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青铜器文物的腐蚀与防护研究进展

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第26卷第6期 上海电 力 学 院 学报 Vo1.26.No.6 2010年l2月 Journal of Shanghai University of Electric Power Dec.2OlO 文章编号:1006—4729(2010)06—0567—05 青铜器文物的腐蚀与防护研究进展 徐群杰,潘红涛,邓先钦,时士峰,李金光 (上海电力学院能源与环境工程学院,上海200090) 摘要:青铜器具有极高的历史价值、艺术价值和科学价值.但由于长久埋藏于地下以及出土后存贮条件的 等原因,使得古代青铜器面临着严峻的腐蚀防护问题.简要叙述了青铜器的腐蚀原因和产物,深入介绍了 青铜器文物的腐蚀研究方法、腐蚀机理以及保护方法,分析了青铜器保护的研究趋势. 关键词:青铜器文物;腐蚀;防护;缓蚀剂 中图分类号:TG174.4 文献标识码:A Progress of Research on Corrosion and Protection of Ancient Bronze Ware XU Qun-jie,PAN Hong—tao,DENG Xian—qin,SHI Shi—feng,LI Jin—guang (School ofThermal Power andEnvironmental Engineering,Shanghai Unwers ̄y of Electric Power,Shanghai 200090,China) Abstract: Bronze ware has an excellent historical value,artistic value and scientiifc value. However.owing to the fact that it has been buried under ground for a long time as well a8 the limitation of storage constraints after being unearthed,ancient bronze ware faces a severe problem of corrosion protection.The corrosion of bronze ware is briefly reviewed,the research methods, corrosion mechanism and protection methods of bronze ware are deeply described.Finally,research trends in the protection of the bronzes are analyzed. Key words: bronze ware;corrosion;protection;inhibitor 青铜器文物出土前往往在地下埋藏了数百年 乃至上千年,都会有不同程度的损坏和腐蚀,其中 1腐蚀原因及产物介绍 青铜病-】.2 是危害最大的一类特殊腐蚀现象.青 铜器一旦染上青铜病,其蔓延和发展将难以控制, 1.1腐蚀原因 轻则造成青铜器表面的铭文、图案等重要历史考 青铜是一种合金,主要的成分是铜、锡、铅,同 古信息被破坏而使文物价值受到严重损害,重则 时含有极少量的铁、镍、锌、锰、硅、砷、磷等.中国 使器物溃烂穿孔甚至完全解体.因此,在对青铜器 青铜时代的青铜器文物,其成分以锡青铜和铅青 腐蚀原理进行研究的基础上,如何对青铜器文物 铜为主 J.从热力学角度来说,这种组成决定了 进行科学的保护是当前面临的重要问题. 高能位的金属态青铜器最终会自发地转化为低能 收稿日期:2010—09—17 通讯作者简介:徐群杰(1969一),男,博士,教授,江苏丹阳人.主要研究方向为缓蚀剂,电化学,光谱电化学等. E—mail:xuqunjie@shiep.edu.el1. 