耿 璐，魏彦飞，龚钰轩，龚德才

(中国科学技术大学科技史与科技考古系，安徽合肥 230026)



脆弱黏结出土丝织品文物揭展技术研究及应用

耿 璐，魏彦飞，龚钰轩，龚德才

(中国科学技术大学科技史与科技考古系，安徽合肥 230026)

丝织品文物经长期地下埋藏，出土时普遍存在严重糟朽、层间黏结的状况。为对丝织品文物进行有效的保护，根据自分层理论,研究出一种在降低丝织品文物层间黏结强度的同时，可以很好地增强丝织品文物本体力学强度的揭展剂。通过AFM、SEM对揭展剂成膜性、渗透性能进行表征，证明了自分层揭展剂分层效果、渗透性良好；使用机械强度、色差仪、硬挺度作为织物性能指标对揭展效果进行评价，证明揭展剂对古代黏结、脆弱丝织品具有良好的揭展、加固效果。应用该揭展剂成功揭展了安徽南陵出土宋代脆弱丝织品文物。

黏结丝织品；脆弱丝织品；层间黏结；揭展；自分层；古丝绸

0 引 言

丝织品是中国文化的象征之一，是中国物质文化遗产与非物质文化遗产的集中体现，丝织品文物更是古代中国文明的重要组成部分。出土丝织品文物经过长时间的埋藏，多数腐蚀殆尽、不见踪迹，保留下来的也多半糟朽不堪、触之即粉。出土丝织品文物在埋藏过程中基本是折叠放置的[1]，层与层之间发生黏结，折痕处断裂或极易断裂。为使埋藏地下的瑰宝重焕光彩，揭展工作无疑是纺织品文物保护、修复工作的第一步，也是最重要的一步。

近年来，关于出土黏结丝绸织品揭展技术与揭展剂的研究成果颇丰。如：JZ-1揭展剂成功用于法门寺、陕西白水等多处出土丝绸织物的揭展[2，3]；吴顺清等发明的一种针对高含水、低强度丝绸织物的分离揭取方法[4]；TJ-1剥离剂在中国第二历史档案馆、上海图书馆等单位的古籍保护中得到广泛应用[5]；BE-1揭展剂对人工老化的固结丝织品进行模拟揭展[6]等。目前，揭展剂研究主要是利用现代科学技术，通过降低丝织品层间黏结的作用力，完成揭展。概括地说，揭展问题的关键在于：使丝织品本体强度能克服丝织品层间黏结的强度。因此，使丝织品满足揭展条件的途径无非两种：增加丝织品本体强度、降低层间黏结强度。

相关研究中，揭展剂的化学成分多数为表面活性剂、柔软剂、渗透剂等生化助剂，有效地降低了丝织品层间黏结强度。但揭展剂在降低层间黏结强度的同时，增强丝织品本体力学强度的研究未见报道。本实验研制的揭展剂，克服了此类问题。在降低丝织品层间黏结强度的前提下，很好地提升了丝织品文物本体强度。

1 丝织品残片揭展预实验与分析测试

1.1 样品

2014年6月，安徽南陵县铁拐村北宋墓出土了大量珍贵丝织品文物，但所有丝织品均出现不同程度的黏结、断裂、糟朽、残缺、破裂、污染等病害，以黏结和糟朽最为突出。预实验样品使用该墓葬出土多层黏结丝织品残片。

1.2 揭展预实验

1.2.1 样品显微形貌与揭展剂渗透性分析 本项工作通过对模拟样品的揭展实验，获得了稳定配方。现重点对揭展剂应用于南陵铁拐村北宋墓出土丝织品的揭展和加固效果进行分析和评估。

古代蚕丝经长时间降解，通常存在表面组织剥落、单丝断裂、内部形成空腔等情况[7]。揭展剂需具备良好的渗透性，才能达到预期的加固、揭展效果。图1为古代蚕丝表面SEM图，图2为古代蚕丝表面涂布揭展剂后SEM图。图1中蚕丝纤维排列紧密，有少量污染物附着。图2可以看出，揭展剂在蚕丝表面包裹均匀，纤维间没有发生黏结。对比揭展剂使用前后SEM图，显微外观无明显改变，渗透性能良好。

