微波预处理在古代饱水木材PEG脱水应用的初探研究

王亚龙

（广东省博物馆 广东省文物保护科技中心，广东 广州 510623）

微波预处理在古代饱水木材PEG脱水应用的初探研究

王亚龙

（广东省博物馆 广东省文物保护科技中心，广东 广州 510623）

PEG法(聚乙二醇法)是饱水木质文物处理中比较典型的一种方法，大分子量的PEG更利于木质的长久保存，但也存在严重缺点，如PEG大分子难以进入木质内部，可能造成木质收缩，且处理周期相当长。本文以低功率微波辐射对饱水木材进行预处理，再用PEG4000浸渍脱水，结果表明：微波预处理加快了PEG大分子向木质内部迁移，尤其在非水相条件下处理60 s，木材5 cm深度处的PEG含量增加了6.82%，含水率、干缩率和干燥速度分别下降1.70%、16.13%和1.63%，不同深度处的各指标更趋于一致，提高了木材脱水定型的效果。关键词：饱水木材；微波预处理；聚乙二醇；PEG含量；干缩率

木质文物属有机质文物，长时间埋藏于地下或水下，易受到水、微生物等因素的影响而发生腐朽变质，致使木材组织结构破坏，机械强度大幅降低。因此，为了长久保存和展示的需要，饱水木质文物通常要经过脱盐、脱水加固、干燥和后期修复等处理，而脱水处理对最终的保护效果有重要影响，相关方法[1]中以溶液置换法为主。PEG法（聚乙二醇法）是饱水木材处理中比较典型的一种方法，尤其处理大型木质文物。大分子量的PEG更利于木质的长久保存，但也存在严重缺点，如PEG大分子难以进入木质内部，可能造成木质收缩[2-4]，同时不同浓度梯度式脱水方式渗透速度缓慢，小件器物至少需要一年，而大件器物需2～3年才能完成[1]，因此寻找一种安全高效的技术手段显得非常必要。微波辐射具有即时性，选择性和高效性，能够使含水率高的木材内部纹孔膜[5,6]或薄弱组织产生微观破坏，从而提高流体的迁移能力以及木材的干燥速度和质量[7]。在保证木材外观的前提下，本文拟以低功率微波对饱水木材在水相和非水相条件下进行预处理，再用PEG4000浸渍脱水，通过测定木材不同深度处含水率、干缩率、PEG含量和干燥速度，对饱水木材PEG脱水效果进行分析和评价，从而探讨微波预处理技术在饱水木质文物脱水保护中的可行性。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

木材：“南澳I号”船材残片，含水率316%，完成脱盐后水体电导率68.82 μs/cm；PEG4000，纯度＞99%，水分含量0.69%，德国Merck公司；格兰仕G70D20CN1P-D2（S0）微波炉，输出功率700 w，振荡频率2 450 MHz；梅特勒-托利多HS153卤素水分测定仪；梅特勒-托利多Refracto 30PX 折光率仪；梅特勒-托利多ML204分析天平；美墨尔特UF110 plus烘箱；力易得不锈钢数显游标卡尺。

1.2 实验方法

1.2.1 样品制备

按下列步骤制备样品[8]：（1）根据实验木材的尺寸，沿纵向将其切割成长9 cm的试样，再加工若干纵切面为1 cm×1 cm的样块；（2）按表1处理试样A，B，C和D，完成后再将各试样浸于纯水中若干天，完全饱水后取出并用吸水纸去除表面水分，用防水胶将各试样径、弦切面封护，只留两端纵切面；将各试样密封保存，待防水胶干透后置于质量百分比浓度为30%的PEG4000溶液中浸渍，保持40 ℃恒温处理28 d，并按实验要求天数分别进行质量和尺寸测定，处理完成后拭干表面溶液，备用；（3）将试样A去除表面胶层，如图1所示，沿纵向切割成长1 cm的小段并标记为A1，A2……A9，再将每小段一分为二，并从左到右依次标记为试样A1a，A1b，A2a，A2b，……，A9a，A9b；按上述步骤制备试样B，C和D，备用。

表1 试样微波预处理方式Table 1 Microwave pretreatment mode of wood specimens

图1 试样切割标记示意图像Fig.1 Sample cutting mark of wood specimens

1.2.2 PEG折光率-浓度标准曲线的建立

将PEG4000配制成不同浓度（w/w）的溶液，并分别测定20℃时的折光率，使用Origin绘图软件对散点图进行线性拟合，得到PEG4000浓度与折光率之间的标准函数曲线（见图2）方程：Y=0.146 97X+0.133 269，差方R2=0.999 83，说明拟合效果较好。因此，通过测定溶液的折光率可知溶液的浓度，从而计算出溶液中PEG4000的含量。

1.2.3 含水率和干缩率的测定

图2 PEG4000浓度与折光率的标准函数曲线Fig.2 Standard function curve of PEG concentration and refractive index

