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文物保护|刘家真:保护古籍的关键环境因素与控制
2023-04-28

文物保护是一个大课题,也是需要越来越多的人参与和投入的课题。近些年,在文博机构、高等院校、科研院所的共同努力下,文物保护技术持续进步,促进了保护利用水平的提升。一批从事文物保护技术的企业,服务于文物保护领域,也逐渐成为推动文物保护工作的重要社会力量。随着工作的深入,图书馆、博物馆、档案馆等馆藏单位越发需要先进科学技术的指导,以开展更为精准、更为系统有效的文物保护工作。与此同时,新技术、新理念的出现让文物保护工作面临一些新问题、新形势。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
文物保存需要怎样的环境?如何达到文物保存环境的稳定与节能?文物保存与保护的现状与前景是怎样的?针对这些问题,藏书报、博物馆头条、天津森罗科技股份有限公司联合举办了“文物储存环境稳定与节能的探索”线上直播活动,并邀请到了几位主讲嘉宾进行主题分享。

□刘家真   武汉大学
有很多因素会影响到藏品的长期保存,这与藏品材质相关也与保管环境相关,这里仅仅讨论古籍的长期保存与环境的控制问题,火灾、水灾、盗窃等不在本次讨论之列。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
对于纸质藏品的长期保存而言,虫霉的危害与藏品材质的变质是主要因素,生物危害中的虫害是可以通过阻断昆虫进入藏品所在处进行规避的,但霉菌是无处不在的,无法让藏品库或展柜内没有霉菌孢子的存在,只要控制环境的相对湿度就可以控制霉菌的滋生。图1列出了对藏品材质可能有影响的环境因素。

图1 影响藏品长期保存的外部因素

随着国家对古籍保护的重视,库房条件均有改善,大多都有空调设施,今天光照、气温与尘埃基本可控。目前对古籍长期保存影响最大的环境因素主要是库内污染物与相对湿度。

对纸张有害的污染物
与风险控制 
1.影响纸质藏品长期保存的环境因素
欧盟的memori项目花费了近20年的时间,针对藏品中最常见的50多种材料进行了环境影响因素的科学检测,给出了影响这些材料保存的主要环境因素,这里仅摘录影响纸张保存的环境因素,以便说明在古籍保护中要特别考虑的环境因子。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
表1 对纸张长期保存影响较大的环境因子

(该表摘录于欧盟的memori项目)

由表1可见,高湿度、相对湿度的波动、光与空气污染物都是有害古籍长期保存的主要环境因素,但随纸张种类的不同,纸内成分也有区别,所以不同的纸张对环境因素的敏感度也不完全相同。
必须指出的是,这里的手工碎布纸并不能完全代表中国古籍的纸张,因为中国古籍纸张的用纸材料种类多,用碎布或抹布为原料的手工纸还真不多,但手工碎布纸是手工纸中较好的纸,它是不含木质素的。
中国古代手工纸是否绝对不含木质素,我们很难知道了。但今天大量用于古籍修复的传统手工纸,是否含有木质素,少有人去检测。纸内木质素与纸张酸化是有关的,若不对传统手工纸的木质素含量进行检测,就用它修补古籍,会给古籍的长期保存带来隐患。因为,在以上4类纸中,只有含木质素的纸,也就是表1中含木质素的纸与新闻纸(也含有木质素)含有非常敏感的环境因素,在同等环境下,其他纸张更安全,但它首先受到伤害。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
2.环境因素的优先控制选项
预防性保护的原则是避免藏品损坏,若能避免所有有害的环境因素当然是最佳选择,但在条件有限的情况下,要优先防止对藏品材质危害最大的环境因子,以利于首先降低最高风险
表 2 按对纸张损坏风险大小的顺序列出了环境因素,以便我们在预防性保护时,可按优先顺序考虑保护措施,以避免最大的危害风险。
表2不同纸种对环境的敏感性
(该表摘录于欧盟的memori项目)

