基于定量及厚度的宣纸质量稳定性研究

尤 迪, 解明思, 韩 宾, 施继龙

(1. 北京印刷学院,北京 102600;2. 中国科学院大学,北京 100049)

宣纸是中国造纸业的骄傲,因其质地柔软坚韧、洁白平整、细腻匀滑、耐久且不变形、书写性能优越而著称。 宣纸原料为安徽泾县及其周边地区的沙田稻草和2-3 年青檀皮,根据原料不同配比,宣纸可分为棉料(檀皮含量为40%-60%)、净皮(檀皮含量为60%-80%)和特净皮(檀皮含量为80%以上)三类。 科技发展过程中,机械手段逐渐替代手工操作参与到手工纸制作。 宣纸则是在严密技术监控下,经特殊传统工艺配方制成,保留了传统工艺制作过程,主要包括选料、制浆、配料和制纸四大部分。 独特的原料及高要求的工艺共同成就了宣纸优良的耐久性、不易变形性、润墨性及抗虫性,使宣纸成为纸质文物修复、保护用纸的首选,因此,宣纸也一直是文物保护领域的研究重点。 以宣纸为关键词在中国知网文献数据库搜索文献,时间段设置为近10 年,共得到3212 篇文献。 在所得文献中,采用度数中心性分析方法,分别对高频关键词进行共现分析,探测各自的中心性及其在研究中的重要性。 节点图形越大,则表示节点关键词的中心度越高,表明该部分是研究内容的热点,所得结果如图1 所示。 由图1 可知, “手工纸” 位于网络的中心位置,即中心度最大,与之密切相连的有 “宣纸” “xuanpaper” “青檀皮” “手工造纸” 等节点,它们交错相连。 进一步分析可得出,目前针对宣纸的研究大致分为以下几类:(1)宣纸与其他类型手工纸的对比研究:黄怡凡等人对比研究了现代夹江书画纸与宣纸的性能区别[1],龙堃等人研究了紫外光对不同纸张性能的影响[2];(2)针对宣纸中微观物质的研究:刘仁庆探讨了结晶CaCO3及无定形SiO2对宣纸润墨性的影响[3];(3)针对宣纸基本性能的研究:徐文娟、龚德才等人探讨了影响宣纸形变的因素及宣纸形变的影响[4-6],高玲玲、王辉等人探讨了不同原料配比对宣纸各项性能的影响[7-8],除此之外高玲玲等人还分析了不同打浆度下宣纸原料纤维形态对成纸物理性能和润墨性的影响[9],李安玲等人探讨了不同熟度宣纸的摩擦性能与其纤维粗细及紧密性的关系[10]。 张诺等人分析了不同类别宣纸的理化性能及耐久性,指出了研究对象中性能最优越的一款纸[11],值得一提的是闵海霞等人选用了与张诺等人相同的样品与检测手段,却得出了和张诺等人不同的结果[12];(4)针对宣纸原料的研究:刘慧君等人研究了不同种群青檀皮与环境因子的关系[13],高慧等人探讨了青檀皮的化学组成及其细胞壁结构[14]。

图1 宣纸、手工纸高频关键词共现网络图

综上可见,目前针对宣纸的研究数量多、内容广泛,然而这些研究中大多默认宣纸样品本身质量为稳定的,通过随机选取样品进行进一步实验,对宣纸本身的质量稳定性不够重视。 目前已有研究开始指出手工纸本身是不均匀的[15-17],但针对宣纸质量稳定性的研究仍然较少。 虽然宣纸标准中对不同种类的宣纸质量进行了一定程度的规定,但宣纸制作依赖手工,能否达到出品要求很大程度上依赖造纸师傅的经验,缺乏规范化、标准化的质量稳定性体系,这也导致有研究出现选用同样的宣纸样品与方法,最后实验结果却不一致的情况。 因此评价宣纸质量稳定性对于宣纸的进一步研究是有必要的。 本文以市售完整一刀红星四尺净皮单宣为样品,测定分析其单张样品及样品内部的定量、厚度及紧度,初探宣纸生产的质量稳定性,为进一步研究宣纸生产质量稳定性奠定科学基础。

1 宣纸性能分析

1.1 实验材料

本实验样品为市场购买的一刀净皮四尺单宣(定量32.98g/m2,白度72.5%),共一百张,产自红星宣纸有限公司,产于2020 年,将单张宣纸依次进行编号,编号为S1-S100。

