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中國古代化學

中國古代化學

赵匡华

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  • 1970-01-01發表
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第1章 第一章中國古代燒陶製瓷中的化學成就

中國古代化學 赵匡华 6535 2018-03-20
大約在距今一萬年前,中華民族的各個文化發源地先後過渡到新石器時代。這時的經濟生活已不僅是採集和漁獵,而且出現了原始的農業和畜牧業,人們開始過起較安穩的定居生活。生產的發展與生活的提高都需要更多更好的工具和器皿,如烹飪器、提水器、糧食貯存器以及像紡錘、紡輪之類用石料不便磨製的工具。陶器的發明正適應了社會生活發展的需求,它的出現也正是新石器時代開始的重要標誌之一。陶器是怎樣發明的?有各種各樣的推測,有人設想:可能是人類先發現了粘土的可塑性,把它捏製成型,做成可愛的動物或崇拜的神靈偶像,一經曬乾或偶爾落入篝火中,發現它變硬,不再怕水,於是進一步聯想到捏制適用的器皿。又有人認為:最古的生活器皿有用枝條編制的,古代的人為了使其耐火和緻密無縫,往往在器內外抹上一層粘土,在使用中,這些器皿一旦被火燒著,木質部分被炭化了,但卻發現粘土部分不僅保存了下來,而且變硬,仍可使用,從而得到了製陶的啟示。當然,各地區的陶器,其產生的過程也不會完全遵從相同的模式。但無論如何,取得完整的製陶經驗,在古代需要經過漫長的歲月。

製陶的原料是粘土礦物,它的主要成分是長石和石英,還有少量的雲母和赭土。當人們把粘土坯放入烈火中焙燒,達到一定溫度時,泥坯中的這些成分就會起化學反應,生成少量的玻璃相,這些玻璃再把其他組分粘結起來,於是形成一個燒結的整體,一種新的物質。燒結所需的溫度與粘土的成分有關,對同一類粘土,焙燒溫度越高,當然燒結程度也越大,也更加堅硬。所以原始陶器是人類利用火,通過化學過程改造自然,製造出的第一種自然界不存在的新物質,堪稱人類史上的一項偉大創舉(圖1-1及圖1-2)。 在我國陶器的演進過程中,陸續出現瞭如下各類型的陶器。 我國最原始的陶器大約出現於新石器時代的初期。在江西萬年縣大源仙人洞發現過一個新石器時代早期的洞穴,從中掘出了數十塊陶片,質地粗糙,厚薄不均,凹凸不平,混雜著石英砂粒,鬆脆易碎,胎色以紅褐為主,也有局部呈紅、灰、黑三色相間雜的,這是火候不勻的體現。這些都說明它們是簡單地用手工捏成、以篝火燒製的。河南新鄭裴李崗和河北武安磁山也出土過類似的原始陶器。


圖1-1 泥條盤塑法製陶器(採自中國歷史博物館編《簡明中國歷史圖冊》)
在大約距今6000多年前,原始陶器進步成為紅陶,因為這種陶器的基色是灰紅色或紅褐色的。它是仰韶文化的代表作(彩圖1)。如果把它們與原始陶器對比,可以看出有以下一些進步與特點。其一,質地較細,說明選料時對粘土經過了淘洗和澄濾;其二,厚薄均勻,器皿造型端正,對稱性好,說明在製坯時大概已琢磨出泥條盤塑法和泥條圈塑法;其三,這種陶器上常常有彩繪裝飾,那些圖案是當時人們生活中某些方面的寫照,是研究原始社會生活狀況的重要依據,因此也很有歷史價值。這種有彩繪的紅陶又稱為“彩陶”(圖1-3)。其塗料經過科學檢測,紅褐色條紋是用赭石粉,即天然赤鐵礦粉著色的;黑褐色是用鐵錳礦石粉著色的;白色條紋是用白土(主要成分是矽酸鋁)著色的,這是我國先民使用礦物顏料的開端;其四,器物質地均勻,硬度較大,表明焙燒火力均勻,溫度達到了900℃以上,所以我國大約在新石器時代的中期已經有了燒製陶器的窯了。


