[发明专利]石材和石质文物的纳米光催化表面防护材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用光催化材料二氧化钛防护石材和石质文物表面的方法。

背景技术

大型石雕、石刻和纪念碑等石构件以及众多的石质古迹等大多数暴露在自然界的风化环境中，由于它们主要由低抗侵蚀能力的矿物组成，风化腐蚀严重。虽然，最根本的措施是控制外界环境，但是环境中的影响因素不可能一下子完全去除，也不可能将那些易遭侵蚀的石质古迹和建筑都转移到没有外界影响的地方去，为了保存表层文化信息的实物载体，不得不对一些濒危的石材表面进行必要的表面防护保护性处理。

目前，主要的保护手段是使用保护材料对石材进行表面处理。无机石材防护材料在十九世纪前曾广泛使用，主要包括石灰水，钡的氢氧化物或磷酸盐等，许多事例表明，由于这些无机保护材料所含的盐分易引起结晶膨胀，无机防护剂的使用反而加剧了石材的风化。现在一般采用现代有机聚合物作为保护材料，例如，环氧树脂、丙烯酸树脂、尤其是有机硅和有机氟类聚合物等。尽管有机聚合物用于石质文物的表面防护已有数十年的历史，但是防护效果仍不尽人意。主要问题是：1)有机高分子防护材料在野外的实际有效寿命较短，一般仅几年，最多二、三十年，无法满足人们的期望值。失效后的高分子材料会给文物本身以及后续的防护造成不同程度的影响，例如泛黄、产生斑块、堵塞微孔以及粉化等；2)石材本身亲水性与有机防护膜憎水性的矛盾，表层的憎水性防护膜会使石头的内外层产生显著的湿度梯度，随着环境温度和湿度的变化，干湿交界处会因存在明显的膨胀应力差而造成破坏；3)石材是微孔渗水材料，可溶性盐会在其内部和表面扩散，当防护膜不透水汽时，盐溶液有顶破膜层趋势，当防护膜可透水汽时，可溶性盐会在水挥发处结晶，结晶压力不仅进一步顶破保护层，甚至可以胀破石材的微孔，使石材表面呈粉状剥落；4)有机防护材料的选择大多是尝试性、试验性的，理论上的预见成分较少。

鉴于此，在新的领域开发理想石材和石质文物的保护材料成为石材和石质文物保护领域的研究焦点。纳米二氧化钛光催化效果明显、无毒、耐腐蚀、以其独特的物化性质广受关注，在光催化领域得到极好应用，但是在石材和石质文物领域几乎没有应用。目前有关石材和石质文物防护材料的专利基本还是以有机类为主，如申请号89103208.8及申请号200410043975.9均是公开了石材和石质文物的有机防护材料；或者是有机-无机复合保护材料，如申请号201010033914.X公布了一种壳聚糖/二氧化硅复合保护膜；只有一篇即申请号00119382.1公开了一种石材和石质文物的无机材料的防护方法，但是该法限于含钙的石材和石质文物。

受二氧化钛具有较强的光催化性、自清洁性，以及耐酸、碱等腐蚀的化学惰性的启示，提出了一种将纳米光催化材料二氧化钛直接应用于石材和石质文物的表面防护的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种将无机材料纳米光催化二氧化钛应用与石材和石质文物的表面防护的技术及其制备方法。

本发明的关键是在石材表面生成一层致密、与基底石材结合牢固的透明纳米锐钛矿相的二氧化钛膜，这是由于锐钛矿相的二氧化钛具有比其它晶型更佳的光催化性能。为了达到此要求，一方面需要用预处理液处理石材表面，使石材表面易于成膜；另一方面需要预配制好能够直接涂覆在石材和石质文物表面的纳米锐钛矿相的二氧化钛溶胶。

为了达到上述目的本发明采取下列措施：

(1)石材和石质文物的表面功能化处理：用去离子水、适当的有机溶剂或是它们按体积比为5％～95％混合而成的溶液，将石材表面清洗干净，使之表面功能化。

(2)二氧化钛溶胶制备：将钛的金属醇盐与溶剂、螯合剂、水解抑制剂按比例混合，摩尔比为1∶(2～500)∶(0.001～5.0)∶(0.0001～1.0)，并调节pH范围在2.5～5，温度范围为40～90，搅拌5～24小时，陈化2小时以上。

(3)表面清洗处理后石材或石质文物使用二氧化钛溶胶保护处理的操作可使用涂刷、喷淋、浸泡等方法。

上述预处理液用的有机溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、丙酮、丁酮、戊酮、戊烷、己烷、乙酸甲酯、乙酸乙酯及它们的各种异构体中之一。