防水材料在木材保护中的尝试
关键词：木材保护，防水剂
1 前言
木质文物包括了古建筑及其构件、漆木器、木质家具、棺椁、木质工艺品等，其保护难度大，一直是有机质文物保护中值得重视的课题。醇醚联浸法等来自于木材工业的方法在文物保护上成功的应用，启发了笔者考虑在木质文物保护中应用防水剂的可能性。
木材是多孔性--毛细管--胶体型润湿材料，随着外界温度和湿度的变化，容易蒸发或吸收水分，产生干缩或湿胀，导致木材的尺寸不稳定，产生内应力，发生翘曲、变形和开裂1。木材工业上经常需要在对木材进行防腐处理后进行表面防水处理，或者是进行防腐防水一体化处理2，以增加其寿命。如在刨花板或纤维板生产中加入防水剂，防水率可达75%~90%，抗胀缩率达70%~85%3，具有良好的效果。
对木材进行防水处理使用防水剂提高木材对水的润湿、浸透的抵抗能力，防水剂通过对木材内外表面覆盖、堵塞纤维空隙吸水通道、增大与水的接触角等措施，达到防水目的4。常用的处理剂有石蜡、亚麻油、各种油漆和有机硅树脂等。经过防水处理的板材在室外暴露的情况下，含水率变化小5。
国外木材防水剂的研究表明，室外木材（如门窗）在施用油漆前进行防水处理有以下好处：
（1）经过20年室外风蚀实验，经木材防水剂处理的门窗尚未发现腐朽现象，而未经木材防水剂处理的木门窗经过6年即严重腐朽。
（2）经过木材防水剂处理的门榫眼接合处完好无损，基本上克服了木材开裂、端头裂纹等现象。
（3）木料尺寸变化大幅度下降。
（4）油灰、油漆完整性大大增加。研究认为木材腐朽和变形的主要原因并不在于空气中相对湿度的变化，而主要是木材端头和榫眼接合处侵入的雨水顺着木纹进入本材，被油漆等包封其中，从而造成了木材的腐朽和尺寸的变化6。因此，用木材防水剂处理木建筑构件，可以解决了雨水、凝结水从木材端头和榫眼接合处侵入木材的问题，大大延长木材的使用寿命。
大气温湿度变化、空气污染、日晒雨淋等对木质文物特别是古建筑都有很大的危害，我国传统上使用桐油、大漆、沥青等天然材料进行防水，对彩画则除桐油外已经有很多高分子材料封护的尝试7，取得了较好的效果。直接对木质进行防水处理，可以提供憎水基，改变木材亲水特性，使木材拥有一定程度上的拒水特性。在石质、陶质文物上使用防水材料，显示出了良好的拒水性，能够缓解水带来的各种物理和化学破坏。在木质文物上应用防水材料，是否也有如此好的效果，则需要通过实验验证。鉴于此，笔者根据国内外室外文物防水研究的经验，选择了在文物保护中常用的防水剂，用于木质文物防水的尝试。
2 实验材料和实验方法
2.1 实验材料
实验所用木材为直径5.5cm，厚度1.8cm的圆柱状白木木材。所用防水剂如表1所示。
表 1 备选防水剂
2.2 实验方法
将配制好的防水材料倒入培养皿中，溶液高度约2毫米，放入木质样品，充分吸收。样品完全润湿后，取出，于室温中使溶剂挥发。
样品在溶剂彻底挥发后存放2周，对样品颜色变化、接触角、毛细吸水、全浸吸水、霉菌情况、材料分布等方面进行了防水效果检验，以甄选出符合木质文物保护原则，并有良好防水效果的材料。
3 实验结果和讨论
3.1 颜色变化
防水材料本身是否改变木材的颜色，是评价材料使用效果的一个重要方面。采用DC-P3型全自动测色色差仪测量使用防水材料后的样品与空白样品的颜色差别，每个样品选择三个测量点。
经过处理的样品和空白样品相比，颜色变化很小，视觉上无影响，所选材料都符合要求。
3.2 接触角变化
表面接触角是防水性能的一个重要指标，实验分别测量了样品与水的接触角、样品与水接触角随时间变化情况和样品吸收水滴情况，所用仪器为北京哈科公司制造ARKE-CP接触角测定仪，结果如下所示。
表 2 样品与水接触角
