一种国画宣纸保护专用材料苯丙乳液改性研究

李 璐

(西安美术学院,陕西 西安 710065)

国画创作所使用的宣纸在长期保存过程中容易因为霉变、磨损、酸化降解等而出现发黄、破损、变脆等问题。这些问题一旦出现则国画的保存质量及寿命等均会受到较大影响。因此,针对国画宣纸开发保护材料是提升国画作品纸张物化性能、保证国画作品长期健康保存的关键[1-3]。苯丙乳液即苯乙烯-丙烯酸酯乳液,是一种极具价值的非交联型乳液,常被应用于制作建筑涂料、乳胶涂料等,具有耐热、耐老化、成膜性强等性能优势。本文尝试制备一种专用于宣纸的功能性苯丙乳液,认为这种成膜以后透明度极佳的乳液材料能够很好地改善宣纸机械性能,防止宣纸在长期不理想保存环境下出现变化、破损或变脆等问题。

1 实验部分

1.1 实验材料与方法

1.1.1实验材料

苯丙乳液的制备方法并不单一,常见的包括有机硅改性、有机氟改性、环氧树脂改性等[4-7]。不同苯丙乳液制备方法所需材料差异较大。表1所示为制备本文所需宣纸保护专用功能性苯丙乳液所需主要材料:聚乙烯醇(化学纯),上海凯茵化工有限公司;烷基酚聚氧乙烯醚(化学纯),盼得(上海)国际贸易有限公司;氨水(化学纯),上海迈瑞尔生化科技有限公司;碘溶液(化学纯),余干县泰林碘业有限公司;甲基丙烯酸甲酯(分析纯),上海迈瑞尔生化科技有限公司;丙烯酸丁酯(分析纯),青岛明远新材料有限公司;苯乙烯,深圳市淇安科技有限公司;十二烷基硫酸钠(分析纯),苏州森硕化工科技有限公司;过硫酸铵(分析纯),上海迈瑞尔生化科技有限公司;碳酸氢钠(分析纯),上海凯茵化工有限公司。

表1 功能性苯丙乳液配置及分组

本文所需的苯丙乳液专门针对国画宣纸,主要作用对象为宣纸中的纸张纤维,主要作用机理为借助苯丙乳液中的疏水基、亲水基等,通过共价结合、静电吸附及表面成膜的机理对纸张纤维进行保护[8-12]。聚乙烯醇为底液,烷基酚醛聚氧乙烯醚为乳化剂,氨水提供碱性环境,碘溶液用于测试底液是否完全溶解,甲基丙烯酸甲酯为硬单体,丙烯酸丁酯为软单体,苯乙烯为硬单体,十二烷基硫酸钠为乳化剂,过硫酸铵为引发剂,碳酸氢钠用于提供pH缓冲等。

本次实验还需用到国画创作所需宣纸,该宣纸为半熟宣(32K),宿迁云沃信息科技有限公司。

1.1.2实验设备

本次实验主要分为2部分:一为功能性苯丙乳液制备;二为功能性苯丙乳液应用于宣纸保护时的性能测试。2部分使用的主要设备:FA2004N电子天平,上海仪天科学仪器有限公司;四口瓶,安徽韦斯实验设备有限公司;HMS-901D6数显磁力搅拌器,深圳市博大精科技实业有限公司;200目筛子,安徽韦斯实验设备有限公司;GHX-500恒温箱,南京环科试验设备有限公司;NK-F-02造纸纤维测量仪,苏州南光电子科技有限公司;WDW-1电子万能试验机,上海松顿仪器制造有限公司;YT-CTM耐折度仪,杭州研特科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1功能性苯丙乳液合成

功能性苯丙乳液的合成主要包括:底液制备、预乳液制备及最终制备3个主要步骤,各主要步骤又包含若干步骤,具体如图1所示。

图1 功能性苯丙乳液合成

步骤1:底液制备。底液制备主要应用材料包括丙烯酸丁酯等。在室温环境下将去离子水和烷基酚醛聚氧乙烯醚按照质量比20∶1加入干燥的四口瓶中,对四口瓶进行加热至85 ℃并不断搅拌,2 h后得到烷基酚醛聚氧乙烯醚溶液。在溶液中加入碘溶液,如果溶液中未出现蓝色絮状物,则表示烷基酚醛聚氧乙烯醚已经完全溶解。将丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等按照不同比例(后续实验进行具体描述)进行混合,在80 ℃环境下进行不断搅拌,得到下一步骤所需中间材料。

