鐵質(zhì)文物保護(hù)視角下腐蝕機(jī)理及防腐蝕保護(hù)技術(shù)研究

摘 要：我國(guó)作為世界文明古國(guó)，擁有燦爛悠久的文明，也是世界上已知的最早開始使用鐵質(zhì)器物的國(guó)家和地區(qū)之一。鐵質(zhì)文物由于其本身材質(zhì)的原因成為目前保存難度最高的文物之一，研究鐵質(zhì)文物的保護(hù)技術(shù)對(duì)于發(fā)掘和保護(hù)鐵質(zhì)文物具有重要意義，對(duì)于研究我國(guó)歷史時(shí)期的發(fā)展以及其他方面的內(nèi)容都具有極大的價(jià)值。文章首先對(duì)造成鐵質(zhì)文物腐蝕的因素進(jìn)行分析，其次主要探討相關(guān)的防腐保護(hù)技術(shù)，以期可以為鐵質(zhì)文物的保護(hù)工作提供一點(diǎn)參考。

關(guān)鍵詞：鐵質(zhì)文物;腐蝕機(jī)理;因素;技術(shù);原則

鐵是繼青銅之后我國(guó)先民發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)生活的一種重要材料，代表著我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展。隨著考古工作的推進(jìn)，發(fā)掘了大量的鐵質(zhì)文物，但是其中大部分鐵質(zhì)文物因長(zhǎng)期處于地下環(huán)境當(dāng)中，已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，再加上發(fā)掘后其所處環(huán)境的變化會(huì)使鐵質(zhì)文物進(jìn)一步受到影響。鐵元素化學(xué)性質(zhì)活潑，可以在多種環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成本身性質(zhì)的改變。為了最大限度地保護(hù)好鐵質(zhì)文物，就必須采取各種技術(shù)手段做好鐵質(zhì)文物的防腐蝕保護(hù)。

1 造成鐵質(zhì)文物腐蝕的因素

受古代冶煉技術(shù)所限，生產(chǎn)的鐵器結(jié)構(gòu)不均勻，其中含有大量雜質(zhì)，使其本身穩(wěn)定性不高，這就使得鐵質(zhì)文物更容易受到腐蝕[1]。由于鐵元素可在多種環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以造成鐵質(zhì)文物腐蝕的原因相對(duì)較多，具體可以分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要包括鐵質(zhì)文物本身的化學(xué)成分構(gòu)成、本身結(jié)構(gòu)等;外部因素主要是鐵質(zhì)文物所處環(huán)境中濕度、溫度、氧氣、地質(zhì)條件等。

1.1 外部因素

大氣腐蝕。大氣條件中所發(fā)生的鐵質(zhì)文物腐蝕稱為大氣腐蝕，這也是鐵質(zhì)文物最為普遍的腐蝕現(xiàn)象之一。大氣環(huán)境中的氣體、溫度、濕度、塵類等都會(huì)對(duì)鐵質(zhì)文物造成影響，其中氧氣、氯氣、二氧化硫以及二氧化氮等對(duì)鐵質(zhì)文物的影響相對(duì)較大，鐵質(zhì)文物在大氣環(huán)境下易與這些氣體發(fā)生反應(yīng)。如果鐵質(zhì)文物在腐蝕過(guò)程中生成的腐蝕產(chǎn)物為可溶性的物質(zhì)或是易于發(fā)生水解的物質(zhì)，這種情況會(huì)加速鐵質(zhì)文物的腐蝕速度。若鐵質(zhì)文物在大氣環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物為不溶于水的物質(zhì)，則其腐蝕產(chǎn)物會(huì)逐漸在鐵質(zhì)文物表面形成一層完整的膜，將鐵質(zhì)文物與大氣環(huán)境阻絕，這在一定程度上可以減緩鐵質(zhì)文物的腐蝕。

土壤腐蝕。鐵質(zhì)文物在出土之前發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象稱為土壤腐蝕。土壤腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，由于土壤中含有水分、氧氣、鹽類和酸類物質(zhì)，很容易造成鐵質(zhì)文物腐蝕。一般情況下，土壤為中性，但也存在部分酸性土壤，鐵質(zhì)文物在酸性土壤中發(fā)生的腐蝕是氫去極化腐蝕，而在一般土壤中發(fā)生的是氧去極化腐蝕[2]。在部分相對(duì)干燥且具有一定透氣性的環(huán)境中，鐵質(zhì)文物發(fā)生的腐蝕與大氣腐蝕較為相似，其產(chǎn)生的不溶于水的物質(zhì)也可以起到延緩鐵質(zhì)文物腐蝕的作用。

