基于光谱技术的瓷青纸材料及工艺分析——以一件明代瓷青纸为例
田江南, 解明思, 刘锦缘, 刘铮峰, 翁连溪, 李修, 施继龙*
北京印刷学院印刷与包装工程学院, 北京 102600
*通讯作者 e-mail: jilongshi@bigc.edu.cn

作者简介: 田江南, 1995年生, 北京印刷学院印刷与包装工程学院硕士研究生 e-mail: tjn915536132@163.com

摘要

瓷青纸是我国古代一种名贵的加工纸, 瓷青纸文物存世稀少往往是博物馆的馆藏珍品。 关于瓷青纸相关材料与工艺的文献记载甚少, 对其开展的科技研究工作鲜见, 对其材料组成及制作工艺缺乏系统认知, 难以对瓷青纸文物进行科学的保护、 修复、 复制等工作。 为进一步加深对瓷青纸的认识, 利用视频显微镜、 拉曼光谱仪、 扫描电镜-能谱仪、 赫氏染色法纤维分析等技术对一件明代瓷青纸文物样品进行制作材料及工艺分析。 研究结果表明: 通过拉曼光谱分析, 对比该瓷青纸文物样品纸张染料跟靛蓝的拉曼峰位, 两者的峰位较为匹配, 而在1 570~1 701 cm-1范围内为C=C键和C=O键和N—H键共轭体系的伸缩振动, 是靛系染料分子特有的特征吸收峰, 而样品纸张染料在1 570 cm-1出现的强拉曼峰符合靛蓝的拉曼光谱特征, 因此可以确定为靛蓝, 这也与中国历史悠久的种植蓝草、 提取靛蓝作为染料的情况相一致; 通过扫描电镜-能谱分析, 纸张主要元素如S、 Ca、 Al、 Si、 Mg应来源于填料或涂料, 纸张经过了加填以及涂布处理以达到改善纸张不透明度、 透气度、 光泽度的目的, 同时也排除了样品蓝色染料为蓝铜矿、 青金石以及天然群青等蓝色矿物颜料的可能性; 通过赫氏染色法纤维分析, 纸张样品纤维特征为纤维壁上有横节纹、 纤维外壁上有胶质膜、 纤维中有少量草酸钙晶体、 纤维上有较多的黄色无定形蜡状物, 表明纸张纤维与构皮、 桑皮等皮类纤维接近, 瓷青纸的基纸应属于皮纸, 皮纸纤维强度较高, 在染色过程中不易水解导致纸张破损。 该瓷青纸文物样品的制作材料与工艺可以概括为: 将靛蓝染料在经过加填以及涂布处理的皮纸上进行单面染色后上下叠合制成。 通过该研究能够加深对明代瓷青纸造纸材料与工艺的认识, 同时为瓷青纸文物的研究、 保护、 修复、 复制等提供依据。

关键词: 瓷青纸; 纸张材料; 加工工艺
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Investigation of Raw Materials and Manufacture Process of Porcelain Green Paper Based on Spectral Analysis——Taking a Ming Dynasty Porcelain Green Paper as an Example
TIAN Jiang-nan, XIE Ming-si, LIU Jin-yuan, LIU Zheng-feng, WENG Lian-xi, LI Xiu, SHI Ji-long*
School of Printing and Packaging Engineering, Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China
*Corresponding author
Abstract