从试样A两端向内间隔取样，即取A1b，A2b，A3b，A4b，A5b，A6a，A7a，A8a，A9a,测定各试样的初始质量m0和体积V0，再用水分测定仪在103℃条件下测定试样水分，完成后从仪器上读出相对含水率MC和所用时间t，并测定干燥后试样的最终体积Vt，分别通过公式（1）和公式（2）计算木材的绝对含水率AM和体积干缩率△V，试样B、C和D测试方法同上；

1.2.4 木材中PEG含量测定

从试样A取样测定，即取试样A1a，A2a，A3a，A4a，A5a，A6b，A7b，A8b 和 A9b， 分 别加入m1纯水，密封并置于70℃烘箱保持4 d，将木材中的PEG溶解于水中，再使用折光率仪测定PEG水溶液的浓度，记作c1，试样B，C和D测试方法同上。

木材不同深度处PEG含量可由下列公式计算得出，记作m：

式中，c1为PEG水溶液浓度，注：经测定，3 d后PEG水溶液浓度已基本稳定，可近似代替木材试样内部PEG浓度；m1为纯水的加入量，g；m2为试样含水量，g。

而m2可由试样的初始质量m0和相对含水率MC计算得出，公式如下：

1.2.5 干燥速度的测定

干燥速度为单位时间内单位面积所蒸发的水量，由于本试验各测试样品面积相等，即可用单位时间内蒸发的水量来表示试样的干燥速度，计算公式如下：

式中，m2为试样含水量，g；t为试样烘至绝干所用时间，h。

2 结果与分析

2.1 浸渍时间对质量的影响

图3为不同浸渍天数下各试样的质量较初重的增重率的变化情况。从图中可以看出，随浸渍天数的增加，各试样的质量逐渐增加，14 d后增重趋于放缓。这是由于在处理初期，浸渍液与木材之间存在一定的浓度差，PEG大分子扩散进入了木材组织内部，并逐渐将水分置换出来，当进入木材的PEG量大于置换出的水量时，即引起木材质量的增加。随着浸渍时间的增加，木材内浓度差减小，PEG分子向木材内部转移速度放缓，从而导致木材增重不明显。从图中还可以看出，随着微波预处理时间的增加，试样的增重幅度加大，其中，木材试样C增重效果显著，与试样A相比较，处理1 d后试样B和C质量的增量分别为A的1.2倍和1.6倍，而28 d后这一数值升至1.36倍和2.18倍，而试样D变化不明显。这说明在非水相条件下，微波预处理能在一定程度上促进PEG大分子向木材内部的迁移，微波辐射时间越长，PEG的迁移量越大。

图3 不同浸渍天数下木材的增重变化Fig.3 Changes of wood weight under different soaking days

2.2 不同深度处含水率的变化

图4为各木材试样在PEG浸渍处理28 d后不同深度处含水率的变化情况。经测定，原饱水木材的含水率为316%，从图中可以看出，各试样用浓度为30%的PEG溶液处理后，其含水率基本维持在100%～120%之间，各试样不同深度处的含水率存在一定差异，从中间向两端含水率依次下降。木材同一深度处，微波预处理试样B、C的含水率较试样A低，这是因为微波预处理有助于改善木质内部的通透性，使得PEG大分子的迁移能力增强，置换出更多的水分，从而使含水率下降，微波预处理时间越长，木质内部的含水率就越低，与试样A相比较，微波预处理试样B和C中间（即5 cm处）含水率减少了0.4%和1.7%，而试样D含水率与A基本一致。

2.3 不同深度处PEG含量的变化

图5为各木材试样在PEG浸渍处理28 d后不同深度处PEG含量的变化情况。从图中可以看出，PEG含量从木材试样中间向两端逐渐升高，PEG分子在木材中呈现着内高外低的浓度梯度分布，这主要是因为木材的组织结构在一定程度上阻碍PEG的迁移作用，深度越大，迁移阻力也就越大，PEG含量相应也就越低。从图中还可以看出，经微波预处理的试样，其中心的PEG含量较未处理试样有所升高，处理时间越长，PEG含量越大。以中间（5 cm处）为例，与试样A相比较，试样B、C和D的PEG含量增幅分别为1.95%、6.82%和2.12%。这说明木材经微波辐射处理后，PEG大分子向木材内部迁移能力增加，很可能的原因是微波预处理对木材的内部结构产生微观破坏，从而为PEG大分子向木材更深层次的迁移开辟了通道。与未处理试样A比较，试样C中心位置与附近2～3 cm处的PEG含量差值变小，也说明微波处理的无梯度加热方式可以改善木材的通透性，通过水分汽化的压力使木质内部坚硬的内核产生一定的微观空隙，从而提高流体的迁移能力，加快了木材脱水的速度，但在水相条件下，整个水体成了微波的主要负载，因此木材内水分无法短时间内汽化，故试样D的PEG含量未出现试样C那样的显著变化。

