国科温研院陈强/湖南工大许利剑：高强度水凝胶用于中国宣纸艺术品的保护性清洁

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。中国纸张艺术品主要是宣纸艺术品，但是它表面粗糙，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的破坏或艺术性下降。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形成破坏，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，大多数水凝胶无法实现理想的清洁效果。

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从界面黏附视角提出利用高强度水凝胶保护性和有效清洁中国宣纸艺术品的新思路。研究发现，以聚乙烯醇/聚（N-（2-羟乙基）丙烯酰胺（PVA/PHEAA）凝胶为模型，通过系统地研究水凝胶与宣纸之间的界面黏附，发现达到保护和有效清洁目的的临界界面黏附能(< 4 J/m2)。相关工作以Protective Cleaning of Chinese Paper Artworks with Strong Hydrogels: An Interfacial Adhesion Perspective为题发表在《SCIENCE CHINA Technological Sciences》上。湖南工业大学的杜晶晶教授和聂兆骏为共同第一作者，湖南工业大学许利剑教授、国科温州研究院的于惠助理研究员、陈强研究员为通讯作者。

图文解读

如图1所示，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，特别是刚性（即弹性模量），可以通过凝胶的组成进行调整。对比传统清洁方法和软凝胶，高强度水凝胶对宣纸的保护性清洁具有三个优点：（1）强凝胶可以控制水的释放；（2）强凝胶具有适度的弹性模量和强度，使凝胶能够适应纸张的粗糙表面，同时易于处理而不会断裂；（3）强凝胶和宣纸之间的界面黏附也应适度，以确保纸上的纤维不会被剥落，同时能有效地清洁纤维表面或间隙中的污垢。在本工作中，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。利用这种凝胶，系统地研究了水凝胶与宣纸之间的界面黏附性能。宣纸的损坏和清洁效果也通过各种技术进行了表征。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的值，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< 4 J/m2可以保护和有效地清洁宣纸。

图1 PVA/PHEAA凝胶的主要合成步骤示意图

图2 a）不同PVA含量的凝胶样品的应力-应变曲线；b）不同PVA含量的PVA/PHEAA凝胶的模量；c）具有不同PHEAA含量的凝胶样品的典型应力-应变曲线；d）不同PHEAA含量的PVA/PHEAA凝胶的模量。凝胶模量和宣纸与凝胶接触界面的e）数字照片和f）光学显微镜照片。

图3 a)通过180°剥离试验测定PVA/PHEAA凝胶与宣纸的界面附着力; b)水凝胶样品剥离力随位移的典型曲线; c)测定的水凝胶样品界面粘附能; d) PHEAA凝胶和e) PVA/PHEAA凝胶表面与宣纸粘合后的光学显微镜图像; f) PHEAA g) PVA/PHEAA凝胶表面与宣纸粘合后的图像; h) PHEAA凝胶与PVA/PHEAA凝胶的粘附机理。

图4 a)不同PVA含量水凝胶样品剥离力与位移的典型曲线; b)测定不同PVA含量的PVA/PHEAA凝胶的界面粘附能; c)不同PVA含量的水凝胶表面与宣纸黏附后的光学显微镜图像; d)不同PHEAA含量水凝胶样品剥离力与位移的典型曲线; e)测定不同PHEAA含量的PVA/PHEAA凝胶的界面粘附能; f)宣纸粘附不同PHEAA含量水凝胶表面的光学显微镜图像; g)不同条件下界面粘附能汇总; h)不同洗涤次数下水凝胶样品剥离力与位移的典型曲线; i)测定了不同洗涤次数下PVA/PHEAA凝胶的界面粘附能; j)不同洗涤时间水凝胶表面与宣纸粘附后的光学显微镜图像。

图5 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凝胶清洁后的中国画笔; m）清洁灰尘后PHEAA凝胶的表面。

小结

综上研究发现，高强度水凝胶更适合保护性和有效地清洁宣纸艺术品。与软水凝胶相比，高强度水凝胶具有更密集的网络结构，表现出更小的水释放和更低的界面黏附能。与刚性水凝胶相比，高强度水凝胶具有适当的弹性模量，可以与粗糙的纸张紧密接触并有效地清洁纸张。这项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。

原文链接:

https://www.sciengine.com/SCTS/doi/10.1007/s11431-023-2425-0

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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