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作者简介:

戴川(1990—),男,2013年本科毕业于西北大学文化遗产学院文物保护技术专业,现硕士就读于西北大学文化遗产学院文物与博物馆专业,敦煌研究院保护研究所馆员,研究方向为壁画保护修复研究,E-mail:568706020@qq.com

中图分类号:K879.41

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2022)03-0101-07

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20210502115

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目录contents

    摘要

    动物胶作为一种常见的壁画修复材料,具有无毒,无腐蚀,与壁画兼容性好等优点,同时也存在耐水性差、易受微生物侵蚀等缺点。为了探索壁画修复中所用动物胶的性能,选择牛皮胶和明胶(化学纯)两种材料作为实验对象,对两者的性能进行了实验室表征。结果表明,质量分数大于等于1%,小于等于3%的牛皮胶,水汽透过率高,粘结强度适中,渗透性好,对壁画光泽度、色度影响小,更适合莫高窟壁画的修复实践。

    Abstract

    As a common material used for the restoration of murals, animal glue has the advantages of being non-toxic, pollution-free and compatible well with murals, but it also has the disadvantages such as poor water resistance and vulnerability to microbial erosion. In order to explore the performances of animal glue used for the restoration of murals, oxhide gelatin and gelatin (chemically pure) were selected and characterized as experimental objects in the laboratory. The results show that oxhide gelatin with a mass fraction greater than or equal to 1% and less than or equal to 3% has a high moisture vapor transmission rate, moderate adhesive strength and good permeability as well as little influence on the glossiness and chroma of murals, so it is more suitable for the restoration practice of murals in Mogao Grottoes.

  • 0 引言

  • 莫高窟壁画的修复工作始于20世纪50年代,在70多年的保护修复实践中,先后使用过的修复材料包括酪素胶[1],广胶、鹿胶、龙须胶、鱼鳔胶、桃胶等[2],聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛等高分子材料[3],明胶[4-5],以有机硅和丙烯酸为主剂的新型壁画修复材料ZB-SE系列[6]。其中,明胶具有无毒、无腐蚀、兼容性良好、生物可降解性、溶剂—凝胶的可逆转换性等特性[5,7],作为一种传统的壁画修复材料一直沿用至今。已有研究主要针对明胶与其他修复材料的性能对比上,如苏伯民、张化冰等[8]针对明胶、纯丙乳液等五种常用的壁画修复材料,将质量分数为5%的材料制成薄膜,并对材料性能进行了表征和评价。李佳珉[9]用不同浓度的明胶、聚醋酸乙烯乳液等五种莫高窟已用典型保护材料,模拟修复颜料层脱落及地仗层脱落病害,通过循环破坏试验对加固情况进行评估,并分析了加固后壁画样块的接触角、渗透率、吸水量、孔隙率等性能。曹婧婧[10]将明胶与合成加固剂PB72、AC33、PVB在膜材料以及模拟石膏彩绘样块的性能进行对比,并对明胶进行了改性研究。李阿丹[11]对莫高窟壁画制作调胶工艺进行了模拟实验研究,测试了用不同浓度、不同温度调制牛皮胶制作而成的壁画试块的耐老化性能。

  • 目前,专门针对壁画修复常用动物胶的性能研究并不多,实验室相关表征欠缺。本研究选择与莫高窟壁画原始固色剂相近的牛皮胶和明胶(化学纯)作为实验对象,两者因材料来源、生产工艺等不同,性能也有所差别。在实验室对两种材料的黏度、表面张力、水汽透过率、光泽度、色差、黏结强度、渗透性等性能进行测试和评价,通过模拟实验,筛选出更适宜于莫高窟壁画修复的动物胶及浓度范围。这对于壁画修复实践具有重要的指导意义。

