專利名稱：一種出土文物的真空浸漬保護方法
技術領域：
本發明涉及一種出土文物保護的方法，具體涉及一種采用雙腔真空壓力浸漬裝置和PDMS(聚二甲基硅氧烷)/SiO2無機-有機納米復合材料以及文物水分置換方法等綜合技術，對出土文物進行保護的方法，尤其適用于具有一定含水率和孔隙率的石質和無機非金屬類出土文物的保護。
二、技術背景我國作為世界著名的文明古國，歷史悠久，文化遺產十分豐富。這些珍貴文化遺產對傳承中華文化、促進文化產業發展、建設精神文明和物質文明、實現中華民族偉大復興都具有不可替代的重要作用。
有這樣一類出土的固體文物，它們在長期地下埋藏過程中，由于受到水分、微生物和其它物質的侵蝕作用以及動力地質作用等影響，使文物結構變得疏松多孔，通常還伴有次生裂紋等。因此，文物出土后，由于環境的變化以及微生物的作用等，極易破壞，難以保存，甚至造成不可挽回的巨大損失。如何對這類出土文物進行有效保護，是大家都關注的重要科學技術問題之一。
對于具有一定孔隙率與裂隙結構的出土文物，采用真空壓力浸漬技術進行保護應當是一種可行的方法之一。因此，近年來，人們試圖采用常用的單腔真空浸漬技術和浸漬劑材料來實現對文物的空隙進行填充，以達到保護目的。現有方法的基本特征是，采用單一腔室和一套抽氣及真空測量系統，將文物浸漬在腔室的聚合物浸漬劑材料中，再抽真空，試圖通過這種真空所產生的壓力將浸漬劑材料填充到文物孔隙中，以達到對文物進行保護的目的。但是，實踐結果表明，這種單腔真空浸漬裝置和聚合物浸漬劑材料在用于文物保護時并不能取得應有的效果，其存在的明顯缺陷是(1)這些文物的孔隙與裂隙中通常含有較多的水分及空氣，這種單腔室的真空浸漬裝置在用于文物保護時，由于浸漬劑材料對文物及其孔隙和裂隙的密封作用，既不能將文物中的空氣及水分有效抽出，也不能使浸漬劑材料進入文物孔隙和裂隙中；(2)在一定的真空條件下，由于浸漬劑材料的物理性能發生變化，使浸漬劑材料在腔室內產生劇烈沸騰，所產生的氣泡和沸騰作用對文物具有明顯破壞作用。而單腔室的真空浸漬裝置的局限性在于，不能有效避免氣泡和沸騰作用及其對文物的破壞；(3)由于采用聚合物材料作為浸漬劑材料，若使用高濃度，則粘度一般比較大，浸漬工藝性能較差；若采用低濃度，則因固體物含量少而影響浸漬效果。同時，由于聚合物浸漬劑材料與文物浸潤性差，難以實現材料對文物的有效填充。
由此可見，如何采用一種適合這一類出土文物特點的真空壓力浸漬裝置、材料及其應用技術，對文物保護具有重要的科學技術和社會經濟意義。經檢索，未發現一種出土文物的真空壓力浸漬保護方法的文獻報道或專利申請。
本發明的目的是，根據這類出土文物所具有的含水率、孔隙率較高等特點，遴選與研究一種適合文物保護的真空壓力浸漬裝置和浸漬劑材料，并通過雙腔真空壓力浸漬工藝和浸漬劑材料應用以及文物水分置換方法等綜合技術，對石質和無機非金屬類出土文物進行保護。
三、技術方案為實現上述目的，本發明采取了如下技術措施1、雙腔真空壓力浸漬裝置針對常用的單腔真空浸漬裝置所存在的缺陷，本發明采用了由本專利發明人研制的一種用于文物保護的雙腔真空壓力浸漬裝置(已申請實用新型專利)。如圖1所示，該裝置由兩個可預抽真空的浸漬劑腔室(1)與材料合成腔室(2)，兩套既相對獨立又相互聯通的抽氣與真空測量系統，一套可控氣體加壓系統，兩套油、水氣過濾系統組成。其特征是通過分別調控腔室(1)、(2)的壓差，有效去除文物中的水分及空氣，又能避免浸漬劑劇烈沸騰對文物的破壞；通過質量流量計控制腔室(2)的滲壓值，獲得高浸漬率；通過活性碳過濾部件維護系統真空性能；所有部件均執行標準KF接口，拆卸清洗方便。該裝置結構比較簡單，通過浸漬劑(2)、材料合成(1)雙腔室的合理運用，克服了現有單腔真空浸漬裝置缺陷，使浸漬劑材料有效填充到文物中，并通過浸漬劑材料填固化所產生的填充與粘接作用，對文物內部加以密封和加固，以實現對文物的有效保護，尤其適用于具有一定含水率和孔隙率以及裂隙結構的文物保護。
