西工大朱金萌CBM:壁画保护新型有机凝胶

学术   2024-11-11 18:07   陕西  
古代壁画是文物重要组成部分,是研究古代政治、经济、文化最直观资料,然而,受光照、温湿度、可溶盐等不利因素,壁画会出现颜色脱落、起甲等病害,导致其强度大幅下降。

为治理壁画病害,需要引入合适的材料,目前,有机高分子材料因粘结力强、对壁画颜色影响较小、施工方便等优点被大量用于壁画表面加固和封护,取得了良好效果,尤其聚丙烯酸树脂(其中B72使用最广泛)、三甲树脂、聚醋酸乙烯酯。然而,由于有机材料与壁画本体兼容性差,随着时间推移,早期加固和封护的有机保护材料逐渐老化失效,出现了变色、发脆等现象,对壁画造成了二次伤害,急需去除。

目前,去除壁画表面失效保护材料以化学法为主,传统化学法是采用有机溶剂,缺点较大,为此,自上世纪80年代以来,科研人员相继研发了纳米流体、水凝胶、有机凝胶等材料。相比而言,有机凝胶更具优势,然而,目前制备用于去除壁画表面失效保护材料的有机凝胶主要通过交联剂和高分子之间形成共价键,形成条件较为苛刻(多步骤、高温、高成本原料、无氧环境等),导致制备复杂,难以满足实际应用需求。

1 纳米氢氧化钙基有机凝胶合成示意图

针对上述问题,西北工业大学朱金萌副教授等人开发了一种新型有机凝胶(纳米氢氧化钙基有机凝胶),该凝胶制备只需将纳米氢氧化钙、聚乙烯吡络烷酮(PVP)和过量乙酸乙酯(EA)混合,成胶温度从室温到75℃均可。深入研究发现,纳米氢氧化钙与EA反应生成乙醇和乙酸钙,而乙酸钙与PVP的羰基形成离子键。由于乙酸钙在乙酸乙酯和乙醇中的溶解度低,其会从二者中析出,析出的同时诱导PVP析出,形成网络结构,从而包覆乙醇和未反应的乙酸乙酯形成凝胶。

2 纳米氢氧化钙合成条件及力学性能探究

该凝胶合成极为简单且极易规模化生产,另外,在前驱体中加入一定比例(~20%)的甲醇、丙酮、丙醇、乙腈、四氢呋喃、乙醚、二氯甲烷、环己烷、辛烷等常见有机试剂仍可形成凝胶,放置室温下可稳定超过两年。应用结果显示,通过乙酸乙酯的溶解-扩散机制,纳米氢氧化钙基有机凝胶可高效、无残留地清除壁画表面失效B72、三甲树脂、聚醋酸乙烯酯。目前,尽管纳米流体在去除壁画等文物表面失效材料方面取得了良好效果,然而纳米流体制备难以避免表面活性剂,因此纳米氢氧化钙基有机凝胶在壁画表面失效材料去除方面具有一定先进性。

该成果以“Locking organic solvents by crystallization-induced polymernetwork为题发表于Construction and Building Materials

链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061824039862

3 纳米氢氧化钙有机凝胶合成机理研究

4 纳米氢氧化钙基有机凝胶去除壁画表面失效B72效果

通讯作者

朱金萌,西北工业大学文化遗产研究院副教授,长期从事壁画、石质等文物保护材料设计、合成与应用研究,主持国家级项目2项,省部级项目1项,围绕相关研究以第一或通讯作者发表论文10余篇,包括:Adv. Funct. MaterACS Appl. Mater. InterfacesConstr. Build. Mater.J. Cult. Herit., Langmuir等。研究成果受到中国科学报、科技日报、央广网、ChemistryViewsAdvanced Science News等国内外多家媒体的报道,研发的壁画保护材料获国家发明专利10余项。



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