图1 古代蚕丝SEM图

图2 古代蚕丝涂布揭展剂后SEM图

丝织品文物保护材料的使用必须避免表面板结、硬挺，纤维间黏结等情况发生。前文证明了揭展剂符合上述要求。为进一步评判揭展剂可靠性，预实验选取了蛋壳膜内膜对渗透性做深入研究。蛋壳膜内膜纤维与蚕丝纤维结构相近，直径约为蚕丝纤维的1/10，且纤维间距更小、空间结构更为复杂。对比蛋壳膜内膜涂布揭展剂前后差异，可更好地表征其渗透性。图3为蛋壳膜内膜SEM图，图4为蛋壳膜内膜涂布揭展剂后SEM图(图3、4中颗粒物为蛋壳膜内膜表面多糖)。图3中蛋白膜内膜纤维空间结构复杂，多层交织。从图4可以看出，蛋壳膜内膜纤维间无黏结现象，也没有揭展剂在空间结构内填充。揭展剂在纤维表面附着紧密，并可以渗透进层间对单根纤维进行包被。比较揭展剂使用前后SEM图发现，蛋壳膜内膜显微结构无明显变化，进一步验证了揭展剂渗透性能满足丝织品加固、揭展条件。

图3 蛋壳膜内膜SEM

图4 蛋壳膜内膜涂布揭展剂后SEM

1.2.2 预实验揭展步骤 有6个步骤，如下：

1) 搪瓷盘用两层现代丝绸铺底，将样品置于其上。

2) 取5cm×5cm的小块现代丝绸，去离子水湿润后覆盖样品表面。

3) 用大块丝绸覆盖小块丝绸之上，喷壶润湿。

4) 现代丝绸上覆2～3层宣纸，喷壶润湿。

5) 于宣纸上滴加揭展剂，至底层丝绸充分润湿，保湿4h。

6) 保湿后待揭展剂完全干燥，依次小心揭取宣纸、现代丝绸。最后用竹签轻轻逐层揭展丝织品文物。

丝织品文物在湿润后，粘附于其表面的土壤颗粒或其他污染物会随水分蒸发、毛细水作用富集于层叠的丝织品表面。这些物质易使丝织品发黑、变脆。以上步骤既有效避免了富集现象的发生，又降低了揭展剂使用中水流对丝织品造成伤害的可能。使用揭展剂对丝绸残片揭展，效果良好，验证了其可靠性。

1.3 揭展预实验残片分析测试

微观形貌表征：使用DI Innova型原子力显微镜(美国Veeco公司)，表征揭展剂成膜后表面形貌；测试采用Tapping模式，扫描速度：1Hz。同时使用JSM—6700F型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)，分析揭展前后丝织品微观形貌差异。色差测试：使用NH310型电脑色差仪(深圳三恩驰科技有限公司)，评判揭展前后丝织品色差变化。机械性能测试：利用DMTAQ800型动态热机械分析仪(美国TA公司)，分析样品的抗拉强度、断裂强度、断裂伸长率。样品沿经线方向制成3cm×1.5cm长条，精确厚度、宽度分别由螺旋测微器、游标卡尺测定，长度由仪器自动测定。

2 结果与分析

2.1 揭展剂成膜性分析

图5～7为不同倍数下揭展剂膜截面自分层现象。从图中可以看出，揭展剂成膜后有明显不均相产生，分层现象明显。自分层揭展剂就是利用不同材料相容性与表面能差异，在成膜过程中材料自然分相，而形成一种在不同位置、不同性能的膜结构。图8为揭展剂成膜后原子力显微镜(AFM)图。图8(a)为揭展剂膜表面三维形貌图，膜表面呈丘陵状突起，最大突起高差为80.2nm，较探针扫描平面的平均高差约40nm。可以看出，揭展剂成膜后，表面高差控制在纳米级别，平滑度较好。图8(b)为相图，可明显观察到揭展剂各组分呈不匀相分布，进一步确认了自分层组分的分层、分相现象。左下部有约1μm2面积划痕，应为海岛状富集使探针拖拽材料表面所致。揭展剂成膜后表面光滑，适用于脆弱、黏结丝织品文物的揭展。

