趙丹丹,單 影,張 然
(1.中國(guó)國(guó)家博物館,北京 100079;2.金屬文物保護(hù)國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地(中國(guó)國(guó)家博物館),北京 100079;3.煙臺(tái)市博物館,煙臺(tái) 264099)
鉛是人類(lèi)使用較早的金屬之一,鉛質(zhì)文物具有獨(dú)特的藝術(shù)和研究?jī)r(jià)值,是中華古代文明的重要組成,鉛和銅的融合,更孕育了人類(lèi)歷史上璀璨的青銅文化。
鉛質(zhì)文物的保存分為室外存放和室內(nèi)存放。室外存放包括土壤埋藏和露天存放,室內(nèi)存放可分為庫(kù)房存放、展廳存放、展柜存放等。目前在鉛質(zhì)文物存在的病害主要有:粉狀脫落、塊狀脫落、片狀剝落、裂隙、變形、斷裂、殘缺、孔洞等。
一般認(rèn)為,鉛是耐蝕性較好的金屬,因?yàn)殂U在大氣或埋藏環(huán)境中會(huì)生成致密的氧化膜,阻礙鉛的進(jìn)一步腐蝕[1]。但鉛對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物(主要是有機(jī)酸中的甲酸和乙酸[2])極為敏感[3],乙酸等有機(jī)酸溶解在鉛器表面的水膜中,會(huì)與表層氧化物發(fā)生反應(yīng),生成易溶的堿式醋酸鉛,使得腐蝕反應(yīng)能持續(xù)發(fā)生[4]。有機(jī)酸是加速鉛文物徹底礦化損壞最重要的原因[5]。鉛是一種對(duì)乙酸等揮發(fā)性有機(jī)化合物特別敏感的金屬, 最近ISO 11844標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充了關(guān)于鉛及其合金的腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。
圖1 木制儲(chǔ)物柜存放的鉛器
圖2 腐蝕的鉛尺
FITZHUGH等[9]研究發(fā)現(xiàn),建筑材料中的有機(jī)酸(主要是甲酸和乙酸)會(huì)造成鉛及其合金的腐蝕。少量甲醛對(duì)鉛質(zhì)文物的影響不大,但隨著時(shí)間的積累,展柜內(nèi)的甲醛積累到一定量就會(huì)對(duì)鉛質(zhì)文物造成影響,尤其隨著濕度增加,甲醛會(huì)轉(zhuǎn)化成甲酸,對(duì)鉛器造成的腐蝕尤為明顯。
TéTREAULT等[10]通過(guò)模擬試驗(yàn),采用增重法研究了鉛在不同的時(shí)長(zhǎng)、乙酸濃度(氣體濃度,0.060~105 mg·m-3)和相對(duì)濕度(54%、67%、75%)條件下的腐蝕敏感性和腐蝕產(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn),在相對(duì)濕度(RH)為54%條件下,乙酸氣體濃度低于0.43 mg·m-3時(shí),經(jīng)過(guò)12個(gè)月試驗(yàn)后,鉛的腐蝕并不明顯,乙酸濃度為3.6 mg·m-3時(shí),經(jīng)12個(gè)月后鉛的腐蝕量最大,超過(guò)此濃度,鉛的腐蝕量隨著酸濃度增加而降低,當(dāng)乙酸酸濃度超過(guò)18 mg·m-3時(shí),鉛的腐蝕量又隨著酸濃度增加而增加。基于此研究,該團(tuán)隊(duì)[11]進(jìn)一步模擬了甲醛、甲酸、乙酸氣氛環(huán)境,對(duì)比研究了不同有機(jī)氣體濃度、相對(duì)濕度和腐蝕時(shí)間下銅、鉛腐蝕產(chǎn)物的形成和腐蝕敏感性,也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。但此試驗(yàn)中稱(chēng)量天平精度僅為±0.1 g。
