температуры с помощью термопар и веса с помощью пружинных весов. Нагрев стенок камеры могут осуществлять инфракрасными излучателями до температуры +25 - +30°С. При восстановлении книги термопары размещают по высоте книги внутри нее и нагрев в каждом цикле производят до получения внутри нее температуры не более 0°С. При восстановлении книг с многослойными обложками проводят их дополнительный нагрев после высушивания внутреннего объема. Сушку заканчивают при повышении температуры в течение всего цикла до значений выше 0°С. Изобретение должно обеспечить равномерность высыхания объекта. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к реставрации библиотечных фондов и музейных экспонатов из капиллярно-пористых материалов, поврежденных при затоплениях, и может быть использовано при восстановлении книг, одежды и т.п.

При небольшом количестве сырых или слабо мокрых объектов применяется обычно воздушная сушка, которая проводится в сухом помещении при температуре ниже 21°С и влажности не более 50%. Необходимо поддерживать движение воздуха в зоне сушки и отсутствие прямых солнечных лучей. Для избежания искривления или коробления переплета перед завершением сушки книги необходимо положить под небольшой груз. Способ является трудоемким и требует постоянного контроля за процессом /1/.

Известен способ восстановления поврежденных влагой книг, при котором восстанавливаемый объект устанавливают в контейнер с древесными опилками и сушат газообразным агентом в сушильном объеме /2/. Данный способ восстановления принят в качестве прототипа. Однако такой вид сушки не позволяет полностью восстановить первоначальный вид материалов. Кроме того, бумажные изделия (книги, альбомы, брошюры) могут содержать фотографии, рисунки, схемы, переплеты, выполненные из разных материалов, имеющих различную теплопроводность. Известные способы не учитывают изменения состава среды, давления во внутреннем объеме восстанавливаемого объекта.

Задачей изобретения является повышение качества восстановления объектов, в частности книг, с сохранением их формы, структуры. Технический результат заключается в обеспечении равномерного высыхания объектов за счет использования их замораживания и сублимационного процесса сушки, не допускающего фазового перехода.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе восстановления поврежденных влагой волокнистых материалов органического происхождения и изделий из них, включающем размещение восстанавливаемого объекта в рабочей камере, его сушку потоком воздуха внутри камеры при нагреве объекта, перед размещением восстанавливаемого объекта в рабочей камере его замораживают, сушку проводят циклично с обеспечением проведения сублимационного процесса, при этом в каждом цикле создают разрежение в рабочей камере и нагревают ее стенки до заданной температуры, подают в камеру поток сухого воздуха с повышением давления в камере, дополнительно проводят высокочастотный нагрев восстанавливаемого объекта до температуры не более 0°С, затем отключают высокочастотный нагрев, прекращают подачу потока воздуха и вновь создают разрежение в рабочей камере, повторяют циклы при постоянном контроле температуры объекта, сушку прекращают после повышения температуры до значений выше 0°С в течение всего цикла. Нагрев стенок камеры осуществляют инфракрасными излучателями до температуры от +25 до +30°С. В качестве восстанавливаемого объекта может быть книга, при этом фиксируют положение ее обложек перед созданием разрежения в рабочей камере. При восстановлении книг с толстыми многослойными обложками проводят дополнительный нагрев обложки после высушивания внутреннего объема книги.

На фиг.1 представлена блок-схема установки для реализации предложенного способа.

На фиг.2 - размещение объекта внутри вакуумной камеры.

На фиг.3 - экспериментальные зависимости веса (“а”), температуры внутри книги (“б”) и на обложке книги (“в”) от времени сушки (кривая 1 - для замороженной книги, кривая 2 - для сухой книги).

Предложенный способ осуществлялся с помощью следующего оборудования.

На фиг.1 приведена блок-схема вакуумной установки. Вакуумная установка была спроектирована и изготовлена на основе кубической камеры 6 объемом около 1 м³ и снабжена системой откачки, включающей механический насос 1 типа НВР-16Д со скоростью откачки 16 л/с, вакуумный агрегат АВР-50, состоящий из механического насоса 2 НВР-5Д и 2-х роторного насоса 3 ДВН-50, со скоростью откачки 50 л/с и цеолитовый агрегат ЦВА-1-2 с сорбционными насосами 4, 5. Камера установки имеет дверь, которая полностью позволяет открывать одну из сторон куба и обеспечивать доступ внутрь.

Стенки вакуумной камеры 6 имеют хорошую теплоизоляцию, обеспечивающую поддержание температуры на их поверхности в заданном режиме. Для подвода электрического напряжения камера 6 снабжена многоштырьковым силовым вакуумным вводом 7. Теплофизические измерения, например ввод термопар, обеспечиваются отдельным вакуумным разъемом 8. Для подведения внутрь камеры 6 высокочастотного напряжения имеется силовой высокочастотный ввод 9.

Измерение давления осуществляют вакуумметром 10 образцовым типа ВО класса 1 и тепловым вакуумметром ВТ3-003 с преобразователем 11 ПМТ6-3М-1 с диапазоном измерения от 1·10^-1 до 1·10⁵ Па.