步骤2:预乳化液制备。将步骤1得到的烷基酚醛聚氧乙烯醚溶液与中间材料在四口瓶中进行混合、搅拌,搅拌过程中逐渐对四口瓶进行升温,至混合物料充分乳化以后停止升温和搅拌,得到预乳化液。将预乳化液根据质量分为三分之一组和三分之二组备用。

步骤3:功能性苯丙乳液制备。将步骤2得到的三分之一预乳化液与聚乙烯醇底液、烷基酚醛聚氧乙烯醚、过硫酸铵、碳酸氢钠在四口瓶中混合,加入一定量的去离子水等,对四口瓶进行缓慢加热至85 ℃过程中进行不断搅拌带混合物完全乳化后得到种子乳液。将剩余三分之二的预乳化液均匀滴入种子乳液中,保持50 ℃乳化温度并不断搅拌,30 min以后得到功能性苯丙乳液。最后,利用氨水将苯丙乳液调至中性即可。

1.2.2功能性苯丙乳液宣纸保护性能分析

功能性苯丙乳液宣纸保护性能分析主要分为2部分。

(1)通过调整烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸钠比例,在相同乳化温度、乳化时间、乳化剂占苯丙乳液质量比等条件下得到最佳功能性苯丙乳液配制方法。表1所示为不同配制方法得到的功能性苯丙乳液及其命名情况。

利用稀释稳定性测试方法对功能性苯丙乳液产品稳定性进行测试,在30 mL试管中加入质量浓度5%的不同乳液,静置后观察和记录乳液的分层情况,并计算下层乳液的乳液含率(ε):

式中:k0为分层前混合物上界面所在刻度;k1为分层后混合物上层清液下界面所在的刻度,单位均为“mL”。

利用物理指标测量法对浸渍乳液的宣纸力学性能进行分析[13-15]。将不同实验组乳液均稀释至5%,倒入105 mm×148 mm玻璃盘中。将裁剪至64 K大小的宣纸均匀浸渍功能性苯丙乳液,待两面均浸渍完成后放入恒温箱中进行干燥处理,24 h以后备用。利用耐折度仪、电子万能试验机等对浸渍乳液的宣纸耐折性和力学性能进行分析。

(2)通过对比4组实验组中的最佳配置组与3种市售宣纸保护材料的产品稳定性、拉伸强度、耐折度等得到本文制备的功能性苯丙乳液宣纸保护应用性能实际水平。在对比实验中,需要根据不同保护材料的使用说明将不同的宣纸保护材料稀释至最佳配比,后续性能测试则参考“(1)”即可。

2 结果与分析

2.1 不同配比苯丙乳液宣纸保护应用效果

衡量功能性苯丙乳液宣纸保护性能的主要参数包括产品稳定性、耐折度、拉伸强度等指标[16-18]。表2为4个实验组功能性苯丙乳液宣纸保护应用效果对比情况。

表2 不同配比苯丙乳液宣纸保护应用效果对比

下层乳液含率可以充分体现功能性苯丙乳液在应用于国画宣纸保护时受到外界潮湿环境影响时的材料稳定性[19]。一般下层乳液含率越高,表示乳液在保护宣纸的过程中受到水环境的影响越小。由表2可知,从4个实验组下层乳液含率表现来看,实验组3的下层乳液含率显然高于另外3组,其次依次为实验组4、实验组1和实验组2。实验组3中烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠的质量比为10∶13。这是因为十二烷基硫酸钠为阴离子型如化解,其含量的提升为乳液带来了更多的负电荷,这种负电荷的相互排斥效果能够很好地防治功能性苯丙乳液中乳胶粒的聚集。但是当比例提升为10∶17后,实验组4的下层乳液含率反而有所下降,显然这种负电荷阻止乳胶粒相互聚集的能力有限。

