干熱老化對(duì)生宣紙和半熟宣紙性能的影響

李安玲 張嘉琦

摘要：為了對(duì)比生宣紙和半熟宣紙?jiān)陂L(zhǎng)期放置后的性能變化，對(duì)它們進(jìn)行干熱老化處理并觀察干熱老化前后的表面微觀形貌和磨損三維形貌，分析并測(cè)定了干熱老化前后這兩種宣紙?jiān)诓煌瑵舛饶浔认碌撵o態(tài)接觸角、吸附性、力學(xué)性能、耐磨性能，以研究2種宣紙?jiān)诟蔁崂匣昂蟮男阅茏兓?。結(jié)果表明，干熱老化前后生宣紙對(duì)淡墨水的吸附性均比其對(duì)濃墨水的好，未干熱老化的半熟宣紙更易吸附淡墨水，而干熱老化后則更易吸附濃墨水;干熱老化后生宣紙的吸附性比干熱老化前差，干熱老化后半熟宣紙的吸附性比干熱老化前好;干熱老化后2種宣紙的力學(xué)性能較干熱老化前均有所提高;干熱老化前的生宣紙比干熱老化后的更耐磨，而干熱老化后的半熟宣紙比干熱老化前的更耐磨。

關(guān)鍵詞：生宣紙;半熟宣紙;干熱老化;吸附性;力學(xué)性能;耐磨性能

中圖分類號(hào)：TS766文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.11981/j. issn.1000?6842.2021.04.56

作為我國(guó)傳統(tǒng)文化傳承載體之一，宣紙有著“千年壽紙”的名號(hào)，這主要是由于其獨(dú)特的原材料以及復(fù)雜的制作工藝使其相較于其他類紙張具有較好的抗老化性和吸附性[1-2]。根據(jù)加工工藝的不同，可將宣紙分為生宣紙、熟宣紙和半熟宣紙[3-4]。

田周玲等[5] 對(duì)比了竹紙、宣紙等5種紙張?jiān)诟蔁崂匣昂蟮奈锢硇阅?，發(fā)現(xiàn)相較于其他紙張，宣紙的抗老化性較強(qiáng)，但其抗張強(qiáng)度和撕裂度較低。李安玲等[6]通過(guò)摩擦和吸附性實(shí)驗(yàn)對(duì)生宣紙、半熟宣紙和特凈宣紙的性能進(jìn)行模擬分析，其結(jié)果為宣紙的選用提供了理論依據(jù)。何秋菊等[7]將不同溫度的豆?jié){水加到宣紙表面，然后檢測(cè)其抗老化、抗張強(qiáng)度等性能，發(fā)現(xiàn)熱豆?jié){可提高宣紙的力學(xué)性能并使宣紙呈疏水性。李易蔚等[8] 對(duì)生產(chǎn)宣紙的原料——青檀皮和沙田稻草的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以研究幾種纖維原料對(duì)宣紙性能的影響。

宣紙長(zhǎng)期儲(chǔ)存后會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化，為此，本研究對(duì)干熱老化前后生宣紙和半熟宣紙的吸附性、力學(xué)性能、耐磨性能進(jìn)行了測(cè)定與分析;并分析了干熱老化對(duì)2種宣紙實(shí)際書寫和繪畫過(guò)程中筆頭與宣紙摩擦的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1材料

實(shí)驗(yàn)用紙為安徽涇縣生產(chǎn)的普通四尺生宣紙和四川夾江縣生產(chǎn)的加厚四尺半熟宣紙。將這兩種宣紙裁切成69 cm ×138 cm 的尺寸規(guī)格。

1.2干熱老化處理

將生宣紙和半熟宣紙分別放置在上海牟景實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的 MU3040C熱空氣老化實(shí)驗(yàn)機(jī)的老化箱中，根據(jù) GB/T 464—2008，在105℃下加速老化72 h，同時(shí)避光保存干熱老化前后的生宣紙和半熟宣紙。

