湿热加速老化法降低古籍修复用纸伸缩性的研究
本文发表于《文物保护与考古科学》2020年第5期，作者为易晓辉，闫智培，龙堃，田婷婷
（国家图书馆古籍保护科技文化和旅游部重点实验室，北京 100034）
0引言
在古籍修复工作中，修复用纸作为最重要的载体材料，其使用性能直接关乎最终的修复效果，因此一直都备受修复师们重视[1,2]。许多有经验的古籍修复师都有收集老纸的习惯，在老师傅们看来，这些老纸“燥性小，温和无火气，服帖好用[3]”，修复效果是新纸无法比拟的。“火气”的说法是修复师们比较形象的描述，实际指纸张的伸缩性。一些新制修复用纸的伸缩性常常偏大，在干湿变化时产生明显的形变，产生缩皱现象[4]。而古籍纸张经历漫长的自然老化，伸缩性已经变得非常稳定[5]。使用伸缩性较大的新纸来修复伸缩性较小的古籍，会存在匹配性问题。特别是在纸页晾干之后，由于补纸伸缩较大，常常发生翘曲、抻拉变形甚至崩裂等现象，影响修复的效果[6]。
同时，古籍修复师在选纸时一般还会要求修复用纸的强度不能过高于原件纸张，实践中新纸的强度一般都偏高，并不利于修复操作。近年有修复师提出采用加速老化的办法，适度降低新制修复用纸的伸缩率和物理强度，改善其使用性能。老纸毕竟数量有限，大量的古籍修复工作还得依靠新纸来完成，如何改善新纸的性能成为当前古籍修复工作亟需解决的问题。
本实验采用湿热老化的方法对几种新制修复用纸进行处理，测定纸张样品在老化过程中伸缩性能的变化，分析湿热老化对纸张纵横向、伸缩率，以及浸湿后的湿胀率和干缩率的影响。并以古籍修复中的老纸样品作为参照，评价湿热老化法对新制修复用纸伸缩性的改善效果，验证其在实际修复工作中应用的可行性。
1 材料和方法
1.1 实验材料和设备
1.1.1实验材料：选用6种近5年新购买的古籍修复用纸，考虑到不同的造纸原料对纸张性能的影响，纸样的选择尽可能涵盖各种常见原料制成的纸张[7]。实验选取的6种纸样详细信息如表1所示。
表1 实验所用6种修复用纸样品信息
|
编号 |
纸样名称 |
纤维成分 |
产地 |
|
1 |
平阳麻纸 |
大麻100% |
山西临汾 |
|
2 |
石桥构皮纸 |
构皮100% |
贵州丹寨 |
|
3 |
岳西桑皮纸 |
桑皮100% |
安徽潜山 |
|
4 |
红星特净皮宣纸 |
青檀皮80%，稻草20% |
安徽泾县 |
|
5 |
汪六吉净皮宣纸 |
青檀皮60%，稻草40% |
安徽泾县 |
|
6 |
奉化竹纸 |
苦竹100% |
浙江宁波 |
实验还收集了4种古籍修复所用的老纸，4种老纸中有修复过程中从古籍上揭下来的衬纸，也有修复组所存老纸，详细信息如表2所示。4种老纸将作为评价湿热加速老化法改善新制修复用纸伸缩性的参照。
表2实验所用4种老纸样品信息
|
编号 |
纸样名称 |
纤维成分 |
年代 |
|
1 |
清代宣纸 |
青檀皮100% |
清早期 |
|
2 |
50年代构皮纸 |
构皮100% |
50年代 |
|
3 |
清代竹纸 |
毛竹100% |
清中期 |
|
4 |
70年代毛边纸 |
毛竹100% |
70年代 |
1.1.2实验设备
Memmert温湿度试验老化箱；
三丰数显卡尺。
1.2 实验方法
将6种新纸样品分别裁成30cm*30cm的试样，每种试样各裁取35张，并分成7组，每组样品含6种纸样各5张。7组试样中，取1组为对照组，不进行湿热老化实验，其他6组样品分别进行1、2、3、4、5、6个老化周期的湿热老化。