568 上海电力学院学报 位的化合物态矿石,即表明青铜器的腐蚀是一个 必然的、自发的过程. 在相对适宜的条件(如低温、低湿、无紫外光 照射、无有害气体等)下,青铜器锈蚀层一般可以 保持稳定.若环境发生变化,特别是受温度、湿度 的影响,就很容易产生青铜粉状锈.FITZGERALD 等人 对不同地区铜的大气腐蚀进行了研究,认 为外界环境的影响是导致青铜器腐蚀的重要因 素.因此,青铜器文物由出土前的缺氧环境进入出 土后的富氧环境,这一变化是导致其腐蚀的最主 要原因. 1.2腐蚀产物 青铜器文物在出土时表面一般都会附着大量 腐蚀产物,这些腐蚀产物可分为有害锈和无害锈 两大类. 无害锈可以提高青铜文物的艺术价值,并起 到一定的保护作用.无害锈是青铜器受到水浸土 埋及大气侵蚀后,青铜表面产生变化,从而形成的 保护层,可以使文物不再继续遭受腐蚀.其化学成 分主要包括黑色的氧化铜(CuO),红色的氧化亚 铜(Cu:O),绿色或蓝绿色的碱式碳酸铜(绿铜矿 CuCO3・Cu(OH) ,蓝铜矿2CuCO ・Cu(OH) ), 有时还混有黑色的硫化铜(CuS),白色的锡氧化 物等.这些是青铜锈中稳定的、色彩丰富的、形成 精美古斑的成分.而有害锈会使青铜文物酥粉、毁 溃、寿命缩短,严重时会使整个器物粉化,甚至完 全毁坏.此外,它还能侵害“感染”其他青铜器,在 青铜器自身和青铜器之间相互“传染”.其化学成 分主要是氯化亚铜(CuC1)和碱式氯化铜[CuC1 ・ 3Cu(OH) ],碱式氯化铜是青铜病粉状锈的主要 成分.有害锈是一种发展迅速、恶性膨胀的铜锈, 是对青铜器破坏起主要作用的铜锈 . 2腐蚀研究方法及腐蚀机理 2.1腐蚀研究方法 目前,对于青铜器文物的腐蚀研究方法主要 有化学法、电化学法、光谱法等.化学法不仅可以 用来研究青铜器的腐蚀产物,还可以揭示青铜类 文物的腐蚀过程及机理;电化学法主要通过动电 位极化曲线和电化学阻抗来研究锈层对青铜器基 体的危害性;光谱法主要有红外光谱法、拉曼光谱 法、电子能谱(EDAX)等,通过光谱法可以分析出 锈蚀产物的化学组成、形貌和晶态等. 张展适等人 采用地球化学模式程序研究 了青铜器的蚀变过程,认为青铜器的腐蚀大致可 分为黑铜矿、孔雀石的生成和白铅矿、锡石等矿物 的生成两个阶段.冯丽婷等人 用具有适当孔隙 的电镀Cu—Sn—Pb三元合金作为青铜器模拟试片, 应用腐蚀膏试验和微电极测试研究了氯化亚铜 (CuC1)、碱式氯化铜[cu C1(OH),]和碱式碳酸 铜[cu:(OH):CO,]等腐蚀产物对氧的去极化反 应的影响.Satovic等人 用循环伏安法和电化学 阻抗法研究了Cu—zn二元青铜合金在12 mM的 硫酸钠溶液中的腐蚀情况,循环伏安结果表明青 铜的氧化过程受所形成的氧化锡影响,电化学阻 抗谱表明青铜耐腐蚀性能是由代表发生在腐蚀产 物表面的氧化还原过程的附加高频时间常数控制 的.罗武干等人¨叫利用拉曼光谱对几件九连墩楚 墓出土的青铜器文物的腐蚀产物进行了测试,分 析出了这些青铜器上的锈蚀产物,主要为孔雀石 [CuCO,・Ca(OH) ],存在部分蓝铜矿(2CuCO,・ Cu(OH):)和少许副氯铜矿[Cu (OH),C1].李涛 等人¨ 用拉曼和红外光谱分析出登州博物馆青 铜器文物的腐蚀产物主要有蓝铜矿、孔雀石、氯铜 矿、副氯铜矿、赤铜矿、白铅矿、黄铅矾、方解石等. 2.2腐蚀机理 青铜器物的腐蚀机理不仅与器物所处环境有 关,如土壤中的酸碱度、可溶性盐类、细菌、水分, 大气中的氧气、臭氧、一氧化碳,近海的盐雾、工业 区的有害气体(SO:,H:S)等,而且还与器物本身 的基体组成有关,如含锡高的青铜器物,表层锡被 氧化为氧化锡,形成的锈膜坚硬、致密、光滑,能保 护青铜器免受进一步的腐蚀.多数青铜器物是铜、 锡、铅的三元合金体,其金相组织中有 .共熔体 和( +6)一共析体,并有游离铅呈不均匀分布,它 们中每一个微区都具有不同的电位,可组成多组 微电池,在潮湿的、盐碱性土壤或含氯离子的环境 中,极易产生强烈的电化学腐蚀¨ .因此,即使在 同一时代,由于地区不同、青铜器所含成分不同, 其锈蚀程度和锈蚀产物的颜色均表现出很大差 异,从而增加了青铜器腐蚀研究的难度. 