RAYCHAUDHURI等[12]運(yùn)用增重法研究了甲醛對(duì)鉛質(zhì)文物的影響。研究發(fā)現(xiàn)甲醛氣體在高濕環(huán)境中極易氧化成甲酸,造成鉛器的明顯腐蝕。作者認(rèn)為,在博物館中“控制甲醛轉(zhuǎn)化成甲酸”才是避免甲醛對(duì)鉛質(zhì)文物造成腐蝕的關(guān)鍵。另外,光照強(qiáng)度對(duì)甲醛的氧化分解也有一定影響,甲醛氧化分解之后加速鉛器的腐蝕。所以在保存鉛器時(shí),不僅要控制好濕度,同時(shí)也要注意光照強(qiáng)度,最好采取避光保存的方法。
RYHL-SVENDSEN[13]采用鉛試片作為室內(nèi)環(huán)境腐蝕性評(píng)估的劑量計(jì)材料,參考ISO 11844標(biāo)準(zhǔn),在溫度為14~24 ℃(大多數(shù)>20 ℃),RH為32%~58%的博物館中,選取19處不同測(cè)試點(diǎn),分別采用增重法和失重法探索H2S、SO2和不同濃度有機(jī)酸(43~204 μg·m-3)與鉛腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性。發(fā)現(xiàn)只有相對(duì)濕度、有機(jī)酸濃度同腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量有獨(dú)立的線性關(guān)系,通過(guò)線性多元回歸分析,得出一個(gè)腐蝕質(zhì)量方程,該方程可更全面、準(zhǔn)確評(píng)估整體環(huán)境對(duì)材料腐蝕的影響,見(jiàn)式(1)。
mcorr=47 455×RH+6 194×cOA-159 710×
cH2S-1 035 351
(1)
式中:mcorr為鉛片質(zhì)量損失(mg·m-2);RH為環(huán)境相對(duì)濕度;cOA為有機(jī)酸濃度(μg·m-3);cH2S為硫化氫濃度(μg·m-3)。
NIKLASSON等[14]分別在22 ℃、RH為30%~95%和4 ℃、RH為30%~95%環(huán)境中研究了鉛在乙酸(170 μg·m-3)氣氛中的腐蝕規(guī)律。研究認(rèn)為微量的醋酸蒸氣強(qiáng)烈加劇了鉛的大氣腐蝕;在RH為30%~95%區(qū)間,鉛的腐蝕速率與濕度變化相關(guān)性比較?。辉赗H為40%~95%區(qū)間,醋酸鹽的累積量與環(huán)境相對(duì)濕度無(wú)關(guān);醋酸蒸氣會(huì)使腐蝕產(chǎn)物進(jìn)一步腐蝕;醋酸氣氛中鉛的腐蝕產(chǎn)物主要有水合醋酸鉛(Pb(CH3COO)2·2PbO·H2O)和鉛黃(β-PbO)以及Pb10O(CO3)6(OH)6或Pb3(CO3)2(OH)2。
為探索可簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)室內(nèi)大氣腐蝕性的材料,KOURIL等依據(jù)ISO 11844標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鉛敏感腐蝕物的界定,通過(guò)CIELab色差變化、質(zhì)量改變(增重法和失重法)、電化學(xué)還原法量化評(píng)估鉛對(duì)環(huán)境污染物的敏感性[6]。研究表明,博物館環(huán)境中同一位置,可能由于揮發(fā)性有機(jī)酸(尤其是乙酸)含量較大,鉛較銀、銅、鋅的腐蝕速率更高。研究還認(rèn)為可以通過(guò)色差變化或者亮度變化來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中鉛的腐蝕速率,這與失重法測(cè)試結(jié)論一致。該研究還對(duì)增重法應(yīng)用于乙酸氛圍中鉛的腐蝕速率研究提出質(zhì)疑,并對(duì)RYHL-SVENDSEN等[13]關(guān)于博物館環(huán)境中鉛腐蝕質(zhì)量與有機(jī)酸濃度的線性關(guān)系提出質(zhì)疑,認(rèn)為鉛在乙酸氛圍中腐蝕速率可能受到相對(duì)濕度和溫度波動(dòng)的影響,但在乙酸濃度為200~400 μg·m-3的氣氛中,即使溫度和相對(duì)濕度發(fā)生劇烈變化,鉛的腐蝕速率也不可能增加。