试样的湿热老化按照GB/T 22894-2008《纸和纸板加速老化在80℃和65%相对湿度条件下的湿热处理》的要求进行，老化温度为80℃，相对湿度为65%。为了模拟自然状态下温湿度随季节变化对纸张伸缩性的影响，每个老化单位进行5天的湿热老化之后，温度不变继续保持80℃，将湿度调至最低值5%，继续老化1天，多个老化周期的试验以此类推，循环操作。
老化试验完成后，所有试样按照GB/T 459-2002《纸和纸板伸缩性的测定》的要求测定其纵横向的伸缩性。
造纸学中将纸机运行方向或纤维方向定为纸张纵向，与其垂直为横向，手工纸的纤维方向一般跟帘线纹的方向一致，此为纸张纵向，与竹丝纹平行的方向则为纸张横向。
2 结果与讨论
2.1不同种类修复用纸伸缩率的差异
古籍修复的过程常常需要将原件和修复用纸润湿操作，由湿到干过程中纸张的尺寸变化是修复过程必须考量的问题。试验选取6种修复用纸，测定纸样从润湿状态到自然晾干过程中尺寸的总变化幅度，并取其纵横向的平均值[8]，结果如图1所示。
图1 6种纸样由湿到干时纵横向尺寸变化的平均值
从图1中可以看出，纤维较为粗长的麻纸和桑构皮纸由湿到干时尺寸变化幅度较低，纵横向的平均值基本在0.8%~1.0%左右。竹纸由湿到干尺寸变化较大，纵横向的平均伸缩幅度高达1.75%。竹纸较大的伸缩性和实践中竹纸润湿后易缩皱变形的经验相吻合[9]，其原因主要是竹纸的半纤维素含量较高，一般认为半纤维素含量是影响纸张伸缩性的重要因素[10]。
宣纸的伸缩性介于竹纸跟皮麻纸之间，其中特净皮宣纸较高，达到1.38%；净皮宣纸略低，跟皮麻纸接近。宣纸是青檀皮和沙田稻草混料制成，青檀皮为长纤维，稻草为短纤维。净皮宣纸更多的短纤维含量使得纤维之间的扭结应力降低，纸质更加松软柔和，由湿到干时尺寸的变化幅度也更小。
实验结果表明不同种类修复用纸的伸缩性存在显著差异，古籍修复应选用和原件相同类型的纸张，避免伸缩性差异对修复效果的负面影响。另外在古籍字画的装裱和修复当中，许多修复师倾向于选用稻草含量更高的棉料夹宣作覆背纸，主要是考虑其伸缩性小，不易崩裂。而在一些明清时期装裱修复的字画中，常常发现以桑构皮纸作为命纸或覆背纸的实例。尽管如今这种情况已较为少见，但实验数据和历史案例都表明桑构皮纸在这方面的良好性能。此外，桑构皮纸比宣纸的机械强度和耐久性能都更好，发生崩裂的可能性也更小。
2.2 纸张纵横向伸缩性的差异
实验测试了6种纸样由润湿到自然晾干过程中纵向和横向伸缩情况。结果如图2所示，6种纸样的横向伸缩率都大于纵向，纵向伸缩率约为横向的50%~80%左右。这是由于荡帘过程中水流的梳理作用使大部分纤维呈纵向排列，纤维在纵向上相对比较伸展，干湿变化时伸缩的余地较小。而在横向上纤维伸展的较少，一些纤维甚至处于弯曲或收缩状态，干湿变化时的伸缩幅度较大[11]。
对比6种修复用纸纵横向的伸缩率以及图1中的平均值，可以发现纵向的伸缩率尽管数值不大，但不同种类的纸样呈现比较明显的差异。由于不同种类的纸张其纤维原料的特性和尺寸差别较大，纤维本身的伸缩性也不尽相同，导致在纤维方向（纵向）上的伸缩率出现明显不同[12]。而在横向上的尺寸变化主要受纤维的弯曲和收缩来决定，各种纸张之前的差异相对较小，其中麻纸、构皮纸、桑皮纸和净皮宣纸的横向伸缩率都非常接近。
图2. 6种纸样由湿到干时纵向和横向的尺寸变化
2.3不同种类纸张湿胀和干缩性的差异
纸张的伸缩性包括两个组成部分，即润湿后的伸长和干燥之后的收缩。修复用纸一般要求干湿变化幅度不宜过大，润湿后的伸长量要适中，干燥之后的收缩量尽量小。尤其是对于补纸和托纸，干燥之后收缩太大会造成原件褶皱，影响最终的修复效果。
