豆浆水浓度对宣纸润墨性能影响初探.pdf

收稿日期:2023-02-11基金项目:北京市教委科研计划一般项目(KM202110015006);北京市属高校高水平教师队伍建设支持计划长城学者培养计划(CIT&TCD20190318)。通讯作者:施继龙第 31 卷 第 6 期Vol.31 No.6北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2023 年 6 月Jun.2023豆浆水浓度对宣纸润墨性能影响初探潘芊芊,刘铮峰,周文华,施继龙(北京印刷学院 印刷与包装工程学院,北京 102600)摘 要:为探讨豆浆水浓度对宣纸润墨性的影响,本文通过自制浓度呈梯度变化的豆浆水对宣纸进行熟化处理,采用墨滴晕散实验,利用 MATLAB 编程,从墨滴晕散面积、墨滴形状以及墨滴灰度三个方面进行综合研究。结果表明:当豆浆水浓度在012wt.%之间时,宣纸润墨性变化不大;在12wt.%16wt.%时,润墨性能变化显著;高于 16wt.%后,墨滴完全结为墨膜,墨滴晕散面积不再增加。造成上述现象的原因是胶膜在纸面和纤维间隙中的存在状态,随着豆浆水浓度的增加,豆浆水在纸内和纸面上形成的胶膜也同步增加,导致涂布液干燥后成膜密度增加,进而影响了纸面对液体的吸收性,即影响了宣纸的润墨性。关键词:豆浆水;宣纸;润墨性;墨滴晕散实验中图分类号:K876文献标识码:A文章编号:1004-8626(2023)06-0012-05 宣纸是传统手工纸的杰出代表,其原料主要是青檀树枝韧皮和沙田稻草茎秆等植物通过一定的工艺加工后得到的纤维,宣纸的特性诸多,如润墨性、变形性、耐久性和抗虫性等,以润墨性最为突出,优质的生宣着墨后墨色渗散的晕圈清晰,扩散层次分明均匀,基本呈圆形状,目前对宣纸的润墨性能探讨很多,其润墨效果主要表现在纸面吸墨后扩散的纵横相差、细末深浅和浓淡分明的层次性。1为了改善宣纸的书写绘画效果,常用胶矾水作为表面施胶剂对其进行熟化处理。胶矾水的应用已有很长历史,但其对纸张的影响一直备受争议,有研究表明宣纸上涂布的明矾物质吸潮后会分解产生酸,从而加速纸张纤维素水解老化,缩短纸张寿命。2对此,有学者提出寻找新的施胶剂取代胶矾水。我国传统方法中有用豆浆水刷涂于生宣上生产半熟纸的做法,因此前人学者开展了豆浆水对宣纸润墨性能影响的相关研究。徐文娟探讨了豆浆水在古书画修复中的应用,指出经豆浆水处理的宣纸,在纸纤维表面形成胶状物质,大豆胶与纤维以氢键结合,既加强了宣纸的机械强度,又提高了纸张的抗水性,且通过老化实验可知,纸张聚合度降低率低于胶矾水处理的纸张,性能更优。3何秋菊等人对不同熟度的豆浆水在宣纸中的应用效果进行了深入研究,结果表明:不同熟度的豆浆水会导致纸张产生不同程度的疏水效果,在加热温度 80,加热时间不超过30min 时,疏水性最好。4-5然而,关于豆浆水浓度对宣纸润墨性能的影响,经网络文献查新,未发现有学者专门就此问题进行探讨。因此本文在前人研究的基础上,通过配置系列浓度呈梯度变化的豆浆水对宣纸进行熟化处理,通过墨滴晕散实验系统地探讨豆浆水对宣纸润墨性能的影响,为豆浆水的科学合理使用提供参考。1 实验1.1 实验材料及仪器墨汁购于北京一得阁墨业有限公司,净皮生宣为来自安徽泾县所生产的“三炉纸”品牌,黄豆由市场上采购,测试所用仪器及软件见表 1。1.2 实验方法1.2.1 样品制备参考前人文献4,将豆浆水质量浓度定在1wt.%10wt.%,按浓度设置进行预实验。结果表明,豆浆水浓度在此区间内,宣纸润墨性能变化不大,疏水性一般。因此,重新设置实验用豆浆水浓度(表 2)。表 1 实验仪器及软件序号仪器、软件名称型号/版本生产厂家1电子分析天平JT2003D上海力辰邦西仪器科技有限公司2超景深三维视频显微镜VHX-60KEYENCE 公司3直线丝杆步进电机注射推进泵QHZS-001A远航动力公司4恒温水壶长虹5破壁机德国格朗尼6MATLAB 软件PMathWorks 公司表 2 实验用豆浆水浓度配比样品编号D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9D10豆浆水浓度(wt.