无机材料学报 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (11): 1345-1354.DOI: 10.15541/jim20220729
刘妍1,2,3(), 张宇帆1,2,3, 王茜蔓1,2,3, 李婷1,2,3, 马文婷1,2,3, 杨富巍1,2,3(), 陈靓1,2,3, 赵东月1,2,3, 严小琴1,2,3
收稿日期:
2022-11-03
修回日期:
2023-06-01
出版日期:
2023-06-02
网络出版日期:
2023-06-02
通讯作者:
杨富巍, 男, 教授. E-mail: yangfuwei@nwu.edu.cn作者简介:
刘 妍 (1977-), 女, 教授. E-mail: liuyan@nwu.edu.cn
基金资助:
LIU Yan1,2,3(), ZHANG Yufan1,2,3, WANG Ximan1,2,3, LI Ting1,2,3, MA Wenting1,2,3, YANG Fuwei1,2,3(), CHEN Liang1,2,3, ZHAO Dongyue1,2,3, YAN Xiaoqin1,2,3
Received:
2022-11-03
Revised:
2023-06-01
Published:
2023-06-02
Online:
2023-06-02
Contact:
YANG Fuwei, male, professor. E-mail: yangfuwei@nwu.edu.cnAbout author:
LIU Yan (1977-), female, professor. E-mail: liuyan@nwu.edu.cn
Supported by:
摘要:
考古发掘出土的风化骨质文物通常疏松多孔、力学强度低、质地脆弱, 易出现翘曲、开裂、酥粉化等现象,亟需探索脆弱骨质文物加固保护的新方法。本研究采用羟基磷灰石前驱材料氧化钙-磷酸氢钙的醇分散液渗入脆弱骨质内部, 再用蒸馏水渗入引发氧化钙与磷酸氢钙反应而生成羟基磷灰石连续相。该连续相能填充脆弱骨内部的孔隙和裂缝, 并通过桥连黏接而加固骨质。利用电镜、能谱、XRD、色差、质量、孔隙率、密度和断面强度等研究考察了悬浮分散液中氧化钙与磷酸氢钙的质量配比(1 : 1、1 : 3、1 : 4、1 : 5、1 : 6、1 : 7)和施加方式(刷涂、滴渗和浸泡)对加固效果的影响,结果表明, 悬浮分散液中氧化钙和磷酸氢钙的质量配比为1 : 3, 且施加方式为刷涂时, 加固处理效果最佳。经加固处理后, 脆弱骨的孔隙率下降了17.3%, 质量、密度和表面强度分别提高了38.39%、34.49%和16.32%, 且其色差∆E也小于3.0, 符合文物保护要求。本研究为脆弱骨质文物的加固保护提供了新的有效方法。
中图分类号:
刘妍, 张宇帆, 王茜蔓, 李婷, 马文婷, 杨富巍, 陈靓, 赵东月, 严小琴. 基于羟基磷灰石材料的风化脆弱骨质文物加固保护研究[J]. 无机材料学报, 2023, 38(11): 1345-1354.
LIU Yan, ZHANG Yufan, WANG Ximan, LI Ting, MA Wenting, YANG Fuwei, CHEN Liang, ZHAO Dongyue, YAN Xiaoqin. Consolidation of Fragile Weathered Bone Relics Using Hydroxyapatite Material as Consolidant[J]. Journal of Inorganic Materials, 2023, 38(11): 1345-1354.
