龔德才 魏 岳,2 周昱君 龔鈺軒

(1.中國(guó)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(dú)特的潤(rùn)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(guó)美學(xué)的特征。宣紙本身輕薄柔軟，會(huì)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(duì)書畫進(jìn)行修復(fù)與保護(hù)。

裝裱工藝與我國(guó)傳統(tǒng)書畫藝術(shù)密不可分，是人們?cè)陂L(zhǎng)期的書畫藝術(shù)實(shí)踐過(guò)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(jì)導(dǎo)刊》2015年第18期，第121-122頁(yè)。，出土于長(zhǎng)沙戰(zhàn)國(guó)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(lái)，裝背不佳，宋時(shí)范曄始能裝裱”，說(shuō)明南朝宋時(shí)期宣城太守范曄已因善于裱畫而聞名，南北朝時(shí)期裝裱技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于書畫作品。唐代時(shí)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(shí)，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(shí)》，《吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(社科版)》2007年第4期，第121-122頁(yè)。

在傳統(tǒng)裝裱過(guò)程中，托裱畫芯和上復(fù)背紙的過(guò)程多使用手工所制漿糊作為粘合劑，其優(yōu)點(diǎn)為原料獲取相對(duì)容易；作為粘合劑無(wú)毒無(wú)害，并且對(duì)畫芯外觀沒(méi)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(hù)學(xué)的理念下為可逆材料。如何利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行量化，使得經(jīng)驗(yàn)化的工藝標(biāo)準(zhǔn)化，是現(xiàn)階段文物保護(hù)研究方向之一。已有的研究多是針對(duì)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(yè)。但目前尚未有漿糊濃度對(duì)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(huì)受外力拖拽，還有收卷，因此通過(guò)裝裱對(duì)拉伸性能進(jìn)行改善可以提高書畫作品的保存和保護(hù)效果。托裱工藝對(duì)畫芯拉伸強(qiáng)度提升是保證其觀賞性的重要環(huán)節(jié)。在托裱過(guò)程中，對(duì)漿糊濃度的選擇往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，漿糊的濃度對(duì)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(shí)現(xiàn)技術(shù)的不斷優(yōu)化與提升，將工匠的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)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(guó)文物科技工作會(huì)議綜述》，《中國(guó)文物科學(xué)研究》2011年第1期，第48-53頁(yè)。

一、實(shí)驗(yàn)

(一)試驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原料采用五星牌生宣紙，寶鼎牌精制小麥淀粉。實(shí)驗(yàn)儀器選用島津AG-Xplus型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)、Correlated solution,Inc.公司vic-3D非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)、杭州華翰造紙檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司HH-HD3型紙張厚度測(cè)定儀。

(二)樣品制備與測(cè)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(shí)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?jī)蓮埣埡熂y方向相同，并分組編號(hào)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(diǎn)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(zhǎng)條，每個(gè)方向五件樣品，分別編號(hào)為1-5，對(duì)每件樣品隨機(jī)取點(diǎn)三處測(cè)量其厚度。同時(shí)，選取同批次產(chǎn)品單層未處理宣紙?jiān)O(shè)為第4組，以同樣方法裁切設(shè)置為對(duì)照組。

對(duì)于物體拉伸形變的測(cè)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(cè)量法所用的電阻應(yīng)變片和引伸計(jì)會(huì)對(duì)紙張的力學(xué)性能造成較大影響，且紙張強(qiáng)度遠(yuǎn)低于應(yīng)變片；同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)機(jī)的夾具在拉伸過(guò)程中與紙張會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，造成一定的誤差，因此接觸法不適用于對(duì)紙張的拉伸形變測(cè)量。數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC, Digital Image Correlation)是一種非接觸式全場(chǎng)變形測(cè)量技術(shù)，利用攝像機(jī)拍攝物體表面產(chǎn)生形變位移前后的散斑圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字灰度圖像，進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算得到被測(cè)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(cè)量的研究》，北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015年，第1-4頁(yè)。該方法具有光路簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境要求不高及全局測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可作為光學(xué)引伸計(jì)對(duì)拉伸過(guò)程中的形變進(jìn)行測(cè)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(cè)試中的應(yīng)用》，《包裝工程》2018年第9期，第199-203頁(yè)。

數(shù)字圖像相關(guān)法需要對(duì)被測(cè)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(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)所配套的專用滾輪刷制散斑，然后置于試驗(yàn)機(jī)夾具夾持，進(jìn)行試驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)試件施加一定預(yù)應(yīng)力，將用于拍攝拉伸過(guò)程的相機(jī)系統(tǒng)置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)前，設(shè)定拍照間隔為300ms，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸速度設(shè)定為10mm/min。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為相對(duì)濕度50±3%，溫度25±2℃。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(guò)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(shí)表現(xiàn)具有彈性。在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，紙張不會(huì)出現(xiàn)蠕變性質(zhì)。(7)胡開堂《紙頁(yè)的結(jié)構(gòu)與性能》，北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2006年，第46-51頁(yè)。