%)02468101214161820本研究采用槽法施胶,该法能延长宣纸与胶液的接触时间,施胶更加均匀。参考前人研究,4豆浆水制备方法如下:按比例配置一定量的市购黄豆,常温浸泡 12h,在不加热情况下,采用破壁机打散搅拌 20min,用过滤网滤掉残渣,得到常温生豆浆水。根据前人研究可知,豆浆水在加热温度 80、加热时间 30min 内时,疏水效果最好,因此将生豆浆水在水浴锅中加热到 80,持续 30min,晾凉至室温备用。将宣纸裁成 250mm350mm 规格尺寸后,浸渍在盛有豆浆水的胶槽中 35 秒,悬挂晾干。1.2.2 墨滴晕散实验将 5mL 注射器固定在距离实验样品台面20mm 处位置,通过推进泵将 6L 原浓度的墨汁按规定的速度和时间(注墨流量为 v=0.6mL/h,每36s 滴下一滴墨汁)滴到纸样品表面,每种宣纸测试五次。待样品上的墨滴被纸吸收和在常温下空气自然干燥后,利用三维视频显微镜获取墨滴图像,设置放大倍数为 5。最后借助 MATLAB 软件对纸样品上墨滴的图像进行编程计算,得到墨滴灰度图,并求得墨滴扩散的面积与周长。2 实验结果与讨论2.1 墨滴晕散面积墨滴晕散面积是指墨滴在宣纸表面呈放射状或别的形状晕散后所形成的墨迹面积大小,在某种程度上,人们常用墨滴在纸面上的晕散状态来直观表达这种手工纸在印刷、书写或绘画线条轮廓时的流畅与否,并评判纸在使用过程中性能是“好纸或差纸”。因此,常利用墨滴晕散面积表征宣纸润墨性能。图 1 为墨滴晕散图像,通过 MATLAB 可计算出墨滴扩散的面积与周长,结果见表 3。图 1 墨滴晕散图像 5表 3 墨滴面积和周长样品编号面积(像素)周长(像素)横向(像素)纵向(像素)D0986411293382372D11009691499385340D2894491334332368D352324103093265229D435718732284322D524237639176171D610711483156149D776554389132143D89289537125115D95788337124119D10986411293110113 由图 1 可知,墨滴晕散大小随豆浆水浓度提高而变小。这主要是因为纸张纤维之间主要靠氢键结合,5加入施胶剂以后纸张纤维和大豆蛋白的结合使纸张表面的空隙减少,纤维毛细管的分布数量减少。施胶剂蛋白质分子上的一些基团,与纤维上的羟基以氢键结合,减少了纤维表面的羟基数。5此外,随着温度的提高,豆浆水中油脂的含量有随之增加的趋势,6同样会促使纸张抗水性提高,阻止水性墨滴液的扩散。具体而言,由样品 D0 D5 可知,豆浆水浓度较低时(010wt.%),墨滴边缘不规则,毛刺现象比较多;根据 D6 D10,当浓度较高时(12wt.%31第 6 期潘芊芊,刘铮峰,周文华,等:豆浆水浓度对宣纸润墨性能影响初探20wt.%),墨滴在宣纸表面结成圆形墨膜,墨滴边缘平滑,扩散范围相差不大。分析出现上述现象的原因,传统的水性烟黑墨水由水、微细炭粒和极少量的水溶性胶组成,当墨滴落到纸面上时,由于纸的植物纤维交叉的随机性,纸表面胶膜也是不均匀的,当墨滴被纸的纤维孔隙和豆浆胶膜吸收时,墨中的水分无论是分子尺寸还是粘度都肯定比炭粒渗得更快更深更远,而墨中的胶物和炭粒的渗入纸的速度和在纸面上扩散的能力远比水要小,因此,我们便观察到墨滴干燥后中间部位是深黑色,墨滴边缘逐渐变浅(炭粒少了)。而且,因为纸纤维有强烈的亲水吸水性,墨滴中的水分子随纤维丝分布的各向异性的吸收,扩散会更强,当然同时炭粒也一样被水分所携带而扩散,因此墨滴干燥后不是规整的圆滴形,边缘不规则现象也随之减轻。