Influence of atmospheric aging on the stability of binding media in paintings: Study of their degradation behaviour when exposed to UV-light, corrosive gases, and humidity

Autor: Pagnin, Laura
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2021
Předmět:
DOI: 10.34726/hss.2021.95502
Popis: Das Ziel dieser Dissertation konzentrierte sich haupts��chlich auf die Charakterisierung und chemische Stabilit��t von polymeren synthetischen Materialien, die neuerdings im k��nstlerischen und industriellen Bereich verwendet werden, d. h. Acrylemulsionen, Alkyd und Styrol-Acryl-Harze. Der Bedarf an wissenschaftlichen Erkenntnissen ergibt sich aus der Tatsache, dass einige Forschungsthemen noch nicht verstanden sind, wie zum Beispiel der Einfluss verschiedener Pigmente (z.B. synthetisches Ultramarin, Kobaltblau, Titanwei��, etc.) auf Lackabbauprozesse, die Wechselwirkung zwischen Lack und Witterungseinfl��ssen sowie die Wirkung der Schadstoffkombination auf die Gesamtstabilit��t der Bindemittel. Diese Themen wurden unter Anwendung von mehreren komplement��ren analytischen Methoden bearbeitet, die am Institut f��r Naturwissenschaften und Technologie in der Kunst (INTK) der Akademie der bildenden K��nste Wien verf��gbar sind, wie z.B Abgeschw��chte Total-Reflexion-Infrarot- (ATR-FTIR) und ��-Raman-Spektroskopie, und an der Technischen Universit��t Wien (TU Wien), z.B. die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Laser-Induced Breakdown-Spectroscopy (LIBS). Die gew��hlten Methoden eignen sich zur Untersuchung molekular-chemischer Reaktionen sowie semiquantitativer Aspekte, die w��hrend der k��nstlichen Alterung auftreten. Die Ergebnisse der verschiedenen Analysetechniken wurden mit multivariaten statistischen Methoden (PCA und Random Forest Discrimination) bearbeitet, um die chemischen Informationen ��ber diese Materialien vollst��ndig auszusch��pfen, die Ergebnisse miteinander zu kombinieren und vollst��ndige Informationen ��ber die Wechselwirkung der Schadstoffe und Bindemittel zu erhalten. Die Dissertation wurde in zwei Teile gegliedert, um die sch��dliche Wirkung der beiden Hauptschadstoffe UV-Licht und Schadgase einzeln zu bewerten. Im ersten Teil wurde das Abbauverhalten der reinen Bindemittel untersucht, die einer beschleunigten Alterung durch UV-Licht ausgesetzt sind. Die gew��hlte UV-Lichtstrahlung war in einem Wellenl��ngenbereich zwischen 295 und 3000 nm und simuliert so die Bedingungen des Sonnenlichts im Freien. Die Studie zeigte, dass die Art des anorganischen Pigments in der Mischung und das verwendete Verh��ltnis Pigment/Bindemittel (P/BM) einen signifikanten Einfluss auf die Stabilit��t des Bindemittels haben. Dar��ber hinaus wurde durch die Umsetzung der Ergebnisbewertung mit chemometrischen Methoden und fortschrittlichen Techniken gezeigt, dass die Abbauwirkung von UV-Licht auch je nach Bindemittel und Pigment variiert und unterschiedliche Trends beim Vergleich der oberen und inneren Farbschichten zeigt. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Abbaureaktionen durch Schadgase und relative Luftfeuchte (RH). Die Farbproben wurden verschiedenen korrosiven Gasen wie SO2, O3, H2S und NOx ausgesetzt. Synthetische Luft wurde mit unterschiedlichen Mengen an RH (50 und 80 %) und Gasen im ppb- und/oder ppm-Bereich gemischt, um die atmosph��rische Umgebung zu simulieren. Generell zeigten die Ergebnisse, dass Bindemittel ein unterschiedliches Abbauverhalten zeigen, wenn sie Schadgasen ausgesetzt sind. Konkret hat RH mehr Einfluss auf Acrylfarben, verschiedene Gase auf Alkydfarben und die Gas��RH-Kombination auf Styrol-Acrylfarben. Aber auch die Art des Pigments in der Mischung und der Feuchte-gehalt, der in der beschleunigten Bewitterungskammer aufgetragen wurde, beeinflussen die Degradationsph��nomene. Zu dieser experimentellen Bewertung wurde eine Vorstudie zum Reinigungsverfahren f��r Farbproben durchgef��hrt. Dieser letzte Teil stellt die Verbindung zwischen chemischen Untersuchungen des kulturellen Erbes und Konservierungspraktiken dar, die f��r die Erhaltung moderner Kunstwerke n��tzlich sind. Die aus den Ergebnissen gewonnenen Erkenntnisse k��nnten Konservatoren und Restauratoren bei der Entwicklung geeigneter Konservierungsstrategien unterst��tzen und K��nstlern eine bessere Auswahl von Kunstmaterialien erm��glichen. Schlie��lich k��nnen die durchgef��hrten Untersuchungen in weitere Forschungsprojekte einflie��en, um die verschiedenen Abbauprozesse von Pigmentklassen, synthetische Bindemittel in Kunstobjekten und Industrieprodukten zu durchleuchten.
