In der Konservierungsforschung werden unterschiedlichste Materialien analysiert und auf ihre Stabilität hin geprüft, um gezielte Konservierungs- oder Restaurierungsmassnahmen durchzuführen und deren Nachhaltigkeit besser einschätzen zu können.
Die Chemilumineszenz - im Folgenden kurz CL - ist ein Phänomen, bei dem ein Elektron aus einem energetisch höher gelegenen Orbital in einen tiefer liegenden Zustand relaxiert und dabei seine Energie in Form von Photonen abgibt. Der angeregte Zustand wird durch eine chemische Reaktion verursacht.
Dieser Vorgang ist sehr spezifisch und tritt u.a. bei Oxidationsreaktionen auf. Durch Rekombination zweier Peroxide wird z.B. eine angeregte Carbonylverbindung erzeugt, die ihre Energie als Licht emittiert.
Dieser Zusammenhang zwischen der Oxidation organischer Substanzen und die Emission von Photonen bedingt die hier zentral gestellte Frage, ob die Chemilumineszenz als Methode zur Charakterisierung von Materialien, die in der Konservierungsforschung relevant sind, eingesetzt werden kann.
Innerhalb einer Forschungskooperation zwischen Departementen der Berner Fachhochschule BFH konnte ein Chemilumineszenz-Messgerät konstruiert, modifiziert und für diese Arbeit eingesetzt werden.
In der Arbeit wurde ein standardisiertes Messverfahren an verschiedenen Substanzen, wie z.B. Adamantylidenadamantan-1.2-dioxetan geprüft und die verschiedenen Einflüsse auf das Chemilumineszenz-Signal untersucht. Dabei konnten für das Messprinzip wichtige Daten, wie z.B. Präzision, Nachweis- und Bestimmungsgrenze erhoben werden.
Anhand der Stabilität von Dammar, einem Triterpen-Naturharz, konnte das Verfahren innerhalb der Arbeit, an einem komplexen Beispiel aus der Konservierungsforschung experimentell erprobt werden. Dabei wurden publizierte Resultate zum Oxidationsverhalten von Dammarharz teilweise verifiziert. Durch das spezifische Signal konnten die thermisch initiierten Reaktionen bei inerten und oxidativen Gas-Atmosphären dokumentiert werden. Die Ergebnisse wurden mit etablierten Methoden, wie z.B. DSC, TGA und ESR- Spektroskopie verglichen und Konsistenzen zu den Signalen erfasst.
Der in der Literatur diskutierte Einfluss von Stabilisatoren auf Dammarharz-Filme wurde an ungealterten und künstlich gealterten Proben mit der Chemilumineszenz untersucht. Dabei konnten ebenfalls in der Literatur empfohlene Formulierungen und Wirkungen bestimmter synergetischer Mischungen nachgewiesen und bestätigt werden.
Aus den ermittelten Daten der CL-Messungen liessen sich in einem Ausblick kinetische Berechnungen zu Aktivierungsparametern erstellen. Die ermittelten Parameter wurden zur Prognose von Reaktionsverläufen bei unterschiedlich simulierten Temperaturprofilen genutzt und machten eine Vorhersage zur Lebensdauer der Materialien möglich.
Neben der hohen Leistungsfähigkeit der Methode zeigte sich v.a. das hohe Potential der ermittelten Messdaten, v.a. in Bezug auf die Anwendung in der Modellfreien Kinetik.
Neben diesen Möglichkeiten wurden aber auch die Grenzen der Methode aufgezeigt. Diese sind einerseits durch die Besonderheit des Signals gegeben, welches mechanistisch bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt ist, andererseits liegen sie bei der Weiterverarbeitung der Messdaten durch thermokinetische Software. Hier wird deutlich, dass die Qualität der Berechnungen zu Reaktionsverläufen nur so gut ist, wie die zuvor erhobenen Daten und, dass erstellte Prognosen zur Stabilität eines Materials lediglich eine Vorstellung vermitteln können. / During conservation studies different materials are analysed and tested for their solidity in order to be able to carry out precise conservation and restoration measures and to be able to assess their sustainability.
Chemiluminescence is a phenomenon in which an electron is relaxed from an energetically higher orbital into a lower situated condition while simultaneously releasing energy in the shape of photons. As a consequence the stimulated state is caused by a chemical reaction. This process is very specific and occurs during an oxidation reaction among other things. Through the recombination of two peroxides for example a stimulated carbonyl compound is generated which emits its energy as light.
This connection between the oxidation of organic substances and the emission of photons determines the main question, whether chemiluminescence can be used as a method for characterisation of materials which are relevant to the research of conservation.
As a result of a research project between departments of the Bern University of Applied Sciences BFH it was possible to construct a chemiluminescence measuring device and modify it in a way that it could be used for this work.
Within this experiment a standardised method of measurement was tested on different substances, for example adamantylidenadamantan-1.2-dioxetan, and the different impacts on the chemiluminescence-signal investigated. Through this process important facts were determined for the concept of measurement, for example precision, proof- and definition perimeters.
Based on the solidity of dammar, a triterpene resin, the method could be experimentally verified within the test using a complex example from conservation research. Within that process published results about the oxidation properties of dammar resin were verified. Due to the specific signal, the thermally initiated responses in inert as well as oxidative gas atmospheres could be documented. The results were compared with established methods like DSC, TGA and ESR spectroscopy and the consistencies to the signals logged.
The already much discussed influence of stabilisers on dammar resin was tested on nonaged and artificially aged specimens using chemiluminescence. Through these previously suggested formulations, effects of certain synergistic composites were detected and confirmed.
Using the data from the chemiluminescence measurements kinetic calculations about activation parameters were compiled. The identified parameters were used for the prognosis of the course of reactions during differently simulated temperature profiles, making a prediction of the materials’ life span possible.
Through these results not only the high performance ability of the method became apparent but also the potential of the determined measurement data, mainly in connection with the application within the model-free kinetic.
However, alongside these possibilities limitations of the method were revealed. These are partly caused by the characteristics of the signal which has yet to be mechanistically fully clarified. Simultaneously, further processing of the measurement data via thermokinetic software makes clear that the quality of the calculations of the reaction process is only as good as the quality of the initial data. This suggests the prognoses about the stability of the material only conveys a concept of their qualities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90525 |
| Date | 15 March 2024 |
| Creators | Buder, Andreas |
| Contributors | Herm, Christoph, Schulz, Henrik, Siedel, Heiner, Hochschule für Bildende Künste Dresden HFBK |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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