热点关注:  
X射线 3D打印 中广核技 中国同辐 太赫兹 新冠疫情 粒子加速器 质子治疗 电子束辐照 放射性同位素 辐照交联 辐射剂量 直线加速器

产业应用 > 工业领域 > 正文

无损检测技术在纺织品文物保护中的应用

无损检测 无损分析 近红外光谱仪 X光谱仪
发布:2021-04-08 16:31:35     来源:杨海亮 无损检测NDT

借助无损检测技术,在不消耗文物样品的前提下,提取更多文物附载的珍贵历史信息,是一种被广泛认可和应用的文物检测技术。

图像技术和光谱技术是目前应用到文物保护领域最多的技术,例如在纺织品文物保护中应用的激光共聚焦/视频显微镜技术、X射线荧光光谱技术、红外光谱技术、紫外可见反射光谱技术、多光谱成像技术、拉曼光谱等技术,这些技术在解决文物的科学认知和修复保护等方面发挥着重要作用。

相比其他文物,纺织品文物的有机质属性导致其易受埋藏环境和保存环境的影响而出现劣化和降解,导致文物本体及其负载的历史信息流失严重,因此如何利用无损检测技术提升纺织品文物保护全过程的科学性是目前面临的重要问题,加之文物检测样品不易获取,急需建立一套行之有效的无损检测方法。

文物保护过程中的无损检测能为各修复操作步骤和方法对文物的影响进行实时监测;文物健康跟踪中的无损检测能及时发现影响文物安全的潜在因素,使文物得到长久保存。目前,国内针对纺织品文物的无损检测研究较少,中国丝绸博物馆/纺织品文物保护国家文物局重点科研基地的科研人员结合无损检测技术在纺织品文物的科学认知、修复保护、无损分析和本体安全无损检测中的应用特点,系统地探讨了现阶段无损检测技术在纺织品文物保护方面的优势与不足,有望有更多适合文物保护的无损检测技术得到应用,提升文物保护的科技水平。

1 纺织品文物保护流程分析

纺织品文物出土后的信息提取是文物保护的重要环节,旨在提取较为完整的工艺、纤维、染料、色彩、成分、印迹等信息,如织造工艺可以通过材料、纹样、组织结构和经纬密度等要素进行判断,这些要素即为织造工艺的关键控制点。修复保护过程涉及消毒、清洁、背衬制作、修复等众多环节,利用除尘清洗中的色差、回潮率、酸碱度等可以跟踪判断清洁度和安全性。对纺织品文物保护全过程进行关键控制点分析后得到的关键控制指标如表1所示。本文也将重点对表1中的重要项目内容和关键控制指标进行分析。

表1 纺织品文物保护的关键控制点及分析

2 纺织品文物信息的无损分析

01 艺信息

纺织品是通过织造方法制作的织物,其组织结构、经纬密度、捻度、纱线粗细、针法等是了解纺织品文物历史工艺信息的重要因素,利用显微镜成像可以直观地拍摄并精确测量其尺寸,如采用日本Scalar显微镜(放大30倍)拍摄的织物(见图1)纬密为30根/cm,无捻;经密为77根/cm,弱捻或无捻。目前可通过二维和三维视频显微镜实现织物工艺信息的观察,放大倍数为20~2000倍,相比于二维视频显微镜,三维视频显微镜通过景深叠加能够更好地处理织物表面聚焦失真,但由于叠加计算,图像分辨率会降低。

 
图1 Scalar显微镜拍摄的织物组织特征照片

02 维测量

古代毛织物及裘皮文物所使用的动物纤维种类繁多,利用毛纤维表面的鳞片特征,包括鳞片形状、鳞片直径、翘角、厚度、间距等,可以初步判别纤维的种属来源。可通过激光共聚焦显微镜对样本进行逐点扫描,逐层获得二维光学横断面图像,再通过三维重建获得其三维图像及结构尺寸。

采用德国卡尔蔡司Axio CSM 700型激光共聚焦显微镜拍摄的绵羊毛纤维鳞片如图2所示,可知其鳞片高度为16~19μm;鳞片翘角为29°~34°;鳞片厚度为0.56~0.64μm。相比扫描电镜,激光共聚焦显微镜可无损地拍摄纤维结构尺寸的立体图像,测量较为准确。

