微波預(yù)處理在古代飽水木材PEG脫水應(yīng)用的初探研究

王亞龍

（廣東省博物館 廣東省文物保護(hù)科技中心，廣東 廣州 510623）

微波預(yù)處理在古代飽水木材PEG脫水應(yīng)用的初探研究

王亞龍

（廣東省博物館 廣東省文物保護(hù)科技中心，廣東 廣州 510623）

PEG法(聚乙二醇法)是飽水木質(zhì)文物處理中比較典型的一種方法，大分子量的PEG更利于木質(zhì)的長久保存，但也存在嚴(yán)重缺點(diǎn)，如PEG大分子難以進(jìn)入木質(zhì)內(nèi)部，可能造成木質(zhì)收縮，且處理周期相當(dāng)長。本文以低功率微波輻射對飽水木材進(jìn)行預(yù)處理，再用PEG4000浸漬脫水，結(jié)果表明：微波預(yù)處理加快了PEG大分子向木質(zhì)內(nèi)部遷移，尤其在非水相條件下處理60 s，木材5 cm深度處的PEG含量增加了6.82%，含水率、干縮率和干燥速度分別下降1.70%、16.13%和1.63%，不同深度處的各指標(biāo)更趨于一致，提高了木材脫水定型的效果。關(guān)鍵詞：飽水木材；微波預(yù)處理；聚乙二醇；PEG含量；干縮率

木質(zhì)文物屬有機(jī)質(zhì)文物，長時(shí)間埋藏于地下或水下，易受到水、微生物等因素的影響而發(fā)生腐朽變質(zhì)，致使木材組織結(jié)構(gòu)破壞，機(jī)械強(qiáng)度大幅降低。因此，為了長久保存和展示的需要，飽水木質(zhì)文物通常要經(jīng)過脫鹽、脫水加固、干燥和后期修復(fù)等處理，而脫水處理對最終的保護(hù)效果有重要影響，相關(guān)方法[1]中以溶液置換法為主。PEG法（聚乙二醇法）是飽水木材處理中比較典型的一種方法，尤其處理大型木質(zhì)文物。大分子量的PEG更利于木質(zhì)的長久保存，但也存在嚴(yán)重缺點(diǎn)，如PEG大分子難以進(jìn)入木質(zhì)內(nèi)部，可能造成木質(zhì)收縮[2-4]，同時(shí)不同濃度梯度式脫水方式滲透速度緩慢，小件器物至少需要一年，而大件器物需2～3年才能完成[1]，因此尋找一種安全高效的技術(shù)手段顯得非常必要。微波輻射具有即時(shí)性，選擇性和高效性，能夠使含水率高的木材內(nèi)部紋孔膜[5,6]或薄弱組織產(chǎn)生微觀破壞，從而提高流體的遷移能力以及木材的干燥速度和質(zhì)量[7]。在保證木材外觀的前提下，本文擬以低功率微波對飽水木材在水相和非水相條件下進(jìn)行預(yù)處理，再用PEG4000浸漬脫水，通過測定木材不同深度處含水率、干縮率、PEG含量和干燥速度，對飽水木材PEG脫水效果進(jìn)行分析和評價(jià)，從而探討微波預(yù)處理技術(shù)在飽水木質(zhì)文物脫水保護(hù)中的可行性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

木材：“南澳I號”船材殘片，含水率316%，完成脫鹽后水體電導(dǎo)率68.82 μs/cm；PEG4000，純度＞99%，水分含量0.69%，德國Merck公司；格蘭仕G70D20CN1P-D2（S0）微波爐，輸出功率700 w，振蕩頻率2 450 MHz；梅特勒-托利多HS153鹵素水分測定儀；梅特勒-托利多Refracto 30PX 折光率儀；梅特勒-托利多ML204分析天平；美墨爾特UF110 plus烘箱；力易得不銹鋼數(shù)顯游標(biāo)卡尺。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

按下列步驟制備樣品[8]：（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)静牡某叽纾乜v向?qū)⑵淝懈畛砷L9 cm的試樣，再加工若干縱切面為1 cm×1 cm的樣塊；（2）按表1處理試樣A，B，C和D，完成后再將各試樣浸于純水中若干天，完全飽水后取出并用吸水紙去除表面水分，用防水膠將各試樣徑、弦切面封護(hù)，只留兩端縱切面；將各試樣密封保存，待防水膠干透后置于質(zhì)量百分比濃度為30%的PEG4000溶液中浸漬，保持40 ℃恒溫處理28 d，并按實(shí)驗(yàn)要求天數(shù)分別進(jìn)行質(zhì)量和尺寸測定，處理完成后拭干表面溶液，備用；（3）將試樣A去除表面膠層，如圖1所示，沿縱向切割成長1 cm的小段并標(biāo)記為A1，A2……A9，再將每小段一分為二，并從左到右依次標(biāo)記為試樣A1a，A1b，A2a，A2b，……，A9a，A9b；按上述步驟制備試樣B，C和D，備用。

