干縮變形木質文物潤脹復原關鍵技術研究

　　主要完成單位：河南省文物考古研究院 鄭州大學 河南博物院 南京市博物總館

　　主要完成人：陳家昌　黃霞　陳曉琳　王軍

　　獲獎等級：二等獎

　　項目從我國考古出土木質文物存在的常見病害——干縮變形現象出發，以實現干縮變形木質文物的原狀再現、恢復變形木質文物原有文物價值爲目標，圍繞干縮變形復原技術體系的開發，開展了木質文物干縮變形機理、干縮木材的成分、微觀結構分析等研究工作，獲得了“干縮—潤脹”研究的創新性理論成果。在闡明木質文物干縮變形機理的基礎上，根據木材纖維素所具有的潤脹特性，研製出了適宜不同種類干縮木質文物復原的“活性鹼”潤脹材料，解決了長期以來困擾文物保護研究領域的難題，拓展了木質文物保護研究的深度和廣度。

　　總體思路及主要內容

　　考古出土的木質文物，在經歷了長期的地下埋藏之後，出土時大多存在許多病害，干縮變形就是其中比較常見的病害之一。基於國內外干縮變形木質文物復原的研究現狀，本項目在闡明木質文物干縮變形基本原理的基礎上，根據木材纖維素所具有的潤脹特性，一方面開展潤脹復原材料設計及相關製備技術研究，研製出適宜於不同種類木質文物的潤脹材料，通過潤脹材料在浸滲過程中和木材纖維素發生潤脹作用，達到恢復干縮變形木質文物原有形狀的目的；另一方面，確定了潤脹材料在復原過程中的工藝條件及復原效果控制體系，建立有效的復原技術保障體系和復原效果保證體系，確保干縮變形木質文物的復原效果。

　　研究成果

　　1.考古出土木質文物組織成分及微觀結構特性研究

　　同正常木材相比，考古出土飽水木質文物在木質組織的成分、結構等方面都具有顯著的不同。在考古出土的飽水木質組織中，纖維素、半纖維素、木質素等的含量都會不同程度地降低。木質素相對於纖維素、半纖維素而言，其結構複雜、耐腐蝕性較好，因而，在考古出土木質組織中，木質素的百分含量相對較高。

　　飽水木材的外觀和正常木材外觀相比變化不大，但其強度大大降低，只能依靠水分的支撐作用才能保持原有形狀，此時，若木材組織中水分減少，將會導致木材的收縮變形。通常情況下飽水程度越高，木質文物的干縮變形就越嚴重，飽水木質文物收縮嚴重時甚至會損失原有體積的80％左右。

　　從元素分布狀態看，在考古出土木質組織中，綜纖維素、木質素的百分含量占主體，除此之外，還存在有一些抽提物及少量的金屬離子。

　　通過對考古出土飽水木質文物的組織成分、結構等方面的分析，可以得出以下幾點結論：

　　（1）考古出土木質文物的組分含量同正常木質材料相比，會發生明顯的劣化現象，劣化程度同飽水程度具有一定的相關性，飽水程度越大，組分降解越明顯，劣化現象就越嚴重。

　　（2）在劣化後的飽水木質組織結構中，細胞腔的形態在飽水狀態時能夠保持基本完整，這主要來自於木質組織中水分的支撐作用。隨著水分的揮發，飽水木質文物的細胞腔結構會發生收縮塌陷現象，進而造成木質文物外觀形態的嚴重改變。

　　2.考古出土木質文物“干縮-潤脹”機理研究

　　飽水木質文物的干縮主要是由於長時間的地下埋藏造成木材組織中纖維素、半纖維素的含量顯著下降，結果使細胞壁的空隙增多或擴大，造成細胞壁的強度降低，隨著水分的減少，支撐力消失，在纖維素乾燥時產生的收縮應力不斷增大，細胞腔將會完全塌陷，產生木材幹縮變形現象。因此，纖維素的微觀收縮導致的細胞腔塌陷是造成木材宏觀收縮的主要原因。

　　干縮木質文物的潤脹復原過程可以看作是干縮的逆向過程，在潤脹過程中，首先應當恢復木質組織的細胞腔以及纖維素的潤脹。在此，首要的工作就是把纖維素結構進行潤脹處理，通過潤脹反應恢復纖維素的韌性及彈性，帶動木材組織細胞腔的恢復。然而由於干縮組織中存在大量的木質素，其依附於纖維素表面，這種依附作用不僅會限制纖維素的進一步潤脹，而且將降低纖維素的彈性。因此，過多的木質素必須進行部分去除。

