阅读说明：本技术 一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置及方法 (Device and method for reinforcing weathered stone cultural relics by activating calcium hydroxide through low-temperature plasma in carbon dioxide atmosphere ) 是由 陈家昌 张良帅 贺思予 陈晓琳 唐静 闫海涛 王鑫光 迟铭 崔新战 刘欣 于 2019-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的的装置和方法,本发明从低温等离子体物理与文物保护学原理出发,将低温等离子体技术应用到文物保护领域,尤其是活化氢氧化钙加固风化石质文物领域。本发明使用通入二氧化碳气体的低温等离子体源对氢氧化钙进行活化加固,可在1min-2min内实现氢氧化钙的碳化、沉淀,并对风化石质文物起到加固作用,具有安全、高效、无损、无副作用的特点。(The invention provides a device and a method for strengthening weathered stone cultural relics by activating calcium hydroxide through low-temperature plasma in a carbon dioxide atmosphere. The invention uses the low-temperature plasma source which is introduced with carbon dioxide gas to activate and reinforce the calcium hydroxide, can realize the carbonization and the precipitation of the calcium hydroxide within 1-2 min, plays a role in reinforcing weathered stone cultural relics, and has the characteristics of safety, high efficiency, no damage and no side effect.)

一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石 质文物的装置及方法

技术领域

本发明涉及文物保护领域，特别涉及一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置及方法。

背景技术

目前用于风化石质文物加固的材料主要有无机材料、有机材料、有机-无机复合材料三大类。其中，有机类材料虽然短期加固效果较好，但这类材料经过长时间老化会变脆变黄，机械性下降。同时，由于在文物中形成的膜不透气，文物表面最终会膨胀、粉化甚至脱落。总之，这类材料的兼容性差。以氢氧化钙为代表的的无机类材料由于良好的兼容性在近年来受到了广泛研究。氢氧化钙颗粒与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙从而与石质文物融为一体。但传统的氢氧化钙加固石质文物方法也存在碳化速度慢、效率低等缺点，使这一加固方法受到极大的制约。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置及方法。

本发明的目的是以下述方式实现的：一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置，包括低温等离子体源，低温等离子体源前端具有喷口，低温等离子体源后端通过连接管连接有二氧化碳容器，二氧化碳容器上设有压力表。

二氧化碳容器为二氧化碳钢瓶。

低温等离子体源1后端还连接有电源连接线和接地线，电源连接线连接有电源，电源上设有开关。

二氧化碳容器出口上设有压力表和阀门。

一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的方法，包括以下步骤，

（1）清理石质文物表面附着物；

（2）将氢氧化钙分散于体积浓度为5%-5.5%的异丙醇水溶液中制成饱和溶液，氢氧化钙粒径＜6.5μm；

（3）在石质文物的风化层喷涂步骤（2）配置的加固剂；

（4）通入二氧化碳气体的低温等离子体源喷口对喷涂加固剂后的石质文物进行喷涂处理。

（5）重复步骤（3）与步骤（4）10-15次。

每进行一次步骤（3）与步骤（4），即为加固一次，每次加固至少间隔20min。

步骤（4）中，低温等离子体源工作电压110 V -240V，频率为50 Hz-60 Hz，功率最大为30W。

步骤（4）中，低温等离子体源标准的处理距离为2 mm-10mm，标准的处理宽度为5-20mm。

步骤（4）中，低温等离子体源产生的为温度<50℃冷等离子体。

步骤（4）中，用低温等离子体源喷口处的等离子焰扫描石质文物上喷涂加固剂后的位置1min-2min。

步骤（2）中，加固剂的配置方法为，将纳米氢氧化钙或上海麦克林公司生产的≤6.5μm的氢氧化钙分散在体积浓度为5%-5.5%的异丙醇水溶液中，使用磁力搅拌器不间断搅拌2小时-3小时或超声波震荡2小时-3小时，制备成饱和溶液。

有益效果：本发明提供了一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置和方法，本发明从低温等离子体物理与文物保护学原理出发，将低温等离子体技术应用到文物保护领域，尤其是活化氢氧化钙加固风化石质文物领域。

低温离子体中丰富的高能、高活性的粒子轰击氢氧化钙，使其被刻蚀和粗化，增加了氢氧化钙表面的溶解性和提供了更多的活性位点，易使其与活化二氧化碳反应，更有利于碳酸钙的成核和生长。低温离子体能够活化表面能，促进风化岩相与碳酸钙的紧密结合。在集成式低温等离子体源中通入二氧化碳气体，一方面作为电离气体，另一方面活化的二氧化碳气体与活化的氢氧化钙反应，促进其有序“碳化”，加速转变成具有加固效果的方解石型碳酸钙，进而提升石质文物的强度与防风化性能。

