一種國畫宣紙保護專用材料苯丙乳液改性研究

李 璐

(西安美術學院,陜西 西安 710065)

國畫創作所使用的宣紙在長期保存過程中容易因為霉變、磨損、酸化降解等而出現發黃、破損、變脆等問題。這些問題一旦出現則國畫的保存質量及壽命等均會受到較大影響。因此,針對國畫宣紙開發保護材料是提升國畫作品紙張物化性能、保證國畫作品長期健康保存的關鍵[1-3]。苯丙乳液即苯乙烯-丙烯酸酯乳液,是一種極具價值的非交聯型乳液,常被應用于制作建筑涂料、乳膠涂料等,具有耐熱、耐老化、成膜性強等性能優勢。本文嘗試制備一種專用于宣紙的功能性苯丙乳液,認為這種成膜以后透明度極佳的乳液材料能夠很好地改善宣紙機械性能,防止宣紙在長期不理想保存環境下出現變化、破損或變脆等問題。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與方法

1.1.1實驗材料

苯丙乳液的制備方法并不單一,常見的包括有機硅改性、有機氟改性、環氧樹脂改性等[4-7]。不同苯丙乳液制備方法所需材料差異較大。表1所示為制備本文所需宣紙保護專用功能性苯丙乳液所需主要材料:聚乙烯醇(化學純),上海凱茵化工有限公司;烷基酚聚氧乙烯醚(化學純),盼得(上海)國際貿易有限公司;氨水(化學純),上海邁瑞爾生化科技有限公司;碘溶液(化學純),余干縣泰林碘業有限公司;甲基丙烯酸甲酯(分析純),上海邁瑞爾生化科技有限公司;丙烯酸丁酯(分析純),青島明遠新材料有限公司;苯乙烯,深圳市淇安科技有限公司;十二烷基硫酸鈉(分析純),蘇州森碩化工科技有限公司;過硫酸銨(分析純),上海邁瑞爾生化科技有限公司;碳酸氫鈉(分析純),上海凱茵化工有限公司。

表1 功能性苯丙乳液配置及分組

本文所需的苯丙乳液專門針對國畫宣紙,主要作用對象為宣紙中的紙張纖維,主要作用機理為借助苯丙乳液中的疏水基、親水基等,通過共價結合、靜電吸附及表面成膜的機理對紙張纖維進行保護[8-12]。聚乙烯醇為底液,烷基酚醛聚氧乙烯醚為乳化劑,氨水提供堿性環境,碘溶液用于測試底液是否完全溶解,甲基丙烯酸甲酯為硬單體,丙烯酸丁酯為軟單體,苯乙烯為硬單體,十二烷基硫酸鈉為乳化劑,過硫酸銨為引發劑,碳酸氫鈉用于提供pH緩沖等。

本次實驗還需用到國畫創作所需宣紙,該宣紙為半熟宣(32K),宿遷云沃信息科技有限公司。

1.1.2實驗設備

本次實驗主要分為2部分:一為功能性苯丙乳液制備;二為功能性苯丙乳液應用于宣紙保護時的性能測試。2部分使用的主要設備:FA2004N電子天平,上海儀天科學儀器有限公司;四口瓶,安徽韋斯實驗設備有限公司;HMS-901D6數顯磁力攪拌器,深圳市博大精科技實業有限公司;200目篩子,安徽韋斯實驗設備有限公司;GHX-500恒溫箱,南京環科試驗設備有限公司;NK-F-02造紙纖維測量儀,蘇州南光電子科技有限公司;WDW-1電子萬能試驗機,上海松頓儀器制造有限公司;YT-CTM耐折度儀,杭州研特科技有限公司。

1.2 實驗方法

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:底液制備、預乳液制備及最終制備3個主要步驟,各主要步驟又包含若干步驟,具體如圖1所示。

圖1 功能性苯丙乳液合成

步驟1:底液制備。底液制備主要應用材料包括丙烯酸丁酯等。在室溫環境下將去離子水和烷基酚醛聚氧乙烯醚按照質量比20∶1加入干燥的四口瓶中,對四口瓶進行加熱至85 ℃并不斷攪拌,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,如果溶液中未出現藍色絮狀物,則表示烷基酚醛聚氧乙烯醚已經完全溶解。將丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等按照不同比例(后續實驗進行具體描述)進行混合,在80 ℃環境下進行不斷攪拌,得到下一步驟所需中間材料。

