水彩畫(huà)紙吸收性評(píng)價(jià)方法的建立

石立明 李 政 萬(wàn) 瑩 杜 齊 劉 文 楊 揚(yáng) 毛宗久

（1.保定市華融紙廠，河北保定，071000；2.中國(guó)制漿造紙研究院有限公司，北京，100102；3.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102）

繪畫(huà)用紙可分為中國(guó)畫(huà)用紙和西洋畫(huà)用紙兩大類，其中中國(guó)畫(huà)用紙包括宣紙、夾江紙等；西洋畫(huà)用紙包括素描紙、水彩畫(huà)紙、版畫(huà)紙等[1]。水彩畫(huà)紙是專門(mén)供美術(shù)界（及有關(guān)專業(yè)院校）用來(lái)繪制水彩畫(huà)的一種紙張[2]。根據(jù)水彩畫(huà)家描述、水彩畫(huà)技法和作畫(huà)需求的要求，水彩畫(huà)紙需具有合適的吸收性、耐擦性、伸縮性、耐久性、色彩還原性、耐水洗性等特性。其中合適的吸收性主要是由于水彩畫(huà)創(chuàng)作是在有大量水存在的情況下進(jìn)行，水彩畫(huà)的各種技法都離不開(kāi)水的擴(kuò)散和滲透，太易吸水的紙張和吸水性太差的紙張都不能進(jìn)行水彩畫(huà)的創(chuàng)作。因此水彩畫(huà)紙的吸收性是影響水彩畫(huà)各種作畫(huà)技法的關(guān)鍵指標(biāo)，也是判斷水彩畫(huà)紙優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

但水彩畫(huà)紙吸收性的判定多依賴于畫(huà)家的主觀感受，單一的吸收性檢測(cè)方法較難綜合評(píng)測(cè)水彩畫(huà)紙的吸收性，這對(duì)水彩畫(huà)紙的研發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)生了不利的影響。專利JP1996-188313[3]中介紹了一種評(píng)價(jià)水彩畫(huà)紙吸收性的方法，將水彩顏料和水按照質(zhì)量比1∶1 混合，用水彩畫(huà)筆蘸取配置的水彩顏料涂于紙面，從水分接觸紙面開(kāi)始計(jì)時(shí)，水分全部吸收時(shí)停止計(jì)時(shí)，以時(shí)間評(píng)價(jià)吸收性的差異。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這種方法操作起來(lái)誤差很大，很難準(zhǔn)確區(qū)分不同樣品之間的差異。

目前，用于測(cè)量紙張吸收性的儀器和方法很多，每種方法都有各自的特點(diǎn)和適用范圍，如表1所示。

表1 造紙工業(yè)中常用的紙張吸收性檢測(cè)方法Table 1 Absorption testing methods commonly used in papermaking industry

本研究選取了6 種國(guó)內(nèi)外不同品牌的水彩畫(huà)紙，采用7種不同的吸收性檢測(cè)方法對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)研究不同吸收性檢測(cè)方法的測(cè)試結(jié)果，并綜合分析每個(gè)樣品的繪畫(huà)性能差異，進(jìn)而制定了一套適用于全面判定水彩畫(huà)紙吸收性的檢測(cè)方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

水彩顏料：群青（660）、深鎘紅（098）、檸檬黃（346），歌文水彩顏料，溫莎&牛頓。

其他繪畫(huà)用具：平頭水彩畫(huà)筆（寬6.36 mm，Skyists202系列），阿拉伯樹(shù)膠（天馬美術(shù)顏料有限公司），繪圖鉛筆（8900HB，北京鉛筆廠），繪圖橡皮（4B/100A，韓國(guó)花郎）。

墨水劃線法原料：標(biāo)準(zhǔn)墨水，直線筆（鴨嘴筆），施膠度標(biāo)準(zhǔn)圖片，施膠度墨水滲透擴(kuò)散比較板，放大鏡（帶有刻度，放大倍數(shù)為10 倍，測(cè)量距離的刻度分度為0.05 mm），定性濾紙。

