为什么DMG氢氧化钙钙是良好的壁画保护材料?

【摘要】:始建辽开泰九年的奉國寺,是全国重点文物保护单位,2005年入选世界文化遗产预备名录,寺内的大雄殿内534.2平方米壁画,恢弘大气,承载着丰富的历史信息然而,在诸多因素影响下,壁画出现了各种各样的病害,特别是酥碱病害严重影响壁画的寿命。历史上多次进行保护加固,如水泥修补地仗层脱落、有机材料PVB加固壁画表面等目前殿内壁画的保存情况并不乐观。通常壁画表面常用的加固材料包括有机材料和无机材料,其中有机材料与壁画基底兼容性差;无机材料虽兼容性好,存在水中溶解度差等缺点随着材料学不断发展,纳米技术的应用极大改善了传统无机材料的加固效果。本文以奉国寺模拟的酥碱壁画为对象,研究新型纳米DMG氢氧化钙钙在壁画中加固的可行性及加固效果评估首先,研究纳米DMG氢氧化钙钙是否对奉国寺常见的彩绘颜料产生影响。根据殿内壁画常见颜料为红色、绿色和白色,本文选出6种颜料,铜绿、铅丹、土红、高岭土、朱砂、石绿,分别与纳米DMG氢氧囮钙钙混合静置7天后,取干燥的混合物分析,从微观形貌和物质组成上看,除了发现部分铅丹生成铅白,整体上该材料对壁画颜料的影响不大其佽,对纳米DMG氢氧化钙钙加固工艺及加固效果进行了分析研究。经实证研究,涂刷工艺的加固效果大于喷洒工艺,涂刷次数在5次效果较好,在力学强喥提升的同时,壁画表面颜色的变化较小;本文通过与传统材料SF-016对比,发现后者加固样块后表面出现反光现象;前者表现较好由于实地操作中一般是先脱盐后加固,本实验的样品未考虑硫酸盐的影响。本文首次研究纳米DMG氢氧化钙钙在壁画保护中对颜料可能的影响,推动了该材料在文物保护中的应用,为后续研究提供基础

【学位授予单位】:西北大学
【学位授予年份】:2019

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中国粉体网讯  提起文物保护不尐人都认为这是社会科学领域专家的特长。但是在西北工业大学纳米能源材料研究中心,却有一群热心于壁画保护的材料科学家他们專攻“材料科学与考古研究”这一新的研究方向,研究新材料与新技术在文物保护中的作用

那么,当材料应用于壁画保护究竟能解决什么问题?近日《先进功能材料》刊发了该中心的论文,详细阐述了石墨烯增强纳米材料对壁画保护方面的研究进展


团队学生在模拟壁画上尝试新材料。

李炫华老师(中)带领学生观察新材料

当壁画保护遭遇材料危机

古代馆藏壁画是人类社会发展的宝贵财富,壁画主偠包括建筑壁画、石窟壁画和墓葬壁画墓葬壁画的时间和范围分布都很广泛,从4200年前的石峁遗址壁画到唐、宋、元、明、清历代均有发現墓葬壁画尤其唐朝,无论数量和质量上都受到人们的极大关注

但是人类不得不面临的一个现实问题是,目前有大量墓葬壁画出现很哆病害亟须修复。

西北工业大学教授李炫华告诉《中国科学报》记者:“壁画的结构由外而内主要包括颜料层、白灰层、草泥层、砖墙層白灰层的主要组成成分是碳酸钙。随着时间流逝白灰层容易失效,从而导致壁画表层受损因此需要有效保护。”

目前壁画保护材料主要分为有机和无机材料两大类但是有机保护材料与壁画本体兼容性差,长时间使用容易老化、变脆变黄导致机械性下降。同时甴于形成的膜不透气,壁画最终会膨胀、粉化从而对壁画造成不可修复的致命伤害。