但随着豆浆水浓度的增加,豆浆蛋白在纸面逐步形成的胶膜连续性增强,胶膜对水的扩散性有强烈的抵抗作用(理由有二,一是胶膜本身吸收水分的速度很慢,二是胶膜本身也有一定的疏水作用,因此墨滴在纸面上的扩展变得困难),墨滴在纸面上是以墨滴所在位置的纸内孔隙和胶膜吸收为主,墨滴扩散晕染为辅,润墨面积随之递减,而且,因为纸纤维上粘附的胶料过多,墨中的水分被各向异性纤维的毛细作用吸收的能力也减弱,导致炭粒随水分扩散的距离和随纤维走向的扩散差异性也会大为减少,故墨滴干燥后边缘不规则现象也随之减轻。2.2 墨滴圆形度和横纵比分析润墨性能较好的宣纸,其墨迹形状应为正圆形。墨滴形状可用其横、纵向直径比例来进行量化,当横、纵向比例为 1 时,润墨效果最佳。而圆形度也可以用于形状分析,定义公式为:C=L2/4A 其中 L 为墨迹的周长,A 为墨迹的面积,C 表示图形与圆形的接近程度,当 C 越接近于 1 时,形状越接近于圆形。由于墨滴形状不能仅仅依靠横纵比或圆形度单一指标来判断,圆形度与横纵比综合对比,才能更全面地反映出墨滴的形状特性,进而量化宣纸润墨性能。计算各个样品墨滴的圆形度和横纵比,结果见表 4,并对其制作散点图,见图 2。当宣纸墨滴的横纵比和圆形度越接近基准坐标(1,1),其润墨效果越好。表 4 墨滴的圆形度和横纵比样品编号 D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10圆形度0.660.720.580.820.760.680.570.740.990.87 0.95横纵比0.970.870.880.860.870.970.950.920.920.95 0.97图 2 墨滴的圆形度和横纵比散点图 由图 2 可知,样品 D8 和样品 D10 的圆形度和横纵比接近,离基准点(1,1)相对较近。样品 D1和 D4 的圆形度和纵横比距离基准点(1,1)最远,说明其墨滴形状极不规则,墨滴晕染存在明显各向异性。样品 D6、D8、D9 和 D10 距离基准点(1,1)最近,说明其墨滴为近圆形,但需要指出的是,结合墨滴晕散面积分析可知,样品 D8、D9 和 D10 的墨滴在纸张表面结膜而成圆形,并非墨滴被纸面的纤维、孔隙吸收形成的扩散墨迹所成。上述结果表明,在宣纸表面施加不同浓度豆浆水后,包裹纸张表面及其纤维间隙的胶膜不是连续的,纸张因为纤维的随机取向而存在各向异性,最终导致样品的圆形度和横纵比不一致。2.3 墨滴灰度分析灰度图像具有存储小、在图像整体和局部的亮度等级方面描述的特征信息与彩色图像一致的特点。在 MATLAB 中,灰度图像被保存于一个矩阵中,矩阵中的每个元素代表一个像素点。矩阵可分为 unit8 类型,其数据范围为 0255,代表不同的亮度或灰度级。其中,0 表示黑色,255 则代表白色,共有 256 个灰度级。因此可以用灰度图像来表示图像的内部层次变化。利用 MATLAB 软件绘制出图像的内部灰度分布曲线,见图 3。41北 京 印 刷 学 院 学 报2023 年图 3 样品墨滴灰度分布图 由图 3 可知,不同浓度的豆浆水导致了墨滴边缘和内部的灰度分布不同。豆浆水浓度较低时,如样品 D0D4(08wt.%),其墨滴边缘的灰度涨落显著,而内部平整,灰度起伏较小,说明纸纤维上的胶膜不足以改变墨滴的扩散和吸收过程,墨滴中的炭粒随墨中的水分的扩散作用也被携带一起扩散和吸收;当豆浆水浓度较高时,如样品 D5 D7(10wt.%14wt.%),其墨滴边缘的灰度涨落规律不一致,但其内部灰度的分布开始不均匀,墨迹内部的灰度出现起伏,其原因应该是豆浆蛋白形成的胶膜,对墨滴中炭粒的扩散有一定的阻碍作用,水的粘度小,而且纸纤维亲水吸收,因此水分扩散面积更大,同时也携带了部分炭粒顺着纤维的随机走向而扩散,但炭粒的扩散能力明显降低,因此表现为墨滴从中间到边缘的灰度不均匀;而随浓度再升高,如样品 D8D10(16wt.%20wt.%),墨迹内部灰度起伏较大。结合墨滴晕散面积分析可知,当豆浆浓度达到 16wt.%时,因为豆浆胶膜较多,水墨扩散较为困难,墨滴在宣纸上以原位吸收为主,在纸表面形成较厚墨膜,同时,因为墨滴扩散困难,墨中的炭的扩散分布也同时表现出灰度不均匀。综上可知