液體滲透法原料：1%三氯化鐵溶液（1.0 g 分析純?nèi)然F溶解于水中，稀釋至100 mL），2%硫氰酸銨溶液（2.0 g 分析純硫氰酸銨溶解于水中，稀釋至100 mL），滴瓶（滴管傾斜45°時(shí)，每滴液量為0.06 mL），培養(yǎng)皿，秒表。

表面吸收度法原料：框架（能置于水平或與平面呈30°角），滴定管（容量為25 mL，以23℃蒸餾水校對(duì)時(shí)，每20滴的容積為1 mL），蒸餾水，秒表。

水彩畫(huà)紙：國(guó)內(nèi)外6 種水彩畫(huà)紙（基本信息如表2所示）。

表2 國(guó)內(nèi)外水彩畫(huà)紙基本信息Table 2 Basic information of watercolor paper at home and abroad

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)儀器見(jiàn)表3所示。

表3 用于測(cè)試吸收性的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及所用儀器Table 3 Main experimental items and instruments for adsorption test

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）墨水劃線法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 460—2008方法A進(jìn)行測(cè)定。

（2）液體滲透法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 460—2008方法B進(jìn)行測(cè)定。

（3）紙和紙板表面吸收度法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 461.2—2002進(jìn)行測(cè)定。

（4）可勃（Cobb）法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1540—2002 紙和紙板吸水性的測(cè)定可勃（Cobb） 法，分別測(cè)試不同試樣的Cobb（60），Cobb（120）和Cobb（300）。

（5）赫克力士施膠度測(cè)試（HST）[4]

配置甲酸濃度為40%的基礎(chǔ)油墨，參照TAPPI T 530 pm-07 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)機(jī)預(yù)熱并校準(zhǔn)后，設(shè)定反射率終值為90%。使用配置好的油墨進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)反射率降至預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)停止計(jì)時(shí)，當(dāng)測(cè)試時(shí)間超過(guò)1600 s 時(shí)也會(huì)停止計(jì)時(shí)，然后繪制反射率-時(shí)間變化曲線圖。

（6）接觸角法

水彩顏料的載色劑為阿拉伯膠，本研究通過(guò)測(cè)試阿拉伯樹(shù)膠溶液的接觸角來(lái)表征水彩畫(huà)紙紙面的潤(rùn)濕情況，具體的操作方法參照標(biāo)準(zhǔn)T 558 om-97。取2 g阿拉伯樹(shù)膠溶液加水至20 g，在接觸角測(cè)定儀上測(cè)量阿拉伯樹(shù)膠溶液與樣品紙面在接觸時(shí)間分別為0、10、20、30 min時(shí)的接觸角。在紙面干燥后，用掃描儀對(duì)紙面上的阿拉伯樹(shù)膠進(jìn)行掃描，使用Image-Pro Plus 圖像處理軟件計(jì)算阿拉伯膠在紙面上的擴(kuò)散面積。

（7）動(dòng)態(tài)滲透法

將試樣切成70 mm×50 mm 規(guī)格，用專用膠帶將試樣粘在試樣夾上，然后固定好試樣夾。將測(cè)量槽中注入蒸餾水至指定位置處。打開(kāi)測(cè)量程序，設(shè)定測(cè)試時(shí)間為20 min后進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 墨水劃線法、液體滲透法和表面吸收度法分析

表4 為不同樣品墨水劃線法、液體滲透法和表面吸收度法吸收性測(cè)試結(jié)果。從表4可以看出，不同水彩畫(huà)紙的施膠度均較高，具有較高的抗水性。其中墨水劃線法和表面吸收度法不能區(qū)分出不同紙張吸收性的差異。從液體滲透法可以看出，5 號(hào)紙張滲透時(shí)間最短，這可能是其定量較低、紙張較薄的緣故；2 號(hào)和3號(hào)紙張液體滲透的時(shí)間較短，符合水彩畫(huà)工作者的認(rèn)識(shí)。但是測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，三氯化鐵溶液顏色的變化是由黃到紅一個(gè)漸變的過(guò)程，因此很難準(zhǔn)確判斷出實(shí)驗(yàn)的終點(diǎn)，特別是1號(hào)紙張根本無(wú)法判斷測(cè)試終點(diǎn)。由此可以看出以上3種方法均不適于評(píng)定水彩畫(huà)紙的吸收性。