 
图2 激光共聚焦显微镜拍摄的绵羊毛鳞片照片
03 材料类型

近红外光谱技术兼具可定量和定性分析、无损检测、建模便捷等优点,已在纺织品文物纤维鉴别中得到广泛应用。与常规分析技术不同,近红外光谱是一种间接分析技术,利用近红外区的光谱吸收带是由有机物质中能量较高的化学键(主要为C-H、O-H、N-H)在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成的原理,通过漫反射得到有机物的近红外吸收光谱,该技术必须通过建立校正模型(标定模型)来实现对未知样品的定性或定量分析。

如美国的赛默飞micro PHAZIR型便携式近红外光谱仪可通过漫反射得到有机物的近红外吸收光谱,扫描光谱范围为1600~2400nm,单个样品扫描时间小于3s。使用该仪器鉴别丝棉麻毛样品时,可先选择有代表性的样品并测量其近红外光谱,然后采用Savitzky-Golay卷积求导法、多元散射校正(MSC)、矢量归一化 (SNV) 、偏最小二乘法(PLS)等方法进行化学计量并建立校正模型(见图3),最后对未知样品组分或性质进行测定比对。

 
图3 丝棉麻毛标准样品的S. Golay+MSC建模曲线

利用近红外光谱仪进行测试时,需将古代纺织品文物平放于检测平台,先观察织物厚度和组织密度,样品厚度不能小于1mm,若样品轻薄,可在其下方衬垫具有高反射率的朗伯体材料,增加检测的准确性;在同一块被测面料的不同染色区域中,可选择颜色较浅的区域进行测试,以此增加近红外光的反射率;在测试样品中选取5个以上的区域进行近红外光谱图采集,并标注测试点,以获得准确的检测结果。

04 色彩数值

色彩数值对于文物复制和制作修复面料均有帮助。可以使用便携式分光测色仪对文物的色彩数值进行测定。首先光照射到文物样品上,经过反射到达光栅进行分光,然后使光信号转换成电信号,最终转算成数字信号,无损地获取色彩的L,a,b值。对于一些刺绣织物,其染色的纤维纱线宽度远比目前常见分光测色仪的测试口径要小,难以准确测量文物上较细纱线的色彩数值。

05 染料成分

纺织品文物的染料记载着古代染色技术的发展与变化,紫外-可见反射光谱技术作为染料鉴别的无损检测技术能够较好地检测出文物的染料成分,是目前常用的一种染料无损检测手段。

如笔者采用美国海洋光学的QE65000型高分辨微型光谱仪,测试了5件敦煌出土的织物染料。测试时将织物直接放置在载物台上,在距离漫反射装置1cm处进行原位无损检测后,获取了染料的特征反射光谱(见图4)。根据不同染料的反射特征峰值进行染料推测,B159:15的紫外-可见吸收光谱中最大吸收波长为509nm,是茜紫素的特征吸收波长,故推测该件纺织品为印度茜草染色;B159:18红色部分的吸收峰为515nm,说明当时可能使用红花进行染色;该件文物的黄色部分无明显的特征吸收带;B159:22和B159:23均为绿色织物,在紫外-可见吸收光谱的600~650nm区域都有吸收峰,说明这两件文物中可能存在靛青染料,其中B159:22上还发现有419nm的吸收峰,说明可能存在黄酮类染料。


 图4 不同染料的紫外-可见吸收光谱

06 颜料印迹

多光谱摄影技术近十几年来在文物保护领域的应用有了重要进展,尤其在壁画保护方面。该方法作为一种非介入或无损检测技术,通过成像光谱仪记录被检物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布,形成由许多单色光影像构成的光谱影像,包含了被检物体在多幅等间隔波长位置的窄波段单色光亮度分布影像,该方法已被证明是文物保护学家和修复工作者的有力工具,也逐渐在研究古代档案或纺织品文物上的颜料印迹和颜色显示方面得以应用。

如笔者采用美国海洋薄膜的SPECTROCAM型多光谱成像系统对敦煌出土的1件因污染物导致墨书印迹不明显的纺织品进行拍摄(见图5),在可见光波段,污染物图像信息仍存在,见图5(a),而在红外波段,红外光穿透污染物层后反射了原有的字迹信息,使字迹能被清晰地识别出,见图5(b)。