圖1-2 利用陶車製陶器(採自中國歷史博物館編《簡明中國歷史圖冊》)

圖1-3 各種彩陶(採自馮先銘等:《中國陶瓷史》,文物出版社)
在西安半坡遺址已發現了屬於仰韶文化的窯場。當時的陶窯大體可分為橫穴窯和豎穴窯兩種(圖1-4),而以橫穴窯較為普遍。橫穴窯的火腔位於窯室的前方,是一個略呈穹形的筒狀通道,後部有三條大火道傾斜而上,火焰由此通過火眼達到窯室。窯室平面呈圓形,直徑約一米。火眼均勻分佈於窯室的四周。豎窯的窯室則位於火膛之上,火膛為口小底大的袋狀坑,亦以數股火道通於窯室。當時燒窯的燃料是木柴。這兩種窯相比,豎窯較為進步,因窯室內火力均勻。陶窯當然也是經過長時間的改進才逐步完善的。



圖1-4 原始陶窯(採自馮先銘等:《中國陶瓷史》,文物出版社)
這種陶器的原料仍是細粘土,但色澤黑灰或烏黑。有的坯體中含有細石英砂,則稱為“夾砂灰陶”。那些石英砂很可能是人們有意摻加進去的,因為這樣做可以使陶坯在曬乾和焙燒過程中不易開裂。 灰陶內外通體呈黑灰色,這是由於陶坯中的鐵質在還原氣氛中生成了黑色FeO所造成的。所以陶瓷史家們估計,在灰陶的加工過程中,大概在窯內焙燒完成時為了加快冷卻,便封閉窯頂和窯門,並從窯頂徐徐噴水,水與紅炭作用可生成水煤氣,於是使窯內成為強還原性氣氛,而導致了FeO的生成。於此同時,在灰陶表面往往還被蒙上一層因煙薰而成的炭層,以至烏黑放亮,這種陶則叫“黑陶”。

個別黑陶出現於距今6000年前,但大量出現於4000到5000年前,即新石器時代的後期。有的黑陶製作工藝相當精巧,端正秀雅,體型對稱性極好,質地非常均勻,壁極薄而堅硬,所以又被譽為“蛋殼陶”、“薄殼黑陶”。 1930年在山東章丘縣龍山鎮城子崖就發掘出了這種黑陶,內壁有明顯的圈紋,表明當時已採用了旋轉盤式的陶車(圖1-2)。所以黑陶被視為龍山文化的代表作,於是龍山文化又被稱作“黑陶文化”。 這種陶器呈白色,原料是白色粘土,主要成分是矽酸鋁,含AlO量格外高,可達30%,所以在900℃燒成時,燒結程度較紅陶、黑陶要低,所以出土的白陶完整的極少。這種粘土中FeO的含量明顯地低於其他粘土,因此在焙燒過程中既不會使陶體變紅,也不會使陶體變黑,而總是保持潔白。

白陶的出現較黑陶稍晚,最早的距今4000多年,即龍山文化時期,但大量地製作大約已是殷商時期了。其出現的地點也不普遍,這顯然與白土資源有關。由於白土的可塑性好,所以白陶質地堅硬、壁薄。其器壁常以精美的凹凸圖案印紋來裝飾,很像是利用了經過雕刻的模子來製作陶坯,然後再燒製而成的,較紅陶的彩繪更精緻典雅。 這種硬陶的胎質比一般泥質或夾砂質陶器要細膩、堅硬。據化學分析,其中SiO和AlO的成分明顯地較紅陶為高,CaO、MgO成分則相對較少。因此燒成溫度要1200℃左右。正由於這類陶器燒結程度往往很高,所以質硬不裂。這種陶器的表面常被拍印上類似幾何圖形的紋飾,所以又稱為“印紋硬陶”。因為所用原料粘土中含鐵量不同,它的胎質表裡會呈紫褐、紅褐、灰褐和黃褐等不同的顏色。少數印紋硬陶的器表在窯內高溫下甚至曾一度熔化而呈現出玻璃光澤,好像施上了一層釉質。