由表2可见,近现代纸质文献要采取措施优先避免环境中的光与氧化性污染物,然后再考虑对相对湿度与其他污染物的控制。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
古籍用纸没有非常敏感的环境因素,在所有的环境因素中要优先控制污染物与相对湿度和光照,应该注意的是,环境温度并不是最主要危害因子。
对于我国当前的古籍保管环境而言,除了展厅外,光照的问题大部分均已经得到控制。所以下面以保管环境内的污染物控制与相对湿度调控进行讨论。
3.对纸张有害的污染物与风险控制
纸类的材料会慢慢吸收污染物。当达到一定累积量时,就会出现量变到质变,纸张就会变质。累积量是污染物的浓度乘以纸张被暴露时间。浓度低但暴露时间长,与浓度高、暴露时间短的效果一致。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
污染物累积量=污染物浓度ⅹ暴露时间
尽管以上两个表都说明,氧化性污染物、有机污染物是对纸张的长期保存有害的,关键问题是主要污染物具体是指哪些,它们来自哪里,只有发现了这些问题才能找到消除这类污染物的对策。
3.1威胁古籍长期保存的空气污染物
欧盟memori项目通过大量检测发现,有以下类别的污染物对纸张的危害特别大。
(1)有机酸

已经证明有机酸是危害纸张的重要污染物,在藏展环境中,主要是乙酸 (ch3cooh) 和甲酸 (hcooh)。在古籍保存单位,它主要来自于所有种类的木材以及木质复合材料,这也是当前图书馆古籍装具使用最多的材料。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
甲酸与乙酸都属于低挥发性的酸,而且浓度越低挥发越慢,由此可被纸质藏品在长期保存中充分吸收。
欧盟memori项目用实验证明,1000 年前的木材中仍然含有乙酸,尽管浓度已显著降低,但仍可造成损害。
有人会说,中国古代一直就用木质柜架,为什么不少古籍保存如新?该问题与很多因素有关,如所使用的木材类型与处理,柜子是否经常通风等。这都需要国内古籍保护工作者去研究,发现其本质的问题。
古籍库内有机酸的第二个来源就是:清漆、乳胶漆,防蛀和防腐化学品。聚醋酸乙烯酯和一些聚氨酯等粘合剂以及某些硅酮密封剂都会释放有机酸。人造板材中不少含有粘合剂与密封剂等,所以那些胶合板、指接板等人造板材制造的柜架与其他装具是含有有机酸最多的,但也是我国图书馆使用量最大的、最普遍的保护古籍的工具。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
(2)氧化氮

氧化氮主要是二氧化氮(no2)与一氧化氮(no)。它们不仅会损坏纸张,还会使颜料褪色。
这些污染物在户外较多,特别是一氧化氮。二氧化氮在收藏单位的库内有可能发现,主要一些塑料会释放,塑料在古籍库内可能不多见。但某些缩微胶片库内会有,好在古籍是与其他藏品分开保存的,所以基本可以排除。
(3)二氧化硫

二氧化硫(so2)主要会引起纸张变质,也会造成颜料的褪色。
二氧化硫通常在室外产生,但也有一些室内源的例子,例如,含有蛋白质纤维的物品,例如羊毛、 蚕丝等物品,或含有黄铁矿的矿物标本。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
(4)臭氧

臭氧(o3)可造成纸张变质与颜料褪色,它主要来自室外,但也有室内的来源,例如复印机/打印机和空气净化器等,古籍保存的环境是必须远离这些物品的。
所以古籍装具的用材选择相当重要,表3列出了可能排放污染物的材料。
表3 可能排放污染物的材料

由表3可见,对保存纸质文物来说,最不安全的装具材料是木制品,除原木外还包括我们大量使用的硬纸板、中密度纤维板、胶合板、各类刨花板,这类材料的装具释放出有机酸将长期累积在装具内,被古籍的纸张充分吸收,其为害可想而知。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
3.2古籍装具与展柜等材料必须检测
今天面临着越来越多的材料可能成为古籍的装具与展柜用材,我们必须对这些材料进行检测,只能使用对古籍安全的材料接触古籍与处在古籍存展环境中。其实,这个问题早已被我国文物部门关注,多年前就开始大规模地对接触文物的材料进行检测,该检测法的科学名称是oddy 测试法。
(1)展存材料安全性检测

oddy 测试技术非常简单,利用铅、银、铜三种金属制成的试片与被检测材料共处在一个密闭容器内,依据三种不同金属试片的腐蚀状况就可以判断该材料可能释放的污染物。然后,给出以下判断:材料会释放出那些污染物,是否适合某种材质的藏品使用,并给出使用该材料的三个级别的建议:适合永久使用,不适合使用,适合最长六个月的临时使用。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
oddy 测试法的基本原理是,可腐蚀这三类金属片的污染物不同,如表4.
表4oddy 测试片与被测污染物