需要注意,以上很多試驗(yàn)均使用增重法量化鉛的腐蝕速率。鑒于鉛在有機(jī)酸環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物多疏松易于溶解、脫落,部分試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性和精確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
國(guó)內(nèi)關(guān)于有機(jī)酸對(duì)鉛器文物腐蝕影響的詳細(xì)研究鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo),鉛腐蝕機(jī)理的研究多基于工業(yè)生產(chǎn)。王永紅等[15-16]研究了鉛在酸性土壤中的腐蝕現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)土壤中NO3-和Cl-可加速鉛的腐蝕,而可溶性CO32-對(duì)鉛的腐蝕作用較弱,酸性土壤中鉛的腐蝕產(chǎn)物中PbCO3極易轉(zhuǎn)變?yōu)镻b(HCO3)2,導(dǎo)致鉛表面的保護(hù)膜遭到破壞,進(jìn)一步造成鉛的腐蝕。
姚維義等[17]采用水浸漬腐蝕等方法研究了鉛錠在不同水溶液中的腐蝕情況。發(fā)現(xiàn)鉛錠在雨水、蒸餾水等軟水中的腐蝕程度大于在自來(lái)水、人工海水和溫濕箱中,并指出氧是鉛錠產(chǎn)生白銹的主要原因。
本工作依據(jù)鉛質(zhì)文物腐蝕研究要點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)博物館常用文物儲(chǔ)藏柜、展柜的材質(zhì)特征,選取4種常見(jiàn)或者關(guān)鍵的有機(jī)酸環(huán)境(無(wú)酸、甲酸、乙酸、鮮樟木屑)和4個(gè)具有代表性的相對(duì)濕度(34%、54%、75%、100%)環(huán)境,探究不同有機(jī)酸環(huán)境中,鉛器的腐蝕行為及其腐蝕規(guī)律。以期為追溯古代鉛器及其合金器物(青銅等)的腐蝕環(huán)境以及推測(cè)其在館藏環(huán)境中進(jìn)一步腐蝕劣化的特征提供參考,為鉛金屬在博物館環(huán)境中的預(yù)防性保護(hù)應(yīng)用研究,或?qū)︺U及含鉛文物的科學(xué)保藏和展陳建議提供指導(dǎo),并為銹蝕后鉛器文物的保護(hù)修復(fù)研究做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。
采用掛片法進(jìn)行模擬腐蝕試驗(yàn)。試樣材料為純度較高的鉛板(Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.9%,北京華中天科技有限公司提供),將其切割成15 mm×30 mm×3 mm的試片,頂部中間2 mm處打孔。先后用砂紙逐級(jí)打磨鉛片面表面使之無(wú)明顯的氧化層,且其中兩個(gè)較大面的光澤度達(dá)100 GU以上。將拋磨后的試樣置于無(wú)水乙醇中用超聲波清洗機(jī)振蕩數(shù)十秒后取出,吹風(fēng)機(jī)低溫干燥后及時(shí)放置于待測(cè)環(huán)境中。采用干燥器和塑料晾衣架制成簡(jiǎn)易掛片裝置,用魚(yú)絲線系上樣品,懸掛在模擬環(huán)境中。
