新型自凝性纳米氟磷灰石露天石质文物保护材料研究

Because of natural weathering, air pollution, and lack of effective protection, the massive outdoor immovable stone cultural relics have been damaged with varying degrees and are disappearing gradually. However, the existing materials and methods can not provide enough protection. Recent studies have shown that apatite can effectively protect the weathered stone cultural relics. But apatite is not stable enough, and the calcium to phosphorus ratio is hard to control during the conservation treatment of the weathered historic stones. Theses bring about the instability of the conservation and the risk of microbial breeding. Therefore, we are planning to study a kind of novel self-setting nano fluorapatite for the conservation of stone cultural heritages. The study includes the preparation of fluorapatite using calcium, phosphorous and fluorine as reactants, the nanofabrication of calcium, phosphorous and fluorine reactants, the preparation of the stable organic disperse system of the nano reactants, the setting mechanism and characteristics of the organic disperse system of the nano fluorapatite reactants, and the application method of the nano fluorapatite organic disperse system.The main characterization methods in this study are SEM, TEM, XRD, FTIR, PLM and TG-DSC. The exploring study about the nano self-setting fluorapatite provides new insights for the conservation of cultural relics. In addition, this study is also important for the preservation of the construction stones in the open air.

由于自然风化、空气污染、以及缺乏有效的保护，我国大量的露天石质文物有加速破坏、逐渐消亡的趋势。最近的研究表明，磷灰石可以有效保护此类风化石质文物，但磷灰石本身不够稳定，加之保护处理过程中钙磷比难以控制，有诱发微生物滋生之虞。为解决以上问题，本项目拟在前期工作的基础上开展新型自凝性纳米氟磷灰石保护材料研究，即利用SEM、TEM、XRD、FTIR、PLM和TG-DSC等开展非盐体系(不含可溶盐或不产生可溶盐的钙、磷和氟为原料) 纳米氟磷灰石及其稳定非水分散体系的制备、纳米氟磷灰石非水分散体系的自凝机制及影响因素、氟磷灰石非水分散体系对风化岩石的渗透加固方法等研究。开展自凝性纳米氟磷灰石材料研究为文物保护材料的研制提供了新的思路，具有较强的创新性和应用性；此外，氟磷灰石保护材料的研究对于建筑石材的维护和保养也具有积极的借鉴意义。

以往的文物保护工作实践和实验室研究表明，与有机高分子材料相比，无机保护材料和石质文物的物理化学兼容性更好（因为同是无机物），也更适合于此类无机质文物的保护。不过，目前石质文物保护中使用的基本都是氢氧化钙、水玻璃等气硬性材料，而气硬性材料无机材料普遍存在加固效果差，耐候性不良等问题。水硬性材料，如水泥等，具有良好的强度和耐候性，但因其含可溶碱，使用中有明显的可溶碱析出即泛碱现象，对文物本身有害。故从事新型不含可溶碱的水硬性加固保护材料研究，应该是解决上述问题的一个新思路。本项目的研究，就是沿着这条思路展开的。项目的具体内容包括氟磷灰石前驱体材料如纳米氢氧化钙、纳米磷酸氢钙的非盐体系制备，纳米氟磷灰石非水分散体系的自凝机制及影响因素研究，磷灰石材料在风化石质文物表面封护中的应用，磷灰石材料在石灰岩文物及建筑石材表面封护中的应用，文物表面石膏风化层的选择性清除及磷灰石材料在包括石质文物在内无机质文物整体加固保护中的应用等。研究得出以下结果：1、在非盐体系中制备磷灰石前驱体材料的可行的，如制备得到的氢氧化钙粒度在40～100nm，属于纳米材料范畴；2、磷灰石材料可用于钙质岩石如石灰岩文物的表面封护，经磷灰石材料表面封护后，其表面强度可以提高近30倍；3、氟磷灰石可用于包括石质文物在内无机质文物整体的加固，经氟磷灰石材料加固后，其整体抗压强度可提高近10倍，同时，文物基材的固有属性如毛细水吸收、色差等基本属性不发生改变，表现了良好的兼容性。本项目工作为石质文物保护材料的研制及应用提供了新的思路，开辟了新的研究领域，具有较强的创新性、示范性和应用性；另外，石材已经大量用于我国现代建筑中，本项目的研究对于这些建筑石材的维护和保养也具有积极的借鉴意义。