该测试法自 1973 年由大英博物馆开发至今,已经成为全球馆藏机构广泛用于珍贵藏品保存与展示所用材料适用性的检测与筛选法。

2016年,我国文物保护装备检验检测联合实验室“上海博物馆文物保护科技中心”成立,利用oddy 测试法对藏展材料进行检测。由于同一品牌的材料每批次质量都可能不一样,所以采用某种材料之前,都要进行检测,现今已经积累了一定的数据,为我国藏展材料安全性判断奠定了基础。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
(2)展存环境污染物检测

展存环境污染物检测的方法很多,也早就在文物部门使用。这里介绍一种与oddy 测试法类似的便捷检测法,其科学名称是空气环境腐蚀等级测试评估法(cccs)。
与oddy 测试法相同的是也是用金属试片检测,但只采用铜试片和银试片,这些试片的科学名称是“空气环境腐蚀分级测试片(ccc)”。将它们挂在库内或展柜内一段时间,再依据两种金属试片的被腐蚀程度来判断库内可能存在的污染物。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
我认为,以上两项检测工作都是值得我国古籍藏展单位重视与借鉴的。
我国古籍破损问题严重,修复工作量极大,可以说修不胜修,这难道都是利用带来的损坏吗?我们对古籍库、古籍展柜的污染状况掌握了吗?我们购买古籍装具时,考虑过其用材的安全性了吗?若不尽快开展这类预防性保护工作,这些珍贵的传世古籍与其他珍贵的纸质文献史料终究在保存中消亡。
空调环境内的相对湿度调控
1.空调环境内的相对湿度调控
恒温恒湿设备是保护古籍的最基础的环境调控设备,因此近十年来,在古籍书库内使用空调十分普遍,这得感谢国家对古籍保护工作的重视,才可能采购空调与用得起空调。但近些年来,本人不断收到相关求援,都是空调库内发生的问题。出现最多的是空调库内古籍霉了,内墙壁霉烂了,夏天天花板有水珠等。这显然与库内相对湿度过高有关。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
办公室用的舒适性空调不得用于书库已经成为共识,但未必使用了适合藏品保存需求的工艺性空调就可以保障库内温湿度稳定,特别是相对湿度的调控,例如恒温恒湿空调(即精密空调)等。通过资料的查询以及实地考察,发现当前古籍库内使用空调设备出现以下问题,其关键都是直指相对湿度控制不够与运行费用过高。
1.1难以将相对湿度稳定在指定范围内
有以下因素造成即便使用了恒温恒湿空调,也难以恒温恒湿,特别是无法稳定相对湿度。究其原因如下。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
①古籍书库围护结构的隔热性差