1.3宣紙性能測(cè)定與表征

1.3.1吸附性

為研究2種宣紙的吸附性，采用北京哈科儀器廠生產(chǎn)的 SPCAX2接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量2種宣紙干熱老化前后的靜態(tài)接觸角（ CA ）;實(shí)驗(yàn)用液滴分別為蒸餾水和不同濃度（配比分別為1∶1、1∶2和1∶3）的墨水（水與墨汁，安徽紅星墨業(yè)有限公司生產(chǎn)）。

采用上海李辰邦西儀器科技有限公司生產(chǎn)的微量移液器將1?L 墨水滴在干熱老化前后生宣紙和半熟宣紙的表面，然后通過(guò)深圳微特光電有限公司生產(chǎn)的光學(xué)電子顯微鏡觀察宣紙的墨跡擴(kuò)展情況，并測(cè)量其縱向、橫向擴(kuò)散直徑和墨跡面積。

1.3.2力學(xué)性能

分別按照 GB/T 529—2008和 GB/T 528—2009裁切生宣紙和半熟宣紙，然后采用揚(yáng)州市賽思檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 SMT-5000彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸和撕裂實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)精度，每組試樣都進(jìn)行至少5次實(shí)驗(yàn)并取平均值。

1.3.3耐磨性能

采用上海眾路實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為 XM-2A 的摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定干熱老化前后生宣紙和半熟宣紙的表面粗糙度。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 10006—2021，設(shè)定滑移速度為（100±10） mm/min ，在實(shí)驗(yàn)部件200 g 的基礎(chǔ)上分別添加0、20、40、60和80 g 的砝碼，觀察其動(dòng)靜摩擦系數(shù)。每組試樣做至少3次實(shí)驗(yàn)并取平均值。

采用蘭州中科凱華科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的多功能材料表面綜合性能測(cè)試儀模擬老化前后2種紙的摩擦性能，對(duì)摩副采用直徑為6 mm 的鋼球。在設(shè)定實(shí)驗(yàn)值（載荷大小、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、運(yùn)行速度等）時(shí)要考慮宣紙具有厚度低、易磨破等特點(diǎn)。為方便對(duì)比，每組試樣都保持一樣的設(shè)定值，具體如表1所示。每組試樣做至少3次實(shí)驗(yàn)后取平均值，以減小誤差。

1.3.4宣紙表面形貌的表征

采用 FEI Quanta 650 FEG 掃描電子顯微鏡（ SEM ）對(duì)干熱老化前后生宣紙和半熟宣紙的表面進(jìn)行分析，觀察其表面纖維的粘接變化和孔洞大小，以分析干熱老化前后2種宣紙的性能變化。采用 NAVOVEA 三維形貌儀對(duì)干熱老化前后生宣紙和半熟宣紙的磨損表面進(jìn)行掃描，通過(guò)表面粗糙度和最大凹陷高度評(píng)價(jià)其耐磨性能的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1宣紙接觸角分析

2種宣紙干熱老化前后的接觸角如圖1所示。從圖1可以看出，2種宣紙干熱老化前后大多呈親水性。這是由于宣紙的制作材料——青檀枝皮的纖維具有胞腔大、胞壁薄、柔軟等特點(diǎn);而纖維胞腔越大意味著其纖維內(nèi)表面積越大，使得宣紙對(duì)水和墨汁等液體的吸附力較大。

從圖1（a）可以看出，生宣紙的水靜態(tài)接觸角由干熱老化前的43.2°增大到干熱老化后的85.9°;可見(jiàn)，干熱老化后生宣紙的親水性較干熱老化前低，但其仍是親水的。這是因?yàn)楦蔁崂匣笊埖谋砻婵锥摧^多而纖維較為稀疏，不利于水在宣紙內(nèi)部纖維上附著。半熟宣紙老化前后的水靜態(tài)接觸角分別為56.8°和59.9°，可以看出干熱老化前后半熟宣紙的水靜態(tài)接觸角變化不大。但半熟宣紙?jiān)诶匣暗乃o態(tài)接觸角比老化前生宣紙的高13.7°，其原因主要是：半熟宣紙?jiān)谏埖幕A(chǔ)上添加了適量的膠礬水，通過(guò)近似施膠的處理提高了紙張內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度并減少了纖維間的孔隙率，從而使半熟宣紙的吸水性降低。