表1 試樣微波預(yù)處理方式Table 1 Microwave pretreatment mode of wood specimens

圖1 試樣切割標(biāo)記示意圖像Fig.1 Sample cutting mark of wood specimens

1.2.2 PEG折光率-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

將PEG4000配制成不同濃度（w/w）的溶液，并分別測定20℃時(shí)的折光率，使用Origin繪圖軟件對散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，得到PEG4000濃度與折光率之間的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線（見圖2）方程：Y=0.146 97X+0.133 269，差方R2=0.999 83，說明擬合效果較好。因此，通過測定溶液的折光率可知溶液的濃度，從而計(jì)算出溶液中PEG4000的含量。

1.2.3 含水率和干縮率的測定

圖2 PEG4000濃度與折光率的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線Fig.2 Standard function curve of PEG concentration and refractive index

從試樣A兩端向內(nèi)間隔取樣，即取A1b，A2b，A3b，A4b，A5b，A6a，A7a，A8a，A9a,測定各試樣的初始質(zhì)量m0和體積V0，再用水分測定儀在103℃條件下測定試樣水分，完成后從儀器上讀出相對含水率MC和所用時(shí)間t，并測定干燥后試樣的最終體積Vt，分別通過公式（1）和公式（2）計(jì)算木材的絕對含水率AM和體積干縮率△V，試樣B、C和D測試方法同上；

1.2.4 木材中PEG含量測定

從試樣A取樣測定，即取試樣A1a，A2a，A3a，A4a，A5a，A6b，A7b，A8b 和 A9b， 分 別加入m1純水，密封并置于70℃烘箱保持4 d，將木材中的PEG溶解于水中，再使用折光率儀測定PEG水溶液的濃度，記作c1，試樣B，C和D測試方法同上。

木材不同深度處PEG含量可由下列公式計(jì)算得出，記作m：

式中，c1為PEG水溶液濃度，注：經(jīng)測定，3 d后PEG水溶液濃度已基本穩(wěn)定，可近似代替木材試樣內(nèi)部PEG濃度；m1為純水的加入量，g；m2為試樣含水量，g。

而m2可由試樣的初始質(zhì)量m0和相對含水率MC計(jì)算得出，公式如下：

1.2.5 干燥速度的測定

干燥速度為單位時(shí)間內(nèi)單位面積所蒸發(fā)的水量，由于本試驗(yàn)各測試樣品面積相等，即可用單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水量來表示試樣的干燥速度，計(jì)算公式如下：

式中，m2為試樣含水量，g；t為試樣烘至絕干所用時(shí)間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸漬時(shí)間對質(zhì)量的影響

圖3為不同浸漬天數(shù)下各試樣的質(zhì)量較初重的增重率的變化情況。從圖中可以看出，隨浸漬天數(shù)的增加，各試樣的質(zhì)量逐漸增加，14 d后增重趨于放緩。這是由于在處理初期，浸漬液與木材之間存在一定的濃度差，PEG大分子擴(kuò)散進(jìn)入了木材組織內(nèi)部，并逐漸將水分置換出來，當(dāng)進(jìn)入木材的PEG量大于置換出的水量時(shí)，即引起木材質(zhì)量的增加。隨著浸漬時(shí)間的增加，木材內(nèi)濃度差減小，PEG分子向木材內(nèi)部轉(zhuǎn)移速度放緩，從而導(dǎo)致木材增重不明顯。從圖中還可以看出，隨著微波預(yù)處理時(shí)間的增加，試樣的增重幅度加大，其中，木材試樣C增重效果顯著，與試樣A相比較，處理1 d后試樣B和C質(zhì)量的增量分別為A的1.2倍和1.6倍，而28 d后這一數(shù)值升至1.36倍和2.18倍，而試樣D變化不明顯。這說明在非水相條件下，微波預(yù)處理能在一定程度上促進(jìn)PEG大分子向木材內(nèi)部的遷移，微波輻射時(shí)間越長，PEG的遷移量越大。