Все средства откачки соединены с вакуумной камерой через трубопроводы с вакуумными затворами (вентили 12, 13, 14, 15, 16, 17), а агрегат АВР-50 через азотную ловушку 18, которая может отсоединяться вакуумными затворами как от насоса, так и от камеры. Азотная ловушка 18 объемом около 5 л способна в течение длительного времени сконденсировать либо десублимировать несколько литров паров воды (количество азотных ловушек с вакуумными затворами, соединенных параллельно, определяется весом жидкости (льда), который необходимо сконденсировать или десублимировать).

Для эффективного предотвращения конденсации паров в механических насосах использовались газобалластные устройства, которыми снабжены оба насоса.

Напуск газа в камеру 6 для создания как потока газа, так и необходимого давления осуществляется с помощью натекателя 19.

В качестве нагревательных элементов внутри камеры 6 были использованы два инфракрасных излучателя закрытого типа с регулируемым режимом питания, что позволяет выбрать нужный температурный режим и изменять его в процессе сушки. Температура регистрируется термопарами из хромель-алюмеля.

Напряжение ВЧ подается через гермоввод, величина напряжения регулируется в широком диапазоне от 0 до 1000 В. Частота ВЧ-генератора составляет 1 МГц.

Внутри камеры 6 (фиг.2) расположена площадка 20, на которой размещается замороженная книга 21, на которую накладывают пористую изоляционную прокладку 22 и электрод 23 подвода ВЧ-напряжения. С целью исключения коробления книги во время сушки книга находится в “заневоленном” состоянии, т.е. фиксированные опоры 24 не позволяют смещаться верхнему электроду 23 и обложке более чем на 0,5-1,0 мм. Последнее связано с тем, что, во-первых, если книга имеет сложную обложку, то во время откачки верхняя обложка, состоящая из двух или более составных частей, между которыми имеется лед и воздух, может расслоиться и начнет раздуваться, что приведет к появлению волны или складок. Во-вторых, во время сушки верхний слой высыхает быстрее, вследствие чего, по мере высыхания без наличия ограничителя верхние листы начнут скручиваться, а книга после высыхания потеряет свой первоначальный вид.

Одним из важнейших факторов процесса сушки является контроль количества испарившейся жидкости (льда). Грубая оценка возможна при использовании пружинных весов 25, которые монтируются в вакуумной камере 6. Замороженная книга предварительно взвешивается при атмосферном давлении до размещения в вакуумной камере 6, а в процессе сушки наблюдают за изменением веса по показаниям весов. Пружинные весы 25, установленные на стенке 26 камеры 6, позволяют проводить с разрешением 5 грамм измерение во время всего процесса сушки: в течение откачки воздуха, прогрева как ИК-нагревателями, так и ВЧ-излучением.

Другим фактором контроля степени высыхания книги является ее температура. Температура измерялась термопарами в нескольких точках: на поверхности камеры, на поверхности книги в области обложки и внутри книги. Термопары позволяли контролировать температуру от минус 50°С до плюс 50°С.

Предложенный способ осуществлялся следующим образом.

Книга 21 перед сублимационной сушкой была заморожена в мокром состоянии до температуры минус 27-30°С. При этом был измерен вес сухой книги, а после замораживания - вес “холодной” книги. Как показали эксперименты, вес замороженной мокрой книги возрастает в 1,8-2 раза, а в случае сложной обложки (кожа, дерматин, ткань) - в 2-2,3 раза.

Перед замораживанием внутрь вставлялась одна или несколько термопар, на разных уровнях, которые в ходе сублимационной сушки позволяли оценивать температуру в разных слоях по толщине книги.

Замороженная книга 21 помещалась в сублимационную рабочую камеру 6 (см. фиг.2) на проводящую поверхность площадки 21, а сверху книги 21, через изоляционную прокладку 22 укладывался другой проводящий электрод 23. Эти электроды являлись обкладками конденсатора при подаче токов ВЧ. Верхний электрод 23 фиксировался упорами (опоры 24) для предотвращения коробления. Вся эта система была установлена на пружинных весах 25.

После получения предельного разрежения <1Па (менее 10^-2 мм рт.ст.) температура внутри книги 21 понижалась до минус 35°С, а в области обложки - до минус 27°С. Следует отметить, что с нагревом стенок камеры 6 до +25 - +30°С постепенно повышается температура в районе обложки, т.к. обложка касается металлических проводящих электродов и они нагреваются за счет теплового излучения ИК нагревателей.

Сублимационный процесс сушки замороженной книги проводился методом циклирования. Длительность цикла составляла 35-40 мин, на графике циклы отмечены по оси абсцисс 1-2, 2-3, 3-4 и т.д. В течение цикла создавался поток сухого воздуха в вакуумной сублимационной камере, что приводило к повышению давления до 0,7-1,0 мм рт.ст., затем включался ВЧ-источник и за счет токов высокой частоты температура внутри книги повышалась до 0°С, затем ВЧ-источник отключался, прекращался поток сухого воздуха и сублимационная камера откачивалась до предельного давления (менее 10^-2 мм рт.ст.). Температура внутри книги опять понижалась до минус 20 - минус 25°С. После этого сублимационный цикл повторялся.

