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文物清洗综述

2020/10/14

     文物是人类在历史发展过程中的遗物、遗迹。文物保护研究对于人们认识人类历史、揭示社会发展的客观规律、促进社会的发展,具有重要的意义。现在保存下来的文物由于年代久远,表面都或多或少地有不同程度的污染物,例如霉菌、尘埃、以及虫斑等。多年来,国内外的文物保护工作者对于文物表面污染物的清洗进行了大量的工作。常用的清洗方法主要为机械清理和化学清理。这些手段主要依靠操作者的经验和手法。机械手段可能会导致作品上的物质也被去掉,而化学药品可能会穿透艺术作品,破坏颜料,损害文物。这两种手段可能导致对艺术品不可逆转的破坏。
  激光清洗作为一种新型的清洗技术已经越来越广泛地应用到各个领域。激光清洗是利用激光光束的特性,通过聚光系统可以使激光束聚集成不同大小的光斑直径,在激光能量相同的条件下,不同光斑的激光束,所产生的能量密度或功率密度不同,这样就可以方便地控制清洗所需要的激光能量。激光可以实现在时间和空间上的高度集中。激光清洗正是利用了这些特点来有效清除污染物的。
  传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法,尽管它们在清洗行业中得到广泛的应用,但在环境保护和高精度要求下其应用受到很大的限制。机械方法无法满足高清洁度清洗要求,而化学清洗方法容易导致环境污染,获得的清洁度也很有限;特别是当污垢成分复杂时,必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。超声波对亚微米级污粒的清洗无能为力,清洗槽的尺寸限制了清洗部件的范围和复杂程度,而且清洗后对工件的干燥亦是一大难题。激光清洗技术是近十年来飞速发展起来的新型清洗技术,在许多领域中正逐步取代传统清洗工艺。它能适应各种表面污物的清洗,对环境污染极小,也可以做到不损伤基体。目前该方法已成为传统清洗方法的补充和延伸,具有广阔的应用前景。与传统清洗方法相比,激光清洗技术具有一些特有的优点:
  (1) 激光清洗是一种选择性清洗,也就是对欲清洗对象具有可选择性,这种技术可以使基体表面完好。对于不同的基体表面的不同的污物,可以通过设定激光的参数(如光斑大小、 单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等)有选择地清洗污物,而不会破坏基体。
  (2) 激光清洗的环保性。激光清洗的废料基本上都是固体粉末,体积小,易于存放,对环境基本上不造成污染,是一种绿色的清洗工艺。
  (3) 激光清洗的不接触性。传统的方法往往是近距离操作,对清洗物体表面有机械作用力,容易损伤物体表面。而激光清洗是一种非接触加工,可方便地实现远距离操作,可以通过光导纤维传输,与机器人或者机械手联合,能清洗传统方法不易达到的部位。以光的形式传递能量,而无需机械接触。这样就可以清洗非常脆弱的材料的表面。
  (4) 激光清洗能清除各种材料表面的不同类型的污染物,达到很高的洁净度。激光清洗已经成功地用于清洗大理石、石灰石、沙岩、陶器、雪花石膏、熟石膏、铝、骨头、犊皮纸和有机物等多种材料上的不同污物,污物的种类包括灰尘、泥污、锈蚀、油漆、油污等。
  (5) 可以准确定位。激光束可以精确定位在欲清洗的材料表面上,其光斑面积可以从零点几毫米到1 厘米间调整。可以清洗不规则的或者比较隐蔽的表面。可以准确定位把激光头或者把传导激光的光纤放在一个可移动的三维平台上,可以把激光束定位在欲清洗的材料表面上。可以采用计算机控制,使得这种定位更加精确和自动化。
  (6) 激光清洗的即时控制和回馈。通过CCD相机和探测光实时监测材料表面反射率或者激光引起的表面声波,来判断清洗效果。根据清洗的效果,在清洗过程中,可以随时关闭激光电源,终止清洗。这个过程完全可以是智能化的。
  (7) 能有效清除微米级及更小尺寸的污染微粒。有些污染物的尺度可能达到微米甚至亚微米量级,如电子印刷线路板在蚀刻和喷镀工艺中的尘埃粒子。一般的方法很难把这种污染物清除掉。目前已成功地采用短脉冲紫外激光器来清除物体表面尺寸在0.1μm左右的微小颗粒,并已经在工业生产中应用。
  (8) 激光清洗设备可以长期稳定使用,一般只需要电费和维护费用,运行成本低,而且可以方便地实现自动化操作。
  激光清洗的方法一般有四种: 1) 激光干洗法,即采用脉冲激光直接辐射去污; 2) 激光+液膜的方法,即首先沉积一层液膜于基体表面,然后用激光使液膜发生爆炸去污; 3) 激光+惰性气体的方法,即激光辐射的同时,用惰性气体吹向工件表面,当污物从表面剥离后,就被气体远远吹离表面,避免清洁表面再次污染和氧化; 4) 用激光使污物松散后,再用非腐蚀性的化学方法去污。目前在工业生产中主要采用前面3种清洗方法,其中激光干洗法与激光+液膜清洗方法用得**多,第4种方法常用于艺术品的清洗保护。
  石雕和石刻等年代久远的石质文物艺术品,主要材质为大理石。大理石暴露在周围环境条件下,会导致表面层的产生,也就是通常所说的污垢层。这些污垢包括: 土壤-灰尘沉积物,通常可以在从废墟中挖掘出或陈列着的艺术品中看到。它们含有大量碳酸盐,铝硅酸盐和各种红棕色的铁氧化物。 黑色、树枝状堆积着的污垢,是在一些被不会被雨淋的区域产生的,主要包括了石膏、方解石、硅酸盐、黑色微粒、灰尘的沉积、煤烟等。在清洗石质艺术品时,有两个主要要求:去除污垢层,保持艺术品的原有外形,延长它的使用寿命,以及保持原有的表面,从而强化雕刻的细节。传统上来说,大理石艺术品是使用化学或者机械手段来清洗的。这些传统的方法,往往由于可控性较差而对艺术品本身造成损伤。
  与这些传统的清洗方法相比,在激光清洗过程中,激光清洗技术能精确控制能量输入以及作用位置,在复杂表面控制光束的作用位置,达到清除污垢而不损伤石材的基底。