金属腐蚀的基本过程是介质中的粒子在金属 表面吸附并且和金属原子化合.若反应产物不稳 徐群杰,等:青铜器文物的腐蚀与防护研究进展 569 定,容易挥发或分解,则金属会不断被腐蚀,直至 溃烂;若反应产物附着在金属表面成膜,金属原子 和介质中的粒子通过扩散层,不断生成化合物,直 到膜可以阻止这种反应进行,则金属不再被腐蚀. 从青铜器文物的腐蚀形态来看,主要有全面腐蚀 和小孔腐蚀两种 'l2'”]. 2.2.1全面腐蚀 全面腐蚀是指整个金属表面均发生腐蚀,它 可以是均匀的也可以是不均匀的,其腐蚀类型一 般属于微电池腐蚀.就青铜器的腐蚀而言,其最初 的腐蚀产物为氧化亚铜(Cu 0),其反应机理为: Cu Cu +e 阳极 02+2H20+4e OH一 阴极 当阴、阳极区域十分接近时,Cu 阳离子与 OH一阴离子反应形成氧化亚铜Cu 0(赤铜矿), 覆盖于器物表面. 2Cu +20H一_C 20+H20 由于阴、阳离子的扩散,在氧化亚铜腐蚀产物 下,Cu 和电子会穿过氧化层流向外部.在氧化物 表面,Cu 可直接形成铜的氧化物(CuO),或间接 形成碱式碳酸盐.其反应机理为: Cu2O CuO+Cu Cu Cu +2e Cu +C03 一+20H一一2e_Cu(OH)2CO3 有些腐蚀产物层在金属与环境介质之间形成 屏障,降低腐蚀速度,形成保护膜.这种腐蚀层一 般很薄,有难溶、几乎无多孑L性、密度小于原金属、 紧贴于金属表面,以及离子传导性弱等特点. 2.2.2/I, ̄L腐蚀 小孔腐蚀是集中在青铜器表面某点向深处发 展的腐蚀形式,带有青铜病的青铜器外表通常都 会长出一个腐蚀产物瘤,上面是堆积的硬质腐蚀 产物堆,蚀孔的表面常覆盖一层暗红色的氧化亚 铜,蚀孔底部则是白色的氯化亚铜.生成粉状锈的 反应如下. (1)在青铜器表面层的某些薄弱部位,有时 过量的水和氧气会直接进入到氯化亚铜层,并与 其反应生成膨松的碱式氯化铜: 4CuC1+4H20+02一CuCl2・3Cu(OH)2+2HC1 (2)Cu与环境中的Cl一发生电化学作用,直 接生成白色的腐蚀产物氯化亚铜;生成的盐酸接 触到氧化亚铜层时,与其反应生成碱式氯化铜;接 触到碱式碳酸铜时,与其反应也生成碱式氯化铜: Cu+Cl—+CuCl+e 2Cu20+2HC1+2H20+02—}CuCl2・3Cu(OH)2 2[CuCO3・Cu(OH)2]+2HC1+2H2O— CuC1・3Cu(OH)2+2C02+2H20 因此在铜器上形成了粉状结构锈蚀,膨松的 粉状层更加有利于水分和氧气进人内层,使锈蚀 不断扩展、深入,直至器物粉化毁坏.青铜铸件的 缺陷,如缩孔、裂纹、小孔洞及表面的不均匀等都 有可能为形成点状腐蚀创造条件.一旦锈层或沉 积物将阴、阳极之间的电子通道完全封闭,则这种 腐蚀便可在锈蚀或结痂层的掩盖下暂时稳定. 3保护方法 为了控制青铜器腐蚀这一顽症,国内外学者 对其机理进行了研究¨ ’ J.如果青铜器表面的锈 蚀产物是有害锈,则必须进行处理,其主要处理方 法有除锈法和缓蚀剂保两种. 3.1除锈保 要去除青铜器的锈层,应先准确测出锈蚀产 物的成分,判断是否为有害锈,并根据青铜器自身 的情况和腐蚀的状态来设定处理方案.对青铜器 腐蚀产物的技术处理方法,国内外文物保护科技 人员做了多方面的探索和研究. 3.1.1物理除锈法 物理方法去锈口 删作为一种表面处理技术, 不能将器物深部的有害锈去除,且工艺很难把握, 容易损伤器物本体. (1)机械法使用锤子、刻刀、凿子等工具, 将暴露在青铜器表面的粉状锈和下面掩盖的灰白 色氯化亚铜,细心地剔挖,扫刷清除.此法虽不能 根除有害锈,但不可缺少.除锈过程中要轻巧、熟 练,不可留有刮痕. (2)超声波去锈法超声波能产生单向力和 空化作用.当被击物体的尺寸大小接近或等于超 声波波长时,会发生共振现象,从而产生高压力, 将附在青铜器表面的锈蚀物振掉. (3)激光去锈法激光机发射的激光束瞬间 产生的能量,可使青铜器表面温度迅速升高,从而 产生光热效应使锈化物熔离基体.但是这种方法 尚不成熟,不适用于大面积粉状锈的清除. 3.1.2化学除锈法 化学除锈法¨ 驯主要是使用化学试剂配制 570 上海电力学院学报 除锈液,将带有害锈的铜器与除锈液接触,使之发 生化学反应.