圖3 不同浸漬天數(shù)下木材的增重變化Fig.3 Changes of wood weight under different soaking days

2.2 不同深度處含水率的變化

圖4為各木材試樣在PEG浸漬處理28 d后不同深度處含水率的變化情況。經(jīng)測定，原飽水木材的含水率為316%，從圖中可以看出，各試樣用濃度為30%的PEG溶液處理后，其含水率基本維持在100%～120%之間，各試樣不同深度處的含水率存在一定差異，從中間向兩端含水率依次下降。木材同一深度處，微波預(yù)處理試樣B、C的含水率較試樣A低，這是因?yàn)槲⒉A(yù)處理有助于改善木質(zhì)內(nèi)部的通透性，使得PEG大分子的遷移能力增強(qiáng)，置換出更多的水分，從而使含水率下降，微波預(yù)處理時(shí)間越長，木質(zhì)內(nèi)部的含水率就越低，與試樣A相比較，微波預(yù)處理試樣B和C中間（即5 cm處）含水率減少了0.4%和1.7%，而試樣D含水率與A基本一致。

2.3 不同深度處PEG含量的變化

圖5為各木材試樣在PEG浸漬處理28 d后不同深度處PEG含量的變化情況。從圖中可以看出，PEG含量從木材試樣中間向兩端逐漸升高，PEG分子在木材中呈現(xiàn)著內(nèi)高外低的濃度梯度分布，這主要是因?yàn)槟静牡慕M織結(jié)構(gòu)在一定程度上阻礙PEG的遷移作用，深度越大，遷移阻力也就越大，PEG含量相應(yīng)也就越低。從圖中還可以看出，經(jīng)微波預(yù)處理的試樣，其中心的PEG含量較未處理試樣有所升高，處理時(shí)間越長，PEG含量越大。以中間（5 cm處）為例，與試樣A相比較，試樣B、C和D的PEG含量增幅分別為1.95%、6.82%和2.12%。這說明木材經(jīng)微波輻射處理后，PEG大分子向木材內(nèi)部遷移能力增加，很可能的原因是微波預(yù)處理對木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微觀破壞，從而為PEG大分子向木材更深層次的遷移開辟了通道。與未處理試樣A比較，試樣C中心位置與附近2～3 cm處的PEG含量差值變小，也說明微波處理的無梯度加熱方式可以改善木材的通透性，通過水分汽化的壓力使木質(zhì)內(nèi)部堅(jiān)硬的內(nèi)核產(chǎn)生一定的微觀空隙，從而提高流體的遷移能力，加快了木材脫水的速度，但在水相條件下，整個(gè)水體成了微波的主要負(fù)載，因此木材內(nèi)水分無法短時(shí)間內(nèi)汽化，故試樣D的PEG含量未出現(xiàn)試樣C那樣的顯著變化。

圖4 木材不同深度處含水率的變化Fig.4 Changes of moisture content in different depths of wood

圖5 木材不同深度處PEG含量的變化Fig.5 Changes of PEG content in different depths of wood

2.4 不同深度處干縮率的變化

圖6為各木材試樣在PEG浸漬處理28 d后不同深度處干縮率的變化情況。經(jīng)測定，原飽水木材的體積干縮率為146.8%，從圖中可以看出，經(jīng)PEG溶液浸漬處理后木材的干縮率降至60%以下，可見PEG脫水處理可以在很大程度上提高飽水木材的形穩(wěn)性，主要是填充于木材纖維間空隙和纖維細(xì)胞腔內(nèi)的PEG大分子減少了干燥應(yīng)力對木材結(jié)構(gòu)的破壞。與試樣A相比較，試樣B、C和D在中間處的干縮率分別下降了7.13%、16.13%和5.54%。另外還可發(fā)現(xiàn)，同一試樣不同深度處的干縮率差異也有所變小，尤其是試樣C，這是因?yàn)槲⒉A(yù)處理時(shí)間越長，木材內(nèi)部PEG含量就越高，從而對木質(zhì)內(nèi)部的支撐作用越大，干燥時(shí)的形變量越小，干縮率也就越小；再者，微波預(yù)處理還能在一定程度上改善木質(zhì)內(nèi)核的通透性，使得PEG大分子在木材內(nèi)部的分布更均衡，不同深度處的干縮率差異變小，從而防止了干燥開裂等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖6 木材不同深度處干縮率的變化Fig.6 Changes of dry-shrinkage rate in different depths of wood