早期的硬陶出土於江西、湖南和福建一帶新石器時代晚期的遺址中,相當於中原夏代時期,例如在江西清江縣築衛城遺址中層裡發掘出的印紋硬陶據C—14的測定,距今大約4000年左右。 A 殷商時期的原始釉陶 原始釉陶的胎骨原料與硬陶是相近的,所以燒成溫度也差不多,但在器表出現了一層有意加工製作的玻璃釉層。它的發明,可能是人們在陶坯焙燒以前用石灰石、方解石的細粉塗佈在表面,希冀美觀;更可能是在燒窯過程中,草木灰(富含CaO、KO)偶然粘附在坯體上,卻沒想到鹼性的CaO、KO與胎體的粘土在窯內高溫下竟會生成熔化點較低的透明玻璃物質,於是就成了石灰釉,釉中約含15—20%的CaO。此種陶器稱為原始釉陶。由於這種釉的燒成溫度比後世的鉛釉相對較高,所以石灰釉又稱作高溫釉。因為粘土中含有氧化鐵,如果這種陶器是在還原性氣氛中燒成的,那麼陶釉就會呈現青黃色,一般就稱為青釉,這種製品就稱作青釉器;如果在氧化性氣氛中燒成,則釉呈灰黃色或褐色。例如在鄭州二里岡的殷代遺址中就出土過施釉的豆青色布紋陶尊。釉陶較之印紋硬陶又是一個極大的進步,它不僅表面光滑美觀,而且不透水,容易清洗,適於製作貯水器、釀酒器和水管、版瓦等建築器材。

B 鉛釉陶的發明 釉陶發展到漢代,出現了鉛釉陶。但與石灰釉不屬於同一發展體系,它的發明有兩種可能的途徑。一種是在中國早期玻璃製作的基礎上琢磨出來的,因為中國傳統玻璃就是以PbO為助熔劑燒成的,鉛釉成分與它相近,而這種玻璃正出世於戰國末或秦漢之際;另一種可能是在漢初興起的煉丹術活動中得到了直接的啟示,因為中國煉丹術初期的反應器是塗佈黃丹(PbO)的土釜,它在長時間焙燒下表面就會生成一層鉛釉。但這還都是推測。這種鉛釉陶大約出現於漢宣帝時期的陝西關中地區,到東漢時期才有普遍的發展。 鉛釉是以黃丹或鉛粉〔PbCO·Pb(OH)〕為助熔劑,與石英粉或白粘土混合後製成陶衣漿,在大約800℃的窯溫下即可燒成。相對於石灰釉,它被稱作“低溫釉”,一直是我國別具特色的傳統低溫釉。在初創時期,陶工便往這種釉料中有意地摻加了著色劑,當時利用的著色元素還只有銅和鐵,即往陶衣漿中添加少許孔雀石粉或赭土。當釉陶在氧化焰中燒成時,Cu便使釉呈深綠色,Fe便使釉呈黃褐或棕紅色。其中的銅綠釉,是我國陶瓷史上開放出的一朵瑰麗的花朵。它不僅有翡翠般的美麗,而且釉層清澈,平整光滑,光彩照人,是我國人工有意識地製作顏色釉的先聲。

但在漢墓中發現的鉛釉陶則純係隨葬的明器,所見作品除了鼎、盒、壺及倉、灶、井的模型外,還有水碓〔dui對,舂米用具〕、陶磨以及家畜圈舍、樓閣、碉樓等大型建築模型。 C 建築琉璃的出現 我國傳統鉛釉技術在三國、兩晉時期可能由於連年戰亂,工匠流離失所,似乎一時失傳。直到北魏時期才又逐漸恢復,並盛行起建築裝飾釉陶。而且從這時起,人們開始以“琉璃”一名專指著色釉陶器(在此以前,“琉璃”則泛指玻璃及有胎骨的著色釉陶器)。到了唐代,彩色琉璃便廣泛用於宮殿、廟宇建築。有關描述頗多,例如唐代大詩人杜甫的《越王樓歌》說:“故城西北起高樓,碧瓦朱甍〔meng蒙,屋脊〕照城郭。”崔融的《嵩高山啟母廟碑銘》有“同施玳瑁之椽,遍覆琉璃之瓦,赤玉為階道,黃金作門”的話。

