CN101863060B - 干缩变形木质文物的复原方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及干缩变形木质文物的复原方法，有效解决考古发现的收缩变形后的木质文物复原时，对文物破坏严重、适用范围小的问题，本发明解决的技术方案是，第一步用去离子水循环置换的方法对干缩变形木质文物进行脱盐；第二步放入到润胀剂中加热浸渍；第三步使用去离子水置换出木质文物内的润胀剂；第四步再用无水乙醇置换木质文物内的去离子水；第五步将十六醇溶于乙醇中，制备成十六醇质量浓度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％的十六醇乙醇溶液，依次对木质文物进行浸渍；第六步干燥，本发明复原效果好，不破坏文物，适用于任何体积的干缩变形木质文物的复原。
Description
一、技术领域
本发明涉及考古出土的木材处理，特别是一种干缩变形木质文物的复原方法。
二、背景技术
木材作为人类长期使用的天然材料具有悠久的历史，其中以木质材料或以木质材料为主体制作的各类出土木质文物更是丰富多彩，涉及的范围十分广泛，具有非常珍贵的研究价值。
由于考古出土的木质文物，在经历了长期的地下埋藏之后，出土时大多存在有许多病害，干缩变形就是其中比较常见的病害之一。这种发生在出土前的收缩变形，主要是由木质文物饱水后其藏环境中水分的波动引起的；而出土后产生的收缩变形则主要是由于保护不当致使饱水器物中的水分减少造成的。同正常木材的“干缩湿胀”相比，出土木质的干缩湿胀具有显著的不同，一般情况下，出土木质文物的干缩具有“不可逆性”，即干缩变形后的木质文物再进行浸水处理时其形状是不可恢复的。
收缩变形后的木质文物失去了文物的价值，因而如何使变形的木质文物恢复原有形状，多年来一直是文物保护工作者努力研究的方向。迄今为止，有关出土变形木质文物的复原的研究报道，主要有化学方法和物理方法。德国的Hoffman曾采用1％的NaOH作为膨胀剂来进行干缩变形木质文物的复原，然而，一方面由于NaOH碱性太强，会加速木质文物的降解；另一方面采用NaOH作为膨胀剂的效果也不明显，所以采用NaOH作为膨胀剂不是理想的选择；法国学者Chaumat，Gilles等，采用CO2超流体在加压情况下渗透入干缩木材中，然后通过减压使木材膨胀来恢复形状。采用这种方法在部分小型木试块中取得了成功，存在的弊端主要是：可控制性差，不适用于体积较大的木质文物的复原。如何能有效复原收缩变形后的木质文物为众所期待。
三、发明内容
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就提供一种干缩变形木质文物的复原方法，可有效解决考古发现的收缩变形后的木质文物复原时，对文物破坏严重、适用范围小的问题。
本发明解决的技术方案是，第一步用去离子水循环置换的方法对干缩变形木质文物进行脱盐；第二步放入到润胀剂中加热浸渍；第三步使用去离子水置换出木质文物内的润胀剂；第四步再用无水乙醇置换木质文物内的去离子水；第五步将十六醇溶于乙醇中，制备成十六醇质量浓度为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％的十六醇乙醇溶液，依次对木质文物进行浸渍；第六步干燥。
本发明复原效果好，不破坏文物，适用于任何体积的干缩变形木质文物的复原。
四、具体实施方式
以下结合实际情况，对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明的具体步骤是：
1)、脱盐处理：18-25℃，具体处理时，分别在18℃、20℃、22℃和25℃下，采用去离子水循环置换方法进行，即把欲处理的干缩变形木质文物置于容器中，用水泵把去离子水循环不断的注入容器中，通过去离子水和干缩变形木质文物中的可溶盐的置换作用，逐渐减小木质文物中的盐分含量，并根据测定的水溶液中离子的含量变化，确定脱盐清洗的效果，最终去除干缩变形木质文物中的盐分；
