автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Реставрация и консервация древесины памятников истории и культуры с использованием кремнийорганических соединений



Государственный Русский музей

На правах рукописи

Никитин Михаил Капитонович

Реставрация и консервация древесины памятников истории и культуры с использованием кремнийорганических соединений

05.21.03 - Технология-» <*борудр^ хими чсск.ий- п€рЬргц ^^дрЬЬеси н ы;

.-»да

степени

^.-^^гг^-'доктора техтэтеских наук (в виде научного доклада)

Садат-Пегербург 1998

Научный консультант: действительный член МАКЭБ, доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургской лесотехнической академии А. А. ¿{ЕОНОВИЧ.

Официальные оппоненты: действительный член РАЕН, доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургской лесотехнической

академии, заслуженный деятель науки и техники А.И.КИПРИАНОВ;

действительный член МАНЭБ, доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского института пожарной безопасности К.М.ГИБОВ;

доктор технических наук, , профессор, заведующий лаборатории ГП НИИ синтетического каучука М.П.ГРИНБЛАТ. с

Ведущая орган рукционных

материалов "Прометей

Защита состоите заседании диссертацис Петербургской лесотех 194021, Санкт-Петербу,

Л-30 на в Слнкт-

С диссертацией в виде научного доклада можно

ознакомиться в библиотеке лесотехнической академии.

Диссертация в ^иде разослана , -» -

21 мая 1998 г. -

Санкт-Петербургской научного доклада

J о'

А

»>

V;' iv

и

Ученый секретарь диссертационного совета

С с

Н.И.КАЛИНИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сохранение культурного наследия все более осознается как одна из важных проблем, стоящих перед обществом. Памятники прошлого, комплекс музеев с их экспонатами призваны противостоять тенденциям дегуманизации, которая является одним из следствий ускоренного индустриального развития.

Понятие "памятники истории и культуры" включает широкий круг объектов - от исторических зданий и сооружений до предметов, характеризующих быт, искусство и ремесла народов, естественно-научные коллекции, книжные и рукописные собрания и т.д. Для проведения научно обоснованного выбора и создания материалов для реставрационных работ (консервантов, защитных и модифицирующих составов) необходимо исследовать физико-механические и физико-химические характеристики материалов реставрируемого объекта, представлять возможности глубинной пропитки частично разрушенной древесины и иметь методику прогнозирования свойств и долговечности образовавшегося композиционного материала.

Особое место в ряду полимерных материалов для реставрации занимают кремнийорганические соединения (КОС), способные придать водозащищенность, повысить механические характеристики реставрируемого материала; КОС имеют абиотические свойства при практически полном отсутствии вредного влияния на человека. В отечественной практике используется ограниченный круг кремнийорганических соединений. Отсутствуют исследования и практические . работы по применению модифицирующих составов из смесей карбоцепный полимер кремнийорганическое соединение. Недостаточны наши знания о взаимодействии кремнийорганических соединений с частично разрушенной древесиной памятника (о капиллярных, сорбционных процессах, изменении физико-механических свойств образующихся при пропитке композиционных материалов, в частности, увеличении их долговечности, тепло- и светостойкости, водо-, био- и огнезащищенности). Учитывая специфические требования в реставрации, необходимо знать изменение растворимости КОС и их композиций с синтетическими полимерами после определенного времени ' Эксплуатации ( в процессе старения ).

- 4- Изучение комплекса этих вопросов для практики реставрации и *|ервации весьма актуально.

1 Целью работы является создание научных основ реставрации и 'ррвации древесины с применением кремнийорганических соединений и «риалов на их основе в реставрации памятников деревянного зодчества и зейных экспонатов на деревянной основе.

Для достижения этой цели предусматривается: " • - разработать представления о частично разрушенных материалах и изложения по решению задач прогнозирования свойств и долговечности п г-^иалов после их консервации КОС и составами на их основе;

- изучить кинетику пропитки и сорбции КОС древесины (в том числе частично разрушенной) и свойства образующихся композитов;

- изучить поведение кремнийорганических соединений и их смесей с карбоцепными полимерами в растворах, условия образования и устойчивости водно-органических растворов КОС;

- создать математическую модель глубинной пропитки строительных материалов и способ вычисления глубины пропитки по ограниченным экспериментальным данным;

- на основе представлений о совместимости и долговечности смесей КОС с синтетическими полимерами разработать и испытать новые реставрационные и защитные материалы;

- получить подтверждение эффективности разработанных материалов и технологий их применения при натурных испытаниях и на конкретных объектах реставрации.

Научная новизна. Комплекс проведенных исследований позволил экспериментально установить и теоретически обосновать новые научные положения и решения проблемы реставрации и повышения долговечности частично разрушенной древесины памятников и экспонатов с использованием кремнийорганических соединений и составов на их основе.

