有机硅在文物保护中应用.

有机硅在文物保护中的应用1我们为什么要对文物进行保护？文物保护是当今一个很重要的课题，在全世界范围内受到越来越多的关注。中国是一个历史文明古国，物质文化遗产种类繁多、数量丰富、地域分布广泛。这些宝贵的文化遗产是古代文明的信息载体，是历史、文化艺术和科学研究中极为重要的实物资料，是科学发明和技术创新的借鉴和源泉，是改善人类物质和精神生活条件的基本资源。2用有机硅进行文物保护有什么优势？因为有机硅材料具有很高的对能量的稳定性；其化学性质介乎于有机与无机之间，有较好的耐候性、耐热性、耐玷污性、耐化学药品性、僧水性及阻燃性，对紫外线、臭氧有良好的稳定性，相比较其他材料更有优异的“呼吸性”，它不损害或基本不损害文物对空气和水蒸气的透过性。3有机硅在文物保护方面的发展国外很早就开始了有机硅用于文物保护方面的探索研究，1861年，德国著名化学家霍夫曼（A.W.Hofmann)就提出，石英和酒精的聚合物可以应用到岩石增强保护中；1956年硅酸乙酯被成功的应用到壁画保护中。1960-1970年，硅酸乙酯研究成熟，进入大规模工业化生产，广泛应用到天然与人造矿物材料的增强保护中。随着工业和民用的需求，开发了多种有机硅材料(有甲基硅醇盐、硅树脂、硅烷、有机硅乳液等等)，此类材料在欧洲被广泛使用于各个领域。目前，在德国、日本、美国己成功研制了数种有机硅材料并应用于文物保护领域。我国将有机硅材料用于文物保护起步较晚，始于二十世纪80年代。八十年代初，故宫博物院和化工部涂料研究所合作开发了有机硅防风化材料SioR-17，在防水性、外观质感方面，通过实验室和现场试验，各项技术指标都达到或超过了曾应用在德国科隆大教堂的美国道康宁公司的防风化材料。1981年化工部涂料所与故宫博物馆共同研制的SioR-31有机硅彩画保护涂料，效果良好。我国上世纪70年代为了保护光学玻璃及其光学膜层而研制并取得成效的长链烷基烷氧机硅烷(其中十二烷基三甲氧基是一个代表)，于1987年移置于文物保护领域，到现在己逐步扩展开来。4机硅材料在文物保护方面的应用出土的文物依其质地大致可以分为三大类：①无机文物，有石质文物、土质文物、陶质、砖瓦类和金属制品。②有机文物，有丝绸、纸张、木器、皮制品等。③复合材料文物，有画、泥塑等。4.1有机硅在无机文物保护领域的应用4.1.1石质文物特点：石质文物的风化机理比较复杂，既有物理作用、化学作用、生物作用，还有人为作用。方法：针对石质文物的特征和风化蚀变的原因，国内外均采用在其表面涂一层保护膜的方法来保护石质材料。主要开发了环氧树脂，丙烯酸树脂，有机硅材料和多种无机材料。其中有机硅材料效果最为显著，其除兼具高分子材料的一般特性外，其结构与石质文物的结构具有相似性。有机硅的憎水性对文物保护的影响：大型石质文物表面的憎水性化学保护在保护剂渗透深度仅几毫米的情况下有可能产生严重的破坏作用。岩石的强度越小,吸水率越高,越容易受到破坏;保护剂的憎水性越强,界面应力越集中,破坏速度将越快。破坏的主要原因是被保护部分的憎水性和岩石基底的亲水性在干湿过程中产生的物理性质的差异和界面应力。通过水在岩石内部的运移和相变过程,盐结晶、加热、冻融将加剧表面保护层的破坏速度,其中盐结晶的影响最大,加热和冻融次之。因此，我们在石质文物的保护中应该谨慎使用憎水性表面化学保护。在必须使用时应注意:①应了解水(潮汽)在岩体内外的运移和相交情况,避免干湿循环本身产生和由此引发的应力破坏;②应了解可溶盐在岩石内部的运移情况,注意岩体脱盐和隔离盐的来源;③避免环境温度和湿度的急剧波动以减缓破坏速度;④使化学保护剂渗透岩体达到相当深度以抗衡界面应力,或建立憎水梯度以分散界面应力。4.1.2土质文物特点：①主要成分为硅酸盐，Si02含量占40％～60％：②面积一般比较大，大多数在室外且直接与大地相连，长期经受风吹日晒雨淋；③受冻融、大气污染、微生物侵害、盐的溶解结晶、震动等的影响；④绝大多数土遗址都不同程度地损伤，开裂、块状剥落，甚至坍塌，有的已摇摇欲坠、岌岌可危。土遗址保护主要从防水、固化、防尘和防腐等方面考虑。国内外开发了多种类型的保护材料，包括无机材料，有机材料和无机．有机复合材料等。无机材料有氢氧化钙、氢氧化钡溶液、钾、钠水玻璃等；有机材料包括有机树脂溶液，各种具有反应性基团的树脂体系如聚氨酯、聚酯、有机硅等。无机-有机复合材料有甲基三乙氧基硅烷-PS、聚有机硅-聚丙烯酸酯IPN、硅溶胶-PVA、硅溶胶-硅树脂等。