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干缩变形木质文物润胀复原关键技术研究
发布时间:2016-12-13    文章出处:中国文物信息网    作者:    点击率:
  主要完成单位:河南省文物考古研究院  郑州大学  河南博物院  南京市博物总馆
  主要完成人:陈家昌 黄霞 陈晓琳 王军
  获奖等级:二等奖
 
  项目从我国考古出土木质文物存在的常见病害——干缩变形现象出发,以实现干缩变形木质文物的原状再现、恢复变形木质文物原有文物价值为目标,围绕干缩变形复原技术体系的开发,开展了木质文物干缩变形机理、干缩木材的成分、微观结构分析等研究工作,获得了“干缩—润胀”研究的创新性理论成果。在阐明木质文物干缩变形机理的基础上,根据木材纤维素所具有的润胀特性,研制出了适宜不同种类干缩木质文物复原的“活性碱”润胀材料,解决了长期以来困扰文物保护研究领域的难题,拓展了木质文物保护研究的深度和广度。
 
  总体思路及主要内容
 
  考古出土的木质文物,在经历了长期的地下埋藏之后,出土时大多存在许多病害,干缩变形就是其中比较常见的病害之一。基于国内外干缩变形木质文物复原的研究现状,本项目在阐明木质文物干缩变形基本原理的基础上,根据木材纤维素所具有的润胀特性,一方面开展润胀复原材料设计及相关制备技术研究,研制出适宜于不同种类木质文物的润胀材料,通过润胀材料在浸渗过程中和木材纤维素发生润胀作用,达到恢复干缩变形木质文物原有形状的目的;另一方面,确定了润胀材料在复原过程中的工艺条件及复原效果控制体系,建立有效的复原技术保障体系和复原效果保证体系,确保干缩变形木质文物的复原效果。

 
  研究成果
    
  1.考古出土木质文物组织成分及微观结构特性研究
 
  同正常木材相比,考古出土饱水木质文物在木质组织的成分、结构等方面都具有显著的不同。在考古出土的饱水木质组织中,纤维素、半纤维素、木质素等的含量都会不同程度地降低。木质素相对于纤维素、半纤维素而言,其结构复杂、耐腐蚀性较好,因而,在考古出土木质组织中,木质素的百分含量相对较高。
 
  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,此时,若木材组织中水分减少,将会导致木材的收缩变形。通常情况下饱水程度越高,木质文物的干缩变形就越严重,饱水木质文物收缩严重时甚至会损失原有体积的80%左右。
 
  从元素分布状态看,在考古出土木质组织中,综纤维素、木质素的百分含量占主体,除此之外,还存在有一些抽提物及少量的金属离子。
 
  通过对考古出土饱水木质文物的组织成分、结构等方面的分析,可以得出以下几点结论:
 
  (1)考古出土木质文物的组分含量同正常木质材料相比,会发生明显的劣化现象,劣化程度同饱水程度具有一定的相关性,饱水程度越大,组分降解越明显,劣化现象就越严重。
 
  (2)在劣化后的饱水木质组织结构中,细胞腔的形态在饱水状态时能够保持基本完整,这主要来自于木质组织中水分的支撑作用。随着水分的挥发,饱水木质文物的细胞腔结构会发生收缩塌陷现象,进而造成木质文物外观形态的严重改变。
 
  2.考古出土木质文物“干缩-润胀”机理研究
 
  饱水木质文物的干缩主要是由于长时间的地下埋藏造成木材组织中纤维素、半纤维素的含量显著下降,结果使细胞壁的空隙增多或扩大,造成细胞壁的强度降低,随着水分的减少,支撑力消失,在纤维素干燥时产生的收缩应力不断增大,细胞腔将会完全塌陷,产生木材干缩变形现象。因此,纤维素的微观收缩导致的细胞腔塌陷是造成木材宏观收缩的主要原因。
 
  干缩木质文物的润胀复原过程可以看作是干缩的逆向过程,在润胀过程中,首先应当恢复木质组织的细胞腔以及纤维素的润胀。在此,首要的工作就是把纤维素结构进行润胀处理,通过润胀反应恢复纤维素的韧性及弹性,带动木材组织细胞腔的恢复。然而由于干缩组织中存在大量的木质素,其依附于纤维素表面,这种依附作用不仅会限制纤维素的进一步润胀,而且将降低纤维素的弹性。因此,过多的木质素必须进行部分去除。
 
