古青铜器修复—原子灰补配性能研究

冯泽霖 蔡毓真 倪炎

（1.北京城市学院，北京 101309；2.首都博物馆，北京 100045）

0 引言

随着时代的进步、科技的发展，在文物修复领域中出现新型材料也是层出不穷。以青铜修复为例来说，从刚开始出现的焊锡法、铜补铜、失蜡补铸等传统修复方法，逐渐转变为以环氧树脂、CDK502、速成钢等新型高分子材料。这些新型材料相对于传统材料而言，操作简单、安全系数高，可以针对不同情况制定专属于这一件器物的修复方案和材料选用，而传统的修复手法一般使用固定的配方，具有单一性。

这些高分子材料虽然优点众多，但市面上同一种高分子材料又分为不同品牌、不同厂家。我们需要在众多品牌中挑选出最合适的一款，将其应用在实际修复中，因此对材料进行系统的性能研究是必不可少的。在性能研究过程中会利用老化实验来测试材料的耐候性，通过老化前后的性能测试来进行综合对比。

1 实验材料与条件

1.1 材料说明及选用

原子灰是一种新型嵌填的高分子材料，因其附着力强并在干燥过程中不产生裂纹被广泛使用。由主体灰和固化剂两部分构成，主体灰的成分多为不饱和聚酯树脂和填料。固化剂的成分一般为增塑剂和引发剂，与主体灰混合引发聚合作用增加材料的强度并快速固化附着在物体表面。

因有了这些特性，原子灰非常适合且广泛应用于不同行业，如汽车修补、家具、模具、金属制品、木制品、玻璃钢制品等领域。主要针对底料凹陷、焊接、缺陷的填补，以满足面漆底材表面平整光滑的要求。

原子灰的主要成分为不饱和聚酯树脂，即我们生活中俗称的腻子，是由饱和或不饱和二元酸二元醇缩聚而成的高分子化合物。通常在聚酯化缩聚反应后加入定量的乙烯基单体配成聚合物溶液，称之为不饱和聚酯树脂。

由于原子灰品牌繁多，所以选用市面上和修复中使用率最高的五款不同品牌原子灰，分别为：三本牌原子灰、道酬多功能原子灰、吴卓汽车原子灰、威克纳汽车原子灰及金雅特汽车原子灰。

1.2 实验仪器及实验方法

实验方法参照了温建华先生《陶瓷修复材料的综合研究》一文中关于陶瓷修复材料的性能研究方法。

实验材料选用市面上和修复中常用的五种不同品牌原子灰，分别与固化剂充分混合后形成五种补配材料，共分三组进行测试：第一组通过色差分析、邵氏硬度、抗折、抗冲击、光泽度共五种测试，记录数据并绘制图表，对比出五种不同品牌原子灰的性能；剩下两组分别进行紫外光老化和湿热老化，老化结束后进行第一组的所有性能测试，记录数据并绘制图表。

实验仪器使用标准与操作规范按照国家标准法进行，具体实验仪器及其所参照的国家标准法如下。

抗折测试按《陶瓷材料抗弯强度试验方法（GB/T 4741—1999）》规定执行，将试样固定在仪器底座上，缓慢转动摇杆，使仪器金属头接触到试样的中心点并给它一个垂直向下的压力，迫使试样折断，记录仪器上显示折断所需的力。

抗冲击测试按《塑料 悬臂梁冲击强度的测定（GB/T 1843—2008）》规定执行，将试样放置在对应卡空中，启动摆锤将试样冲击断裂，记录仪器上显示冲击断裂所需的能量。

邵氏硬度测试按《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）（GB/T 2411—2009）》规定执行，将试样放置在硬度计试验台上，向下按压侧边把手，使硬度计的探针刺入试样内，记录表头数据。

色差测试按《日用陶瓷颜料色度测定方法（GB/T 4739—2015）》规定执行，色差仪8mm口径，测量平整样本，检测速度0.5s，黑白板校正，颜色空间CLELab，量程L：0～100。测试试样老化前后的色差值变化。色差值的评判标准如表1所示。

表1 色差值评判标准

光泽度测试按《日用陶瓷颜料光泽度测定方法（GB/T 15614—2015）》规定执行，测试试样老化前后的光泽度值变化。光泽度值的分级标准如表2所示。

表2 光泽度值分级标准

紫外光老化测试参照《塑料 实验室光源暴露试验方法 第3部分：荧光紫外灯（GB/T 16422.3—2014）》，使用UVA-340老化灯管40w两只，灯光长度600mm，直径38mm，灯管采用荧光紫外灯光源。使用锡箔纸将托盘包裹住，目的是反射紫外光使光照更加均匀，之后依次将试片码放好即可。测量好紫外光灯的辐照度，将制作好的试片放入紫外线试验机内，分别在老化24h、48h、72h、96h、180h、260h、340h、420h、500h取出进行色差、光泽度测试及邵氏硬度测试。待老化结束后进行第一组试片的所有实验对比得出材料的耐候性能。

