1 北京科技大学科技史与文化遗产研究院, 北京 100083
2 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091
4 中国文化遗产研究院文物保护修复所, 北京 100029
随着社会对木质文物重视程度的提高和现代考古技术的进步, 饱水木质文物得到不断发掘和保护。 饱水木质文物木材的细胞形态和化学结构普遍发生非均匀降解或变化, 成为了不同于健康木材的“新材料”。 PEG法和糖法作为国际通用的脱水加固方法可避免饱水木质文物干燥过程中收缩变形。 本研究选用“小白礁Ⅰ号”沉船主要用材树种柚木(Tectona sp.)为试验对象, 分别使用PEG、 三氯蔗糖和海藻糖加固, 并在开发的适用于脆弱木质文物的非包埋式纳米压痕样品制备方法的基础上, 通过纳米压痕力学技术(NI)评估了三种饱水木质文物常用加固处理方法对考古木材微力学性能的影响; 同时, 结合红外光谱法(FTIR)和热重分析(TGA)方法, 进一步揭示了加固剂种类影响考古木材微力学性能的原因。 研究结果表明: 使用非包埋法制备的纳米压痕样品, 可准确获取加固处理后考古木材细胞壁的纵向弹性模量和硬度; PEG法、 三氯蔗糖法和海藻糖法均可显著提高考古木材木纤维细胞壁的纵向弹性模量和硬度, 三种方法加固处理后的木材的弹性模量比未处理样品分别增加了6.9%, 25.4%和29.1%, 硬度比未处理样品分别增加了9.3%, 25.9%和13.6%。 红外光谱试验结果表明PEG、 三氯蔗糖和海藻糖均进入了考古木材细胞腔等内部组织结构, 热重分析结果证实部分加固剂进入了木材细胞壁, 是细胞壁强度提高的主要原因。 总之, 三氯蔗糖和海藻糖较适用于饱水考古木材的脱水加固, 加固效果优于PEG, 其中三氯蔗糖的加固效果最佳。 研究结果为饱水木质文物加固性能的准确评估提供了方法参考, 为沉船等饱水木质文物的加固与保护提供了科学依据。
饱水考古木材 微力学 红外光谱 热重分析 “小白礁Ⅰ号”沉船 Waterlogged archaeological wood Micromechanical property Infrared spectroscopy Thermogravimetric analysis Xiaobaijiao Ⅰ shipwreck 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1529
南京林业大学材料科学与工程学院, 江苏 南京 210037
考古木材的保存保护需要基于其主要化学组分的降解状况, 制定科学的保护方案, 如加固剂的选用、 处理时间与温度的控制等。 选取徐州万达汉代墓群出土四个棺木作为样品; 经鉴定, 树种分别为硬松（Pinus subgen. Diploxylon sp.）、 楠木（Phoebe sp.）、 梓木（Catalpa sp.）和榉木（Zelkova sp.）。 采用衰减全反射傅立叶红外光谱及热重分析, 快速表征考古木材和对应现代材的化学性质和热解特性。 研究结果表明: 考古硬松、 考古楠木、 考古梓木以及考古榉木的红外光谱中1 730 cm-1附近来自于半纤维素乙酰基上CO伸缩振动的吸收峰几乎消失, 而1 500 cm-1附近木素苯环骨架伸缩振动吸收峰的相对峰强提高, 这反映出古木半纤维素降解严重, 而木素留存较好。 古木综纤维素样品中均未发现半纤维素中酰氧键（—COO）位于1 238 cm-1附近的特征峰, 而除现代楠木综纤维素外, 其余现代材综纤维素红外谱图中均检测到此峰, 这表明与纤维素相比, 古木中半纤维素降解更严重, 也说明楠木的半纤维素含有较少的酰氧键。 与古木酸不溶木素样品相比, 现代健康材酸不溶木素1 459 cm-1附近甲基与亚甲基的C—H弯曲振动的吸收峰强度较高, 说明现代健康材酸不溶木素中有更多的甲基与亚甲基, 木素大分子中含有更多的侧链。 古木酸不溶木素的红外谱中1 028 cm-1附近的木素中仲醇与脂肪醚结构的吸收峰强度低于现代材, 说明古木的酸不溶木素含有较少的C—O键。 比较不同树种古木和现代材的热解行为, 发现古木热解速率均减缓, 快速热解段起始温度提前, 残炭率提高。 古木与现代材热解行为的差异, 主要与古木综纤维素大量降解, 木素相对含量的提高有关。 在4个古木样品中, 考古楠木的残炭率最低, 这表明考古楠木木素相对含量较低, 综纤维素保存较好, 其天然耐久性在4个树种中最好。 此外, 由于古木酸不溶木素中含有较少的侧链以及甲氧基使得其热解速率变慢。 以上结果表明, 红外光谱与热重分析均可用于分析考古木材的降解状况, 能为及时制定文物保护方案提供科学依据。
考古木材 红外光谱分析 热重分析 降解 Archeological wood Infrared spectrum analysis Thermal gravimetric analysis Degradation 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2943