  同干缩状态相比,润胀复原后的木质成分、组织结构变化主要体现在三个方面:一是木质组分变化,润胀后综纤维素、木质素的含量都有所降低;二是纤维素形态发生了变化,原本干缩扭曲的纤维素润胀后,纤维素的扭曲现象基本消失,弹性得到部分恢复;三是结构变化,润胀复原后,干缩木质组织中塌陷的细胞腔结构得到了复原,腔体结构重现。如图所示干缩状态时,纤维素扭曲较为严重,同时大结构的木质素裹附在纤维素上;润胀复原后,裹附在纤维素周围的木质素碎片化,这种碎片化的结构对纤维素的约束能力有所降低,也为纤维素的进一步的润胀提供了更大空间。
 
  3.润胀复原材料的性能设计及制备技术研究
 
  在理清干缩变形木质文物“可逆性”润胀复原机理的基础上,提出了采用“活性碱”润胀剂对干缩变形木质文物进行润胀复原的技术路线。制备出的“活性碱”干缩木质文物润胀复原材料,其对干缩木质文物的复原作用主要体现在以下几点:一是制备出的木质纤维素润胀材料在干缩木质组织中具有较好的渗透能力,不仅提高了纤维素的润胀程度,同时也增强了“活性碱”同木质素的反应能力,有助于加速木质素的碎片化进程。二是制备出的木质纤维素润胀材料具有良好的可逆性。润胀材料的可逆性主要体现在对木质文物复原后的移出上,即润胀后存在于木质结构中的润胀材料可通过和其他材料的置换能够从木质结构中转移出来,以利于复原后的定型加固。三是制备出的木质纤维素润胀材料具有良好的水溶性。水溶性润胀材料不仅节约成本、有利于环境,而且也易于通过和水溶液的交换而从木质结构中脱离出来,从而使复原后的木质文物呈饱水状态,然后再通过脱水达到复原的目的。
 
  采用“活性碱”进行的试验研究表明:干缩变形木质文物的最大润胀度可达420%,体积复原度98%以上,基本恢复了木质文物的原有体积。
 
  4.润胀复原效果微观评价体系的建立
 
  经“活性碱”处理后的木试块,其化学成分及组成都发生了一定的改变,从傅立叶红外谱图及Klason木质素含量来看:经活性碱处理后的木试块,其木质素含量减少最为明显,从处理前的74.8%降低到处理后的59.8%;而经氢氧化钠、氨水处理后的木质素含量值则变化不大,分别为71.7%和72.3%。这个结果和FT-IR的表征结果相一致。
 
  从纤维素处理前后的XRD谱图可以看出:未经处理的试样的结晶度为44.6%,而经“活性碱”处理后纤维素的结晶度为24.3%。这说明纤维素经“活性碱”处理后,其结晶度明显减小,结晶度的减小可有效提高纤维素的柔韧性,进而有助于纤维素的进一步润胀及塌陷细胞腔的形态恢复。
 
  从干缩变形木质文物润胀处理前后的热分析谱图可以看出:正常纤维素在300℃~375℃较窄的温度范围内发生热分解;润胀处理前后,纤维素的热性能改变不大。
 
  从干缩变形木质文物润胀处理前后的共聚焦表面显微照片可以看出:干缩木试样润胀处理前表面微观裂纹分布密集;处理后微观裂纹基本消失。
 
  在微观结构方面,经复原处理后的木材微观组织润胀明显,在干缩状态时已经完全塌陷的细胞腔结构经润胀处理后重现,同时细胞壁结构改变不明显。
 
  5.润胀复原工艺条件、技术标准及控制体系
 
  研究采用“活性碱”对木质文物的复原研究中,其工艺条件是决定润胀效果的关键因素之一,其中润胀处理温度的控制至关重要。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。
 