為模擬有機(jī)酸環(huán)境,依據(jù)甲酸、乙酸揮發(fā)動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式,分別配制氣體質(zhì)量濃度為36 mg/L的甲酸(FA)和乙酸(HAc)溶液。用飽和鹽溶液控制環(huán)境濕度[18-20],分別用純水、飽和NaCl溶液、飽和Mg(NO3)2溶液、飽和MgCl2溶液,維持相對(duì)濕度為100%、75%、54%、34%的穩(wěn)定微環(huán)境。試驗(yàn)過(guò)程中微環(huán)境溫濕度變化見(jiàn)圖3。
圖3 模擬腐蝕試驗(yàn)環(huán)境中的溫濕度
1.2.1 質(zhì)量變化
質(zhì)量變化法分為增重法和失重法。對(duì)于銹蝕物比較牢固的金屬樣品,采用增重法計(jì)算腐蝕速率;對(duì)于銹蝕物疏松或者易于剝離的金屬樣品,采用失重法計(jì)算腐蝕速率。本工作中,在無(wú)酸-RH34%環(huán)境中,光滑清潔的鉛片很長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生明顯的變化,采用增重法測(cè)量腐蝕速率,其余環(huán)境中均采用失重法測(cè)量腐蝕速率。通過(guò)對(duì)多個(gè)空白試樣進(jìn)行清洗發(fā)現(xiàn),采用熱5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)醋酸銨(NH4CH3COO)清洗尺寸為15 mm×30 mm×3 mm的試樣,其質(zhì)量損失約為0.023 mg/m2,延長(zhǎng)清洗時(shí)間并不能增加質(zhì)量損失,即熱5%醋酸銨溶液對(duì)鉛基底的損傷極小,可以用于失重法計(jì)算鉛器的腐蝕速率[21]。具體操作如下:5%醋酸銨溶液水浴加熱至80~85 ℃,將腐蝕后試樣浸泡其中清洗約15 s,清洗時(shí)可輔之以軟毛刷或棉簽輕拭試樣表面,保證銹蝕物完全去除,清洗效果以露出試樣自身潔白鉛金屬顏色為標(biāo)準(zhǔn)。將清洗后的試樣快速放入純酒精中超聲波清洗2~3 s,取出后用吹風(fēng)機(jī)低溫吹干,再放入盛有變色硅膠的潔凈干燥器中穩(wěn)定24 h,然后用超微天平稱(chēng)量(精度±0.1 mg),采用失重法計(jì)算鉛腐蝕速率[22],見(jiàn)式(2)。
A=(W1-W2-W0)/F
(2)
式中:A為單位面積腐蝕質(zhì)量損失(mg/cm2);W1和W2分別為腐蝕試樣清洗前后的質(zhì)量(g);W0為空白試樣清洗后的質(zhì)量損失(g);F為試樣表面積(mm2)。
1.2.2 光澤度
采用BYK公司(德國(guó))生產(chǎn)的Micro-gloss Meter微型多角度光澤度儀,測(cè)量腐蝕試樣的光澤度,試驗(yàn)初期,在試樣腐蝕試驗(yàn)開(kāi)始第0,1,3,5,7,10,14天進(jìn)行測(cè)量。超過(guò)14 d,依據(jù)試樣腐蝕形貌特征分別每周或者間隔更長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量一次。部分試樣因?yàn)檠杆黉P蝕未能實(shí)現(xiàn)多天測(cè)試,目前最多測(cè)量670 d。進(jìn)行光澤度測(cè)量時(shí),測(cè)量位置要一致。試驗(yàn)過(guò)程中取3個(gè)平行試樣,試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。
1.2.3 形貌觀察及腐蝕產(chǎn)物物相分析
使用ZEISS蔡司Smart zoom 5型智能超景深三維數(shù)碼顯微鏡拍攝試樣腐蝕形貌,觀察頻率和光澤度測(cè)量的頻次一致,詳細(xì)記錄試樣在不同模擬環(huán)境中的腐蝕形貌變化特征。
