水彩画纸吸收性评价方法的建立

2022-07-22石立明毛宗久

中国造纸 2022年6期

石立明李政万莹杜齐刘文杨扬毛宗久

（1.保定市华融纸厂，河北保定，071000；2.中国制浆造纸研究院有限公司，北京，100102；3.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102）

绘画用纸可分为中国画用纸和西洋画用纸两大类，其中中国画用纸包括宣纸、夹江纸等；西洋画用纸包括素描纸、水彩画纸、版画纸等[1]。水彩画纸是专门供美术界（及有关专业院校）用来绘制水彩画的一种纸张[2]。根据水彩画家描述、水彩画技法和作画需求的要求，水彩画纸需具有合适的吸收性、耐擦性、伸缩性、耐久性、色彩还原性、耐水洗性等特性。其中合适的吸收性主要是由于水彩画创作是在有大量水存在的情况下进行，水彩画的各种技法都离不开水的扩散和渗透，太易吸水的纸张和吸水性太差的纸张都不能进行水彩画的创作。因此水彩画纸的吸收性是影响水彩画各种作画技法的关键指标，也是判断水彩画纸优劣的一项重要指标。

但水彩画纸吸收性的判定多依赖于画家的主观感受，单一的吸收性检测方法较难综合评测水彩画纸的吸收性，这对水彩画纸的研发和生产产生了不利的影响。专利JP1996-188313[3]中介绍了一种评价水彩画纸吸收性的方法，将水彩颜料和水按照质量比1∶1 混合，用水彩画笔蘸取配置的水彩颜料涂于纸面，从水分接触纸面开始计时，水分全部吸收时停止计时，以时间评价吸收性的差异。经测试发现，这种方法操作起来误差很大，很难准确区分不同样品之间的差异。

目前，用于测量纸张吸收性的仪器和方法很多，每种方法都有各自的特点和适用范围，如表1所示。

表1 造纸工业中常用的纸张吸收性检测方法Table 1 Absorption testing methods commonly used in papermaking industry

本研究选取了6 种国内外不同品牌的水彩画纸，采用7种不同的吸收性检测方法对样品进行检测，通过研究不同吸收性检测方法的测试结果，并综合分析每个样品的绘画性能差异，进而制定了一套适用于全面判定水彩画纸吸收性的检测方法。

1 实验

1.1 实验原料

水彩颜料：群青（660）、深镉红（098）、柠檬黄（346），歌文水彩颜料，温莎&牛顿。

其他绘画用具：平头水彩画笔（宽6.36 mm，Skyists202系列），阿拉伯树胶（天马美术颜料有限公司），绘图铅笔（8900HB，北京铅笔厂），绘图橡皮（4B/100A，韩国花郎）。

墨水划线法原料：标准墨水，直线笔（鸭嘴笔），施胶度标准图片，施胶度墨水渗透扩散比较板，放大镜（带有刻度，放大倍数为10 倍，测量距离的刻度分度为0.05 mm），定性滤纸。

液体渗透法原料：1%三氯化铁溶液（1.0 g 分析纯三氯化铁溶解于水中，稀释至100 mL），2%硫氰酸铵溶液（2.0 g 分析纯硫氰酸铵溶解于水中，稀释至100 mL），滴瓶（滴管倾斜45°时，每滴液量为0.06 mL），培养皿，秒表。

表面吸收度法原料：框架（能置于水平或与平面呈30°角），滴定管（容量为25 mL，以23℃蒸馏水校对时，每20滴的容积为1 mL），蒸馏水，秒表。

水彩画纸：国内外6 种水彩画纸（基本信息如表2所示）。

表2 国内外水彩画纸基本信息Table 2 Basic information of watercolor paper at home and abroad

1.2 实验设备

主要实验仪器见表3所示。

表3 用于测试吸收性的主要实验项目及所用仪器Table 3 Main experimental items and instruments for adsorption test

1.3 实验方法

（1）墨水划线法

参照标准GB/T 460—2008方法A进行测定。

（2）液体渗透法

参照标准GB/T 460—2008方法B进行测定。

（3）纸和纸板表面吸收度法

参照标准GB/T 461.2—2002进行测定。

（4）可勃（Cobb）法

参照标准GB/T 1540—2002 纸和纸板吸水性的测定可勃（Cobb）法，分别测试不同试样的Cobb（60），Cobb（120）和Cobb（300）。

（5）赫克力士施胶度测试（HST）[4]

配置甲酸浓度为40%的基础油墨，参照TAPPI T 530 pm-07 标准进行测试。开机预热并校准后，设定反射率终值为90%。使用配置好的油墨进行测试，当反射率降至预先设定的数值时停止计时，当测试时间超过1600 s 时也会停止计时，然后绘制反射率-时间变化曲线图。