  在西方的绘画作品中,主要以油画为主。大多数的油画表面都附有一层厚度为0.05~0.08 mm的清漆层。保护油画作品的表面同时提高颜色。但是由于集合作用以及光化作用造成表面的清漆层容易老化,形成黑色、坚固的薄膜层。此外灰尘等外界污染物都会对绘画艺术品原有的颜色造成一定的影响,并且造成绘画作品的视觉变形。传统上的机械清洗与化学清洗可能会导致绘画作品表层的物质损伤,或者化学物质对颜料的破坏。从而对绘画艺术品造成不可修复的破坏。与这些传统的方法相比,采用激光清洗保护技术具有较高的能量以及作用位置的可控性。紫外激光器由于单光子能量较高,利用光分解效应破坏或削弱污染物之间的实现剥蚀,达到清洗的目的。这个过程是一个过程,对周围不产生热作用。因此不会对基体造成很大的影响。在绘画的文物保护方面,激光清洗技术除了去除老化清漆层外,还可以用于修复由于火灾引起的烟熏对绘画作品的破坏。

  在国际上,激光文物清洗与保护技术已经在博物馆文物以及建筑物的清洗和保护方面得到广泛的应用。许多的实例证明了激光清洗是文物和绘画作品清洗过程的有效手段。对于石质基材的文物的清洗一般选用红外的1064nm激光器,其清洗的机理主要基于光与物质产生的力作用达到去除表面污染物的效果。而对于绘画作品,其表面污染物的类型与结合方式与石质材料有很大的差别。红外激光器由于波长较长,单光子能量较低,不能达到去除表面污染物的效果,增加激光功率会对绘画的基底造成烧损。所以在绘画作平的清洗与保护上一般选用波长较短的可见光,或者紫外激光器进行清洗与保护。清洗的机理是基于打断结合键的冷消融作用,其热影响较小或可忽略。不会对艺术品本身造成热破坏。
  激光清洗技术是一种非接触式的清洗技术,与传统的清洗方法相比它能对各种表面污物进行清洗,对环境污染极小,同时可以做到不伤害基体。目前该方法已成为传统清洗方法的重要补充和延伸。国外这方面的研究已开展多年,但在我国还有许多工作要做。