使用飛納Phenom XL型臺(tái)式掃描電鏡原位拍攝試樣腐蝕初始(0d)和1,7,14,28,56 d時(shí)的形貌,觀察記錄腐蝕產(chǎn)物形貌變化特征。部分試樣由于腐蝕產(chǎn)物過(guò)于疏松未能長(zhǎng)時(shí)間原位拍攝。試驗(yàn)條件如下:加速電壓10 kV/15 kV;Image模式;電子光學(xué)放大300~10 000 X;背散射電子探測(cè)器(BSD)和二次電子探測(cè)器(SED)。
使用英國(guó)Renishaw inVia型激光顯微共聚焦拉曼光譜儀對(duì)試樣腐蝕產(chǎn)物及其變化進(jìn)行物相鑒定。試驗(yàn)條件如下:785 nm激光器;采集時(shí)間10 s;能量0.1%~0.05%。使用日本理學(xué)(rigaku)d/max-rb型號(hào)X射線衍射儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相鑒定。盡量取較多的銹蝕產(chǎn)物充分混合,做粉末衍射測(cè)定鉛的銹蝕產(chǎn)物物相。試驗(yàn)條件如下:X射線CuKα(0.154 18 nm),管電壓40 kV,管電流100 mA,石墨彎晶單色器;粉末衍射;檢測(cè)依據(jù)JY/T 009-1996轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法通則。
由圖4~7可見(jiàn):在高濕度(RH100%)條件下,試樣在任何酸環(huán)境中均迅速腐蝕,且表面很快生成疏松的銹蝕物。在乙酸-RH100%環(huán)境中,試樣腐蝕28 d后發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,銹蝕物疏松且掉渣現(xiàn)象極為嚴(yán)重,故僅觀察了腐蝕21 d后的SEM形貌。試樣在不同濕度乙酸環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物均很疏松;在甲酸環(huán)境中,當(dāng)相對(duì)濕度為34%和75%時(shí),試樣表面的銹蝕物較致密,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),銹蝕物完整覆蓋試樣;在新鮮的樟木屑環(huán)境中,銹蝕產(chǎn)物形貌復(fù)雜,銹蝕物的分布優(yōu)先選擇試樣表面的溝槽、裂隙區(qū)域,且任何濕度條件下,銹蝕產(chǎn)物最初多發(fā)生在易于儲(chǔ)藏凝結(jié)水的表面溝槽區(qū)域。
(a) 1 d, RH34% (b) 1 d, RH54% (c) 1 d, RH100%
(a) 1 d AF-RH34% (b) 1 d AF-RH54% (c) 1 d AF-RH100%
(a) 1 d AA-RH34% (b) 1 d AA-RH54% (c) 1 d AA-RH100%
(a) 1 d CW-RH34% (b) 1 d CW-RH54% (c) 1 d CW-RH100%
由圖8可見(jiàn):在任何試驗(yàn)環(huán)境中,試樣在高濕(RH100%)條件下的腐蝕速率均高于在其他濕度條件的,可見(jiàn)凝結(jié)水對(duì)鉛的腐蝕有極大影響,這與SEM結(jié)論較為一致。在無(wú)酸和乙酸環(huán)境中(除無(wú)酸-RH34%環(huán)境外),試樣的腐蝕質(zhì)量變化基本和相對(duì)濕度及腐蝕時(shí)間正相關(guān),即相對(duì)濕度越大、腐蝕時(shí)間越長(zhǎng),質(zhì)量變化越大。在任何酸環(huán)境中,相對(duì)濕度為75%和54%時(shí),試樣的腐蝕質(zhì)量變化相近;在低、中濕度(RH34%/54%/75%)甲酸環(huán)境中,一段時(shí)間后(約半個(gè)月),試樣表面會(huì)生成致密的銹蝕層,腐蝕速率大大降低。試樣在乙酸環(huán)境中的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)在高于其他酸環(huán)境中的;樟木屑環(huán)境中試樣的腐蝕速率明顯高于無(wú)酸環(huán)境中的,但遠(yuǎn)小于純酸環(huán)境中的。
