干热老化对生宣纸和半熟宣纸性能的影响

李安玲 张嘉琦

摘要：为了对比生宣纸和半熟宣纸在长期放置后的性能变化，对它们进行干热老化处理并观察干热老化前后的表面微观形貌和磨损三维形貌，分析并测定了干热老化前后这两种宣纸在不同浓度墨水配比下的静态接触角、吸附性、力学性能、耐磨性能，以研究2种宣纸在干热老化前后的性能变化。结果表明，干热老化前后生宣纸对淡墨水的吸附性均比其对浓墨水的好，未干热老化的半熟宣纸更易吸附淡墨水，而干热老化后则更易吸附浓墨水;干热老化后生宣纸的吸附性比干热老化前差，干热老化后半熟宣纸的吸附性比干热老化前好;干热老化后2种宣纸的力学性能较干热老化前均有所提高;干热老化前的生宣纸比干热老化后的更耐磨，而干热老化后的半熟宣纸比干热老化前的更耐磨。

关键词：生宣纸;半熟宣纸;干热老化;吸附性;力学性能;耐磨性能

中图分类号：TS766文献标识码：ADOI：10.11981/j. issn.1000?6842.2021.04.56

作为我国传统文化传承载体之一，宣纸有着“千年寿纸”的名号，这主要是由于其独特的原材料以及复杂的制作工艺使其相较于其他类纸张具有较好的抗老化性和吸附性[1-2]。根据加工工艺的不同，可将宣纸分为生宣纸、熟宣纸和半熟宣纸[3-4]。

田周玲等[5] 对比了竹纸、宣纸等5种纸张在干热老化前后的物理性能，发现相较于其他纸张，宣纸的抗老化性较强，但其抗张强度和撕裂度较低。李安玲等[6]通过摩擦和吸附性实验对生宣纸、半熟宣纸和特净宣纸的性能进行模拟分析，其结果为宣纸的选用提供了理论依据。何秋菊等[7]将不同温度的豆浆水加到宣纸表面，然后检测其抗老化、抗张强度等性能，发现热豆浆可提高宣纸的力学性能并使宣纸呈疏水性。李易蔚等[8] 对生产宣纸的原料——青檀皮和沙田稻草的性能进行实验分析，以研究几种纤维原料对宣纸性能的影響。

宣纸长期储存后会出现不同程度的老化，为此，本研究对干热老化前后生宣纸和半熟宣纸的吸附性、力学性能、耐磨性能进行了测定与分析;并分析了干热老化对2种宣纸实际书写和绘画过程中笔头与宣纸摩擦的影响。

1 实验

1.1材料

实验用纸为安徽泾县生产的普通四尺生宣纸和四川夹江县生产的加厚四尺半熟宣纸。将这两种宣纸裁切成69 cm ×138 cm 的尺寸规格。

1.2干热老化处理

将生宣纸和半熟宣纸分别放置在上海牟景实业有限公司生产的 MU3040C热空气老化实验机的老化箱中，根据 GB/T 464—2008，在105℃下加速老化72 h，同时避光保存干热老化前后的生宣纸和半熟宣纸。

1.3宣纸性能测定与表征

1.3.1吸附性

为研究2种宣纸的吸附性，采用北京哈科仪器厂生产的 SPCAX2接触角测量仪测量2种宣纸干热老化前后的静态接触角（ CA ）;实验用液滴分别为蒸馏水和不同浓度（配比分别为1∶1、1∶2和1∶3）的墨水（水与墨汁，安徽红星墨业有限公司生产）。

采用上海李辰邦西仪器科技有限公司生产的微量移液器将1?L 墨水滴在干热老化前后生宣纸和半熟宣纸的表面，然后通过深圳微特光电有限公司生产的光学电子显微镜观察宣纸的墨迹扩展情况，并测量其纵向、横向扩散直径和墨迹面积。

