CC BY
33
УДК 069.51:(674.048.5+630.842.3)
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ЭКСПОНАТОВ МУЗЕЯ ИЗ ЧАСТИЧНО РАЗРУШЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Т. В. Ермолина, Е.С. Семиченко
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: ermolin@front.ru
Приведены результаты исследований по разработке технологии консервирования и упрочнения экспонатов музея из частично разрушенной древесины. Для повышения механической прочности такой древесины использован способ ее пропитки раствором низковязкого кремнийорганического полимера. Приведены результаты исследований по определению основных технологических параметров процесса пропитки. Установлено, что в результате пропитки по предложенной технологии, твердость поверхности частично разрушенной древесины может быть увеличена в 6 раз.
Ключевые слова: древесина, пропитка, кремнийорганический полимер
The results of research on the elaboration of technology preservation and strengthening of the exhibits of the partially destroyed timber are resulted. To improve the mechanical strength of such timber, a method of impregnating it with a solution of low silicorganic polymer was obtained. The results of the research to identify key process parameters impregnation are resulted. The surface hardness of the partially destroyed timber can be increased by 6 times by impregnation of the proposed technology was found.
Keywords: wood, impregnation, silicorganic polymer
В коллекциях краеведческих музеев Красноярского края имеются экспонаты, которые представляют собой частично разрушенную древесину с различной степенью коррозии материала.
Такие экспонаты - это, как правило, разнообразные предметы религиозного культа, бытовая утварь, предметы снаряжений охотников и рыболовов коренных жителей севера Красноярского края. До поступления в коллекции музеев предметы длительное время находились в эксплуатации, а затем были приобретены этнографическими экспедициями или обнаружены при археологических раскопках. В настоящее время древесина экспонатов, вследствие длительных механических, атмосферных или биологических разрушающих воздействий, представляет собой материал с существенно измененными прочностными и структурными характеристиками. Изменился и химический состав древесины. Поверхность экспонатов, вследствие произошедшей коррозии, стала хрупкой, пористой, с высокой гигроскопичностью. Оставлять такую древесину в ослабленном состоянии - недопустимо. Поскольку это неизбежно приведет к утрате экспонатов.
Цель выполненной работы заключалась в разработке способа упрочнения и консервирования экспонатов музея из древесины подвергнутой коррозии.
ОБЪЕКТЫ И МАТЕРИАЛЫ
Объектом исследования и проведения работ были деревянные экспонаты из коллекции Таймырского краеведческого музея. Предметы изготовлены из древесины сибирских хвойных пород. Однако, вследствие сильной коррозии, ряд из них в ближайшее время может быть полностью утрачен.
В реставрационном деле под термином «консервация» понимают сохранение, сбережение экспоната в дошедшем до нас виде. Поэтому, обязательным условием при проведении нами работ по консервации являлось - сохранение подлинности материала экспоната, в том числе и значительно разрушенного. Введение консервантов и консоли-датов в поры разрушенной древесины не должно приводить к ухудшению состояния и обесцениванию экспоната.
В работах (Формаковского,1947; Никити-на,1990; Федосеевой,1988), приведены сведения о том, что для прекращения дальнейшего разрушения и повышения механической прочности древесину экспонатов музейных коллекций пропитывали различными укрепляющими веществами. В последние годы в реставрационной практике для консервирования и укрепления частично разрушенной древесины икон, разнообразных предметов и объектов деревянного зодчества применяют различные виды кремнийорганических полимеров (Никитин, 1990; Покровская, 2003;Гордюшина, 2005).
Кремнийорганические материалы обладают рядом положительных свойств:
- низкая вязкость и поверхностное натяжение, обусловливающие высокую проникающую способность растворов высокой концентрации;
- высокая атмосферостойкость, т. е. стойкость к действию влаги и перепаду температур;
- сохранение паропроницаемости укрепляемых объектов. (Это свойство делает этот класс материалов незаменимым при реставрации дерева);
- высокая биостойкость, поскольку кремнийор-ганические продукты сообщают объектам гидрофобные свойства; они абсолютно стерильны, поэтому на них не обнаруживается рост грибов и водорослей;
- придание огнестойкости пропитываемым материалам, т.к. кремнийорганические полимеры, благодаря высокой энергии связи элементов главной цепи кремния и кислорода, отличаются повышенной термостойкостью.
Высокомолекулярные полиорганосилоксаны, способные к образованию пространственной сетки, получают в две стадии: сначала образуются продукты гидролиза - бесцветные или липкие сиропообразные жидкости; затем происходит отверждение полученных продуктов при нагревании до 100 0С или при более умеренной температуре (в том числе и при комнатной). Однако для этого нужна длительная выдержка образцов. Укрепляющий эффект достигается в результате реакции поликонденсации олигомеров с образованием трехмерных структур, не растворимых ни в одном растворителе.