2)、加热浸渍：把脱盐处理后的干缩变形木质文物放入润胀剂中，缓慢加热到80℃时，停止加热并保持80℃恒温，直至润胀剂中的木质文物的外形尺寸不再变化为止，此时，随着木质文物形状的恢复，润胀剂也已充满木材组织，即成恢复原形的木质文物；
3)、置换润胀剂：18-25℃，具体置换时，分别在18℃、20℃、22℃和25℃下，将已恢复原形的木质文物放入去离子水中反复清洗，直至水溶液的pH值为7，此时，水分取代润胀剂进入到木材组织中去，使得恢复原形的木质文物处于饱水状态；
4)、无水乙醇置换：将饱水状态的恢复原形的木质文物置于无水乙醇置中，对木质文物内的水分进行置换，直至水分完全被无水乙醇取代，得到饱含乙醇溶液的木质文物；
5)、十六醇乙醇溶液浸渍：将十六醇溶于乙醇中，制备成十六醇质量浓度分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％的十六醇乙醇溶液，将饱含乙醇溶液的木质文物依次放入上述配置的十六醇乙醇溶液中浸渍，并保持53℃恒温，每次浸渍直至木质文物的重量不再变化时，再放入质量浓度高一级的十六醇乙醇溶液浸渍，最终使得木质文物内的十六醇乙醇溶液含量达到80％时，结束浸渍处理；
6)、干燥：用50-60℃，具体干燥时分别用50℃、55℃、60℃的乙醇溶液清洗浸渍十六醇乙醇溶液后的木质文物表面的残余十六醇，然后，置于25℃的通风橱中干燥，即能使干缩变形木质文物恢复原有形状；
所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺10-80％、脲1-10％、烷基醇酰胺0.01-0.2％，余量为水，总量为100％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺15％、脲8％、烷基醇酰胺0.03％，水76.97％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺45％、脲5.5％、烷基醇酰胺0.11％，水49.39％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺75％、脲2％、烷基醇酰胺0.18％，水22.82％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
为提高干缩变形木质文物的复原效果，本发明采用加热浸渍条件下，以乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水制备的复合溶液为润胀剂，对干缩变形木质文物进行复原处理，复原结果表明：润胀复原处理后的木质文物，变形现象消失，外观尺寸增大明显，能够完全恢复干缩木质文物的原有形状，并经试验证明，本发明可有效解决考古发现的收缩变形后的木质文物复原问题，具体实试验如下：
木材作为人类长期使用的天然材料具有悠久的历史，然而受制于木材自身的性能，只有那些埋藏在干燥环境或饱水状态下的木质文物才有可能保存下来，这可从遍布世界各地的出土的大量饱水木质文物中得到证明。饱水木质文物虽然这些文物从外观上看与正常木材相似，但由于长期的地下埋藏，这些木质文物其木材组织分解严重，只能依靠水分的支撑作用才能保持原有形状。此时饱水木质文物中水分的减少，就会导致木材的收缩变形。木材作为一种各向异性材料，具有干缩湿胀的特性。正常木材在绝干状态至纤维饱和点含水率区域内表现出的这种干缩湿胀，会随着木材组织中水分的变化而变化，具有一定的“可逆性”。同正常木材相比，出土饱水木质的干缩湿胀具有显著的不同，饱水木质文物对水分的敏感性要远远大于正常木材，在饱水程度较高的情况下，饱水木材中水分的任何减少，都会引起木材外形尺寸的收缩，并且这种外形尺寸的减小具有“不可逆性”。通常情况下饱水程度越高，木质文物的干缩变形就越严重。一般认为，这种饱水木质因失水导致的干缩变形是“不可逆”的过程，也即干缩变形的木质文物其形状是不可恢复的。