В работе впервые: - сформулировано понятие "частично разрушенный материал" и предложены критерии оценки;

- выработан системный подход к выбору полимерных материалов для реставрационных работ;

- показано протекторное действие КОС на синтетические полимеры и композиции с древесиной;

- показана возможность существования водно-органических растворов КОС, определены условия их образования и устойчивости;

- показано, что пропитка капиллярно-пористых материалов растворами полимерных материалов с КОС протекает в условиях, когда КОС выступает как ПАВ.

Практическая ценность. В результате выполненных исследований развито новое направление в материаловедении реставрационных материалов: обоснованы необходимость и границы применения кремнийорганических соединений для широкого круга реставрационных работ на памятниках истории, культуры и музейных экспонатах. Формализованное описание древесины как материала позволило предложить алгоритм прогнозирования выбора модифицирующих составов и свойств образующейся модифицированной древесины, предложены и реализованы методы расчета глубины пропитки различных материалов. На основе выявленных закономерностей образования и границ существования водно-органических растворов полиорганосилоксановых олигомеров разработана технология гидрофобно-укрепляющей глубинной пропитки водонасыщенной древесины и других строительных материалов.

Показаны возможность и эффективность последовательной пропитки древесины сначала водорастворимыми антисептиками и антипиренами, затем растворами кремнийорганических соединений. Разработаны новые огне- , биозащитные и укрепляющие составы, проведены их лабораторные и натурные испытания.

Полученные результаты и развитые представления используются в различных организациях страны для практических реставрационных работ.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- принципы и методы модифицирования древесины системой КОС -полимерный материал в органических растворителях; КОС - полимерный материал - неорганический антисептик (антипирен) при их последовательном введении;

- описание исходной, частично разрушенной и модифицированной древесины, моделирование процессов модификации;

- математическая модель глубинной пропитки древесных материалов реставрируемых объектов и обоснование возможности вычисления глубины пропитки по результатам, полученным на малых образцах;

- критерии пригодности полимерных материалов для реставрационных работ; эффективность кремнийорганических соединений и материалов на их основе для реставрации;

- методика оценки старения полимерных материалов и протекторная роль КОС в композициях;

- совокупность экспериментальных данных о свойствах органических и водно-органических растворов КОС и системах КОС - полимерный материал -неорганический антипирен (антисептик) - древесина;

- технологические и рецептурные методы создания новых композиционных составов для реставрации объектов из дерева, бумаги, текстиля;

- алгоритм прогнозирования свойств и долговечности композиционных материалов на основе кремнийорганических и карбоцепных материалов.

Апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в монографии, трех книгах, 28 научных статьях, представлены в 6 авторских свидетельствах и патентах, 62 тезисах докладов, которые были прочитаны на 12 Международных конференциях, 14 Всесоюзных конференциях и совещаниях, 9 региональных научно-практических конференциях и совещаниях, 19 семинарах, конференциях и совещаниях вузов и реставрационных организаций.

На основании курса лекций, читанных в Петрозаводском Государственном университете, выпущено учебное пособие " Модификация древесины памятников деревянного зодчества" (Петрозаводск, 1992, 112 е., авт. Никитин М.К., Ошкаев А.Х.).

- 6 -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Понятие об исходной, частично разрушенной и модифицированной древесине

Объектом технической реставрации является материальная основа памятников истории, культуры и музейных экспонатов. Свойства любых материалов со временем изменяются, материальная основа объектов, просуществовавших достаточно долгое (историческое ) время, отлична от свойств исходных материалов. Правомерно для таких измененных материалов, параметры которых регистрируются достоверно, ввести термин «частично разрушенные материалы» (ЧРМ). Степень и характер изменений могут быть различные, но их совокупность приводит, как правило, к ухудшению эксплуатационных и эстетических характеристик. Исходные и частично разрушенные материалы могут быть охарактеризованы набором экспериментальных и табличных (регламентированных) данных об их физико-механическом и физико-химическом состоянии. Изменение этих свойств возможно путем модификации, в частности, пропиткой растворами консервантов (в том числе полимерами).

Описание материала может быть представлено в наиболее обобщенной форме: 1) исходный, 2) частично разрушенный, 3) модифицированный (композиционный) материал. Введение таких обобщенных понятий позволяет представить совокупность экспериментальных данных о предметной области в форме, пригодной для принятия обоснованного выбора модифицирующего состава и прогнозирования ожидаемых свойств образующихся модифицированных материалов (рис. 1).

Все материалы могут быть описаны с позиций качества, которое рассматривается как комбинация оценок свойств материала.