Новые возможности открываются при использовании для укрепления и модификации древесины низковязких растворов кремнийорганических полимеров. В нашей работе, для укрепления частично разрушенной древесины экспонатов Таймырского краеведческого музея был использован один из видов полиорганосиликатов (ПОС). В настоящее время подобные полиорганосиликаты успешно используются для изготовления керамических форм для точного литья, стержней и прочих керамических масс, реставрации украшений и строительных сооружений (восстанавливают прочность поврежденного материала), создания гидрофобных строительных материалов (кирпич, асбест, бетон) и придания других ценных свойств.
Использованный для пропитки древесины ПОС представляет собой прозрачную маловязкую жидкость, которая является сложной смесью олиго-этоксисиланов с разной степенью конденсации. ПОС способен легко проникать глубь материала виде растворов в органических растворителях, которые имеют сродство к древесине. Он имеет невысокую летучесть, поэтому после завершения процесса пропитки некоторое время будет происходить перераспределение раствора полимера по структурным элементам древесины. Вследствие диффузии высокомолекулярного полимера в древесину следует ожидать улучшения физико-механических свойств у образующегося композита.
При быстром гидролизе полиорганосиликатов может происходить существенное увеличение их объема. Поэтому, в соответствие с рекомендациями (Никитин,1990) данные продукты рекомендуется использовать с концентрацией не выше 20 %.В этом случае, место удаленного растворителя занимают образующиеся продукты гидролиза и поликонденсации ПОС.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для пропитки различных материалов полиорга-носиликаты используют в виде растворов в органических растворителях. Чтобы избежать повреждения поверхности экспонатов, нами в качестве растворителя для ПОС предусматривалось выбрать
растворитель, который вызывает минимальные деформации древесины при пропитке. В качестве растворителя для ПОС нами опробованы: гептан, толуол, ксилол, этанол и изопропиловый спирт (ИПС). Эксперимент выполнялся на образцах из здоровой древесины сосны с размерами 20х20х30 мм (последний размер вдоль волокон). Пропитку выполняли способом вымачивания в 20 % растворе кремнийорганического полимера. В качестве критерия деформаций древесины при пропитке использовали показатель - линейное разбухание в поперечном направлении образца. Продолжительность пропитки составляла 3 суток. По результатам эксперимента, представленным в таблице 1, установлено, что минимальные линейные деформации древесины при пропитке вызывает растворитель -толуол. В дальнейших экспериментах в качестве растворителя для ПОС был использован этот органический растворитель.
Таблица 1 - Линейное разбухание древесины при пропитке в растворе ПОС с использованием различных видов органических растворителей_
Разбухание, %
Вид -
растворителя в радиальном в тангенциаль-направлении ном направлении
гептан 0 1,99
толуол 0,25 0,5
ИПС 0,25 1,24
этанол 1,26 2,94
ксилол 0,25 0,77
На основании сведений по применению крем-нийорганических полимеров в реставрационной практике известно, что при проведении процесса пропитки следует добиваться глубокой, лучше всего сквозной пропитки древесины. При локализации полимера только в поверхностной зоне сортимента в нем образуются 2 зоны с различными механическими свойствами. Если при эксплуатации такой древесины будут происходить значительные колебания температуры и влажности воздуха, в древесине возникнут различные по величине влажност-ные деформации. Это приведет к образованию внутренних напряжений и, как установлено в работе (Ермолиной, 1990), к отслоению поверхностной -пропитанной от центральной - непропитанной зоны сортимента.
В связи с этим, в выполненной работе предусматривалось подобрать оптимальный по продолжительности и качеству способ пропитки древесины кремнийорганическим полимером. Нами исследовались 2 способа пропитки: автоклавный и способ вымачивания древесины в растворе.
На следующем этапе работ по разработке технологии упрочнения древесины исследовали влияние содержания полимера в растворе на механическую прочность пропитанной древесины. Пропитку выполняли способами: вымачиванием в растворе и
автоклавным. Для экспериментов были изготовлены образцы из частично разрушенной древесины. Две стороны образцов имели собственно коррозию. Степень коррозии определялась по твердости древесины, которую определяли по усилию вдавливания иглы специального динамометра часового типа ДРП-90. Оно составило от 19,6 до 58,8 Н - для древесины с коррозией и от 98,0 до 117,6 Н - для здоровой части образцов. (Для контрольных образцов, дополнительно изготовленных из здоровой древесины сосны, усилие вдавливания составило от 196,1 до 215,7 Н.)
