托裱浆糊浓度对纸张拉伸性能的影响

龚德才 魏 岳,2 周昱君 龚钰轩

(1.中国科学技术大学 科技史与科技考古系，安徽 合肥 230026；2.甘肃省博物馆，甘肃 兰州 730070；3.诸城市博物馆，山东 潍坊 262200)

宣纸具有独特的润墨性，可使书画作品墨韵清晰，层次分明。传统书画作品一般采用宣纸作为创作载体，以凸显出中国美学的特征。宣纸本身轻薄柔软，会导致画面皱折不平，容易损坏。在墨汁胶质作用下，纸张出现褶皱，进而产生断裂和折痕，影响书画的展示与保存。因此，一般采用书画装裱工艺对书画进行修复与保护。

装裱工艺与我国传统书画艺术密不可分，是人们在长期的书画艺术实践过程中总结形成的审美性和技术性的统一和约定俗成的范式(1)刘明《书画装裱工艺的程序和技术》，《科技经济导刊》2015年第18期，第121-122页。，出土于长沙战国楚墓的《人物御龙帛画》发现有类似挂轴的残存物，表明装裱工艺的雏形已经出现。唐代张彦远所著的《历代名画记》中记载：“自晋代以来，装背不佳，宋时范晔始能装裱”，说明南朝宋时期宣城太守范晔已因善于裱画而闻名，南北朝时期装裱技术已经普遍应用于书画作品。唐代时期装裱已经传入日本，宋代产生沿用至今的“宋宣和装”，表明至此时，装裱已是完成书画作品不可分割的部分。(2)王丹波《谈书画装裱的历史与现实》，《吉林师范大学学报(社科版)》2007年第4期，第121-122页。

在传统装裱过程中，托裱画芯和上复背纸的过程多使用手工所制浆糊作为粘合剂，其优点为原料获取相对容易；作为粘合剂无毒无害，并且对画芯外观没有影响，保留艺术作品的原始风貌；浆糊托裱后的画芯仍然可以揭取，在文物保护学的理念下为可逆材料。如何利用现代技术对传统工艺进行量化，使得经验化的工艺标准化，是现阶段文物保护研究方向之一。已有的研究多是针对裱糊所用材料本身性能的提升，如浆糊中添加纳米ZnO改善其防霉性能，添加川椒等中药成分起到抑菌作用等，(3)何伟俊、张金萍、陈潇俐《传统书画装裱修复工艺的科学化探讨——以南京博物院为例》，《东南文化》2014年第2期，第25-30、127页。但目前尚未有浆糊浓度对托裱后纸张拉伸性能的研究。装裱立轴书画往往是采取悬挂形式进行展示，在挂取和展示期间，不可避免会受外力拖拽，还有收卷，因此通过装裱对拉伸性能进行改善可以提高书画作品的保存和保护效果。托裱工艺对画芯拉伸强度提升是保证其观赏性的重要环节。在托裱过程中，对浆糊浓度的选择往往是根据经验而定，浆糊的浓度对托裱后的画芯拉伸性能影响尚不明确。本文使用不同浓度的浆糊托裱纸张，研究托裱后纸张的拉伸性能，揭示传统工艺的科学内涵，实现技术的不断优化与提升，将工匠的传统经验上升为科学理论。(4)郭桂香《培育行业科学精神 提高科技创新能力——2010年全国文物科技工作会议综述》，《中国文物科学研究》2011年第1期，第48-53页。

一、实验

(一)试验材料与设备

实验原料采用五星牌生宣纸，宝鼎牌精制小麦淀粉。实验仪器选用岛津AG-Xplus型电子万能实验机、Correlated solution,Inc.公司vic-3D非接触全场应变测量系统、杭州华翰造纸检测仪器设备有限公司HH-HD3型纸张厚度测定仪。

(二)样品制备与测量方法

采用传统手工方法制作浆糊，按照常规比例以1∶5的比例将淀粉与水混合搅拌，并且加热使温度控制在70～80℃。持续搅拌约三十分钟至淀粉成糊状，其颜色由白色逐渐变暗为半透明凝胶状时停止加热。

将浆糊分为三组，分别为不加水、浆糊与水体积比1∶1、1∶9。将宣纸裁切为每张800×600mm，依次用三种浓度的浆糊用全湿托法粘合两层宣纸并上墙绷干，使每两张纸帘纹方向相同，并分组编号为1、2、3。待样品完全干燥后揭取，选取宣纸中间部位，均布取点20处记录厚度。每组浓度样品依照顺帘纹和垂直帘纹方向，分别裁切为180×40mm长条，每个方向五件样品，分别编号为1-5，对每件样品随机取点三处测量其厚度。同时，选取同批次产品单层未处理宣纸设为第4组，以同样方法裁切设置为对照组。