湿热老化参照《胶粘带耐高温高湿老化的试验方法（GB/T 32368—2015）》，进行湿热干冷交替老化实验，仪器设置温度40℃，相对湿度90%。12h后将试片取出放在室内12h进行干冷环境下的老化，之后重复此操作直至累计到500h。分别在老化24h、48h、72h、96h、180h、260h、340h、420h、500h取出进行色差和光泽度测试。待500h老化后取出进行抗折和抗冲击测试。

1.3 试片规格

实验共涉及三种不同试片，分别为条形试片，正方形试片及哑铃试片，具体规格如下。

条形试片：长63.5mm，宽12.7mm，厚4.6mm；正方形试片：长40mm，宽40mm，厚10mm；哑铃试片：两边正方体的规格为长10mm，宽10mm，厚10mm，中间相连的长方体长30mm，宽5mm，厚10mm。

2 实验结果

2.1 抗折测试

将制成的哑铃试片，使用推拉力试验机测量材料的抗折性，用经过测验后得到数据，通过三点抗折强度公式求取强度。

紫外光老化：图1为实验用原子灰紫外光老化前后抗折测试差值，图中观察到道酬多功能原子灰折断所需要的能量从老化前的0.97MPa略降至0.95MPa，折断所需要的能量增加了0.02MPa，受老化影响最小。金雅特汽车原子灰折断所需要的能量从老化前的1.14MPa略降至1.08MPa，虽然金雅特汽车原子灰是五种不同品牌原子灰中初始性能最好的，但却是五种不同品牌原子灰中老化程度最大的一款原子灰，折断所需要的能量减少了0.06MPa，受老化影响最大。

图1 实验用原子灰紫外光老化前后抗折测试差值

湿热老化：图2为实验用原子灰湿热老化前后抗折测试差值，图中观察到三本牌原子灰折断所需要的能量从老化前的0.94MPa降低至0.66MPa，虽然三本牌原子灰是五种品牌原子灰初始性能最低的，但是经过500h的湿热干冷环境交替后老化程度并没有很大的变化，折断所需要的能量减少了0.28MPa，受老化影响最小。金雅特汽车原子灰折断所需要的能量从老化前的1.14MPa降低至0.62MPa，虽然金雅特汽车原子灰是五种不同品牌原子灰中初始性能最好的，但却是五种不同品牌原子灰中老化程度较大的一款原子灰，折断所需要的能量减少了0.52MPa，受老化影响最大。

图2 实验用原子灰湿热老化前后抗折测试差值

2.2 抗冲击测试

首先检查仪器的试片规格是否为条形试片的规格，将模式切换为损耗模式，将摆锤进行一次空摆测量出仪器的空损，再将模式切换为冲击模式，把制作好的试片夹在夹具中进行测试，并将数据记录在表。

紫外光老化：图3为实验用原子灰紫外光老化前后抗冲击测试差值，图中观察到三本牌原子灰被折断所需要的力从老化前的31J/M降低至20.79J/M，折断所需的力减少了10.21J/M，虽然三本牌原子灰的初始性能是物种材料中最低的，但它相对于其他四种材料来说受老化影响是最小的。威克纳汽车原子灰折断所需要的力从老化前的41.38J/M降低至14.7J/M，折断所需要的力减少了26.68J/M，是五种材料中受紫外光老化影响最大的一款。

图3 实验用原子灰紫外光老化前后抗冲击测试差值

湿热老化：图4为实验用原子灰湿热老化前后抗冲击测试差值，图中观察到三本牌原子灰被折断所需要的力从老化前的31J/M降低至30.7J/M，折断所需的力减少了0.3J/M，虽然三本牌原子灰的初始性能是物种材料中最低的，但它相对于其他四种材料来说受老化影响是最小的。道酬多功能原子灰折断所需要的力从老化前的36.69J/M降低至45.03J/M，折断所需要的力增加了8.34J/M，是五种材料中受湿热老化影响最大的一款。

图4 实验用原子灰湿热老化前后抗冲击测试差值

2.3 色差测试

紫外光老化：图5为实验用原子灰紫外光老化前后色差测试差值，图中观察到道酬多功能原子灰在老化500h时达到峰值，色差值为6.7NBS，色差变化严重，L值降低了3.59，a值升高了3.28，b值升高了4.6，受老化影响最大。金雅特汽车原子灰在老化500h时色差值为2.15NBS，色差变化轻微，L值降低了1.9，a值上搞了0.84，b值升高了0.56，受老化影响最小。

图5 实验用原子灰紫外光老化前后色差测试差值

湿热老化：图6为实验用原子灰湿热老化前后色差测试差值，图中观察到道酬多功能原子灰在老化500h时达到峰值，色差值为7.49NBS，色差变化严重，L值降低了4.84，a值升高了5.56，b值升高了1.3，受老化影响最大。金雅特汽车原子灰在500h时达到峰值，色差值3.61NBS，色差变化明显，L值降低了3.26，a值升高了1.54，b值升高了0.16，受老化影响最小。

