饱水木质文物保护中的冷冻干燥技术研究与应用

文物保护与冷冻干燥看似没有直接关联，但是冷冻干燥技术已广泛应用在该领域。文物类型主要包括金属、石质、木质、陶瓷、纸质、纺织品、竹木漆器、其他类（皮革、骨器类文物等）。本篇主要讲述木质文物是如何应用冷冻干燥技术进行研究的。

考古出土饱水木质文物由于长期埋藏于地下，木材成分大量流失、细胞壁结构被破坏，已经无法维持木材本来的强度来抵抗干燥时的内部应力，然而长期带水保存却要面对微生物的威胁。为了保持出土木质文物的原状，并抑制劣化的发生，需要对饱水木质文物进行保护处理。饱水木质文物保护的难点在于干燥定型，在干燥的同时尽可能维持文物的形貌，不发生变形、开裂。根据是否对饱水木质文物内部的水分进行置换，可区分为直接干燥方法和置换干燥方法。

变形开裂的饱水木质文物

饱水木质文物内部变形坍塌的细胞壁结构

直接干燥方法包括自然干燥法、真空冷冻干燥法、超临界流体干燥法等。直接干燥方法由于不引入外源物质，能够保存木质文物自身的质地和触感，操作相对简便、节能环保，但只适用于含水率低、劣化程度低的饱水木质文物。其中，自然干燥法最为原始，干燥过程对环境要求高，干燥效果难以控制。真空冷冻干燥法和超临界流体干燥法常与置换干燥方法结合使用，作为置换干燥方法的后续步骤，提升干燥效率。

真空冷冻干燥法的基本原理是，将饱水木质文物冻结至冰点之下，使文物中的水分变为固态冰，然后在适当的真空环境下，将冰直接转化为蒸汽而除去，再用真空系统中的水汽凝结器将水蒸汽冷凝，从而使文物得到干燥。由于干燥过程中避开了液态水，因而可以有效地降低干燥时由于液体水的表面张力而产生的干燥应力。由于饱水木质文物的强度低，若直接冷冻，细胞腔内水冻结时的体积膨胀可能会损害文物，因此在冷冻干燥前常对文物进行预处理，常用的预处理试剂为PEG（聚乙二醇）。

超临界干燥技术是指采用超临界流体作为干燥媒介的干燥方法。当温度和压力处于临界点以上时，超临界流体无汽液界面区别、兼具液体性质和气体性质，因此超临界干燥能够大大降低饱水木质文物干燥时的干燥应力。超临界流体密度接近于普通液体、而粘度接近于普通气体，具有特殊的溶解度、易调变的密度、较低的粘度和较高的传质速率，作为溶剂和干燥介质显示出的优点。采用超临界干燥技术对饱水木质文物进行保护时，还能同时完成杀菌。由于受各种因素制约，超临界流体干燥技术目前仍处于对小体积饱水木质文物干燥的探索性应用和经验积累阶段。

对于含水率高、劣化程度高的饱水木质文物，则应采用置换干燥方法,基本原理是将试剂与饱水木质文物内部的水分进行置换，从文物内部对细胞壁结构进行支撑从而抵抗干燥应力。对于无法自然干燥的饱水木器，最早是采取以亚麻仁油为主的混合油脂进行置换干燥，但器物表面表现为干硬和颜色过深。1859年，丹麦国家博物馆用明矾保护饱水木器取得了巨大成功。这一方法作为标准的脱水方法在丹麦使用了100年之久。但明矾为一种酸性复盐，吸潮后呈酸性，腐蚀木纤维。1900年，有人开始尝试使用甘油置换干燥，后来采用明矾、甘油混合物置换，但加快了器物的酥解。

PEG保护处理后木质文物的CT图像

二战后，随着化学工业的发展和对文保事业的重视，聚乙二醇（PEG）置换干燥法在欧美被开发出来。欧洲的文保专家用PEG法对很多发掘出的古沉船进行了保护，有名的如瑞典的Vasa、挪威的Fjord、德国的Bermen. Cog。由于PEG材料的高稳定性、可重复处理以及技术简便等优点，PEG置换干燥法在全球饱水木器脱水保护方面得到了广泛的应用，方法也逐步完善。国内也早在1965年，将PEG6000应用于河南信阳长台关出土的战国木漆器的保护。

PEG-冷冻干燥保护处理后木质文物的CT图像

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