1.3.2力学性能

分别按照 GB/T 529—2008和 GB/T 528—2009裁切生宣纸和半熟宣纸，然后采用扬州市赛思检测设备有限公司生产的 SMT-5000弯曲实验机进行拉伸和撕裂实验。为保证实验精度，每组试样都进行至少5次实验并取平均值。

1.3.3耐磨性能

采用上海众路实业有限公司生产的型号为 XM-2A 的摩擦系数测定仪测定干热老化前后生宣纸和半熟宣纸的表面粗糙度。参照国家标准 GB/T 10006—2021，设定滑移速度为（100±10） mm/min ，在实验部件200 g 的基础上分别添加0、20、40、60和80 g 的砝码，观察其动静摩擦系数。每组试样做至少3次实验并取平均值。

采用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的多功能材料表面综合性能测试仪模拟老化前后2种纸的摩擦性能，对摩副采用直径为6 mm 的钢球。在设定实验值（载荷大小、实验时间、运行速度等）时要考虑宣纸具有厚度低、易磨破等特点。为方便对比，每组试样都保持一样的设定值，具体如表1所示。每组试样做至少3次实验后取平均值，以减小误差。

1.3.4宣纸表面形貌的表征

采用 FEI Quanta 650 FEG 扫描电子显微镜（ SEM ）对干热老化前后生宣纸和半熟宣纸的表面进行分析，观察其表面纤维的粘接变化和孔洞大小，以分析干热老化前后2种宣纸的性能变化。采用 NAVOVEA 三维形貌仪对干热老化前后生宣纸和半熟宣纸的磨损表面进行扫描，通过表面粗糙度和最大凹陷高度评价其耐磨性能的变化规律。

2 结果与讨论

2.1宣纸接触角分析

2种宣纸干热老化前后的接触角如图1所示。从图1可以看出，2种宣纸干热老化前后大多呈亲水性。这是由于宣纸的制作材料——青檀枝皮的纤维具有胞腔大、胞壁薄、柔软等特点;而纤维胞腔越大意味着其纤维内表面积越大，使得宣纸对水和墨汁等液体的吸附力较大。

从图1（a）可以看出，生宣纸的水静态接触角由干热老化前的43.2°增大到干热老化后的85.9°;可见，干热老化后生宣纸的亲水性较干热老化前低，但其仍是亲水的。这是因为干热老化后生宣纸的表面孔洞较多而纤维较为稀疏，不利于水在宣纸内部纤维上附着。半熟宣纸老化前后的水静态接触角分别为56.8°和59.9°，可以看出干热老化前后半熟宣纸的水静态接触角变化不大。但半熟宣纸在老化前的水静态接触角比老化前生宣纸的高13.7°，其原因主要是：半熟宣纸在生宣纸的基础上添加了适量的胶矾水，通过近似施胶的处理提高了纸张内部结合强度并减少了纤维间的孔隙率，从而使半熟宣纸的吸水性降低。

从图1（b）～图1（d）可以看出，老化前生宣纸的墨水静态接触角随着墨水浓度的增大呈逐渐增大的趋势，这说明生宣纸对浓墨水吸附性较差;而老化后生宣纸对不同浓度墨水的静态接触角均比老化前高，说明老化后生宣纸的吸附性比老化前低，尤其是对水墨比为1∶3的墨水，老化后生宣纸的静态接触角达94.9°，吸附性较差，这是因为浓度越大的墨水，越不易在未经胶矾水处理的生宣纸内部纤维上扩散，而老化后生宣纸因内部孔洞增多，纤维粘接减少，导致墨水更难在纤维上扩散。对于老化前的半熟宣纸，随着墨水的浓度增大，其静态接触角逐渐增大，说明老化前的半熟宣纸吸附性随着墨水浓度增大而降低;而老化后的半熟宣纸随着墨水浓度增大，静态接触角逐渐降低，说明老化后的半熟宣纸吸附性随墨水浓度增大逐渐提高;老化前半熟宣纸对淡墨水有较好的吸附性，而老化后的半熟宣纸对淡墨水的吸附性较老化前降低，但对浓墨水有较高的吸附性，这是因为老化后的半熟宣纸纤维粘接更多而孔洞减少，使得墨水能够更好地分散到半熟宣纸的内部纤维上。