对于物体拉伸形变的测量一般有接触法和非接触法。托裱后的画芯较为柔软，厚度较薄，接触式测量法所用的电阻应变片和引伸计会对纸张的力学性能造成较大影响，且纸张强度远低于应变片；同时由于实验机的夹具在拉伸过程中与纸张会产生相对滑动，造成一定的误差，因此接触法不适用于对纸张的拉伸形变测量。数字图像相关法(DIC, Digital Image Correlation)是一种非接触式全场变形测量技术，利用摄像机拍摄物体表面产生形变位移前后的散斑图像，通过计算机转换为数字灰度图像，进行相关性计算得到被测物体形变情况。(5)袁昊《基于数字散斑相关方法的面内位移测量的研究》，北京交通大学硕士学位论文，2015年，第1-4页。该方法具有光路简单、对环境要求不高及全局测量等优点，可作为光学引伸计对拉伸过程中的形变进行测量。(6)贾佩星、崔春丽、宋展宏、侯雅宁、滕立军、张晓川《散斑打印技术及其在纸弹性模量测试中的应用》，《包装工程》2018年第9期，第199-203页。

数字图像相关法需要对被测物体进行表面散斑绘制，因此在裁剪好的纸条试件表面，用非接触全场测量系统所配套的专用滚轮刷制散斑，然后置于试验机夹具夹持，进行试验。拉伸实验开始前对试件施加一定预应力，将用于拍摄拉伸过程的相机系统置于万能试验机前，设定拍照间隔为300ms，万能试验机拉伸速度设定为10mm/min。实验环境为相对湿度50±3%，温度25±2℃。

二、实验数据计算及分析

纸张是一种多相复杂且非均质的高分子材料，在拉伸过程中在应力增加的初始阶段，应力和应变符合虎克定律，纸张此时表现具有弹性。在相对较短的时间内，纸张不会出现蠕变性质。(7)胡开堂《纸页的结构与性能》，北京：中国轻工业出版社，2006年，第46-51页。

弹性模量的计算根据定义

E为弹性模量，σ为拉伸应力，ε为应变。

拉伸应力σ根据定义可求得，

其中F为纸张所受拉力，为万能试验机的所施加荷载值；t为纸张厚度，通过使用纸张厚度仪测得；b为纸条宽度，均为40mm。

另外，根据泊松比定义

其中εx为垂直荷载方向应变，εy为沿荷载方向应变。

将三种浓度下托裱后的试件和单层纸张利用万能试验机进行拉伸试验，将DIC设备观测所得数据通过Origin Pro软件进行曲线拟合，并计算得到弹性模量和泊松比的平均值及标准偏差。

三、结果与讨论

(一)弹性模量

图1为顺帘纹方向不同浓度浆糊托裱后的试件拉伸应力应变曲线。坐标X轴为试件的应变，Y轴为所受应力。取弹性变形阶段，斜率为弹性模量。经过拟合求得各浓度试件弹性模量的平均值如表1所示，经过托裱后的试件，弹性模量并不是随着浆糊浓度的增大而增大。其在50%的时候达到最大，在100%和10%的时候相对较小，单层纸张的弹性模量最小。

图1 不同浓度浆糊托裱试件顺帘纹方向拉伸应力应变图

垂直帘纹方向的拉伸情况，如图2所示。表1中同样为浆糊浓度50%时托裱后的试件弹性模量最大，拉伸性能相对最好，而在100%和10%的时候相对较小，单层纸张弹性模量最小。

图2 不同浓度浆糊托裱试件垂直帘纹方向拉伸应力应变图

表1 不同浓度浆糊托裱后的试件弹性模量

弹性模量是物体本身的一种固有属性，是表征物体对抗弹性变形的能力。装裱工艺将单层纸张利用浆糊粘接为双层结构主要为提高书画作品的机械性能。同一批宣纸在不同浓度浆糊托裱后拉伸性能差别较大，原因为两层纸之间结合力的不同。经过托裱处理后的两层纸张之间由胶层相连接，在拉伸过程中胶接层受剪切应力作用。浆糊作为一种淀粉胶黏剂对纸张的粘合作用主要通过分子间形成的氢键实现。淀粉与纸张纤维中都含有大量羟基，当两者之间的距离充分接近，距离小于0.255～0.275nm时，便可形成氢键(8)王致禄、陈道义、钟云杰《聚合物胶合剂》，上海:上海科学技术出版社，1988年，第20-57页。。浆糊与水以适当比例混合时，淀粉和纸张纤维中羟基充分接触形成氢键，胶层抗剪切能力有所提升。浆糊浓度偏高时，胶层内部缺陷迅速增加，引起胶层内聚强度下降，抗剪性能下降。此外胶层越厚，胶粘剂在固化时产生的收缩应力也越大，也造成胶层强度损失，使得纸张抗拉强度下降(9)杨玉昆、廖增琨、余云照、卢凤才《合成胶粘剂》，北京：科学出版社，1980年，第115-130页。。当浆糊与水比例过小时，淀粉含量过低，形成氢键数量下降，胶层强度下降。