用有机硅树脂加固封护土质文物的优点是：①渗透性好，渗透深度可达20～25mm，渗透时间仅需2~4小时；②结合力强，渗透液在土质中固化后像一张网，在各空隙之间形成一种以土质为基体、以有机硅树脂为增强剂的复合材料，使内部结构更加致密，因而提高土石质文物的整体强度，抗压强度可提高2倍；③耐老化性好，有机硅高聚物中主键上Si-O键的键能(108kcal／m01)比普通有机高聚物中C-C键的键能(83kcal／m01)大，且硅原子连接的烃基被氧化后生成交联的更加稳定的Si-0-Si键，老化后的产物二氧化硅，对土遗址的结构没有多大的影响。4.1.3砖、瓦、素陶等文物特点：砖、瓦、陶等文物是由土坯经过人工高温烧制而成。土坯烧制过程中，产生不均匀分布的孔隙，且孔隙尺寸较大，容易受水及水中可溶盐的侵蚀而风化。保护方法：将聚合物以稀溶液的形式渗入砖体内部的孔隙或渗人由于风化引起的文物损坏部位，聚合后形成的胶化物填补并加固了风化的文物，从而增强了文物的机械强度，抑制或减缓水的侵蚀，起到对文物的保护作用。对于砖石文物的表面防水处理，有机硅化合物显示出优良的性能。有机硅加固陶质文物渗透性非常好，与基体结合牢固，是一种理想的加固材料。任重远等用GDS-106有机硅采用浸渗法对陶片进行加固，其抗压强度从原来的23．02Mpa提高到48．92Mpa，吸水性也明显下降，具有抗紫外老化性能。4.1.4进金属制品4.1.4.1青铜文物表面封护是青铜文物防腐蚀保护过程中的最后步骤，其目的，就是隔离和减缓自然环境中的各种因素对文物的不利影响，以延长文物的寿命。硅类材料以Si-O-Si键为主链，键能极高，由于它们在化学结构上的特点，与基材粘附牢固，憎水透气、耐候、耐老化，具有良好的光稳定性能，且无毒，涂施工艺简便易行，其中甲基三甲氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷在我国应用较为成功。4.1.4.2铁质文物铁质文物易腐蚀，出土后若保存不当，很快就会产生大面积的锈蚀，故而铁质文物的保护应在文物出土后及时进行。因为有机硅在文物保护是主要依靠的是与文物表面羟基的结合，以致形成一层保护膜从而保护文物。显然，铁质文物表面并不存在羟基。研究表明有机硅对带锈铁质文物保护中的应用是成功的。锈蚀层为有机硅的自聚提供了广阔的空间，有机硅在铁锈中的自聚既有效地阻断了铁质本体与外界水分的接触，同时又对锈蚀外层较为疏松的部分进行了加固，有效地保护了铁质文物。4.2有机硅在有机文物保护领域的应用4.2.1丝质文物特点：分为动物蛋白纤维和植物纤维，前者有较强的耐自然腐蚀能力，但两者都容易受到微生物及昆虫的侵害，是微生物的营养来源。出土织物由于自然的腐蚀作用，纤维已经变得十分脆弱，纤维的抗拉强度、耐折度都很小。在丝织文物保护的技术还不是很成熟，目前张晓梅等开发了一种有机硅改型的丙烯酸树脂，对织物进行加固表明其耐老化、耐沾污性、耐霉菌等方面具有优良的特性，效果明显。但该处理是不可逆的，使用时应非常谨慎。4.2.2木质文物木材本身具有吸湿性，发掘出土的木质文物多饱含水分，为了长期保存出土木材，应该把木材中含有的水分用其它稳定的物质将其置换出来，或者把引起木材变形的不安定的水分强制出去。替代水的稳定物质，常用分子量为3000～3700的聚乙二醇PEG一4000，而要强制除去水分，采用真空冻结干燥法最有效。还可以用有机硅树脂处理保持木材文物的柔软性。4.3有机硅在复合材料类文物保护的应用最常见的壁画病害有空鼓、起甲、酥碱、烟熏、表面污染、地仗脱落、颜料层脱落、裂隙、划痕等。有机硅主要用于壁画的加固和表面憎水处理，且相较于其它表面封护剂有很多优点。赵科等针对彩绘文物保护材料研究表PrimalAC33、B72和有机硅的耐老化性能好，而且颜色变化小，粘结强度高，能够很好的起到加固和保护彩绘文物的作用。有研究表明有机硅环氧树脂是理性的潮湿壁画加固材料，有机硅提高了环氧的耐水、耐候性，并且能保持画面的透气性。5有机硅在文物保护中存在的问题1、应用不够、2、缺乏相应的评价标准3、材料不够系统缺乏针对性和系统性。6有机硅在文物保护中的发展趋势1、加强材料研制和应用过程中的针对性。2、文物保护材料的系统性。3、尽快建立文物保护材料的评价体系，以规范文物保护材料的使用品种和工艺，防止不良材料、工艺对于文物造成二次破坏。4、加快有机硅材料在文物保护方面的应用，扩大其应用范围，以使珍贵的文物得到完善的保护，留给后代更多的文化遗产。