龔德才 魏 岳,2 周昱君 龔鈺軒

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 科技史與科技考古系，安徽 合肥 230026；2.甘肅省博物館，甘肅 蘭州 730070；3.諸城市博物館，山東 濰坊 262200)

宣紙具有獨特的潤墨性，可使書畫作品墨韻清晰，層次分明。傳統(tǒng)書畫作品一般采用宣紙作為創(chuàng)作載體，以凸顯出中國美學(xué)的特征。宣紙本身輕薄柔軟，會導(dǎo)致畫面皺折不平，容易損壞。在墨汁膠質(zhì)作用下，紙張出現(xiàn)褶皺，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂和折痕，影響書畫的展示與保存。因此，一般采用書畫裝裱工藝對書畫進(jìn)行修復(fù)與保護。

裝裱工藝與我國傳統(tǒng)書畫藝術(shù)密不可分，是人們在長期的書畫藝術(shù)實踐過程中總結(jié)形成的審美性和技術(shù)性的統(tǒng)一和約定俗成的范式(1)劉明《書畫裝裱工藝的程序和技術(shù)》，《科技經(jīng)濟導(dǎo)刊》2015年第18期，第121-122頁。，出土于長沙戰(zhàn)國楚墓的《人物御龍帛畫》發(fā)現(xiàn)有類似掛軸的殘存物，表明裝裱工藝的雛形已經(jīng)出現(xiàn)。唐代張彥遠(yuǎn)所著的《歷代名畫記》中記載：“自晉代以來，裝背不佳，宋時范曄始能裝裱”，說明南朝宋時期宣城太守范曄已因善于裱畫而聞名，南北朝時期裝裱技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于書畫作品。唐代時期裝裱已經(jīng)傳入日本，宋代產(chǎn)生沿用至今的“宋宣和裝”，表明至此時，裝裱已是完成書畫作品不可分割的部分。(2)王丹波《談書畫裝裱的歷史與現(xiàn)實》，《吉林師范大學(xué)學(xué)報(社科版)》2007年第4期，第121-122頁。

在傳統(tǒng)裝裱過程中，托裱畫芯和上復(fù)背紙的過程多使用手工所制漿糊作為粘合劑，其優(yōu)點為原料獲取相對容易；作為粘合劑無毒無害，并且對畫芯外觀沒有影響，保留藝術(shù)作品的原始風(fēng)貌；漿糊托裱后的畫芯仍然可以揭取，在文物保護學(xué)的理念下為可逆材料。如何利用現(xiàn)代技術(shù)對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行量化，使得經(jīng)驗化的工藝標(biāo)準(zhǔn)化，是現(xiàn)階段文物保護研究方向之一。已有的研究多是針對裱糊所用材料本身性能的提升，如漿糊中添加納米ZnO改善其防霉性能，添加川椒等中藥成分起到抑菌作用等，(3)何偉俊、張金萍、陳瀟俐《傳統(tǒng)書畫裝裱修復(fù)工藝的科學(xué)化探討——以南京博物院為例》，《東南文化》2014年第2期，第25-30、127頁。但目前尚未有漿糊濃度對托裱后紙張拉伸性能的研究。裝裱立軸書畫往往是采取懸掛形式進(jìn)行展示，在掛取和展示期間，不可避免會受外力拖拽，還有收卷，因此通過裝裱對拉伸性能進(jìn)行改善可以提高書畫作品的保存和保護效果。托裱工藝對畫芯拉伸強度提升是保證其觀賞性的重要環(huán)節(jié)。在托裱過程中，對漿糊濃度的選擇往往是根據(jù)經(jīng)驗而定，漿糊的濃度對托裱后的畫芯拉伸性能影響尚不明確。本文使用不同濃度的漿糊托裱紙張，研究托裱后紙張的拉伸性能，揭示傳統(tǒng)工藝的科學(xué)內(nèi)涵，實現(xiàn)技術(shù)的不斷優(yōu)化與提升，將工匠的傳統(tǒng)經(jīng)驗上升為科學(xué)理論。(4)郭桂香《培育行業(yè)科學(xué)精神 提高科技創(chuàng)新能力——2010年全國文物科技工作會議綜述》，《中國文物科學(xué)研究》2011年第1期，第48-53頁。