  实验可知,在200℃至400℃之间,润胀度、复原度随温度变化并不明显;在400℃至800℃之间,随温度升高干缩木试块的润胀度、复原度提高明显。当“活性碱”在浓度为25%、温度为800℃时可获得最大的润胀度和复原度。
 
  创新成果
    
  1.阐明了考古出土干缩木质文物的“干缩-润胀”机理
 
  提出了考古出土木质文物的干缩变形是由于木质纤维素的收缩和木质细胞腔的塌陷共同造成的。干缩变形木质文物的润胀复原必须满足两个条件:一是纤维素能够获得一定程度的润胀,恢复纤维素的弹性;二是随着纤维素弹性的恢复,进而带动细胞腔形态的恢复。细胞腔的恢复是干缩变形木质文物复原的关键。
    
  2.得出了“干缩变形木质文物特定条件下的‘可逆性’”论断
 
  本项目研究从干缩木材的成分、微观结构分析着手,通过对干缩变形木质文物的发生、发展规律的探讨,结合复原保护实践,提出干缩变形木质文物在特定条件下可恢复原有形态,具有特定条件下的“可逆性”。这一研究成果修正了国内外文物保护研究者认为的“出土饱水木材的收缩是‘不可逆过程’”这一传统认识,拓展了木质文物保护研究领域的深度和广度。
    
  3.研制出了高效的润胀复原材料,建立了干缩木质文物的胀缩模型及复原保护评价体系
 
  采用制备出的“活性碱”润胀剂在对体积严重收缩(保有体积仅为原有体积的20%~25%)的出土木质文物的复原试验中,最大润胀度可达400%以上,基本恢复了木质文物的原有形态。通过对干缩过程中收缩应力和木材细胞腔的体积变化以及同木材密度变化相关性的分析,以及对干缩前后木质文物微观结构的数值模型进行的分析,计算出了不同种类木材的最大收缩量,进而确定出润胀复原应达到的程度,为评价复原效果提供了科学依据。
    
  4.形成了润胀复原工艺,有效解决了干缩变形木质文物的复原保护难题
 
  通过对河南长台关、湖北九连墩楚墓、湖北包山二号墓出土的干缩木质文物进行的复原处理,其外观复原度均能够达到96%以上,基本实现了恢复其原有外观形态的目的。
 
  (1)战国楚墓出土干缩木质文物润胀复原效果(见图A)
 
  复原前的木底座严重收缩并伴有开裂现象,其中最宽裂缝达3厘米左右;复原处理后,小裂纹基本消失,大裂缝基本弥合。木底座经复原处理后其长度、最大宽度、最大厚度分别由干缩时的17.53厘米、16.23厘米、11.86厘米变化为复原后的21.67厘米、20.36厘米、13.38厘米,分别提高了23.62%、25.44%、12.81%。
 
  (2)河南信阳长台关出土木围栏复原效果(见图B)
 
  (3)汉墓出土干缩木钵润胀复原效果(见图C)
 
  复原前的木钵下部口沿、钵体中部严重收缩并伴有开裂现象,钵体底部凹陷变形。复原处理后,钵体口沿、中部裂缝基本弥合、底部凹陷变形部位得到纠正变得平直。
 
  (4)南京出土阿育王塔干缩木质文物润胀复原效果(见图D、图E)
 
  复原前相轮呈近椭圆形,经向直径为132.31毫米、纬向直径为123.42毫米;中间孔洞经、纬向直径分别为39.85毫米和36.78毫米;相轮厚度在6.73毫米至7.51毫米之间。复原后的相轮呈圆形,其经、纬向直径为135.79毫米、136.05毫米;中间孔洞经、纬向直径分别为40.98毫米和40.25毫米;相轮厚度在6.82毫米至7.61毫米之间。复原后相轮径向直径和纬向直径分别提高了10.03%、2.83%,厚度提高了1.32%;复原后原有裂缝基本弥合,扭曲现象基本消失。
 
  复原后的山花蕉叶状木胎裂缝宽度明显缩小,部分裂缝消失,翘曲部位偏离水平基线程度由复原前的1.5厘米降低为0.3厘米,使山花蕉叶状木胎恢复平直状态。



 
 
(原文刊于:《中国文物报》2016年12月9日第11版)
 