Porcelain green paper is a famous processing paper in ancient China, and the relic made of porcelain green paper is often museum treasure. There are few records and researches on porcelain green paper, and there is a lack of systematic knowledge of its composition and production technology, making it difficult to carry out scientific protection and restoration of relics made by porcelain green paper. In order to further deepen the understanding of ancient porcelain green paper, three-dimensional video microscopy, Raman spectrometer, scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) and fiber analysis were employed to analyse the raw materials and manufacture process of one early Ming dynasty porcelain green paper sample. The result indicated that the dye on the sample matched the Raman peak position of indigo, and in the range of 1 570~1 701 cm-1, the stretching vibration of the C=C bond, C=O bond and N—H bond conjugate system is the characteristic absorption peak of indigo dye molecules. The sample's strong Raman peak at 1 570 cm-1 is consistent with the Raman spectral characteristics of indigo, so it can be identified as indigo, which is also consistent with a long history of planting bluegrass and extracting indigo as a dye in China. The scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS) analysis indicated that the main elements of paper such as S, Ca, Al, Si, and Mg should come from filler or coating. The paper has been filled and coated in order to improve the paper opacity, permeability, and gloss, but also ruled out the possibility that the sample blue dye is azurite, lapis lazuli or natural ultramarine blue. There are transverse nodules on the fiber wall, a colloidal membrane on the outer fiber wall, a small amount of calcium oxalate crystal in the fiber, and more yellow amorphous wax on the fiber. These characteristics are similar to that of tapa and mulberry bark fibers. Therefore, the base paper of porcelain green paper should belong to the bark paper, the strength of the bark paper fiber is relatively strong, so it is not easy to hydrolyze in the dyeing process. Therefore, the production process of the porcelain green paper is as follows: indigo dye is dyed on one side of the bark paper filled and coated, then superimposed up and down. This study can deepen the understanding of the materials and technology of Ming porcelain green paper making and provide a basis for the research, protection, restoration and reproduction of porcelain green paper relics.

Keyword: Porcelain green paper; Paper raw materials; Manufacture process
引言

瓷青纸, 又名磁青纸, 其色泽厚重, 质地坚韧, 是一种名贵的加工纸, 常用于书写佛经并绘制扉画。 瓷青纸历史悠久, 有专家认为瓷青纸起源可以追溯到唐代, 到了明代成为名贵的御用写经纸[1]。 明代不乏瓷青纸相关记载: 《帝京景物略》“ 瓷青纸, 坚韧如段素, 可用书泥金” [2]; 《宛署杂记》“ 磁青纸十张, 价一两” [3]。 可见瓷青纸非常昂贵, 常用于泥金写经。 关于瓷青纸制作材料及工艺的记载甚少, 后世难窥其原貌, 目前关于瓷青纸相关研究较少, 仅见相关历史源流的研究, 以及馆藏样品的科技分析等。 本文利用视频显微镜、 拉曼光谱仪、 扫描电镜-能谱仪等无损或微损分析技术对一件明代瓷青纸文物样品进行分析, 挖掘其蕴含的科技信息, 探索明代瓷青纸的制作材料及工艺, 为瓷青纸文物的相关研究、 保护、 修复、 复制等提供依据。

1 实验部分
1.1 样品

研究样品为北京印刷学院纸质品保护修复实验室收藏的一件明代瓷青纸文物样品, 如图1所示。 样品长约19.23 cm, 宽约4.81 cm, 正面呈深蓝色, 纹饰由金色的泥金绘成, 背面无染色。 根据样品与存世明代瓷青纸泥金写经比对, 样品特征与明代瓷青纸一致。

图1 瓷青纸样品形态图Fig.1 The sample of Porcelain Green Paper

1.2 方法

1.2.1 显微观察

利用视频显微镜(Keyence VHX-600K), 对样品进行观察。

1.2.2 拉曼光谱分析

样品置于拉曼光谱仪(Horiba Jobin Yvon XploRA)样品台上进行观察并获取拉曼谱图。 在室温、 暗室环境下, 选用785 nm波长激光器, 样品表面的激光功率为2~3 mW, 激光光斑尺寸约1 μ m, 信号采集时间30 s, 累加2次, 光栅刻线为1 200 gr· mm-1, 狭缝宽度为100 μ m。

1.2.3 扫描电镜能谱分析

样品放置在扫描电镜(JEOL JSM-6610LA)的样品台上进行观察及能谱收集。 观察条件: 加速电压15 kV, 工作距离10 mm, 电子束斑直径50 nm, 真空度为1.0× 10-4 Pa, 物镜光阑孔径为50 μ m, 能谱仪采集时间100 s, 采集计数率为6 000~15 000 cps。

1.2.4 纤维分析

采用赫氏染色法进行纸张纤维分析。 取少量剥落的纤维样品加蒸馏水浸泡后, 用解剖针充分分散样品, 用赫氏染色剂染色后, 置于光学显微镜下对纤维形态进行观察。

2 结果与讨论
2.1 显微分析

样品正面呈蓝色, 纤维被蓝色染料覆盖, 染色均匀, 如图2(a)所示; 样品背面无染色, 如图2(b)所示; 样品横截面可见样品两层纸胶粘在一起, 其中上层染色纸厚度约为126 μ m, 下层纸厚度约为178 μ m, 可分层揭开, 如图2(c)所示。