北宋人李誡奉勅撰寫了一部《營造法式》(公元1091年),記載了當時製作綠色琉璃的配方,是以黃丹三斤、洛河石末一斤(是一種石英石,北京門頭溝的洛河石含96.8%的SiO)及銅末三兩,用水調勻,作為釉料。這是現存最早的琉璃釉配方。表明那時的琉璃製作工藝與漢代綠釉陶工藝是一脈相承的。宋代遺留至今最重要的琉璃建築為慶曆元年(公元1041年)所建的開封“鐵塔”,實際上是用鐵黑色的琉璃磚和琉璃瓦砌成的,其黑釉可能是以鐵錳礦粉為呈色劑,在還原性氣氛中燒成。 D 瑰麗的“唐三彩” 低溫鉛釉的使用和以金屬氧化物為呈色劑的發明促成了“唐三彩”的誕生。這種工藝品在我國製陶史上風靡一時,而且至今盛名不衰,不斷推陳出新,可謂中國釉陶作品發展的高峰。它是一種施加多種彩釉的陶製品。以白色粘土為胎,這種原料雖然與瓷土接近,但焙燒溫度較低,僅約800℃,所以不是瓷器。其釉彩有深黃、芥黃、深綠、青綠、翠綠、褐、赭、藍、黑、白等等多種顏色,但以白、綠、黃為基色。而同一器物上至少有三種顏色,所以人們習慣上稱它為“三彩”。 “唐三彩”使用的是低溫鉛釉,釉料的基本原料是白粘土和黃丹、煉鉛熔渣,再混入適量的含銅、鐵、鈷、錳等元素的礦物粉作釉料的著色劑。綠色的著色劑是孔雀石、藍銅礦等;黃釉和褐色釉的著色劑是赤鐵礦;藍色釉的著色劑是一種含鈷的軟錳礦;黑釉的著色劑是鐵錳礦;白色釉則是用無色透明釉覆蓋在化妝白土上所造成的效果。通過調節著色劑加入的多少以及多種著色劑的複合作用,還可以造成濃淡不同、色調更加絢麗的效果。其燒製是採用二次燒成工藝,即先燒好素胎,再施鉛釉。在窯裡焙燒時,各種金屬氧化物溶於鉛釉中,並向四外擴散和流動,於是又發生色釉間的互相交織浸潤,形成了斑駁燦爛的多彩色釉。 三彩陶器始作於唐高宗朝,而開元年間是它的鼎盛時期。這個時期產量大,塑工技藝高超,色彩絢麗,造型多樣。當時盛行的三彩陶器主要是作為隨葬的明器,凡是死者在世時生活中有過接觸的,如建築物、家具、牲畜和人物等無不具備。建築物既有亭台樓閣,又有花園中堆砌的假山、水榭;家具則有箱、櫃;牲畜有馬、驢、駱駝、豬、羊、牛、狗;家禽有雞、鴨;人俑有貴婦人、侍奴、文官、武士、胡人、天王等等,可謂包羅萬象。所以“唐三彩”既是我國藝術寶庫中的珍品,釉陶工藝的傑作,而且也是研究唐代社會歷史的重要資料。 自從瓷器問世以後,那些日常生活中使用的小件陶器,如盆、碗、鍋、罐,自然就不受人們重視了。可是從宋代以後,當時常州宜興(即今江蘇宜興)地方生產出了一種無釉細陶製品,棕褐色的“紫砂器”,有如陶瓷業中的異軍突起,得到各界人士,尤其是文人墨客的青睞,從此迅速發展起來。 紫砂陶器的聞名和久享盛譽首先是由於這種陶具有獨特的性能,非常適用於製作茶具。飲茶原是我國人民相沿很久的傳統嗜好,唐代以後,飲茶品茗之風大盛,那時著名詩人陸羽寫了一本《茶經》,對茶葉的品種、烹茶技巧、香茗的品嚐及選用茶具都做了詳細的講解和渲染,可以說,從此形成了中國的茶文化,即有意識地把品茶作為一種能夠顯示高雅、素養,寄託感情,表現自我的藝術活動來刻意追求、創造和欣賞。當時的文人與士大夫們希望茶具能與名茶的三絕——色、香、味相配合、相適應。而宜興紫砂陶茶具,真是應運而生。用它來沏茶,茶葉更芳香、純正。