Anyagkonzerváló erősítő anyagok

Az anyagok, különösen a történelmi műtárgyak és építészeti elemek konzerválása és restaurálása kulcsfontosságú tudományág a kulturális örökség megőrzéséhez. E munka egyik legfontosabb aspektusa a sérült, mállott vagy törékeny anyagok megerősítése. Ebben a cikkben áttekintjük a különböző anyagkonszolidáló anyagokat, azok tulajdonságait, kockázatait és alkalmazásait, ami elengedhetetlen elemzés minden szakirányú hallgató számára.

Mik azok az anyagkonszolidáló anyagok? A kulcsfontosságú típusok összefoglalása

Az erősítő anyagok olyan anyagok, amelyeket sérült vagy meggyengült szubsztrátumokra (pl. kő, fa, vakolatok) visznek fel mechanikai ellenállásuk és kohéziójuk növelése céljából. Céljuk, hogy behatoljanak az anyag szerkezetébe, és kikeményedés után stabilizálják azt anélkül, hogy jelentősen megváltoztatnák annak megjelenését vagy fizikai tulajdonságait. A helyes alkalmazáshoz elengedhetetlen az egyes típusok jellemzőinek megértése.

Az erősítő anyagoknak két fő kategóriája van: a szervetlenek és a szervesek.

Szervetlen erősítő anyagok: Történelem és jelen

A szervetlen anyagok a hagyományos és egyben modern erősítő anyagok közé tartoznak. Gyakran jellemzi őket a jó kompatibilitás a szervetlen alapfelületekkel, mint például a kő vagy a vakolat.

Víziüveg (alkáli-szilikátok)

A víziüveg kálium- és nátrium-szilikátokat foglal magában, gyakran 20-30 tömegszázalékos oldat formájában. Előállítása SiO₂ és nátrium-karbonát reakciójával történik: xSiO₂ + yNa₂CO₃ → (yNa₂O.xSiO₂) + yCO₂. A kikeményedés ezután oldhatatlan szilícium-dioxid gél (SiO₂·nH₂O) képződéséhez vezet.

Főbb tulajdonságok és előnyök:

• Sok tekintetben hasonló a közönséges üveghez.
• Magas ellenállás az UV-sugárzással, savas szennyeződésekkel és mikrobiológiai támadásokkal szemben.

Potenciális kockázatok:

• Alacsony behatolási képesség porózus anyagokba.
• Lehetőség eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkező felületi réteg képződésére.
• Színváltozás és fényesedés a felületen.
• Sók (Na₂CO₃, K₂CO₃) képződése a kikeményedés melléktermékeként.

Specifikus típus a lítium-poliszilikát (lítium-víziüveg, Li₂SiO₃.aq), amely olyan kereskedelmi nevek alatt ismert, mint a Durolith 61 vagy a Sebasil.

Fluátok: Reakció mészkővel

A fluátok a hexafluor-szilíciumsav (H₂SiF₆) sói, amelyek közül a leggyakoribbak a magnézium- (MgSiF₆), cink- (ZnSiF₆) és alumínium-hexafluor-szilikát (Al₂(SiF₆)₃). Erősítő hatásuk a kalcium-karbonáttal (CaCO₃) való reakciójukon alapul, melynek során oldhatatlan fluoridok és szilícium-dioxid gél keletkezik. A reakció példája: 3CaCO₃ + H₂SiF₆ → 3CaF₂ + SiO₂ + 3CO₂ + H₂O.

Főbb tulajdonságok és előnyök:

• Magas ellenállás az UV-sugárzással, savas szennyeződésekkel és mikrobiológiai támadásokkal szemben.

Potenciális kockázatok:

• Alacsony behatolási mélység.
• Áthatolhatatlan, kemény réteg képződésének veszélye a felületen.
• Homályosodás kockázata a felületen.

Mészvíz és Baritvíz

A mészvíz kalcium-hidroxid (Ca(OH)₂) telített oldata vízben, körülbelül 1,6 g/l (0,16%-os oldat) oldhatósággal. A megerősítés karbonátosodással történik: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃.

A baritvíz bárium-hidroxid (Ba(OH)₂) telített oldata. Az alkalmazott koncentrációk 5%-tól a telített oldatig terjednek. Itt is karbonátosodás megy végbe: Ba(OH)₂ + CO₂ → BaCO₃. Az átalakulás felgyorsítására karbamid adható hozzá: Ba(OH)₂ + (NH₂)₂CO → BaCO₃ + 2NH₃.

Szerves erősítő anyagok: A természettől a szintetikusig

A szerves erősítő anyagok hosszú fejlődésen mentek keresztül a történelmi természetes anyagoktól a kifinomult szintetikus polimerekig.

