保护修复方案
图4-17 库房查看摇钱树保存情况
图4-18 全面腐蚀、通体矿化的叶片
图4-19 点腐蚀的构件顶端
在现场观察和拍摄的基础上，提出以下保护修复技术路线：清洗去锈→缓蚀→焊接、粘接、补配、加固等→作旧→封护。根据调查所得的文物保存现状调查表，绘制青铜摇钱树的文物病害图，制定具体的文物保护修复操作步骤。
第一，照相、绘图、称重，建立档案资料记录。
第二，用滴定法检测有无氯离子；清除器物上的有害锈蚀及污垢，采用机械去除与化学清洗相结合的方法（机械去除法用超声波清洗，化学清洗法用倍半碳酸钠溶液和苯骈三氮唑）。
第三，使用BTA进行缓蚀。
第四，裂隙处铜质较好的部位采用铅锡低温焊接，锡焊和补配部位用三氯化铁咬黑后浸泡脱氯，而矿化严重的器物部位用AB树脂胶粘接。
第五，如有残缺部位，在相应的位置取形翻模，用铜合金或玻璃钢树脂浇铸补配。
第六，原子灰腻子填补修整，使其光洁、平整、手感平滑，达到与本身整体格局相同的效果。
第七，表面锈层用矿物颜料作色，用传统方法作旧。
第八，进行表面封护，做到防水、防污染，达到保护青铜文物的目的。
表面锈蚀分析检测
1.鲜绿色锈蚀物的分析
大量文物组件表面和部分组件断裂处出现了物理性状一致的鲜绿色锈蚀物，通过对脱落物取样，进行X射线衍射分析（XRD）。
观察对X射线衍射分析（XRD）图谱可知，鲜绿色的锈蚀物组分含有粉状锈碱式氯化铜。
图4-20 鲜绿色锈蚀物的XRD图谱
2.蓝色、绿色锈蚀物的分析
铜器表面有较多的蓝色和绿色锈蚀物，对这两种脱落的锈蚀物进行拉曼光谱分析。
观察蓝色锈蚀物的拉曼光谱可知，其主要组分为蓝铜矿和白铅矿。
观察绿色锈蚀物的拉曼光谱可知，其主要组分为蓝铜矿、白铅矿和石英。
3.X射线荧光光谱分析（XRF）
通过表面元素分析（见表4-1），文物组件铜的含量相对较高，说明该文物组件铸造时期铜的冶炼技术已经达到较高水平。
4.铜器表面微观形貌的观察
图4-21 蓝色锈蚀物拉曼光谱
图4-22 绿色锈蚀物拉曼光谱
观察铜器表面微观形貌可知，铜器表面比较酥松，有较多锈蚀物晶体存在，并且锈蚀物颜色呈多样化，说明锈蚀物成分不同，存在严重的多种锈蚀病害。
表4-1 铜器表面元素组成
图4-23 铜器表面的显微图片
保护材料的选择
青铜摇钱树受自然因素的影响，多数部件发生了不同程度的断裂，更有甚者通体矿化，本体较为脆弱。如若贸然组装，有整体坍塌的风险。因此，在修复时需要选择适宜的加固材料为其提供支撑力，以强化青铜摇钱树的整体强度，真切反映历史文化信息，同时也将为学术研究提供实物资料和依据。
目前，青铜加固多采用黏合剂直接作用在文物本体上，但这批器物很薄且有纹饰，采用黏合剂粘接难度较大，而且会影响其历史信息和艺术价值，必须另寻适宜的新材料和新工艺。
查阅文献可知，热塑性树脂具有受热软化、冷却硬化的性能，而且不起化学反应，无论重复加热、冷却多少次，都能保持原有的性能。热塑性树脂是一种真正意义上符合可再处理原则的高分子材料，属于物理加固的范畴，而应用在青铜器精细部件加固上尚属首次。
这次实验选择的是便宜易得的热塑性树脂透明薄膜（见表4-2），根据青铜器的保存环境对其进行加速老化性能测试，从中选取最优保护材料。
表4-2 试验材料
图4-24 聚氯乙烯薄膜（PVC）
图4-25 聚碳酸酯薄膜（PC）
图4-26 乙烯-醋酸乙烯酯薄膜（EVA-1）
图4-27 乙烯-醋酸乙烯酯胶膜（EVA-2）
保护材料性能实验方案
1.干燥环境老化
青铜摇钱树属于金属类文物，储存环境温度为20~25 ℃，空气相对湿度为45%~55%，属于干燥环境。本实验目的在于探索4种热塑性高分子材料在干燥环境中的稳定性，并确定在该环境中性能最佳的材料。
制作极端干燥环境：将烘干的变色硅胶在干燥器内密封存放一昼夜，至温湿度计显示RH=0。在干燥器内存放样品，定时取出测定色差表面接触角和拉伸强度等性能，最长周期为70天。
恒温恒湿箱（型号GDJS-010，常州国立试验设备研究所）设置相对湿度RH=50%，将样品放置其中。定时取出测定色差表面接触角和拉伸强度等性能，最长周期为70天。
2.紫外光老化