如表2所示，将不同浓度托裱后的三组样品均布取点测量其厚度。当所用浆糊浓度为50%时，托裱后的两层试件厚度最小且弹性模量越大，而10%浓度和100%浓度下托裱后的试件相对较厚。其现象与已有研究相符。

表2 不同浓度浆糊托裱后纸张厚度

(二)泊松比

DIC设备同时可以对试件拉伸过程中垂直拉伸方向的应变进行测量，由此计算得出相应拉伸方向上的泊松比。将顺帘纹和垂直帘纹两个拉伸方向应变数据进行拟合得到图3和图4，横坐标为拉伸方向应变，纵坐标为垂直拉伸方向应变。弹性阶段曲线斜率的绝对值便为拉伸方向的泊松比。整理后得表3即两个拉伸方向的泊松比。

图3 顺帘纹方向不同浓度浆糊托裱试件后泊松比

图4 垂直帘纹方向不同浓度浆糊托裱画芯后泊松比

表3 不同浓度浆糊托裱后试件泊松比

由表中数据可以看出，当拉伸方向为沿顺帘纹方向，浆糊浓度为50%时泊松比相对最大，而浓度为100%和10%的时候泊松比相对较小。当拉伸方向为沿垂直帘纹方向，泊松比在浆糊浓度为50%时最小，100%和10%的时候泊松比相对较大。相互垂直的两个方向上，泊松比呈现出相反的变化趋势，不同浓度下，沿垂直帘纹方向的泊松比均大于顺帘纹方向泊松比。

泊松比反映的为在单向拉伸的情况下，垂直应力方向形变与沿应力方向形变的关系。在拉伸过程中，拉伸截面的变小会造成应力集中从而对画芯造成破坏。在同样拉伸长度下，泊松比越小，其垂直于拉伸方向的形变相对越小，截面变形也相对越小，抗拉性能相对越高。立轴装裱的书画泊松比越小，在展示中受拉后的弹性阶段中画面变形越小，对画面造成的损坏越小。

托裱后的纸张，在满足较好的抗拉性能，即较大的弹性模量的基础上，因当尽量选择泊松比相对较小的托裱方式，这样即满足了较好的抗拉性能，又能保证画面较小的变形。

同一浓度浆糊托裱后的样品在横纵向拉伸性能差异的原因，与抄纸后纤维排列方向有关。根据相关研究纸张的抗拉性能与纸张纤维的排列方向有关，纤维自身强度要远大于纤维之间的键接强度(10)胡开堂《纸页的结构与性能》，北京：中国轻工业出版社，2006年，第53-60页。。在宣纸抄纸的过程中，纸浆在重力的作用下的沿垂直帘纹方向流动，因此在该方向上纵向排列的纤维较多(11)Han YH ,Enomae T , Isogai A , et al. Traditional Papermaking Techniques revealed by Fibre Orientation in Historical Papers. Studies in Conservation, 2006, 51(4)，pp.267-276.，空白对照组也显示出了在两个不同方向上拉伸情况的不同。经过托裱后的纸张样品在结构上为一种复合材料，抗拉强度的提高是纸张在胶层的作用下在原基础上实现的，因此在不同方向上，托裱后的纸张样品具有不一样的拉伸性能。

四、结论

本研究针对材料较为脆弱的装裱作品，利用非接触全场测量方法，研究了不同浓度浆糊托裱后的画芯在不同帘纹方向上的拉伸性能，实验数据表明浆糊浓度并非越大，托裱后的画芯机械性能越好，在浆糊与水体积比为1∶1时纸张的弹性模量最大。在垂直帘纹方向，用50%浓度浆糊托裱后的画芯，其弹性模量最大，且泊松比也为同方向下最小，抗拉性能最好。用浆糊托裱后纸张在弹性范围内，其相互垂直的两个方向弹性模量与泊松比不同，垂直于帘纹方向的弹性模量和泊松比均大于顺帘纹方向。敦煌学近年来不断走进大众视野，与之相关的展览也越来越受到观众追捧。除却实体洞窟外，各类临摹创作的艺术品，例如张大千在敦煌期间临摹创作的绘画品等，也是组成众多敦煌艺术文物的一部分。对于这些立轴类书画，在托裱过程中，应当使得纸张帘纹方向垂直于悬挂受力方向。通过该实验，在今后书画装裱过程中，对浆糊浓度的使用有了初步的指导范围，一定程度上实现了将传统工艺科学化，将经验性的指标进行定量。可以使托裱的书画在悬挂展示过程中，有更好的拉伸性能，在展示及挂取过程中意外受拉时，造成较小的损坏，从而对文物起到保护作用。