Пропитку способом вымачивания проводили в эксикаторе с притертой крышкой. Через определенные промежутки времени:1 час, 1, 2 и 6 суток выдержки определяли параметр - привес раствора полимера в древесине. Этим параметром наиболее удобно пользоваться при пропитке экспонатов различной конфигурации.
Таблица 2 - Зависимость прочности от содержания полимера в пропитанной древесине (способ вымачи-
П =
m2 - m,___
—2-L100,
m,
(1)
где, П - привес раствора полимера, %;
Ш1, т2 - соответственно масса образца до и после пропитки, г.
После пропитки образцы перекладывали в другие ёмкости, где их выдерживали определенное время при регулируемых температуро-влажностных условиях. Первые 15 суток образцы выдерживали в эксикаторе с водой. Образцы помещали на специальную подставку и выдерживали над поверхностью воды, где создавалась относительной влажность воздуха около 90 %. Температура в процессе выдержки составляла (22±2) 0С.
Затем образцы перекладывали в сухой эксикатор, в котором выдерживали еще 25 суток при температуре (18 ± 2) 0С и относительной влажности 60 %. Последние 10 суток образцы выдерживали при аналогичных условиях, но в хорошо вентилируемом помещении. Последнее выполнялось для удаления остатков растворителя из образцов. Такая методика доведения образцов до постоянной влажности была выполнена с целью, продолжить диффузию раствора полимера в древесине после пропитки и создать условия, препятствующие образованию опасных внутренних напряжений в пропитанной древесине, которые могут вызвать её растрескивание.
После высушивания были проведены испытания по определению прочности пропитанной древесины. В качестве показателя прочностных свойств использовали параметр - предел прочности при сжатии вдоль волокон. Испытания проводились с помощью разрывной машины Р -5.
Из таблицы 2 видно, что с увеличением продолжительности пропитки, наблюдается увеличение содержания полимера в древесине и, как следствие, рост прочности пропитанной (частично разрушенной) древесины.
Продолжительность пропитки Привес раствора полимера в древесине, % Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон, МПа Увеличение прочности, %
контроль - 36,29 -
1 час 34,0 39,47 8,7
1 сут. 36,0 41,13 13,3
2 сут. 34,60 42,22 16,3
6 сут. 59,2 44,85 23,5
Для изучения возможности интенсифицировать процесс, пропитку частично разрушенной древесины раствором ПОС провели в автоклаве при избыточном давлении. Режимы, использованные при пропитке, достигнутые значения содержания полимера в древесине (П, %) и прочность пропитанной древесины после сушки(ссж., МПа ), приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Прочность древесины после пропитки автоклавным способом_
Предел
ма %прочности м , древесины ие , %
при сжа- § ^ тии вдоль " ° волокон, МПа
Щ
Режим пропитки
о
к
а в а е си
р р
с о е е
е в м в
ри тв с а и л о е ре д
Пр р п
н
е
и
Контроль 34,76 -
I P = 0,2 МПа t = (22 ±2) 0С т = 30 мин. 70,1 42,57 22,46
II P = 0, 2 МПа t = (22 ±2) 0С т = 70 мин. 105,3 42,89 23,38
III P = 0, 4 МПа t = (22 ±2) 0С т = 100 мин. 120,1 44,20 27,15
На основании полученных результатов, были сделаны следующие выводы:
1) при пропитке древесины раствором полимера определяющее влияние на увеличение содержания полимера в древесине оказал параметр - продолжительность выдержки под давлением. В частности, при Р = 0,2 МПа, при увеличении времени пропитки с 30 до 70 мин (режимы I и II), содержание полимера в древесине увеличилось в 1,7 раза;
2) увеличение величины избыточного давления при пропитке до 0,4 МПа (режим III), не оказало существенного влияния на увеличение содержания полимера в древесине;
3) в результате пропитки частично разрушенной древесины раствором кремнийорганического полимера произошло увеличение её прочности в среднем на 24 %;
4) прочность древесины, которая была достигнута в ходе автоклавной пропитки
(осж. = 44,20 МПа, режим III), сравнима с прочностью древесины, которая была получена при пропитке вымачиванием в растворе в течение 6 суток (Осж. = 44,85 МПа).
Поскольку автоклавный способ не обеспечил более высокие значения прочности пропитанной древесины, поэтому пропитку экспонатов музея, которые имеют разнообразную форму и значительные размеры, целесообразно выполнять более простым, но длительным способом - способом вымачивания в растворе при атмосферном давлении.