  • 1 实验材料和方法

  • 1.1 实验材料

  • 牛皮胶:西藏扎西彩虹藏传颜料制配有限公司生产。呈圆形颗粒,透明、微黄,pH5.0~7.0;明胶(化学纯,简称CP):中国医药(集团)上海化学试剂公司生产,呈细小碎颗粒,透明、微黄,pH5.0~7.0,技术指标为黏度恩氏≥15%、水分≤14%、灰份≤0.2%、氯化物≤1.0%、重金属≤0.006%;澄板土:取自莫高窟前宕泉河河床的沉积粉土,经脱盐处理;沙:莫高窟附近的细沙,过100目筛;麦草:敦煌地区的麦秸,长度约为1~1.5cm;麻纤维:市售细麻丝,长度约为1cm;颜料:市售高岭土、朱砂、石绿、铅丹、石青、铁红;去离子水。

  • 1.2 试块制作

  • 莫高窟壁画因制作时代、制作匠人等不同,制作材料和工艺有所差异。壁画层位一般为支撑体、粗泥层、细泥层、底色层、颜料层。地仗的材料一般是由粉土、沙以及少量的植物纤维(如麦草、麻等)按照一定的比例加水调和而成[12]。颜料层是以矿物颜料为主,用动、植物性胶为固色剂来绘制的[13-14]。实验试块分为地仗试块和壁画试块两种。地仗层的配比采用目前莫高窟地仗修复所用配比,即土沙比为16∶9,麦草质量占土沙总质量的3%(粗泥层),麻纤维质量占土沙总质量的1.5%(细泥层)。底色层和颜料层用质量分数为5%的牛皮胶作为固色剂。

  • 1)制作粗泥层。将澄板土与沙混合,并逐量加入麦草,摊平后加入占沙土总质量28%~30%的去离子水,混合均匀,放置12~24h备用。粗泥层的厚度约为1cm。

  • 2)制作细泥层。将澄板土与沙混合,并逐量加入麻,摊平后加入占沙土总质量28%~30%的去离子水,混合均匀,放置12~24h备用。细泥层的厚度约为0.5cm。稍微干燥后用木质抹具收平表面。

  • 3)绘制底色层和颜料层。称取2g牛皮胶,加入冷水直至没过胶粒,放置1~2h。待胶粒吸水膨胀后,倒出多余的水,加入适量的温水配制40mL质量分数为5%的牛皮胶,并置于50~60℃的水浴锅中。称取所需用量的矿物颜料,加入少量的胶液用手指或研磨棒研磨,待充分调和后加入剩余胶液。胶液用量为颜料质量的1.5~2倍,随矿物颜料组成与颗粒度、胶液浓度、地仗吸收情况而变化。用调和好的颜料分别刷涂底色层和颜料层即可。图1为制作完成的壁画试块。

  • 图1 壁画试块

  • Fig.1 Test block of murals

  • 1.3 实验室表征方法

  • 1.3.1 成分分析

  • 仪器为Nicolet iN10MX显微红外成像光谱仪,赛默飞世尔科技公司。将牛皮胶和明胶(CP)的胶粒置于显微红外成像光谱仪下进行分析。检测器MCT/A,分辨率4cm-1,扫描次数64次(透射模式),128次(ATR模式)。

  • 1.3.2 黏度测定

  • 仪器为DV-Ⅱ+型旋转黏度计,Brookfield美国博勒飞公司。配制质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,将胶液倒入样品杯中,以没过转子为准,进行黏度测试,测试3次,取平均值。温度:25℃,转子:S0型,转速50~100r/min。

  • 1.3.3 表面张力测定

  • 仪器为JZ-200A自动界面张力仪,承德市精密试验机有限公司;SL2002N电子分析天平,上海明桥精密科学仪器有限公司。配制质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,然后测定溶液在25℃下的表面张力,测量3次,取平均值。实际的表面张力值等于测定的张力值乘以校正因子。校正因子与环的周长、半径、上下相的密度、铂金丝的半径有关。

  • 1.3.4 接触角测定

  • 仪器为XG-CAM系列接触角测量仪,上海轩铁创析工业设备有限公司。配制质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,并在壁画试块上刷涂两遍。干燥后,通过仪器的针管将去离子水垂直滴在壁画试块表面,拍照计算接触角,测试3次,取平均值。