2.2宣纸吸附性分析

根据墨迹扩散的纵横比（LD/TD ）是否趋近于1来评判宣纸的吸附性[9]。生宣纸和半熟宣纸在干热老化前后的墨迹扩散程度如图2所示。

从图2（a）和图2（c）可以看出，老化前的生宣纸横向和纵向的墨迹扩散直径分别为4.926 mm 和5.152 mm ，而老化后生宣纸横向和纵向的墨迹扩散直径分别为6.036 mm 和5.272 mm ，通过计算得到老化前生宣纸墨迹扩散的纵横比（0.956） 比老化后的（1.145）更趋近于1，说明老化前生宣纸的吸附性比老化后的好。另外，老化前生宣纸的墨滴扩散面积为20.039 mm2，比老化后的（22.712 mm2）小，墨迹形态也比老化后的规整，说明其对墨水的吸附力较强。这主要是因为，老化后生宣纸的纤维粘接变少，孔洞增多，導致墨水不易在纤维上吸附和均匀扩散，且从孔洞渗入的墨水造成吸附面积增大的同时降低了墨水在宣纸上扩散的均匀程度，进而影响其吸附性。

从图2（b）和图2（d）可以看出，老化前半熟宣纸横向和纵向的墨迹扩散直径分别为5.844 mm 和4.961 mm ，而老化后半熟宣纸横向和纵向的墨迹扩散直径分别为4.832 mm 和5.352 mm ，通过计算得到老化前半熟宣纸墨迹扩散的纵横比为1.178，比老化后的（ 0.903）更远离1，说明老化后半熟宣纸的吸附性比老化前的好;另外，老化前半熟宣纸的墨滴扩散面积为22.409 mm2，比老化后的（18.413 mm2）大，说明其对墨水的吸附力较差。从图2（b）和图2（d）还可以看出，老化前半熟宣纸墨迹边缘有许多毛刺，说明其对墨滴的分散性不如老化后的半熟宣纸。

2.3宣纸的力学性能分析

对老化前后的宣纸进行拉伸撕裂实验，结果如图3所示。从图3可以看出，在拉伸速度为100 mm/min 下，生宣纸和半熟宣纸在1 s 内迅速被拉断，而老化后2种宣纸的最大拉伸力均大于2种宣纸老化前的值。老化前后，半熟宣纸的最大拉伸力均大于生宣纸，这是因为半熟宣纸进行了胶矾水处理，纤维交织更紧密，提高了其内部纤维间的结合强度。

2种宣纸的撕裂时间比拉伸时间长，老化后生宣纸承受的最大撕裂力大于老化前生宣纸;而老化前半熟宣纸可承受的最大撕裂力则大于老化后半熟宣纸。

2种宣纸的拉伸强度及撕裂度如图4所示。从图4（a）可以看出，老化后生宣纸和半熟宣纸的拉伸强度分别为4.34和5.39 MPa ，较老化前的（分别为3.09和4.78 MPa）均有所提高;从图4（b）可以看出，老化后生宣纸的撕裂度为11.3 kN/m ，高于老化前（9.44 kN/m），而半熟宣纸老化前后的撕裂度变化不大，可认为干热老化对半熟宣纸的撕裂度影响不大。

2.4宣纸的摩擦性能分析

2.4.1动静摩擦系数分析

2种宣纸老化前后的动静摩擦系数如图5所示。从图5（a）和图5（b）可以看出，老化后生宣纸在240 g 载荷下的动静摩擦系数均大于老化前生宣纸;从图5（c）和图5（d）可以看出，老化前半熟宣纸的动静摩擦系数均大于老化后半熟宣纸。这主要是因为老化后的生宣纸内部水分减少，使得纸张纤维表面凹凸不平，从而动静摩擦系数增大;老化后半熟宣纸厚度减小，动静摩擦系数随之减小。