一、實驗

(一)試驗材料與設(shè)備

實驗原料采用五星牌生宣紙，寶鼎牌精制小麥淀粉。實驗儀器選用島津AG-Xplus型電子萬能實驗機、Correlated solution,Inc.公司vic-3D非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)、杭州華翰造紙檢測儀器設(shè)備有限公司HH-HD3型紙張厚度測定儀。

(二)樣品制備與測量方法

采用傳統(tǒng)手工方法制作漿糊，按照常規(guī)比例以1∶5的比例將淀粉與水混合攪拌，并且加熱使溫度控制在70～80℃。持續(xù)攪拌約三十分鐘至淀粉成糊狀，其顏色由白色逐漸變暗為半透明凝膠狀時停止加熱。

將漿糊分為三組，分別為不加水、漿糊與水體積比1∶1、1∶9。將宣紙裁切為每張800×600mm，依次用三種濃度的漿糊用全濕托法粘合兩層宣紙并上墻繃干，使每兩張紙簾紋方向相同，并分組編號為1、2、3。待樣品完全干燥后揭取，選取宣紙中間部位，均布取點20處記錄厚度。每組濃度樣品依照順簾紋和垂直簾紋方向，分別裁切為180×40mm長條，每個方向五件樣品，分別編號為1-5，對每件樣品隨機取點三處測量其厚度。同時，選取同批次產(chǎn)品單層未處理宣紙設(shè)為第4組，以同樣方法裁切設(shè)置為對照組。

對于物體拉伸形變的測量一般有接觸法和非接觸法。托裱后的畫芯較為柔軟，厚度較薄，接觸式測量法所用的電阻應(yīng)變片和引伸計會對紙張的力學(xué)性能造成較大影響，且紙張強度遠(yuǎn)低于應(yīng)變片；同時由于實驗機的夾具在拉伸過程中與紙張會產(chǎn)生相對滑動，造成一定的誤差，因此接觸法不適用于對紙張的拉伸形變測量。數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC, Digital Image Correlation)是一種非接觸式全場變形測量技術(shù)，利用攝像機拍攝物體表面產(chǎn)生形變位移前后的散斑圖像，通過計算機轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度圖像，進(jìn)行相關(guān)性計算得到被測物體形變情況。(5)袁昊《基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的面內(nèi)位移測量的研究》，北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015年，第1-4頁。該方法具有光路簡單、對環(huán)境要求不高及全局測量等優(yōu)點，可作為光學(xué)引伸計對拉伸過程中的形變進(jìn)行測量。(6)賈佩星、崔春麗、宋展宏、侯雅寧、滕立軍、張曉川《散斑打印技術(shù)及其在紙彈性模量測試中的應(yīng)用》，《包裝工程》2018年第9期，第199-203頁。

數(shù)字圖像相關(guān)法需要對被測物體進(jìn)行表面散斑繪制，因此在裁剪好的紙條試件表面，用非接觸全場測量系統(tǒng)所配套的專用滾輪刷制散斑，然后置于試驗機夾具夾持，進(jìn)行試驗。拉伸實驗開始前對試件施加一定預(yù)應(yīng)力，將用于拍攝拉伸過程的相機系統(tǒng)置于萬能試驗機前，設(shè)定拍照間隔為300ms，萬能試驗機拉伸速度設(shè)定為10mm/min。實驗環(huán)境為相對濕度50±3%，溫度25±2℃。

二、實驗數(shù)據(jù)計算及分析

紙張是一種多相復(fù)雜且非均質(zhì)的高分子材料，在拉伸過程中在應(yīng)力增加的初始階段，應(yīng)力和應(yīng)變符合虎克定律，紙張此時表現(xiàn)具有彈性。在相對較短的時間內(nèi)，紙張不會出現(xiàn)蠕變性質(zhì)。(7)胡開堂《紙頁的結(jié)構(gòu)與性能》，北京：中國輕工業(yè)出版社，2006年，第46-51頁。

