高强度水凝胶用于中国宣纸艺术品的保护性清洁:界面黏附的视角

近日,国科温州研究院的陈强研究员课题组和湖南工业大学的许利剑教授课题组合作在SCIENCE CHINA Technological Sciences上发表了题为“Protective cleaning of Chinese paper artworks with strong hydrogels: An interfacial adhesion perspective”的研究论文,该研究工作证明了水凝胶的黏附性能在文物保护性清洁过程中具有重要意义,为未来使用水凝胶清洁和保护纸质文物的研究提供了新的视角。
宣纸是由纤维素纤维通过和少量黏结剂复合形成的中国特有的纸张,具有几千年的历史。宣纸表面粗糙,具有织构结构,容易吸附灰尘,而在灰尘中滋生的细菌、真菌和其他污染物容易导致宣纸艺术品破坏或艺术性下降。传统的清洁方式主要包括毛刷清洁、水洗或面团黏合,但这些传统清洁方法效果不佳或对纸张造成破坏,难以可控有效地清洁宣纸艺术品。水凝胶是清洁艺术品最有效的工具之一,然而在清洁宣纸的过程中,由于界面黏附问题,大多数水凝胶无法达到理想的清洁效果。
为了对宣纸进行有效和保护性的清洁,通过简单的方法制备了PVA/PHEAA凝胶。在PVA大分子存在下,HEAA单体在没有任何化学交联剂的情况下进行光聚合和自交联,PHEAA链可以通过氢键与自身或PVA链相互作用,形成双重物理交联网络。纯PHEAA凝胶具有柔软性和延展性,而PVA的引入明显提高了PVA/PHEAA凝胶的力学性能。因此,前者是软凝胶的理想模型,后者是强凝胶的模型。PVA/PHEAA凝胶的机械性能,特别是刚度(即弹性模量),可以通过凝胶的组成进行调整。在该工作中,作为模型的PVA/PHEAA凝胶表现出0.462 MPa的高强度和1003 J/m2的高韧性,同时表现出102 kPa的中等弹性模量。利用该凝胶作为模型,系统地研究了水凝胶与宣纸之间的界面黏附性能。软PHEAA凝胶显示出131.21 J/m2的高黏附能,导致大量纤维填料从纸上剥离。相比之下,PVA/PHEAA凝胶仅显示出2.98 J/m2的黏附能,这可以很好地清洁纸张而不会对其造成任何损坏。研究发现,临界界面黏附能小于4 J/m2可以保护和有效地清洁宣纸。
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PVA/PHEAA凝胶的主要合成步骤示意图
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实体模型的清洁试验:评估传统方法、PHEAA凝胶和PVA/PHEAA凝胶
(a) 模仿莲花的中国毛笔画模型; (b) 人工染色的中国毛笔画模型; (c) 通过传统清洁去除喷漆模型上的人工灰尘; (d),(e) 传统清洁后的中国毛笔画; (f) 用PVA/PHEAA凝胶去除喷漆模型上的人工灰尘; (g),(h) PVA/PHEAA凝胶清洁后的中国画; (i) 清洁灰尘后的PVA/PHEAA凝胶表面; (j) 通过PHEAA凝胶去除喷漆模型上的人工灰尘; (k),(l) PHEAA凝胶清洁后的中国毛画笔; (m) 清洁灰尘后PHEAA凝胶的表面