Příprava a charakterizace tenkých bariérových vrstev
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Pro konzervaci kovových artefaktů jsou v dnešní době nejčastěji využívány kombinace různých akrylových pryskyřic a mikrokrystalických vosků, jejichž vlastnosti však nejsou v mnoha ohledech dostačující a vyhovující. Cílem této dizertační práce je proto vyvinout konzervační systém zohledňující nové poznatky na poli pokročilých materiálů a technologií posledních let. Nejslibněji se jeví založit konzervační povlak na tenké bariérové vrstvě, která musí splňovat následující požadavky: dobrá bariérová funkce vůči kyslíku, vlhkosti a dalším korozním činitelům; transparentnost kvůli zachování barevného vzhledu předmětu; dlouhodobá stabilita, ale zároveň jednoduchá odstranitelnost; možnost nanášení na více předmětů zároveň a přijatelná finanční náročnost aplikačního procesu. Jako materiál vhodný pro tento účel je vybrán polymer parylen C, který je připravován modifikovanou chemickou depozicí z plynné fáze. Odstranitelnost parylenu je zajištěna rozpustnou mezivrstvou ze silikon-akrylátového laku Laksilu, jež je nanášena mezi chráněný kov a vrstvu parylenu. V rámci práce je nejprve optimalizován proces nanášení dvouvrstvy Laksil/parylen a posléze jsou stanovovány její fyzikálně-chemické charakteristiky, které jsou poté srovnány s konvenčním konzervátorským povlakem složeným z akrylátového laku Paraloid B72 a mikrokrystalického vosku Revax. S ohledem na nároky kladené na konzervační povlak nás u dvouvrstvy Laksil/parylen zajímají zejména její bariérové vlastnosti, optické vlastnosti, morfologie povrchu a do jaké míry je možné ji odstranit. Nejužitečnější metodou pro popis bariérových vlastností povlaků bylo korozní testování. V rámci korozních testů byly povlakované kovové vzorky vystaveny vysoce korozivní atmosféře solné mlhy o koncentraci 50 g•l–1, teplotě 35 °C a 100% vlhkosti (ČSN EN ISO 9227). Dvouvrstva Laksil/parylen prokázala vynikající bariérové schopnosti, kdy se na takto povlakovaných vzorcích objevily první známky koroze po více než třech měsících korozního testování. Drsnost povrchu měřená profilometrií a morfologie povrchu zobrazená SEM dokumentovala synergii mezi vrstvou Laksilu a parylenu, která ústí v excelentní bariérovou a antikorozní funkci dvouvrstvy. Vrstva Laksilu je totiž schopná účinně vyrovnat nerovný povrch substrátu díky své vysoké tloušťce. Parylenová vrstva nadeponovaná na povrch vyrovnaný laksilovou vrstvou kopíruje tento hladký povrch a neobjevují se v ní defekty. Parylenová vrstva tak může maximálně plnit svou bariérovou funkci. Koloristickými měřeními bylo určeno, že dvouvrstva Laksil/parylen téměř nemění barevný vzhled předmětu. Jí způsobená barevná odchylka (ČSN EN ISO 11664-4) se pohybovala kolem jedné, což je hodnota hodnocená jako „rozpoznatelná jen zkušeným okem“. Dvouvrstva Laksil/parylen je odstranitelná díky rozpustitelnosti Laksilu v xylenu. Pro umožnění přístupu rozpouštědla k laku je nutné opatrně narušit svrchní vrstvu parylenu. Úspěšnost odstranění dvouvrstvy Laksil/parylen byla nejprve potvrzena na modelových železných vzorcích pomocí EDX. Následně byla prokázána možnost úplného odstranění i ze zkorodovaného povrchu reálného artefaktu metodou TGA. Úprava dvouvrstvou Laksil/parylen je tedy plně reverzibilní.
Combinations of different acrylic resins and microcrystalline waxes are most often used for the conservation and preservation of metallic archaeological artefacts these days. However, their properties are not sufficient and satisfactory in many ways. Therefore, the aim of this doctoral thesis is to develop a conservation system which will draw on the new knowledge gained in the field of advanced materials and technologies during last years. A conservation coating based on a thin barrier film appears the most promising. The conservation coating must fulfil particularly following rather contradictory requirements: good barrier function against oxygen, humidity and other corrosive agents; transparency because of colour appearance preservation; long term stability and easy removability; possibility to apply to more objects at the same time and reasonable financial requirements of a deposition process. Parylene C polymer was chosen as suitable material for this purpose. It was prepared via modified chemical vapour deposition. Parylene removability was ensured through the soluble interlayer made of Laksil silicone-acrylic lacquer which was applied between the protected metallic object and the parylene thin film. Initially, the deposition process of Laksil/parylene bilayer was optimized, then its physical and chemical characteristics were determined and eventually, they were compared with the conventional conservation coating composed of Paraloid B72 acrylic resin and Revax microcrystalline wax. Regarding to the demands of the conservation coating, we were interested especially in barrier properties, optical properties, surface morphology and removability of Laksil/parylene bilayer. The most useful method for description of coating barrier properties was corrosion testing in which coated metallic samples were exposed to highly corrosive environment of salt spray (made of 50 g•l–1 brine), 100% humidity and temperature of 35 °C (ISO 9227). The Laksil/parylene bilayer showed excellent barrier properties; samples treated this way sustained unchanged in the corrosion chamber for almost three months. The surface roughness measured by profilometry and surface morphology scanned by SEM illustrated the synergy between Laksil and parylene layer which leads to the exceptional barrier and anticorrosion function of bilayer. The Laksil layer is able to flatten out rough surface of a substrate. Furthermore, it can toughen the item surface which is, in case of a number of archaeological findings, created by corrosion product layers with variable mechanical strength. Thereon deposited parylene film becomes smooth and defect free and can act as a good diffusion barrier. The colouristic measurements confirmed that the Laksil/parylene bilayer does not almost change the appearance of protected item, in terms of colour. The caused colour difference (ISO 11664-4) ranged around 1 which value is defined as “perceivable only for experienced observers”. The Laksil/parylene bilayer is removable thanks to the Laksil solubility in xylene. It is necessary to carefully scratch the outer parylene film to enable access of xylene solvent to the lacquer. The successful removal of Laksil/parylene bilayer was first confirmed by the EDX on metallic iron samples. Afterwards, the possibility of bilayer complete removal even from a corroded surface of the original artefact was proved by TGA. Thus the conservation treatment can be considered fully reversible.