步驟2:預乳化液制備。將步驟1得到的烷基酚醛聚氧乙烯醚溶液與中間材料在四口瓶中進行混合、攪拌,攪拌過程中逐漸對四口瓶進行升溫,至混合物料充分乳化以后停止升溫和攪拌,得到預乳化液。將預乳化液根據質量分為三分之一組和三分之二組備用。

步驟3:功能性苯丙乳液制備。將步驟2得到的三分之一預乳化液與聚乙烯醇底液、烷基酚醛聚氧乙烯醚、過硫酸銨、碳酸氫鈉在四口瓶中混合,加入一定量的去離子水等,對四口瓶進行緩慢加熱至85 ℃過程中進行不斷攪拌帶混合物完全乳化后得到種子乳液。將剩余三分之二的預乳化液均勻滴入種子乳液中,保持50 ℃乳化溫度并不斷攪拌,30 min以后得到功能性苯丙乳液。最后,利用氨水將苯丙乳液調至中性即可。

1.2.2功能性苯丙乳液宣紙保護性能分析

功能性苯丙乳液宣紙保護性能分析主要分為2部分。

(1)通過調整烷基酚聚氧乙烯醚、十二烷基硫酸鈉比例,在相同乳化溫度、乳化時間、乳化劑占苯丙乳液質量比等條件下得到最佳功能性苯丙乳液配制方法。表1所示為不同配制方法得到的功能性苯丙乳液及其命名情況。

利用稀釋穩定性測試方法對功能性苯丙乳液產品穩定性進行測試,在30 mL試管中加入質量濃度5%的不同乳液,靜置后觀察和記錄乳液的分層情況,并計算下層乳液的乳液含率(ε):

式中:k0為分層前混合物上界面所在刻度;k1為分層后混合物上層清液下界面所在的刻度,單位均為“mL”。

利用物理指標測量法對浸漬乳液的宣紙力學性能進行分析[13-15]。將不同實驗組乳液均稀釋至5%,倒入105 mm×148 mm玻璃盤中。將裁剪至64 K大小的宣紙均勻浸漬功能性苯丙乳液,待兩面均浸漬完成后放入恒溫箱中進行干燥處理,24 h以后備用。利用耐折度儀、電子萬能試驗機等對浸漬乳液的宣紙耐折性和力學性能進行分析。

(2)通過對比4組實驗組中的最佳配置組與3種市售宣紙保護材料的產品穩定性、拉伸強度、耐折度等得到本文制備的功能性苯丙乳液宣紙保護應用性能實際水平。在對比實驗中,需要根據不同保護材料的使用說明將不同的宣紙保護材料稀釋至最佳配比,后續性能測試則參考“(1)”即可。

2 結果與分析

2.1 不同配比苯丙乳液宣紙保護應用效果

衡量功能性苯丙乳液宣紙保護性能的主要參數包括產品穩定性、耐折度、拉伸強度等指標[16-18]。表2為4個實驗組功能性苯丙乳液宣紙保護應用效果對比情況。

表2 不同配比苯丙乳液宣紙保護應用效果對比

下層乳液含率可以充分體現功能性苯丙乳液在應用于國畫宣紙保護時受到外界潮濕環境影響時的材料穩定性[19]。一般下層乳液含率越高,表示乳液在保護宣紙的過程中受到水環境的影響越小。由表2可知,從4個實驗組下層乳液含率表現來看,實驗組3的下層乳液含率顯然高于另外3組,其次依次為實驗組4、實驗組1和實驗組2。實驗組3中烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉的質量比為10∶13。這是因為十二烷基硫酸鈉為陰離子型如化解,其含量的提升為乳液帶來了更多的負電荷,這種負電荷的相互排斥效果能夠很好地防治功能性苯丙乳液中乳膠粒的聚集。但是當比例提升為10∶17后,實驗組4的下層乳液含率反而有所下降,顯然這種負電荷阻止乳膠粒相互聚集的能力有限。