  • 1.3.5 水汽透过率测定

  • 仪器为JM系列电子天平,诸暨市超泽衡器设备有限公司。配制质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,并在壁画试块上刷涂两遍,且设置一组空白试块与两者作为对比。干燥后,刷涂石蜡将壁画试块密封在装有50mL蒸馏水的烧杯上,在恒温恒湿的环境中放置一周,每天称重。通过计算单位时间、试块单位体积,水汽透过的质量来表示水汽的透过率,单位g/cm3·h。

  • 1.3.6 光泽度测定

  • 仪器为MN60-C小孔曲面型光泽度仪,天津市其立科技有限公司。配制质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,并在壁画试块上刷涂两遍。用光泽度仪对壁画试块渗透前后的光泽度进行测量,测量3次,取平均值。

  • 1.3.7 色差测定

  • 仪器为MN100通用色差计,天津市其立科技有限公司。配制质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,并在壁画试块上刷涂两遍。用色差仪对壁画试块渗透前后的色差进行比较,测量3次,取平均值。

  • 1.3.8 粘结强度测定

  • 仪器为微机控制电子万能试验机,天水红山试验机有限公司。参考一种新的壁画修复材料黏结性评价装置进行测试[15]。拉拔试块分为两块,一块涂有颜料层,一块未涂颜料层。配制质量分数为0.5%、1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,并在未涂颜料层的地仗上刷涂两遍,待溶液被吸收到一定程度,将拉拔试块两两对接。放置一周,干燥后进行拉拔测试。因拉拔实验不稳定因素较多,所以每个浓度的拉拔试块应在5组或以上。

  • 1.3.9 渗透性测定

  • 仪器为数码相机,索尼公司;VHX-1000型超景深三维立体显微镜,KEYENCE日本基恩士公司。选择地仗试块作为实验对象,将试块分为等大的实验区域。配制质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)溶液,用胶头滴管吸取1mL胶液,分别在不同实验区进行滴渗直至完全渗透。切开试块,测量胶液浸润的平均深度,来表征材料的渗透性。

  • 2 结果与讨论

  • 2.1 显微红外光谱分析结果

  • 为确保实验中所用表征材料为动物胶,对购买的两种材料进行了显微红外光谱分析,图2为牛皮胶和明胶(CP)的红外光谱图,二者的红外吸收峰基本相同,在3 280,2 928,1 627,1 537,1 450,1 240,1 080cm-1处存在明显吸收峰,且与标准库中的红外光谱一致。

  • 图2 牛皮胶和明胶(CP)的红外光谱图

  • Fig.2 Infrared spectra of oxhide gelatin and gelatin (chemically pure)

  • 2.2 黏度

  • 黏度越小,越容易短时间内在壁画上铺展,也更容易流入不同孔隙率的材质内,扩大粘结面。实验过程中,在25℃的温度下,质量分数为5%的两种材料在静置的状态中均容易产生凝胶现象。黏度测试结果见图3。质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%的牛皮胶溶液黏度值分别为1.41、1.42、1.58、1.66、1.851.97、2.92mPa·s,质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、5%的明胶(CP)溶液黏度值分别为1.43、1.55、2.01、2.22、2.67、3.20、5.11mPa·s;牛皮胶和明胶(CP)的黏度整体上随着胶液质量分数的增加而升高;在相同质量分数下,明胶(CP)的黏度值较牛皮胶的黏度值大。

  • 图3 牛皮胶和明胶(CP)的质量分数-黏度曲线图

  • Fig.3 Mass fraction-viscosity curves of oxhide gelatin and gelatin (chemically pure)

  • 2.3 表面张力

  • 材料的表面张力值直接影响着材料渗透性的优劣[16]。测试结果见图4。牛皮胶的表面张力值在36.28~42.67mN/m之间,变化幅度不大;明胶(CP)的表面张力值在38.53~45.93mN/m之间,变化幅度不大;质量分数为0.5%、1%的牛皮胶和质量分数为0.5%的明胶(CP)的表面张力值有所偏差,其他均随着胶液质量分数的升高而减小;在相同质量分数下,明胶(CP)的表面张力值较牛皮胶的表面张力值大。