表4 不同樣品墨水劃線法、液體滲透法和表面吸收度法吸收性測(cè)試結(jié)果Table 4 Determination results of ink line method,liquid penetration method and surface absorbance towards different samples

2.2 赫克力士施膠度測(cè)試（HST）分析

HST 法是國(guó)外測(cè)試施膠度比較常用的1 種方法。測(cè)試時(shí)墨水被施加到測(cè)試紙樣表面，通過(guò)光電元件記錄紙張被墨水滲透時(shí)對(duì)面的反射率下降值，當(dāng)反射率下降到一個(gè)預(yù)設(shè)的水平，自動(dòng)計(jì)時(shí)器會(huì)停止計(jì)時(shí)并記錄下測(cè)試時(shí)間。反射率終點(diǎn)的設(shè)定范圍要在50%～80%之間，一般選用80%，反射率高于90%的設(shè)定通常用于研究。HST 使用中性萘酚綠B 作為基礎(chǔ)油墨，使用一定比例的甲酸作為滲透加速劑，以加快滲透速度。紙張的施膠程度影響油墨的滲透速度，施膠度高，油墨滲透速度慢，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)量時(shí)間最好控制在30～600 s 之間[4]。根據(jù)紙張施膠度的不同，滲透加速劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可選用1%、5%、20%、40%，但滲透加速劑所起到的加速速率與紙張所選用的施膠劑有關(guān)。Chen 等人[5]認(rèn)為，甲酸滲透劑對(duì)滲透速率的影響與施膠劑和纖維的鍵接方式有關(guān)。甲酸滲透劑更容易破壞松香-鋁施膠體系與纖維形成配位連接，而不易破壞AKD 與纖維形成的β-酯鍵連接，因此在HST 測(cè)試中使用甲酸作為滲透加速劑對(duì)AKD 施膠的紙張基本無(wú)效。

圖1是當(dāng)甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%時(shí)的反射率隨時(shí)間的變化曲線圖。從圖1 中可以看出，5 號(hào)紙的反射率隨時(shí)間下降非常快，而其余樣品當(dāng)終點(diǎn)反射率設(shè)為90%時(shí)，測(cè)試時(shí)間均超過(guò)了1000 s。上文中提到當(dāng)紙張使用松香-硫酸鋁體系施膠時(shí)，添加甲酸會(huì)顯著縮短測(cè)試的時(shí)間，而當(dāng)使用AKD 施膠時(shí)，即使添加甲酸也不會(huì)對(duì)測(cè)試時(shí)間產(chǎn)生影響。如果改為甲酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的基礎(chǔ)油墨對(duì)5 號(hào)紙張進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)終點(diǎn)反射率為90%時(shí)的測(cè)試時(shí)間也較長(zhǎng)，因此可以推測(cè)5號(hào)紙張可能采用松香-硫酸鋁體系進(jìn)行施膠，而其余紙張可能采用AKD 施膠。圖1 中的趨勢(shì)表明1 號(hào)和2 號(hào)紙張的吸收性相對(duì)較好，這與畫(huà)家們一般認(rèn)為的2 號(hào)和3號(hào)吸水，1 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)和6 號(hào)紙不吸水的觀點(diǎn)有相悖之處。而且HST的測(cè)試時(shí)間應(yīng)該控制在30～600 s之內(nèi)較適宜，但所有樣品的測(cè)試時(shí)間均過(guò)長(zhǎng)，因此顯然HST法不適宜測(cè)試水彩畫(huà)紙的吸收性。