实验对6种修复用纸在润湿后的伸长率和干燥之后的收缩率进行测定和分析，结果如图3所示。6种纸样的湿胀率和干缩率都较为均衡，干缩率一般略大于湿胀率。这些纸样都是近年生产的新纸，由于焙干过程中纸张受到的拉抻作用，纸张纤维处于紧绷的状态下快速干燥，内部纤维之间存在一定的应力。纸样经过湿水再经自然晾干之后，纸幅尺寸都有比较明显的回缩[13]，这就是所谓的“火气”。纸张在经过较长时间的自然陈放和老化之后，“火气”会逐渐降低，尺寸趋于稳定。古籍纸张经过几百年甚至上千年的春秋干湿交替，“火气”早已褪尽，干缩率极小，这就要求修复用纸也应具备与其相匹配的伸缩率。从实验的结果来看，显然大部分新纸的干缩率还都比较高，跟古籍纸张的稳定性有一定的差距，采取相应措施降低新制修复用纸的伸缩性非常有必要。
图3. 6种修复用纸的湿胀和干缩率
2.4 6种修复用纸老化过程中的伸缩率变化
2.4.1 老化过程中纵横向伸缩率平均值的变化 纸张由湿到干过程中所表现出来的伸缩性是由内部纤维弯曲、收缩所产生的应力引起的，根据使用的经验，老纸因经历自然陈化，伸缩率较小。实验将6种纸样置于老化箱中进行湿热老化，测定纸样在每个老化周期结束之后由湿到干过程中纸张纵横向伸缩率的平均值，结果如图4所示。
6种修复用纸随着老化周期的递增，伸缩率都呈下降趋势。这跟日常经验是吻合的，经过老化之后纸张的伸缩性会逐渐减小，“火气”、“燥性”逐渐褪去，尺寸趋于稳定[14,15]。在6个周期的老化进程当中，前两个周期伸缩率下降较为明显，幅度较大。从第3个周期开始纸样伸缩率的下降明显趋缓，表明对修复用纸进行2-3个周期左右的预老化是比较有效的，既能够显著降低纸张的伸缩性，也能最大限度地减小老化过程中纸张性能的损失。超过3个周期的老化对伸缩性的降低仍具有一定作用，但降低的幅度已经逐渐趋缓。
图4 6种修复用纸在湿热老化过程中伸缩性的变化曲线
6种不同原料的修复用纸在老化过程中纵横向平均伸缩率的变化曲线基本保持同步下降的趋势，伸缩性较大的竹纸和特皮宣纸在老化的各个阶段都维持较高的伸缩率，伸缩性较小的麻纸和桑皮纸从始至终都处于最低水平。实验的结果表明6种试样的伸缩率对湿热老化的响应没有显著差别，只是初始伸缩率较大的纸张下降稍快，初始伸缩率较小的纸张下降的稍慢一些。
从湿热老化对纸张伸缩性的改善效果来看，2个老化周期之后，6种试样的伸缩率平均下降了22.1%，其中麻纸、竹纸和特皮宣纸的伸缩率都下降了25%左右，桑构皮纸和净皮宣纸下降了18%~22%左右。6个老化周期之后，6种试样的伸缩率平均下降了41.4%，其中麻纸、桑皮纸和竹纸都下降了45%~50%，构皮纸和净皮宣纸也下降了30%~35%。
2.4.2 老化过程中伸缩性在纵横向上的变化 经过湿热老化之后6种修复用纸伸缩率的均值都出现了明显下降。在古籍修复实践操作当中，纸张纵横向是需要考虑的一项重要因素。为了保证修复用纸和原件纸张外观上更协调一致，需要将二者的帘纹尽可能对齐。在视觉美观的同时，也兼顾了纸张纵横向伸缩性差异的影响，避免因纵横向不吻合而导致伸缩不同步的问题。
实验测定了6种修复用纸在老化过程中伸缩率在纵横向上的变化，结果如图5所示。随着老化时间的加长，纸样的伸缩率在纵向和横向上都呈下降趋势，但其下降幅度却出现了明显的差别。横向伸缩率在老化过程中的下降更为明显，纵向伸缩率下降的幅度则要小得多，部分纸样的横向伸缩率甚至在第1个老化周期后就基本保持稳定，直到第6个老化周期仍仅有小幅波动。产生这一结果的原因跟3.2中纸张在纵横向上伸缩性的差异是一致的，由于在老化之后，弯曲或收缩状态的纤维因为内部纤维素的降解，纤维结构弹性降低，弯曲或收缩应力被削减，造成纸张在横向上的伸缩性呈现明显的下降。而纵向上处于弯曲和收缩状态的纤维较少，受这一因素的影响没有那么显著，老化过程对纵向伸缩性的影响有限。一些伸缩性本身就偏低的纸张，如麻纸、桑皮纸在经过6个周期的老化之后，纵向的伸缩性几乎没有太大的变化。