 
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干缩变形木质文物润胀复原关键技术研究

发布时间: 2016-12-13

  主要完成单位:河南省文物考古研究院  郑州大学  河南博物院  南京市博物总馆
  主要完成人:陈家昌 黄霞 陈晓琳 王军
  获奖等级:二等奖
 
  项目从我国考古出土木质文物存在的常见病害——干缩变形现象出发,以实现干缩变形木质文物的原状再现、恢复变形木质文物原有文物价值为目标,围绕干缩变形复原技术体系的开发,开展了木质文物干缩变形机理、干缩木材的成分、微观结构分析等研究工作,获得了“干缩—润胀”研究的创新性理论成果。在阐明木质文物干缩变形机理的基础上,根据木材纤维素所具有的润胀特性,研制出了适宜不同种类干缩木质文物复原的“活性碱”润胀材料,解决了长期以来困扰文物保护研究领域的难题,拓展了木质文物保护研究的深度和广度。
 
  总体思路及主要内容
 
  考古出土的木质文物,在经历了长期的地下埋藏之后,出土时大多存在许多病害,干缩变形就是其中比较常见的病害之一。基于国内外干缩变形木质文物复原的研究现状,本项目在阐明木质文物干缩变形基本原理的基础上,根据木材纤维素所具有的润胀特性,一方面开展润胀复原材料设计及相关制备技术研究,研制出适宜于不同种类木质文物的润胀材料,通过润胀材料在浸渗过程中和木材纤维素发生润胀作用,达到恢复干缩变形木质文物原有形状的目的;另一方面,确定了润胀材料在复原过程中的工艺条件及复原效果控制体系,建立有效的复原技术保障体系和复原效果保证体系,确保干缩变形木质文物的复原效果。

 
  研究成果
    
  1.考古出土木质文物组织成分及微观结构特性研究
 
  同正常木材相比,考古出土饱水木质文物在木质组织的成分、结构等方面都具有显著的不同。在考古出土的饱水木质组织中,纤维素、半纤维素、木质素等的含量都会不同程度地降低。木质素相对于纤维素、半纤维素而言,其结构复杂、耐腐蚀性较好,因而,在考古出土木质组织中,木质素的百分含量相对较高。
 
  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,此时,若木材组织中水分减少,将会导致木材的收缩变形。通常情况下饱水程度越高,木质文物的干缩变形就越严重,饱水木质文物收缩严重时甚至会损失原有体积的80%左右。
 
  从元素分布状态看,在考古出土木质组织中,综纤维素、木质素的百分含量占主体,除此之外,还存在有一些抽提物及少量的金属离子。
 
  通过对考古出土饱水木质文物的组织成分、结构等方面的分析,可以得出以下几点结论:
 
  (1)考古出土木质文物的组分含量同正常木质材料相比,会发生明显的劣化现象,劣化程度同饱水程度具有一定的相关性,饱水程度越大,组分降解越明显,劣化现象就越严重。
 
  (2)在劣化后的饱水木质组织结构中,细胞腔的形态在饱水状态时能够保持基本完整,这主要来自于木质组织中水分的支撑作用。随着水分的挥发,饱水木质文物的细胞腔结构会发生收缩塌陷现象,进而造成木质文物外观形态的严重改变。
 
  2.考古出土木质文物“干缩-润胀”机理研究
 
  饱水木质文物的干缩主要是由于长时间的地下埋藏造成木材组织中纤维素、半纤维素的含量显著下降,结果使细胞壁的空隙增多或扩大,造成细胞壁的强度降低,随着水分的减少,支撑力消失,在纤维素干燥时产生的收缩应力不断增大,细胞腔将会完全塌陷,产生木材干缩变形现象。因此,纤维素的微观收缩导致的细胞腔塌陷是造成木材宏观收缩的主要原因。
 
  干缩木质文物的润胀复原过程可以看作是干缩的逆向过程,在润胀过程中,首先应当恢复木质组织的细胞腔以及纤维素的润胀。在此,首要的工作就是把纤维素结构进行润胀处理,通过润胀反应恢复纤维素的韧性及弹性,带动木材组织细胞腔的恢复。然而由于干缩组织中存在大量的木质素,其依附于纤维素表面,这种依附作用不仅会限制纤维素的进一步润胀,而且将降低纤维素的弹性。因此,过多的木质素必须进行部分去除。
 