圖1 HST反射率-時(shí)間曲線圖Fig.1 HST reflectance-time curves

2.3 Cobb法分析

圖2 為不同樣品的Cobb 吸水值。由圖2 可以看出，不同水彩畫(huà)紙的施膠度均較高，Cobb（60）的值在（20±4）g/m2的范圍內(nèi)，隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，Cobb 值可以粗略地區(qū)分各種水彩畫(huà)紙吸收性的差異，即1、2、3 號(hào)吸收性較強(qiáng)，4、5、6 號(hào)吸收性較差。Cobb 法由于其操作簡(jiǎn)便，可用來(lái)粗略評(píng)定水彩紙的施膠程度，作為評(píng)定水彩畫(huà)紙吸收性的方法之一，但由于其測(cè)量精度較差且不同樣品之間數(shù)值差距較小，因此還需進(jìn)一步探究精確測(cè)定水彩畫(huà)紙吸收性的方法。

圖2 不同樣品的Cobb吸水值（誤差棒±1）Fig.2 Cobb value of samples(error bar±1)

2.4 接觸角法分析

接觸角法在測(cè)量物體表面的潤(rùn)濕性能方面應(yīng)用廣泛。在一個(gè)理想的（潔凈、平滑、均一和不可溶）平面，放一滴非揮發(fā)的純凈液滴，液體與表面之間力的平衡被確立。如果液體和固體之間的作用力大于分子之間的作用力，液體將自發(fā)地在固體表面擴(kuò)展，稱為潤(rùn)濕作用。如果這些作用力達(dá)到一種過(guò)渡的平衡，將形成一個(gè)平衡液滴，其形狀由固液氣三相交界處任意兩相間的夾角所決定，通常規(guī)定在三相交界處自固液界面經(jīng)液滴內(nèi)部至氣液界面之間的夾角為平衡接觸角[6]。當(dāng)接觸角＜90°時(shí)，液體能夠潤(rùn)濕固體表面；當(dāng)接觸角＞90°時(shí)，不發(fā)生潤(rùn)濕作用。當(dāng)液滴形成一定接觸角θ時(shí)，固體和液體的表面張力以及固體和液體間的界面張力之間的關(guān)系可由Young 方程來(lái)表示，見(jiàn)式（1）[7]。

式中，γ表示界面（表面）張力；s、l和sl分別指固體和液體及固液界面。

接觸角可以用來(lái)衡量固液界面之間的潤(rùn)濕情況，主要受固體的表面能和粗糙度等因素影響[6]。阿拉伯膠是水彩顏料中的載色劑[8]，幾乎能完全溶于冷水中，因此可以通過(guò)測(cè)量阿拉伯膠的接觸角來(lái)表征作畫(huà)時(shí)顏料在紙面的擴(kuò)散情況。表5為水彩畫(huà)紙的動(dòng)態(tài)接觸角及最終擴(kuò)散面積。由表5可以看出，此方法能夠區(qū)分出不同樣品的差異。實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，1 滴阿拉伯膠膠液滴到不同樣品的紙面上完全干燥大概需要50～60 min，樣品的初始接觸角都較大，這也證明了水彩畫(huà)紙的施膠度較高，但干燥過(guò)程中不同樣品接觸角的變化趨勢(shì)存在差異，阿拉伯膠液在2、3、4號(hào)紙面直至干燥都能保持較大的接觸角不發(fā)生鋪展，因此最終在紙面上擴(kuò)散的面積也較小。擴(kuò)散后阿拉伯膠在紙面也呈現(xiàn)不同的分布狀態(tài)，阿拉伯膠能夠較均勻地在2、3、4 號(hào)紙面覆蓋一層，而在1 號(hào)和6 號(hào)紙面則較多地?cái)U(kuò)散到周?chē)@可能是造成繪畫(huà)時(shí)產(chǎn)生筆痕和水印的原因。由此看出接觸角法可以更精確地評(píng)價(jià)水分在紙張表面橫向的擴(kuò)散情況，可作為水彩畫(huà)紙吸收性的評(píng)價(jià)方法之一。

