濕熱加速老化法降低古籍修復用紙伸縮性的研究

易曉輝，閆智培，龍 堃，田婷婷

(國家圖書館古籍保護科技文化和旅游部重點實驗室，北京 100034)

0 引 言

在古籍修復工作中，修復用紙作為最重要的載體材料，其使用性能直接關乎最終的修復效果，因此一直都備受修復師們重視[1-2]。許多有經驗的古籍修復師都有收集老紙的習慣，在經驗豐富的修復師看來，這些老紙“燥性小，溫和無火氣，服帖好用”[3]，修復效果是新紙無法比擬的。“火氣”的說法是修復師們比較形象的描述，實際指紙張的伸縮性。一些新制修復用紙的伸縮性常常偏大，在干濕變化時產生明顯的形變，產生縮皺現象[4]。而古籍紙張經歷漫長的自然老化，伸縮性已經變得非常穩定[5]。使用伸縮性較大的新紙來修復伸縮性較小的古籍，會存在匹配性問題。特別是在紙頁晾干之后，由于補紙伸縮較大，常常發生翹曲、抻拉變形甚至崩裂等現象，影響修復的效果[6]。

同時，古籍修復師在選紙時一般還會要求修復用紙的強度不能過高于原件紙張，實踐中新紙的強度一般都偏高，并不利于修復操作。近年有修復師提出采用加速老化的辦法，適度降低新制修復用紙的伸縮率和物理強度，改善其使用性能。老紙畢竟數量有限，大量的古籍修復工作還得依靠新紙來完成，如何改善新紙的性能成為當前古籍修復工作亟需解決的問題。

本實驗采用濕熱老化的方法對幾種新制修復用紙進行處理，測定紙張樣品在老化過程中伸縮性能的變化，分析濕熱老化對紙張縱橫向、伸縮率，以及浸濕后的濕脹率和干縮率的影響。同時，以古籍修復中的老紙樣品作為參照，評價濕熱老化法對新制修復用紙伸縮性的改善效果，驗證其在實際修復工作中應用的可行性。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和設備

1.1.1實驗材料 選用6種近5年新購買的古籍修復用紙，考慮到不同的造紙原料對紙張性能的影響，紙樣的選擇盡可能涵蓋各種常見原料制成的紙張[7]。實驗選取的6種紙樣，詳細信息如表1所示。

表1 實驗所用6種修復用紙樣品信息Table 1 Sample information of 6 kinds of restoration paper in the experiment

(續表1)

實驗還收集了4種古籍修復所用的老紙，其中有修復過程中從古籍上揭下來的襯紙，也有修復組所存老紙，詳細信息如表2所示。4種老紙將作為評價濕熱加速老化法改善新制修復用紙伸縮性的參照。

表2 實驗所用4種老紙樣品信息Table 2 Sample information of 4 kinds of old paper in the experiment

1.1.2實驗設備 Memmert溫濕度試驗老化箱；三豐數顯卡尺。

1.2 實驗方法

將6種新紙樣品分別裁成30 cm×30 cm的試樣，每種試樣各裁取35張，并分成7組，每組樣品含紙樣各5張。7組試樣中，取1組為對照組，不進行濕熱老化實驗，其他6組樣品分別進行1、2、3、4、5、6個老化周期的濕熱老化。

試樣的濕熱老化按照GB/T 22894—2008《紙和紙板加速老化在80 ℃和65%相對濕度條件下的濕熱處理》的要求進行，老化溫度為80 ℃，相對濕度為65%。為了模擬自然狀態下溫濕度隨季節變化對紙張伸縮性的影響，每個老化單位進行5 d的濕熱老化之后，溫度不變繼續保持80 ℃，將濕度調至最低值5%，繼續老化1 d，多個老化周期的試驗以此類推，循環操作。

老化試驗完成后，所有試樣按照GB/T 459—2002《紙和紙板伸縮性的測定》的要求測定其縱橫向的伸縮性。

造紙學中將紙機運行方向或纖維方向定為紙張縱向，與其垂直為橫向;手工紙的纖維方向一般跟簾線紋的方向一致，此為紙張縱向，與竹絲紋平行的方向則為紙張橫向。

2 結果與討論

2.1 不同種類修復用紙伸縮率的差異

古籍修復的過程常常需要將原件和修復用紙潤濕操作，由濕到干過程中紙張的尺寸變化是修復過程必須考量的問題。實驗選取6種修復用紙，測定紙樣從潤濕狀態到自然晾干過程中尺寸的總變化幅度，并取其縱橫向的平均值[8]，結果如圖1所示。