明人文震亨在其《長物誌》中說:“茶壺以〔紫〕砂者為上,蓋既不奪香,又無熟湯氣。”也有人說,只有這種茶具“能發真茶之色香味”。更因為紫砂陶具有多孔性,器壁能吸收茶汁,一旦用久,茶汁在內壁上積成“茶銹”,於是即使把沸水注入這種空壺,這種茶銹仍會使水發出茶葉的幽香。加之紫砂陶有耐驟熱、驟冷的應變性及相當低的熱傳導性,所以在嚴冬季節沸水注入這種壺也無開裂之虞,而手提把握也不燙,保溫性又好,因此使它成為製作茶具的理想材料。 從藝術效果上看,紫砂茶具造型別緻多姿,多有浮雕裝飾,而且往往將中國傳統的繪畫、詩詞、書法、篆刻諸般藝術結合於其一身,因此更具獨特的韻味。由於紫砂陶泥細膩,可塑性極好,因此除大量製作茶具和花盆外,還常用來製作文房雅玩和擺設。更有用紫砂泥燒製的動物,如螃蟹、伏牛、野獸、天神等,形象逼真,栩栩如生,往往成為工藝珍品而受到中外陶瓷鑑賞家和收藏家的鍾愛。 宜興紫砂器之所以具有這些獨特的性能,除工匠的聰明才智、精湛技藝、技術修養外,從物質上說,則要歸功於當地所特產的一種得天獨厚的紫砂泥作為原料。紫砂泥有紫泥、紅泥和綠泥三種,其中紫泥的藏量較豐富,是一種天然的五色陶土,深藏在岩石層下,夾雜於甲泥(硬角質泥層)之中,所以有“岩中岩”、“泥中泥”之稱。開采出來的紫砂泥堆放露天后,經風化就會漸漸變得鬆散,用水調拌後具有很強的可塑性,屬於高嶺土—石英—雲母類型,其特點是質地細膩,含鐵量特高(鐵氧化物總量佔8—10%),這是它燒成後呈棕褐色的原因。其成分中含SiO達60—70%,AlO一般在20—25%,因此紫砂器的燒成溫度也很高,一般在1100—1200℃之間,而且必須採用氧化氣氛。燒成後的成品吸水率小於2%,說明它的氣孔率介於一般陶器與瓷器之間。 紫砂陶器的燒造大約興起於北宋年間,當時的製品主要是壺罐,多數胎質還較粗糙,製作也不精細,只是用來烹茶煮水。但已出現一些精品,並引起一些文人的賞識,據說當年蘇東坡擇居宜興蜀山,特別喜歡用一種提梁壺飲茶,重感情的陶工為了紀念他,就將這種提梁壺命名作“東坡壺”,很可能就是紫砂器。而北宋初年梅堯臣有“小石嶺泉留早味,紫泥新品流春華”和“雪貯雙砂罌,詩琢無玉瑕”的詩句,所言“紫泥新品”和“砂罌”就更可能是宜興紫砂器了。宜興紫砂器的名聲大振則在明代。正德、嘉靖年間(公元1509—1565年)的陶工供春(因他原姓龔,所以也叫龔春)是把紫砂器推進到一個新境界的傑出民間藝人。他本是宜興吳氏頤山的家僮,吳生曾讀書於金沙寺中,寺內有某位僧人精於製陶,於是供春得以從和尚學藝。經過刻苦鑽研,精心構思,他終於成為紫砂器高手、一代名家,人們描繪其作品,“栗色闇闇,如古金鐵,敦龐周正”,造型極美。至萬曆年間(公元1573—1619年),已是紫砂器百品兢新、名匠輩出的局面,有董翰、趙良、元暢、時朋四大家,使這類作品形成了一個獨立的工藝體系,進入了完全成熟的發展時期。清代紫砂器工藝繼續發展,例如嘉慶年間(公元1796—1820年)出現的,制壺名手楊彭年與金石書法家陳曼生合作的“曼生壺”,造型與裝飾工藝別開生面,傳為“字依壺傳,壺隨字貴”的佳話。
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