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纳米材料在石质文物保护中的应用与展望
上传时间:2012-06-26 信息来源:中国知网

  纳米材料是指特征维度尺寸在1~100nm范围内的一类材料。由于纳米材料具有独特的表面效应、量子效应及局域场效应三大结构特性,使其表现出一系列与普通晶体和非晶物质不同的力学、磁、光、电、声等性能,使得对纳米材料的制备、结构及其应用前景的开发将成为21世纪科学研究的新热点。
一、石质文物的保护现状和风化蚀变的原因
  我国有着丰富的文物资源,而石质文物在各类文物中又占极大比重,比如历代的石窟寺、石雕、牌坊、石碑等。这些石质文物暴露在自然界的风化环境中,再加上环境污染的侵蚀,使石质文物受到严重的破坏。若不采取有效的保护措施,这些珍贵文物将不复存在。针对石质文物的风化蚀变原因,选择适当的防护材料,采取有效的保护措施起着关键性作用。首先,地下水的长期作用,周期性的温度、湿度的波动造成可溶性盐的析出和溶解,从而引起崩裂。此外,随着环境污染的日益严重,加快了市区内或接近市区的文物的风化速度,这对防风化材料的选择也提出了更高的要求。
二、石质文物保护处理的原则
1. 文物保护的原则
  文物作为特殊的保护对象,对其保护处理一般遵循以下原则:(1)只在十分必要的情况下,才对文物实施保护性处理;(2)不改变文物的原貌,保持石质品表面的美观; (3)在保护方面兼具有效性和持久性;(4)保护材料具有可逆性,以便于将来的再处理;(5)符合生态要求,在选择保护材料的同时,必须考虑施工条件和对周围环境的影响。
2. 对保护用化学材料的基本要求
(1)粘度低,且在4~10h 内,粘度变化很小;(2)表面张力适当;(3)低分子量;(4)浸渍中,在毛细管中无层析趋势;(5)固态的弹性模量小;(6)低溶剂成分;(7)与石质中的水和盐适应;(8)粘结性好;(9)成膜性好。
三、纳米材料在石质文物保护中的作用
1. 现有的保护材料
  随着学科间的日益渗透,新技术不断移植到文物的保护研究中,保护材料也已经从传统的无机材料发展到有机材料、聚合物材料等。
(1)无机材料
  无机表面封护剂,例如传统使用的油、蜡等可以在石质文物表面形成一个保护膜,起到疏水、防潮、防二氧化碳及其它空气中有害气体的作用,但其只能附着在石材表面,而且长期使用会严重变色。无机材料的加固机理是通过材料中某些成分与二氧化碳反应或水合作用形成新物质而实现的,其优点是耐老化,性能优良,与石质文物之间的相容性好,但其形成的新物质与矿物的连接比较脆弱,其粘接的裂缝宽度不可能大于10~50微米。因此用无机材料不能实现裂开两部分的连接,而且一旦反应开始,反应物会阻塞岩石表面的孔隙,从而抑制加固剂的进一步渗透。例如国际上常用的无机加固材料石灰水、Ba(OH)2 和碱土硅酸盐及氟酸盐等。
(2)有机材料
  有机硅表面保护材料是通过涂料成膜的方法进行隔绝防水,这样不仅会改变石质文物原有的外观质感,还会使表面失去透气性,如果石质原来毛细孔内渗有水,一旦温度升高水分蒸发,就会使表面保护膜破裂而失去保护作用。
(3)聚合物材料
  环氧树脂粘合剂粘着力强、收缩率低、内聚力大、稳定性高,但渗透性稍差,也会堵塞水蒸气的流通,而且户外的紫外线照射会使颜色变黄。丙烯酸树脂能防止文物风化,但其最大的缺点是形成的膜非常脆,既不抵抗碱性的侵蚀,又不抵抗紫外线的照射。
2. 纳米材料的特殊性能
  纳米材料在医药、材料等领域已引起世界各国的广泛重视,同时也为文物保护注入了新的活力,它的特性有以下几个方面:
(1)超双亲界面特性
