Ультразвуковой способ реставрации бронзы

Известно, что в зависимости от диапазона ультразвуковые колебания подразделяются на низкочастотные и высокочастотные. Высокочастотный ультразвук вызывает образование в жидкой среде больших кавитационных пузырьков, при схлопывании которых выделяется спонтанно большое количество тепловой и механической энергии. Она действует на соприкасающиеся материалы большой механической силой, вызывает разрушение не только поверхностных слоев, но и внутренних с образованием микротрещин, пор, капилляров. Низкочастотный ультразвук также действует на твердые материалы. В отличие от высокочастотного низкочастотный ультразвук вызывает в жидких средах образование малых кавитационных пузырьков, при схлопывании которых также выделяется тепловая и механическая энергия. За счет тепловых и механических эффектов увеличиваются скорости реакций растворения, экстракции компонентов, поверхностных слоев, и одновременно увеличиваются скорости Redox-процессов.
В середине прошлого века в работах Маргулиса было установлено, что ультразвуковая кавитация вызывает образование атомарного кислорода и озона в кавитационных пузырьках, вследствие чего также изменяются скорости протекания окислительно-восстановительных процессов. Известно, что радикалы кислорода, пероксидные радикалы являются сильными окислителями, и они вызывают окисление меди с нарушенной кристаллической структурой металлических поверхностных слоев бронзы – патины с последующим их растворением и отслаиванием. Также известно, что если бронзовый сплав поместить в растворы солей серебра и меди, то после отслаивания поверхностных коррозионных пленок происходит под действием ультразвуковой кавитации реакции, обратные процессам окисления – восстановление катионов меди или серебра из реставрационных растворов. Эту особенность Redox-процессов, происходящих на поверхности бронзы за счет эффектов кавитации, используют при реставрации бронзовых сплавов.
На кафедре химии на протяжении 20 лет совместно с центром им. Грабаря проводятся исследования по применению ультразвука в реставрационной практике

. Было установлено, что ультразвук можно использовать при реставрации археологического железа. За счет вымывания хлорид-ионов из внутренних слоев, которые являются сильным окислителем железа и вызывают его хлоридную коррозию, происходит стабилизация археологического железа. Экспериментально доказано, что ультразвуковой способ реставрации является эффективным, неразрушающий и обеспечивает длительную сохранность археологических объектов в процессе их бытования.
Эксперимент проводят в два этапа. На первом этапе бронзовые образцы говорят к исследованию, измеряют их массы на весах и с помощью потенциостата определяют значения ЭДС поверхности бронзы в разных точках. При измерении потенциала наносят на разные участки артобъекта каплю 0,1 М раствора хлорида натрия, помещают электрод и фиксируют значение ЭДС. По значениям ЭДС делают вывод о степени разрушения бронзовых изделий.
Далее все образцы делят на две партии. Первую партию образцов реставрируют по типовой технологии. Их помещают в реставрационные растворы и выдерживают в растворах при температуре 40-50°С до образования на поверхности образцов поверхностного слоя меди и серебра. Составы используемых растворов следующие: AgNO3 0,08 M; Cu(NO3)2 0,133 М; H3BO3 0,18 M; H2C2O4 0,11 М (1 состав) и AgNO3 0,105 М; Cu(NO3)2 0,16 M; H3BO3 0,15 M (2 состав).
Для определения времени реставрации образцы извлекают из растворов, сушат в потоке сухого воздуха после их обработки в абсолютном спирте и измеряют значения масс и ЭДС. Измерения проводят через 1, 2, 4, 8, 24, 36, 48 часов. По изменению значений масс делают вывод об эффективности реставрации.
Результаты исследования представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость изменения ЭДС от времени выдерживания образцов в реставрационных растворах
Масса первого образца до реставрации составила 242 г, начальная ЭДС на поверхности равна 0,92 эВ. Масса второго образца составила 297 г, начальная ЭДС на поверхности равна 0,95 эВ