1.2 实验方法

本实验测试条件以GB/T10739—2002《纸、纸板和纸浆试样处理和试验的标准大气条件》中测试条件为参照条件。 根据GB/T451.2—2002《纸和纸板定量的测定》采用电子天平测定样品定量;根据GB/T451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》采用YQ-Z-11型高精度电动厚度测定仪测定样品厚度并根据其中相应公式计算得到样品紧度。 全部样品的定量与厚度测试结束后,对二者变化幅度最大的5 个样品及随机取样的10 个样品进行二次取样。 取样区域如图2 所示,样品一次取样区域为样品右侧,二次取样区域为样品的中部和左侧。 采用GraphPadPrism9 软件对样品定量、厚度及紧度数据进行显著性差异分析(P＜0.05 为差异显著,P＞0.05 为差异不显著)。

图2 样品取样分布图

2 实验结果

2.1 宣纸定量

定量表示单位面积纸的质量,定量差代表定量波动,能够反映纸张匀度[11]。

图3(a)为全部样品定量值及变化幅度,其中S80 的定量均值最大,为38.62g/m2,S4 的定量均值最小,为28.24g/m2。 全部定量均值为32.41g/m2,与宣纸产品卡提供的定量为32.98g/m2有所出入但差距较小。 将全部样品定量进行显著性差异分析结果表明有显著性差异(P＜0.05)。

图3 样品定量值

从定量变化幅度来看,变化幅度最大的5 个样品由大到小排列依次为 S80、S78、S82、S81 与 S79。为进一步观察比较样品间定量变化幅度,除将定量变化幅度最大的5 个样品进行二次取样并进行定量测定外,在全部样品中另随机选取S8、S12、S13、S36、S40、S42、S45、S63、S66、S96(以下简称为随机取样的10 个样品)进行二次取样并进行定量测定。 两次取样所得综合结果如图3(b)所示,在15个样品中,S79 的定量最大,为36.43g/m2,S45 定量最小,为30.62g/m2。 将 15 个样品定量值进行显著性差异分析,结果表明有显著性差异(P ＜0.05)。 图3(c)为定量变化幅度最大的5 个样品与随机取样的10 个样品的内部定量值,将各样品内部不同取样区域进行显著性差异分析,结果表明除S40 内部有显著性差异(P＜0.05)外,其余样品内部各取样区域无显著性差异。

综上可得,从定量角度看,样品间与样品内部的定量值均存在显著性差异,这可能有两个原因。一是宣纸在抄纸时对工人的 “拍浪” 力度及工人间的默契程度要求高。 宣纸抄纸的关键技术手法主要有两点,一是 “拍浪” ,二是 “荡帘” 。 “拍浪” 即抄纸时在纸浆中上下震荡纸帘,纸浆上下翻动时迅速迎浪头下帘的,其目的是消除纸浆内浓度差异,抄出高均匀度的纸张[12]。 宣纸抄纸时,采用二人共同操作的模式,解决了纸幅过大,一人无法完成的问题,但同时也提高了宣纸质量稳定的难度。 抄纸工人每次 “拍浪” 的力度,工人间的默契程度等都会影响纸浆匀度。 二是抄纸时中途加入纸料影响了纸浆浓度。 抄纸工人大概每抄120 张便向纸槽内剩余纸浆中加纸料,纸料及纸药的浓度一般由造纸工人根据当时气候温度决定,主观性较强,加料前后纸浆均匀程度相似性难以保证。

2.2 宣纸厚度

图4(a)为全部样品厚度值及变化幅度,其中S79 的厚度均值最大,为 85.01μm,S58 的厚度均值最 小, 为 103.07μm。 全 部 的 厚 度 均 值 为92.67μm。 将全部样品厚度值进行显著性分析结果表明有显著性差异(P＜0.05)。

从厚度变化幅度,厚度变化幅度最大的5 个样品由高到低排列依次为样品 S47、S58、S1、S98 与S5。 值得一提的是定量变化幅度最大的五个样品并不同于厚度变化幅度最大的五个样品。 为进一步观察比较样品间厚度变化幅度,将厚度变化幅度最大的5 个样品与随机取样的10 个样品进行二次取样并进行厚度测定。 两次取样所得综合结果如图4(b)所示,在15 个样品中,S88 的厚度最大,均值为 96.69μm,S5 的厚度最小,均值为 86.59μm。将15 个样品厚度值进行显著性差异分析,结果表明有显著性差异(P＜0.05)。

图4(c)为厚度变化幅度最大的5 个样品与随机取样的10 个样品内部厚度值,将样品内部各取样区域进行显著性分析,结果表明S88、S1、S5、S40内部有显著性差异(P＜0.05),其余样品内部各取样区域无显著性差异。