海水腐蝕。海水腐蝕就是在海水環(huán)境中的腐蝕現(xiàn)象。此類腐蝕主要是古代航船因各種因素沉沒，部分鐵質(zhì)文物沉沒在海底，海水中鹽類物質(zhì)導(dǎo)致鐵質(zhì)文物腐蝕。海水的鹽分中其主要物質(zhì)是氯化鈉，占海水總鹽度近80%，海水腐蝕主要與氯離子有關(guān)。在海水腐蝕中比較常見的是縫隙腐蝕、局部腐蝕、孔狀腐蝕等。

1.2 內(nèi)部因素

我國(guó)古代的鐵質(zhì)器物大部分都屬于灰口鑄鐵，鑄鐵屬于一種多相組織，其主要有鐵元素和石墨構(gòu)成，灰口鑄鐵中石墨呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，對(duì)于灰口鑄鐵而言石墨始于陰極，在一定的條件下，鐵質(zhì)文物會(huì)出現(xiàn)選擇性腐蝕，出現(xiàn)一種多孔石墨骨架，這種腐蝕現(xiàn)象被稱之為石墨腐蝕。在石墨腐蝕的過(guò)程中，隨著鐵質(zhì)文物多孔石墨骨架和腐蝕產(chǎn)物的不斷增加，會(huì)阻止鐵質(zhì)文物與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，從而抑制腐蝕速度。

2 腐蝕產(chǎn)物的成分與結(jié)構(gòu)對(duì)鐵質(zhì)文物的影響

鐵質(zhì)文物的腐蝕產(chǎn)物分為有害物質(zhì)、無(wú)害物質(zhì)兩大類。一般有害物質(zhì)的體積要比鐵質(zhì)文物本身要大，鐵質(zhì)文物在潮濕環(huán)境中發(fā)生腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物就是有害物質(zhì)，這種腐蝕產(chǎn)物屬于一種沉淀物質(zhì)，其顆粒一般比較細(xì)，而且質(zhì)地較為疏松，這就導(dǎo)致水和氧氣浸入相對(duì)比較容易，會(huì)導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象進(jìn)一步加劇[3]。其具體的反應(yīng)過(guò)程如下：

Fe→Fe2++2e

?O2+H2O+2e→2OH-

Fe2++2OH→Fe（OH）2

Fe（OH）2+O2→Fe2O3·H2O或2FeOOH

在潮濕環(huán)境中鐵質(zhì)文物發(fā)生腐蝕時(shí)會(huì)先產(chǎn)生γ-FeOOH，這種物質(zhì)無(wú)法在鐵質(zhì)文物表面形成保護(hù)膜，隨著時(shí)間的推移，這種物質(zhì)會(huì)部分甚至全部轉(zhuǎn)化為α-FeOOH，隨著水和氧氣的浸入又會(huì)產(chǎn)生新的γ-FeOOH，并且極不穩(wěn)定，在這種物質(zhì)不斷生成的過(guò)程中鐵質(zhì)文物的腐蝕層會(huì)逐漸加厚。

而在干燥的大氣環(huán)境或土壤環(huán)境中，鐵質(zhì)文物表面的腐蝕產(chǎn)物主要是鐵元素的氧化物，這種腐蝕屬于無(wú)害物質(zhì)，可以有效保護(hù)鐵質(zhì)文物不再發(fā)生較大的腐蝕。這種腐蝕產(chǎn)物主要是由α-Fe2O3構(gòu)成，其具體的反應(yīng)過(guò)程如下：

3Fe+?O2=Fe3O4（FeO·Fe2O3）

2Fe3O4+?O2=3Fe2O3（α-Fe2O3）

在干燥的大氣環(huán)境或者土壤環(huán)境中，鐵質(zhì)文物在發(fā)生腐蝕時(shí)會(huì)從單價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為Fe2O3，這種物質(zhì)具有相當(dāng)好的致密性與連續(xù)性，可以有效阻止鐵質(zhì)文物的進(jìn)一步氧化。

3 鐵質(zhì)文物的防腐蝕保護(hù)技術(shù)

3.1 緩蝕技術(shù)

鐵質(zhì)文物經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理，可使腐蝕現(xiàn)象得到有效控制，但是仍然存在發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，仍需采取相應(yīng)的措施。緩蝕技術(shù)是當(dāng)前一項(xiàng)應(yīng)用較廣的鐵質(zhì)文物防腐蝕保護(hù)技術(shù)，主要是利用緩蝕劑來(lái)防止或者延緩鐵質(zhì)文物的腐蝕現(xiàn)象。下面具體介紹幾種當(dāng)前應(yīng)用較多的緩蝕劑。

