文物保护中化学渗透加固试验研究方法
张金风      时间:2015-06-25    字体:      

化学渗透加固的概念对于国内文物保护研究而言,尚处起步阶段。在保护材料的研发过程中,环境试验的作用至关重要,它决定着保护措施的成败。环境试验始于1839年,目前已广泛地应用于各个行业,是评价材料和产品在自然环境条件下的环境适应性和可靠性的一种重要手段。相对于其他行业,文物保护行业环境试验研究开始较晚,因此借鉴他行业的相关研究成果就显得尤为重要。

环境试验的分类

环境试验可分为户外环境试验和试验室环境试验。户外环境试验包括户外自然环境试验和户外加速环境试验。

户外自然环境试验是通过将样品长期暴露在典型地区大气试验网站的环境条件下进行试验和研究。试验室环境试验则是通过在实验室的试验设备(箱或室)内模拟一个或多个环境因素的作用,并予以适当的强化来进行试验和研究。户外自然环境试验的优点是能直接反映样品在实际使用环境中的性能和可靠性,缺点是实验周期长。试验室环境试验克服了周期长的缺点,但又无法完全模拟自然环境,因此也就可能无法正确阐明作用机理。如在涂装材料行业中,“边缘腐蚀现象”在试验室环境试验中就无法模拟,这是因为这个过程需要充分的氧气、较高的相对湿度和大气中的污染介质才能逐步形成和发展,且过程缓慢,这与较短试验周期的试验室环境试验的条件及作用机理有明显区别的。而在强化的过程中,又很可能制造出实际不存在的环境因素的强度,从而导致错误的机理结论。例如,自然条件下的冻结过程中,降温速率不会超过3.8度/小时。但在很多的冻融试验中,都超过了这个值,超过自然的降温速率的效果是加大了试验样品的负载而非加强了自然过程。这样一来,一个在自然冻融过程中性能较好的样品可能会因为不合理的强化而得到错误的结论。后来为了在试验周期和模拟准确性之间平衡,出现了户外加速环境试验,即在典型地区大气试验网站的环境条件下,强化某一个因素。像ATLAS开发出装有反射镜的赤道加速试验装备,相当于8倍太阳照射强度。

户外环境试验和试验室环境试验各有优缺点、相辅相成。但文物保护行业目前仅局限于试验室环境试验。

环境试验方法的选择

环境试验从环境影响参数的设定、试验设备的选择、试验步骤的确定到结果的可靠性分析是一个复杂的系统工程,其中任何差错都可能导致整个结论的错误。一个熟知的“鸡和蛋”的关系可以用来形象地说明其复杂性:鸡蛋在35℃的环境中约21天会孵化出小鸡,这相当于自然环境条件下材料的特性。如果强调“时间太久,等不及”,希望通过提高温度来减少孵化时间,将温度设置在180℃,则5分钟后得到是一只熟蛋;而如果先期经验不足,将鸡蛋的温度设置在25℃,则最终得到的则是一只臭蛋。显然,这三个结果对于评价鸡蛋的性能、确定鸡蛋的孵化机理等方面得出的结论是显著不同的。而对于文物的劣化,由于目前仅知道部分的定性原因,也就是并不知道“35℃”和“21天”这样定量的数据,因此,在加速环境试验中很有可能出现由于设置的环境条件不适而导致的错误机理结论。

因此,在劣化试验前首先应该确定可能的劣化因素和可能的劣化机理,然后就应有针对性的控制这些环境变量,选择试验方法,尽量真实地模拟这些因素。例如硬聚氯乙烯型材料,使用聚氯乙烯为原料,添加稳定剂、颜料等助剂加工而成,主要用于室外。从聚氯乙烯的老化机理考虑,聚氯乙烯受热易分解;从使用环境考虑;空气中的氧、紫外光、热、水分都是引起型材老化的原因。

另外,各环境因素协调作用使得实际的劣化要复杂得多。例如,如果温度较高、日照长和辐射能量大,但湿度较低时,降雨或其他原因在文物表层形成的水膜由于蒸发速度快,水膜不易形成或停留时间大为缩短,这样由于水的原因引起的劣化速度会下降。同时,还需要考虑的是,在这种环境中存在的其他因素(如降尘、微生物等)由于得不到湿度的配合,引起的劣化会变得比较轻微。但对于高温、高湿的环境,在上述条件下,劣化速度相对就会快很多。降尘、微生物等也会加速文物的劣化。

因此,在环境试验中,需要始终记住的是:试验环境同文物保存环境必须具有等价性(既不改变劣化模式和机理又不增加新的劣化因素)、可再现性和可重复性。其中,排在第一的是等价性,这是环境试验的首要要求。

评价指标选择及阈值确定

文物劣化的表现形式包括:外观的变化、物理性能的变化、力学性能的变化、化学性能的变化。实际评价中,应从材料的用途及材料本身特性两方面来考虑,选择对文物劣化最适宜(如可无损检测)及变化较敏感的一种或几种性能的变化来评定性能。

(1)根据材料用途确定评价指标。对于文物来讲,即使是同样的材料,由于其用途不同,可能选择的评价指标也不同。外观特性如颜色、光泽等是否重要?力学特性如拉伸强度等是否重要?是否还有其他诸如耐风蚀性等特性?例如,如果是浅浮雕,光泽度、颜色等外观的变化就必须重点考虑;而对于功能性构件,则应主要考虑其抗拉、抗压等力学性能。

(2)根据材料本身特性确定评价指标。就同一材料来说,在环境试验过程中不同性能的下降是不等速的。在选择评价指标时,应该选择敏感性能指标。1978年德国无忧宫橘园北凉廊的一个大理石男孩雕塑在外观完好的情况下突然碎裂,说明了评价指标选择的重要性。

劣化是指文物保存状况由好变坏的一个变化过程,那么在这个过程中,何时为人工干预的最佳时间?在目前的文物保护研究中,基本都是方案设计人员进行病害调查、分析,然后确定是否需要进行化学渗透加固。在整个过程中,没有对劣化速率、劣化程度的定量化研究,没有一个客观的量化阈值,更不要说被广泛接受的一个标准值了。

化学渗透加固性能指标阈值的确定取决于加固的有效期要求及有效期内的性能要求和标准,而这也是在文物保护中急需解决的一个问题。由于文物保护行业尚处于发展初期,因此,应该借鉴其他行业的研究经验来解决这个问题。就有效期来说,汽车和家用电器一般耐久使用寿命按10至12年考虑,建筑结构和重大工程装备则为70至100年。就性能要求来说,对于大部分工程塑料来说,冲击强度是自然老化试验检测中变化最大、下降最明显的。

文物保护行业目前急需设定具有行业标准性质的指标阈值,以保证化学渗透加固的有效性和客观性,并提供一定的质量保证。

借鉴其他行业研究成果,规范文物保护环境试验方法,提高测试技术水平,增强试验成果的一致性、可比性和推广性,不断提高试验的合理性、可靠性,是化学渗透加固不断快速发展的必要条件。

中国文物信息网
 
 
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