圖1 6種紙樣由濕到干時縱橫向尺寸變化的平均值Fig.1 Average values of the longitudinal and lateral dimensions of 6 kinds of paper from wet to dry

從圖1可以看出，纖維較為粗長的麻紙和桑構皮紙由濕到干時尺寸變化幅度較低，縱橫向的平均值基本在0.8%～1.0%左右。竹紙由濕到干尺寸變化較大，縱橫向的平均伸縮幅度高達1.75%。竹紙較大的伸縮性和實踐中竹紙潤濕后易縮皺變形的經驗相吻合[9]，其原因主要是竹紙的半纖維素含量較高，一般認為半纖維素含量是影響紙張伸縮性的重要因素[10]。

宣紙的伸縮性介于竹紙跟皮麻紙之間，其中特凈皮宣紙較高，達到1.38%；凈皮宣紙略低，跟皮麻紙接近。宣紙是青檀皮和沙田稻草混料制成，青檀皮為長纖維，稻草為短纖維。凈皮宣紙更多的短纖維含量使得纖維之間的扭結應力降低，紙質更加松軟柔和，由濕到干時尺寸的變化幅度也更小。

實驗結果表明，不同種類修復用紙的伸縮性存在顯著差異，古籍修復應選用和原件相同類型的紙張，避免伸縮性差異對修復效果的負面影響。另外在古籍字畫的裝裱和修復當中，許多修復師傾向于選用稻草含量更高的棉料夾宣作覆背紙，主要是考慮其伸縮性小，不易崩裂。而在一些明清時期裝裱修復的字畫中，常常發現以桑構皮紙作為命紙或覆背紙的實例。盡管如今這種情況已較為少見，但實驗數據和歷史案例都表明桑構皮紙在這方面的良好性能。此外，桑構皮紙比宣紙的機械強度和耐久性能都更好，發生崩裂的可能性也更小。

2.2 紙張縱橫向伸縮性的差異

實驗測試了6種紙樣由潤濕到自然晾干過程中縱向和橫向伸縮情況。結果如圖2所示，6種紙樣的橫向伸縮率都大于縱向，縱向伸縮率約為橫向的50%～80%左右。這是由于蕩簾過程中水流的梳理作用使大部分纖維呈縱向排列，纖維在縱向上相對比較伸展，干濕變化時伸縮的余地較小。而在橫向上纖維伸展的較少，一些纖維甚至處于彎曲或收縮狀態，干濕變化時的伸縮幅度較大[11]。

圖2 6種紙樣由濕到干時縱向和橫向的尺寸變化Fig.2 Change of the longitudinal and lateral dimensions of 6 kinds of paper from wet to dry

對比6種修復用紙縱橫向的伸縮率以及圖1中的平均值，可以發現縱向的伸縮率盡管數值不大，但不同種類的紙樣呈現比較明顯的差異。由于不同種類的紙張其纖維原料的特性和尺寸差別較大，纖維本身的伸縮性也不盡相同，導致在纖維方向(縱向)上的伸縮率出現明顯不同[12]。而在橫向上的尺寸變化主要受纖維的彎曲和收縮來決定，各種紙張之前的差異相對較小，其中麻紙、構皮紙、桑皮紙和凈皮宣紙的橫向伸縮率都非常接近。

2.3 不同種類紙張濕脹和干縮性的差異

紙張的伸縮性包括兩個組成部分，即潤濕后的伸長和干燥之后的收縮。修復用紙一般要求干濕變化幅度不宜過大，潤濕后的伸長量要適中，干燥之后的收縮量盡量小。尤其是對于補紙和托紙，干燥之后收縮太大會造成原件褶皺，影響最終的修復效果。

實驗對6種修復用紙在潤濕后的伸長率和干燥之后的收縮率進行測定和分析，結果如圖3所示。6種紙樣的濕脹率和干縮率都較為均衡，干縮率一般略大于濕脹率。這些紙樣都是近年生產的新紙，由于焙干過程中紙張受到的拉抻作用，紙張纖維處于緊繃的狀態下快速干燥，內部纖維之間存在一定的應力。紙樣經過濕水再經自然晾干之后，紙幅尺寸都有比較明顯的回縮[13]，這就是所謂的“火氣”。紙張在經過較長時間的自然陳放和老化之后，“火氣”會逐漸降低，尺寸趨于穩定。古籍紙張經過幾百年甚至上千年的春秋干濕交替，“火氣”早已褪盡，干縮率極小，這就要求修復用紙也應具備與其相匹配的伸縮率。從實驗的結果來看，顯然大部分新紙的干縮率還都比較高，跟古籍紙張的穩定性有一定的差距，采取相應措施降低新制修復用紙的伸縮性非常有必要。