图4-28 相对湿度RH=50%试验装置
图4-29 相对湿度RH=0试验装置
选择文物保护材料的目的是使脆弱文物原本的性能得到改善和提高。紫外线对高分子材料性能的破坏较大，因此应用在文物上的保护材料应具有较好的耐紫外线老化的功能。本实验目的在于筛选耐紫外光老化的高分子材料。
按照《塑料实验室光源暴露试验方法第3部分：荧光紫外灯》（GB/T 16422.3-1997）要求进行，将样品用切纸机切成合适尺寸的试片，安装在样品架上，标注照射面（迎光面）。试验仪器为常州市国立实验设备研究所的ZN-P紫外光耐气候试验箱，采用UVA-340光源。每个循环光照时间8 h，黑板温度60 ℃，凝露时间4 h，黑板温度50 ℃。如此反复循环，定期观察，测量色差表面接触角和拉伸强度等性能，老化时间最长周期为50天。
图4-30 紫外光老化试验仪器
图4-31 紫外光老化试验
3.表征手段
（1）色差测定
按照《塑料在玻璃下日光、自然气候或实验室光源暴露后颜色和性能变化的测定》（GB/T 15596-2009）进行，由于样品是透明或近透明体，为方便比较，在所有样品下垫3张同批A4打印纸衬底，每种样片平行测试3片，测定不同试验时间的色度值，并以老化前为基准值计算色差，结果取平均值。测定仪器为北京辰泰克仪器技术有限公司的ADCI-60全自动测色色差计。
（2）光泽度测定
按照《色漆和清漆不含金属颜料的色漆、漆膜之20˚、60˚和85˚镜面光泽的测定》（GB/T 9754-1988）进行。由于样品是透明或近透明体，为方便比较，在所有样品下垫3张同批A4打印纸衬底，每种样片平行测试3片，测定不同试验时间的光泽度值，并以老化前为基准值计算差值。测定仪器为德国BYK三角度光泽计。
图4-32 色差测定
图4-33 光泽度测定
图4-34 JC2000D接触角测定仪
（3）接触角测定
将样品剪裁成20 mm×20 mm的样片进行老化实验，每种样片平行测试3片，测定不同试验时间接触角，结果取平均值。测试仪器为JC2000D接触角测定仪。
（4）拉伸性能测试
按照《塑料拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的试验条件》（GB T 1040.3-2006）进行，试件为5型号标准哑铃形样片，有效宽6 mm，总长115 mm，标距25 mm。试件采用标准裁刀截取，标距线使用记号笔标记，厚度均为样品原始厚度。PVC和PC样拉伸速度为100 mm/min，EVA样拉伸速度为200 mm/min，每组4片，结果取平均值。测定仪器为中科院长春科新公司试验设备研究所WDW3100万能材料试验机。
图4-35 拉伸性能测定试件1
图4-36 拉伸性能测定试件2
图4-37 拉伸性能试验仪器
图4-38 拉伸性能夹具
结果与讨论
1.干燥环境老化结果讨论
4种样品在空气相对湿度RH=0和RH=50%时的老化周期见表4-3，不同时间分别取样测定色差、光泽度、接触角和力学性能。
表4-3 干燥环境下样品老化周期
（1）色差结果讨论
观察图4-39~4-42可知，4种样品在RH=0环境老化时，外观均无较大变化，色差值有不同程度的增大，但ΔE变化值不超过2，肉眼几乎无法察觉。实验过程中观察发现，随着时间增加，外观有轻微变化，主要是表面吸附轻微灰尘引起的，可能由静电作用导致。结果说明这4种材料在RH=0时均有良好的耐久性，应用环境应洁净少尘。
图4-39 PVC紫外光老化不同时间外观
图4-40 PC紫外光老化不同时间外观
图4-41 EVA-1紫外光老化不同时间外观
图4-42 EVA-2紫外光老化不同时间外观
图4-43 RH=0四组样品ΔE变化图
观察图4-44~4-47可知，4种样品在RH=50%环境老化时，外观均无较大变化，色差值有不同程度的增大，ΔE变化值不超过3。随着时间增加，外观有肉眼可见的轻微变化，主要是表面吸附轻微灰尘引起的，可能由静电作用导致。结果说明这4种材料在RH=50%时均有较好的耐久性，应用环境应洁净少尘。
图4-44 PVC紫外光老化不同时间外观
图4-45 PC紫外光老化不同时间外观