采用本发明中的润胀剂，对干缩变形的出土木质文物进行了复原试验，并采用环境扫描电镜、傅立叶红外光谱、X射线衍射仪对复原前后的木质成分、结构进行了表征。结果表明：经本发明中的润胀剂处理后，干缩木材试样中木质素的含量、纤维素结晶度明显降低；干缩木材中原本塌陷的孔状结构得以恢复，干缩木材体积的最大膨胀值达420％，使得干缩变形的木材基本恢复了原有形状。
1、试验材料和方法
1.1样品试块
饱水木材试块和干缩变形木质文物均来自于河南省信阳长台关战国楚墓(BC403-BC221)。饱水木材试块属阔叶材，其绝对含水率为1036％，状如海绵。木材试块的含水率是跟据干燥前后试块的重量比测定的，干燥温度为1050C；所有的试块都来自于同一块木材，用锋利的刀片小心的切割成所需形状后，在室温状态下干燥来获得干缩木试块。
1.2润胀处理前后理化性能测定
将用本发明的复原方法复原后的木质文物，粉碎后进行XRD、FT-IR测定；Klason木素含量的测定根据美国TAPPI T22标准进行；采用ESEM进行复原前后微观组织变化观察；
2、测试结果分析
2.1干缩木试块在不同碱性介质中的润胀
木材是一种复杂的高分子复合物质，它包括三种主要成分：纤维素(40-45％)、半纤维素(20-30％)和木质素(20-30％)。和正常木材相比，出土的饱水木材表现出较低的纤维素、半纤维素百分含量和较高的木质素百分含量，产生这种情况的原因主要是由于在埋藏过程中纤维素、半纤维素相对容易降解而同时木质素较耐降解造成的。
一般来说，饱水木质文物的干缩程度和木质文物的饱水程度有关，饱水程度越大，干缩时体积收缩越大，收缩严重的会损失原有体积的80％。导致纤维素强度的降低；在纤维素降解的同时，外部水分也会逐渐进入到木材组织中去，进入到木组织中的水分的量远远大于正常木材组织所吸附的水分的量，这时的木材就成为饱水木材，饱水木材的外观和正常木材外观相比变化不大，但其强度大大降低，只能依靠水分的支撑作用才能保持原有形状；木材中的水分减少时，就会导致木材的收缩变形。
纤维素作为构成木材细胞壁的主要物质，从其化学组成上看具有和多种碱性物质发生反应的能力，并且纤维素和碱性物质反应后会使得纤维素的结构发生变化，导致纤维素的润胀现象发生。
经试验和干缩状态相比经碱液处理后的木试块都不同程度上有所膨胀，其中木试块经18％氢氧化钠处理后的润胀程度要大于经8％脲处理后的木试块体积，但和饱水状态相比，润胀程度并不明显，而经本发明复原方法处理后的木试块，其形状和饱水状态相比基本完全一样。
2.2ESEM分析
干缩木试块经过本发明复原方法处理后，和用氢氧化钠处理后的状态相比较，其微观组织表现为一定程度上的润胀，从环境扫描电镜照片可以看出：经氢氧化钠处理后的木材微观组织和木材干缩状态相比变化不大，在大的孔道周围仅有部分呈细长状的细胞腔出现；相比较氢氧化钠而言，经本发明复原方法处理后的木材微观组织润胀更为明显，表现为和干缩状态相比较，在干缩状态时木材组织孔道周围已完全塌陷的细胞腔结构，经本发明复原方法处理后又重新出现，成为蜂窝状分布在大的孔道之间，其形态和饱水状态的细胞组织基本一样，所不同的仅是经本发明复原方法处理后的木试块组织的细胞壁的中间层结构消失，细胞壁变得较薄。
2.3组分分析
研究认为：饱水木材在失水过程的任何阶段都会造成外形尺寸的减小，即产生干缩变形现象。这种干缩变形主要是由纤维素失水干燥时产生的收缩应力造成的细胞腔的塌陷引起的。因此，在采用碱液对干缩木材进行复原时，就首先应当使纤维素产生润胀，以便使得纤维素在润胀时恢复原有弹性，进而带动塌陷的细胞腔的恢复，从这方面讲，只要是能够对纤维素产生润胀作用的碱液都能使得干缩木材有所恢复。