圖3 6種修復用紙的濕脹和干縮率Fig.3 Six kinds of restoration paper with a range of swelling and shrinkage rates

2.4 6種修復用紙老化過程中的伸縮率變化

2.4.1老化過程中縱橫向伸縮率平均值的變化 紙張由濕到干過程中所表現出來的伸縮性是由內部纖維彎曲、收縮所產生的應力引起的，根據使用的經驗，老紙因經歷自然陳化，伸縮率較小。實驗將6種紙樣置于老化箱中進行濕熱老化，測定紙樣在每個老化周期結束之后由濕到干過程中紙張縱橫向伸縮率的平均值，結果如圖4所示。

圖4 6種修復用紙在濕熱老化過程中伸縮性的變化曲線Fig.4 Variation curve of strech of 6 kinds of paper during the hygrothermal aging

6種修復用紙隨著老化周期的遞增，伸縮率都呈下降趨勢。這跟日常經驗是吻合的，經過老化之后紙張的伸縮性會逐漸減小，“火氣”“燥性”逐漸褪去，尺寸趨于穩定[14-15]。在6個周期的老化進程當中，前兩個周期伸縮率下降較為明顯，幅度較大。從第3個周期開始紙樣伸縮率的下降明顯趨緩，表明對修復用紙進行2～3個周期左右的預老化是比較有效的，既能夠顯著降低紙張的伸縮性，也能最大限度地減小老化過程中紙張性能的損失。超過3個周期的老化對伸縮性的降低仍具有一定作用，但降低的幅度已經逐漸趨緩。

6種不同原料的修復用紙在老化過程中縱橫向平均伸縮率的變化曲線基本保持同步下降的趨勢，伸縮性較大的竹紙和特皮宣紙在老化的各個階段都維持較高的伸縮率，伸縮性較小的麻紙和桑皮紙從始至終都處于最低水平。實驗的結果表明6種試樣的伸縮率對濕熱老化的響應沒有顯著差別，只是初始伸縮率較大的紙張下降稍快，初始伸縮率較小的紙張下降的稍慢一些。

從濕熱老化對紙張伸縮性的改善效果來看，2個老化周期之后，6種試樣的伸縮率平均下降了22.1%，其中麻紙、竹紙和特皮宣紙的伸縮率都下降了25%左右，桑構皮紙和凈皮宣紙伸縮率下降了18%～22%左右。6個老化周期之后，6種試樣的伸縮率平均下降了41.4%，其中麻紙、桑皮紙和竹紙都下降了45%～50%，構皮紙和凈皮宣紙也下降了30%～35%。

2.4.2老化過程中伸縮性在縱橫向上的變化 經過濕熱老化之后6種修復用紙伸縮率的均值都出現了明顯下降。在古籍修復實踐操作當中，紙張縱橫向是需要考慮的一項重要因素。為了保證修復用紙和原件紙張外觀上更協調一致，需要將二者的簾紋盡可能對齊。在視覺美觀的同時，也兼顧了紙張縱橫向伸縮性差異的影響，避免因縱橫向不吻合而導致伸縮不同步的問題。

實驗測定了6種修復用紙在老化過程中伸縮率在縱橫向上的變化，結果如圖5所示。隨著老化時間的加長，紙樣的伸縮率在縱向和橫向上都呈下降趨勢，但其下降幅度卻出現了明顯的差別。橫向伸縮率在老化過程中的下降更為明顯，縱向伸縮率下降的幅度則要小得多，部分紙樣的橫向伸縮率甚至在第1個老化周期后就基本保持穩定，直到第6個老化周期仍僅有小幅波動。產生這一結果的原因跟3.2中紙張在縱橫向上伸縮性的差異是一致的，由于在老化之后，彎曲或收縮狀態的纖維因為內部纖維素的降解，纖維結構彈性降低，彎曲或收縮應力被削減，造成紙張在橫向上的伸縮性呈現明顯的下降。而縱向上處于彎曲和收縮狀態的纖維較少，受這一因素的影響沒有那么顯著，老化過程對縱向伸縮性的影響有限。一些伸縮性本身就偏低的紙張，如麻紙、桑皮紙在經過6個周期的老化之后，縱向的伸縮性幾乎沒有太大的變化。

