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硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粘度、表面張力的關(guān)系及在模擬病害壁畫修復(fù)中的應(yīng)用(一)

來源:應(yīng)用化學(xué) 瀏覽 479 次 發(fā)布時間:2025-02-25

摘要


為了在理論上建立起一套完整、客觀的性能評價方法,對硅丙乳液的顆粒尺寸、熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,測定了乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其粘度、表面張力等關(guān)系。通過用硅丙乳液修復(fù)模擬起甲和酥堿的壁畫,進(jìn)一步驗證乳液的性能。結(jié)果表明,硅丙乳液屬于非晶態(tài)(無定形態(tài))結(jié)構(gòu),乳膠粒子形貌接近球形,平均粒徑為190 nm,顆粒無團(tuán)聚現(xiàn)象,較小的粒徑可以提高乳液的滲透能力;Si—O—Si鍵的引入有效提高了硅丙乳液的熱穩(wěn)定性和耐熱老化性;隨著硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,表面張力下降,相對粘度升高;硅丙乳液的機(jī)械穩(wěn)定性、貯存穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和耐鹽性較好。硅丙乳液在修復(fù)起甲、酥堿壁畫后,分別循環(huán)20和12次老化,顏料層未發(fā)生顯著差異,說明硅丙乳液可以作為一種性能優(yōu)異的膠凝材料用于起甲、酥堿壁畫的修復(fù)中。


敦煌壁畫是壁畫藝術(shù)的杰出代表,也是中國繪畫史上的重要杰作之一。但是,長期以來,由于受外界環(huán)境如濕度、溫度和光照等的影響,這些壁畫發(fā)生了起甲、脫落、皰疹、酥堿、空鼓和龜裂等多種病害,不利于其長久保存。因此,對壁畫的保護(hù)刻不容緩。


壁畫可持續(xù)保護(hù)中,尋找理想的高分子膠結(jié)材料是首要的有效手段。有機(jī)硅改性的丙烯酸乳液(簡稱硅丙乳液)是在乳化劑、引發(fā)劑的作用下,丙烯酸酯(或甲基丙烯酸酯)類單體和有機(jī)硅氧烷單體通過物理共混法或化學(xué)聚合的方法制備而成。研究發(fā)現(xiàn),丙烯酸乳液對極性、非極性表面均具有良好的粘接力,且具有優(yōu)良的耐熱、耐氧化、耐候和突出的耐油性,但耐水性、耐沾污性較差,具有“冷脆熱粘性”,成膜后強度低。硅丙乳液相較于丙烯酸乳液,具有更優(yōu)異的耐熱性、耐候性、耐磨性和抗氧化能力,這是因為硅丙乳液中的Si—O鍵能(451 kJ/mol)遠(yuǎn)高于C—O(336 kJ/mol)和C—C(356 kJ/mol)的鍵能;此外,聚硅氧烷分子呈螺旋狀結(jié)構(gòu),造成分子體積增大,內(nèi)聚能密度降低,從而使硅丙膠膜呈現(xiàn)較強的防塵性和憎水性;再者,有機(jī)硅氧烷分子對稱性高,整個分子呈非極性,因此具有極低的表面張力。


正是由于硅丙乳液的這些結(jié)構(gòu)特性,20世紀(jì)60年代以來,其在文物修復(fù)和保護(hù)方面得到了廣泛應(yīng)用。Hanna等詳細(xì)報道了硅丙乳液在國外壁畫修復(fù)和保護(hù)中的應(yīng)用實例。2003年,敦煌研究院和甘肅知本新材料科技有限公司合作,研制出了以有機(jī)硅和丙烯酸為主劑的新型壁畫修復(fù)材料(ZB-SE系列)。2004年,在西藏薩迦寺首次進(jìn)行ZB-SE系列乳液壁畫修復(fù)材料現(xiàn)場試驗,發(fā)現(xiàn)該類材料具有顏料回貼所需的黏結(jié)強度,是修復(fù)西藏起甲壁畫的理想材料。此外,研究還發(fā)現(xiàn),硅丙乳液修復(fù)壁畫后表面無眩光。在此之后,ZB-SE系列壁畫修復(fù)材料又被應(yīng)用于敦煌莫高窟和嵩山少林寺等處壁畫的保護(hù)修復(fù)中,均取得了良好效果。目前,該系列硅丙和純丙乳液已廣泛用于甘肅、新疆和西藏等地的石窟、寺廟和墓葬壁畫的保護(hù)中。


然而,文物保護(hù)修復(fù)工作者在對壁畫保護(hù)修復(fù)時,往往只借鑒一些簡單的商品物性指標(biāo),而對所使用的乳液本身的物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)認(rèn)識較少。為了建立起一套完整、客觀的評價方法,文中對市售硅丙乳液的熱穩(wěn)定性、尺寸、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征,探討了乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其pH值、電導(dǎo)率、表面張力和粘度的關(guān)系,同時研究了乳液的穩(wěn)定性。用硅丙乳液修復(fù)模擬起甲和酥堿的壁畫,來進(jìn)一步驗證乳液潛在的性能。通過研究,為壁畫修復(fù)材料的選擇、評價和科學(xué)修復(fù)提供理論依據(jù)。


1實驗部分


1.1儀器和試劑


LA-960型激光粒度儀(日本HORIBA公司);JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM,日本電子株式會社);FTS-3000型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR,美國DIGIL-B公司);D/max-2400型X射線粉末衍射儀(XRD,日本Rigaku公司);TG/DSC-6型熱重-差示掃描量熱分析儀(TG-DTG,日本島津公司);Ultra Plus型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM,德國Zeiss公司);PHS-3E型pH計(上海INESA公司);DDS-307A型電導(dǎo)率儀(上海INESA公司);BMZL-02型表面張力儀(芬蘭Kibron公司);0.56 mm U型粘度計(蘭州嘉特星有限公司)。磷鎢酸(分析純)購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司;硅丙乳液(丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯基硅氧烷)購自蘭州知本化工科技有限公司;硫酸鈉(分析純)、氯化鈉(分析純)、硝酸鉀(分析純)和氯化鉀(分析純)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實驗用水為超純水(8 MΩ·cm)



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