2、PDMS/SiO2無機-有機納米復合浸漬劑材料文物保護材料的遴選與研究是文物保護的關鍵之一，所要考慮的主要原則有第一，保護工藝的可行性選用的保護材料應在工藝和保護技術上可行，能夠應用于文物保護。第二，保護材料的耐久性保保護材料應具有一定的強度和耐候性，能夠防止文物開裂、粉化，使文物得到長期有效保護。第三，處理效果的可觀賞性處理后不應改變原有形狀，能夠修舊如舊。第四，保護材料與文物的協調性保護材料在外觀、色澤上與文物相近。第五，可研究性為了保證處理后文物的可研究性，保護材料盡量不破壞文物原有的組分，盡量不破壞文物內部可能存在的信息。第六，保護材料與文物的相容性材料熱膨脹系數應與文物相似，對文物不會有破壞作用。第七，保護材料的環保性保護材料無毒、無污染，不對環境造成危害。第八，保護文物的可展示性經材料保護的文物，能夠充分體現文物自身特點，進行有效展示，而且搬運方便，展示維護成本低廉。第九，保護材料的經濟性保護材料經濟實惠，方便易得。
可用于文物保護的材料比較廣泛，如無機材料、有機材料、有機氟聚合物、生物型材料等。從保護工藝可行性考慮，用于真空壓力浸漬的文物保護浸漬劑材料應具有在浸漬過程中呈液體，浸漬完成后在文物中能夠固化成為具有一定強度的固體，即液-固轉化性能。根據這一工藝要求和文物保護材料的選擇原則，溶膠-凝膠法制備的非晶態SiO2就是一種較好的選擇。非晶態SiO2是一種應用廣泛的無機非金屬材料，具有強度較高，耐候性較好等優點。但是，單純的非晶態SiO2材料存在著脆性大的致命缺陷。根據前人的研究結果，可通過無機-有機雜化復合方法改善材料的物理化學性能。為此，本發明以非晶態SiO2為基礎，通過添加一定量的有機物質對其進行復合改性，以期在基本保證非晶態SiO2原性能的同時，使脆性得到改善。
本發明所采用的有機物質是聚二甲基硅氧烷(PDMS，示性式OH(CH3)2SiO[Si(CH3)2O]nSi(CH3)2OH)。PDMS為螺旋結構，硅氧鍵朝向螺旋軸，甲基面外，屏蔽著硅氧鍵，在這種結構中，硅氧鍵的鍵角接近150°，易發生內旋轉。此外，甲基也能繞硅氧鍵自由旋轉，PDMS/SiO2分子易產生構象變換，消除凝膠轉化過程中產生的應力，抑制脆裂，同時賦予PDMS/SiO2無機-有機納米復合材料較好的光學性能和力學性能，常作為結構材料使用。
因此，本發明采用正硅酸乙脂(TEOS，分子式Si(OC2H5)4)溶膠-凝膠法制備非晶態SiO2，并在制備過程中通過添加10-50wt％有機成分PDMS，得到了無色透明的PDMS/SiO2無機-有機納米復合材料，作為本發明的文物保護浸漬劑材料。該材料符合本發明選用材料的工藝要求，其特征是在浸漬過程中呈液體，浸漬完成后在文物中能夠固化成為具有一定強度的固體產物。該固體產物的本質是一種以非晶態SiO2為主要成分的無機-有機納米復合材料。在文物保護中，它同時具有填充和粘接作用，尤其適用于具有一定含水率和孔隙率的石質和無機非金屬類出土文物的保護。