Предлагается следующий набор формальных определений, принятых нами для рассматриваемой области знаний:

1) исходная древесина ( ИД ) - это материал, все параметры которого лежат в регламентированных пределах;

2) частично разрушенная древесина (ЧРД) - это материал, по меньшей мере один параметр которого выходит за регламентированный нижний предел;

3)композиционную (модифицированную) древесину (КД) получают путем модификации ИД и ЧРД; все параметры КД не ниже нижнего регламентированного предела для ИД и хотя бы один параметр выше верхнего регламентированного предела;

4) целевой параметр ( ЦП ) - параметр, который желательно привести к максимально возможному значению у КД;

5) модифицирующий состав ( МС ) - это состав, введение которого в ИД или ЧРД улучшает хотя бы один целевой параметр;

6) долговечность материала (ДМ) - оценка времени, в течение которого все параметры материала не выходят за нижние регламентируемые пределы.

Моделирование поведения мате- риалов в процессе модификации и деструкции требует введения ряда исходных предположений, которые позволяют провести необходимые обобщения.

1. ЧРД может быть охарактеризован типом соответствующего ИД как физико-химическая система; направлением разрушения в пространстве параметров; степенью разрушенности.

Близкие ЧРД ведут себя сходным образом при модификации и последующей деструкции в процессе старения.

2. Модифицирующие составы ( МС ) характеризуются множеством компонентов и их концентрациями. Близкие по составу МС вызывают близкие по направлению и величине изменения параметров модифицируемого материала.

3. ИД характеризуются наряду с параметрами макроуровня (плотностью, прочностью, пористостью) некоторыми качественными параметрами (наличием макро- и микропор, анизотропией, гидрофильностью - гидрофобностью, способностью к набуханию в воде или органических растворителях и т.д.).

ИД с близкими качественными параметрами ведут себя сходным образом при модификации или деструкции.

4. Процесс деструкции в КД, полученных из материалов со сходными качественными параметрами и МС сходного состава, протекает сходным образом.

Приведенные выше положения согласуются с данными, известными из практики, и дают возможность анализировать состояние материалов с привлечением понятий об аналогии и классификации в пространстве состояний, т.е. применять для описания одних материалов знания, полученные для других материалов и МС.

Переходя к вопросу использования знаний о рассматриваемых системах, следует заметить, что эти знания ввиду объективных причин могут иметь существенно различную форму. В частности, используются: знания фактического характера (например: известно, что данный материал гидрофобен...); знания процедурного характера (например: известно, что данный способ модификации приводит у данного материала к существенному.

Рис.1. Схема переходов ИД-ЧРД-МД в координатах свойств:

1- исходное состояние образца;

2- состояние образца после старения;

3- состояние образца после модификации;

4- состояние модифицированного образца на момент потери эксплуатационных свойств.

повышению прочности); знания численного характера (например, известны регламентированные пределы параметров); знания алгоритмического характера (например, известны формулы или методики расчета тех или иных величин); знания об аналогиях (например, известны критерии оценки близости свойств ИД или МС ).

Поскольку исследования в области свойств материалов продолжаются, знания о них имеют динамический характер, т.е. любая фиксированная модель материала имеет тенденцию к моральному устареванию.

Все эти соображения приводят к выводу о том, что наиболее целесообразной для использования в практической реставрации формой прогнозирования является экспертная система (ЭС) как наименее чувствительная к разнообразию в форме представления знаний, а также к их неполноте, нечеткости, возможной противоречивости и динамике.

Экспертная система состоит из базы данных (знаний), решателя по аналогии, системы поиска в пространстве альтернатив ("дерево вариантов"), доски объявлений и "планировщика" - системы перспективных с точки зрения достижения цели знаний и общения с пользователем.

Изменение параметров при воздействии комплекса компонентов МС (модифицирующего состава) определяется исходя из модели сложения частных влияний компонентов и правил определения вектора изменения свойств ЧРД при воздействии каждого компонента (или, при отсутствии правила для данного ЧРД, - по правилу для его ближайшего аналога в секторе базы данных "модификация").

В разработанной программе предлагаемый метод-прогноза и принятия решений отличается тем , что по мере введения в базу данных новых сведений о свойствах частично разрушенных материалов (древесины), полимерах и их взаимодействии с модифицируемыми материалами и свойствами композиционных материалов увеличивается база данных описанных ситуаций и повышается качество прогнозов и решений.

Отдельные фрагменты данной экспертной системы были применены для расчета глубины пропитки и прогноза конечного результата пропитки сложными модифицирующими растворами художественной керамики и древесины; использование данной системы прогноза затруднено ввиду неразработанности баз данных исходных материалов, соответствующих предлагаемым для реставрации частично разрушенным материалам памятников и экспонатов.

2. Основные критерии выбора материалов для реставрации

Под реставрацией древесины как материала понимают направленное изменение ее свойств путем введения неорганических и органических антисептиков и ангипиренов, мономерных или олигомерных (с последующей полимеризацией) и полимерных синтетических консервантов, улучшающих.

физико-механические характеристики и обеспечивающих продление срока работоспособности древесины.

Используемые в реставрации полимерные материалы относятся к различным группам по составу, свойствам и их изменениям со временем. Ниже с