從圖1（b）～圖1（d）可以看出，老化前生宣紙的墨水靜態(tài)接觸角隨著墨水濃度的增大呈逐漸增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明生宣紙對(duì)濃墨水吸附性較差;而老化后生宣紙對(duì)不同濃度墨水的靜態(tài)接觸角均比老化前高，說(shuō)明老化后生宣紙的吸附性比老化前低，尤其是對(duì)水墨比為1∶3的墨水，老化后生宣紙的靜態(tài)接觸角達(dá)94.9°，吸附性較差，這是因?yàn)闈舛仍酱蟮哪?，越不易在未?jīng)膠礬水處理的生宣紙內(nèi)部纖維上擴(kuò)散，而老化后生宣紙因內(nèi)部孔洞增多，纖維粘接減少，導(dǎo)致墨水更難在纖維上擴(kuò)散。對(duì)于老化前的半熟宣紙，隨著墨水的濃度增大，其靜態(tài)接觸角逐漸增大，說(shuō)明老化前的半熟宣紙吸附性隨著墨水濃度增大而降低;而老化后的半熟宣紙隨著墨水濃度增大，靜態(tài)接觸角逐漸降低，說(shuō)明老化后的半熟宣紙吸附性隨墨水濃度增大逐漸提高;老化前半熟宣紙對(duì)淡墨水有較好的吸附性，而老化后的半熟宣紙對(duì)淡墨水的吸附性較老化前降低，但對(duì)濃墨水有較高的吸附性，這是因?yàn)槔匣蟮陌胧煨埨w維粘接更多而孔洞減少，使得墨水能夠更好地分散到半熟宣紙的內(nèi)部纖維上。

2.2宣紙吸附性分析

根據(jù)墨跡擴(kuò)散的縱橫比（LD/TD ）是否趨近于1來(lái)評(píng)判宣紙的吸附性[9]。生宣紙和半熟宣紙?jiān)诟蔁崂匣昂蟮哪E擴(kuò)散程度如圖2所示。

從圖2（a）和圖2（c）可以看出，老化前的生宣紙橫向和縱向的墨跡擴(kuò)散直徑分別為4.926 mm 和5.152 mm ，而老化后生宣紙橫向和縱向的墨跡擴(kuò)散直徑分別為6.036 mm 和5.272 mm ，通過(guò)計(jì)算得到老化前生宣紙墨跡擴(kuò)散的縱橫比（0.956） 比老化后的（1.145）更趨近于1，說(shuō)明老化前生宣紙的吸附性比老化后的好。另外，老化前生宣紙的墨滴擴(kuò)散面積為20.039 mm2，比老化后的（22.712 mm2）小，墨跡形態(tài)也比老化后的規(guī)整，說(shuō)明其對(duì)墨水的吸附力較強(qiáng)。這主要是因?yàn)椋匣笊埖睦w維粘接變少，孔洞增多，導(dǎo)致墨水不易在纖維上吸附和均勻擴(kuò)散，且從孔洞滲入的墨水造成吸附面積增大的同時(shí)降低了墨水在宣紙上擴(kuò)散的均勻程度，進(jìn)而影響其吸附性。

從圖2（b）和圖2（d）可以看出，老化前半熟宣紙橫向和縱向的墨跡擴(kuò)散直徑分別為5.844 mm 和4.961 mm ，而老化后半熟宣紙橫向和縱向的墨跡擴(kuò)散直徑分別為4.832 mm 和5.352 mm ，通過(guò)計(jì)算得到老化前半熟宣紙墨跡擴(kuò)散的縱橫比為1.178，比老化后的（ 0.903）更遠(yuǎn)離1，說(shuō)明老化后半熟宣紙的吸附性比老化前的好;另外，老化前半熟宣紙的墨滴擴(kuò)散面積為22.409 mm2，比老化后的（18.413 mm2）大，說(shuō)明其對(duì)墨水的吸附力較差。從圖2（b）和圖2（d）還可以看出，老化前半熟宣紙墨跡邊緣有許多毛刺，說(shuō)明其對(duì)墨滴的分散性不如老化后的半熟宣紙。

