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研究人员证实:沸石调温调湿、抑菌等功能 助力突破文物保护技术瓶颈!

发布时间:2022-01-19 18:19:15   来源:本站    
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中国是四大文明古国之一,有着悠久历史和灿烂文化,古人留下了很多让人叹为观止、巧夺天工的艺术珍品和文化遗迹,这些文化遗产不仅具有历史、艺术和科学价值,更具有巨大的产业价值和经济价值,但是这些文物在保存过程中很容易受到环境的影响,因此在该领域内,开发具有安全性、功能性、长久有效性及高针对性的文物保护材料是目前最大的技术壁垒。

以纸质文物为例,随着时间推移,纸张的酸性水解(酸化)很容易导致纸质文物老化、破碎,并且目前纸质文物保护剂多为碱性氢氧化物、氧化物等,其较强且难以调变的碱度,易引发纤维素碱性降解、颜料变褪色等负面效果,同时很难兼顾纸张霉变、氧化泛黄、光老化等问题。针对这一困境,目前国内研究学者以沸石为主要材料,研发了针对纸质文物保护的保护剂,其能够具有对纸张脱酸的持久缓释和安全性保护,并且无碱性降解、颜料变色褪色等负面效果,同时兼具调节温湿度、抑菌、抗氧化、防火、加固增强等保护功能,目前已广泛应用于国内各个博物馆、展厅中。

《ACS Applied Nano Materials》杂志针对功能沸石用于纸质文物的保护报道

01纸质文物的保护要求

纸质文物是文化遗产的一个重要类别,具有极其重要的历史价值、科学价值和艺术价值。但是作为纸质文物基本材质的纸张是十分脆弱的,即使有“纸寿千年”美誉的绝佳纸张也会因各种原因而破损、腐坏,如何才能做好保护,延长纸质文物的寿命是业内人士必须面对的问题。

众所周知,纸张随着时间的推移会发生变质和变色,这些现象的主要原因之一是纸张在自然老化过程中面对不稳定的空气温湿度与酸化。文物保存环境的主要参数有相对湿度、环境和展品温度,以及不适当的照明和空气污染,其中温度、相对湿度至关重要。与此同时,气态污染物耦合湿度会产生强酸性的物质,例如NOx(氮氧化合物)/SOx(SO2、SO3混合物) 在水分子的作用下,会导致或加剧纸张腐蚀,并且加速纤维素的水解。并且,纸张的主要成分纤维素由于酸催化水解而发生链式降解反应,为了防止恶化过程,实际上工作人员已经对出土的纸质文物进行了脱酸处理,以中和纸张中的酸性物质,并沉淀碱性物质以阻止其在不稳定的空气湿度下进一步酸化。但是大多数纸张脱酸剂为碱性氧化物(例如MgO)、氢氧化物(例如Mg(OH)2、Ca(OH)2)、胺(例如氨基烷基烷氧基硅烷)等,这些脱酸剂仍然难以达到较为平衡的保护效果,尤其难以满足部分纸质珍贵文物保护的高要求。

02沸石为何能对文物起到保护作用

我国国家级及省级博物馆中文物的保存一般以展柜保存为主,文物保存环境的空气质量是文物寿命的重要影响因素。展柜虽然能在一定程度上减缓文物恶化的速率, 但是许多展柜内微环境因素仍然无法满足文物保存的要求,进而对文物造成无法挽回的损坏。

沸石凭借自身独特的孔穴孔道结构,加之孔穴中含有阳离子,骨架中含有负电荷,有较大的静电力,使得沸石对极性、不饱和及易极化分子具有优先的选择吸附作用,因此能够对空气中的水分子具有非常强的吸附作用。天津大学材料科学与工程学院王吉会提出,沸石是一种性能优异的调湿材料,当空气中的水蒸气分压高于其孔内凹液面上水的饱和蒸气压时,水蒸气被吸附,反之则脱附,因而使材料具有控制和调节湿度的作用。理论计算表明,孔径在3.0-7.4nm的沸石,在相对湿度40%~70%的范围内具有最优的调湿性能。

并且,沸石具有内外比表面积巨大、规律的微孔结构、水热稳定性高等特点,其基本骨架可通过电荷平衡阳离子与碱金属阳离子的离子交换获得,其中骨架中带负电的氧原子充当基本位点。因此,可以通过借助一定的改性方式,对沸石的铝含量和阳离子种类的调节,控制碱性位点的数量和碱性。同时,通过对骨架、孔/表面的选择性改性,沸石可以很容易地实现功能化,从而制备成保护纸张文物的抗酸、抗菌剂和抗氧化剂,除了以上功能外,这种沸石文物保护材料还具有良好的热稳定性和阻燃效果。

(沸石对纸质文物的综合保护效果)

03可实现文物保护的沸石保护剂制备技术

美国麻省理工学院斯隆管理学院访问学者张宏斌副研究员、唐颐教授,针对沸石在纸质文物保护中的应用进行了一系列试验,较为详细地阐述了沸石在纸质文物综合保护中的优异表现。一方面,沸石可以制备为功能胶体保护剂;另一方面,所得胶体保护剂可直接用于纸质文物保护,并可选择性附加多种保护性能,如调节温湿度、抑菌、抗氧化、防火、加固增强等。

基于这些特点,结合纸质文物保护高效、安全、多重保护的需求,研究人员开创性地将沸石处理成胶体分散液用作纸质文物的多功能保护剂,将其在纤维上均匀填充并覆盖成膜。该材料充足、温和、易接近的碱性位点有利于纸质文物的安全脱酸和抗老化,保证纸张干/湿热老化过程中的pH长期保持弱碱性。

沸石用于纸质文物多功能保护系列示意图

这种沸石保护剂不仅具有碱性温和的特性,还不影响纸质文物的原始性质(色度、光泽),且不会使pH敏感颜料(如普鲁士蓝、铬黄等)变色褪色。此外,覆涂沸石保护剂的古籍纸张,其力学性能增加约1倍(如:耐折度和撕裂性能)。

碱性敏感颜料的褪变色实验

另外,沸石具有较强的抗菌杀毒性能,经过沸石保护剂处理后,可以对纸质文物起到抵抗真菌、细菌、杀毒等作用。同时,该材料可有效消除DPPH自由基,表现出类似茶多酚的抗氧化性能,后续还将考虑进一步扩宽其多功能保护性能。

抑菌实验

勤劳的先人为我们留下了数量浩繁的纸质文物,这些纸质文物对于研究人类社会的进步和科学技术的发展有着十分重要的价值。但是随着时间的流逝,它们由于种种的原因而在受损、在减少,对纸质文物的保护可以说已是刻不容缓。沸石保护剂的研发应用,不仅为文物保护打开了一扇窗,也为材料工程在跨界的交叉学科领域应用提供了良好的范例。相信伴随着沸石技术的不断革新,将来将有更加先进、创新的沸石文物保护技术,让纸质文物的保护工作更上一层楼。

参考文献

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