薄荷醇提取脆弱文物的研究进展

时间:2017-03-31 15:24 点击:
来源:《中国文物报》 2017年2月17日 作者:韩向娜

韩向娜

北京科技大学科技史与文化遗产研究院

 

    在考古发掘现场,考古工作者经常会遇到一些非常脆弱的文物和遗迹,如彩绘漆器的碎片、糟朽的木质遗迹、灰化的丝绸、易碎的化石、脆弱的墓葬壁画等,如果不在发掘现场对这些文物进行第一时间的保护处理,并将之安全提取、搬迁,这些珍贵的文物与遗迹将面临被永久损毁的巨大风险,其中所承载的宝贵历史文化信息将不复存在,造成不可估量的损失。处理这类脆弱文物或者遗迹时需要在现场对其进行临时固型,即对脆弱文物先进行一定的预加固,待文物具有一定强度后,再将其安全转移到实验室,之后再将预加固材料去除并进行科技保护。可控去除临时固型技术在考古发掘现场具有及时、有效、最大程度保存文物原貌的强大功能,并且在文物安全转移后可以方便地将临时固型材料可逆去除,不妨碍下一步永久保护措施的实施,既保证了待提取文物的安全性又兼顾了整体稳定性。而要成功实施临时固型技术,开发合适的临时固型提取材料既是关键所在,也是重点所在。
    考古发掘现场对临时固型提取材料的要求是:固化后有一定的加固强度,可以将出土文物与其周围物质整体封固;待文物安全转移到实验室后可在环境因素的控制下将临时固型材料去除;材料对文物无害、对人体无害、对环境无害,且去除后无有害残留在文物中,不影响后续文物保护材料的使用。

    传统的临时固型提取材料有石膏、聚氨酯泡沫、环十二烷等。相比前两种材料,环十二烷是一种挥发性的有机固体材料,具有独特的临时固型的优越性。环十二烷熔融冷却凝固后,能与文物黏结形成具有一定强度的复合体,并可在一定的环境因素控制下,实现人为可控去除,无残留。由于这种独特的全可逆性质,环十二烷进入文物保护领域后迅速成为国际上使用最广泛的临时固型提取材料,甚至被赞誉为“万能保护材料”。但是环十二烷的安全问题逐渐引起了文物保护工作者的关注和担忧。已证实环十二烷具有生物富集性,人体安全性也未得到证实。因此,在使用环十二烷时,需要平衡它的优点和其潜在的健康风险,尤其是大规模使用时需要慎重。在国内环十二烷完全依赖进口,获得渠道困难且成本高昂(1620元/500克,2016年TCI上海产品价格),因此寻找更安全、更有效,且性能优于环十二烷的临时固型材料,是考古学家与科学家长期以来坚持的工作。
    薄荷醇在室温下可以升华,具有挥发性,是作为新型临时固型提取材料的良好候选者。薄荷醇通常是由薄荷的茎叶经过水蒸气蒸馏提纯得到,是一种无色针状结晶。早在2000年前,薄荷就用来入药。薄荷醇作用于皮肤或黏膜,有清凉止痒作用;内服可作为祛风药,用于头痛及鼻,咽,喉炎等病症。它大量用于香烟、化妆品、牙膏、口香糖、香水、饮料和糖果中作为添加剂和赋香剂。作为世界上用量最大的香料,薄荷醇年消耗量超过20000吨。

    由于应用历史悠久、应用领域广泛,薄荷醇的毒理毒性数据研究非常全面。薄荷醇在国内产量巨大、价格低廉(150元/1公斤,2016年广州全奥产品价格)。相比环十二烷,薄荷醇在国内非常易得,价格只有环十二烷的1/20,具有巨大的成本优势。薄荷醇这些得天独厚的优点成为吸引我们选择薄荷醇作为新型考古发掘现场临时固型提取材料的重要原因。
    依托于国家科技支撑计划项目“考古发掘现场出土陶质彩绘文物保护关键技术研究”“遗址博物馆本体保护关键技术研究”和973计划项目“脆弱性硅酸盐质文化遗产保护关键科学与技术基础”,秦始皇帝陵博物院、中国科学院上海硅酸盐研究所、上海大学和北京科技大学等单位协
作进行了薄荷醇作为脆弱文物临时固型提取材料的可行性与安全性研究,目前该研究已持续进行了6年,取得了一定的基础研究成果,现将重要的研究结论进行整理如下。
    在可行性研究中,将薄荷醇与现在广泛使用的环十二烷进行了对比试验,结果发现薄荷醇具有和环十二烷相似的物理性质,但是具有更好的渗透深度和提取能力、较好的水润湿性,且挥发后没有残留,是环十二烷的良好代替品,有望提升与拓展环十二烷的应用范围。尤其在提取潮湿环境出土文物上,环十二烷完全失效,薄荷醇依然具有较强的渗透能力和较好的提取效果。薄荷醇的渗透深度受到文物基底的温度、粒径尺寸和粒径尺寸分布以及含水率的影响。薄荷醇的加固强度由文物的本征特征决定。薄荷醇的固化过程是体积收缩过程,加固作用的机理是物理填充并伴有较弱的分子间氢键,随着薄荷醇的挥发,文物颗粒间失去黏结作用,加固作用逐渐失效。薄荷醇的挥发动力学在无孔基体是线性挥发;在多孔基体上,是一阶指数衰减模式。使用薄荷醇时,先在文物表面铺加纱布,再涂刷熔融的液体薄荷醇,待其固化后即可加固文物。最佳熔融温度是薄荷醇熔体在60℃~80℃;最佳施工工艺是少量多次的涂刷方法。薄荷醇在文物内部的分布是周边厚,中间薄,因此加固后要提取文物对象的中间部位较边缘部位的强度低,需要进行多次加固,以巩固强度。
    在安全性研究中,发现薄荷醇在挥发过程中,一部分升华被空气带走,还有一部分气体会在尚未挥发的薄荷醇晶体表面再聚集形成新的针状晶须。研究发现:薄荷醇的使用不会改变秦俑土的孔隙率和孔径分布,彩绘漆皮的微裂隙和微观形貌和原状无异。这说明薄荷醇的晶须不会对文物本体造成损坏,在文物上使用时是安全的。
    自2010年以来,薄荷醇已在多处考古发掘工地或者实验室考古中得到了成功应用,目前保护提取文物遗迹共计46件,其中秦俑工地提取文物28件,在陕西其他发掘现场以及江西、内蒙古、河南等地成功提取脆弱文物遗迹18件,提取文物种类包含彩绘遗迹、木质木炭文物、漆器、琉璃、人骨等。发表以薄荷醇作为临时固型提取材料相关的学术论文共计16篇,SCI收录4篇,中文核心9篇,其中发表在国际著名科技考古期刊Archaeometry上2篇,权威文物保护期刊Studies in Conservation,Journal of Cultural Heritage 上各一篇。所有相关论文均出自本研究团队。
    薄荷醇是一种环保、廉价、适用、易于获取的脆弱文物提取材料。它的发现打破了国际上环十二烷作为“万能材料”、一统天下的局面,解决了国内考古发掘现场抢救性保护的紧迫需求,填补了国际上对新型临时固型材料的需求空白,在国内和国际上都是非常有价值的创新,并潜在地可以发展成为一种具有我国自主知识产权的新技术,是我国考古发掘现场抢救性保护工作的原创性成果。尤其是薄荷醇已在多处考古发掘现场得到了实际应用,取得了较好的保护效果。

 

 

 

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