飽水木質文物保護中的冷凍干燥技術研究與應用

文物保護與冷凍干燥看似沒有直接關聯(lián)，但是冷凍干燥技術已廣泛應用在該領域。文物類型主要包括金屬、石質、木質、陶瓷、紙質、紡織品、竹木漆器、其他類（皮革、骨器類文物等）。本篇主要講述木質文物是如何應用冷凍干燥技術進行研究的。

考古出土飽水木質文物由于長期埋藏于地下，木材成分大量流失、細胞壁結構被破壞，已經無法維持木材本來的強度來抵抗干燥時的內部應力，然而長期帶水保存卻要面對微生物的威脅。為了保持出土木質文物的原狀，并抑制劣化的發(fā)生，需要對飽水木質文物進行保護處理。飽水木質文物保護的難點在于干燥定型，在干燥的同時盡可能維持文物的形貌，不發(fā)生變形、開裂。根據是否對飽水木質文物內部的水分進行置換，可區(qū)分為直接干燥方法和置換干燥方法。

變形開裂的飽水木質文物

飽水木質文物內部變形坍塌的細胞壁結構

直接干燥方法包括自然干燥法、真空冷凍干燥法、超臨界流體干燥法等。直接干燥方法由于不引入外源物質，能夠保存木質文物自身的質地和觸感，操作相對簡便、節(jié)能環(huán)保，但只適用于含水率低、劣化程度低的飽水木質文物。其中，自然干燥法最為原始，干燥過程對環(huán)境要求高，干燥效果難以控制。真空冷凍干燥法和超臨界流體干燥法常與置換干燥方法結合使用，作為置換干燥方法的后續(xù)步驟，提升干燥效率。

真空冷凍干燥法的基本原理是，將飽水木質文物凍結至冰點之下，使文物中的水分變?yōu)楣虘B(tài)冰，然后在適當的真空環(huán)境下，將冰直接轉化為蒸汽而除去，再用真空系統(tǒng)中的水汽凝結器將水蒸汽冷凝，從而使文物得到干燥。由于干燥過程中避開了液態(tài)水，因而可以有效地降低干燥時由于液體水的表面張力而產生的干燥應力。由于飽水木質文物的強度低，若直接冷凍，細胞腔內水凍結時的體積膨脹可能會損害文物，因此在冷凍干燥前常對文物進行預處理，常用的預處理試劑為PEG（聚乙二醇）。

超臨界干燥技術是指采用超臨界流體作為干燥媒介的干燥方法。當溫度和壓力處于臨界點以上時，超臨界流體無汽液界面區(qū)別、兼具液體性質和氣體性質，因此超臨界干燥能夠大大降低飽水木質文物干燥時的干燥應力。超臨界流體密度接近于普通液體、而粘度接近于普通氣體，具有特殊的溶解度、易調變的密度、較低的粘度和較高的傳質速率，作為溶劑和干燥介質顯示出的優(yōu)點。采用超臨界干燥技術對飽水木質文物進行保護時，還能同時完成殺菌。由于受各種因素制約，超臨界流體干燥技術目前仍處于對小體積飽水木質文物干燥的探索性應用和經驗積累階段。

對于含水率高、劣化程度高的飽水木質文物，則應采用置換干燥方法,基本原理是將試劑與飽水木質文物內部的水分進行置換，從文物內部對細胞壁結構進行支撐從而抵抗干燥應力。對于無法自然干燥的飽水木器，最早是采取以亞麻仁油為主的混合油脂進行置換干燥，但器物表面表現(xiàn)為干硬和顏色過深。1859年，丹麥國家博物館用明礬保護飽水木器取得了巨大成功。這一方法作為標準的脫水方法在丹麥使用了100年之久。但明礬為一種酸性復鹽，吸潮后呈酸性，腐蝕木纖維。1900年，有人開始嘗試使用甘油置換干燥，后來采用明礬、甘油混合物置換，但加快了器物的酥解。

PEG保護處理后木質文物的CT圖像

二戰(zhàn)后，隨著化學工業(yè)的發(fā)展和對文保事業(yè)的重視，聚乙二醇（PEG）置換干燥法在歐美被開發(fā)出來。歐洲的文保專家用PEG法對很多發(fā)掘出的古沉船進行了保護，有名的如瑞典的Vasa、挪威的Fjord、德國的Bermen. Cog。由于PEG材料的高穩(wěn)定性、可重復處理以及技術簡便等優(yōu)點，PEG置換干燥法在全球飽水木器脫水保護方面得到了廣泛的應用，方法也逐步完善。國內也早在1965年，將PEG6000應用于河南信陽長臺關出土的戰(zhàn)國木漆器的保護。

PEG-冷凍干燥保護處理后木質文物的CT圖像

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