彈性模量的計算根據(jù)定義

E為彈性模量，σ為拉伸應(yīng)力，ε為應(yīng)變。

拉伸應(yīng)力σ根據(jù)定義可求得，

其中F為紙張所受拉力，為萬能試驗機的所施加荷載值；t為紙張厚度，通過使用紙張厚度儀測得；b為紙條寬度，均為40mm。

另外，根據(jù)泊松比定義

其中εx為垂直荷載方向應(yīng)變，εy為沿荷載方向應(yīng)變。

將三種濃度下托裱后的試件和單層紙張利用萬能試驗機進(jìn)行拉伸試驗，將DIC設(shè)備觀測所得數(shù)據(jù)通過Origin Pro軟件進(jìn)行曲線擬合，并計算得到彈性模量和泊松比的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

三、結(jié)果與討論

(一)彈性模量

圖1為順簾紋方向不同濃度漿糊托裱后的試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。坐標(biāo)X軸為試件的應(yīng)變，Y軸為所受應(yīng)力。取彈性變形階段，斜率為彈性模量。經(jīng)過擬合求得各濃度試件彈性模量的平均值如表1所示，經(jīng)過托裱后的試件，彈性模量并不是隨著漿糊濃度的增大而增大。其在50%的時候達(dá)到最大，在100%和10%的時候相對較小，單層紙張的彈性模量最小。

圖1 不同濃度漿糊托裱試件順簾紋方向拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

垂直簾紋方向的拉伸情況，如圖2所示。表1中同樣為漿糊濃度50%時托裱后的試件彈性模量最大，拉伸性能相對最好，而在100%和10%的時候相對較小，單層紙張彈性模量最小。

圖2 不同濃度漿糊托裱試件垂直簾紋方向拉伸應(yīng)力應(yīng)變圖

表1 不同濃度漿糊托裱后的試件彈性模量

彈性模量是物體本身的一種固有屬性，是表征物體對抗彈性變形的能力。裝裱工藝將單層紙張利用漿糊粘接為雙層結(jié)構(gòu)主要為提高書畫作品的機械性能。同一批宣紙在不同濃度漿糊托裱后拉伸性能差別較大，原因為兩層紙之間結(jié)合力的不同。經(jīng)過托裱處理后的兩層紙張之間由膠層相連接，在拉伸過程中膠接層受剪切應(yīng)力作用。漿糊作為一種淀粉膠黏劑對紙張的粘合作用主要通過分子間形成的氫鍵實現(xiàn)。淀粉與紙張纖維中都含有大量羥基，當(dāng)兩者之間的距離充分接近，距離小于0.255～0.275nm時，便可形成氫鍵(8)王致祿、陳道義、鐘云杰《聚合物膠合劑》，上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988年，第20-57頁。。漿糊與水以適當(dāng)比例混合時，淀粉和紙張纖維中羥基充分接觸形成氫鍵，膠層抗剪切能力有所提升。漿糊濃度偏高時，膠層內(nèi)部缺陷迅速增加，引起膠層內(nèi)聚強度下降，抗剪性能下降。此外膠層越厚，膠粘劑在固化時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也越大，也造成膠層強度損失，使得紙張抗拉強度下降(9)楊玉昆、廖增琨、余云照、盧鳳才《合成膠粘劑》，北京：科學(xué)出版社，1980年，第115-130頁。。當(dāng)漿糊與水比例過小時，淀粉含量過低，形成氫鍵數(shù)量下降，膠層強度下降。

如表2所示，將不同濃度托裱后的三組樣品均布取點測量其厚度。當(dāng)所用漿糊濃度為50%時，托裱后的兩層試件厚度最小且彈性模量越大，而10%濃度和100%濃度下托裱后的試件相對較厚。其現(xiàn)象與已有研究相符。

表2 不同濃度漿糊托裱后紙張厚度

(二)泊松比

DIC設(shè)備同時可以對試件拉伸過程中垂直拉伸方向的應(yīng)變進(jìn)行測量，由此計算得出相應(yīng)拉伸方向上的泊松比。將順簾紋和垂直簾紋兩個拉伸方向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖3和圖4，橫坐標(biāo)為拉伸方向應(yīng)變，縱坐標(biāo)為垂直拉伸方向應(yīng)變。彈性階段曲線斜率的絕對值便為拉伸方向的泊松比。整理后得表3即兩個拉伸方向的泊松比。