　　同干縮狀態相比，潤脹復原後的木質成分、組織結構變化主要體現在三個方面：一是木質組分變化，潤脹後綜纖維素、木質素的含量都有所降低；二是纖維素形態發生了變化，原本干縮扭曲的纖維素潤脹後，纖維素的扭曲現象基本消失，彈性得到部分恢復；三是結構變化，潤脹復原後，干縮木質組織中塌陷的細胞腔結構得到了復原，腔體結構重現。如圖所示干縮狀態時，纖維素扭曲較爲嚴重，同時大結構的木質素裹附在纖維素上；潤脹復原後，裹附在纖維素周圍的木質素碎片化，這種碎片化的結構對纖維素的約束能力有所降低，也爲纖維素的進一步的潤脹提供了更大空間。

　　3.潤脹復原材料的性能設計及製備技術研究

　　在理清干縮變形木質文物“可逆性”潤脹復原機理的基礎上，提出了採用“活性鹼”潤脹劑對干縮變形木質文物進行潤脹復原的技術路線。製備出的“活性鹼”干縮木質文物潤脹復原材料，其對干縮木質文物的復原作用主要體現在以下幾點：一是製備出的木質纖維素潤脹材料在干縮木質組織中具有較好的滲透能力，不僅提高了纖維素的潤脹程度，同時也增強了“活性鹼”同木質素的反應能力，有助於加速木質素的碎片化進程。二是製備出的木質纖維素潤脹材料具有良好的可逆性。潤脹材料的可逆性主要體現在對木質文物復原後的移出上，即潤脹後存在於木質結構中的潤脹材料可通過和其他材料的置換能夠從木質結構中轉移出來，以利於復原後的定型加固。三是製備出的木質纖維素潤脹材料具有良好的水溶性。水溶性潤脹材料不僅節約成本、有利於環境，而且也易於通過和水溶液的交換而從木質結構中脫離出來，從而使復原後的木質文物呈飽水狀態，然後再通過脫水達到復原的目的。

　　採用“活性鹼”進行的試驗研究表明：干縮變形木質文物的最大潤脹度可達420%，體積復原度98%以上，基本恢復了木質文物的原有體積。

　　4.潤脹復原效果微觀評價體系的建立

　　經“活性鹼”處理後的木試塊，其化學成分及組成都發生了一定的改變，從傅立葉紅外譜圖及Klason木質素含量來看：經活性鹼處理後的木試塊，其木質素含量減少最爲明顯，從處理前的74.8％降低到處理後的59.8％；而經氫氧化鈉、氨水處理後的木質素含量值則變化不大，分別爲71.7%和72.3%。這個結果和FT-IR的表徵結果相一致。

　　從纖維素處理前後的XRD譜圖可以看出：未經處理的試樣的結晶度爲44.6%，而經“活性鹼”處理後纖維素的結晶度爲24.3%。這說明纖維素經“活性鹼”處理後，其結晶度明顯減小，結晶度的減小可有效提高纖維素的柔韌性，進而有助於纖維素的進一步潤脹及塌陷細胞腔的形態恢復。

　　從干縮變形木質文物潤脹處理前後的熱分析譜圖可以看出：正常纖維素在300℃～375℃較窄的溫度範圍內發生熱分解；潤脹處理前後，纖維素的熱性能改變不大。

　　從干縮變形木質文物潤脹處理前後的共聚焦表面顯微照片可以看出：干縮木試樣潤脹處理前表面微觀裂紋分布密集；處理後微觀裂紋基本消失。

　　在微觀結構方面，經復原處理後的木材微觀組織潤脹明顯，在干縮狀態時已經完全塌陷的細胞腔結構經潤脹處理後重現，同時細胞壁結構改變不明顯。

　　5.潤脹復原工藝條件、技術標準及控制體系

　　研究採用“活性鹼”對木質文物的復原研究中，其工藝條件是決定潤脹效果的關鍵因素之一，其中潤脹處理溫度的控制至關重要。在一定溫度範圍內木試塊的潤脹度是隨著處理溫度的提高而增大的。