图4 样品厚度值

综上可得,从厚度角度看,样品间与样品内部的厚度值存在显著性差异。 这可能是与抄纸时工人 “荡帘” 手法及工人间的默契程度有关。 “荡帘” 是抄纸工序的关键步骤之一,是用来控制纸张厚薄的手法,工人间不同熟练程度及契合度均会影响 “荡帘” 的轻重进而影响纸张厚薄。 另外,全部样品中定量变化幅度最大的五个样品不同于厚度变化幅度最大的五个样品可能是由于二者测试方式不同。 本文中定量检测是将裁剪成10cm×10cm 的样品进行称重,仅进行一次取样的样品重复检测5次,进行二次取样的样品共重复检测15 次;而厚度检测则是用厚度仪以点压的方式进行测量,仅进行一次取样的样品重复测量20 次,进行二次取样的样品共重复检测60 次。 前者从面的角度出发,面内纸浆均匀程度的影响被缩小,后者则以纸内单点的角度出发,纸浆均匀程度的影响被放大。

2.3 紧度

紧度为定量与厚度的比值,指单位体积内纸的质量,相当于 “密度” 的概念,可以预测纸张机械强度的变化[19]。 全部样品紧度结果如图5(a)所示,相较于机制纸紧度标准,全部样品紧度整体偏低,这是定量小厚度大所致。 这表明宣纸纤维间孔隙较多,这些孔隙可以看作是一个个微毛细血管,毛细管具有强烈的吸液性,使得宣纸润墨性好[14]。另外,孔隙较多有利于宣纸的形稳定性。 如果纸张纤维间存在较大孔隙度,单根纤维变化可以被空隙吸收,则纸张变形就比较小[4]。 各样品间紧度均值差异不大,其中S80 的紧度均值最大,为0.42g/m3,S30、S4 的紧度均值最小,为 0.32g/m3。 全部紧度均值为0.35g/m3,将其进行显著性差异分析得到各样品间紧度无显著性差异(P＞0.05)。

从紧度变化幅度来看,变化幅度最大的5 个样品由高到低依次排列为样品 S81、S78、S47、S73、S82。 其中 S78、S81、S82 也属定量变化幅度最大的5 个样品之列,S47 则在厚度变化幅度最大的5 个样品之列。 图5(b)为随机取样的10 个样品一次取样与二次取样的紧度综合结果,其中S36、S40 的均值为0.36g/m3,其余紧度均值为0.35g/m3。 将其进行显著性分析结果表明无显著性差异(P ＞0.05)。 图5(c)为随机取样的10 个样品内部紧度值,将样品内部各取样区域间及不同样品间取样区域进行显著性分析,结果表明无显著性差异(P ＞0.05)。

图5 样品紧度值

综上可得,样品紧度虽偏低,但全部样品间、随机取样样品间、样品内部与各样品内部间无显著性差异,这表明样品纤维交织均匀。 值得一提的是紧度虽为定量与厚度的比值,且样品定量与厚度存在显著性差异,但紧度并未因此存在显著性差异。 这可能是因为定量单位为g/m2,厚度单位为μm,而紧度作为定量与厚度的比值,单位为g/m3,计算紧度过程中定量与厚度的影响被缩小。

3 结论与展望

本文分别从定量、厚度及紧度三个方面对市售一刀净皮四尺单宣宣纸样品进行了质量稳定性分析,分析结果表明:(1)全部样品及样品间定量变化幅度均超过国家标准变化幅度,且样品间与样品内部不同取样区域的定量与厚度值存在均显著性差异,这表明样品间与样品内部质量不稳定;(2)全部样品及样品间紧度变化幅度均超过国家标准变化幅度,但样品间与样品内部不同取样区域的紧度值间并未存在显著性差异,紧度稳定性强于宣纸样品的定量与厚度稳定性。 (3)宣纸样品定量与厚度不稳定,这可能是抄纸时工人间熟练程度及默契程度不一致及抄纸中途加入纸料导致纸浆浓度或均匀度前后不一致所造成的。 值得一提的是定量变化幅度最大的5 个样品并不同于厚度变化幅度最大的5 个样品,这可能是因为二者测试方式不同。 紧度虽为定量与厚度的比值且二者均存在显著性差异,但样品紧度数据未发现显著性差异,这可能是因为计算紧度时定量与厚度的差异影响被缩小。 另外样品紧度偏低,表明样品润墨性及形稳性好。

综上可得,市售宣纸成品指标与相关标准有所出入,这可能是由于制作工艺限制等原因,样品个体间、同一样品内部的质量品质均存在差异。 在应用宣纸进行文物修复或相关研究时,应将宣纸本身质量的不均匀性纳入考虑范围。 另外,本文的不足之处在于仅对样品进行了一般性能的测试并对其数据进行显著性差异分析,未深入探讨样品的内部结构及组分对宣纸质量的影响,后续应跟进样品其他指标的研究并探索样品微观结构与基本性能间的关系,以更全面的指标判断宣纸质量稳定性。