图5 揭展剂膜截面自分层现象

图6 揭展剂膜截面自分层现象

图7 揭展剂膜截面自分层现象

图8 揭展剂膜AFM表面三维图与相图

2.2 揭展前后丝织品形貌变化

图9、10分别为南陵宋代样品揭展前蚕丝纤维横向、纵向SEM(扫描电子显微镜)图。图中蚕丝纤维老化较严重，表面有一定污染物附着。图11、12分别为南陵宋代样品揭展后蚕丝纤维横向、纵向SEM图。对比揭展前后SEM图，丝织品形貌无明显改变，污染物减少，说明揭展剂具备一定清洗效果。图13为使用揭展剂前丝绸残片，图14为使用揭展剂后丝绸残片。比较揭展前后丝织品残片照片，外观形貌无明显改变。

图9 揭展前丝绸横向SEM图

图10 揭展前丝绸纵向SEM图

图11 揭展后丝绸横向SEM图

图12 揭展后丝绸纵向SEM图

图13 使用揭展剂前丝绸残片

图14 使用揭展剂后丝绸残片

2.3 揭展剂对织物性能的影响

在丝绸残片上选取5处有明显特征位置的标记点，评判使用揭展剂前后色差变化情况，具体标记位置见图13、14，色差测试结果取5处色差的算数平均数。揭展前后丝织品各项指标变化结果见表1。揭展后丝织品色差较揭展前增大0.45，但一般认为丝织品保护工作实施后色差小于或等于1为可接受范围[8]。揭展前样品硬挺度为1.67×10-2mN·m，揭展后样品硬挺度为0.96×10-2mN·m。喷涂揭展剂后丝织品硬挺度降低了0.71×10-2mN·m，是因为揭展剂去除了丝织品纤维间的部分固结物质，对丝织品起到了一定的柔化作用。揭展前后丝织品DMA(动态热机械分析)测试结果见图15。揭展前，丝织品残片断裂强度为1.1Mpa，断裂拉力为0.45N，断裂伸长率为1.7%；揭展后，丝织品残片断裂强度为2.7Mpa，断裂拉力为1.61N，断裂伸长率为1.6%。测试结果显示丝织品断裂强度、强度均有大幅提升，说明自分层揭展剂有很好的加固效果。断裂伸长率由1.7%降低至1.6%，变化范围较小。

表1 使用揭展剂前后丝织品评价指标

Y1为揭展后样品，W1代表未揭展样品 图15 揭展前后丝织品DMA测试结果

3 南陵出土北宋黏粘、脆弱丝织品揭展应用

2014年6月，安徽南陵县铁拐村北宋家族墓地出土了金属器、竹木漆器、纺织品等200多件珍贵文物。其中，荒帷、服饰、衾等珍贵丝织品文物近百件。铁拐宋墓是中国宋元考古中出土纺织品最多的墓葬之一。其中M1墓葬的形制较大、等级较高，出土遗物中发现众多的丝织品、完整的木俑及房屋、家具组合模型等在安徽宋元考古中是首次发现，为研究皖东南地区宋元时期墓葬的年代序列以及埋葬制度、民间风俗、器物组合等提供了重要的实物资料，具有标志性的地位。

墓葬出土的纺织品文物十分脆弱，根本无法直接进行揭展。研究人员在预实验基础上对揭取工作进行了两点优化：1)揭展工作需对丝织品进行多次搬运，每一次搬运都存在对文物造成损坏的可能。基于此，研究人员针对丝织品文物的大小设计、制作了放置丝织品的不锈钢滤水网状支架，所有搬运工作对支架操作，更好地保障了文物安全。2)完整丝织品体积较大，滴加揭展剂不能确保丝织品是否充分湿润。若直接浸泡，水的润胀作用可能会对丝织品造成损坏。研究决定采取先缓慢滴加湿润、后浸泡的办法使用揭展剂。

