冷凍干燥法能有效控制飽水木質文物的收縮、開裂、斷裂等現象，脫水處理后文物的三維穩定性較好。本文主要介紹了國內外處理飽水木質文物的冷凍干燥法的研究動態，其中重點介紹了以聚乙二醇（PEG）為保護劑的冷凍干燥法。

　　飽水木質文物在進行長期保存前需進行脫水干燥處理，其主要原因在于：飽水木質文物的管孔內充滿了水，水里的化學物質以及細菌的降解作用都會侵害木質部，使文物的細胞壁變薄，進而使得文物變得松軟脆弱。在干燥過程中由于水的表面張力的作用，使木器產生應力而引起開裂，木器內外含水率的差異造成木器干縮的不均勻，而引起變形。用于陳列的文物在干燥后應是輕度或無收縮、無斷裂、無顏色改變，因此干燥過程是飽水木質文物處理的重要階段。目前研究較多的干燥方法有自然干燥法、熱空氣干燥法、冷凍干燥法等。熱空氣干燥法由于本身的局限性很容易引起文物的收縮和開裂，自然干燥法從浸漬到完全干燥需要花費很長的時間，對于腐蝕嚴重的飽水文物處理后會產生收縮、變形、開裂等現象，因此冷凍干燥法是目前保護飽水竹、木、漆器等的一種快速、簡便的方法。

1、國內外研究進展

　　在處理飽水木質文物時，往往存在各種復雜因素。出土的木質文物一般都嚴重朽蝕，若直接進行冷凍, 細胞腔內水凍結時體積膨脹會損壞文物。為避免可能造成木質文物變形，對木質文物脫水處理前先要進行預處理。預處理使用的填充材料要求容易滲透，能取代文物內的部分乃至全部水分；填充木材內導管或細胞腔以加固細胞壁；防止結合水揮發引起干縮，增強脫水后木器的強度。因此，填充材料一般都符合以下幾個方面：分子量較小、易溶于水、黏度低、填充后具有一定強度、色澤淺淡等。

　　聚乙二醇（PEG）是一種既溶于水又溶于有機溶劑的高分子材料，性能穩定、不揮發、不易燃，是比較理想的木材填充材料。聚乙二醇冷凍干燥法就是利用PEG 溶液滲透到木材細胞中置換出大部分水分，再用冷凍干燥除去剩余的水分以達到脫水干燥的目的。一般采用二階段式的PEG 處理，即先選用低分子量的PEG 進行浸泡，再逐漸改變用分子量較大的PEG，這主要是因為以下二個方面：一方面，PEG 隨著分子量的不同，性質也隨之產生差異，從無色黏稠液體到蠟狀固體，分子量小，不容易造成木器收縮，但穩定性差；分子量大，可使木器長期保存，但可能造成木質收縮。另一方面，飽水木質文物由于長期泡水，表層是軟而重、材質退化的木材，表層內則是硬、退化較少的木材，必須先用分子量小的PEG 處理退化較輕的內部材質，再用分子量大的PEG 處理退化嚴重的外部材質，同時逐步改變PEG 的濃度。

　　飽水文物的冷凍干燥處理開始于20 世紀70年代。早在1961 年，瑞典科學家就用PEG 溶液對從水中打撈上來的300 多年前的VASA 號木質戰船進行處理[5]。他們先用5%PEG400 溶液對打撈上來的散落雕刻物件浸漬一個月，當達到穩定狀態后再進行冷凍干燥，取得了良好的結果。Wason提出建議：對于處在良好狀態下的木器, 將其置于20%PEG400 溶液中浸泡1 到6 個月；對于降解嚴重的木器，先在10%PEG400 溶液中浸泡1 個月，然后加15% PEG4000 溶液,以后每隔兩星期濃度增加5%，PEG4000 的濃度可增加到25%，木器在最終的溶液中繼續浸泡3 個月，之后再進行冷凍干燥處理。圖1為真空冷凍干燥機結構示意圖。趙桂芳報道了對4件絕對含水率為676%的西漢木傭采用PEG 冷凍干燥法進行脫水處理。浸泡液的起始濃度選用15%PEG2000 進行浸泡，然后循序漸進，直至浸泡液的濃度到60%，最后恒溫槽的溫度升到60℃，再用60%PEG4000 進行浸漬處理。冷凍干燥后收率最大值為：長1%；寬4%；厚4%，干燥后木傭沒有產生開裂等現象，顏色加深，強度大大提高。