  同干缩状态相比,润胀复原后的木质成分、组织结构变化主要体现在三个方面:一是木质组分变化,润胀后综纤维素、木质素的含量都有所降低;二是纤维素形态发生了变化,原本干缩扭曲的纤维素润胀后,纤维素的扭曲现象基本消失,弹性得到部分恢复;三是结构变化,润胀复原后,干缩木质组织中塌陷的细胞腔结构得到了复原,腔体结构重现。如图所示干缩状态时,纤维素扭曲较为严重,同时大结构的木质素裹附在纤维素上;润胀复原后,裹附在纤维素周围的木质素碎片化,这种碎片化的结构对纤维素的约束能力有所降低,也为纤维素的进一步的润胀提供了更大空间。
 
  3.润胀复原材料的性能设计及制备技术研究
 
  在理清干缩变形木质文物“可逆性”润胀复原机理的基础上,提出了采用“活性碱”润胀剂对干缩变形木质文物进行润胀复原的技术路线。制备出的“活性碱”干缩木质文物润胀复原材料,其对干缩木质文物的复原作用主要体现在以下几点:一是制备出的木质纤维素润胀材料在干缩木质组织中具有较好的渗透能力,不仅提高了纤维素的润胀程度,同时也增强了“活性碱”同木质素的反应能力,有助于加速木质素的碎片化进程。二是制备出的木质纤维素润胀材料具有良好的可逆性。润胀材料的可逆性主要体现在对木质文物复原后的移出上,即润胀后存在于木质结构中的润胀材料可通过和其他材料的置换能够从木质结构中转移出来,以利于复原后的定型加固。三是制备出的木质纤维素润胀材料具有良好的水溶性。水溶性润胀材料不仅节约成本、有利于环境,而且也易于通过和水溶液的交换而从木质结构中脱离出来,从而使复原后的木质文物呈饱水状态,然后再通过脱水达到复原的目的。
 
  采用“活性碱”进行的试验研究表明:干缩变形木质文物的最大润胀度可达420%,体积复原度98%以上,基本恢复了木质文物的原有体积。
 
  4.润胀复原效果微观评价体系的建立
 
  经“活性碱”处理后的木试块,其化学成分及组成都发生了一定的改变,从傅立叶红外谱图及Klason木质素含量来看:经活性碱处理后的木试块,其木质素含量减少最为明显,从处理前的74.8%降低到处理后的59.8%;而经氢氧化钠、氨水处理后的木质素含量值则变化不大,分别为71.7%和72.3%。这个结果和FT-IR的表征结果相一致。
 
  从纤维素处理前后的XRD谱图可以看出:未经处理的试样的结晶度为44.6%,而经“活性碱”处理后纤维素的结晶度为24.3%。这说明纤维素经“活性碱”处理后,其结晶度明显减小,结晶度的减小可有效提高纤维素的柔韧性,进而有助于纤维素的进一步润胀及塌陷细胞腔的形态恢复。
 
  从干缩变形木质文物润胀处理前后的热分析谱图可以看出:正常纤维素在300℃~375℃较窄的温度范围内发生热分解;润胀处理前后,纤维素的热性能改变不大。
 
  从干缩变形木质文物润胀处理前后的共聚焦表面显微照片可以看出:干缩木试样润胀处理前表面微观裂纹分布密集;处理后微观裂纹基本消失。
 
  在微观结构方面,经复原处理后的木材微观组织润胀明显,在干缩状态时已经完全塌陷的细胞腔结构经润胀处理后重现,同时细胞壁结构改变不明显。
 
  5.润胀复原工艺条件、技术标准及控制体系
 
  研究采用“活性碱”对木质文物的复原研究中,其工艺条件是决定润胀效果的关键因素之一,其中润胀处理温度的控制至关重要。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。
 
