改性陶瓷环保胶粘剂在陶瓷类文物修复中的应用

张 媛

（铜川职业技术学院 建筑与材料工程学院、耀州窑陶瓷艺术学院，陕西 铜川 727000）

引言

陶瓷类文物是中华文化的瑰宝，它记录了历史的盛衰，对研究历史及文化发展具有重要的价值，因此许多专业人员进行了陶瓷类文物修复方法的研究，其中采用胶粘剂修复陶瓷类文物已被广泛应用[1～2]。但由于陶瓷材料具有高刚性、低韧性等特点，其在粘结修护过程中有一定难度，因此研究陶瓷材料的粘接工艺具有十分重要的意义。粘合是一种利用合适的胶粘剂，通过合适的粘接方式、合适的粘接工艺，将两种或多种不同形状、尺寸、厚度和硬度的材质结合在一起，形成一个连续、牢固、稳定的整体[3]。但因某些胶粘工艺还需要在一个真空压力箱和特殊的工具夹具中进行固定成形，因此粘接技术在陶瓷修复中的应用受到了一定的限制。为此研究了一种改性环保型陶瓷胶粘剂，并对其在陶瓷类文物修复中的应用进行分析。

1 环保型改性陶瓷胶粘剂制备

1.1 实验原料与仪器

实验中采用的原料与仪器[4]如表1 和表2 所示：

1.2 环保改性陶瓷胶粘剂的制备

环保型改性陶瓷胶粘剂制作流程[5～6]具体过程如下：

（1）称取苯酚放入烧杯中，加入去离子水，加入比例为苯酚的3～5 倍，在30℃下搅拌均匀，得到苯酚溶液，置于超声波仪器中，温度设定为30～50℃，超声处理0.5 h 左右，静置15min 后将1.6 份乳化剂、丙烯酸和长链烷基醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯按顺序加入到烧杯[7]中，经过1 h 的机械搅拌，加入质量百分比5%左右的丙烯酸，搅拌均匀后再用超声波对其进行0.5h 的处理，制成了一种均匀的预胶试样；

（2）试样在凝固后放入马弗炉内，加热速度为10℃/min，加热至预定温度保持0.5h 之后，凉至室温，获得陶瓷胶粘剂。

1.3 环保型改性陶瓷胶粘剂的测试与表征

本文中使用扫描电镜(SEM)分析，首先用线切割机对胶片进行粘合，再用砂纸打磨、抛光、离子溅射、真空喷涂，再用扫描电镜进行了显微观察[8]。

2 制备的环保型改性陶瓷胶粘剂在陶瓷修复中的应用效果分析

2.1 粘合程序

为测试制备的环保型改性陶瓷胶粘剂在陶瓷修复中的应用效果，采用的主要粘合程序如下：

首先，抛光陶瓷的表面，以确保在粘合时不会有任何的杂质进入。再将所制得的胶粘剂用毛刷均匀地涂敷于待粘材料的表面，再对粘合界面施以压力，使其在100℃下凝固2h，使得被胶粘剂涂敷的位置能够紧密结合。

2.2 胶粘剂陶瓷修复应用效果分析方法

胶粘剂的流动状况是影响陶瓷修复的重要因素，适当的黏度不仅能增加陶瓷颗粒的固相，而且能使瓷器修复处更为平整，减少陶瓷修复痕迹的产生，由于陶瓷修复的复杂性，使其要求胶粘剂是一种具有剪切稀薄性质的非牛顿假塑性液体，其黏度随着剪切应力的增加而降低[9～10]。这是由于修复成形时，用刮板来控制胶膜的厚度。在经过刮板之后，由于外力的作用可以使瓷器胶粘剂的黏度提高，还可以避免粉末颗粒的沉淀，确保修复效果。陶瓷胶粘剂剪切黏度测试方法如下：

上述公式中，t 代表时间，F 代表计算截面上所受的剪力，A 计算截面面积，F/A 代表剪切应力，以τ表示，du/dr 代表剪切速率，以r＇表示。

同样，环保型陶瓷胶粘剂相对黏度测试方法如下：

上述公式中，ηf代表同温度下溶剂的动力黏度，η 代表陶瓷修复适宜的动力黏度。

ηr越小，则代表瓷粉的黏度越好，膜片的密度得到提高。

所以，在分析制备的环保型陶瓷胶粘剂在陶瓷修复过程中的使用效果时，必须对其黏度、黏度曲线进行测量，否则，不仅浆料在球磨结束后会出现固液分离现象，还会使流延不能进行[11～12]。

同时，分析吸附作用，所谓的“吸附”，就是把粘合的效果归因于被粘物体与胶粘剂之间的力，需要在被粘物体的表面上保持较好的湿润，从而使其表面张力小于被粘物体的表面张力。在将胶粘剂充分浸透陶瓷表面后，其界面的两边都是胶粘剂和被粘瓷质，这时，该界面在力学上达到了热平衡[13～15]，其平衡状态如下：