圖5 濕熱老化過程中6種修復用紙伸縮性在縱橫向上的變化情況Fig.5 Changes of 6 kinds of paper stretch vertically and horizontally during the hygrothermal aging

2.4.3老化過程中濕脹和干縮性的變化紙張 在老化過程中濕脹和干縮性變化情況是本實驗考察的主要指標，也是衡量濕熱加速老化法是否能夠有效改善修復用紙伸縮性的關鍵。實驗測試了6種新制修復用紙在濕熱老化過程中濕水潤脹和干燥收縮的尺寸變化率，結果如圖6所示。隨著濕熱加速老化時間的延長，所有紙樣潤濕后的伸長率都基本維持穩定，沒有出現明顯的升降趨勢，這一結果表明濕熱加速老化并不會影響修復用紙潤濕后的伸長率。從紙張潤濕變形產生的機理來看，潤濕之后紙張纖維潤脹，尺寸增加，進而引起紙頁尺寸的變化[16]。紙張老化的過程并不會明顯改變植物纖維的潤脹率，因此實驗中修復用紙樣品的濕脹率在6個周期的濕熱老化中基本維持不變。

圖6 濕熱老化過程中6種修復用紙濕脹和干縮性的變化情況Fig.6 Variation of expansion and shrinkage of 6 kinds of paper during the hygrothermal aging

受加速老化影響比較明顯的是紙張的干縮率，實驗中6種紙樣的干縮率隨著濕熱加速老化周期的遞增都呈明顯下降的趨勢。老化前紙樣的干縮率普遍在0.5%～1.0%左右，6個周期的濕熱老化后基本都降至0.2%左右，部分紙樣甚至降到0.1%以下。這一結果跟濕脹率的情況形成鮮明對比，濕熱老化過程中紙樣的濕脹率基本不變，而干縮率卻顯著下降。表明隨著老化時間的增加，新紙的“火氣”逐漸降低，濕紙再晾干之后，尺寸跟潤濕前基本相近。通過濕熱老化改善修復用紙的伸縮性，尤其是其干縮性，獲得了非常積極的實驗結果。

產生這一結果的原因一方面是濕熱老化過程對紙張內部應力的消解，使得紙張在老化后發生了一定程度的回縮。老化過程中高濕度空氣對紙張的潤濕作用跟吸水潤濕相類似[17]，新紙內部的形變應力和彈性應力在潤濕之后隨著氫鍵的破壞而消解，自然晾干后在沒有紙焙的強制拉抻的情況下自然收縮。濕熱老化時紙張在高濕度空氣的潤濕下也會發生同樣的收縮現象，紙頁尺寸回縮到較為穩定的狀態，跟濕水之后自然晾干的效果相類似[18]。另一方面，紙張纖維在干濕交替變化的過程中還存在纖維吸收的滯后效應[14]。當環境濕度較高時，纖維羥基吸收水分，干燥時，水分從纖維中蒸發解吸，部分原來未形成氫鍵的游離羥基互相形成氫鍵結合。多次干濕變化之后，纖維之間的氫鍵結合增多，纖維間的聯結更加緊密，紙張尺寸變化也逐漸變小。

相關實驗也證實了這一現象，3種修復用紙分別經過6個周期的濕熱老化和浸水潤濕，晾干后的收縮率對比如圖7所示，兩種不同處理過程之后紙樣的收縮率非常接近。老化后的干縮率是濕水晾干后的收縮幅度跟老化后干紙尺寸的比值，由于濕熱老化后干紙的尺寸跟水浸后晾干不斷趨近，最終使測得的老化后的干縮率逐漸降低，甚至低至0.1%以下。

圖7 6個周期濕熱老化后的收縮率跟潤濕后晾干的收縮率對比Fig.7 Shrinkage rates after 6 periods of aging compared with those after wetting and drying

2.5 濕熱老化對修復用紙伸縮性改善效果的評價

實驗數據已經證實濕熱老化能夠降低新紙的伸縮率，尤其是干縮率，顯著改善新紙的尺寸穩定性。但濕熱老化是否能夠達到自然陳化的效果，使新紙的使用性能接近老紙，還需要跟老紙樣品的伸縮性數據進行比較。

實驗測試了4種老紙樣品縱橫向的伸縮率，濕脹率和干縮率，結果如圖8所示。4種老紙樣品經過長時間的自然老化之后，尺寸都變得較為穩定，潤濕及干燥之后的伸縮率較新紙都明顯低得多。尤其是潤濕之后的干縮率和橫向伸縮率較新紙顯著下降，自然老化后紙張伸縮率的變化趨勢跟濕熱加速老化基本一致。