Természetes szerves anyagok (történelmi és módosított)

Történelmileg az erősítésre és védelemre természetes anyagokat, például olajokat, viaszokat és gyantákat (ritkán fehérjéket és poliszacharidokat is) használtak. Ezek az anyagok általában alacsony behatolási képességgel rendelkeztek, hajlamosak voltak filmképződésre a felületen, és gyakran színváltozást vagy fizikai tulajdonságok megváltozását okozták. Öregedésállóságuk viszonylag alacsony volt, és inkább a felület védelmére, mint a porózus anyagok megerősítésére szolgáltak. Festékrétegek megerősítésére is alkalmazták őket.

A 19. és a 20. század elején megjelentek a módosított természetes anyagok:

• Paraffin viaszok és olajok keverékei szerves oldószerekben, pl. a „Szerelmey” kereskedelmi termék.
• Zsírsavak oldható sóinak (ún. oleátok, pl. kálium-oleát) és többvegyértékű fémkationokat tartalmazó oldható sók (pl. alumínium-acetát vizes oldata) keverékei, mint amilyen a „Testalin” kereskedelmi termék volt.

Szintetikus szerves anyagok: A konzerválás modern korszaka

A szintetikus polimereket a 20. század első felében kezdték vizsgálni és alkalmazni. Előnyük a reprodukálható és szabványos, előre jelezhető tulajdonságok. Tulajdonságaik, alkalmazásuk és öregedésállóságuk szisztematikus kutatása a 20. század második felében bontakozott ki.

Polivinil-acetát (PVAC)

Az 1912-ben felfedezett és a 20. század 20-as éveitől iparilag gyártott PVAC vinil-acetát polimerizációjával jön létre. Homopolimerek és kopolimerek formájában is létezik. Tg-je 18-45 °C, olvadáspontja 170-210 °C. Oldható szerves oldószerekben (ketonok, észterek, klórozott oldószerek).

Tulajdonságok:

• Amorf szerkezetű, szívós.
• Jó tapadás különböző anyagokhoz, magas fényű filmek.
• Jó ellenállás a fény- és UV-sugárzással szemben, alacsony sárgulási hajlam.

Kockázatok és korlátok:

• Hidegfolyás (kúszás), szennyeződés felvétel.
• Hidrolízis, amely ecetsav leválásához és PVAL-lá való átalakulásához vezet.

A PVAC-ot konszolidációra vagy felületi védelemre körülbelül a 20. század 80-as éveinek elejéig használták, szerves oldószerekben oldva vagy diszperzió formájában. Magára az erősítésre azonban nem vált be az elégtelen behatolási mélység, a felületi filmképződés, a páraáteresztő képesség korlátozása és a színváltozás miatt. Jelenleg már nem használják erősítésre, de módosított tömítőanyagok részeként alkalmazzák.

Polivinil-alkohol (PVAL/PVOH)

A PVAL-t 1924-ben fedezték fel, és polivinil-acetát elszappanosításával állítják elő. Vízben oldódik, de szerves oldószerekben oldhatatlan. Tg-je 80-90 °C, olvadáspontja 200-230 °C.

Tulajdonságok:

• Jó szakítószilárdság és rugalmas filmek (RV befolyásolja).
• Jó tapadás különböző anyagokhoz.
• Jó stabilitás az UV-sugárzással szemben.

Korlátok:

• Alacsony ellenállás a mikrobiológiai támadásokkal szemben.

Főként szigetelésre, esetleg ideiglenes megerősítésre használják. Konszolidáló- vagy fixálóanyagként csak beltérben alkalmazzák.

Polivinil-acetálok (PVFM, PVB)

Elszappanosított vagy részben elszappanosított PVAC aldehidekkel való reakciójával állítják elő:

• Polivinil-formál (PVFM): PVAL reakciója formaldehiddel.
• Polivinil-butirál (PVB): PVAL reakciója butiraldehiddel.

Poliamidok (PA)

Az 1935-ben felfedezett poliamidokat (a Nylon kereskedelmi gyártása 1938-tól) polikondenzációval állítják elő, például H₂N-(CH₂)₆-NH₂ és HOOC-(CH₂)₄-COOH reakciójával. Konzerválási célokra a Nylon oldható változatait használták (oldható alacsonyabb alkoholokban vagy alkohol/víz 70/30 arányú keverékében). Restaurálásban/konzerválásban való alkalmazásuk a 20. század 60-as és 70-es éveire datálódik, különösen papír restaurálására és kő megerősítésére (pl. Calaton CA, Calaton CB, Ultramid).

Akrilátok (akrilgyanták)

Az akrilgyanták a leggyakrabban használt szintetikus erősítő anyagok közé tartoznak. Akrilsav és észterei (Poliakrilátok) vagy metakrilsav és észterei (Polimetakrilátok) polimerizációjával állítják elő őket.

• Poliakrilátok (felfedezve 1843): Pl. PMA (metil-akrilát), PEA (etil-akrilát), PBA (butil-akrilát).
• Polimetakrilátok (felfedezve 1865): Pl. PMMA (polimetil-metakrilát, gyártás a 20. század 30-as éveitől), PEMA (polietil-metakrilát), PBMA (polibutil-metakrilát).