2.3宣紙的力學(xué)性能分析

對(duì)老化前后的宣紙進(jìn)行拉伸撕裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在拉伸速度為100 mm/min 下，生宣紙和半熟宣紙?jiān)? s 內(nèi)迅速被拉斷，而老化后2種宣紙的最大拉伸力均大于2種宣紙老化前的值。老化前后，半熟宣紙的最大拉伸力均大于生宣紙，這是因?yàn)榘胧煨堖M(jìn)行了膠礬水處理，纖維交織更緊密，提高了其內(nèi)部纖維間的結(jié)合強(qiáng)度。

2種宣紙的撕裂時(shí)間比拉伸時(shí)間長(zhǎng)，老化后生宣紙承受的最大撕裂力大于老化前生宣紙;而老化前半熟宣紙可承受的最大撕裂力則大于老化后半熟宣紙。

2種宣紙的拉伸強(qiáng)度及撕裂度如圖4所示。從圖4（a）可以看出，老化后生宣紙和半熟宣紙的拉伸強(qiáng)度分別為4.34和5.39 MPa ，較老化前的（分別為3.09和4.78 MPa）均有所提高;從圖4（b）可以看出，老化后生宣紙的撕裂度為11.3 kN/m ，高于老化前（9.44 kN/m），而半熟宣紙老化前后的撕裂度變化不大，可認(rèn)為干熱老化對(duì)半熟宣紙的撕裂度影響不大。

2.4宣紙的摩擦性能分析

2.4.1動(dòng)靜摩擦系數(shù)分析

2種宣紙老化前后的動(dòng)靜摩擦系數(shù)如圖5所示。從圖5（a）和圖5（b）可以看出，老化后生宣紙?jiān)?40 g 載荷下的動(dòng)靜摩擦系數(shù)均大于老化前生宣紙;從圖5（c）和圖5（d）可以看出，老化前半熟宣紙的動(dòng)靜摩擦系數(shù)均大于老化后半熟宣紙。這主要是因?yàn)槔匣蟮纳垉?nèi)部水分減少，使得紙張纖維表面凹凸不平，從而動(dòng)靜摩擦系數(shù)增大;老化后半熟宣紙厚度減小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)隨之減小。

2.4.2摩擦磨損實(shí)驗(yàn)分析

由于實(shí)驗(yàn)本身的設(shè)定時(shí)間較短，對(duì)于較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的過(guò)多數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)在2 min 范圍內(nèi)以0.5 min 為一段分界線，取每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)并取平均值表示。2種宣紙老化前后摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)的 SEM 圖分別如圖6和圖7所示。從圖6（a）可以看出，在每個(gè)時(shí)間段（30 s）內(nèi)，老化前生宣紙的摩擦系數(shù)均低于老化后生宣紙;結(jié)合圖7（a）和圖7（b）的SEM 圖可以發(fā)現(xiàn)，老化后生宣紙纖維之間的粘接程度較老化前有所降低，因此在磨損過(guò)程中作為對(duì)磨副的鋼球與生宣紙內(nèi)部纖維的接觸面積減小。由圖6（b）可知，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，老化前半熟宣紙的摩擦系數(shù)均高于老化后半熟宣紙;結(jié)合圖7（c）和圖7（d）可以發(fā)現(xiàn)，老化后半熟宣紙中的許多纖維出現(xiàn)了粘接的情況，導(dǎo)致受磨損纖維的面積變大。

經(jīng)過(guò)磨損處理后，宣紙老化前后的三維形貌圖如圖8所示，每種試樣都分別截取其圖中深藍(lán)色磨損最深的部分進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，生宣紙老化前的最大磨損深度為10.04?m ，比老化后的29.011?m 低，這說(shuō)明老化前生宣紙比老化后更耐磨;半熟宣紙老化前的最大磨損深度為59.012?m ，比老化后的20.242?m 高，這說(shuō)明老化前半熟宣紙的耐磨性比老化后的差。