 
图5 多光谱拍摄前后的织物表面墨书印迹显示

06 元素组成

纺织品文物的织金、绘画等工艺也是了解纺织历史的重要元素,利用XRF技术,可以对古代纺织品上的颜料、金属线等进行无损测试,研究其成分组成。

如利用美国NITON公司的Thermo Fisher型便携式XRF仪测试一件清代红缎地盘金绣戏衣残件金属线的主要元素成分时,发现该件文物的织金材料有两种,一种为圆金线,其Au元素含量高,一种为平金线,其Fe元素含量高,可以借此深入研究当时的织金工艺,便携式XRF仪对圆金线和平金线的测试图谱如图6所示。

 
图6 便携式X光谱仪对圆金线和平金线的测试结果

3 纺织品文物本体安全的无损检测

纺织品文物保护有三大阶段,即保护前、保护中及保护后,如何利用无损检测技术监测各保护环节的影响因素,并根据检测结果给出数据支持和保护决策,是目前纺织品文物保护中急需解决的问题。根据纺织品文物的材料属性和环境影响变化,以表面酸碱度无损检测技术、表面回潮率无损检测技术、表面色差无损检测技术等为主要监测手段,科学规范地解决了纺织品文物保护前、中、后3个阶段的文物本体安全问题。

01表面酸碱度无损检测

由于丝织品文物材料的蛋白质属性,酸和碱的存在都会促进丝素发生水解而破坏。丝素对酸的抵抗力比碱强些,这是因为在碱溶液中丝素更易水解。对丝素水解的程度主要取决于pH值、处理的温度和时间等。丝素在强的无机酸(如HCl,H2SO4等)稀溶液中加热,虽无显著的破坏,但其光泽、手感都会受到相当大的损害,张力、伸度亦有所降低。埋藏环境中的盐、酸、碱能在潮湿环境下侵蚀丝纤维,加速腐变降解过程。柞蚕丝织物在不同pH值条件下的水解老化作用表现为β-折叠结构含量的下降,无规率结构含量增加;在酸性条件下,α-螺旋结构含量会下降,而碱性条件下其含量则表现为先增加而后降低,酸性条件下水解后,α-螺旋结构含量小于碱性条件下水解时的α-螺旋结构含量。因此用于丝织品文物的洗涤剂pH值应保持中性或弱酸性。对于丝织品文物,不论酸还是碱都会对丝纤维产生破坏作用。使用pH值为弱酸性的缓冲溶液处理纺织品,能较好地控制纺织品的pH值(对于pH值不合格的样品,将其浸渍在pH=6的缓冲溶液中浸渍1h后,可使样品的pH值达到规定范围)。

空气中的有害气体、光照、水蒸气等都会加剧纺织品文物的腐蚀,纺织品文物表面偏酸性的污染物会增大霉害发生的几率。纺织品文物所用的包装和存放材料应为中性稳定材料。虽然根据标准WW/T 0016-2008可以测试空气中有害气体成分含量是否超标,但纺织品文物的有害物质是不断积累的,同时环境中气体成分或清洁度的反复变化也不能准确地反映纺织品文物内在的腐蚀程度,因此,采用表面酸碱度无损检测技术可以直接无损地接触纺织品并获得其酸碱度,将酸碱度作为指标可反映纺织品文物受到外界环境影响后的腐蚀程度,同时也可以评价清洗过程中试剂残留的影响,以及发现文物包装酸碱度的潜在危险。

02表面回潮率无损检测

回潮率的大小对纺织材料的物理性质,如强度、伸长率、电阻、比重,以及纺织工艺等都有影响。表面回潮率无损检测技术具有快速、连续、非接触、无破坏等特点,可实现连续测定和自动控制,是近年来正在发展的新技术。

纤维吸湿后质量增加、体积增大,纤维吸湿膨胀后具有显著的各项异性,在纵向和横向均会发生膨胀,其横向膨胀量大而纵向膨胀量小,这是由于纤维中长链大分子的取向决定的水分子进入无定形区后,打开了长链分子间的联结点,使长链分子间距增加,进而使纤维横向变粗,而在纤维长度方向,由于大分子的不完全取向,并且有卷曲构向水分子进入大分子之间后导致构向改变,使纤维在长度方向有一定程度的增加,但其纵向膨胀率远小于横向膨胀率。因此,吸湿后的纤维会因直径变粗而使织物产生挤压收缩,使柔软的织物变得粗硬,纤维吸收少量水时,其体积变化不大,水分子吸附在纤维大分子之间的孔隙中,单位纤维体积和质量随吸湿量的增加而增加,使纤维密度增加。大多数纤维在回潮率为4%~6%时的密度最大,待水分子充满孔隙后再吸湿,纤维体积会发生显著膨胀,纤维密度反而降低。绝大多数纤维随回潮率的增加,纤维强度会下降,但棉麻等天然纤维素纤维的强度会随回潮率的增加而增加。虽然纤维不同,其强度不一定随回潮率的增加而增加,但纤维的塑性变形能力会普遍提高。这一变化可以理解为,因水分子进入纤维,尤其是进入纤维无定形区和长链分子间的空隙后,加大了无定形区的自由区域,打开了长链分子间的联结点,使长链分子间的距离增加,进而改变了纤维内部分子的排列和结合状态,使其更易在外力影响下发生滑动弯曲等形变。这一塑性形变能力的变化,在纺织品文物上的体现就是褶皱、扭曲、粘连等,织物形变可以借助外力进行矫正和恢复,因此纤维回潮后塑性变形能力的增加是纺织品文物回潮操作的关键。