表1不同润胀剂对木试块组分的影响
从Klason木质素含量来看：经本发明复原方法处理后的木试块其木质素含量减少最为明显，木质素含量的值从处理前的67％降低到处理后的57％；而经氢氧化钠、脲处理后的木质素含量值则变化不大分别为63％和69％。因此，正是由于木质素的减少，从而也相应的减小了木质素对纤维素束缚，并且木质素的去除也为纤维素的润胀提供了空间，最终使得干缩木试块的复原成为可能。
2.4结晶度分析
纤维素的结晶度是表征木材性能的重要指标，一般认为：结晶度的减小说明了碱液不仅在纤维素晶间发生了作用，而且在晶内也发生了润胀。而纤维素结晶区减小、无定形区增大的结果，将使得纤维素的韧性增强并表现出一定的膨胀现象。
经脲和氢氧化钠处理后的木试块的衍射谱图同未处理试块相比变化不大；而经本发明复原方法处理后的试块同未处理试块相比，其衍射曲线较为平缓，在2θ为230附近显示一个很宽的衍射峰，为典型的无定形结构特征峰。根据衍射图，分别积分衍射峰面积，计算得到未处理木试块纤维素的结晶度为47.6％；本发明复原方法、脲、氢氧化钠处理后的木试块纤维素的结晶度分别为27.3％、41.9％和29.6％。上述结果可以看出：本发明复原方法、氢氧化钠明显降低了纤维素的结晶度。
然而，尽管氢氧化钠对正常木材纤维素有较大的润胀能力，但其对干缩木试块的复原作用并不明显，远远小于本发明复原方法的复原作用。产生这种现象的原因应当从木材纤维的结构上考察。木材纤维是由纤维素、半纤维素、木质素结合在一起形成的，其中木质素起着增强纤维素结合强度的作用。在出土饱水木材中，因纤维素、半纤维素的降解程度远大于木质素，使得木质素的百分比含量大于正常木材，这在一定程度上增强了木质素对纤维素的包裹作用。
因此，在对干缩木材进行润胀复原时，为使纤维素充分润胀，就首先必须去除部分木质素，以减小木质素对纤维素的束缚作用，同时木质素的去除也为纤维素的润胀提供了更大空间，并且在去除木质素的同时也不会对纤维素造成降解；也就是说，只有那些既能够有效去除木质素又能对纤维素不造成破坏的材料才能使得纤维素充分润胀。由于干缩后的木材组织变得非常紧密，氢氧化钠不能有效的浸润到木材组织中去，难以与纤维素发生有效润胀反应。而加入一定量的活性成分的本发明中的润胀剂则能够比较容易的进入到木材组织中去，如表1所示：在对干缩木试块的复原试验中，本发明既有效的减低了木质素的含量，又能够不完全破坏纤维素，因而能够使得干缩木试块获得了较大润胀。
2.5处理温度对润胀的影响
本发明中的润胀剂对纤维素的润胀作用和处理温度密切相关，在对木质文物的复原研究中，在一定温度范围内木试块的润胀度是随着处理温度的提高而增大的。经试验，在200C至400C之间，润胀度、复原度随温度变化并不明显；在400C至800C之间，随温度升高干缩木试块的润胀度、复原度提高明显，当本发明中的润胀剂温度为800C时即可获得最大的润胀度和复原度。当温度进一步提高到800C至1000C之间时，干缩木试块的润胀度、复原度随温度提高呈下降趋势，产生这种现象的原因，可能是随着温度的提高，本发明中的润胀剂对纤维素的降解作用提高，干缩木试块的最外层部分被层层剥离，造成木试块外形尺寸变小，使得干缩木试块的润胀度、复原度呈现下降趋势。
采用本发明中的润胀剂作为古代干缩变形木质文物的润胀剂，在处理温度为800C条件下，能够使干缩变形木质文物得到完全复原。复原的机理是由于本发明中的润胀剂能够渗透到干缩的木组织中去，一方面通过和木质素的作用，不仅减小了木质素对纤维素的束缚，并且也为纤维素的充分润胀提供了空间；同时通过对纤维素的润胀作用，使得纤维素的弹性得到恢复，从而使得塌陷的细胞腔得以恢复，由此实现了干缩变形木组织的形状的恢复。