圖3 順簾紋方向不同濃度漿糊托裱試件后泊松比

圖4 垂直簾紋方向不同濃度漿糊托裱畫芯后泊松比

表3 不同濃度漿糊托裱后試件泊松比

由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)拉伸方向為沿順簾紋方向，漿糊濃度為50%時泊松比相對最大，而濃度為100%和10%的時候泊松比相對較小。當(dāng)拉伸方向為沿垂直簾紋方向，泊松比在漿糊濃度為50%時最小，100%和10%的時候泊松比相對較大。相互垂直的兩個方向上，泊松比呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，不同濃度下，沿垂直簾紋方向的泊松比均大于順簾紋方向泊松比。

泊松比反映的為在單向拉伸的情況下，垂直應(yīng)力方向形變與沿應(yīng)力方向形變的關(guān)系。在拉伸過程中，拉伸截面的變小會造成應(yīng)力集中從而對畫芯造成破壞。在同樣拉伸長度下，泊松比越小，其垂直于拉伸方向的形變相對越小，截面變形也相對越小，抗拉性能相對越高。立軸裝裱的書畫泊松比越小，在展示中受拉后的彈性階段中畫面變形越小，對畫面造成的損壞越小。

托裱后的紙張，在滿足較好的抗拉性能，即較大的彈性模量的基礎(chǔ)上，因當(dāng)盡量選擇泊松比相對較小的托裱方式，這樣即滿足了較好的抗拉性能，又能保證畫面較小的變形。

同一濃度漿糊托裱后的樣品在橫縱向拉伸性能差異的原因，與抄紙后纖維排列方向有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究紙張的抗拉性能與紙張纖維的排列方向有關(guān)，纖維自身強度要遠(yuǎn)大于纖維之間的鍵接強度(10)胡開堂《紙頁的結(jié)構(gòu)與性能》，北京：中國輕工業(yè)出版社，2006年，第53-60頁。。在宣紙抄紙的過程中，紙漿在重力的作用下的沿垂直簾紋方向流動，因此在該方向上縱向排列的纖維較多(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.，空白對照組也顯示出了在兩個不同方向上拉伸情況的不同。經(jīng)過托裱后的紙張樣品在結(jié)構(gòu)上為一種復(fù)合材料，抗拉強度的提高是紙張在膠層的作用下在原基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，因此在不同方向上，托裱后的紙張樣品具有不一樣的拉伸性能。

四、結(jié)論

本研究針對材料較為脆弱的裝裱作品，利用非接觸全場測量方法，研究了不同濃度漿糊托裱后的畫芯在不同簾紋方向上的拉伸性能，實驗數(shù)據(jù)表明漿糊濃度并非越大，托裱后的畫芯機械性能越好，在漿糊與水體積比為1∶1時紙張的彈性模量最大。在垂直簾紋方向，用50%濃度漿糊托裱后的畫芯，其彈性模量最大，且泊松比也為同方向下最小，抗拉性能最好。用漿糊托裱后紙張在彈性范圍內(nèi)，其相互垂直的兩個方向彈性模量與泊松比不同，垂直于簾紋方向的彈性模量和泊松比均大于順簾紋方向。敦煌學(xué)近年來不斷走進(jìn)大眾視野，與之相關(guān)的展覽也越來越受到觀眾追捧。除卻實體洞窟外，各類臨摹創(chuàng)作的藝術(shù)品，例如張大千在敦煌期間臨摹創(chuàng)作的繪畫品等，也是組成眾多敦煌藝術(shù)文物的一部分。對于這些立軸類書畫，在托裱過程中，應(yīng)當(dāng)使得紙張簾紋方向垂直于懸掛受力方向。通過該實驗，在今后書畫裝裱過程中，對漿糊濃度的使用有了初步的指導(dǎo)范圍，一定程度上實現(xiàn)了將傳統(tǒng)工藝科學(xué)化，將經(jīng)驗性的指標(biāo)進(jìn)行定量?？梢允雇旭训臅嬙趹覓煺故具^程中，有更好的拉伸性能，在展示及掛取過程中意外受拉時，造成較小的損壞，從而對文物起到保護作用。