  • 图4 牛皮胶和明胶(CP)的质量分数-表面张力曲线图

  • Fig.4 Mass fraction-surface tension curves of oxhide gelatin and gelatin (chemically pure)

  • 2.4 接触角

  • 用接触角来表征材料作用于壁画试块表面后的憎水性大小,一般亲水性的好坏会影响水汽透过性。经质量分数为1%的牛皮胶和明胶(CP)处理后的壁画试块,水滴会短暂停留,最终缓慢渗入地仗;经质量分数为3%、5%的牛皮胶和明胶(CP)处理后的壁画试块表面成膜明显,接触角在80.26°~83.73°之间;两种材料质量分数为1%~5%时,接触角都小于90°,说明胶液作用后的壁画试块表面是亲水性的。

  • 2.5 水汽透过率

  • 壁画是支撑体、地仗层、颜料层等的组合体,每个组成都具有一定孔隙率。材料的界入后不能对壁画的水汽透过性改变过大,否则会破坏壁画与环境之间的交换平衡。测试结果见图5。空白试块的水汽透过率为6.58×10-4g/cm3·h,经质量分数为1%、3%、5%的牛皮胶渗透后的壁画试块水汽透过率分别为6.51×10-4、6.34×10-4、6.09×10-4g/cm3·h,经质量分数为1%、3%、5%的明胶(CP)渗透后的壁画试块水汽透过率分别为6.47×10-4、6.27×10-4、6.11×10-4g/cm3·h;刷涂牛皮胶和明胶(CP)的壁画试块相对于空白试块,水汽透过率随着溶液质量分数的增加而降低,但降低幅度不大;当质量分数为1%时,牛皮胶和明胶(CP)相对于空白试块的水汽透过率分别减小了1.06%、1.67%,当质量分数为3%时,牛皮胶和明胶(CP)相对于空白试块的水汽透过率分别减小了3.65%、4.71%,牛皮胶对壁画试块水汽透过率的影响略小于明胶(CP);当质量分数为5%时,牛皮胶和明胶(CP)对壁画试块的水汽透过率的影响相差不大。

  • 图5 牛皮胶和明胶(CP)的质量分数-水汽透过率柱状图

  • Fig.5 Mass fraction-water vapor transmittance histograms of oxhide gelatin and gelatin (chemically pure)

  • 2.6 光泽度

  • 测试结果见表1、表2。经质量分数为1%、3%的牛皮胶和明胶(CP)渗透的壁画试块,处理前后光泽度无明显变化;经质量分数为5%的牛皮胶和明胶(CP)渗透的壁画试块,光泽度明显增加,且明胶(CP)的影响大于牛皮胶。

  • 表1 牛皮胶光泽度数据

  • Table1 Glossiness data of oxhide gelatin

  • 表2 明胶(CP)光泽度数据

  • Table2 Glossiness data of gelatin (chemically pure)

  • 2.7 色差

  • 用色差值ΔE来衡量保护材料施加前后对壁画颜色改变的程度。如果ΔE小于1.5,可视为保护材料颜色基本没有变化。如果ΔE大于3时,则物质颜色会产生明显改变[17]。测试结果见图6。相同质量分数的牛皮胶、明胶(CP)对不同颜料影响程度不同;质量分数为1%、3%时,壁画试块渗透前后ΔE均小于3;质量分数为5%时,除明胶(CP)渗透后的铁红颜料的ΔE小于3之外,其他颜料的ΔE均大于3,且牛皮胶的影响稍微大于明胶(CP)。

  • 图6 牛皮胶和明胶(CP)的质量分数-色差值柱状图

  • Fig.6 Mass fraction-color difference histograms of oxhide gelatin and gelatin (chemically pure)

  • 2.8 粘结强度

  • 拉拔试块表面的平整度、等量的不同质量分数的胶液渗透性差异均会对测试结果产生影响。当两种材料的质量分数为0.5%时,模具轻触就自然分离,未获得拉拔数据;当牛皮胶的质量分数为1%、3%、5%时,粘结强度分别为0.018、0.046、0.072MPa;当明胶(CP)的质量分数为1%、3%、5%时,粘结强度分别为0.020、0.042、0.058MPa;两种材料的粘结强度都随质量分数的上升而增加,牛皮胶的粘结强度优于明胶(CP)。