图2 样品显微图
(a): 样品正面; (b): 样品背面; (c): 样品侧面
Fig.2 The micrograph of the sample
(a): The front side of the sample; (b): The back side of the sample; (c): The cross section of the sample

该瓷青纸文物样品采用单面刷染或单面拉染的染色方式, 之后将上层染色纸与下层背纸粘合在一起, 由于环境老化作用, 现能明显看出是两层纸可以揭开。

2.2 拉曼光谱分析

对样品上层染色纸的蓝色染料进行拉曼测试分析, 结果如图3所示。 其中样品拉曼峰为249、 540、 595、 1 015、 1 308、 1 363、 1 460、 1 570、 1 624和1 697 cm-1。 与文献中的靛蓝(Indigo, C16H10N2O2)的拉曼特征峰(251、 544、 598、 1 011、 1 310、 1 363、 1 462、 1 572、 1 609和1 701 cm-1)较为匹配, 拉曼光谱信号在1 570~1 701 cm-1范围内为C=C键和C=O键和N— H键共轭体系的伸缩振动, 是靛系染料分子特有的特征吸收峰[4]。 样品蓝色染料在1 570 cm-1出现的强拉曼峰符合靛蓝的拉曼光谱特征, 因此可以确定为靛蓝。

图3 样品蓝色染料拉曼光谱图Fig.3 The Raman spectra of the stained side of sample

《诗经》中有记载: “ 青青子衿, 悠悠我心。 青青子佩, 悠悠我思。” 指代先民所穿的青色衣物, 而《大戴礼记· 劝学》中也有记载: “ 青取之于蓝, 而青于蓝” , 说明“ 青” 这种颜色取自蓝草, 北魏贾思勰的《齐民要术》和明代宋应星的《天工开物》中都有描述过如何将蓝草制成靛蓝的方法, 并且一直沿用至今, 可见我国有着悠久的种植蓝草、 提取靛蓝作为染料的历史[5]。 而前人也有对不同年代的彩绘或者丝织品上的蓝色颜料进行分析并且证实为靛蓝的研究, 如司艺等人通过拉曼光谱对新疆阿斯塔那墓地唐代木质彩绘上的蓝色物质进行分析, 认定其为靛蓝[6]; 何秋菊用拉曼光谱和高效液相色谱等分析手段, 对一组古代丝织品如元代鸽子洞出土的蓝棉袄和百纳枕顶以及清代传世品扇套上的蓝色染料进行分析鉴定并证明了该组样品中蓝色均为靛蓝染色[7]。 本样品所用蓝色染料也是靛蓝, 其实验结果可与上述研究互相验证, 这也与中国历史悠久的种植蓝草、 提取靛蓝作为染料的情况相一致。

2.3 扫描电镜-能谱分析

对样品上层染色纸进行能谱mapping分析, 结果如图4所示。 纸张主要元素包括C、 O、 N、 S、 Ca、 Al、 Si、 Mg。 其中, C、 O主要来源于纸张中的植物纤维、 染料靛蓝(C16H10N2O2)及填料中的C、 O元素, N应来源于染料靛蓝(C16H10N2O2), S、 Ca、 Al、 Si、 Mg应来源于纸张常用的填料或涂料如石灰(CaO)、 白垩(CaCO3)、 石膏(CaSO4· 2H2O)、 高岭土(2SiO2· Al2O3 · 2H2O)等[8]

图4 样品能谱mapping谱图Fig.4 The mapping of chemical elements on the sample

中国传统造纸工艺中常用石灰作为沤煮材料, 用白垩作为填料或涂料, 用石膏或高岭土等作为纸张上的涂料。 石灰作为沤煮材料时可使蒸煮液呈弱碱性, 可以脱去纸浆中的木素及其他非纤维素成分如果胶、 灰分等, 白垩加入纸张中可以改善纸张的不透明度及透气度, 石膏跟高岭土的作用相似, 涂布于纸张表面可有利于改善纸张的不透明度、 光泽度等[9, 10]