图6 实验用原子灰湿热老化前后色差测试差值

2.4 邵氏硬度测试

分别在老化24h、48h、72h、96h、180h、260h、340h、420h、500h取出，将表头调整至归零标准后进行测试，将数据记录在表。

紫外光老化：图7为实验用原子灰紫外光老化前后邵氏硬度测试差值，图中观察到吴卓汽车原子灰的硬度相比老化前的硬度没有改变，老化前后的硬度保持不变，为77.3HD，由此可见相比其他四款原子灰受紫外光老化的影响是最小的。威克纳汽车原子灰的硬度相比老化前的82.2HD降低至77.2HD，折硬度降低了5HD，是五种原子灰中硬度变化最大的一款，说明它受紫外光老化的影响是最大的。

图7 实验用原子灰紫外光老化前后邵氏硬度测试差值

湿热老化：图8为实验用原子灰湿热老化前后邵氏硬度测试差值，图中观察到道酬多功能原子灰的硬度相比老化前的77.8HD增高至77.9HD，硬度增强了0.1HD，由此可见它相比其余四款原子灰受紫外光老化的影响是最小的。金雅特汽车原子灰的硬度相比老化前的84.5HD降低至80.2HD，硬度降低了4.3HD。是五种原子灰中硬度变化最大的一款，说明它受湿热老化的影响是最大的。

图8 实验用原子灰湿热老化前后邵氏硬度测试差值

2.5 光泽度测试

分别在老化24h、48h、72h、96h、180h、260h、340h、420h、500h取出，将光泽度仪校准后进行测试，将数据记录在表。

紫外光老化：图9为实验用原子灰紫外光老化前后光泽度测试差值，图中观察到三本牌原子灰的光泽度从老化前的2GU增高至3GU，光泽度增高了1GU。相比其余原子灰受紫外光老化的影响是最小的。威克纳汽车原子灰的硬度相比老化前的2GU增高至3.4GU，光泽度增高了1.4GU，是五种原子灰中光泽度变化最大的一款，说明它受紫外光老化的影响是最大的。

图9 实验用原子灰紫外光老化前后光泽度测试差值

湿热老化：图10为实验用原子灰湿热老化前后光泽度测试差值，图中观察到三本牌原子灰的光泽度从老化前的2GU增高至3GU，光泽度增高了1GU。是五种原子灰中光泽度变化最大的一款，说明它受紫外光老化的影响是最大的。吴卓汽车原子灰的光泽度相比老化前的光泽度没有改变，老化前后的光泽度保持不变，为2GU，由此可见相比剩余四款原子灰受紫外光老化的影响是最小的。

图10 实验用原子灰湿热老化前后光泽度测试差值

2.6 小结

实验选用了五种不同品牌原子灰，在紫外光老化和湿热老化的条件下进行了五种不同性能测试，通过分析实验数据挑选出变化幅度最小与最大的两种材料进行讨论。

3 结论

将实验用原子灰在紫外光老化和湿热老化前后的各项性能测试数据进行整理，将老化前后数据的差值进行比对，绘制成雷达图，如图11、图12所示。

图11 实验用原子灰紫外光老化前后各项测试差异图

图12 实验用原子灰湿热老化前后各项测试差异图

经过500h的紫外光老化，五种实验用原子灰呈现出了相同的趋势，老化影响较大的分别为材料的光泽度和抗冲击性能上，就光泽度而言，五种材料老化前后的光泽度值都在2GU～6GU的范围内，属于平光肉眼不可分辨，所以老化对于光泽度的影响可以忽略不计。就抗冲击性能而言，可以观察到三本牌原子灰和吴卓汽车原子灰受紫外光老化的影响明显小于其余三种原子灰。

在经过500h的湿热老化，五种实验用原子灰出现了数据趋势上明显的差异，通过制作的雷达图可以很清晰地观察到各品牌原子灰在湿热老化条件下耐候性，吴卓汽车原子灰变化幅度较小，绝对数值上也是最小的，所以吴卓汽车原子灰最优。

综上所述，结合紫外光和湿热老化，五种材料耐候性能最好的为吴卓汽车原子灰，是五种材料中最适合应用在青铜器修复之中的。

注释

①温建华.陶瓷保护修复材料的综合研究[D].北京：北京大学，2018.

②国家质量技术监督局.陶瓷材料抗弯强度试验方法（GB/T 4741—1999）[S].北京：中国标准出版社，2000.

③中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.塑料 悬臂梁冲击强度的测定（GB/T 1843-2008）[S].北京：中国标准出版社，2008.

④中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）（GB/T 2411—2008）[S].北京：中国标准出版社，2008.

⑤中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.日用陶瓷颜料色度测定方法（GB/T 4739—2015）[S].北京：中国标准出版社，2015.

⑥中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.日用陶瓷颜料光泽度测定方法（GB/T 15614—2015）[S].北京：中国标准出版社，2015.

⑦中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.塑料 实验室光源暴露试验方法 第3部分：荧光紫外灯（GB/T 16422.3—2014）[S].北京：中国标准出版社，2014.

⑧中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.胶粘带耐高温高湿老化的试验方法（GB/T 32368—2015）[S].北京：中国标准出版社，2015.