（6）接触角法

水彩颜料的载色剂为阿拉伯胶，本研究通过测试阿拉伯树胶溶液的接触角来表征水彩画纸纸面的润湿情况，具体的操作方法参照标准T 558 om-97。取2 g阿拉伯树胶溶液加水至20 g，在接触角测定仪上测量阿拉伯树胶溶液与样品纸面在接触时间分别为0、10、20、30 min时的接触角。在纸面干燥后，用扫描仪对纸面上的阿拉伯树胶进行扫描，使用Image-Pro Plus 图像处理软件计算阿拉伯胶在纸面上的扩散面积。

（7）动态渗透法

将试样切成70 mm×50 mm 规格，用专用胶带将试样粘在试样夹上，然后固定好试样夹。将测量槽中注入蒸馏水至指定位置处。打开测量程序，设定测试时间为20 min后进行测量。

2 结果与讨论

2.1 墨水划线法、液体渗透法和表面吸收度法分析

表4 为不同样品墨水划线法、液体渗透法和表面吸收度法吸收性测试结果。从表4可以看出，不同水彩画纸的施胶度均较高，具有较高的抗水性。其中墨水划线法和表面吸收度法不能区分出不同纸张吸收性的差异。从液体渗透法可以看出，5 号纸张渗透时间最短，这可能是其定量较低、纸张较薄的缘故；2 号和3号纸张液体渗透的时间较短，符合水彩画工作者的认识。但是测试过程中发现，三氯化铁溶液颜色的变化是由黄到红一个渐变的过程，因此很难准确判断出实验的终点，特别是1号纸张根本无法判断测试终点。由此可以看出以上3种方法均不适于评定水彩画纸的吸收性。

表4 不同样品墨水划线法、液体渗透法和表面吸收度法吸收性测试结果Table 4 Determination results of ink line method,liquid penetration method and surface absorbance towards different samples

2.2 赫克力士施胶度测试（HST）分析

HST 法是国外测试施胶度比较常用的1 种方法。测试时墨水被施加到测试纸样表面，通过光电元件记录纸张被墨水渗透时对面的反射率下降值，当反射率下降到一个预设的水平，自动计时器会停止计时并记录下测试时间。反射率终点的设定范围要在50%～80%之间，一般选用80%，反射率高于90%的设定通常用于研究。HST 使用中性萘酚绿B 作为基础油墨，使用一定比例的甲酸作为渗透加速剂，以加快渗透速度。纸张的施胶程度影响油墨的渗透速度，施胶度高，油墨渗透速度慢，测试时间越长，测量时间最好控制在30～600 s 之间[4]。根据纸张施胶度的不同，渗透加速剂的质量分数可选用1%、5%、20%、40%，但渗透加速剂所起到的加速速率与纸张所选用的施胶剂有关。Chen 等人[5]认为，甲酸渗透剂对渗透速率的影响与施胶剂和纤维的键接方式有关。甲酸渗透剂更容易破坏松香-铝施胶体系与纤维形成配位连接，而不易破坏AKD 与纤维形成的β-酯键连接，因此在HST 测试中使用甲酸作为渗透加速剂对AKD 施胶的纸张基本无效。

图1是当甲酸质量分数40%时的反射率随时间的变化曲线图。从图1 中可以看出，5 号纸的反射率随时间下降非常快，而其余样品当终点反射率设为90%时，测试时间均超过了1000 s。上文中提到当纸张使用松香-硫酸铝体系施胶时，添加甲酸会显著缩短测试的时间，而当使用AKD 施胶时，即使添加甲酸也不会对测试时间产生影响。如果改为甲酸质量分数为1%的基础油墨对5 号纸张进行测试，当终点反射率为90%时的测试时间也较长，因此可以推测5号纸张可能采用松香-硫酸铝体系进行施胶，而其余纸张可能采用AKD 施胶。图1 中的趋势表明1 号和2 号纸张的吸收性相对较好，这与画家们一般认为的2 号和3号吸水，1 号、4 号、5 号和6 号纸不吸水的观点有相悖之处。而且HST的测试时间应该控制在30～600 s之内较适宜，但所有样品的测试时间均过长，因此显然HST法不适宜测试水彩画纸的吸收性。

