Bariérové vrstvy pro ochranu předmětů kulturního dědictví
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstract
Každý rok je objeveno značné množství archeologických nálezů. Ze země vyzvednuté předměty je potřeba zdokumentovat a zakonzervovat. Archeologové a konzervátoři však nezvládají příliv nově nalezených předmětů zpracovávat. Tato práce nabízí alternativní přístup ke standardním konzervátorským technikám, za současného navýšení procesní kapacity a snížení nákladů na konzervaci předmětů. Studovanou alternativou pro ochranu zejména železných archeologických nálezů jsou tenké vrstvy na bázi parylenu a organokřemičitanů. Vrstvy byly připravovány na dvou experimentálních aparaturách. Parylenové vrstvy se deponovaly metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD). Produktem byly vrstvy parylenu C. Organokřemičitanové vrstvy byly nanášeny pomocí plazmatem iniciované chemické depozice z plynné fáze (PECVD). Aparatura pro PECVD využívá kapacitně vázané radiofrekvenčně buzené plazma. Jako prekurzor sloužil hexamethyldisiloxan. Výsledné vrstvy jsou pro svou podobnost s oxidem křemičitým označovány SiOx. Připravené vrstvy byly charakterizovány řadou metod a srovnány se standardními konzervátorskými vrstvami – s tanátovou vrstvou, akrylovým lakem Paraloid B72 a mikrokrystalickým voskem Revax 30. Na železném substrátu vykazovaly parylenové vrstvy výbornou kompaktnost a odolnost vůči korozi. Prvotní známky koroze byly pozorovány po 24 hodinách v solné mlze u vrstev o tloušťce 5 µm. U vrstev SiOx se koroze prudce šířila už během 1. hodiny korozního testu. Pravděpodobná příčina tkví v procesu nanášení, kdy teplota dosahuje 80-100 °C. Vrstva SiOx má jinou teplotní roztažnost než železný substrát a během chladnutí dochází k praskání tenké vrstvy. U standardních vrstev se koroze objevila po 1-3 hodinách testu. Měření rychlosti prostupu kyslíku (OTR) na polypropylénovém substrátu potvrdila dobré bariérové vlastnosti parylenu C. Nejlepší parylenové vrstvy měly OTR 170 cm3•m-2•atm-1•den-1. Vrstvy SiOx dosáhly také dobrých výsledků s OTR přibližně 300 cm3•m-2•atm-1•den-1 v porovnání s čistým substrátem, který měl OTR 1700 cm3•m-2•atm-1•den-1. Standardní konzervátorské vrstvy nebylo možno na polypropylénový substrát nanést a jejich OTR se tedy neměřila. Jiný substrát, kompatibilní pro všechny vrstvy, se nepodařilo nalézt. Studie se zaměřila i na různé kombinace vrstev seskládané do sendvičové struktury. V korozních testech se neosvědčila žádná z nich, všechny substráty korodovaly již během 1. hodiny. Důvodem byla nedostatečná tloušťka vrstev, způsobující jejich nekompaktnost, a také praskliny ve vrstvách způsobené rozdílnou tepelnou roztažností železného substrátu a vrstev SiOx. Přestože vrstvy SiOx nebyly přímo deponovány na substrát, mají výbornou adhezi k parylenu a mohly jej vlivem tepla roztrhat. Měření OTR však zaznamenala značné zlepšení bariérových vlastností. Multivrstva parylenu C – SiOx – parylenu C – SiOx měla OTR 5 cm3•m-2•atm-1•den-1. Výsledkem je, že vrstvy parylenu C mají lepší vlastnosti než standardně užívané vrstvy a jsou tedy vhodné pro konzervaci kovových archeologických nálezů. Vrstvy SiOx a studované multivrstvy se pro ochranu kovových předmětů neosvědčily, mají však dobré bariérové a chemické vlastnosti pro jiné typy substrátů. Zejména ve spojení s polymery mohou najít široké uplatnění, nejen v konzervátorství. Další výzkum by byl zaměřen na nové substráty pro SiOx a na zlepšení UV stability parylenových vrstev.