耐折度直接反映某种宣纸或创作完成以后的宣纸作品能够被弯折的极限。从耐折度仪反映的指标来看,实验组3的耐折度高达321次,而其余3个组的耐折度基本保持在160～190次,与实验组3的差距极大。显然,当烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠比例为10∶13时,浸渍后的宣纸能够获得更强的耐折性。这可能是因为十二烷基硫酸钠这种乳化剂含量的提升增强了功能性苯丙乳液的韧性,从而在与纸张纤维融合后提升了纸张的耐折度。但实验组4的宣纸纸张耐折度存在明显下滑,这可能是因为十二烷基硫酸钠对纸张纤维韧性提升存在上限,当十二烷基硫酸钠含量过高时,反而会导致纸张韧性出现下降。

纸张的拉伸强度可以直接决定纸张的断裂极限等性能。从表2中4个组不同功能性苯丙乳液作用下宣纸的拉伸强度对比来看,实验组1、实验组2性能差异极小几乎可以忽略不计,实验组4综合表现优于实验组1、实验组2,实验组3在纵向、横向的拉伸强度优于实验组4,远优于实验组1、实验组2。显然,当烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠比例为10∶13时,宣纸在浸润功能性苯丙乳液以后能够获得最好的拉伸强度。这是因为在烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠比例为10∶13时乳胶粒表面水化层的空间位阻与静电排斥力的协同效果相对最好,此时宣纸纸张纤维间的相互作用最为紧密,纸张的韧性表现最好;过高或过低均无法使宣纸纸张纤维内部的乳化效果达到最佳[20]。

2.2 不同材料宣纸保护应用效果

目前书画宣纸保护常用的材料包括有机溶剂、脱酸剂等。本文选择3种市售宣纸保护材料作为对比组,以实验组3为实验组对不同材料宣纸保护应用效果进行分析。由于一般宣纸保护材料并非都为乳液形态,因此对比“下层乳液含率”这一指标意义不大。本文选择了光泽度、耐折度、拉伸强度3项指标作为标准对这4种不同材料的宣纸保护应用性能进行分析。表3为4种不同材料的宣纸保护应用效果对比。

表3 不同材料宣纸保护应用效果

由表3可知,从4种材料的光泽度来看,除对比组1外,其他3个组之间的差异不大,对比组2的光泽度表现最佳达到了4.7 gu,实验组3光泽度则为4.6 gu,仅次于对比组2。可见,尽管实验组3的光泽度表现并非4个组中最佳,但相对而言差异并不大,光泽度表现较为理想。

从耐折度指标对比来看,宣纸在浸渍对比组2材料后的耐折度表现最为理想,达到了332次,其次为实验组3达到了321次。相对而言,实验组3的耐折度表现不如对比组2,但优于对比组1、对比组3。

从拉伸强度指标来看,宣纸在浸润3种对比材料以后的拉伸强度整体差异不大,而实验组3的表现在4种材料中最好,横向、竖向拉伸强度分别达到了19.2、21.0 N,优于3种对比材料中表现最好的对比组2。

整体来看,表3中的4种材料以对比组2的表现最好,实验组3与对比组2相比在光泽度和耐折度表现方面略有欠缺,但拉伸强度方面表现的更好。在实际的应用环境中,书画宣纸保护人员可以根据实际的纸张保护需求进行灵活的选择。

3 结语

本文利用聚乙烯醇底液、烷基酚醛聚氧乙烯醚乳化剂等制备了一种专门用于书画宣纸保护的功能性苯丙乳液,通过调整烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠质量比例得到了该功能性苯丙乳液的最佳配置方法。

一方面,当烷基酚聚氧乙烯醚与十二烷基硫酸钠质量比例为10∶13时,功能性苯丙乳液在下层乳液含率、耐折度、拉伸强度等方面的表现最佳,分别达到了72.1%、321次、19.2 N(横向)、21.0 N(竖向)。另一方面,与当前市场面常见的3种国画宣纸保护应用材料相比,本文制备的最佳配置的功能性苯丙乳液在光泽度和耐折度方面较对比组2材料存在略微不足,但优于另外的2种保护材料;而在拉伸强度方面的表现为4种材料中最佳。不过本文所述分析均在较短时间内完成,考虑到功能性苯丙乳液随时间的延长可能光泽度与耐折度方面还存在一定的提升空间,与对比组2的性能差异可能会越来越小。