3.1 揭展工作各主要阶段

1) 揭展准备。在支架底层铺垫三层宣纸，宣纸上垫一层现代丝绸；将丝织品文物置于现代丝绸上；根据丝织品形状，用小块现代丝绸对丝织品进行覆盖；然后将整块现代丝绸覆盖其上；再用宣纸覆盖整块丝绸；最后用夹子固定上下层宣纸与现代丝绸，防止浸泡过程中丝织品移动造成的损坏。

2) 揭展剂使用。滴加揭展剂，使丝织品充分湿润，注意观察滤网支架底部是否有揭展剂流出；然后将支架移至水槽内，延水槽边缘缓慢注入揭展剂，直至揭展剂淹没上层宣纸，揭展剂注入过程中随时观察水流对丝织品的影响，避免漂动。

3) 揭展剂作用。丝织品在揭展剂中浸泡4h，将水槽缓慢放水，观察水流影响，避免漂动；将支架移出水槽，待揭展剂干燥。

4) 整体揭展。揭展剂完全干燥后，依次揭开表面宣纸、现代丝绸；根据情况使用竹签、牛角刀等工具对丝织品进行揭展。揭展后效果见图16、17。

图16 宋代丝织品揭展前

图17 宋代丝织品揭展后

4 古代丝织品黏结机理简析

出土古代丝织品通常产生严重的层间黏粘现象。黏结力的产生和来源是多方面的，黏结过程是一个复杂的物理、化学过程。就丝织品出土状态而言，层间黏结是一种固—固界面的粘附，是通过跨越两固相界面的相互作用而产生的。这种界面上的相互作用既可以是胶黏物质(如丝胶的降解、粘土矿物等)对蚕丝与蚕丝界面间的黏附，也可以是界面上微观的机械嵌合作用，还可以是分子间的相互作用力(总范德华力、氢键力)。

宏观上看，层间黏粘可以用界面现象中的胶接理论解释。胶接界面上的作用力主要为三类[9]：1)静力。如机械作用力和摩擦作用所产生的力，这类静力对界面胶接强度的贡献率理论上较其他两类较小；2)界面分子间作用力。由色散力、偶极力、诱导力与氢键力等作用而产生的力，其对界面胶接强度的贡献率理论上要大于静力作用；3)化学键力。其对界面胶接强度的贡献率理论上最大。但出土丝织品层间黏结不大可能形成新的化学键[1]，这一点本研究不做讨论。

4.1 机械作用力

机械作用力是黏结时产生结合力的机理之一。丝织品的埋藏环境情况复杂，降解了的丝胶或粘土矿物等物质通过挤压，进入蚕丝表面的空腔或凹凸部分，形成机械引力，从而产生结合力。虽然从物理化学的观点看，机械作用并不是产生粘接力的因素，而是增加粘接效果的一种方法。机械连接力的本质是摩擦力，类似钉子与木材的接合或树根植入泥土的作用。机械连接力对某些坚实而光滑的表面作用不显著，但蚕丝是多孔性的，丝织品在埋藏环境中受机械力的作用，加剧了丝织品的粘结状况。

4.2 分子间作用力

有大量证据表明表面现象与原子和分子之间的作用力有关，分子间相互作用理论应是讨论界面现象的基础理论[10]。分子(或原子)间的相互作用可以根据其所产生的结果、有效作用距离、作用的性质等不同研究目的进行分类。由于出土丝织品黏结界面现象涉及多种物质，在此从界面理论的角度，通过对分子(或原子)间的相互作用的讨论[11]，厘清黏粘古代丝织品的界面性质。分子间总的作用能应有下列各项组成[12]：

ε=εd+εP+εT+εh

其中，εd为色散力相互作用，εP为偶极力相互作用，εT为诱导力相互作用，εh为氢键力相互作用。按照分子间相互作用理论，范德华(van der waals)力可广义地认为是由静电相互作用(包含偶极相互作用)、诱导相互作用和色散相互作用组成。在实际情况中这三种相互作用各占一定比例。由于氢键的存在十分广泛，如水、蛋白质、碳水化合物、酸式盐、结晶水合物等都存在氢键，且氢键的键能一般小于30kj·mol-1，比化学键的键能要小得多，但和范德华引力的数量级相同或稍大一些。所以把氢键力可归属于范德华引力一类[13]。