  • 2.9 渗透性

  • 作为壁画修复材料,除了对颜料层起加固作用外,还需要在地仗层上具有一定的渗透性。测试结果见图7。当牛皮胶的质量分数为1%、3%、5%时,渗透深度平均值分别为3.1mm、2.7mm、1.7mm;当明胶(CP)的质量分数为1%、3%、5%时,渗透深度平均值分别为3.0、2.5、1.0mm;牛皮胶、明胶(CP)的渗透深度随着质量分数的增加而减小,牛皮胶的渗透深度优于明胶(CP),在两种材料的质量分数为5%时,差距较为明显。

  • 对渗透加固后的干燥试块再次进行纵向切割,可在地仗上层发现一层很薄、质地较脆的层位,且用手术刀即可与下层地仗分离开。该层位的厚度并不是胶液的渗透深度,只表示经过胶液渗透后,地仗形成了一条加固层。当材料老化、温湿度变化时,可能会因为上下两层地仗强度差异而产生破坏。鉴于此,修复材料的质量分数不宜过高,需与原始壁画在力学性能上有一定的兼容性。在显微镜下进行观察,结果见图8。当牛皮胶的质量分数为1%、3%、5%,厚度为200.100~250.702 μm;当明胶(CP)的质量分数为1%、3%、5%,厚度为60.494~116.335 μm,且随着质量分数的增加而减小。

  • 图7 渗透深度测试结果

  • Fig.7 Test results of penetration depth

  • 图8 显微镜分析结果

  • Fig.8 Results of microscopic analysis

  • 3 结论

  • 1)当两种动物胶的质量分数为5%时,对试块的水汽透过率、光泽度、色度影响大,易产生凝胶现象,渗透性较差。

  • 2)当两种动物胶的质量分数大于等于1%,小于等于3%时,实验室性能表征如下:

  • (1)牛皮胶的黏度为1.42~1.97mPa·s,明胶(CP)的黏度为1.55~3.2mPa·s。在相同质量分数下,明胶(CP)的黏度均大于牛皮胶的黏度,即牛皮胶溶液容易在壁画表面展开,并渗入壁画;(2)牛皮胶的表面张力值为39.15~40.31mN/m,明胶(CP)的表面张力值为39.83~45.93mN/m。在相同质量分数下,明胶(CP)的表面张力均大于牛皮胶的表面张力,但相差不大。对一种材料而言,表面张力越大,其在毛细管中上升的高度越高,即渗透得越深;(3)当质量分数为1%时,牛皮胶和明胶(CP)相对于空白试块的水汽透过率分别减小了1.06%、1.67%,当质量分数为3%时,牛皮胶和明胶(CP)相对于空白试块的水汽透过率分别减小了3.65%、4.71%,即随着溶液质量分数越大,水汽透过率越低,且牛皮胶对壁画试块水汽透过率的影响略小于明胶(CP);(4)两种动物胶粘结强度相差不大,处理后壁画试块的光泽度发生轻微变化,色差值ΔE小于3无明显变化,试块表面依然为亲水性;(5)牛皮胶的渗透深度为2.7~3.1mm,明胶(CP)的渗透深度为2.5~3.0mm,牛皮胶的渗透深度优于明胶(CP)的渗透深度。

  • 3)两种动物胶的性能相差不大,从水汽透过率、渗透深度来看,牛皮胶的性能优于明胶(CP),且莫高窟壁画原始颜料的固色剂多为牛皮胶,故建议在莫高窟壁画修复中,可选择质量分数为1%~3%的牛皮胶作为修复材料。但动物胶易受微生物侵蚀,使用时需考虑壁画的保存环境。

  • 致谢:十分感谢敦煌研究院保护研究所的领导和同事对本研究的指导和帮助,也衷心感谢课题组成员的付出!

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  • 参考文献

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