3、文物中的水分及其置換方法一些文物在長期地下埋藏中，由于受到水、細菌和其它物質的侵蝕作用等影響，使文物變得結構疏松多孔。文物出土后，通常含有一定的水分，尤其是中國南方出土的文物，其含水率一般都比較高。文物中水分的作用存在正反兩種可能性一是破壞作用因為水分的存在加劇了文物的侵蝕，容易長霉變質，對文物的結構和組分產生不利影響。一種有利作用一些文物在長期地下埋藏中，與周圍環境與水分已達到一種新的平衡狀態，出土后水分的蒸發反而加劇了文物的破壞。因此，如何保持文物中的水分已成為這類文物保護(臨時)的一個關鍵。
但是，若采用真空壓力浸漬技術對文物實施保護，其中的水分都是不利的。因為，水分的特點決定了難以采用真空壓力浸漬將其排除，它的存在將占據浸漬劑材料的空間，使浸漬劑材料難以進入文物內部，這正是以往的文物保護方法和單腔真空浸漬裝置所存在明顯缺陷之一。如果在真空壓力浸漬之前，簡單采用烘干等辦法排除文物中的水分，有的文物在水分排除前就會遭到人為損壞。為此，本發明采用的方法是將文物在丙酮溶液中浸泡，由于丙酮與水分完全互溶，通過多次更換丙酮溶液，可實現丙酮對水分的置換；由于丙酮具有較高的揮發性，能夠在真空壓力浸漬裝置中通過抽氣方法排除，從而為浸漬劑材料騰出空間，并最終實現浸漬劑材料對文物中水分的置換。另外，由于丙酮溶液具有水分相似的功能，又能消毒、防霉、殺菌，對文物具有臨時保護的作用。
4、文物的真空浸漬保護工藝本發明采用雙腔真空壓力浸漬裝置(圖1)和PDMS/SiO2無機-有機納米復合浸漬劑材料以及水分置換方法等綜合技術，對文物進行保護，其具體工藝與步驟如下A、清污與包扎由于所用浸漬劑材料固化后比較堅硬，在浸漬保護前采用對文物無損傷的工具對文物表面及內部的泥土等進行清潔。同時，對于強度較低、結構疏松的糟朽文物，還應采用紗布進行包扎加固，以防止在浸漬過程中損壞；B、水分置換為了將文物中的水分置換掉，將經過清污與包扎處理后的文物完全浸泡在高濃度的丙酮溶液中，每隔3天用同樣的丙酮溶液更換一次，通常共需更換3次；C、裝置清洗與腔室隔離在浸漬之前，用內酮、乙醇溶液擦洗浸漬裝置，并用電吹風將其吹干以除去裝置中的水分與雜質，然后關閉微調真空閥及真空球閥，使材料合成與浸漬劑腔室組成的兩套抽氣系統相互隔離；D、文物預抽真空為了除去文物中的丙酮和空氣，將已進行水分置換預處理的文物放入浸漬裝置的材料合成腔室中，鎖緊材料合成腔室，然后打開機械泵及真空球閥，預抽真空，使真空度保持在60-6Pa，抽真空時間長短應根據文物體積而定，一般預抽真空1-3小時；E、浸漬劑預抽真空為了排除浸漬劑材料中的氣體，并使兩個腔室的真空度相適應，應對浸漬劑材料預抽真空。當材料合成腔室的真空度達到60-6Pa時，將配制好的PDMS/SiO2無機-有機納米復合浸漬劑材料溶液注入浸漬劑腔室，并鎖緊浸漬劑腔室，將活性碳加入活性碳過濾部件，然后打開機械泵，通過調節微調真空閥使其真空度緩慢減少以避免浸漬劑材料劇烈沸騰，并控制其粘度達到最佳狀態；F、真空壓力浸漬當材料合成腔室與浸漬劑腔室的壓差比較接近時，停止對兩個腔室抽氣，然后打開真空球閥，使兩個腔室聯通，浸漬劑材料在重力作用下從浸漬劑腔室注入材料合成腔室中，使文物完全浸漬在該浸漬劑溶液中。然后，關閉真空球閥，打開氣源控制的真空球閥，使壓縮氣體在質量流量計控制下平緩進入材料合成腔室中，以增加材料合成腔室內大氣壓壓力，促進浸漬劑材料向文物中浸漬；G、真空保壓浸漬當材料合成腔室中壓力達到1-3個大氣壓時，關閉真空球閥、氣源和質量流量計，在數倍大氣壓壓力作用下完成浸漬溶液對文物的浸漬，保壓時間通常為1-2小時；H、取出文物真空保壓浸漬完成后，應及時取出文物。由于此時的浸漬劑材料仍然呈液態，文物強度仍然較低，整個操作應輕取輕放。然后，應對裝置統進行充分清洗，并用電吹風將其吹干，連接好部件，然后抽真空，保證裝置的干燥以備下次使用；