Такой метод сублимационной сушки позволяет, с одной стороны, контролировать содержание влаги в книге (т.е. если в книге присутствует влага в виде льда-воды, то температура после достижения предельного разрежения должна понижаться), с другой стороны, - позволяет оставлять книгу равномерно замороженной. Последнее очень важно, т.к. если книга будет высыхать неравномерно, то применение для нагрева токов высокой частоты будет затруднено из-за появления дополнительного активного сопротивления, которое будет определяться частью высохшей книги.

Циклы сублимационной сушки проводились последовательно до тех пор, пока пилообразная кривая изменения температуры внутри книги не поднималась выше оси абсцисс, т.е. 0°С, на графике фиг.3 “б” это область 10-11 цикла. При таком изменении температуры книга считается высохшей.

Это подтверждается ходом кривой на графике фиг.3 “а”. Видно, что в начале сушки вес книги меняется приблизительно на 10% за цикл от начального значения, затем скорость изменения веса уменьшается, а после 9, 10 циклов вес книги приближается к весу сухой книги, т.е. к тому весу, который имела книга до процесса замачивания и заморозки.

График изменения температуры на обложке книги от времени (циклов) сушки приведен на фиг.3 “в”.

Таким образом, можно сделать вывод, что, применяя метод контроля температуры внутри замороженной книги совместно с проведением циклической сублимации, по характеру изменения температуры, можно определить время окончания процесса сублимации мокрой книги, т.е. момент ее “высыхания”.

Для подтверждения возможности высушивания книги по предложенной методике равномерно по всему объему в книгу были предварительно установлены три термопары на разных расстояниях от обложки. После чего книга была намочена и заморожена.

На фиг.4 “а” приведен график изменения веса книги во время сушки и 4 “б” изменения температуры внутри книги на разных расстояниях от обложки во время циклирования. Видно, что книга “сохнет” равномерно по всему объему и поэтому применение высокочастотного прогрева будет приводить к повышению температуры по всей толщине книги и ее равномерному высыханию.

В нашем случае сушки книги мы считаем, что сублимация паров льда (воды) из книги происходит по периметру книги (торцевой площади), поэтому оценку скорости испарения в приведенных выше экспериментах отнесли к боковой поверхности, эта величина составила значение от 3 кг/м² час до 5 кг/м²час.

Устройство установки позволило проводить утилизацию испарившегося льда. Пары льда (воды) десублимировались на поверхности холодной ловушки и после окончания процесса вентили вакуумной установки перекрывались, ловушка размораживалась, а образовавшаяся влага через специальное отверстие сливалась в мерный объем. Количество утилизированной жидкости составило 85-90% от величины сублимированного льда (воды).

Высушивание книг с толстыми, многослойными обложками имеет некоторые особенности. Эти обложки сохнут гораздо дольше, чем внутренний бумажный материал. Поэтому для сублимации таких книг рекомендуется устанавливать термопары для измерения температуры на поверхности этих обложек и после высушивания внутреннего объема книги досушивать обложки медленным повышением температуры на площадках, которые касаются обложек. При этом нагрев площадок можно проводить с помощью инфракрасного излучателя, а для увеличения скорости испарения паров льда-воды с поверхности обложек площадки выполняют с мелкими отверстиями.

Источники информации

1. Чрезвычайные ситуации. Сушка мокрых книг. http://www.nedec.org/ruplam/rusec 34.htm.

2. RU 2144168 С1, МПК7 F 26 B 3/06, 10.01.2000.

1. Способ восстановления поврежденных влагой волокнистых материалов органического происхождения и изделий из них, включающий размещение восстанавливаемого объекта в рабочей камере, его сушку путем нагрева потоком воздуха внутри камеры при нагреве объекта, отличающийся тем, что перед размещением восстанавливаемого объекта в рабочей камере его замораживают, сушку проводят циклично с обеспечением проведения сублимационного процесса, при этом в каждом цикле создают разрежение в рабочей камере и нагревают ее стенки до заданной температуры, подают в камеру поток сухого воздуха с повышением давления в камере, дополнительно проводят высокочастотный нагрев восстанавливаемого объекта до температуры не выше 0°С, затем отключают высокочастотный нагрев, прекращают подачу потока воздуха и вновь создают разрежение в рабочей камере, повторяют указанные циклы, осуществляя контроль температуры объекта, а сушку заканчивают при повышении температуры объекта до значений выше 0°С в течение всего цикла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев стенок камеры осуществляют инфракрасными излучателями до температуры от +25 до +30°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что восстанавливаемым объектом является книга, положение обложек которой фиксируют перед созданием разрежения в рабочей камере.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при восстановлении книг с толстыми многослойными обложками проводят дополнительный нагрев обложки после высушивания внутреннего объема книги.