所谓的隔热性是指物体阻隔热传播的能力,而围护结构是指书库的墙壁地面、天花板,这些地方的隔热性差。
问题的原因是,我国绝大多数古籍书库建筑都是按照普通的建筑技术进⾏设计和施⼯,仅可能满⾜最基本的保温节能和密封,只有在空调系统的配合下才能够实现温湿度控制。但一旦库房断电,空调设备不运行,库房内的热量和冷量流失严重,很短时间内就会出现温度改变和相对湿度失控。也许正是这个原因,有些安装有精密空调的书库多次出现了古籍生霉现象,而且发生在夏天与秋天,并非一定是梅雨季节。因为,大多数古籍书库是难以做到全年24小时持续不间断开机的。
围护结构隔热性差带来的第二个问题是,在围护结构上出现的结露现象,即出现水滴。这类问题在北方的图书馆发生的几率更多,严寒的冬天空调环境的温度在16℃~22℃(gb/t 30227-2013图书馆古籍书库基本要求),户外温度为零度以下,温差特别大。若书库外墙直接接触户外,墙壁隔热性不好,书库内墙壁就可能出现水珠,此处很容易沾上灰尘,逐渐变黑,从而霉菌发生。这些霉菌自然会使库内含菌浓度升高,提高了库内古籍在冬天发霉的风险度。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
要解决这个问题就要升级改造书库围护结构的隔热性能,使其对库内热量流失达到零容忍。在当前,古籍保存单位是无法做到这点的,除经费以外,涉及到更多与管理相关的问题。
②古籍书库的气密性差
⽓密性是决定建筑能效的核⼼要素之⼀。所谓保证建筑物的⽓密性,是在需要供暖和制冷的时期,即无⾃然通风时,避免室外空⽓通过缝隙和漏点“⽆控”地渗⼊室内。
⽬前古籍书库⼏乎⽆法做到密封,库外潮湿空⽓会通过新风系统、墙体及库房门等建筑物渗透⾄库房内部,造成库房内绝对湿度提升,在温度的作⽤下出现相对湿度改变。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
1.2在空调库内解决相对湿度调控的措施
除保持360天ⅹ24小时持续开机,并在库内多布设调湿设备(如去湿与增湿设备),多点布控湿度计,不断发现问题解决问题外,还可以通过安装对温湿度控制更精准的空调设备并保持持续开机,以解决温湿度调控的问题。
例如,某博物馆展厅曾经采用两管制空调系统对展厅内温湿度进行调控,但展厅内相对湿度长期波动,文物受到损坏。为了确保展厅内温湿度达标,只能依靠大功率、大风量、温湿度控制更精密的空调系统来满足需求。于是他们更换了四管制全空气双风机系统送风,温度精度控制在±2℃,相对湿度精度控制在±5%,经过多年的实际运行,空调系统确实满足了温湿度调控的要求。但随之而来的问题是,因其控制精度过高,空调运行成本较高,维护管理要求更高。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
由上可见,要让空调设备精准地调控库内温湿度,除购买设备的高投入外,在使用过程中造成了能耗居高不下,高昂的运行费用与维护费用成为制约使用这类空调系统的瓶颈。
有资料报导,在我国的能源消费主体中,建筑能耗占了很大的比例,据统计,已占我国能源总消费的 27.6%,而中央空调能耗又占了其中的 40%~60%。为了珍贵的藏品延年益寿,空调系统要求365 天 24 小时连续运行,故图书馆、博物馆与档案馆是能源消耗的大户。可见,古籍藏展单位如何选择更佳的节能减排措施来保护古籍,不仅是古籍收藏单位的大事,也直接影响到国家的节能减排战略与资金投入。
保护古籍的节能减排措施
1.保护古籍的节能减排措施
随着科学技术的发展以及对损坏古籍的环境因素的认识,我国已经开发了一些利于保护古籍的节能设备,这里仅举两个类型的案例。
1.1气密恒湿设备
通过表2可见,如果我们无法控制古籍保存环境的相对湿度与光照,保存设施制作材料又排放有害古籍的污染物,我们就无法达到长期保护古籍的目的,就会使古籍保护工作永远处在修复-损坏-再修复的恶性循环中。由此,修复似乎就成为保护古籍的最重要工作。
前面已经讨论了材料污染物的管控方法,古籍书库对光的调控基本达标。剩下的关键问题就是环境相对湿度的控制。由上已知,目前古籍书库使用空调设备存在各种问题,若长期下去环境相对湿度得不到有效控制,就会失去我们利用空调设备保护古籍的初衷,反而有害于古籍的长期保存。
大量科学证据表明,在40%~65%的相对湿度范围内,在相对湿度恒定的状况下,除特别敏感的材料外,大多数有机材料不会在该相对湿度范围内发生损坏。当业界认识到该问题后,气密恒湿设备应运而生。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
气密恒湿设备的关键在于恒湿,以实现藏品更好的保存,它要求密闭空间内相对湿度波动小于3%,相对湿度调控准确度为±3%。气密是指装置盛装气体时的密封性,即装置是否漏气,装置不漏气,则气密性良好,装置漏气,则气密性不好,气密性是保障设备内相对湿度恒定的关键与基础。
气密恒湿设备的恒湿技术主要有两大类,一类使用调湿材料来调湿,另一类是通过恒湿机来调湿。