Jelentős akrilgyanták jellemzői:

• Polibutil-metakrilát (PBMA): Tg -60 °C és -40 °C között. Puha, hajlamos a szennyeződés felvételére és alacsonyabb az öregedésállósága.
• P(EMA/MA) kopolimer – Paraloid B-72 / Acryloid B72 (Rohm and Haas, USA): Etil-metakrilát (EMA) és metil-akrilát (MA) 70:30 mólarányú kopolimerje. Tg-je 40 °C. Oldható toluolban, xilolban, acetonban, etil-acetátban. Jó UV-sugárzás és oxidáció elleni ellenállás jellemzi. A Paraloid B-72 az egyik leggyakrabban használt konszolidálószer a műalkotások konzerválásában.

A Paraloid B-72 alkalmazása:

• Porózus szervetlen anyagok (kő, vakolatok, stukkó) megerősítése.
• Sérült festékréteg rögzítése.
• Festékréteg pikkelyeinek injektálása és ragasztása.
• Hajszálrepedések injektálása.
• Retusok kötőanyaga.

Akrilgyanták áttekintése (granulátumok és oldatok):

Akrilgyanták áttekintése (diszperziók):

Diszperziók pH-ja (példák):

Epoxigyanták

Az epoxigyanták makromolekuláris anyagok, amelyeket többnyire dián és epiklórhidrin poliaddíciójával állítanak elő. Széles viszkozitási skálával rendelkeznek, az alacsony viszkozitásútól a merevig. Kétkomponensű rendszerekről van szó (gyanta + térhálósító), ahol a pontos adagolás kulcsfontosságú. A térhálósodás a térhálósító funkcionális csoportjainak és a makromolekulák epoxidcsoportjainak poliaddíciójával történik, melléktermékek nélkül. A reakció hőmérséklet emelésével gyorsítható.

Alkalmazás:

• Kő megerősítésére csak elvétve, főként kis, erősen degradált tárgyaknál, szerves oldószerekben (aceton, xilol, toluol, etanol vagy ezek keverékei) oldott formában.
• Repedések injektálása kőben (alacsony viszkozitású típusok).
• Kő ragasztása.
• Tömítőanyagok.

A hallgatók leggyakoribb kérdései az anyagok konzerválásához használt erősítő anyagokról

Mik a fő különbségek a szervetlen és szerves erősítő anyagok között?

A fő különbség kémiai természetükben és az anyaggal való kölcsönhatás módjában rejlik. A szervetlen anyagok (pl. víziüveg, fluátok) gyakran ásványi alapúak, és jól integrálódnak a kő- vagy vakolatszerkezetekbe, ahol ásványi kötőanyagot hoznak létre. A szerves anyagok (polimerek) szén alapúak, és polimer hálózatot alkotnak. Szélesebb tulajdonság spektrummal rendelkeznek, de fontos figyelembe venni kompatibilitásukat, tartósságukat és az anyag megjelenésének potenciális változásait.

Miért nem használják már a polivinil-acetátot (PVAC) megerősítésre?

A PVAC-ot több alapvető kockázat miatt hagyták abba az erősítésre. Elégtelen behatolási mélységgel rendelkezett, ami felületi film képződéséhez vezetett, korlátozva az anyag páraáteresztő képességét. Továbbá színváltozást okozhatott, és hajlamos volt a „hidegfolyásra” (hidegáramlásra) és a „szennyeződés felvételre” (szennyeződés megkötésére). Bár jó tapadási tulajdonságokkal rendelkezik, mélyreható megerősítésre való alkalmatlansága felülírja ezt.

Mely erősítő anyagok a legmegfelelőbbek kőhöz és miért?

Kő megerősítésére gyakran használnak szervetlen anyagokat, mint a víziüveg és a fluátok, ásványi természetük és jó kompatibilitásuk miatt. A szerves anyagok közül a kőhöz nagyra értékelt akrilátok, különösen a Paraloid B-72 (P(EMA/MA)) típusú kopolimerek. Ezek az anyagok jó behatolást, magas UV-sugárzás és öregedésállóságot, valamint minimális megjelenésbeli változást biztosítanak. Kiválasztásuk mindig a kő konkrét típusától, degradációjától és a környezettől függ.

Mi az a Tg és miért fontos a polimer erősítő anyagoknál?

A Tg (üvegesedési hőmérséklet) kulcsfontosságú paraméter az amorf polimerek számára. Azt a hőmérsékletet jelöli, amelyen a polimer kemény, üveges állapotból puha, gumiszerű állapotba megy át. Az erősítő anyagoknál azért fontos, mert befolyásolja a polimer mechanikai tulajdonságait különböző hőmérsékleteken. Ha a Tg túl alacsony (pl. a PBMA esetében), a polimer normál hőmérsékleten puha lehet, hajlamos a folyásra (