彈性模量的計(jì)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的所施加荷載值；t為紙張厚度，通過(guò)使用紙張厚度儀測(cè)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，將DIC設(shè)備觀測(cè)所得數(shù)據(jù)通過(guò)Origin Pro軟件進(jìn)行曲線擬合，并計(jì)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(guò)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(guò)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(shí)候達(dá)到最大，在100%和10%的時(shí)候相對(duì)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(shí)托裱后的試件彈性模量最大，拉伸性能相對(duì)最好，而在100%和10%的時(shí)候相對(duì)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(duì)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(jī)械性能。同一批宣紙?jiān)诓煌瑵舛葷{糊托裱后拉伸性能差別較大，原因?yàn)閮蓪蛹堉g結(jié)合力的不同。經(jīng)過(guò)托裱處理后的兩層紙張之間由膠層相連接，在拉伸過(guò)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(duì)紙張的粘合作用主要通過(guò)分子間形成的氫鍵實(shí)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(shí)，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(yè)。。漿糊與水以適當(dāng)比例混合時(shí)，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(shí)，膠層內(nèi)部缺陷迅速增加，引起膠層內(nèi)聚強(qiáng)度下降，抗剪性能下降。此外膠層越厚，膠粘劑在固化時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也越大，也造成膠層強(qiáng)度損失，使得紙張抗拉強(qiáng)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(yè)。。當(dāng)漿糊與水比例過(guò)小時(shí)，淀粉含量過(guò)低，形成氫鍵數(shù)量下降，膠層強(qiáng)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(diǎn)測(cè)量其厚度。當(dāng)所用漿糊濃度為50%時(shí)，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(duì)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(shí)可以對(duì)試件拉伸過(guò)程中垂直拉伸方向的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，由此計(jì)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(gè)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(duì)值便為拉伸方向的泊松比。整理后得表3即兩個(gè)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?yàn)檠仨樅熂y方向，漿糊濃度為50%時(shí)泊松比相對(duì)最大，而濃度為100%和10%的時(shí)候泊松比相對(duì)較小。當(dāng)拉伸方向?yàn)檠卮怪焙熂y方向，泊松比在漿糊濃度為50%時(shí)最小，100%和10%的時(shí)候泊松比相對(duì)較大。相互垂直的兩個(gè)方向上，泊松比呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)，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(guò)程中，拉伸截面的變小會(huì)造成應(yīng)力集中從而對(duì)畫芯造成破壞。在同樣拉伸長(zhǎng)度下，泊松比越小，其垂直于拉伸方向的形變相對(duì)越小，截面變形也相對(duì)越小，抗拉性能相對(duì)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(duì)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(duì)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(qiáng)度要遠(yuǎn)大于纖維之間的鍵接強(qiáng)度(10)胡開堂《紙頁(yè)的結(jié)構(gòu)與性能》，北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2006年，第53-60頁(yè)。。在宣紙抄紙的過(guò)程中，紙漿在重力的作用下的沿垂直簾紋方向流動(dòng)，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(duì)照組也顯示出了在兩個(gè)不同方向上拉伸情況的不同。經(jīng)過(guò)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(qiáng)度的提高是紙張?jiān)谀z層的作用下在原基礎(chǔ)上實(shí)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(duì)材料較為脆弱的裝裱作品，利用非接觸全場(chǎng)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明漿糊濃度并非越大，托裱后的畫芯機(jī)械性能越好，在漿糊與水體積比為1∶1時(shí)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?jiān)趶椥苑秶鷥?nèi)，其相互垂直的兩個(gè)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(lái)不斷走進(jìn)大眾視野，與之相關(guān)的展覽也越來(lái)越受到觀眾追捧。除卻實(shí)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(duì)于這些立軸類書畫，在托裱過(guò)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(guò)該實(shí)驗(yàn)，在今后書畫裝裱過(guò)程中，對(duì)漿糊濃度的使用有了初步的指導(dǎo)范圍，一定程度上實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)工藝科學(xué)化，將經(jīng)驗(yàn)性的指標(biāo)進(jìn)行定量。可以使托裱的書畫在懸掛展示過(guò)程中，有更好的拉伸性能，在展示及掛取過(guò)程中意外受拉時(shí)，造成較小的損壞，從而對(duì)文物起到保護(hù)作用。