I、解除包扎與養護隨著時間的推移，浸漬劑材料將逐步由液態向固態轉化。對于經包扎加固的文物，應當在浸漬劑材料呈半凝固狀態時，解除包扎的紗布等。為了防止浸漬劑材料因揮發較已快而引起收縮和開裂，應及時進行養護，其方法是，采用塑料薄膜將文物包裹密封，靜置室內，使浸漬劑材料在室溫條件下進一步固化，直到完全固化為止；J、解除密封與文物修飾待文物中的浸漬劑材料完全固化后，解除包裹塑料薄膜，然后采用竹簽等較軟工具，對文物表面進行必要的修飾和清理，即完成整個文物保護工藝過程。
四、技術優勢與現有技術相比，本專利文物保護效果明顯，工藝比較簡單，用途比較廣泛，具有較好的社會經濟效益。本專利的優點與效果具體體現在(1)文物保護效果明顯。本發明通過雙腔真空壓力浸漬裝置和PDMS/SiO2無機-有機納米復合材料以及水分置換方法等技術方法的綜合運用，克服了現有文物單腔真空浸漬保護裝置與方法的缺陷，能夠將文物中的空氣與水分有效排出，避免氣泡和沸騰作用對文物的破壞作用，最終將浸漬劑材料填充到了文物中，實現了對文物的有效保護。
(2)文物保護工藝比較簡單。本專利所采用的真空壓力浸漬保護技術，工藝流程比較簡單，操作比較方便，能夠在文物保護領域中推廣應用。
(3)文物保護用途比較廣泛。我國是世界著名的文明古國之一，歷史悠久，文物眾多，有大量的出土文物急需要進行及時有效保護。本專利所形成的出土文物真空壓力浸漬保護技術，可適用于具有一定含水率和孔隙率的石質和無機非金屬類出土文物的保護，具有較好的應用前景。
(4)社會經濟效益明顯。上述優點表明，本專利能夠對具有一定含水率和孔隙率的石質和無機非金屬類固體文物進行有效保護，而且其工藝比較簡單，能夠在文物保護領域中推廣應用。文物是歷史的見證，保護文物就是保護歷史；文物是文化的凝聚，保護文物就是保護文化；文物是藝術的再現，保護文物就是保護藝術；文物是旅游的精髓，保護文物就是保護旅游。本專利技術對文物保護的有效性及文物十分重要的社會經濟作用，決定了能夠具有明顯的社會經濟效益。
五
圖1是本專利采用的用于文物保護的雙腔真空壓力浸漬裝置原理與結構圖。
圖中1.浸漬劑腔室，2.材料合成腔室，3.KF-25快卸法蘭，4.微調真空閥，5.返油罐，6.活性碳過濾部件，7.質量流量計，8.KF-25接口真空球閥，9.壓縮氣源，10.機械泵，11.石英觀察窗，12.電離真空計，13.活動支架，14.活動支架，15.真空表，16.壓力表，17.不銹鋼三通，18.固定螺栓，19.不銹鋼過濾網，20.KF-25接口活性石英套管，21.質量流量計顯示器，22.真空波紋管，23.樣品架。
六具體實施例方式
本實例所采用的出土文物由成都市文物考古研究所提供，實驗出土文物(局部)樣品為橢圓柱形，其基本特征是長約105mm，直徑約80mm，重量為780g，無機非金屬礦物含量在95％以上；孔隙率為57.8～70.0％，平均天然含水率為53.77％。由此可見，本實例文物(局部)樣品結構疏松多孔，是一種具有一定含水率和孔隙率的石質和無機非金屬類出土文物。
