有机硅乳液、制备及用于饱水木质文物脱水定型的方法

本发明涉及饱水木质文物保护研究领域，尤其涉及一种有机硅乳液、制备方法及其用于饱水木质文物脱水定型的方法。

背景技术：

1、饱水木质文物在水下环境经历物理、化学、生物等多种因素影响，木材细胞壁物质成分严重降解流失，细胞壁上出现大量孔洞和微裂隙，微纤丝结构变得松散，导致考古木材的力学性能严重下降。降解过程中，木质文物细胞壁纤维素分子链的断裂产生大量的亲水性羟基基团，造成水分在木材内部迁移过程中产生更大应力，致使原本就脆弱的细胞壁进一步塌陷，造成饱水木质文物脱水后发生干缩、变形甚至开裂。针对饱水木质文物的组成结构特点和水分迁徙特征，采用适当的化学材料填充细胞壁上的孔隙，封闭细胞壁上的羟基，增强细胞壁力学强度，是饱水木质文物抵抗水分挥发过程中体积收缩、保持尺寸稳定性的有效手段。文献报道的饱水木质文物脱水定型材料有明矾、三氯蔗糖、海藻糖、聚乙二醇(peg)、乙二醛、赤藓糖醇、有机硅等，大批量木质文物保护工程中最常用的是peg。

2、有机硅材料用于饱水木质文物脱水定型时，先要对木质文物进行预脱水处理，使用乙醇、丙酮等有机溶剂采用浓度梯度浸渍的方法逐步置换木材中的水分；再通过有机硅醇溶液从低浓度到高浓度逐步浸渍，使有机硅进入木质文物内部。采用此种方法，虽然能够达到脱水定型目的，但存在以下明显不足：①梯度浸渍耗时较长，通常持续数月甚至数年，效率低；②需使用大量易燃有机溶剂，存在一定安全隐患以及有机废液处理问题；③有机硅溶胶-凝胶反应的起始阶段需要水分参与，对木材中残余水分十分敏感，如果前期预脱水不当，后期有机硅的聚合速率较难控制，导致加固效果不佳。针对以上瓶颈问题，国内外的研究者对多种有机硅材料用于饱水木质文物脱水的工艺和效果进行了探索，但仍未找到解决问题的有效方法。([1]童华,李梅英,甄广全,et al.有机硅溶胶-凝胶法饱水木质文物脱水定型加固研究[j].江汉考古,2014(s1):60-68.[2]broda m,mazela b,dutkiewicza.organosilicon compounds with various active groups as consolidants for thepreservation of waterlogged archaeological wood[j].journal of culturalheritage,2019,35:123-128.)

技术实现思路

1、为解决以上问题，本发明提供一种有机硅乳液、制备方法及其用于饱水木质文物脱水定型的方法，通过表面活性剂-助表面活性剂复合乳化体系将拒水性有机硅单体制成水溶性的o/w型乳液，直接施加到饱水木质文物上，无需前期预脱水，避免了大量有机试剂的使用，极大地缩短脱水定型时间；采用催化剂引发聚合反应，使有机硅聚合物定向附着于木质文物的细胞壁上，通过封闭细胞壁上的亲水基团和支撑强化细胞壁，在饱水木质文物脱水中起到定型加固的作用。此方法制备的有机硅乳液材料具有良好的脱水定型性能，显著增强文物的尺寸稳定性、力学性能、微生物抗性和环境稳定性，环保高效。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、根据本发明技术方案的第一方面，提供一种有机硅乳液的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)取有机硅单体2～5份，表面活性剂1～3份，助表面活性剂0.3～1份，纯水3～6份备用；

5、(2)向有机硅单体中加入表面活性剂和助表面活性剂，持续搅拌或振荡均匀，形成透明的有机硅分散液；

6、(3)将所述有机硅分散液倒入纯水，充分搅拌或振荡形成稳定的有机硅乳液。

7、进一步地，所述有机硅单体为以下材料中的一种或多种：十二烷基三甲氧基硅烷、双三乙氧基硅乙烷、双三乙氧基硅辛烷、聚二甲基硅氧烷、羟基封端聚二甲基硅氧烷。

8、进一步地，所述表面活性剂为以下材料中的一种或多种：脂肪酸聚氧乙烯酯，三苯乙基酚聚氧乙烯醚，聚氧乙烯氢化蓖麻油，脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸酯，烷基酚聚氧乙烯醚，十八烷基三甲基氯化铵，十六烷基三甲基氯化铵。

9、进一步地，所述助表面活性剂为以下材料中的一种或多种：乙醇、异丙醇、聚乙二醇、1-己醇、对壬基酚、聚乙二醇单丁醚。

10、进一步地，所述有机硅单体的质量分数为20％～50％，所述表面活性剂的质量分数为10％～30％，所述助表面活性剂的质量分数为3％～10％。

11、根据本发明技术方案的第二方面，提供一种采用根据以上任一方面所述的制备方法制备获得的有机硅乳液。

12、根据本发明技术方案的第三方面，提供一种采用根据以上方面所述的有机硅乳液用于饱水木质文物脱水定型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

13、(1)乳液渗透步骤：将饱水木质文物浸渍在有机硅乳液中，直至所述饱水木质文物重量恒定；

14、(2)催化引发步骤：向所述有机硅乳液中加入适量催化剂，使所述有机硅乳液开始聚合反应；

15、(3)聚合干燥步骤：有机硅乳液粘度增大(约200mpa·s以上)后，将所述饱水木质文物从有机硅乳液中取出，去除表面残余乳液，并使所述饱水木质文物干燥，由此完成所述饱水木质文物的脱水定型。

16、进一步地，所述饱水木质文物的最大含水率为320％-820％。

17、进一步地，步骤(1)中饱水木质文物浸渍有机硅乳液的辅助工艺包括全浸泡、半浸泡、喷淋、注射和吊瓶渗透。

18、进一步地，步骤(1)中有机硅乳液的用量为所处理饱水木质文物体积的1～4倍，根据所述饱水木质文物的最大含水量调整。

19、进一步地，步骤(2)中选用的催化剂为以下材料中的1种：二月桂酸二丁基锡、三乙烯四胺、辛胺和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷。

20、进一步地，步骤(2)中催化剂的用量为0.5％～2％。

21、进一步地，步骤(3)中残余乳液的去除方法，可用纯水喷淋清洗、轻柔刷洗或擦拭。

22、进一步地，步骤(3)中的干燥方法，可在室内自然干燥、塑料膜包裹后扎孔缓慢干燥、高湿度环境下缓慢干燥、恒温恒湿箱中干燥。

23、本发明的有益效果：

24、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

25、①制备的有机硅乳液可以直接渗透到饱水木质文物内部，无需对木质文物进行预脱水，避免了大量有机试剂的使用，极大地缩短脱水定型的时间，环保高效；

26、②选取的有机硅单体具有良好的渗透性和聚合性能，在常温常压下固化后形成的多孔凝胶具有良好的透气性、力学性能、耐老化性和防水性；

27、③聚合反应速率可控，生成的有机硅聚合物定向附着在木材细胞壁上，起到支撑加固细胞壁的作用，没有大量填充细胞腔，为将来再处理留有空间，符合文物保护可再处理原则；

28、④处理后的饱水木质文物的增重低于200％，约是常用材料peg的50％，木材三向收缩率均低于3％，95％rh下饱和吸湿增重率为8％，远低于peg的80％。即在较低加固材料负载量下具有良好的尺寸稳定性和优越的抗吸湿性，表现出显著的技术优势。