紙張纖維素的降解反應(yīng)是什么？

纖維素的分子式為(C6H10O5)n，由脫水D-吡喃式葡萄糖單元通過1-4-β-苷鍵連接而成的一種線性高分子聚合物，每個葡萄糧單元上有3個-OH，這些羥基直接影響到纖維素的物化性質(zhì)，如潤脹、酸化、水解、氧化等反應(yīng)，從而影響到紙張的耐久性。纖維素降解會改變纖維的微晶結(jié)構(gòu)，造成分子鏈斷裂，聚合度降低，導(dǎo)致纖維承受能力變差，但分子量減小，又有利于短分子鏈之間氫鍵重組，纖維與纖維之間結(jié)合更緊密，曾有研究表明，紙張老化的早期，強(qiáng)度提高，緣于纖維間氫鍵的重組，掃描電子顯微鏡也不能清楚解釋氫鍵重組現(xiàn)象，只能觀察到纖維斷裂。因此紙張機(jī)械強(qiáng)度降低是纖維聚合度下降、纖維之間結(jié)合力增加和纖維自身結(jié)合力減弱共同作用的結(jié)果。

1、纖維素的酸降解。空氣中的CO2、SO2、CI2、H2S等，在微量重金屬離子的催化下，它們與紙張中的水分反應(yīng)生成硫酸、亞硫酸、碳酸、鹽酸等，這些酸能使纖維素發(fā)生水解反應(yīng)，造成苷鍵斷裂，生成一系列短分子鏈的化合物，導(dǎo)致纖維素聚合度下降，還原性末端基增加，還原能力增加，機(jī)械強(qiáng)度下降，耐老化性能受損。酸在纖維素降解過程中只扮演催化劑的角度，不會消耗，所以紙張中的酸越積越多，pH值會越來越低，紙張酸化會越來越嚴(yán)重。

纖維素酸消解開始階段，纖維素的吸濕能力顯著降低，到了一定值后，微晶體縱向分裂為兩個或兩個以上的較小微晶體時，因聚合度不變而表面積增加，導(dǎo)致吸濕能力逐漸增加，纖維素吸濕潤脹之后促進(jìn)纖維素的水解反應(yīng)。

2、纖維素的氧化降解。纖維素在發(fā)生水解的過程中還發(fā)生氧化反應(yīng)。鐵和鎂等過渡金屬元素是纖維素氧化反應(yīng)的催化劑。同時，醛基和羧基能加速纖維素水解速度。

纖維素的氧化降解，主要發(fā)生在C2、C3、C6位的游離羥基上，同時也發(fā)生在C1位還原性末端基上，苷鍵斷裂消除β-烷氧基從而形成羰基，纖維素氧化降解可能產(chǎn)生各種結(jié)構(gòu)的羰基和羧基，甚至是生成不同結(jié)構(gòu)的非末端羧酸或末端羧酸。羰基、羧基和酮基都是引起紙張返黃的基本基團(tuán)。

3、纖維素的微生物降解。微生物里的纖維素酶也能使纖維素苷鍵斷裂，聚合度降低。纖維素酶（cellulase）廣泛存在于自然界的生物體中，細(xì)菌、真菌、動物體內(nèi)等都能產(chǎn)生纖維素酶。

4、纖維素的光降解。在光照和氧存在的條件下，纖維素可降解產(chǎn)生各種游離基，加速纖維長鏈降解。

空氣中的某些成分在紫外線照射下，能生成強(qiáng)氧化劑，從而對紙張造成危害，如紫外線下NO2反應(yīng)生成O3，SO2生成SO3，SO3與水結(jié)合形成H2SO4，O3和H2SO4均能引起纖維素發(fā)生降解反應(yīng)；另外，紙張經(jīng)紅外線照射后，產(chǎn)生熱效應(yīng)，紙張溫度升高，也會加速紙張降解反應(yīng)速度，從而加速紙張老化。

綜上所述4點，才導(dǎo)致了纖維素的降解反應(yīng)。以上內(nèi)容摘自天一閣博物館：李賢惠、賀宇紅、王金玉，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院：奚三彩、張溪文的《纖維組分對古籍紙質(zhì)文獻(xiàn)老化的影響》一文片段。