Every year, many archeological findings are discovered. It is necessary to document and conserve these items dug up from the ground. However, archeologists and conservators cannot handle such a big amount of newly found items. This work offers an alternative approach to standard conservation techniques, increasing the processing capacity and lowering the cost on items’ conservation. Studied alternative, mainly for protection of metallic artefacts, includes thin films based on parylene and organosilicons. Thin films were prepared on two experimental apparatuses. Parylene films were deposited by chemical vapour deposition (CVD). Final product was a thin film of parylene C. Organosilicon thin films were deposited via plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). PECVD apparatus operates with capacitively coupled radiofrequently initiated plasma. Using hexamethyldisiloxane, thin films very similar to silicon dioxide were produced, thus called SiOx. Thin films were characterized by several methods and compared to standard treatment used by conservators – tannate layer, acrylic furnish Paraloid B72 and microcrystalline wax Revax 30. Parylene films showed excellent conformity and resistance to corrosion on iron substrate. First signs of corrosion were observed on layer of 5 µm thickness after 24 hours in salt fog. On samples coated by SiOx films, corrosion was spreading wide even during 1st hour of the corrosion test. Most probable cause was that SiOx film has thermal expansion coefficient different from iron substrate and due to this fact cracking occurs during cooling down of the treated substrate. On samples coated by standard treatment, corrosion occurred after 1-3 hours of the test. Oxygen transmission rate (OTR) measurements (performed on polypropylene substrate) confirmed good barrier properties of parylene C. Best parylene thin films had OTR approximately 170 cm3•m-2•atm-1•day-1. SiOx films reached good results with OTR 300 cm3•m-2•atm-1•day-1, compared to clean polypropylene substrate with OTR 1700 cm3•m-2•atm-1•day-1. Standard conservation layers could not be applied on polypropylene substrate, thus their OTR was not measured. We did not succeed in finding a substrate which is compatible for all types of treatments. Next, the study focused on combinations of thin films forming sandwich structures. All types let the corrosion attack the substrate during the 1st hour of the test. The cause was insufficient film thickness as well as crack ing of SiOx films due to different thermal expansion properties from the iron substrate. Although SiOx thin films were not deposited on substrate directly, they have excellent adhesion to parylenu and thus they could tear parylenu films due to thermal expansion. However, OTR measurements showed improvement in barrier properties. Multilayer parylene C–SiOx–parylene C–SiOx had OTR 5 cm3•m-2•atm-1•day-1. Final result is that parylene C thin films have better barrier properties than standard coatings and are suitable for conservation of metallic archaeological artefacts. SiOx films and multilayers showed poor anticorrosion protection of metallic substrates but they have good barrier and chemical properties in combination with other types of substrates. Mainly deposited on polymers, there is great potential for their application in many fields. Further research would be focused on new substrates for SiOx thin films and on the improvement of UV stability of parylene films.
Every year, many archeological findings are discovered. It is necessary to document and conserve these items dug up from the ground. However, archeologists and conservators cannot handle such a big amount of newly found items. This work offers an alternative approach to standard conservation techniques, increasing the processing capacity and lowering the cost on items’ conservation. Studied alternative, mainly for protection of metallic artefacts, includes thin films based on parylene and organosilicons. Thin films were prepared on two experimental apparatuses. Parylene films were deposited by chemical vapour deposition (CVD). Final product was a thin film of parylene C. Organosilicon thin films were deposited via plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). PECVD apparatus operates with capacitively coupled radiofrequently initiated plasma. Using hexamethyldisiloxane, thin films very similar to silicon dioxide were produced, thus called SiOx. Thin films were characterized by several methods and compared to standard treatment used by conservators – tannate layer, acrylic furnish Paraloid B72 and microcrystalline wax Revax 30. Parylene films showed excellent conformity and resistance to corrosion on iron substrate. First signs of corrosion were observed on layer of 5 µm thickness after 24 hours in salt fog. On samples coated by SiOx films, corrosion was spreading wide even during 1st hour of the corrosion test. Most probable cause was that SiOx film has thermal expansion coefficient different from iron substrate and due to this fact cracking occurs during cooling down of the treated substrate. On samples coated by standard treatment, corrosion occurred after 1-3 hours of the test. Oxygen transmission rate (OTR) measurements (performed on polypropylene substrate) confirmed good barrier properties of parylene C. Best parylene thin films had OTR approximately 170 cm3•m-2•atm-1•day-1. SiOx films reached good results with OTR 300 cm3•m-2•atm-1•day-1, compared to clean polypropylene substrate with OTR 1700 cm3•m-2•atm-1•day-1. Standard conservation layers could not be applied on polypropylene substrate, thus their OTR was not measured. We did not succeed in finding a substrate which is compatible for all types of treatments. Next, the study focused on combinations of thin films forming sandwich structures. All types let the corrosion attack the substrate during the 1st hour of the test. The cause was insufficient film thickness as well as crack ing of SiOx films due to different thermal expansion properties from the iron substrate. Although SiOx thin films were not deposited on substrate directly, they have excellent adhesion to parylenu and thus they could tear parylenu films due to thermal expansion. However, OTR measurements showed improvement in barrier properties. Multilayer parylene C–SiOx–parylene C–SiOx had OTR 5 cm3•m-2•atm-1•day-1. Final result is that parylene C thin films have better barrier properties than standard coatings and are suitable for conservation of metallic archaeological artefacts. SiOx films and multilayers showed poor anticorrosion protection of metallic substrates but they have good barrier and chemical properties in combination with other types of substrates. Mainly deposited on polymers, there is great potential for their application in many fields. Further research would be focused on new substrates for SiOx thin films and on the improvement of UV stability of parylene films.
Description
Citation
PROCHÁZKA, M. Bariérové vrstvy pro ochranu předmětů kulturního dědictví [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2017.
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. Ing. Marián Lehocký, Ph.D., oponent (člen)
doc. RNDr. Anna Zahoranová, CSc., oponent (člen)
prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Milada Bartlová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Pavel Slavíček, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2017-10-13
Defence
Předseda komise představil doktoranda Ing. Procházku. Doktorand je autorem nebo spoluautorem celé řady článků a má již za sebou bohatou praxi. Předseda komise prof. Omelka předal doktorandovi slovo a poté následovala cca půlhodinová powerpointové prezentace, v níž doktorand představil podstatné výsledky své dizertační práce. Oponenti přečetli posudky, oba posudky byly kladné a doporučovaly práci k obhajobě dizertační práce. Oponentské posudky rovněž obsahovaly řadu dotazů, doktorand na všechny tyto dotazy a rovněž i na otázky vzešlé z diskuze odpověděl.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení