張 媛

（銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與材料工程學(xué)院、耀州窯陶瓷藝術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727000）

引言

陶瓷類文物是中華文化的瑰寶，它記錄了歷史的盛衰，對研究歷史及文化發(fā)展具有重要的價(jià)值，因此許多專業(yè)人員進(jìn)行了陶瓷類文物修復(fù)方法的研究，其中采用膠粘劑修復(fù)陶瓷類文物已被廣泛應(yīng)用[1～2]。但由于陶瓷材料具有高剛性、低韌性等特點(diǎn)，其在粘結(jié)修護(hù)過程中有一定難度，因此研究陶瓷材料的粘接工藝具有十分重要的意義。粘合是一種利用合適的膠粘劑，通過合適的粘接方式、合適的粘接工藝，將兩種或多種不同形狀、尺寸、厚度和硬度的材質(zhì)結(jié)合在一起，形成一個(gè)連續(xù)、牢固、穩(wěn)定的整體[3]。但因某些膠粘工藝還需要在一個(gè)真空壓力箱和特殊的工具夾具中進(jìn)行固定成形，因此粘接技術(shù)在陶瓷修復(fù)中的應(yīng)用受到了一定的限制。為此研究了一種改性環(huán)保型陶瓷膠粘劑，并對其在陶瓷類文物修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑制備

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

實(shí)驗(yàn)中采用的原料與儀器[4]如表1 和表2 所示：

1.2 環(huán)保改性陶瓷膠粘劑的制備

環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑制作流程[5～6]具體過程如下：

（1）稱取苯酚放入燒杯中，加入去離子水，加入比例為苯酚的3～5 倍，在30℃下攪拌均勻，得到苯酚溶液，置于超聲波儀器中，溫度設(shè)定為30～50℃，超聲處理0.5 h 左右，靜置15min 后將1.6 份乳化劑、丙烯酸和長鏈烷基醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯按順序加入到燒杯[7]中，經(jīng)過1 h 的機(jī)械攪拌，加入質(zhì)量百分比5%左右的丙烯酸，攪拌均勻后再用超聲波對其進(jìn)行0.5h 的處理，制成了一種均勻的預(yù)膠試樣；

（2）試樣在凝固后放入馬弗爐內(nèi)，加熱速度為10℃/min，加熱至預(yù)定溫度保持0.5h 之后，涼至室溫，獲得陶瓷膠粘劑。

1.3 環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑的測試與表征

本文中使用掃描電鏡(SEM)分析，首先用線切割機(jī)對膠片進(jìn)行粘合，再用砂紙打磨、拋光、離子濺射、真空噴涂，再用掃描電鏡進(jìn)行了顯微觀察[8]。

2 制備的環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑在陶瓷修復(fù)中的應(yīng)用效果分析

2.1 粘合程序

為測試制備的環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑在陶瓷修復(fù)中的應(yīng)用效果，采用的主要粘合程序如下：

首先，拋光陶瓷的表面，以確保在粘合時(shí)不會(huì)有任何的雜質(zhì)進(jìn)入。再將所制得的膠粘劑用毛刷均勻地涂敷于待粘材料的表面，再對粘合界面施以壓力，使其在100℃下凝固2h，使得被膠粘劑涂敷的位置能夠緊密結(jié)合。

2.2 膠粘劑陶瓷修復(fù)應(yīng)用效果分析方法

膠粘劑的流動(dòng)狀況是影響陶瓷修復(fù)的重要因素，適當(dāng)?shù)酿ざ炔粌H能增加陶瓷顆粒的固相，而且能使瓷器修復(fù)處更為平整，減少陶瓷修復(fù)痕跡的產(chǎn)生，由于陶瓷修復(fù)的復(fù)雜性，使其要求膠粘劑是一種具有剪切稀薄性質(zhì)的非牛頓假塑性液體，其黏度隨著剪切應(yīng)力的增加而降低[9～10]。這是由于修復(fù)成形時(shí)，用刮板來控制膠膜的厚度。在經(jīng)過刮板之后，由于外力的作用可以使瓷器膠粘劑的黏度提高，還可以避免粉末顆粒的沉淀，確保修復(fù)效果。陶瓷膠粘劑剪切黏度測試方法如下：

上述公式中，t 代表時(shí)間，F(xiàn) 代表計(jì)算截面上所受的剪力，A 計(jì)算截面面積，F(xiàn)/A 代表剪切應(yīng)力，以τ表示，du/dr 代表剪切速率，以r＇表示。

同樣，環(huán)保型陶瓷膠粘劑相對黏度測試方法如下：

上述公式中，ηf代表同溫度下溶劑的動(dòng)力黏度，η 代表陶瓷修復(fù)適宜的動(dòng)力黏度。

ηr越小，則代表瓷粉的黏度越好，膜片的密度得到提高。

所以，在分析制備的環(huán)保型陶瓷膠粘劑在陶瓷修復(fù)過程中的使用效果時(shí)，必須對其黏度、黏度曲線進(jìn)行測量，否則，不僅漿料在球磨結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)固液分離現(xiàn)象，還會(huì)使流延不能進(jìn)行[11～12]。

同時(shí)，分析吸附作用，所謂的“吸附”，就是把粘合的效果歸因于被粘物體與膠粘劑之間的力，需要在被粘物體的表面上保持較好的濕潤，從而使其表面張力小于被粘物體的表面張力。在將膠粘劑充分浸透陶瓷表面后，其界面的兩邊都是膠粘劑和被粘瓷質(zhì)，這時(shí)，該界面在力學(xué)上達(dá)到了熱平衡[13～15]，其平衡狀態(tài)如下：

上述公式中，γsg、γsl分別代表陶瓷表明張力與膠粘劑表面張力，γlg代表膠粘劑與陶瓷界面之間的張力參數(shù)。

通過該計(jì)算能夠得到好的濕潤條件，保證膠粘劑的表面張力低于所述被粘合的表面張力。

以上為制備的環(huán)保膠在陶瓷修復(fù)中的應(yīng)用效果測試方法的分析，得到測試結(jié)果如下所示。

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1 粘合固化時(shí)間測試

膠粘劑在粘接過程中隨著固化時(shí)間的延長，粘合強(qiáng)度會(huì)普遍增加，但在陶瓷粘合修復(fù)過程中對固化時(shí)間也存在一定限度。對于陶瓷膠粘劑在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的剪切強(qiáng)度可以證明其粘合效果。為此，對其達(dá)到最大剪切強(qiáng)度的時(shí)間進(jìn)行測試分析，得到該膠粘劑的剪切強(qiáng)度與粘合固化時(shí)間之間的關(guān)系如下：

如圖1 所示，隨著固化時(shí)間的增加，其剪切強(qiáng)度也隨之增加，在2.5 h 后，最大抗剪強(qiáng)度為35 MPa左右。其后隨著時(shí)間的延長，接頭的抗剪強(qiáng)度也沒有明顯地提高，表明在2.5 h 的固化期間膠粘劑已經(jīng)基本固化，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度的最大化，效果較好。為進(jìn)一步分析，對接頭顯微組織形態(tài)進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果如下：

由圖2 可以看出，在2.5 h 后，利用本文制備的膠粘劑修復(fù)陶瓷接頭的接合性能是很好的。

2.3.2 粘合固化溫度測試

溫度對粘合固化反應(yīng)的影響很大，它不但決定了粘合固化反應(yīng)的結(jié)束，還影響著粘合固化進(jìn)程的速度和最后的膠粘劑的性質(zhì)。每種膠粘劑的固化溫度都是固定的，適當(dāng)升高溫度可以加快粘合固化速度。在高溫下，要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，溫度不宜過高，否則會(huì)造成固化過度，使膠層發(fā)生碳化和脆化，影響粘合效果。為保證陶瓷修復(fù)質(zhì)量，需要使膠粘劑在100℃以下的固化溫度內(nèi)的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大，為測試所制備的膠粘劑是否符合要求，分析了不同溫度下剪切強(qiáng)度的變化情況。