本發明采用雙腔真空壓力浸漬裝置(圖1)和PDMS/SiO2無機-有機納米復合浸漬劑材料以及水分置換方法等綜合技術，對該文物進行了保護。現結合圖1所示，將具體工藝與步驟說明如下A、清污與包扎采用對文物無損傷的工具對文物表面及內部的泥土等進行清潔。同時，由于實驗樣品強度較低，疏松多孔，采用紗布進行包扎加固，以防止在浸漬過程中損壞；B、水分置換為了將文物中的水分置換掉，將經過清污與包扎處理后的文物完全浸泡在高濃度的丙酮溶液中。每隔3天用同樣的丙酮溶液更換一次，共更換3次；C、裝置清洗與腔室隔離在試驗之前，先用丙酮、乙醇溶液擦洗材料合成(2)、浸漬劑(1)腔室以及與之相連的部件，并用電吹風將其吹干以除去裝置中的水分與雜質，然后關閉微調真空閥(4)以及真空球閥(8-1，8-2，8-3，8-4)使材料合成(1)、浸漬劑腔室(2)組成的兩套抽氣系統相互隔離；D、文物預抽真空為去掉文物中的丙酮，將已進行預處理的文物放入材料合成腔室(2)中，用螺栓(18-2)鎖緊材料合成腔室(2)的固定法蘭端口，然后打開機械泵(10-2)，真空球閥(8-4)對其預抽真空，使真空度保持在60-6Pa，此時可以從電離真空計(12-2)觀察到材料合成腔室(2)中真空度變化情況，預抽真空時間為3小時；E、浸漬劑預抽真空為了排除浸漬劑材料中的氣體，并使兩個腔室的真空度相適應，應對浸漬劑材料預抽真空。當材料合成腔室(2)中的真空度達到60-6Pa時，將配制好的PDMS/SiO2無機-有機納米復合浸漬劑材料溶液注入浸漬劑腔室(1)、用螺栓(18-1)鎖緊浸漬劑腔室(1)的固定法蘭端口，將活性碳加入活性碳過濾部件(6)，然后打開與浸漬劑腔室(1)相連的機械泵(10-1)，通過調節微調真空閥(4)使其真空度緩慢減少以避免溶液劇烈沸騰，并控制其粘度達到最佳狀態，此時可以透過真空波紋管(22-2)觀察到浸漬劑材料在不同真空狀態下的變化情況；F、真空壓力浸漬當腔室(1)與腔室(2)的壓差比較接近時，關閉機械泵(10-1，10-2)，微調真空閥(4)，真空球閥(8-4)，停止對兩個腔室抽氣，然后打開真空球閥(8-1)，浸漬劑材料溶液在重力作用下從浸漬劑腔室(1)注入材料合成腔室(2)中，使文物完全浸漬在該浸漬劑溶液中。然后，關閉真空球閥(8-1)，打開真空球閥(8-2)，氣源(9)，使壓縮氣體在質量流量計(7)控制下平緩進入材料合成腔室(2)中，以增加材料合成腔室內大氣壓壓力，促進浸漬劑材料向文物中浸漬。此時可以從壓力表(16)觀察到材料合成腔室(2)中壓力變化情況；G、真空保壓浸漬當材料合成腔室(2)中壓力達到1-3個大氣壓時，關閉真空球閥(8-2)，氣源(9)，質量流量計(7)，在數倍大氣壓壓力作用下完成浸漬溶液對文物的浸漬，保壓時間為2小時；H、取出文物真空保壓浸漬完成后，及時取出文物。由于此時的浸漬劑材料仍然呈液態，文物強度仍然較低，整個操作應輕取輕放。然后，對裝置統進行充分清洗，并用電吹風將其吹干，連接好部件，然后抽真空，保證裝置的干燥以備下次使用；I、解除包扎與養護隨著時間的推移，浸漬劑材料將逐步由液態向固態轉化。在浸漬劑材料呈半凝固狀態時，解除包扎的紗布等，并及時采用塑料薄膜將文物密封包裹密封，靜置室內，使浸漬劑材料在室溫條件下進一步固化，直到完全固化為止；J、解除密封與文物修飾待文物中的浸漬劑材料完全固化后，解除包裹塑料薄膜。然后采用竹簽等較軟工具，對文物表面進行必要的修飾和清理，即完成整個文物保護工藝過程。