依照紙張原料種類相對應的原則，將圖4、圖5、圖6種新制修復用紙濕熱老化過程中的伸縮率和圖8中對應老紙的數據進行比對，以4種老紙的干縮率和橫向收縮率為基準，粗略估算同類別的新紙濕熱老化到和老紙相近所需的周期數，結果如表3所示。

圖8 4種老紙的伸縮率數據Fig.8 Streching rate data of 4 kinds of old paper

表3 新紙達到對應老紙伸縮率所需的老化周期數Table 3 Aging time required for the new paper to reach the strech rate of the old paper

根據比對的結果，若以干縮率為標準，新制修復用紙經過3～6個周期的濕熱老化都可以達到和老紙相近的水平；而以橫向伸縮率為標準，新制修復用紙在4～5個濕熱老化周期內可接近20世紀50年代到70年代老紙的水平，但要達到清代老紙的水平則還需延長老化時間。

從古籍修復的實際需求來看，清早期的宣紙和清中期的竹紙已經出現明顯老化。修復用紙一般也不需要將紙張老化到這么重的程度，過度老化會造成紙張強度及其他性能的下降，并不利于古籍修復，長于6個周期的濕熱老化并非必要。根據修復師們的實踐經驗，20世紀七八十年代修復用紙的使用性能已經非常良好，完全可以滿足修復工作的要求。若以此為標準，大部分新制修復用紙經過約3～5個周期的濕熱老化即可顯著改善其伸縮性，降低新紙的“火氣”，基本可以滿足古籍修復工作的需要。

2.6 濕熱老化過程對紙張性能的影響

采用加速老化的辦法處理修復用紙，在改善紙張伸縮性的同時，客觀上也會造成紙張一定程度的老化，降低紙張強度，這也是該方法實際應用較為謹慎的原因之一。但從修復實踐的經驗來看，修復師在選紙時一般希望補紙的強度不宜過高于原件紙張，以此推之，適度老化的紙張更適于修復的使用。但古籍修復的目的不外乎延長紙頁的保存壽命，這又要求修復用紙應具有較好的強度，不能過度老化。因此從客觀上來看，這兩條原則在某種程度上是相悖的，實際工作中如何把握好二者的平衡，嚴格控制老化的程度，既要適度改善紙張的使用性能，又不能使發生明顯的老化。

對于手工紙而言，紙張纖維的聚合度是紙張強度和綜合性能的根本。紙張老化就是纖維降解所引發的聚合度下降的過程，測定纖維聚合度可以綜合反映溫濕度處理過程對紙張性能的影響。由于清代宣紙含皮量比較高，所以用紅星特凈皮宣紙代表宣紙進行實驗。實驗檢測了5種修復用紙在第3個濕熱老化周期和第5個濕熱老化周期前后的纖維聚合度，同時將其與4種老紙的聚合度數據進行比對(表4)。

表4 5種修復用紙濕熱老化處理后與4種老紙的纖維聚合度Table 4 Fiber polymerization degrees of 5 kinds of restoration paper after heat aging treatments and 4 kinds of old paper

結果發現5種修復用紙老化3個周期之后紙張樣品的聚合度跟50年代、70年代同類紙樣的聚合度相近，老化5個周期之后的紙樣聚合度都高于同類的清代紙樣聚合度。采用3～5個周期的濕熱老化處理對修復用紙是較為安全的，在改善紙張伸縮性能的同時，不會造成修復用紙的過度老化。

3 結 論

本研究分析了6種新制修復用紙的伸縮性數據及其在濕熱加速老化過程中的變化，并與4種老紙的伸縮率相比對，結果表明采用濕熱老化改善新制修復用紙的伸縮性是可行的，結論如下。

1) 不同原料的修復用紙在伸縮性上存在明顯的差異，古籍修復應盡可能選配與原件紙張纖維成分相同或相近的紙張。

2) 修復用紙的伸縮性在縱向和橫向上存在差異，新紙的差異尤其明顯，修復中應盡可能使補紙和書頁的簾紋方向一致。

3) 濕熱加速老化可以明顯降低新制修復用紙的伸縮率，尤其是可以顯著降低新紙的干縮率和橫向伸縮率，達到和老紙相近的水平。古籍修復工作中可以將新紙進行適度老化，以降低“火氣”，改善其使用性能。

4) 濕熱加速老化會在一定程度上降低紙張強度，實際工作中需要根據修復用紙的具體用途，綜合考量紙張伸縮性和強度對修復效果的影響，合理選擇適當的處理方式。