The aim of this PhD thesis primarily focused on the characterization and chemical stability of polymeric synthetic paints recently used in the artistic and industrial field, i.e. acrylic emulsions, alkyd, and styrene-acrylic resins. The need for scientific knowledge derives from the fact that some research topics have yet to be understood, such as the influence of various pigments (e.g. synthetic ultramarine, cobalt blue, titanium white, etc.) in the paint degradation processes, the interaction between paint and atmospheric agent, and the effect that the combination of pollutants has on the overall stability of the paints. These topics were studied applying several complementary analytical techniques available at the Institute of Natural Sciences and Technology in the Arts (ISTA) at the Academy of Fine Arts Vienna, such as Attenuated Total Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) and ��-Raman Spectroscopy, and at the Technical University of Vienna (TU Wien), such as Atomic Force Microscopy (AFM) and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). The chosen experimental methods are useful for the investigation of molecular-chemical reactions and also semiquantitative aspects occurring during artificial aging. The various results obtained from the different analytical techniques chosen are implemented through multivariate statistical methods (i.e. PCA, and Random Forest Discrimination) in order to fully exploit the chemical information on these materials, combine the results with each other, and obtain complete information on the interaction of the pollutants agents and paints.The PhD thesis was divided into two parts in order to individually evaluate the deteriorating action of the two main atmospheric pollutants, UV-light and pollutant gases. In the first part, the degradation behavior of paints subjected to accelerated aging by UV-light was studied. The UV-light radiation chosen provides radiation with wavelengths between 295 and 3000 nm, simulating outdoor sunlight conditions. This study demonstrated that the type of inorganic pigment in the mixture and the Pigment/Binder (P/BM) ratio used has a significant impact on the stability of the binding media. Moreover, chemometric methods and advanced techniques showed that the degradation effect of UV-light varied also according to the binder, pigment granulometry, showing different trends comparing the top and inner paint layers. The second part of the thesis focused on studying the degradation reactions caused by pollutant gases and relative humidity (RH). The paint samples were exposed to different corrosive gases, such as SO2, O3, H2S, and NOx. Synthetic air was mixed with different amounts of RH (50 and 80 %) and gases in the ppb and/or ppm range to represent the atmospheric environment. In general, the results showed that binders present a different degradation behavior when exposed to pollutant gases. Specifically, RH has more influence on acrylic paints, different gases on alkyd paints, and the gas��RH combination on styrene-acrylic paints. However, the type of pigment in the mixture and the RH content applied in the accelerated weathering chamber also influence the deterioration phenomena. In addition to this experimental evaluation, a preliminary study on cleaning methods for painted materials was carried out. This last part represents the connection between chemical investigations on cultural heritage and conservation practices useful for preserving modern artworks.The knowledge gained from the results obtained might support conservators and restorers for the development of appropriate conservation strategies, as well as to artists for a better selection of art materials. Finally, the research carried out can be applied to further research projects that study different classes of pigments, synthetic binders, and degradation processes of artistic objects and industrial products.
Databáze: OpenAIRE
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