結(jié)果表明：在高溫下剪切強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，至90℃時(shí)其剪切強(qiáng)度為35 MPa 左右，達(dá)到最高值，之后隨著溫度的持續(xù)上升，其抗剪強(qiáng)度沒有明顯增大，反而輕微地下降。這是因?yàn)樵?00℃以上膠層中存在大量的孔隙會(huì)降低剪切強(qiáng)度。但以上結(jié)果已經(jīng)證明制備的膠粘劑能夠在較小的固化溫度下使陶瓷的剪切強(qiáng)度達(dá)到最佳，效果較好。

2.3.3 固化劑含量測試

在膠粘劑中適當(dāng)?shù)卦黾庸袒瘎┯昧靠梢允蛊淠z結(jié)強(qiáng)度得到明顯改善。制備中如果固化劑的用量不夠，會(huì)導(dǎo)致膠層黏度增加使機(jī)械性能下降，但固化劑的加入量過多又會(huì)導(dǎo)致膠層的脆性增大。所以，對固化劑的用量進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂剖欠浅Ｖ匾?。為此，本文將固化劑的用量分別設(shè)置為10%、15%、20%、25%、30%、35%，得到剪切強(qiáng)度和固化劑用量的變化規(guī)律如圖4 所示。

由圖4 可知，在20%～25%的固化劑中，其抗剪強(qiáng)度可達(dá)30～35 MPa，表明25%的固化劑用量是適宜的，具有較好的剪切強(qiáng)度。

2.3.4 粘合固化壓力測試

最后，大部分膠粘劑能在一定的接觸壓力下形成很好的接縫，同時(shí)，由于壓力的存在會(huì)導(dǎo)致膠粘劑產(chǎn)生較高的粘接性，不適當(dāng)?shù)膲毫?huì)將膠粘劑從接縫中擠出來，造成接縫部位出現(xiàn)空隙等缺陷，使得接縫強(qiáng)度下降。為此進(jìn)行固化壓力的影響測試。

由圖5 可知，在固化壓力為7MPa 左右時(shí)可以達(dá)到很好的粘合效果，此時(shí)剪切強(qiáng)度可達(dá)到43 MPa，而在固定壓力增加后，則易導(dǎo)致剪切強(qiáng)度下降。為此，將本文制備膠粘劑應(yīng)用到陶瓷修復(fù)過程中時(shí)，需要將粘合固化壓力設(shè)置在7 MPa 左右。

3 結(jié)果討論

本文對環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑在陶瓷類文物修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，基于上述過程完成環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑在陶瓷類文物修復(fù)中的應(yīng)用分析，確定了測試方法和內(nèi)容，在粘合過程中，需要對陶瓷進(jìn)行表面處理，砂紙拋光可以達(dá)到良好的粘合效果。通過測試分析可知，所制備的環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑能夠在約定的固化時(shí)間、固化溫度下完成陶瓷的修復(fù)，且該膠粘劑中選擇固化劑的用量較為合理，能夠保證剪切強(qiáng)度達(dá)到最佳。為保證陶瓷修復(fù)效果，需要在7 MPa 左右的接觸壓力條件下進(jìn)行陶瓷的粘合，以此能夠有效提高陶瓷類文物的修復(fù)效果。

4 結(jié)論

為提高陶瓷類文物修復(fù)效果，本文對環(huán)保型改性陶瓷粘合劑在陶瓷類文物修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。制備了環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑，在利用掃描電鏡對其進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)了膠粘劑黏度和剪切強(qiáng)度測試方法。測試結(jié)果表明，本文制備的環(huán)保型改性陶瓷膠粘劑效果較好。然而由于研究能力有限，所提出的方法還有改進(jìn)的空間，為此在后續(xù)研究中還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以期為提高陶瓷類文物修復(fù)效果提供一定幫助。