鳴謝本工作為“十五”國家科技攻關計劃重點項目課題(2004BA810B02)和國家自然科學基金項目(40572030；40472028；40272029)資助。
權利要求
1.一種出土文物的真空壓力浸漬保護方法，采用雙腔真空壓力浸漬裝置，以PDMS(聚二甲基硅氧烷)/SiO2無機-有機納米復合材料為浸漬劑材料，其特征是A、清污與包扎對文物表面及內部的泥土等進行清潔，然后采用紗布對強度較低的文物進行包扎加固；B、水分置換將經清污與包扎處理后的文物完全浸泡在高濃度的丙酮溶液中，每隔3天更換1次，共更換3次；C、裝置清洗與腔室隔離用丙酮、乙醇溶液擦洗浸漬裝置，然后使材料合成腔室與浸漬劑腔室組成的兩套抽氣系統相互隔離；D、文物預抽真空為除去文物中的丙酮和空氣，將經水分置換預處理的文物放入材料合成腔室中，然后預抽真空，使真空度保持在60-6Pa，時間1-3小時；E、浸漬劑預抽真空當材料合成腔室真空度達到60-6Pa時，將配制的浸漬劑材料溶液注入浸漬劑腔室，然后預抽真空，使其真空度緩慢減少以避免浸漬劑材料劇烈沸騰；F、真空壓力浸漬當兩個腔室壓差比較接近時，停止抽氣，并使兩個腔室聯通，浸漬劑流入材料合成腔室中，當文物完全浸漬在浸漬劑溶液，再次隔離兩套抽氣系統，使壓縮氣體平緩進入材料合成腔室；G、真空保壓浸漬當材料合成腔室中壓力達到1-3個大氣壓后，再保壓時間為1-2小時；H、取出文物保壓浸漬完成后，取出文物，并對裝置統進行充分清洗。I、解除包扎與養護當浸漬劑材料呈半凝固狀態時，解除包扎的紗布等，并及時采用塑料薄膜將文物包裹密封，靜置室內，使浸漬劑材料在室溫條件下進一步固化，直到完全固化為止。J、解除密封與文物修飾浸漬劑材料完全固化后，解除密封塑料薄膜，并對文物表面進行必要修飾和清理。
2.根據權利要求1所述的一種出土文物的真空壓力浸漬保護方法，其特征是A、所述的雙腔真空壓力浸漬裝置是一種用于文物保護的雙腔真空壓力浸漬裝置，由兩個可預抽真空的浸漬劑腔室與材料合成腔室，兩套既相對獨立又相互聯通的抽氣與真空測量系統，一套可控氣體加壓系統，兩套油、水氣過濾系統組成，其特征是通過浸漬劑腔室與材料合成腔室的合理運用，有效去除文物中的水分及空氣，又能避免浸漬劑劇烈沸騰對文物的破壞，使浸漬劑材料填充到文物中，尤其適用于具有一定含水率和孔隙率以及裂隙結構的文物保護。B、所述的PDMS/SiO2無機-有機納米復合材料是采用正硅酸乙脂(TEOS，分子式Si(OC2H5)4)溶膠-凝膠法制備非晶態SiO2過程中，通過添加10-50wt％有機成分聚二甲基硅氧烷(PDMS，示性式OH(CH3)2SiO[Si(CH3)2O]nSi(CH3)2OH)而得到的無色透明浸漬劑材料，是一種以非晶態SiO2為主要成分的無機-有機納米復合材料，其特征是在浸漬過程中呈液體，浸漬完成后在文物中能夠固化成為具有一定強度的固體產物，對文物同時具有粘接和填充作用，適用于具有一定孔隙率的石質和無機非金屬類出土文物的保護。
全文摘要
本發明涉及一種出土文物的真空壓力浸漬保護方法，采用雙腔真空壓力浸漬裝置，以PDMS/SiO
文檔編號C04B41/48GK101066887SQ20061002242
公開日2007年11月7日 申請日期2006年12月6日 優先權日2006年12月6日
發明者汪靈, 葉巧明, 萬明, 邱澤浩 申請人:成都理工大學