图1 HST反射率-时间曲线图Fig.1 HST reflectance-time curves

2.3 Cobb法分析

图2 为不同样品的Cobb 吸水值。由图2 可以看出，不同水彩画纸的施胶度均较高，Cobb（60）的值在（20±4）g/m2的范围内，随着测试时间的延长，Cobb 值可以粗略地区分各种水彩画纸吸收性的差异，即1、2、3 号吸收性较强，4、5、6 号吸收性较差。Cobb 法由于其操作简便，可用来粗略评定水彩纸的施胶程度，作为评定水彩画纸吸收性的方法之一，但由于其测量精度较差且不同样品之间数值差距较小，因此还需进一步探究精确测定水彩画纸吸收性的方法。

图2 不同样品的Cobb吸水值（误差棒±1）Fig.2 Cobb value of samples(error bar±1)

2.4 接触角法分析

接触角法在测量物体表面的润湿性能方面应用广泛。在一个理想的（洁净、平滑、均一和不可溶）平面，放一滴非挥发的纯净液滴，液体与表面之间力的平衡被确立。如果液体和固体之间的作用力大于分子之间的作用力，液体将自发地在固体表面扩展，称为润湿作用。如果这些作用力达到一种过渡的平衡，将形成一个平衡液滴，其形状由固液气三相交界处任意两相间的夹角所决定，通常规定在三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面之间的夹角为平衡接触角[6]。当接触角＜90°时，液体能够润湿固体表面；当接触角＞90°时，不发生润湿作用。当液滴形成一定接触角θ时，固体和液体的表面张力以及固体和液体间的界面张力之间的关系可由Young 方程来表示，见式（1）[7]。

式中，γ表示界面（表面）张力；s、l和sl分别指固体和液体及固液界面。

接触角可以用来衡量固液界面之间的润湿情况，主要受固体的表面能和粗糙度等因素影响[6]。阿拉伯胶是水彩颜料中的载色剂[8]，几乎能完全溶于冷水中，因此可以通过测量阿拉伯胶的接触角来表征作画时颜料在纸面的扩散情况。表5为水彩画纸的动态接触角及最终扩散面积。由表5可以看出，此方法能够区分出不同样品的差异。实验中可以观察到，1 滴阿拉伯胶胶液滴到不同样品的纸面上完全干燥大概需要50～60 min，样品的初始接触角都较大，这也证明了水彩画纸的施胶度较高，但干燥过程中不同样品接触角的变化趋势存在差异，阿拉伯胶液在2、3、4号纸面直至干燥都能保持较大的接触角不发生铺展，因此最终在纸面上扩散的面积也较小。扩散后阿拉伯胶在纸面也呈现不同的分布状态，阿拉伯胶能够较均匀地在2、3、4 号纸面覆盖一层，而在1 号和6 号纸面则较多地扩散到周围，这可能是造成绘画时产生笔痕和水印的原因。由此看出接触角法可以更精确地评价水分在纸张表面横向的扩散情况，可作为水彩画纸吸收性的评价方法之一。

表5 水彩画纸的动态接触角及最终扩散面积Table 5 Dynamic contact angle and final diffusion area of watercolor paper

2.5 动态渗透测定法分析

动态渗透的测试原理是利用超声波发射器发出1 MHz的低频超声波，超声波首先透过液体到达被检测试样，然后穿透试样并被部分吸收，之后继续穿过检测液体，最终到达超声波接收装置。因为超声波在不同物质中的透过或吸收是不同的，因此从液体与纸张接触瞬间开始，纸张孔隙中空气的压缩、排除，液体的渗透、吸收，纤维的润胀，H—H 键的断裂及纸张组分的破坏等都会引起超声波传播振幅的变化[9]。

图3 为水彩画纸的动态渗透曲线。从图3（b）可以看出，虽然样品Cobb（60）的值相近，但是动态渗透过程却差异较大，2、3 号纸张水分的渗透速率很快，而5、6 纸张水分的渗透速率较慢。图3（a）的渗透曲线此规律更明显，动态渗透的实验结果与画家作画时对纸张吸收性快慢的感受一致。因此采用动态渗透法能够很好地表征水彩画纸纵向水分渗透的快慢，可以作为评价水彩画纸吸收性的方法之一。

图3 水彩画纸的动态渗透曲线Fig.3 Dynamic permeability curves of watercolor paper

2.6 水彩画纸吸收性检测方法分析

分析以上的检测结果，水彩画纸的吸收性可通过Cobb 法、接触角法和动态渗透法综合评定，其中Cobb（60）可以粗略判断纸张施胶的程度，接触角法可以精确判断纸张表面横向水分的扩散情况，动态渗透法可以精确判断纸张纵向水分的渗透情况，即当纸张Cobb（60）值在（20±4）g/m2范围内时，水分在纸张表面横向扩散越慢越好，纵向渗透越快越好。因为水彩画纸的吸收性是影响各种绘画技法的关键性能，因此有必要精确区分不同纸张吸收性的差异。