中国古代除了用植物染料靛蓝作为蓝色染料, 还可能用蓝铜矿[Azurite, 2CuCO3· Cu(OH)2]、 青金石(Lapis Lazuli, 3Na2O· 3Al2O3· 6SiO2· 2Na2S)或天然群青(Ultramarine, Na6Al4Si6S4O20)等蓝色矿物颜料, 而主要元素中没有出现Cu元素, 所以可以排除蓝铜矿作为瓷青纸染料的可能, 同时, 中国并非青金石产地, 而天然群青又过于昂贵, 难以作为瓷青纸的染料。 因此, 排除了瓷青纸样品采用蓝铜矿、 青金石以及天然群青等蓝色矿物颜料来染色的可能性。

2.4 纤维分析

分别从上层染色纸、 下层背纸中取样进行纤维分析。 样品纤维特征如图5、 图6所示; 上、 下层纸纤维颜色较深, 呈紫红色, 纤维壁上有横节纹, 纤维外壁上有胶质膜, 在端部较为明显。 纤维中有少量草酸钙晶体, 纤维上有较多的黄色无定形蜡状物。 对比了文献关于构皮、 桑皮、 檀皮、 三桠皮、 雁皮等皮纸类纤维的特征描述, 这些皮纸纤维细胞壁上均有横节纹, 纤维外壁上均有胶质膜[9]。 同时对比竹类纤维和麻类纤维, 竹类纤维的纤维壁厚, 纤维较为僵硬少有弯曲现象, 纤维壁上有明显的节状加厚, 纤维中含有大的导管分子和较多椭圆形薄壁细胞, 没有横节纹或胶质膜, 而麻类纤维普遍细长, 纤维壁上有明显的横节纹, 没有胶质膜, 因此上、 下层纸纤维样品更符合皮纸类纤维特征。

图5 样品上层纸张纤维形态图Fig.5 The fiber morphology of the upper layer sample

图6 样品下层纸张纤维形态图Fig.6 The fiber morphology of the lower layer sample

纤维分析表明该样品纸张符合皮纸类纤维特征, 与竹纸、 麻纸等区别较大。 明代皮纸种类丰富, 常用桑皮、 构皮、 檀皮等材料造纸[11]。 该样品应属于某种皮纸, 皮纸相对于竹纸、 麻纸而言更为牢固, 而使用靛蓝染色, 常常需要用湿润的染料对纸张进行染色, 如果纸张强度太弱, 很容易在染色的过程导致破损, 因此选用皮纸作为瓷青纸纸张原料较为合适。

3 结论

(1) 通过拉曼光谱分析, 对比该瓷青纸文物样品纸张染料跟靛蓝的拉曼峰位, 两者的峰位较为匹配, 而在1 570~1 701 cm-1范围内为C=C键和C=O键和N— H键共轭体系的伸缩振动, 是靛系染料分子特有的特征吸收峰, 而样品纸张染料在1 570 cm-1出现的强拉曼峰符合靛蓝的拉曼光谱特征, 因此可以确定为靛蓝, 这也与中国历史悠久的种植蓝草、 提取靛蓝作为染料的情况相一致; 根据扫描电镜-能谱分析的结果, 结合拉曼光谱的数据, 进一步排除了瓷青纸文物样品纸张染色采用蓝铜矿[Azurite, 2CuCO3· Cu(OH)2]、 青金石(Lapis Lazuli, 3Na2O· 3Al2O3· 6SiO2· 2Na2S)以及天然群青(Ultramarine, Na6Al4Si6S4O20)等蓝色矿物颜料的可能性, 因此用于该瓷青纸文物样品染色的染料为靛蓝。

(2) 通过扫描电镜-能谱分析, 纸张主要元素如S、 Ca、 Al、 Si、 Mg应来源于填料或涂料如石灰(CaO)、 白垩(CaCO3)、 石膏(CaSO4· 2H2O)、 高岭土(2SiO2· Al2O3 · 2H2O)等, 这些填料或涂料有利于改善纸张不透明度、 透气度、 光泽度。 纤维分析表明该样品纸张符合皮纸类纤维特征, 而皮纸纤维强度较高, 在染色过程中不易水解导致纸张破损, 这也验证了明代瓷青纸“ 坚韧如段素” 的记载。

因此, 该瓷青纸文物样品的制作材料与工艺可以概括为: 将靛蓝染料在经过加填以及涂布处理的皮纸上进行单面染色后上下叠合制成, 而由于瓷青纸制作工艺复杂, 这也是导致其价格昂贵的主要原因之一。

参考文献
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