2種宣紙老化前后三維形貌數(shù)據(jù)如圖9所示。從圖9可以看出，老化前后生宣紙的最大凹陷高度分別為34.302和50.385?m ，表面粗糙度分別為11.699和18.137?m;老化前后半熟宣紙的最大凹陷高度分別為84.371和58.671?m ，表面粗糙度分別為21.928和18.856?m 。以上結(jié)果表明，老化前生宣紙的耐磨性較老化后生宣紙好;老化后半熟宣紙的耐磨性較老化前半熟宣紙好。

3 結(jié)論

為研究生宣紙和半熟宣紙?jiān)陂L(zhǎng)期放置后的性能變化，對(duì)它們進(jìn)行干熱老化處理并觀察干熱老化前后宣紙的表面微觀形貌和磨損三維形貌，分析并測(cè)定了干熱老化前后這2種宣紙?jiān)诓煌瑵舛饶浔认碌撵o態(tài)接觸角、吸附性、力學(xué)性能、耐磨性能，研究結(jié)論如下。

3.1干熱老化前后生宣紙對(duì)淡墨水的吸附性均比濃墨水好，但干熱老化后生宣紙的吸附性較干熱老化前差。因此，生宣紙適用于淡墨水繪畫，但長(zhǎng)期存放后不適合用于繪畫。

3.2半熟宣紙?jiān)诶匣皩?duì)淡墨水的吸附性較濃墨水好，而在老化后則對(duì)濃墨水有更好的吸附性;老化后半熟宣紙墨跡擴(kuò)散的縱橫比較老化前更趨近于1。因此，半熟宣紙?jiān)陂L(zhǎng)期存放后仍可用墨水進(jìn)行繪畫。

3.3生宣紙經(jīng)老化處理后拉伸強(qiáng)度和撕裂度均有所提升，老化前生宣紙動(dòng)靜摩擦系數(shù)較老化后均有所降低;半熟宣紙經(jīng)老化處理后拉伸強(qiáng)度提高，而撕裂度變化不大，其老化前的動(dòng)靜摩擦系數(shù)比老化后的動(dòng)靜摩擦系數(shù)高。

3.4老化前生宣紙的摩擦系數(shù)、表面粗糙度、最大磨損深度和最大凹陷高度均比老化后小，說(shuō)明老化前生宣紙的耐磨性更好，在實(shí)際應(yīng)用中更適合用筆書寫文字;老化前半熟宣紙的摩擦系數(shù)、表面粗糙度、最大磨損深度和最大凹陷高度均比比老化后大，說(shuō)明老化前的半熟宣紙耐磨性較差，在實(shí)際應(yīng)用中更適合用于繪畫。

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A Comparative Study of Dry Heat Aging on Properties of Raw and Sized Xuan Paper

LI Anling* ZHANG Jiaqi

（School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang，He'nan Province，455000）

（*E-mail ：aystar@163. com）

Abstract： In order to compare the performance changes of different kinds of Xuan paper after long-term storage，dry heat aging test was car? ried out on raw and sized Xuan paper to study the changes of surface micro morphology and wear three-dimensional morphology. The static contact angles，adsorbabilities，mechanical properties，and wearabilitiesof the two Xuan papers before and after dry heat aging were tested and compared. The results showed that before and after dry heat aging，raw Xuan paper had a better adsorption of light ink compared with thick ink;the sized Xuan paper tended to absorb light ink before dry heat aging while after dry heat aging，it preferred to absorb thick ink. The absorbalityof raw Xuan paper after dry heat aging was lower than thatof before while the sized Xuan paper showed opposite trend，howev? er，mechanical propertied of both Xuan papers increased after dry heat aging . In terms of wearability，raw Xuan paper exhibited reduction af? ter dry heat aging while sized Xuan paper turned out to be more wear-resisting.

Keywords ：raw Xuan paper;sized Xuan paper;dry heat aging;adsorbability;mechanical properties;wearability

（責(zé)任編輯：陳麗卿）