單寧酸復(fù)配緩蝕劑：?jiǎn)螌幩釓?fù)配緩蝕劑主要由5mmol/L單寧酸、10mmol/L硅酸鈉、0.05mmol/L磷酸二氫鋅、3mol/L乙醇胺構(gòu)成，其對(duì)于鐵質(zhì)文物本身的腐蝕作用較小，在緩蝕之后會(huì)在鐵質(zhì)文物表面形成一層穩(wěn)定且均勻的膜，可以有效提升鐵質(zhì)文物的耐腐蝕性[4]。此外，其在緩蝕之后不會(huì)改變鐵質(zhì)文物本身的顏色，這種緩蝕劑用于低硫鑄鐵的鐵質(zhì)文物上效果相對(duì)比較明顯。

復(fù)合氣相緩蝕劑：復(fù)合氣相緩蝕劑在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)古代鐵錢幣的緩蝕效果最佳，可以有效隔絕新腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，可以將質(zhì)地比較疏松的γ-FeOOH轉(zhuǎn)化為相對(duì)比較致密的α-FeOOH。經(jīng)過(guò)緩蝕之后使鐵質(zhì)文物外觀和顏色保持原樣，并在其表面形成一層保護(hù)膜，有效提升體質(zhì)文物的耐腐蝕性能。

硅酸鹽緩蝕劑：硅酸鹽緩蝕劑并不是由單一的硅酸鹽構(gòu)成，而是由聚硅酸鹽構(gòu)成，一般pH值保持在7.0～8.5可以達(dá)到最佳的緩蝕效果。這種緩蝕劑是目前應(yīng)用最為廣泛的緩蝕劑之一，一方面其原料來(lái)源豐富，造價(jià)相較于其他緩蝕劑相對(duì)較低，另一方面硅酸鹽緩蝕劑可以用作多種鐵質(zhì)文物的緩蝕保護(hù)。

有機(jī)緩蝕劑：隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，在文物保護(hù)方面也開始注重使用高效低毒的有機(jī)物質(zhì)。目前已知的有機(jī)緩蝕劑超過(guò)140種，但是大部分都具有一定的毒性，實(shí)用價(jià)值相對(duì)不高。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，有機(jī)緩蝕劑是一個(gè)重要的發(fā)展方向。隨著人們對(duì)于環(huán)境問題重視程度的提升，減少化學(xué)元素的使用、發(fā)展有機(jī)緩蝕劑是文物保護(hù)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.2 鐵質(zhì)文物的封護(hù)技術(shù)

為了使鐵質(zhì)文物得到更好的保護(hù)，以便于人們開展相關(guān)研究和觀賞，并使其有效抵抗大氣環(huán)境中的有害物質(zhì)，在進(jìn)行緩蝕處理之后，還可以利用封護(hù)技術(shù)在鐵質(zhì)文物和外界環(huán)境中構(gòu)建一層屏障保護(hù)鐵質(zhì)文物。對(duì)鐵質(zhì)文物進(jìn)行封護(hù)的材料主要有合成有機(jī)高分子材料、復(fù)合封護(hù)材料，利用封護(hù)材料對(duì)鐵質(zhì)文物進(jìn)行封護(hù)處理之后，可以有效提升鐵質(zhì)文物的防護(hù)效果。目前的封護(hù)材料在耐久性、可去除性等方面還存在一些不足，還需要強(qiáng)化封護(hù)材料的研究，使鐵質(zhì)文物的封護(hù)效果得到進(jìn)一步的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，造成鐵質(zhì)文物發(fā)生腐蝕的因素相對(duì)較多，只有對(duì)各種影響因素進(jìn)行深入的分析研究才能針對(duì)性地采取相應(yīng)的防腐蝕措施。鐵質(zhì)文物作為中華文明的見證，我們有必要也有義務(wù)做好保護(hù)工作，在未來(lái)的研究中，我們還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)緩蝕劑和封護(hù)材料的研究，從而有效地提升鐵質(zhì)文物防腐蝕技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

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[2]張學(xué)慧.淺析鐵質(zhì)文物的病害與保護(hù)——以山西省藝術(shù)博物館館藏鐵質(zhì)文物為例[J].文物世界，2015（3）：59-60.

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[4]劉朵，何積銓.簡(jiǎn)析鐵質(zhì)文物腐蝕的根本原因[J].遺產(chǎn)與保護(hù)研究，2017（7）：57-60.

【作者簡(jiǎn)介】林芳（1972—），女，文物博物館員，本科，研究方向：文物保管。