(a) 無(wú)酸環(huán)境 (b) 甲酸環(huán)境
本工作中,經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證,在甲酸環(huán)境中,試樣在RH34%條件下的腐蝕速率略高于RH54%條件下的,這在其他研究中未見(jiàn)報(bào)道。
由圖9可見(jiàn):在不同環(huán)境中(除無(wú)酸-RH34%環(huán)境),腐蝕初期,試樣的光澤度均迅速降低,且試驗(yàn)初期,濕度越大,試樣表面光澤度降低越快;在無(wú)酸環(huán)境中,高濕(RH100%)條件下試樣失去光澤(低于1 GU)的時(shí)間約為110 d,而在低濕條件下,670 d內(nèi)試樣終保持較高的光澤;在甲酸-RH100%高濕度環(huán)境中,試樣很快失去光澤,但在甲酸-RH34%和甲酸-RH54%環(huán)境中140 d后,試樣在測(cè)量周期內(nèi)尚未失去光澤,只是試樣在RH34%條件下腐蝕后的光澤度略低于在RH54%條件下的;乙酸環(huán)境中,任何濕度下試樣均迅速失去光澤;在新鮮的樟木屑環(huán)境中,試驗(yàn)初期,試驗(yàn)的光澤度迅速降低,但測(cè)量周期內(nèi)(140 d)尚未完全失去光澤,尤其是低濕條件下,試樣能保持長(zhǎng)時(shí)間的金屬光澤。
(a) 無(wú)酸環(huán)境 (b) 甲酸環(huán)境
由表1可見(jiàn):任何環(huán)境中,試樣表面腐蝕產(chǎn)物中均含有鉛黃(β-PbO),且在部分特殊環(huán)境中生成了密陀僧(α-PbO)、鉛丹(Pb3O4)和塊黑鉛礦(β-PbO2)等氧化物;低濕環(huán)境中,試樣的早期腐蝕產(chǎn)物以氧化物為主,后期腐蝕產(chǎn)物種類(lèi)與酸環(huán)境密切相關(guān),腐蝕產(chǎn)物的晶型較差;在中、高濕度環(huán)境(RH54/75/100%)中,試樣的腐蝕產(chǎn)物種類(lèi)復(fù)雜,包含氧化物、鉛的碳酸鹽(Pb3(CO3)2(OH)2、PbCO3)及與酸氛圍相關(guān)的有機(jī)酸鹽,如C2H6O4Pb、C4H6O4Pb、C12H18O12Pb3、C12H18O12Pb3·PbO等;甲酸環(huán)境中腐蝕產(chǎn)物晶型生長(zhǎng)較好。
表1 不同酸環(huán)境不同濕度下鉛片腐蝕7 d、28 d的主要物相組成(XRD)
(1)任何環(huán)境中,鉛片在高濕(RH100%)條件下均迅速腐蝕,且很快生成疏松的銹蝕物,疏松的銹蝕物生成的“蓄水”反應(yīng)池為鉛的進(jìn)一步腐蝕提供基礎(chǔ),導(dǎo)致鉛的腐蝕持續(xù)進(jìn)行。
(2)鉛腐蝕迅速生成氧化物(主要是β-PbO),氧化物進(jìn)一步和氣氛中的水、有機(jī)酸反應(yīng),生成致密度、晶型不同的化合物,化合物的致密性影響鉛的長(zhǎng)期腐蝕性。
(3)有機(jī)酸會(huì)加速鉛的腐蝕,且鉛對(duì)環(huán)境中的乙酸更敏感,甲酸次之,樟木屑揮發(fā)有機(jī)物對(duì)鉛的腐蝕有明顯影響。
(4)在無(wú)酸和乙酸環(huán)境(除了無(wú)酸-RH34%環(huán)境)中,試樣的質(zhì)量變化基本和相對(duì)濕度及腐蝕時(shí)間正相關(guān),即鉛在這些環(huán)境中的腐蝕是不會(huì)停止的。
(5)在甲酸環(huán)境中,鉛在RH54%條件下的腐蝕速率略低于在RH34%條件下的。
(6)在新鮮樟木屑環(huán)境中,控制濕度能減緩鉛器腐蝕,但不可避免其對(duì)鉛器的腐蝕。