表5 水彩畫(huà)紙的動(dòng)態(tài)接觸角及最終擴(kuò)散面積Table 5 Dynamic contact angle and final diffusion area of watercolor paper

2.5 動(dòng)態(tài)滲透測(cè)定法分析

動(dòng)態(tài)滲透的測(cè)試原理是利用超聲波發(fā)射器發(fā)出1 MHz的低頻超聲波，超聲波首先透過(guò)液體到達(dá)被檢測(cè)試樣，然后穿透試樣并被部分吸收，之后繼續(xù)穿過(guò)檢測(cè)液體，最終到達(dá)超聲波接收裝置。因?yàn)槌暡ㄔ诓煌镔|(zhì)中的透過(guò)或吸收是不同的，因此從液體與紙張接觸瞬間開(kāi)始，紙張孔隙中空氣的壓縮、排除，液體的滲透、吸收，纖維的潤(rùn)脹，H—H 鍵的斷裂及紙張組分的破壞等都會(huì)引起超聲波傳播振幅的變化[9]。

圖3 為水彩畫(huà)紙的動(dòng)態(tài)滲透曲線。從圖3（b）可以看出，雖然樣品Cobb（60）的值相近，但是動(dòng)態(tài)滲透過(guò)程卻差異較大，2、3 號(hào)紙張水分的滲透速率很快，而5、6 紙張水分的滲透速率較慢。圖3（a）的滲透曲線此規(guī)律更明顯，動(dòng)態(tài)滲透的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與畫(huà)家作畫(huà)時(shí)對(duì)紙張吸收性快慢的感受一致。因此采用動(dòng)態(tài)滲透法能夠很好地表征水彩畫(huà)紙縱向水分滲透的快慢，可以作為評(píng)價(jià)水彩畫(huà)紙吸收性的方法之一。

圖3 水彩畫(huà)紙的動(dòng)態(tài)滲透曲線Fig.3 Dynamic permeability curves of watercolor paper

2.6 水彩畫(huà)紙吸收性檢測(cè)方法分析

分析以上的檢測(cè)結(jié)果，水彩畫(huà)紙的吸收性可通過(guò)Cobb 法、接觸角法和動(dòng)態(tài)滲透法綜合評(píng)定，其中Cobb（60）可以粗略判斷紙張施膠的程度，接觸角法可以精確判斷紙張表面橫向水分的擴(kuò)散情況，動(dòng)態(tài)滲透法可以精確判斷紙張縱向水分的滲透情況，即當(dāng)紙張Cobb（60）值在（20±4）g/m2范圍內(nèi)時(shí)，水分在紙張表面橫向擴(kuò)散越慢越好，縱向滲透越快越好。因?yàn)樗十?huà)紙的吸收性是影響各種繪畫(huà)技法的關(guān)鍵性能，因此有必要精確區(qū)分不同紙張吸收性的差異。

3 結(jié) 論

采用7 種表征紙張吸收性的方法對(duì)國(guó)內(nèi)外不同水彩畫(huà)紙進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合水彩畫(huà)工作者對(duì)各種水彩畫(huà)紙吸收性的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而建立了一套能夠綜合評(píng)定水彩畫(huà)紙吸收性的檢測(cè)方法。

3.1 墨水劃線法、液體滲透法、表面吸收度法和HST法不適宜測(cè)試水彩畫(huà)紙的吸收性。

3.2 水彩畫(huà)紙的吸收性可通過(guò)Cobb法、接觸角法和動(dòng)態(tài)滲透法綜合評(píng)定，紙張Cobb（60）值在（20±4）g/m2范圍內(nèi)時(shí)，接觸角在30 min 之內(nèi)變化應(yīng)較小，1200 s動(dòng)態(tài)滲透曲線所表示的滲透速率應(yīng)較快。