При визуальном обследовании партии деревянных экспонатов из коллекции Таймырского краеведческого музея установлено, что у большинства предметов состояние древесины по таким параметрам как степень коррозии материала, пористость -существенно выше, чем у образцов древесины, которые использовались в ранее проведенных опытах. Поэтому следует ожидать, что динамика процесса их пропитки кремнийорганическим полимером будет отличаться от той, что была установлена в предыдущих опытах (табл. 2).
Для оценки состояния поверхности древесины у одного из экспонатов была определена степень коррозии древесины. Эта характеристика определялась по твердости поверхности древесины, которая определялась с помощью динамометра часового типа. Она составила в среднем 14,7 Н.
Затем для этого экспоната исследовали динамику поглощения раствора ПОС при пропитке способом вымачивания. Привес раствора полимера в древесине определяли через каждые 6 часов. Результаты представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Динамика поглощения раствора ПОС экспонатом музея из частично разрушенной древесины
Из полученных результатов следует:
1) интенсивность поглощения пропиточного раствора частично разрушенной древесиной реального экспоната значительно выше, чем у опытных образцов. Через 1 час пропитки она в 8,6 раз больше, чем у образцов после пропитки вымачиваем в течение 6 суток;
2) динамика поглощения древесиной пропиточного раствора носит криволинейный характер и, с увеличением продолжительности процесса, стремится к стабилизации данного параметра. Очевидно, при полной пропитке древесины раствором полимера значение параметра «П» будет максимальным.
На основании разработанной технологии была проведена пропитка экспонатов Таймырского краеведческого музея. Продолжительность пропитки составляла от 1 до 5 суток. Достигнутые значения содержания полимера в древесине экспонатов колебались от 103,3 до 779,3 %. Меньшие значения параметра - для экспонатов из древесины лиственницы, большие - для экспонатов из древесины лиственных пород. Количественную оценку механической прочности древесины экспонатов после пропитки произвести не представлялось возможным. Поэтому оценку произвели косвенным путем. Для экспоната, который был использован для исследования динамики поглощения полимера (рис. 1), была определена твердость пропитанной древесины. Она определялась с помощью динамометра часового типа и составила 98,06 Н. Таким образом, в результате пропитки удалось достичь увеличения твердости экспоната в 6,7 раз.
ВЫВОДЫ
Для консервирования и упрочнения экспонатов музеев из частично разрушенной древесины могут быть использованы низковязкие растворы полиор-ганосиликатов.
Пропитку экспонатов целесообразно производить способом вымачивая в 20 % растворе ПОС в толуоле. Последний, вызывает минимальное разбухание древесины при пропитке.
Поскольку все реальные экспонаты имеют различную степень деструкции древесины, поэтому для каждого экспоната необходимо установить динамику поглощения пропиточного раствора. Процесс пропитки экспоната следует заканчивать только тогда, когда параметр «привес раствора полимера» будет стремиться к стабилизации.
Пропитка экспонатов музея по разработанной технологии позволила добиться упрочнения древесины. Для отдельных экспонатов твердость деградированной древесины была увеличена в 6 раз.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Ермолина, Т.В. Напряжения в древесине, пропитанной составами на основе синтетических смол./ Т.В. Ермолина, А.Ф. Разумова // Пути сохранения и методы реставрации памятников деревянного зодчества : сб.материалов международной научно-практической конференции. -Архангельск: Росреставрация.1990. С. - 67 - 69. Материалы для восполнения утрат музейных экспонатов из дерева и деревянной основы живописи / В.И. Гордю-шина, Е.Л. Малачевская, Т.С. Федосеева [и др.] // Художественное наследие: сб.ст. - М., 2005. Вып. 2. -С. 81-84.
Никитин, М.К. Химия в реставрации / М.К. Никитин, Е.П.Мельникова. - Л. : Химия, 1990. - 304 с.
Никитин, М.К. Кремнийорганические материалы в реставрации памятников деревянного зодчества / М.К. Никитин // Пути сохранения и методы реставрации памятников деревянного зодчества: сб. материалов международной научно-практической конференции. - Архангельск : Росреставрация. 1990. - С.55-60.
Покровская, Е.Н. Химико-физические основы увеличения долговечности древесины. Сохранение памятников деревянного зодчества с помощью элементооргани-
ческих соединений : монография. - М. : Изд-во АСВ, 2003. - 104 с.
Фармаковский, В.М. Консервация и реставрация музейных коллекций / В.М. Фармаковский. - М. : Красный печатник, 1947. - 143 с.
Федосеева, Т.С. Применение синтетических материалов в практике реставрации станковой масляной живописи. / Т.С. Федосеева // Консервация и реставрация музейных художественных ценностей. Обзорная информация. - М. : Информкультура, 1988. Вып.5. -С.1-39.
Поступила в редакцию 28 февраля 2013 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