图5 湿热老化过程中6种修复用纸伸缩性在纵横向上的变化情况
2.4.3 老化过程中湿胀和干缩性的变化 纸张在老化过程中湿胀和干缩性变化情况是本实验考察的主要指标，也是衡量湿热加速老化法是否能够有效改善修复用纸伸缩性的关键。实验测试了6种新制修复用纸在湿热老化过程中湿水润胀和干燥收缩的尺寸变化率，结果如图6所示。随着湿热加速老化时间的延长，所有纸样润湿后的伸长率都基本维持稳定，没有出现明显的升降趋势，这一结果表明湿热加速老化并不会影响修复用纸润湿后的伸长率。从纸张润湿变形产生的机理来看，润湿之后纸张纤维润胀，尺寸增加，进而引起纸页尺寸的变化[16]。纸张老化的过程并不会明显改变植物纤维的润胀率，因此实验中修复用纸样品的湿胀率在6个周期的湿热老化中基本维持不变。
受加速老化影响比较明显的是纸张的干缩率，实验中6种纸样的干缩率随着湿热加速老化周期的递增都呈明显下降的趋势。老化前纸样的干缩率普遍在0.5%~1.0%左右，6个周期的湿热老化后基本都降至0.2%左右，部分纸样甚至降到0.1%以下。这一结果跟湿胀率的情况形成鲜明对比，湿热老化过程中纸样的湿胀率基本不变，而干缩率却显著下降。表明随着老化时间的增加，新纸的“火气”逐渐降低，湿纸再晾干之后，尺寸跟润湿前基本相近。通过湿热老化改善修复用纸的伸缩性，尤其是其干缩性，获得了非常积极的实验结果。
图6 湿热老化过程中6种修复用纸湿胀和干缩性的变化情况
产生这一结果的原因一方面是湿热老化过程对纸张内部应力的消解，使得纸张在老化后发生了一定程度的回缩。老化过程中高湿度空气对纸张的润湿作用跟吸水润湿相类似[17]，新纸内部的形变应力和弹性应力在润湿之后随着氢键的破坏而消解，自然晾干后在没有纸焙的强制拉抻的情况下自然收缩。湿热老化时纸张在高湿度空气的润湿下也会发生同样的收缩现象，纸页尺寸回缩到较为稳定的状态，跟湿水之后自然晾干的效果相类似[18]。另一方面，纸张纤维在干湿交替变化的过程中还存在纤维吸收的滞后效应[14]。当环境湿度较高时，纤维羟基吸收水分，干燥时，水分从纤维中蒸发解吸，部分原来未形成氢键的游离羟基互相形成氢键结合。多次干湿变化之后，纤维之间的氢键结合增多，纤维间的联结更加紧密，纸张尺寸变化也逐渐变小。
相关实验也证实了这一现象，3种修复用纸分别经过6个周期的湿热老化和浸水润湿，晾干后的收缩率对比如图7所示，两种不同处理过程之后纸样的收缩率非常接近。老化后的干缩率是湿水晾干后的收缩幅度跟老化后干纸尺寸的比值，由于湿热老化后干纸的尺寸跟水浸后晾干不断趋近，最终使测得的老化后的干缩率逐渐降低，甚至低至0.1%以下。
图7 6个周期湿热老化后的收缩率跟润湿后晾干的收缩率对比
2.5湿热老化对修复用纸伸缩性改善效果的评价
实验数据已经证实湿热老化能够降低新纸的伸缩率，尤其是干缩率，显著改善新纸的尺寸稳定性。但湿热老化是否能够达到自然陈化的效果，使新纸的使用性能接近老纸，还需要跟老纸样品的伸缩性数据进行比较。
实验测试了4种老纸样品纵横向的伸缩率，湿胀率和干缩率，结果如图8所示。4种老纸样品经过长时间的自然老化之后，尺寸都变得较为稳定，润湿及干燥之后的伸缩率较新纸都明显低得多。尤其是润湿之后的干缩率和横向伸缩率较新纸显著下降，自然老化后纸张伸缩率的变化趋势跟湿热加速老化基本一致。
图8 4种老纸的伸缩率数据