上述公式中，γsg、γsl分别代表陶瓷表明张力与胶粘剂表面张力，γlg代表胶粘剂与陶瓷界面之间的张力参数。

通过该计算能够得到好的湿润条件，保证胶粘剂的表面张力低于所述被粘合的表面张力。

以上为制备的环保胶在陶瓷修复中的应用效果测试方法的分析，得到测试结果如下所示。

2.3 测试结果分析

2.3.1 粘合固化时间测试

胶粘剂在粘接过程中随着固化时间的延长，粘合强度会普遍增加，但在陶瓷粘合修复过程中对固化时间也存在一定限度。对于陶瓷胶粘剂在较短的时间内达到最大的剪切强度可以证明其粘合效果。为此，对其达到最大剪切强度的时间进行测试分析，得到该胶粘剂的剪切强度与粘合固化时间之间的关系如下：

如图1 所示，随着固化时间的增加，其剪切强度也随之增加，在2.5 h 后，最大抗剪强度为35 MPa左右。其后随着时间的延长，接头的抗剪强度也没有明显地提高，表明在2.5 h 的固化期间胶粘剂已经基本固化，可以在较短的时间内实现抗剪强度的最大化，效果较好。为进一步分析，对接头显微组织形态进行观察，观察结果如下：

由图2 可以看出，在2.5 h 后，利用本文制备的胶粘剂修复陶瓷接头的接合性能是很好的。

2.3.2 粘合固化温度测试

温度对粘合固化反应的影响很大，它不但决定了粘合固化反应的结束，还影响着粘合固化进程的速度和最后的胶粘剂的性质。每种胶粘剂的固化温度都是固定的，适当升高温度可以加快粘合固化速度。在高温下，要对温度进行严格控制，温度不宜过高，否则会造成固化过度，使胶层发生碳化和脆化，影响粘合效果。为保证陶瓷修复质量，需要使胶粘剂在100℃以下的固化温度内的剪切强度达到最大，为测试所制备的胶粘剂是否符合要求，分析了不同温度下剪切强度的变化情况。

结果表明：在高温下剪切强度随温度的升高而增大，至90℃时其剪切强度为35 MPa 左右，达到最高值，之后随着温度的持续上升，其抗剪强度没有明显增大，反而轻微地下降。这是因为在100℃以上胶层中存在大量的孔隙会降低剪切强度。但以上结果已经证明制备的胶粘剂能够在较小的固化温度下使陶瓷的剪切强度达到最佳，效果较好。

2.3.3 固化剂含量测试

在胶粘剂中适当地增加固化剂用量可以使其胶结强度得到明显改善。制备中如果固化剂的用量不够，会导致胶层黏度增加使机械性能下降，但固化剂的加入量过多又会导致胶层的脆性增大。所以，对固化剂的用量进行适当地控制是非常重要的。为此，本文将固化剂的用量分别设置为10%、15%、20%、25%、30%、35%，得到剪切强度和固化剂用量的变化规律如图4 所示。

由图4 可知，在20%～25%的固化剂中，其抗剪强度可达30～35 MPa，表明25%的固化剂用量是适宜的，具有较好的剪切强度。

2.3.4 粘合固化压力测试

最后，大部分胶粘剂能在一定的接触压力下形成很好的接缝，同时，由于压力的存在会导致胶粘剂产生较高的粘接性，不适当的压力会将胶粘剂从接缝中挤出来，造成接缝部位出现空隙等缺陷，使得接缝强度下降。为此进行固化压力的影响测试。

由图5 可知，在固化压力为7MPa 左右时可以达到很好的粘合效果，此时剪切强度可达到43 MPa，而在固定压力增加后，则易导致剪切强度下降。为此，将本文制备胶粘剂应用到陶瓷修复过程中时，需要将粘合固化压力设置在7 MPa 左右。

3 结果讨论

本文对环保型改性陶瓷胶粘剂在陶瓷类文物修复中的应用进行研究，基于上述过程完成环保型改性陶瓷胶粘剂在陶瓷类文物修复中的应用分析，确定了测试方法和内容，在粘合过程中，需要对陶瓷进行表面处理，砂纸抛光可以达到良好的粘合效果。通过测试分析可知，所制备的环保型改性陶瓷胶粘剂能够在约定的固化时间、固化温度下完成陶瓷的修复，且该胶粘剂中选择固化剂的用量较为合理，能够保证剪切强度达到最佳。为保证陶瓷修复效果，需要在7 MPa 左右的接触压力条件下进行陶瓷的粘合，以此能够有效提高陶瓷类文物的修复效果。

4 结论

为提高陶瓷类文物修复效果，本文对环保型改性陶瓷粘合剂在陶瓷类文物修复中的应用进行研究。制备了环保型改性陶瓷胶粘剂，在利用扫描电镜对其进行测试，设计了胶粘剂黏度和剪切强度测试方法。测试结果表明，本文制备的环保型改性陶瓷胶粘剂效果较好。然而由于研究能力有限，所提出的方法还有改进的空间，为此在后续研究中还需要进一步优化，以期为提高陶瓷类文物修复效果提供一定帮助。