分子作用力是古代丝织品黏结力的主要来源。出土丝织品黏结主要是分子间相互作用，即色散力、诱导力和静电力、氢键力起作用。而上述诸力的形成原因、作用机制、影响范围和作用力本质彼此均相类似，分子作用力广泛地存在于所有的黏结体系中。根据上述讨论可知，黏粘古代丝织品的揭展，应满足两大要求，一是需将脆弱的丝织品加固使其强度提高至分子间作用力以上，也就是要大于几十kj·mol-1，二是揭展剂产生的层间作用力要小于分子间作用力，即小于几十kj·mol-1，这两点是保证在揭展的过程中丝织品不会被拉坏的前提条件。

5 揭展剂自分层机理简析

自分层揭展剂是由性能不同的多种成膜物质组成的溶液体系，涂覆在丝织品表面，在介质的挥发或固化过程中，能自发地产生相分离和组份迁移，形成各组分组成逐渐变化的梯度分层。其主要形成的机理：不同聚合物的极性不同，分子间作用力不同，在介质中的溶解度也不同。因此是形成一个热力学上的不稳定体系。随着介质干燥和固化的进行，介质组成不断变化，互不相容的组分在界面张力梯度的作用下，通过液相形成对丝织品的选择性润湿和对气相界面的趋向差异。进而使得两相相对流动，导致组分间的相分离，形成各组份的梯度分层结构。最终达到降低层间黏结强度的同时增加丝织品力学强度的效果。

6 结 论

本工作先对自分层揭展剂在安徽南陵出土宋代丝织品残片进行了预揭展实验，并通过分析测试对实验结果进行评价。研究表明：自分层揭展剂成膜性、分散性好，对蚕丝渗透性优异，有一定清洗效果。使用后，丝织品外观以及微观形貌未发生明显改变；降低了丝织品脆性、柔软度升高；力学强度明显提升的同时，未改变丝织品材料本身性质；适用于古代黏结、脆弱丝织品揭取工作。

在上述研究工作的基础上，使用自分层揭展剂揭取北宋黏结、脆弱丝织品文物取得了成功，凸显了自分层揭展剂对古代脆弱黏粘丝织品优异的加固、揭取性能。但目前对于丝织品文物层间黏结及揭展机理并未十分清楚，拟开展进一步的研究。

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(责任编辑 潘小伦)

Use of a self-stratifying unfolding technology on fragile, unearthed textiles

GENG Lu, WEI Yan-fei, GONG Yu-xuan, GONG De-cai

(UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026，China)

Serious decay and interlayer adhesion are commonly found on long-buried textiles of cultural heritage interest. An unfolding reagent based on the concept of self-stratification was developed. The reagent can reduce the intensity of interlayer adhesion, as well as increase the mechanical strength of the textile. Atomic-force microscopy and scanning electron microscope were used to characterize the film-forming ability and permeability of the unfolding reagent. The reagent was further assessed by measuring the mechanical strength, chromatic aberration and stiffness of the textiles treated. This reagent was then shown to be an excellent for unfolding and reinforcing the fragile textile. The reagent was used successfully to unfold a fragile Song dynasty textile unearthed at Nanling, Anhui.

Adhesive textile; Fragile textile; Interlayer adhesion; Unfolding; Self-stratification; Ancient textile

2015-09-01；

2016-10-25 基金项目：国家科技支撑计划资助(2013BAK08B00) 作者简介：耿 璐(1986—)，男，中国科学技术大学科技史与科技考古系博士研究生，主要研究方向为丝织品文物保护，E-mail： genglu@mail.ustc.edu.cn 通讯作者：龚德才，教授，E-mail: gdclucky@ustc.edu.cn

1005-1538(2017)03-0006-08

K876.9

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