(1)调湿材料

调湿材料具有双向吸湿性,密封环境内相对湿度低于设定要求,它就放出水分;密封环境内相对湿度高于设定要求,它就吸收水分。由此来达到保持密封环境相对湿度的恒定。它是不需要用电的,且无污染物释放,所以是节能、安全的恒湿设备。这种设备的最大好处,除了节能外,还可以避免因为停电带来的相对湿度波动。
由于它是耗材,需要更换,更换频率越高,使用费用越高。气密性越好的恒湿设备,耗材的寿命越长,使用费用越低。例如,天津森罗科技股份有限公司的这类恒湿柜,由于气密性很好,调湿包的寿命可达3~5年。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
若再给这类设备配上净化空气的吸附剂,还能达到既恒湿又净化的保藏环境。例如,天津森罗科技股份有限公司的高气密储藏柜,就配套有恒湿、净化调控模块,可实现柜内相对湿度、气体质量等综合调控。
这类节能设备多为存储柜,特别适于古籍数量不太多的古籍收藏单位选用。
(2)恒湿机

用恒湿机对气密性恒湿设备调湿是需要用电的,它会依据密封设备内的相对湿度与用户设定的相对湿度进行比对,若密封设备内的相对湿度偏离设定值,设备就会自动启动以调节相对湿度,实现密封设备内的相对湿度自动控制,其节能程度直接与设备的密封程度相关。设备的密封性越好,其内外气体交换少,其启动频率越低,就越节能,运行费用也就越少。所以衡量这类气密恒湿设备的节能程度是用换气率来判断,例如山东省的蒲松龄纪念馆恒湿展柜就用恒湿机进行相对湿度调控,由于柜子气密性好,储藏柜50天换气一次,断电20天内仍可保持相对湿度不变。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
恒湿机要比调湿材料的相对湿度调控空间大得多,对于书库、大的展厅特别实用。若再配上空气净化装置就可以相当成功的控制相对湿度与污染物对长期保存古籍的威胁。
例如,上海图书馆用来保存书画的存储库,为了避免画中颜料因为环境因素发生变色、褪色,就采用恒湿机、空气净化设施与低氧气调设备,建造了气密恒湿洁净低氧展示库房,全面地阻断了导致书画损坏的环境因子。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
这套设备仅恒湿机与低氧气调设备需要用电,但由于其围护结构的密封性能好,设备启停周期较长,恒湿机与低氧设备停机2周,库内的所有环境指标均未发生改变,所以就不用考虑断电后温湿度的波动。在上海图书馆的精密空调运转下,还保持了库内温度的恒定,这就跨越了大多数恒温恒湿库房断电就出现温湿度波动或不可控的难题。
1.2安全节能的灭虫措施
纸质藏品的生虫问题实在太常见,灭虫的问题成为保护古籍的治理措施之一。化学灭虫法的有害性已经成为共识,目前被认可的非化学灭虫法主要有低氧气调灭虫与低温冷冻灭虫。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
这两种灭虫方法中,低氧气调灭虫更安全且更节能。它可以不用任何电源,用密封袋与除氧剂就可以达到灭虫目的。
此外,大型的柔性帐篷与刚性的灭虫柜,在灭虫设备内达到低氧状况,就不再需要用电了。至于杀虫效果,在0.2%的氧气浓度下,没有杀不死的虫子,生命力再强的虫子也抵不住长期缺氧。延展灭虫时间,不会增加更多费用与能源消耗。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网
低温冷冻灭虫是需要电力的,关键是灭虫过程中如果停电,藏品就有可能受到损坏,昆虫也会增加更好的抗冻能力,再次启动冷冻柜,就需要更低的温度或更长的灭虫时间才可能致死昆虫。同样,若灭虫不成功,再次冷冻昆虫,也需要更低的温度或延长冷冻时间。这些更需要能源与资金的高投入,且增加了藏品损坏的风险。
由上可见,科学技术使我们明确了保护古籍的关键环境因素,以及如何选择更合理、更经济与更节能的保护方法。相信今后会有更多的这类技术涌现,但需要科技工作者在基础理论研究上做更多努力,也需要深入到实际工作中发现问题,并与业界携手更有针对性地共同研究文化遗产保护与节能环保等问题。总之,一个成功的跨学科及产学研结合的团队,才可能为我国文化遗产的传世保存保驾护航。
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