2.4.2摩擦磨损实验分析

由于实验本身的设定时间较短，对于较短时间内出现的过多数据，本次实验在2 min 范围内以0.5 min 为一段分界线，取每一个时间段内的数据并取平均值表示。2种宣纸老化前后摩擦磨损实验结果及相应的 SEM 图分别如图6和图7所示。从图6（a）可以看出，在每个时间段（30 s）内，老化前生宣纸的摩擦系数均低于老化后生宣纸;结合图7（a）和图7（b）的SEM 图可以发现，老化后生宣纸纤维之间的粘接程度较老化前有所降低，因此在磨损过程中作为对磨副的钢球与生宣纸内部纤维的接触面积减小。由图6（b）可知，在每个时间段内，老化前半熟宣纸的摩擦系数均高于老化后半熟宣纸;结合图7（c）和图7（d）可以发现，老化后半熟宣纸中的许多纤维出现了粘接的情况，导致受磨损纤维的面积变大。

经过磨损处理后，宣纸老化前后的三维形貌图如图8所示，每种试样都分别截取其图中深蓝色磨损最深的部分进行对比。结果表明，生宣纸老化前的最大磨损深度为10.04?m ，比老化后的29.011?m 低，这说明老化前生宣纸比老化后更耐磨;半熟宣纸老化前的最大磨损深度为59.012?m ，比老化后的20.242?m 高，这说明老化前半熟宣纸的耐磨性比老化后的差。

2种宣纸老化前后三维形貌数据如图9所示。从图9可以看出，老化前后生宣纸的最大凹陷高度分别为34.302和50.385?m ，表面粗糙度分别为11.699和18.137?m;老化前后半熟宣纸的最大凹陷高度分别为84.371和58.671?m ，表面粗糙度分别为21.928和18.856?m 。以上结果表明，老化前生宣纸的耐磨性较老化后生宣纸好;老化后半熟宣纸的耐磨性较老化前半熟宣纸好。

3 结论

为研究生宣纸和半熟宣纸在长期放置后的性能变化，对它们进行干热老化处理并观察干热老化前后宣纸的表面微观形貌和磨损三维形貌，分析并测定了干热老化前后这2种宣纸在不同浓度墨水配比下的静态接触角、吸附性、力学性能、耐磨性能，研究结论如下。

3.1干热老化前后生宣纸对淡墨水的吸附性均比浓墨水好，但干热老化后生宣纸的吸附性较干热老化前差。因此，生宣纸适用于淡墨水绘画，但长期存放后不适合用于绘画。

3.2半熟宣纸在老化前对淡墨水的吸附性较浓墨水好，而在老化后则对浓墨水有更好的吸附性;老化后半熟宣纸墨迹扩散的纵横比较老化前更趋近于1。因此，半熟宣纸在长期存放后仍可用墨水进行绘画。

3.3生宣纸经老化处理后拉伸强度和撕裂度均有所提升，老化前生宣纸动静摩擦系数较老化后均有所降低;半熟宣纸经老化处理后拉伸强度提高，而撕裂度变化不大，其老化前的动静摩擦系数比老化后的动静摩擦系数高。

3.4老化前生宣纸的摩擦系数、表面粗糙度、最大磨损深度和最大凹陷高度均比老化后小，说明老化前生宣纸的耐磨性更好，在实际应用中更适合用笔书写文字;老化前半熟宣纸的摩擦系数、表面粗糙度、最大磨损深度和最大凹陷高度均比比老化后大，说明老化前的半熟宣纸耐磨性较差，在实际应用中更适合用于绘画。

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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

（责任编辑：陈丽卿）