图4-46 EVA-1紫外光老化不同时间外观
图4-47 EVA-2紫外光老化不同时间外观
图4-48 RH=50% 4组样品ΔE变化图
（2）光泽度结果讨论
用数字表示物体接近镜面的程度称之为光泽度，数值越大越接近镜面。观察表4-4可知，PVC、PC光泽度较好，反射光源的能力较强；EVA-1、EVA-2光泽度较低，接近哑光。
表4-4 RH=0老化70天光泽度变化
RH=0老化过程中20˚、60˚和85˚下波动与测定误差同级别相当，可以认为无变化。
表4-5 RH=50%老化70天光泽度变化
RH=50%老化过程中20˚、60˚和85˚下波动与测定误差同级别相当，可以认为无变化。
（3）接触角结果讨论
观察图4-49可知，RH=0时4种材料接触角均有所下降，但下降幅度都不大，趋势接近。
图4-49 RH=0接触角随老化时间变化示意图
观察图4-50可知，RH=50%时4种材料接触角均有所下降，其中PVC接触角下降幅度最大，由92.5˚降低至82˚，其他3种材料下降幅度趋势比较接近。
图4-50 RH=50%接触角随老化时间变化示意图
（4）力度结果讨论
观察图4-51、4-52可知，PVC和PC拉伸强度大、弹性较小、柔韧性差；EVA-1和EVA-2有一定的强度，具有良好的柔韧性。4种样品在RH=0环境老化时，拉伸强度和断裂伸长率基本不变，其数值波动与测定误差同级别，可以认为无变化。
图4-51 4种材料在RH=0时最大断裂力与老化时间的关系图
观察图4-53、4-54可知，4种样品在RH=50%环境保存时，拉伸强度和断裂伸长率基本不变，其数值波动与测定误差同级别，可以认为无变化。
图4-52 4种材料在RH=0时断裂伸长率与老化时间的关系图
图4-53 4种材料在RH=50%时最大断裂力与老化时间的关系图
图4-54 4种材料在RH=50%时断裂伸长率与老化时间的关系图
综上所述，4种材料在干燥的环境中均有较良好的耐久性，在不同相对湿度下老化70天后，色差均轻微增大，其中RH=0时ΔE变化值不超过2，RH=50%时ΔE变化值不超过3。光泽度轻微降低，肉眼观察几乎没有差别，4种材料均会吸附灰尘，使用环境应清洁少尘。力学强度没有明显变化，PVC和PC拉伸强度大、弹性较小、柔韧性差；EVA-1和EVA-2有一定的强度，具有良好的柔韧性。PVC和PC光泽度较好，反射光源的能力较强；EVA-1和EVA-2光泽度较低，接近哑光。
2.紫外光老化结果讨论
4种样品紫外光老化周期见表4-6，不同时间分别取样测定色差、光泽度、接触角和力学性能。
表4-6 样品紫外光老化性能测定周期
（1）色差结果讨论
观察图4-55~4-58可知，PVC样品色差变化最大，抗黄变能力较差。经过紫外光老化，其外观明显变化，由无色透明变为深咖啡色，同时透明度也明显下降，50天色差为112.35；PC样品经紫外光老化，其外观有轻微变化，由无色变为浅米色，50天色差为5.44，透明度轻微下降；EVA-1样品经紫外光老化，其外观相对轻微变化，由无色变为略有浅黄色，50天色差为14.26，透明度轻微下降；EVA-2样品经紫外光老化，其外观有较明显变化，由无色变为略有浅黄色，50天色差为17.95，透明度增加。因此，PVC样品耐紫外光老化性能极差，PC、EVA-1和EVA-2有较好的耐紫外光老化性能。
图4-55 PVC紫外光老化不同时间外观
图4-56 PC紫外光老化不同时间外观
图4-57 EVA-1紫外光老化不同时间外观
图4-58 EVA-2紫外光老化不同时间外观
图4-59 紫外老化4组样品ΔE变化图
（2）光泽度结果讨论
观察表4-7可知，PVC样品经紫外光老化，其光泽度明显下降，20˚、60˚和85˚波动数值均为50%左右；PC在20˚时光泽度有明显下降，在60˚和85˚时有轻微降低；EVA-1和EVA-2光泽度几乎没有变化。
表4-7 紫外光老化50天光泽度变化
（3）接触角结果讨论
随着紫外光老化的进行，4种材料在相同老化条件下润湿角的变化趋势是一致的，润湿角均由大变小。这是由于紫外线破坏了材料表面性能，降低了材料表面的憎水性。观察图4-60可知，PVC接触角下降幅度最大，表面性能最差，PC次之，EVA-1和EVA-2也有不同程度的降低。