图4 木材不同深度处含水率的变化Fig.4 Changes of moisture content in different depths of wood

图5 木材不同深度处PEG含量的变化Fig.5 Changes of PEG content in different depths of wood

2.4 不同深度处干缩率的变化

图6为各木材试样在PEG浸渍处理28 d后不同深度处干缩率的变化情况。经测定，原饱水木材的体积干缩率为146.8%，从图中可以看出，经PEG溶液浸渍处理后木材的干缩率降至60%以下，可见PEG脱水处理可以在很大程度上提高饱水木材的形稳性，主要是填充于木材纤维间空隙和纤维细胞腔内的PEG大分子减少了干燥应力对木材结构的破坏。与试样A相比较，试样B、C和D在中间处的干缩率分别下降了7.13%、16.13%和5.54%。另外还可发现，同一试样不同深度处的干缩率差异也有所变小，尤其是试样C，这是因为微波预处理时间越长，木材内部PEG含量就越高，从而对木质内部的支撑作用越大，干燥时的形变量越小，干缩率也就越小；再者，微波预处理还能在一定程度上改善木质内核的通透性，使得PEG大分子在木材内部的分布更均衡，不同深度处的干缩率差异变小，从而防止了干燥开裂等现象的出现。

图6 木材不同深度处干缩率的变化Fig.6 Changes of dry-shrinkage rate in different depths of wood

2.5 不同深度处干燥速度的变化

图7 木材不同深度处干燥速度的变化Fig.7 Changes of drying rate in different depths of wood

图7为木材各试样在PEG浸渍处理28 d后不同深度处干燥速度的变化情况。从图中可以看出，各试样的干燥速度都呈现出内高外低的趋势，试样内部干燥速度大说明单位时间内蒸发的水分较多，这与内部含水率高有直接关系。同时，从图中还可以看出，木材同一深度处的微波预处理试样较未处理试样的干燥速度有所下降，但降幅不大，与试样A相比较，试样B、C和D在中间处干燥速度下降幅度分别为0.55%、1.63%和0.85%，这可能与PEG含量的增加有关，与木材纤维相比较，PEG的亲水能力更强，能在一定程度上减缓水分蒸发，根据上述结论，微波预处理时间增加，木材内的PEG含量也随之增加，虽然干燥速度有所下降但幅度较小，因此对干燥周期的影响甚微。

3 结论与讨论

在本实验条件下，以低功率微波辐射对古代饱水木材进行不同方式的预处理，再用浓度为30%的PEG4000浸渍脱水，通过相关指标的测定，得出如下结论：微波预处理能在一定程度上加快PEG大分子向木质内部的迁移，处理时间越长，木材的增重幅度越大；在功率为700 W，频率为2 450 MHz的非水相微波条件下处理试样60 s，与未处理试样相比较，木材5 cm深度处的PEG含量增加了6.82%，含水率、干缩率和干燥速度分别下降1.70%、16.13%和1.63%；同时，木材试样不同深度处的各指标更趋于一致。

通过微波辐射对古代饱水木材进行预处理，试验发现在非水相条件下，短时间微波预处理能在一定程度上提高木材脱水定型的效果，这是探索饱水木质文物保护新方法的有益尝试。但由于实际条件所限，本研究还存在以下不足之处：（1）未开展不同PEG溶液浓度下的脱水试验，浸渍液浓度对饱水木材性质有不同影响[4]；（2）仅采用家用低功率微波进行试验，而大功率专用微波设备对木材的改性效果显著[9]，由于饱水木质文物普遍含水率高且相对脆弱，需根据试样状况谨慎选用适当功率，以防止预处理过程中木材发生剧烈收缩等问题。

[1]王鑫晓.饱水木质文物保护的研究-模拟样:泡桐/聚乙二醇-200双甲基丙烯酸酯[D].郑州:郑州大学,2006:3-13.

[2]AM Rosenqvist. The Stabilizing of Wood Found in the Viking Ship of Oseberg:Part I[J]. Studies in Consevration,1959(4):13-22.

[3]AM Rosenqvist. The Stabilizing of Wood Found in the Viking Ship of Oseberg:Part II[J].Studies in Consevration,1959(4):62-72.

[4]姜进展.木材在PEG法处理过程中收缩原因的研究[J].文物保护与考古科学,1995,7(2):57.

[5]吕悦孝,薛振华,薛利忠.微波改性木材的超微观察[J].内蒙古林业科技,2001(4):32.

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[7]李贤军,傅 峰,周永东,等.木材微波改性技术研究进展[J].材料导报,2007,21(11A):295.

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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

广东省宣传文化人才专项资金项目（2015-01）

王亚龙，文博馆员，硕士；E-mail：gdmwyl@qq.com

王亚龙.微波预处理在古代饱水木材PEG脱水应用的初探研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(11): 172-176.

[本文编校：吴 毅]