依照纸张原料种类相对应的原则，将图4、图5、图6种新制修复用纸湿热老化过程中的伸缩率和图8中对应老纸的数据进行比对，以4种老纸的干缩率和横向收缩率为基准，粗略估算同类别的新纸湿热老化到和老纸相近所需的周期数，结果如表3所示。
表3新纸达到对应老纸伸缩率所需的老化周期数
|
新纸名称 |
对应老纸名称 |
干缩率相近的 老化周期数 |
横向伸缩率相近的 老化周期数 |
|
构皮纸 |
50年代构皮纸 |
6 |
4 |
|
特皮宣纸 |
清代宣纸 |
6 |
＞6 |
|
净皮宣纸 |
清代宣纸 |
5 |
＞6 |
|
苦竹纸 |
清代竹纸 |
6 |
＞6 |
|
苦竹纸 |
70年代竹纸 |
3 |
5 |
根据比对的结果，若以干缩率为标准，新制修复用纸经过3-6个周期的湿热老化都可以达到和老纸相近的水平；而以横向伸缩率为标准，新制修复用纸在4-5个湿热老化周期内可接近50年代到70年代老纸的水平，但要达到清代老纸的水平则还需延长老化时间。
从古籍修复的实际需求来看，清早期的宣纸和清中期的竹纸已经出现明显老化。修复用纸一般也不需要将纸张老化到这么重的程度，过度老化会造成纸张强度及其他性能的下降，并不利于古籍修复，长于6个周期的湿热老化并非必要。根据修复师们的实践经验，七八十年代修复用纸的使用性能已经非常良好，完全可以满足修复工作的要求。若以此为标准，大部分新制修复用纸经过约3-5个周期的湿热老化即可显著改善其伸缩性，降低新纸的“火气”，基本可以满足古籍修复工作的需要。
2.6 湿热老化过程对纸张性能的影响
采用加速老化的办法处理修复用纸，在改善纸张伸缩性的同时，客观上也会造成纸张一定程度的老化，降低纸张强度，这也是该方法实际应用较为谨慎的原因之一。但从修复实践的经验来看，修复师在选纸时一般希望补纸的强度不宜过高于原件纸张，以此推之，适度老化的纸张更适于修复的使用。但古籍修复的目的不外乎延长纸页的保存寿命，这又要求修复用纸应具有较好的强度，不能过度老化。因此从客观上来看，这两条原则在某种程度上是相悖的，实际工作中如何把握好二者的平衡，严格控制老化的程度，既要适度改善纸张的使用性能，又不能使发生明显的老化。
对于手工纸而言，纸张纤维的聚合度是纸张强度和综合性能的根本。纸张老化就是纤维降解所引发的聚合度下降的过程，测定纤维聚合度可以综合反映温湿度处理过程对纸张性能的影响。因清代宣纸含皮量较高，所以用红星特皮宣纸代表宣纸进行本部分实验。实验检测了5种修复用纸在第3个湿热老化周期和第5个湿热老化周期前后的纤维聚合度，同时将其与4种老纸的聚合度数据进行比对（如表3）。
结果发现5种修复用纸老化3个周期之后纸张样品的聚合度跟50~70年代同类纸样的聚合度相近，老化5个周期之后的纸样聚合度都高于同类的清代纸样聚合度。采用3-5个周期的湿热老化处理对修复用纸是较为安全的，在改善纸张伸缩性能的同时，不会造成修复用纸的过度老化。
表3 6种修复用纸湿热老化处理后与4种老纸的纤维聚合度
|
老化周期数 |
新纸 |
||||
|
麻纸 |
构皮纸 |
桑皮纸 |
竹纸 |
宣纸 |
|
|
未老化 |
2300 |
2216 |
1316 |
1622 |
957 |
|
老化3周期 |
1652 |
1607 |
988 |
1017 |
702 |
|
老化5周期 |
1223 |
1153 |
756 |
713 |
578 |
|
生产年代 |
老纸 |
||||
|
50年代 |
-- |
1683 |
-- |
-- |
-- |
|
70年代 |
-- |
-- |
-- |
1118 |