本发明使用通入二氧化碳气体的低温等离子体源对氢氧化钙进行活化加固，可在1min-2min内实现氢氧化钙的碳化、沉淀，并对风化石质文物起到加固作用，具有安全、高效、无损、无副作用的特点。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是滴加加固剂的示意图一。

图3是滴加加固剂的示意图二。

图4是低温等离子体源处理的示意图一。

图5是低温等离子体源处理的示意图二。

图6是清理风化石质文物表面附着物后，在放大1000倍的情况下的风化石质文物表面观察图。

图7是加固5次后，在放大1000倍的情况下的风化石质文物表面观察图。

图8是加固10次后，在放大1000倍的情况下的风化石质文物表面观察图。

图9是加固15次后，在放大1000倍的情况下的风化石质文物表面观察图。

具体实施方式

如图1所示，一种二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的装置，包括低温等离子体源1，低温等离子体源1前端具有喷口2，低温等离子体源后端通过连接管3连接有二氧化碳容器4的出口，低温等离子体源1后端还连接有电源连接线6和接地线7，电源连接线6连接有电源5，电源上设有开关，二氧化碳容器4出口上设有压力表40和阀门41。连接管3有多根的，连接管30之间设有接头30。

二氧化碳容器为二氧化碳钢瓶。

二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的方法，包括以下步骤，

（1）清理石质文物表面附着物；

（2）将氢氧化钙分散于体积浓度为5%-5.5%的异丙醇水溶液中制成饱和溶液，氢氧化钙粒径＜6.5μm；

（3）在石质文物的风化层喷涂步骤（2）配置的加固剂；

（4）通入二氧化碳气体的低温等离子体源喷口对喷涂加固剂后的石质文物8进行喷涂处理。

（5）重复步骤（3）与步骤（4）10-15次，每进行一次步骤（3）与步骤（4），即为加固一次。每次加固至少间隔20min：每次处理后，石材会有1摄氏度温度的改变，每次加固后的时间间隔，可以保证充分碳化，让剩余的极少的氢氧化钙在这段时间与空气中二氧化碳反应碳化。而且如果持续使用一个等离子体源长期连续地工作，二氧化碳钢瓶中气体连续释放时，时间长了（约半小时）会因降温导致气管与钢瓶接口处冻结，综合考虑，每次加固间隔时间为至少20min。

步骤（4）中，低温等离子体源工作电压110 V -240V，频率为50 Hz-60 Hz，功率最大为30W。

步骤（4）中，低温等离子体源标准的处理距离为2 mm-10mm，标准的处理宽度为5-20mm。

步骤（4）中，低温等离子体源产生的为温度<50℃冷等离子体。

步骤（4）中，用低温等离子体源喷口处的等离子焰扫描石质文物8上喷涂加固剂后的位置1min-2min。

步骤（2）中，加固剂的配置方法为，将纳米氢氧化钙或上海麦克林公司生产的≤6.5μm的氢氧化钙分散在体积浓度为5%-5.5%的异丙醇水溶液中，使用磁力搅拌器不间断搅拌2小时-3小时或超声波震荡2小时-3小时，制备成饱和溶液。

试验验证：

二氧化碳气氛下低温等离子体活化氢氧化钙加固风化石质文物的方法，包括以下步骤，

（1）清理风化石质文物表面附着物；在放大1000倍的情况下观察风化石质文物表面情况，具体观察图像如图6；

（2）将氢氧化钙分散于体积浓度为5%的异丙醇水溶液中制成饱和溶液，氢氧化钙粒径＜6.5μm；

（3）在石质文物的风化层喷涂步骤（2）配置的加固剂；喷涂试验如图2和图3所示，由于这里为试验验证，石质文物试验面积小，使用滴管滴加；

（4）通入二氧化碳气体的低温等离子体源喷口对喷涂加固剂后的石质文物进行喷涂处理1min，如图4和图5所示；低温等离子体源工作电压110 V，频率为50 Hz，功率最为25W。

（5）重复步骤（3）与步骤（4），每进行一次步骤（3）与步骤（4），即为加固一次；在重复步骤（3）与步骤（4）5次、10次、15次后，即分别加固5次、10次、15次后，在放大1000倍的情况下观察石质文物表面情况，具体观察图像分别如图7、图8、图9。

对照图6、图7、图8、图9。图6：加固前石材文物表面劣化严重，凹凸不平，颗粒松散；图7：使用本方法加固5次后，样品表面形成碳酸钙结晶，碳酸钙填充在颗粒缝隙处，但碳酸钙结晶分布较为分散，石材表面粗糙度得到改善；图8：加固10次后，碳酸钙结晶增多，填充更加充分，碳酸钙结晶层分布连续均匀，已形成有效的加固层，石材表面粗糙度明显改善，表面强度增强，颜色无明显改变；图9：加固15次后，碳酸钙结晶量增大，填充完全，碳酸钙结晶层分布连续均匀，已形成有效的加固层，劣化石材表面平整，表面得到明显强化，颜色略微变白。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。