对于空白样品，水分虽能在表面形成滴状，但是迅速被吸收，角度不稳定，测量误差较大。用材料处理后的样品，其接触角变化各有差异。其中S012和WD10（10%）的接触角与空白相比增大很多，一定程度上说明其防水性能得到提高。
从表3和图1、图2可以看出空白样品对水滴的吸收很快，接触角迅速下降，WD-10(10%)与WD-S012等接触角能长期的保持较大的角度，基本不变，拒水性能优良。其他样品和空白相比拒水性能也有一定的提高。
表 3 样品与水接触角随时间变化情况
图 1 样品与水接触角随时间变化
图 2 样品对水滴吸收时间
3.3 毛细吸水
对样品持续供水，观察各样品的吸水情况，分段记录重量变化值，得到图3和图4。
图 3 样品毛细吸水重量变化
图 4 样品毛细吸水率
由图3和图4可见，所有的防水材料处理后的样品都能使毛细吸水量降低，空白吸水量最大，在48h内，WD-10的防水效果最好。
为了了解毛细吸水对样品的渗透和分布情况，设计了墨水渗透试验。空白样品吸收很快，短时间内墨水已经渗透样品达到顶部，而被处理过的样品都有一定的憎水效果。WD-S012，WD-10(5%)，WD-10(10%)表现非常好，尤以WD-10(10%)最好。将样品切开，观察断面被染色的情况，可看出水分对样品的润湿情况。经过防水处理的样品，墨水只能达到比较浅的深度。
3.4 全浸吸水
将样品完全浸没于水中，检验用材料处理后的木材在水浸泡下的防水能力，间隔一段时间，取出样品，用湿毛巾擦除表面浮水，记录其重量，结果见图5。
图 5 样品全浸吸水率图
空白样品的在水中吸水能力很强，吸水速度一直快于经过处理的样品。WD10（10%）表现最好，在接近1小时的时候吸水率为7%，另外WD10（5%）和F3也有好的效果。但是最终各样品吸水率趋于一致，表明防水剂在短期内有明显的防水效果，但是水分长期接触则效果一般。
3.5 霉菌试验
霉菌破坏是木材的一个重要病害，好的防水材料不只要对木材有防水作用，更好的是在防水的同时，能起到一定的防霉的作用。
试验方法为在玻璃水缸里注入一定量的水，将样品放入其中的架子上（不要接触到水），然后密闭，使空气湿度保持在饱和的状态，一个月后观察效果。
在长期的潮湿条件下，各种防水处理的样品，都有微生物生长，说明材料在长期的高湿环境中无保护作用，这和样品全浸实验结果一致。
表 3 霉菌情况
3.6 材料分布
为了观察防水剂在木制品中的分布状况，对样品进行了扫描电镜观察，可以观测到防水剂在样品表面集中分布，在一定程度上有堵塞的作用。
图 6 空白、WD-10(10%)
4. 防水剂应用
4.1 防水处理对后续保护的影响
将用WD10-10保护处理过的材料用油漆（如醇酸清漆，水型聚氨酯清漆等）涂刷，没有影响涂刷效果，涂料与木材结合紧密，不出现脱离现象，说明保护处理不影响后续的处理程序。
4.2 在木雕样品上的应用
由以上实验得知，WD-10(10%)的防水性能非常优良，故用其处理亳州花戏楼木雕样品，并测量接触角、毛细吸水、全浸吸水进行了防水效果验证。
使用WD-10(10%)处理后的样品与水的接触角明显大于空白样品，同时空白样品上的水滴很快被吸收，而用WD-10(10%)处理后的样品上的水滴经过半小时仍保存很好。毛细吸水和全浸吸水结果也显示处理后的样品可以获得一定的防水效果。
5. 结论与讨论
在用多种防水材料对木材进行防水处理后，对防水剂在木质文物保护中的使用得到以下结论：
（1）各种防水材料处理木材后都有一定的防水效果，其中高浓度WD-10在各方面表现优良，可以大大减少对水分的吸收量，起到较好的防水效果。
（2）在长期的潮湿环境下，木材仍然滋生霉菌，因此需要同时考虑使用防霉防腐剂和其他保护材料。
（3）防水材料的使用不会影响到后续保护工作，其具体效果需要进行现场实验才能得出进一步的结论。