Combinations of different acrylic resins and microcrystalline waxes are most often used for the conservation and preservation of metallic archaeological artefacts these days. However, their properties are not sufficient and satisfactory in many ways. Therefore, the aim of this doctoral thesis is to develop a conservation system which will draw on the new knowledge gained in the field of advanced materials and technologies during last years. A conservation coating based on a thin barrier film appears the most promising. The conservation coating must fulfil particularly following rather contradictory requirements: good barrier function against oxygen, humidity and other corrosive agents; transparency because of colour appearance preservation; long term stability and easy removability; possibility to apply to more objects at the same time and reasonable financial requirements of a deposition process. Parylene C polymer was chosen as suitable material for this purpose. It was prepared via modified chemical vapour deposition. Parylene removability was ensured through the soluble interlayer made of Laksil silicone-acrylic lacquer which was applied between the protected metallic object and the parylene thin film. Initially, the deposition process of Laksil/parylene bilayer was optimized, then its physical and chemical characteristics were determined and eventually, they were compared with the conventional conservation coating composed of Paraloid B72 acrylic resin and Revax microcrystalline wax. Regarding to the demands of the conservation coating, we were interested especially in barrier properties, optical properties, surface morphology and removability of Laksil/parylene bilayer. The most useful method for description of coating barrier properties was corrosion testing in which coated metallic samples were exposed to highly corrosive environment of salt spray (made of 50 g•l–1 brine), 100% humidity and temperature of 35 °C (ISO 9227). The Laksil/parylene bilayer showed excellent barrier properties; samples treated this way sustained unchanged in the corrosion chamber for almost three months. The surface roughness measured by profilometry and surface morphology scanned by SEM illustrated the synergy between Laksil and parylene layer which leads to the exceptional barrier and anticorrosion function of bilayer. The Laksil layer is able to flatten out rough surface of a substrate. Furthermore, it can toughen the item surface which is, in case of a number of archaeological findings, created by corrosion product layers with variable mechanical strength. Thereon deposited parylene film becomes smooth and defect free and can act as a good diffusion barrier. The colouristic measurements confirmed that the Laksil/parylene bilayer does not almost change the appearance of protected item, in terms of colour. The caused colour difference (ISO 11664-4) ranged around 1 which value is defined as “perceivable only for experienced observers”. The Laksil/parylene bilayer is removable thanks to the Laksil solubility in xylene. It is necessary to carefully scratch the outer parylene film to enable access of xylene solvent to the lacquer. The successful removal of Laksil/parylene bilayer was first confirmed by the EDX on metallic iron samples. Afterwards, the possibility of bilayer complete removal even from a corroded surface of the original artefact was proved by TGA. Thus the conservation treatment can be considered fully reversible.
Description
Citation
BLAHOVÁ, L. Příprava a charakterizace tenkých bariérových vrstev [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální chemie
Comittee
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (předseda)
doc. Mgr. Aleš Mráček, Ph.D., oponent (člen)
doc. Mgr. Vilma Buršíková, Ph.D., oponent (člen)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (člen)
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2018-06-27
Defence
Předseda komise představil doktorandku. Ing. Blahová. Doktorandka má řadu článků v odoborný časopisech, ve dvou případech je prvním autorem. Je také autorkou řady článků ve sbornících. Zúčastnila se řady kurzů a školení. Absolvovala rovněž jednosemestrální stáž na unoverzitě Komenského v Bratislavě.
Disertační práce se zabývá vývojem a přípravou tenkých vrstev aplikovatelných
především pro konzervaci archeologických artefaktů. Odborná kvalita práce je na velmi dobré úrovni a autorčin přínos pro vědu i praxi je zcela nezpochybnitelný. Po formální stránce lze snad vytknout pouze drobné nedostatky ve zpracování některých obrázků převzatých z literatury.
Některý z dotazů: V teoretické části na str. 23 vyjmenováváte některé metody povrchových úpravarcheologických artefaktů, mimo jiné také chemickou pasivaci brynýrováním. Jak stručně popsat tuto metodu? Používá se i pro konzervaci historických kovových předmětů? Ostatní dotazy jsou stručně uvedeny na přiložených lístcích, které se archivují.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení