文物保护用有机高分子材料及要求
周双林      时间:2014-01-21    字体:      

一、文物保护常用高分子材料

文物保护是采用自然科学的手段,在尊重文物人文因素的前提下,恢复文物的完整性,并尽量延长文物寿命的科学技术。

文物作为物质存在,由于经历了千百年的自然变迁,多数都受到了不同程度的损坏,如腐蚀、霉变、碎裂、变形等。对这些文物进行的修复和保护,必然要采用许多的技术手段和物质材料。例如对出土文物一般要经过清除不利于文物保存的污垢、锈蚀,加固脆弱的部分,粘接碎裂、矫正变形,补配缺失部分等技术手段,在采取这些手段的过程中,有涉及许多的物质材料,这些材料包括清洗的、用于粘接的、用于封护表面的、用于杀虫灭菌的等等材料。在这些众多的材料中,有机高分子材料是使用最为广泛的一类。

有机高分子材料在文物保护中被用做文物的加固材料、粘接材料、表面封护材料等,为了使人们了解高分子材料在文物保护中的应用情况和文物保护对这类材料的特殊要求,对曾经使用的高分子材料做了介绍,并讨论了文物保护对材料的特殊要求。

1.1 天然有机高分子材料由于天然的有机高分子材料在人类生活上已经有了千百年的使用历史,因此在人们进行文物修复时,最先使用的是就是天然的高分子材料。天然有机高分子包括多糖、蛋白质类及各种天然树脂如达玛树脂、乳香胶、松香、虫胶、蜡、油等。天然树脂多用做木材的加固保护用材料。虫胶和蜡还用做文物表面的封护材料和文物修补材料。

另外天然树脂改性后的材料如醋酸纤维素、硝酸纤维素等在文物保护中也有应用。

1.2 水溶性合成树脂

如聚乙烯醇、聚乙二醇等。

1.3 溶剂型合成树脂

溶剂型合成树脂自从高分子科学兴起后就不断有新的品种出现,而当人工合成的高分子一出现,就马上在文物保护上得到了试用,至今这类材料的应用仍在不断地更新。随着实践的检验,有很多材料如聚乙烯、聚氯乙烯等目前已经不用或很少使用。

常用的材料包括聚乙烯醇缩醛、酮树脂、聚醋酸乙烯酯、丙烯酸树脂等。

1.4 反应型树脂

包括醇酸树脂、甲醛树脂、有机硅材料(有机硅单体、低聚体)、聚氨酯i、环氧树脂及甲基丙烯酸酯类材料。

1.5 树脂乳液类

包括聚醋酸乙烯乳液、丙烯酸树脂乳液等。

二、文物保护用高分子材料的要求

2.1 对高分子材料的一般要求

对保护材料的性能要求,包括制备、运输、储存方面,应用方面,应用效果及安全方面,价格等。

1. 从制备方面,如果是需要自己制备的材料,原料应该容易得到,制备工艺简单,设备不复杂。如果是能够从以商品形式购买的产品,则要求这些材料容易买到;

2. 从储存和运输方面,材料应该具有稳定的性质,不易在自然条件下变质,能够方便不受限制地运送到各个地方;

3. 使用中对文物不产生损害,对操作者不产生不良的影响,残余的部分能够方便地处理;

4. 从使用性能上讲,材料的应用应该比较容易。

5. 从应用效果上看,能够达到使用目的,并在尽量长的时间内不降低性能。

6. 从耐久性讲,材料应该具有耐受自然因素老化的能力,尤其是具备耐受热老化、光老化、霉菌腐蚀的能力。

7. 为了以后处理操作的能够进行,材料应该去除容易,具有可逆性,或不应该以后保护处理的实施。

2.2 对各种成膜材料的要求与实现在文物保护中经常采用一些材料对文物表面进行封闭,以减缓自然环境中的各种因素对文物的不利影响,如空气污染物对文物的吸附和破坏。高分子材料由于具有无色透明,成膜性好的特点,是进行这种工作的首选材料。

在对文物表面的封闭,和工业上对材料的保护具有同样的目的,就是隔离自然界中的破坏因素,不让它们对文物产生破坏,以延长文物寿命。但是文物保护中选择成膜材料的方法和要求,却有着自己的特点。

2.2.1 光学方面

(1)颜色:表面涂层最好不改变或很少改变表面的颜色。

(2)透明度:涂层应使光线透过自己并被物体表面反射,不阻挡光线的传播。

(3)表面光洁度:光洁的表面象镜子,非常平;为了使表面光洁,需要进行修饰,涂层的表面在完全固结前必须具有流动性,并具有充足的时间使表面变平,这意味着聚合物的Tg必须在一定时间内低于室温,以允许聚合物在溶剂挥发的过程中能够运动。但文物保护的涂层,应该尽量不改变文物的外貌,不应该产生光亮的表面。