2.5 不同深度處干燥速度的變化

圖7 木材不同深度處干燥速度的變化Fig.7 Changes of drying rate in different depths of wood

圖7為木材各試樣在PEG浸漬處理28 d后不同深度處干燥速度的變化情況。從圖中可以看出，各試樣的干燥速度都呈現(xiàn)出內(nèi)高外低的趨勢，試樣內(nèi)部干燥速度大說明單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分較多，這與內(nèi)部含水率高有直接關(guān)系。同時(shí)，從圖中還可以看出，木材同一深度處的微波預(yù)處理試樣較未處理試樣的干燥速度有所下降，但降幅不大，與試樣A相比較，試樣B、C和D在中間處干燥速度下降幅度分別為0.55%、1.63%和0.85%，這可能與PEG含量的增加有關(guān)，與木材纖維相比較，PEG的親水能力更強(qiáng)，能在一定程度上減緩水分蒸發(fā)，根據(jù)上述結(jié)論，微波預(yù)處理時(shí)間增加，木材內(nèi)的PEG含量也隨之增加，雖然干燥速度有所下降但幅度較小，因此對干燥周期的影響甚微。

3 結(jié)論與討論

在本實(shí)驗(yàn)條件下，以低功率微波輻射對古代飽水木材進(jìn)行不同方式的預(yù)處理，再用濃度為30%的PEG4000浸漬脫水，通過相關(guān)指標(biāo)的測定，得出如下結(jié)論：微波預(yù)處理能在一定程度上加快PEG大分子向木質(zhì)內(nèi)部的遷移，處理時(shí)間越長，木材的增重幅度越大；在功率為700 W，頻率為2 450 MHz的非水相微波條件下處理試樣60 s，與未處理試樣相比較，木材5 cm深度處的PEG含量增加了6.82%，含水率、干縮率和干燥速度分別下降1.70%、16.13%和1.63%；同時(shí)，木材試樣不同深度處的各指標(biāo)更趨于一致。

通過微波輻射對古代飽水木材進(jìn)行預(yù)處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在非水相條件下，短時(shí)間微波預(yù)處理能在一定程度上提高木材脫水定型的效果，這是探索飽水木質(zhì)文物保護(hù)新方法的有益嘗試。但由于實(shí)際條件所限，本研究還存在以下不足之處：（1）未開展不同PEG溶液濃度下的脫水試驗(yàn)，浸漬液濃度對飽水木材性質(zhì)有不同影響[4]；（2）僅采用家用低功率微波進(jìn)行試驗(yàn)，而大功率專用微波設(shè)備對木材的改性效果顯著[9]，由于飽水木質(zhì)文物普遍含水率高且相對脆弱，需根據(jù)試樣狀況謹(jǐn)慎選用適當(dāng)功率，以防止預(yù)處理過程中木材發(fā)生劇烈收縮等問題。

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Preliminary study of application of microwave pretreatment on PEG dehydration of waterlogged wood

WANG Yalong
(Guangdong Cultural Relics Protection Technology Center, Guangdong Museum, Guangzhou 510623, Guangdong, China)

PEG method (polyethylene glycol method) is a typical method for the treatment of waterlogged wooden cultural relics,especially for large wooden cultural relics. PEG with large molecular weight is more conducive to the long-term preservation of wood,but also there are serious shortcomings, such as PEG is dif fi cult to enter the internal wood and may cause wood shrinkage, besides the processing cycle is quite long. In this paper, waterlogged wood is preprocessed by low power microwave, then dehydrate by soaked in PEG4000 solution for a time. Experimental results show that compared with the untreated sample, microwave pretreatment can accelerate migration of PEG molecular to wood internal, the PEG content of wood in fi ve centimeter depth has increased 6.82%,at the same time, moisture content, dry-shrinkage rate and drying rate have separately decreased by 1.70%, 16.13% and 1.63%, furthermore different depths of the index tends to be more consistent, so the effect of wood objects dehydration and reinforcement can be improved.

waterlogged wood, microwave, polyethylene glycol

S781.3

A

1673-923X(2017)11-0172-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.028

2017-04-23

廣東省宣傳文化人才專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015-01）

王亞龍，文博館員，碩士；E-mail：gdmwyl@qq.com

王亞龍.微波預(yù)處理在古代飽水木材PEG脫水應(yīng)用的初探研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(11): 172-176.

[本文編校：吳 毅]