  实验可知,在200℃至400℃之间,润胀度、复原度随温度变化并不明显;在400℃至800℃之间,随温度升高干缩木试块的润胀度、复原度提高明显。当“活性碱”在浓度为25%、温度为800℃时可获得最大的润胀度和复原度。
 
  创新成果
    
  1.阐明了考古出土干缩木质文物的“干缩-润胀”机理
 
  提出了考古出土木质文物的干缩变形是由于木质纤维素的收缩和木质细胞腔的塌陷共同造成的。干缩变形木质文物的润胀复原必须满足两个条件:一是纤维素能够获得一定程度的润胀,恢复纤维素的弹性;二是随着纤维素弹性的恢复,进而带动细胞腔形态的恢复。细胞腔的恢复是干缩变形木质文物复原的关键。
    
  2.得出了“干缩变形木质文物特定条件下的‘可逆性’”论断
 
  本项目研究从干缩木材的成分、微观结构分析着手,通过对干缩变形木质文物的发生、发展规律的探讨,结合复原保护实践,提出干缩变形木质文物在特定条件下可恢复原有形态,具有特定条件下的“可逆性”。这一研究成果修正了国内外文物保护研究者认为的“出土饱水木材的收缩是‘不可逆过程’”这一传统认识,拓展了木质文物保护研究领域的深度和广度。
    
  3.研制出了高效的润胀复原材料,建立了干缩木质文物的胀缩模型及复原保护评价体系
 
  采用制备出的“活性碱”润胀剂在对体积严重收缩(保有体积仅为原有体积的20%~25%)的出土木质文物的复原试验中,最大润胀度可达400%以上,基本恢复了木质文物的原有形态。通过对干缩过程中收缩应力和木材细胞腔的体积变化以及同木材密度变化相关性的分析,以及对干缩前后木质文物微观结构的数值模型进行的分析,计算出了不同种类木材的最大收缩量,进而确定出润胀复原应达到的程度,为评价复原效果提供了科学依据。
    
  4.形成了润胀复原工艺,有效解决了干缩变形木质文物的复原保护难题
 
  通过对河南长台关、湖北九连墩楚墓、湖北包山二号墓出土的干缩木质文物进行的复原处理,其外观复原度均能够达到96%以上,基本实现了恢复其原有外观形态的目的。
 
  (1)战国楚墓出土干缩木质文物润胀复原效果(见图A)
 
  复原前的木底座严重收缩并伴有开裂现象,其中最宽裂缝达3厘米左右;复原处理后,小裂纹基本消失,大裂缝基本弥合。木底座经复原处理后其长度、最大宽度、最大厚度分别由干缩时的17.53厘米、16.23厘米、11.86厘米变化为复原后的21.67厘米、20.36厘米、13.38厘米,分别提高了23.62%、25.44%、12.81%。
 
  (2)河南信阳长台关出土木围栏复原效果(见图B)
 
  (3)汉墓出土干缩木钵润胀复原效果(见图C)
 
  复原前的木钵下部口沿、钵体中部严重收缩并伴有开裂现象,钵体底部凹陷变形。复原处理后,钵体口沿、中部裂缝基本弥合、底部凹陷变形部位得到纠正变得平直。
 
  (4)南京出土阿育王塔干缩木质文物润胀复原效果(见图D、图E)
 
  复原前相轮呈近椭圆形,经向直径为132.31毫米、纬向直径为123.42毫米;中间孔洞经、纬向直径分别为39.85毫米和36.78毫米;相轮厚度在6.73毫米至7.51毫米之间。复原后的相轮呈圆形,其经、纬向直径为135.79毫米、136.05毫米;中间孔洞经、纬向直径分别为40.98毫米和40.25毫米;相轮厚度在6.82毫米至7.61毫米之间。复原后相轮径向直径和纬向直径分别提高了10.03%、2.83%,厚度提高了1.32%;复原后原有裂缝基本弥合,扭曲现象基本消失。
 
  复原后的山花蕉叶状木胎裂缝宽度明显缩小,部分裂缝消失,翘曲部位偏离水平基线程度由复原前的1.5厘米降低为0.3厘米,使山花蕉叶状木胎恢复平直状态。



 
 
(原文刊于:《中国文物报》2016年12月9日第11版)
 
 

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