耐折度直接反映某種宣紙或創作完成以后的宣紙作品能夠被彎折的極限。從耐折度儀反映的指標來看,實驗組3的耐折度高達321次,而其余3個組的耐折度基本保持在160～190次,與實驗組3的差距極大。顯然,當烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉比例為10∶13時,浸漬后的宣紙能夠獲得更強的耐折性。這可能是因為十二烷基硫酸鈉這種乳化劑含量的提升增強了功能性苯丙乳液的韌性,從而在與紙張纖維融合后提升了紙張的耐折度。但實驗組4的宣紙紙張耐折度存在明顯下滑,這可能是因為十二烷基硫酸鈉對紙張纖維韌性提升存在上限,當十二烷基硫酸鈉含量過高時,反而會導致紙張韌性出現下降。

紙張的拉伸強度可以直接決定紙張的斷裂極限等性能。從表2中4個組不同功能性苯丙乳液作用下宣紙的拉伸強度對比來看,實驗組1、實驗組2性能差異極小幾乎可以忽略不計,實驗組4綜合表現優于實驗組1、實驗組2,實驗組3在縱向、橫向的拉伸強度優于實驗組4,遠優于實驗組1、實驗組2。顯然,當烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉比例為10∶13時,宣紙在浸潤功能性苯丙乳液以后能夠獲得最好的拉伸強度。這是因為在烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉比例為10∶13時乳膠粒表面水化層的空間位阻與靜電排斥力的協同效果相對最好,此時宣紙紙張纖維間的相互作用最為緊密,紙張的韌性表現最好;過高或過低均無法使宣紙紙張纖維內部的乳化效果達到最佳[20]。

2.2 不同材料宣紙保護應用效果

目前書畫宣紙保護常用的材料包括有機溶劑、脫酸劑等。本文選擇3種市售宣紙保護材料作為對比組,以實驗組3為實驗組對不同材料宣紙保護應用效果進行分析。由于一般宣紙保護材料并非都為乳液形態,因此對比“下層乳液含率”這一指標意義不大。本文選擇了光澤度、耐折度、拉伸強度3項指標作為標準對這4種不同材料的宣紙保護應用性能進行分析。表3為4種不同材料的宣紙保護應用效果對比。

表3 不同材料宣紙保護應用效果

由表3可知,從4種材料的光澤度來看,除對比組1外,其他3個組之間的差異不大,對比組2的光澤度表現最佳達到了4.7 gu,實驗組3光澤度則為4.6 gu,僅次于對比組2。可見,盡管實驗組3的光澤度表現并非4個組中最佳,但相對而言差異并不大,光澤度表現較為理想。

從耐折度指標對比來看,宣紙在浸漬對比組2材料后的耐折度表現最為理想,達到了332次,其次為實驗組3達到了321次。相對而言,實驗組3的耐折度表現不如對比組2,但優于對比組1、對比組3。

從拉伸強度指標來看,宣紙在浸潤3種對比材料以后的拉伸強度整體差異不大,而實驗組3的表現在4種材料中最好,橫向、豎向拉伸強度分別達到了19.2、21.0 N,優于3種對比材料中表現最好的對比組2。

整體來看,表3中的4種材料以對比組2的表現最好,實驗組3與對比組2相比在光澤度和耐折度表現方面略有欠缺,但拉伸強度方面表現的更好。在實際的應用環境中,書畫宣紙保護人員可以根據實際的紙張保護需求進行靈活的選擇。

3 結語

本文利用聚乙烯醇底液、烷基酚醛聚氧乙烯醚乳化劑等制備了一種專門用于書畫宣紙保護的功能性苯丙乳液,通過調整烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉質量比例得到了該功能性苯丙乳液的最佳配置方法。

一方面,當烷基酚聚氧乙烯醚與十二烷基硫酸鈉質量比例為10∶13時,功能性苯丙乳液在下層乳液含率、耐折度、拉伸強度等方面的表現最佳,分別達到了72.1%、321次、19.2 N(橫向)、21.0 N(豎向)。另一方面,與當前市場面常見的3種國畫宣紙保護應用材料相比,本文制備的最佳配置的功能性苯丙乳液在光澤度和耐折度方面較對比組2材料存在略微不足,但優于另外的2種保護材料;而在拉伸強度方面的表現為4種材料中最佳。不過本文所述分析均在較短時間內完成,考慮到功能性苯丙乳液隨時間的延長可能光澤度與耐折度方面還存在一定的提升空間,與對比組2的性能差異可能會越來越小。