纳米材料在石质文物保护中的应用研究

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1、303纳米材料在石质文物保护中的应用研究柳振安李化元陆寿麟故宫博物院，北京摘要：通过添加TiO：，SiO：纳米颗粒对一种有机硅氧烷类渗透同结型石质文物防护剂进行改性，并通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外分光光度计、#斯腾量瓶等测试改性后防护剂的性能。研究结果表明，纳米粒子在防护剂中的分散性较好，改性后的纳米复合防护剂的固结性能、耐紫外线性能、透水性能等主要性能有了明显的提高。关键词：有机硅氧烷；纳米材料；石质文物；风化作用中图分类号：0484．5K854．3文献标识码：A石材是最古老的建筑材料和艺术雕刻材料，中华民族数千年灿烂的文明

2、为我们留下了许多令世人瞩目的石质文物古迹，它们是国家的宝贵财富，是不能再生的无价的文化遗产和旅游资源。石质文物在我国各类文物中占有极大的比例，这些文物在历史岁月中遭受长期的自然作用，破坏严重。从石器时代的岩画石器，到历代的石窟造像、经幢石塔、牌坊石桥、石碑石雕石刻和各类石质古建筑等等，这些石质遗迹大部分暴露在自然界的风化环境中，特别是近代工业的发展，环境污染和酸雨对石质文物古迹的侵蚀更加严重，尤其是对碳酸盐类岩石，如大理石、石灰石、白云石等构成的石质文物，已受到酸雨灾难性的破坏¨Jl2i。石质文物侵蚀、风化主要是由物理风化、化学风化、生物风化等因素综合作用的

3、结果。虽然，最根本的措施是控制环境，但是目前环境污染不可能一下子完全去除，也不可能将那些易遭侵蚀的石构建筑都转移到没有污染的地方去，因此使用防护材料对石质文物表面进行处理是防止侵蚀的最简便方法。川-4j。有机硅氧烷类防护剂是一种常用的渗透固结型石质文物防护剂，它能渗透到一定深度固结风化层，固化后呈无色、透明、无光状，可保持文物本来面目，同时具有防水性、耐酸碱性，耐光老化性和“呼吸功能”(不透液态水，可透气态水)等优点Mj。但这种防护剂也存在一些问题，例如，石材本身是亲水的，而防护剂膜是憎水的，用憎水性防护剂涂覆后，石材原来的腐蚀进程被改变，可能产生新的破坏因

4、素。另一方面，有机高分子防护剂的渗透和覆盖从表面上防止了来自环境的酸雨和有害物质第一作者信息：柳振安，男，故宫博物院保护科技部。3042005年云冈国际学术研讨会论文集·保护卷的侵蚀，但无法阻止内部水分和盐分的破坏。本文旨在利用纳米材料的特性来改性一种有机硅氧烷渗透固结型防护剂，以期消除或减弱其存在的这些缺点。1纳米材料纳米微粒一般是指尺寸在1～100nm问的粒子，处在原子簇和宏观物体的特性交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效

5、应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质拍]，纳米材料具有以下特殊性能：超双亲界面物性、抗紫外线和耐老化特性、透明及防遮盖特性、增强与增韧性能。纳米材料的开发为石质文物防护剂的发展，为提高防护剂性能和赋予其特殊功能开辟了一条新途径。目前，在防护剂中有较多应用报道的纳米材料主要有二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙、氧化锌、氧化铁等。2实验方法本实验选用纳米TiO：和SiO：，TiO：粒径分布为6～66nm，平均粒径为24nm，SiO：为3～17nm的气相法生产的纳米SiO，粉体。2．1分散效果测试方法通过沉降性测量来选择分散剂及其最佳的用量，添加该分散剂后，用超声

6、波分散的方法将纳米材料分散在渗透固结型的防护剂中，然后用透射电子显微镜观察纳米材料在分散剂中的分散情况。2．2紫外线吸收性能方法将防护剂在石英玻璃上固化成厚度为3～5斗m的膜，用DR／4000U型紫外分光光度计进行紫外线吸收性能测试。2．3渗透性能测试方法将风化后的汉白玉石块分别在未添加纳米材料和添加纳米材料的防护剂中充分浸泡半小时后，在自然条件下干燥24h，用扫描电镜观察石材断面形貌，根据断面形貌判定渗透型防护剂在添加纳米材料前后的渗透性的变化。2．4防水性能测试方法用未添加纳米材料与用纳米材料改性的防护剂涂覆石材，在防护剂干燥24h后，用卡斯腾量瓶测试石

7、材在防护剂涂覆前后的24h单位面积吸水量的变化。卡斯腾量瓶能定量一半定量测量材料在一定压力下的毛细吸水能力和抗雨水的能力，能够直观地反映石材在防护涂覆前后的吸水量的变化，据此来判定透水性的变化。实验装置如图l所示。卡斯腾量瓶上部的细管上有刻度，下部如烟斗的口部用硅橡胶粘在石材上，口部面积为接触水的面积，由于管的直径已知，接触水的面积已知，在卡斯腾量瓶中注入一定量的水后，根据一定时问内管中水下降的刻度就可以算出石材单位面积吸水量。2．5加固性能测试方法将石材试件用纳米材料改性前后的防护剂涂刷三遍，确保防护剂对石材试件有很好的渗透，防护纳米材料在石质文物保护中的

8、应用研究剂固化24h后，采用HT一255A型回弹仪测