图4-60 接触角随老化时间变化示意图
（4）力度结果讨论
观察图4-61、4-62可知，PVC样品经紫外光老化，其拉伸强度略降低，断裂伸长率有较明显下降，28天下降40%，说明样品变脆；PC样品经紫外光老化，其拉伸强度略下降，断裂伸长率有较明显下降，28天下降23%，说明样品变脆；EVA-1样品经紫外光老化，其拉伸强度降低，28天下降10.8%，断裂伸长率略降低，28天下降4.9%；EVA-2经紫外光老化，其拉伸强度降低，28天下降11.8%，断裂伸长率略降低，28天下降5.1%。
图4-61 4种材料经紫外光老化最大断裂力与老化时间的关系图
图4-62 4种材料经紫外光老化断裂伸长率与老化时间的关系图
综上所述，4种材料经紫外光老化时性能各异：PVC色差变化最大，抗黄变能力较差，其余3种样品外观有轻微变化，由无色变为浅米色，有较好的耐紫外光老化性能。PVC经紫外光老化，其光泽度明显下降，在20˚、60˚和85˚时波动数值均为50%左右；PC在20˚时光泽度有明显下降，在60˚和85˚时有轻微降低；EVA-1和EVA-2光泽度几乎没有变化。随着紫外光老化的进行，4种材料润湿角均由大变小。PVC和PC经紫外光老化，其拉伸强度均降低，断裂伸长率明显下降，说明样品变脆；EVA-1和EVA-2经紫外光老化，其拉伸强度降低，降幅尚可，断裂伸长率略降低，可认为变化程度不大。
保护材料性能实验总结
第一，干燥环境对保护材料性能破坏较小，4种材料在干燥环境下的性能均比较稳定；紫外光老化对保护材料的性能影响较大，PVC的色差与光泽度，PC的光泽度均有较大程度的下降，EVA-1和EVA-2的色差、光泽度和接触角也有一定程度的下降。考虑到摇钱树修复后需要展出，应选择耐紫外光老化的保护材料。
第二，PVC和PC拉伸强度大、弹性较小、柔韧性差，而EVA-1和EVA-2有一定的强度，具有良好的柔韧性。本次修复青铜器精细构件，保护材料不仅要提供一定的支持力，还需要材料本身具有良好的柔韧性，不易老化、发脆。
表4-8 4种样品不同老化条件下性能汇总
第三，EVA-1和EVA-2比较适合本次修复、加固青铜器的要求，具体选择哪种保护材料，需要在实践中确定。
实际应用
1.修复工艺
经过反复试验探索，最终确定热塑性树脂加固青铜精细部件。修复工艺：清理干净青铜器连接处，将热塑性树脂薄膜剪裁成合适的形状，把剪裁好的薄膜套在青铜器连接处，使用吹风机持续加热30 s，待薄膜受热软化后将其收紧即可。
图4-63 修复工艺流程图
2.材料选择
将EVA-1和EVA-2剪裁成合适的形状，由图4-64~4-67可知：EVA-1加热冷却后颜色几乎透明，体积大幅度紧缩，包裹性好，用它加固后的青铜部件较稳固、不易移位；EVA-2加热冷却后颜色发黄，体积未见大幅度紧缩，包裹性略差，用它加固后的青铜部件有轻微移位现象。因此，最终选择EVA-1作为本次修复的加固材料。
图4-64 EVA-1材料
图4-65 使用EVA-1修复效果
图4-66 EVA-2材料
图4-67 使用EVA-2修复效果
3.应用实践
选择EVA-1作为加固材料，按照修复工艺流程进行实际修复，修复结果见图4-70、4-71。
图4-68 树叶修复前
图4-69 树干修复前
图4-70 树叶修复后
图4-71 树干修复后
汉代摇钱树保护罩及辅助固定的制作
汉代摇钱树由59个部件构成，要将这么多单薄脆弱的构件拼装到2.15 m高的大树上，难度大、风险高，任何一个部件出现问题，都极有可能会使整个摇钱树倒塌、损毁。
为将摇钱树组装起来，更好地服务于大众，在与陈列部和典藏部同事探讨后，设计制作了摇钱树保护罩及辅助固定装置。采用分体支撑和多点悬挂相结合的方式，将每个部件的重力重新规划和布局，减少部件之间的直接重力作用。固定装置由总承重支架、主干辅助支架、承重吊装、配重盘、分体保护罩、叶片支架及多种定制配件组成，能够解决摇钱树安装时的重力分配问题，以及文物搬运和保存时的固定问题。