Bleaching Revisited: Impact of Oxidative and Reductive Bleaching Treatments on Cellulose and Paper

Abstract The present study compares five oxidative bleaching treatments (calcium hypochlorite, hydrogen peroxide in two concentrations, light bleaching, and potassium permanganate) and two reductive bleaching treatments (sodium borohydride and tert-butylaminoborane) with each other. Their impact was investigated on pure cellulose (Whatman filter paper) and on two different historic rag papers. The parameters investigated to evaluate the bleaching process are brightness, molecular weight, carbonyl and carboxyl group content. The bleached samples were analyzed directly after the bleaching treatments and additionally after accelerated aging. In summary, all bleaching methods tested lead to a clear increase in brightness, i. e. they are all efficient bleaching agents. Oxidative treatments tend to increase the amount of oxidized cellulose functionalities. However, there is no significant difference between most of the treatments, and all oxidative treatments have caused some damage on cellulose in some occasions. Both reducing treatments successfully decrease the amount of carbonyl groups and partially preserve the cellulose in terms of molecular weight stabilisation. Sodium borohydride is clearly the more efficient reducing agent. Zusammenfassung In der vorliegenden Untersuchung werden fünf oxidative (Calciumhypochlorit, Wasserstoffperoxid in zwei Konzentrationen, Lichtbleiche und Kaliumpermanganat) mit zwei reduzierenden (Natriumborhydrid und tert-Butylaminoboran) Bleichbehandlungen miteinander verglichen. Ihr Einfluss auf reine Cellulose (Whatman Filterpapier) und auf zwei historische Hadernpapiere wurde untersucht. Um die Wirkung der Bleichprozesse vergleichen zu können, wurden der Weißgrad, die Molmasse, sowie der Carbonyl- und Carboxylgruppengehalt als Untersuchungsparameter herangezogen. Die Proben wurden direkt nach der Bleichbehandlung und zusätzlich nach einer beschleunigten Alterung untersucht. Alle Bleichbehandlungen, die im Rahmen dieser Studie untersucht wurden, haben zu einem Anstieg des Weißgrads geführt, d. h. sie sind wirksame Bleichsubstanzen. Die oxidativen Behandlungen neigen dazu, eine leichte oxidative Schädigung entlang des Cellulosemoleküls zu verursachen. Allerdings kann zwischen den meisten Behandlungen kein signifikanter Unterschied festegestellt werden, und alle oxidativen Behandlungen haben manchmal zu einer Schädigung der Cellulose geführt. Die beiden reduzierenden Behandlungen haben zu einer erfolgreichen Verringerung der Carbonylgruppen geführt. Sie konnten teilweise auch die Molmasse der Cellulose stabilisieren. Dabei ist Natriumborhydrid deutlicher schneller als tert-Butylaminoboran, wenn es um die Reduktion der Carbonylgruppen geht. Résumé La présente analyse compare cinq traitements oxydatifs de blanchiment (hypochlorite de calcium, péroxyde d'hydrogène à deux concentrations différentes, blanchiment par la lumière, et permanganate de potassium) à deux traitements réducteurs de blanchiment (borhydride de sodium et tert-butylaminoborane). On a examiné leur impact sur la cellulose pure (papier filtre de Whatman) et sur deux différents papiers chiffon anciens. Les paramètres étudiés pour évaluer le blanchiment sont les suivants: le degré de blancheur, la masse moléculaire, ainsi que la teneur en groupes carbonyles et carboxyles. Les échantillons ont été examinés juste après le traitement de blanchiment ainsi qu'après avoir été exposés en supplément à un traitement de viellissement accéléré. Tous les traitements de blanchiment qui ont été étudiés dans le cadre de cette recherche ont mis clairement en évidence que le degré de blancheur avait augmenté, c-à-d. que les substances utilisées sont efficaces pour le blanchiment. Les traitements oxydatifs ont tendance à provoquer une légère dégradation oxydative le long de la molécule de cellulose. Cependant aucune diférence significative n'a pu être constatée entre la plupart des traitements, et tous les traitements oxydatifs ont occcasionellement provoqué une altération de la cellulose. Les deux traitements réducteurs ont réussi à diminuer le nombre des groupes carbonyles. Ils ont pu également préserver partiellement la cellulose en ce qui concerne la stabilisation de la masse moléculaire. Il faut dire que le borhydride de sodium est nettement l'agent réducteur le plus eficace lorsqu'il s'agit de la réduction de groupes carbonyles.