无光泽的表面是在很小的局部就粗糙的表面,光线无规则地反射。形成粗糙的表面需要溶剂迅速挥发致使Tg高于室温。形成粗糙表面的方法还有消光剂的使用。消光剂ii是指能使漆膜表面产生预期粗糙度,明显降低其表面光泽的物质。消光剂包括:金属皂、蜡、颜料类消光剂如硅藻土、二氧化硅等。通常使用的是二氧化硅消光剂,它是非常细的颗粒。消光剂的颗粒大小应该与膜的厚度相匹配。

(4)折射率:涂层材料的折射率应在长时间内不变,用于透明材料的表面涂层,其折射率应该与透明材料接近。

从光学方面对材料的要求总的来说,是尽量少地改变文物的外观。

2.2.2 与文物的相容性

应该考虑是否对文物造成物理的或化学的破坏。

(1)物理的破坏:膜的热膨胀系数与被涂覆表面的不同,导致各种的破坏。

(2)化学的破坏:材料老化后不应该释放有害成分,否则会产生破坏作用。

2.2.3 保护性能

(1)表面强度:为了减少吸附灰尘,表面的膜的Tg应高于室温。

(2)密闭性:保护膜应该防止污染物如水、硫化氢、二氧化硫和氧的向内部的渗透及产生破坏,这些破坏包括引起变色、氧化和腐蚀,理想的保护层不应该透过这些物质。

(3)耐水防水性:耐水性是指膜本身在水作用下的表现。有些膜在有水的情况下会很快发白,并且强度降低,这种膜在有水的环境中是不宜使用的。只有在水的作用下不变化,膨胀小的材料在潮湿环境中才能使用。

许多时候水对文物的破坏是很强的,而且水分子对各种膜的穿透能力很强,为了提高膜对水的抵抗力,可使用有拒水能力的材料。

2.3 对加固剂的要求

2.3.1 加固与加固对象

加固是通过赋予脆弱物体结构性强度的一种保护手段,被保护的材料包括已风化、糟朽老化严重并具有分解危险的各类文物。加固是一种人工修复自然老化材料的方法。

加固的对象是很脆弱的文物。在需要加固的文物内部,许多的一次键、二次键都受到破坏,以至不能支持自身,或受到外力作用时而难以保护自身的形状。如石质在内部胶结物流失、强度很低的情况下,为抵抗风化因素的进一步破坏,需要加固。或为了能够搬运展览,需要提高脆弱文物的强度。

2.3.2 文物加固剂的要求

(1)总体要求

对加固剂的首要要求就是它能够深层渗透,穿过风化层,到达未风化层,将风化层和未风化的部分连接起来,不在表面形成僵硬的外壳;另外的要求是提高文物的强度(内聚力);并符合一般要求如使用过程和使用后不损害文物,不产生副作用,如颜色与外观的改变;耐老化;可逆或具有再处理性等。

(2)对各种文物加固剂的要求

人们在实际工作中提出了对不同材质文物加固剂的要求,这里给出石质和土遗址防风化加固剂的要求,虽然这些要求作者们自己也认为至今没有那种材料能完全满足,但是可以看出,人们对加固材料的要求是很高的。石质保护材料的要求

Clifton认为石质加固剂最重要的功能是使风化的石质颗粒重新形成内聚力。这种作用可以通过一种新的、耐久的粘接材料在孔隙系统中形成来实现。通过这种作用,使石质的物理性质如抗压强度、断裂模数、弹性、耐磨性都有所提高。

另外,加固剂在应用中还应注意:

加固剂在沉积(deposition)时,应渗透到风化区域的所有部位;

加固剂与被加固石质不存在有害的物理与化学的作用;

在运输和使用中对健康和安全危害最小;

在审美上没有或尽量小的变化,如在颜色、光泽、外观结构上;

尽量避免形成连续的坚硬外层,或通过化学硬化剂形成人工的硬壳等现象;

最小限度地减小水蒸气的透过率。

土遗址加固剂的要求

Giacomo Chiari在文献[8]中曾提出对土质加固剂的原则要求,内容共有十二条:

a.提供防水能力,但不拒水,允许水分以气体或液体状态迁移;b.保留孔和毛细管处于开放状态,并允许重复浸渍,即使是其它材料的浸渍;c.在干燥与潮湿情况下提供机械强度及耐磨能力;d.有好的渗透能力及低的粘度;e.不在表面形成膜,不与未处理的核心部位有明显的边界;f.与土坯有相似的热膨胀系数;g.不改变颜色,不产生眩光;h.有抵抗盐结晶,地下水毛细管上升和冻融循环所产生的张力的能力;i.耐久,即有耐水、耐光氧化的能力;j.使用方便,包括在潮湿环境下,并且价格便宜;k.对使用者没有危害;l·有可逆性,如果可能的话。

2.4 对粘接材料的要求

2.4.1 粘接的介绍凡是把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的媒介物质统称胶粘剂。通过胶粘剂的粘接力使固体表面连接的方法叫粘接或胶接。

使粘接能够实现的力包括:化学键力、分子间力、分子静电引力、机械作用力等。

2.4.2 影响粘接的因素

影响粘接效果的因素包括粘接剂的性质、被粘材料的性质及粘接的工艺条件等。

(1)粘接剂的影响

粘接剂本身的分子结构和分子量大小等对粘接效果都有影响。

高聚物分子量较小时,熔点低、粘度小,有利于润湿,粘附性好。但是过低的分子量导致分子内聚力降低,难以产生大的粘接强度。高聚物分子量较大时,虽然内聚力很高,但是熔点高、粘度大,不利于润湿;因此,高聚物只有在合适的分子量的情况下才会既有较好的粘接强度,又有较好的内聚力。

(2)被粘材料的性质

包括被粘接材料的表面能、极性大小、韧性、热膨胀系数、疏松程度、表面的粗糙程度等。

被粘材料表面的洁净程度也对粘接有很大的影响。表面张力低的油污易吸附在粘接的界面上,形成不易清除的吸附层,大大减小脱粘剂和被粘接表面的亲和力;水分以气态或液态存在于粘接面,降低胶粘剂的吸附,另外水分还会产生腐蚀。

(3)粘接的工艺条件

各种胶粘剂的固化方式(冷却、溶剂挥发、化学反应等)、固化温度、固化压力和固化时间等都对粘接效果有影响。

2.4.3 对胶粘剂的要求

胶粘剂包括由各种树脂组成的粘料,另外根据情况需要添加部分辅助材料,包括:稀释剂、固化剂、促进剂、偶联剂、增韧剂、填料等。

对胶粘剂的要求包括以下几个方面:

(1)表面张力:液体的表面张力越小,越容易在固体铺展,如果固—液间有强的吸引力,液体就容易润湿固体,如果液体的内聚力大,液体就不易铺展。因此,在被胶材料确定的情况下,胶粘剂应该具有低的表面张力。

(2)黏度:胶粘剂的黏度越小,越容易短时间内在粘接面上铺展,也更易流入粗糙面上的微孔内,扩大粘接面。文物保护用粘接剂要求容易扩展但不能漫流,以免流到外表面,造成不必要的麻烦。

(3)固化条件:时间适中,这样可以在发现拼接错位时进行调整。也有一些情况下需要固化迅速,例如文物形状复杂,支撑困难的情况。最好不放热,同时收缩越小越好。

(4)固化后强度适中,具有好的粘接能力。

(5)不改变文物的外观:有些材料进入文物内部,使透明或半透明的文物的光学性质改变,需要注意并避免,如胶粘剂深入白色的瓷片内部,使这部分的颜色发深。

(6)具有可再溶解的能力,以便将来可以将文物重新打开,为了实现这个目的,可采用热塑性粘接剂,或首先将断面用热塑性材料处理,然后用。

(7)耐老化。

注释:1. 6 th International Conference on the Conservation ofEarthern Architecture, Las Cruces, New Mexico, U.S.A.,October, 14~16,P250,255.

2. 钱逢麟,竺玉书主编:《涂料助剂》,化学工业出版社,北京,1990,11(第一版),429 -439·

3. 国家文物局泰安培训中心:《全国文物科技管理干部研讨班讲义》,泰安,1991,85~86。

4. H.韦伯尔:《有机硅在建筑保护中的应用》,德国瓦克公司技术讲座,1998。

5. 6th International Conference on the Conservation ofEarthern Architecture, Las Cruces, New Mexico, U.S.A.,October, 14 -16,P251.

6. 6th International Conference on the Conservation ofEarthern Architecture, Las Cruces, New Mexico, U.S.A.,October, 14 -16,P268.

7. Dr.Helmut, Dr.Klaus Zinsmeister. Conservation ofNatural Stone, 53.

8. 6th International Conference on the Conservation ofEarthern Architecture, Las Cruces, New Mexico, U.S.A.,October, 14 -16,P267 -273.

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