　　實驗可知，在200℃至400℃之間，潤脹度、復原度隨溫度變化並不明顯；在400℃至800℃之間，隨溫度升高幹縮木試塊的潤脹度、復原度提高明顯。當“活性鹼”在濃度爲25％、溫度爲800℃時可獲得最大的潤脹度和復原度。

　　創新成果

　　1.闡明了考古出土干縮木質文物的“干縮-潤脹”機理

　　提出了考古出土木質文物的干縮變形是由於木質纖維素的收縮和木質細胞腔的塌陷共同造成的。干縮變形木質文物的潤脹復原必須滿足兩個條件：一是纖維素能夠獲得一定程度的潤脹，恢復纖維素的彈性；二是隨著纖維素彈性的恢復，進而帶動細胞腔形態的恢復。細胞腔的恢復是干縮變形木質文物復原的關鍵。

　　2.得出了“干縮變形木質文物特定條件下的‘可逆性’”論斷

　　本項目研究從干縮木材的成分、微觀結構分析著手，通過對干縮變形木質文物的發生、發展規律的探討，結合復原保護實踐，提出干縮變形木質文物在特定條件下可恢復原有形態，具有特定條件下的“可逆性”。這一研究成果修正了國內外文物保護研究者認爲的“出土飽水木材的收縮是‘不可逆過程’”這一傳統認識，拓展了木質文物保護研究領域的深度和廣度。

　　3.研製出了高效的潤脹復原材料，建立了干縮木質文物的脹縮模型及復原保護評價體系

　　採用製備出的“活性鹼”潤脹劑在對體積嚴重收縮（保有體積僅爲原有體積的20％～25％）的出土木質文物的復原試驗中，最大潤脹度可達400％以上，基本恢復了木質文物的原有形態。通過對干縮過程中收縮應力和木材細胞腔的體積變化以及同木材密度變化相關性的分析，以及對干縮前後木質文物微觀結構的數值模型進行的分析，計算出了不同種類木材的最大收縮量，進而確定出潤脹復原應達到的程度，爲評價復原效果提供了科學依據。

　　4.形成了潤脹復原工藝，有效解決了干縮變形木質文物的復原保護難題

　　通過對河南長台關、湖北九連墩楚墓、湖北包山二號墓出土的干縮木質文物進行的復原處理，其外觀復原度均能夠達到96%以上，基本實現了恢復其原有外觀形態的目的。

　　（1）戰國楚墓出土干縮木質文物潤脹復原效果（見圖A）

　　復原前的木底座嚴重收縮並伴有開裂現象，其中最寬裂縫達3厘米左右；復原處理後，小裂紋基本消失，大裂縫基本彌合。木底座經復原處理後其長度、最大寬度、最大厚度分別由干縮時的17.53厘米、16.23厘米、11.86厘米變化爲復原後的21.67厘米、20.36厘米、13.38厘米，分別提高了23.62％、25.44％、12.81％。

　　（2）河南信陽長台關出土木圍欄復原效果（見圖B）

　　（3）漢墓出土干縮木缽潤脹復原效果（見圖C）

　　復原前的木缽下部口沿、缽體中部嚴重收縮並伴有開裂現象，缽體底部凹陷變形。復原處理後，缽體口沿、中部裂縫基本彌合、底部凹陷變形部位得到糾正變得平直。

　　（4）南京出土阿育王塔干縮木質文物潤脹復原效果（見圖D、圖E）

　　復原前相輪呈近橢圓形，經向直徑爲132.31毫米、緯向直徑爲123.42毫米；中間孔洞經、緯向直徑分別爲39.85毫米和36.78毫米；相輪厚度在6.73毫米至7.51毫米之間。復原後的相輪呈圓形，其經、緯向直徑爲135.79毫米、136.05毫米；中間孔洞經、緯向直徑分別爲40.98毫米和40.25毫米；相輪厚度在6.82毫米至7.61毫米之間。復原後相輪徑向直徑和緯向直徑分別提高了10.03％、2.83％，厚度提高了1.32%；復原後原有裂縫基本彌合，扭曲現象基本消失。

　　復原後的山花蕉葉狀木胎裂縫寬度明顯縮小，部分裂縫消失，翹曲部位偏離水平基線程度由復原前的1.5厘米降低爲0.3厘米，使山花蕉葉狀木胎恢復平直狀態。

（來源：中國考古網　原文刊於：【中國文物報】2016年12月9日第11版）