长时间处于高湿度环境下,会引起纤维及其织物附属的染料、粘合剂、金属装饰等材料的加速老化,甚至会引起织物表面有害物质的溶解,并向纤维更深部位渗入,还会加大织物发生霉害的风险。结合我国主要纺织纤维的公定回潮率,可通过表面回潮率无损检测技术,判断纺织品文物在不同环境中的回潮率与纤维的脆化或膨胀程度的关系。目前酸碱度测试仪已能够测试织物表面的回潮率变化,精度可达0.01%。

03表面色差无损检测

丝织品文物出土后会受到各种环境因素的影响,包括光照、温度、湿度、有害气体等,其中光照导致的褪色是丝织品文物面临的主要危害。丝纤维对光很敏感,容易发生光氧化降解和光化学反应,使丝纤维的光泽和强度发生变化(泛黄变脆)。光辐射不仅影响丝蛋白的分子结构,同时也可使染料分子结构发生变化。

古代对丝绸染色所使用的染料主要有植物染料、矿物染料和动物染料等3种,植物染料使用最为普遍。植物染料是从植物中提取的染色物质,属于有机染料,对于光、热等作用十分敏感,在光的作用下容易发生裂解、变质,从而引起色彩的变化。在古代,使用植物染料进行染色的过程中经常会使用媒染剂,以增加色系,提高染色牢度。但是残留的媒染剂也使植物染料所染的丝绸更易受到光照的影响而发生色老化,引起褪色、变色等反应。在对纺织品文物进行研究和展览的过程中,经常需要拍照,拍照时使用的闪光灯会对文物产生严重的损坏。植物染料对光的作用十分敏感。即使是矿物颜料染色的文物,对光照也是敏感的,有些矿物颜料在光照情况下会发生分子结构的变化,从而引起色彩变化。

丝织品文物褪色的原因及过程是相当复杂的,其褪色往往是几种因素相互作用,相互影响的结果,除因光照时染料分子吸收光能而分解,造成化学结构变化,引起丝织品文物褪色外,温度、湿度、有害气体腐蚀、霉菌、害虫等因素都会对丝织物原料、染料结构产生破坏,并会相互影响,造成丝织品文物的色彩发生变化。所以有必要对纺织品文物保护各阶段进行色彩记录与色差分析。色差计算时应采用国际照明委员会推荐的表示色差的公式:

式中:ΔL为明度差;Δa为红绿色品差;Δb为黄蓝色品差;ΔΕ为色差。

根据Mile ISHII等的研究,通过使用LED灯照射不同染色情况的纺织品,探讨出了曝光总量与褪色的关系及褪色临变的色差值范围,色差ΔE≤1.6时,多数染料随着曝光总量的增加色彩变化率未有明显变化,当ΔE>1.6时,随着曝光总量的增加,其色差值变化率显著增加,表示染料褪色速率加快。据此,可利用表面色差无损测试技术监测色差变化,以此作为纺织品文物褪色的判断指标。

结语

无损检测技术已在纺织品文物的科学认知和修复保护的全过程中起到了重要作用,现阶段针对纺织品文物的纤维、染料、颜料、色彩等特征无损检测技术已能解决众多文物考古与保护问题,但仍存在检测精度不高,文物针对性不强,检测限值不能满足要求等不足,表面酸碱度、色差值、回潮率的无损检测还未能达到全面反映和监测纺织品文物安全的目标,需要继续开展相关研究,融合多种无损检测手段,建立更全面的纺织品保护与监测体系。

推荐阅读

暂无相关信息
阅读排行榜