-- |
|
清代 |
-- |
-- |
-- |
452 |
492 |
3结论
本研究分析了6种新制修复用纸的伸缩性数据及其在湿热加速老化过程中的变化，并与4种老纸的伸缩率相比对，结果表明采用湿热老化改善新制修复用纸的伸缩性是可行的，结论如下。
1）不同原料的修复用纸在伸缩性上存在明显的差异，古籍修复应尽可能选配与原件纸张纤维成分相同或相近的纸张。
2）修复用纸的伸缩性在纵向和横向上存在差异，新纸的差异尤其明显，修复中应尽可能使补纸和书页的帘纹方向一致。
3）湿热加速老化可以明显降低新制修复用纸的伸缩率，尤其是可以显著降低新纸的干缩率和横向伸缩率，达到和老纸相近的水平。古籍修复工作中可以将新纸进行适度老化，以降低“火气”，改善其使用性能。
4）湿热加速老化会在一定程度上降低纸张强度，实际工作中需要根据修复用纸的具体用途，综合考量纸张伸缩性和强度对修复效果的影响，合理选择适当的处理方式。
参考文献
[1] 张美芳．历史档案及古籍修复用手工纸的选择[J].档案学通讯,2014(2):75-80.
[2] 郑冬青,张金萍，何子晨等.古代纸质文物修复用纸的研究[J].中国造纸,2013,32(7):71-73.
[3]张平,田周玲．古籍修复用纸谈[J]．文物保护与考古科学,2012,24(2):106-112.
[4]王珊,顾苏宁,严文英,等.清代吴煦档案纸张调查和修复用纸的思考[J].中国文物科学研究,2016(1):72-79.
[5] 陈志蔚, 等．宣纸的吸附性、变形、寿命性能的研究[M]//刘仁庆.书画与宣纸.北京:中国轻工业出版社.1988 .124-147 .
[6] 阎琳.古籍修复用纸性能评估体系的建立[J].图书馆杂志, 2017, 36(10): 47-50.
[7] 易晓辉．我国古纸及传统手工纸纤维原料分类方法研究[J]．中国造纸，2015，34(10)：76-80．
[8] 周泰隆,周珍真，蒋延春等.纸张湿变形性能测试方法的探讨[J].上海造纸,1983(增刊):215-222.
[9]陈刚．档案与古籍修复用竹纸的现状与问题[J].档案学研究,2012(1):80-84.
[10] 陈国平,李长荣．纸张伸缩率影响因素分析及应用[J].中华纸业,2010,31(20):79-81.
[11] 蒋小军.打浆与纸张伸缩率[J].华东纸业,2016,47(6):24-26.
[12] 乔文峰.高档印刷用纸伸缩率的控制[J].纸和造纸,2004(3):25-27.
[13] 杨伯钧．纸张尺寸稳定性[J].纸和造纸,2004(4):5-10.
YANG Bojun. Dimensional stability of paper[J], Paper and Paper Making,2004(4):5-10.
[14] 徐文娟,陈元生.书画装裱材料——宣纸形稳定性的研究[J].文物保护与考古科学,2005(2):27-30.
[15]徐文娟,吴来明,裔传臻,等.书画修复用宣纸性能的研究[J].文物保护与考古科学,2016,28(1):33-37.
[16]弗里雅捷．纸的性能[M]．北京：轻工业出版社，1985:375．
[17]NIELSEN I, PRIEST D. Dimensional stability of paper in relation tolining and drying procedures [J].Paper Conservator.1997, 21:26-35.
[18]冷连勇. 关于纸页伸缩稳定性的研究[J]. 中国造纸, 1981(4):65-68.