1.壓縮機　2 . 冷凝器　3 . 回熱器　4 . 放水閥　5 . 捕水器　6 . 節流閥　7. 蒸發器　8. 盤管蒸發器　9. 放空閥　10. 電阻規　11. 高真空蝶閥　12.干燥箱　13.加熱板

圖1 真空冷凍干燥機結構示意圖

　　在采用二階段式的PEG 法處理飽水木質文物時，有時用其它有機物來取代低分子量的PEG溶液。甘露醇的分子量要比PEG200小，更容易將木器內部的水置換出來，置換速度要快得多，但甘露醇的穩定性較差。因此可以先用甘露醇溶液進行脫水，再用PEG4000 溶液進行加固，也就是甘露醇———PEG 冷凍干燥法。張金萍介紹了一種用甘露醇和PEG 冷凍干燥飽水木質文物：室溫條件下將木材放在20%甘露醇水溶液中浸泡七天， 取出后分成四組分別浸泡在20%、30%、40%、60%的PEG4000 溶液中七天，最后再進行冷凍干燥。實驗結果表明，處理后木材的收縮率較小，狀態良好。

　　飽水木質文物冷凍干燥過程的時間越長，受到的破壞也就越大。升華速度的快慢與物質的升華潛熱和其溶點溫度下的表面蒸氣壓有關，表面蒸氣壓越高，升華潛熱越低，升華速度就越快。叔丁醇的表面蒸氣壓要比水高得多，而其升華潛熱卻遠遠低于水的升華潛熱，因此可以用叔丁醇置換出水，再用PEG4000 溶液進行加固，最后進行冷凍干燥處理，這也就是叔丁醇———PEG 冷凍干燥法。劉秀英等介紹了一種PEG 冷凍干燥方法：木材在60℃下逐次在40%、60%和80%的叔丁醇水溶液、純的叔丁醇及20%、40%、60%的PEG4000 叔丁醇溶液中浸泡6 個月或更長，溶液中最終PEG 濃度與木材的含水率有關。浸泡后，木材表面多余的PEG4000 用熱的叔丁醇去除，隨后進行冷凍干燥處理。此種方法可避免干燥過程中出現的木材開裂的現象。

　　飽水木質文物冷凍干燥過程中傳熱傳質等的理論研究，有不少學者做了相關的工作。P.Jensen等對PEG 冷凍干燥飽水木質文物建立了數學模型。該模型以真空多孔物質的傳熱、傳質定律為基礎，能用來測試PEG 共晶點溫度下的冰的溫度，而冰點溫度的確定對保證冷凍干燥過程中PEG 的物理穩定性很重要，因此模型為檢驗凍干裝置的性能、木質及PEG 溶液滲透參數三者的關系提供了有用的工具。模型還確定了飽水木材與PEG4000 溶液的傳熱系數和水蒸氣傳遞系數，得到了PEG 浸漬過的木質文物的理論傳遞系數，并建立了基于在有限時間間隔內線性干燥的數值模型，能準確預測飽水木質文物和PEG 的冷凍干燥過程。Schnell等通過一系列的實驗來研究PEG 浸漬飽水木質文物的最大冷凍干燥溫度。實驗過程中，先冷卻分子量從1000 到10000 不等的PEG 溶液以加固，再加熱使其充分液化，最后測試溶液的物理穩定性。實驗得到了共晶溫度、解凍溫度、強度特性與PEG 分子量之間的函數關系，PEG 溶液的軟化溫度與解凍溫度要高于固化溫度和共晶溫度，這樣就能找到PEG 和水都是固體時的最高溫度，使冷凍干燥過程所需的時間和能量最小化。