  纳米材料的直径小,材料以离子键及共价键为主要结合力。纳米材料特有的颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面严重的配位不足等,使其具有极强的表面活性。纳米材料极强的表面活性使它具有极强的吸附作用,所以当某些纳米粒子与高分子聚合物经特殊复合后,其表面具有特殊的物理化学性能,可同时疏水和疏油,称为超双亲界面特性。具有这种性能的材料可作为表面封护剂用于保护石质文物,防止文物受到水及其他有害物质的侵蚀。同时,具有极强吸附作用的纳米材料,吸附在其表面的气体分子可以形成一层稳定的保护薄膜,使油和水在其表面无法展开,可消除水、酸雨及其他有害物对石质文物的侵蚀。
(2)抗紫外线和耐老化特性
  紫外线是一种波长比可见光波长短的电磁波,320~400nm的紫外线穿透力强,能穿至各种物质、材料的内部,破坏作用十分严重。280~320nm 的紫外线主要作用于各种材料、物质表面,造成材料表面颜色的迅速衰减,材料表面迅速老化。由于纳米材料的表面效应和量子尺寸效应而产生对光的吸收作用,多种物质对光线都有屏蔽保护作用。当这些材料加入到高分子材料中时,微粒的尺寸与光波波长相当或更小时,小尺寸效应导致光吸收显著增强,对波长为400nm以内的紫外线具有强烈的吸收作用,从而起到很好的紫外线屏蔽作用,使石质文物具有良好的光稳定性和热稳定性,提高了抗老化性能。目前,能吸收紫外线的材料有TiO2、Fe2O3 等。
(3)透明及防遮盖特性
  由于纳米材料粒径远小于可见光的波长(400~750nm),因此对可见光有透过作用,用于石质文物保护时不会遮盖被保护的文物。
(4)耐腐蚀抗氧化性
  纳米材料的小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用,可深入到其他材料(如高分子聚合物)中与不饱和键的电子云发生作用,进而与材料的大分子互相结合形成立体网状,从而大幅度提高材料的强度、韧性、延展性。使材料具有极强的耐腐蚀抗氧化性。
四、纳米材料在石质文物保护中的应用前景
  历代的石窟寺、石雕艺术品、石碑等这些珍贵的历史文化遗产,在漫长的历史岁月中遭受了长期的自然风化及人为破坏。在自然界各种营力作用下,石窟的崩塌、风化现象十分严重。促使石雕破坏的主要原因是各种形态的水及盐类侵蚀,多种裂隙切割和冷热骤变的气候,同时环境污染对石雕的威胁也日益严重。所以,近年来很多国家已采取了有效的保护措施,应用先进的科学技术和设备,研制成功多种新型材料用于石质文物的保护与修复,而纳米材料就是其中之一。
  由于纳米材料所具有的超双亲界面、耐老化、抗紫外线及耐腐蚀抗氧化等特殊性能,使其在石质文物保护中已经显示出方兴未艾的应用前景。虽然纳米材料的应用目前还处于初步阶段,但作为一种很具有发展前途的新型材料,其在石质文物保护中的应用将更加广泛。
  目前,纳米材料和纳米技术在石质文物保护中的研究与应用只处于基础研究、应用研究和开发研究的起步阶段,许多关键技术尚有待于深入研究,如纳米材料的稳定分散问题、配方研究、施工工艺的研究等。随着制备方法的改进、理论的不断完善及对其机理的不断深入研究,将研制出更多的功能性纳米材料,其在许多领域内将得到更为广泛的应用。
[1] 陈秀兰、翟秀静、王杰《纳米材料在石质文物保护中的应用前景》,《沈阳建筑工程学院学报》,2002 年。
[2] 韩冬梅、郭广生、石志敏、姜进展《化学加固材料在石质文物保护中的应用》,《文物保护与考古科学》,1999年。
[3] 和玲、梁国正《聚合物在文物保护中的应用进展》。
[4] 冯莉、朱红、雷霞、孙康、郑义新、刘旭、贾吉仙《纳米材料在乳胶漆中的分散及其性能的研究》,《中国矿业大学学报》,2003 年。
[5] 唐淑娟、甘应进、韩连顺《纳米技术与功能服装材料》,《宁波服装职业技术学院学报》,2003 年。
[6] 张秉坚《碳酸盐石质文物表面防护中的新材料》,《石材杂志》,1999 年。
[7] 大森英三《功能性丙烯酸树脂》,化工出版社,1993年。
[8] 周宗化《古文物保护与修复用高分材料》,《应用化学》,1997 年。

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