其结果是将青铜器有害锈的祸根氯 化亚铜完全转化为不含氯离子的稳定产物,如氧 化铜、碱式碳酸铜等.此方法反应平和但费时较 长,同时化学药品的处理还会伤害文物本体,影响 青铜文物的外观. (1)水洗法将腐蚀青铜器置于去离子水或 蒸馏水中浸洗,可清除器物表面的污垢,也可溶解 腐蚀层中可溶性的无机盐.用冷热蒸馏水反复清 洗数次,同时检测氯离子,直到在清洗液中检测不 到氯离子为止.用此方法处理青铜器后,应立即进 行干燥,减少水分对青铜器的危害. (2)药物法药物法主要有3种:一是倍半 碳酸钠法,用倍半碳酸钠长时间浸泡,直到铜器表 面变成绿色为止,以溶液中的碳酸根置换氯离子; 二是过氧化氢法,用过氧化氢作为氧化剂,将氯化 物除去,处理过程中剩余的过氧化氢只需稍稍加 热便可全部分解,此法适合处理片浮在器物表面 的有害锈;三是氧化银局部封闭法,氧化银在潮湿 的条件下遇氯化物,形成氯化银的棕褐色角银膜, 从而将含有氯化亚铜的病区封闭起来.此法的缺 点是外观呈棕褐色,不适合大面积处理,且不能根 除有害锈. (3)电化学还原法此法只能用于对局部腐 蚀物的去除,若青铜器通体用电化还原法处理,腐 蚀层会全部去掉,这会使青铜器的珍贵历史价值 受损.电化还原法常用的金属还原剂是锌和铝,电 解质溶液为氢氧化钠。此法对器物局部花纹、铭文 处的除锈处理较为有效. 3.2缓蚀剂保 随着化工、石油、电力、金属加工等领域中缓 蚀剂的迅速发展和广泛应用,文物保护工作者不 断将这些领域中的铜缓蚀剂借鉴应用到青铜文物 的保护工作中,并选择对青铜器腐蚀有抑制作用 的缓蚀剂,以减缓青铜器在介质中或环境中的腐 蚀. 徐群杰、严川伟等人 研究了苯并三氮唑 (BTA)和2一巯基苯并恶唑(MBO)对铜的缓蚀作 用及机理,指出缓蚀膜的生成与铜自身有关,所以 BTA与MBO可有望用于青铜器的保护.祝鸿 范 研究了BTA缓蚀剂在文物保护中的应用, 研究表明,BTA除了可以与锈蚀产物反应外,还 具有使青铜器表面过分氧化变黑的作用.胡钢 在BTA和钼酸钠对青铜的协同缓蚀作用研究中 表明,BTA和Na MoO 复配使用具有良好的缓蚀 效果,能够增强对青铜阳极过程的抑制作用.青铜 表面生成了[Cu(I)BTA]聚合物保护膜,SnO:, PbO,MoO 等金属氧化物沉积在青铜器表面上, 可以改善表面膜的致密性,使其具有良好的抗氯 离子腐蚀性能,从而提高表面膜的保护性能,有效 保护青铜基体. 傅海涛等人¨ 通过AMT(2一氨基一5一巯基一1, 3,4一噻二唑)在青铜.柠檬酸体系中的缓蚀行为发 现,AMT能有效抑制青铜在柠檬酸体系中的腐 蚀.ZUCCHI F等人 的研究表明,AMT能抑制 铜在3.5%NaC1溶液(35℃)中的腐蚀作用,其缓 蚀率达99.8%,是以阳极型为主的混合型缓蚀 剂.朱一帆等人 J也进行了关于AMT缓蚀剂的 研究工作,由STM分析观察得到膜的微观结构 特征是由一种结构单元呈线性、各线型结构单元 之间是相互平行或呈一定角度排列在青铜表面 上、且层与层之问是交错排列的致密的有机络合 聚合物膜,并揭示了青铜上形成的保护膜具有优 良的耐蚀性机理.VERA Rosa等人 研制出新型 缓蚀剂BDTCPP,对青铜器具有较好的缓蚀效果. 万俐等人 研究了AMT复合剂对青铜文物的保 护,通过实验和分析表明AMT复合剂不但可消除 粉状锈,而且对青铜文物起到缓蚀保护的作用,从 而简化了腐蚀青铜文物的传统处理工艺. 4结束语 环境因素是影响腐蚀青铜文物寿命的重要条 件之一,因此针对不同条件使用不同的缓蚀剂尤 为重要.如何开发出缓蚀效果更好、缓蚀性能更加 优良的新型缓蚀剂,使其能够充分延长青铜文物 的寿命,且符合文物保护、考古和鉴赏的要求,这 将是文物保护工作者的主要课题. 参考文献: [1] YING L,l IAITAO F,YIFAN Z,et a1.Study on the inhibiting behavior of AM.r on bronze in 5%citric acid solution[J]. 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