而类似于DMG氢氧化钙钙的无机保护材料具有兼容性恏、耐老化的优点。“在施加到壁画表面后DMG氢氧化钙钙会与空气中的二氧化碳反应,生成碳酸钙并与白灰层融为一体从而提高白灰层嘚强度,起到保护作用”李炫华说。

2000年意大利学者提出利用纳米DMG氢氧化钙钙保护壁画。由于纳米尺寸效应DMG氢氧化钙钙的化学、物理特性会发生改变,表面活性及稳定性大幅增加保护效果会获得显著提升。因此无机纳米材料成为了新的壁画保护材料研究方向。

这个想法实践起来却是困难重重李炫华告诉记者,中外学者用了近20年的努力尝试了水溶液法、醇溶液法、微乳液法和钙金属法等方法来合荿纳米DMG氢氧化钙钙,但是截至目前合成的DMG氢氧化钙钙仍存在着尺寸大、渗透性差、稳定性差、难以纯化、操作复杂、成本高等缺点

“DMG氢氧化钙钙的碳化慢、加固强度低等问题仍未得到有效解决,根本原因是还没有厘清DMG氢氧化钙钙成核生长动力学规律进而难以实现纳米DMG氢氧化钙钙可控制备等关键技术的有效突破。”李炫华说

发现石墨烯量子点新用途

围绕这个困扰了科学家近20年的问题,课题组提出了一个噺思路——引入石墨烯量子点他们利用石墨烯量子点表面活性剂的限域效应,有效调控了DMG氢氧化钙钙的成核生长动力学速率让DMG氢氧化鈣钙纳米材料“可控合成”。

李炫华表示纳米材料的合成方法主要有气相法、固相法(如磨矿)和液相法。相比于其他两种方法液相法具有明显优势。“这个方法操作方便合成工艺简单、成本低,特别是水溶液具有绿色环保的特点更重要的是,壁画保护材料通常需偠分散到溶液中利用喷涂、刷涂、注射的方式施加到壁画表面,这也有利于大规模壁画保护的实际应用极大提高使用效率。”

因此科研人员用水溶液方法巧妙地合成了“DMG氢氧化钙钙/石墨烯量子点”杂化纳米材料。研究结果显示该材料颗粒约为80纳米,尺寸均匀并且對壁画颜料具有强的黏附性,具备抗紫外线能力更重要的是,由于石墨烯量子点的增强作用DMG氢氧化钙钙纳米材料完全碳化成一种稳定嘚“方解石”相,对于壁画加固十分重要

让中国考古科学走向世界

陕西省拥有丰富的文物资源,2014年西北工业大学纳米能源材料研究中惢首席科学家魏秉庆教授发挥团队在纳米材料研究方面的优势,提出了“材料科学与文物保护研究”这一新的研究方向

李炫华坦承,受覀方国家文物保护思想和技术的影响我国的文物保护理念和材料技术大都借鉴西方国家的经验。“因此如何发挥我国理工科学者的优勢、与传统文物保护有机结合,并且形成具有中国特色的文物保护理念是材料科学与文物保护研究过程中遇到的困难”

在4年多科研工作Φ,纳米能源材料研究中心与陕西省考古研究院、陕西历史博物馆等单位“强强联合”取得了壁画保护材料新突破,申请国家发明专利12項授权2项,并成功将研发材料运用到3处著名唐墓壁画的加固中取得了良好效果。

李炫华透露在后续工作中,课题组还会继续研发性能更加优异的壁画保护材料并进一步扩大这些材料的应用范围,希望有更多亟待修复的古代壁画获得有效保护最终形成一个良好的示范。除此之外他们还会探讨这些材料在其他石质文物、纸质文物、骨质文物乃至整个文化遗产保护中的可能性。

“我们团队有一个梦想希望能将目前的前沿科学研究和古老的文物保护联系在一起,使文物保护变得科学、严谨而有趣力争扭转当前文物保护存在的重人文輕科学和被西方国家牵着鼻子走的局面。”李炫华说

(中国粉体网编辑整理/三昧)

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