总之，本发明具有以下突出的优点：
1、对木质文物复原效果好
润胀复原处理后的木质文物，变形现象消失，外观尺寸增大明显，能够使得干缩木质文物恢复原有形状。
2、技术路线合理，可逆性好
润胀复原中技术路线设计合理，其中的每一步操作，都具有“可逆性”，能够保证复原处理过程中文物的安全，符合文物保护中保护处理应具有“可逆性”的原则。
3、处理工艺简单、操作方便
整个复原处理中，采用简单的加热设备即可完成润胀复原操作。
Claims (4)
1.一种干缩变形木质文物的复原方法，其特征在于，本发明的具体步骤是：
1)、脱盐处理：18-25℃，采用去离子水循环置换方法进行，即把欲处理的干缩变形木质文物置于容器中，用水泵把去离子水循环不断的注入容器中，通过去离子水和干缩变形木质文物中的可溶盐的置换作用，逐渐减小木质文物中的盐分含量，最终去除干缩变形木质文物中的盐分；
2)、加热浸渍：把脱盐处理后的干缩变形木质文物放入润胀剂中，缓慢加热到80℃时，停止加热并保持80℃恒温，直至润胀剂中的木质文物的外形尺寸不再变化为止，随着木质文物形状的恢复，润胀剂也已充满木材组织，即成恢复原形的木质文物；
3)、置换润胀剂：18-25℃，将已恢复原形的木质文物放入去离子水中反复清洗，直至水溶液的pH值为7，此时，水分取代润胀剂进入到木材组织中去，使得恢复原形的木质文物处于饱水状态；
4)、无水乙醇置换：将饱水状态的恢复原形的木质文物置于无水乙醇中，对木质文物内的水分进行置换，直至水分完全被无水乙醇取代，得到饱含乙醇溶液的木质文物；
5)、十六醇乙醇溶液浸渍：将十六醇溶于乙醇中，制各成十六醇质量浓度分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％的十六醇乙醇溶液，将饱含乙醇溶液的木质文物依次放入上述配置的十六醇乙醇溶液中浸渍，并保持53℃恒温，每次浸渍直至木质文物的重量不再变化时，再放入质量浓度高一级的十六醇乙醇溶液浸渍，最终使得木质文物内的十六醇乙醇溶液含量达到80％时，结束浸渍处理；
6)、干燥：用50-60℃的乙醇溶液清洗浸渍十六醇乙醇溶液后的木质文物表面的残余十六醇，然后，置于25℃的通风橱中干燥，即能使干缩变形木质文物恢复原有形状；
所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺10-80％、脲1-10％、烷基醇酰胺0.01-0.2％，余量为水，总量为100％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
2.根据权利要求1所述的干缩变形木质文物的复原方法，其特征在于，所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺15％、脲8％、烷基醇酰胺0.03％，水76.97％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得 润胀剂。
3.根据权利要求1所述的干缩变形木质文物的复原方法，其特征在于，所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺45％、脲5.5％、烷基醇酰胺0.11％，水49.39％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
4.根据权利要求1所述的干缩变形木质文物的复原方法，其特征在于，所说的润胀剂，是由以重量百分比计：乙二胺75％、脲2％、烷基醇酰胺0.18％，水22.82％制成，将乙二胺、脲、烷基醇酰胺和水，混合后，搅拌至溶解，即得润胀剂。
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