Group | Mass ratio | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 : 1 | 1 : 3 | 1 : 4 | 1 : 5 | 1 : 6 | 1 : 7 | |
Brushing | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Soaking | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Dripping | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
表1 实验分组方案
Table 1 Experimental groups of different mass ratios
Group | Mass ratio | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
1 : 1 | 1 : 3 | 1 : 4 | 1 : 5 | 1 : 6 | 1 : 7 | |
Brushing | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Soaking | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Dripping | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 |
图2 基于氧化钙-磷酸氢钙乙醇分散液的风化脆弱骨样品加固机理示意图
Fig. 2 Consolidation mechanism of weathered bones using calcium oxide-calcium hydrogen phosphate dispersion in alcohol as consolidant
图3 脆弱骨样品加固处理前后色差
Fig. 3 Color difference of fragile bone samples after consolidation treatment Samples 1 to 19 are introduced in Table 1, respectively
图4 加固方式和加固剂配比对脆弱骨样品质量增长率的影响
Fig. 4 Effects of consolidation way and consolidant ratio on the bone weight increment (The rectangle is Interquartile Range (IQR), which is used to mark data outliers) (a) Consolidation way; (b) Consolidant ratio
图7 加固处理方式和加固剂配比对脆弱骨样品表面强度的影响
Fig. 7 Effects of consolidation method and consolidant ratio on surface strength of the bones (a) Consolidation way; (b) Consolidant ratio
图9 加固处理后脆弱骨样品显微形貌
Fig. 9 Morphologies of fragile bone samples after consolidation treatments with mass ratios of calcium oxide to calcium hydrogen phosphate at 1 : 1 (a), 1 : 3 (b), 1 : 4 (c), 1 : 5 (d), 1 : 6 (e) and 1 : 7 (f), respectively
图10 加固处理前后脆弱骨样品EDS元素面分布结果
Fig. 10 EDS analysis results of fragile bone samples before and after consolidation treatment (a, d) Ca; (b, e) P; (c, f) C, corresponding to Fig. 8 and Fig. 9(b)
Element | Weight ratio before consolidation/% | Weight ratio after consolidation/% |
---|---|---|
C | 0 | 5.62 |
O | 56.93 | 56.32 |
Na | 9.57 | 2.56 |
Mg | 0.91 | 1.12 |
P | 12.04 | 13.23 |
Ca | 20.55 | 21.15 |
Total | 100.00 | 100.00 |
表2 加固前后脆弱骨EDS元素分析结果
Table. 2 EDS analysis results of frgile bone before and after consolidation treatment
Element | Weight ratio before consolidation/% | Weight ratio after consolidation/% |
---|---|---|
C | 0 | 5.62 |
O | 56.93 | 56.32 |
Na | 9.57 | 2.56 |
Mg | 0.91 | 1.12 |
P | 12.04 | 13.23 |
Ca | 20.55 | 21.15 |
Total | 100.00 | 100.00 |
图11 加固处理前后脆弱骨样品的截面形貌
Fig. 11 Cross-sectional topographies of fragile bone samples before and after consolidation treatments (a) Untreated; (b-d) Treated by brushing, soaking and dripping, respectively
图12 不同配比的加固剂对脆弱骨加固处理后的样品截面形貌
Fig. 12 Cross-sectional topographies of fragile bone samples treated by different mass ratios of calcium oxide to calcium hydrogen phosphate (a) 1 : 1; (b) 1 : 3; (c) 1 : 4; (d) 1 : 5; (e) 1 : 6; (f) 1 : 7
图14 加固剂质量配比对产物成分的影响
Fig. 14 Effect of consolidant ratio on final product Ratios of calcium oxide to calcium hydrogen phosphate in line(a-f) are 1 : 1, 1 : 3, 1 : 4, 1 : 5, 1 : 6 and 1 : 7, respectively
Ratio of CaO : CaHPO4 | Ca(OH)2 | CaHPO4 | Ca5(PO)4OH |
---|---|---|---|
1 : 1 | +++ | - | ++ |
1 : 3 | - | - | ++++ |
1 : 4 | - | ++ | +++ |
1 : 5 | - | +++ | ++ |
1 : 6 | - | +++ | + |
1 : 7 | - | ++++ | + |
表3 各配比下的物相比例
Table 3 Phases of produts under different consolidant ratios
Ratio of CaO : CaHPO4 | Ca(OH)2 | CaHPO4 | Ca5(PO)4OH |
---|---|---|---|
1 : 1 | +++ | - | ++ |
1 : 3 | - | - | ++++ |
1 : 4 | - | ++ | +++ |
1 : 5 | - | +++ | ++ |
1 : 6 | - | +++ | + |
1 : 7 | - | ++++ | + |
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