Badania nad stabilizacją podobrazi drewnianych za pomocą powłok przeciwwilgociowych z szelaku, polimetakrylanu metylu, polimetakrylanu butylu, Osolanu KLIB i Paraloidu B-72

ZABYTKOZNAWSTWO I KONSERWATORSTWO XII NAUKI HUMANISTYCZNO-SPOŁECZNE — ZESZYT 164 — 1987

Zakład. Konserwacji Malarstwa i Rzeźby Polichromowanej

Marcin Kozarzewski

BADANIA NAD STABILIZACJĄ PODOBRAZI DREWNIANYCH ZA POMOCĄ POWŁOK PRZECIWWILGOCIOWYCH Z SZELAKU, POLIMETAKRYLANU METYLU, POLIMETAKRYLANU BUTYLU,

OSOLANU KL/B I PARALOIDU B-72 *

Z a r y s t r e ś c i . Pierwsza część pracy poświęcona jest krótkiemu omówieniu wpływu wilgoci na podobrazia drewniane oraz mechanizmowi działania powłok prze­ ciwwilgociowych. Druga część to sprawozdanie z badań efektywności powłok prze­ ciwwilgociowych z szelaku, PMM, PMB, Osolanu i Paraloidu. Podjęto też próbę w y ­ kazania współzależności między higroskopijnością i współczynnikiem przepuszczalności

żywic dla pary wodnej a efektywnością powłok.

1. WSTĘP

Idea powłoki przeciwwilgociowej nie jest nowa. Zabieg malowania elementów drewnianych różnego typu farbami i lakierami był niczym innym jak właśnie naniesieniem powłoki zabezpieczającej drewno przed szkodliwym działaniem wody i wilgoci. Dwustronne malowanie obrazów, choć miało na celu efekty estetyczne — było także pewnym rodzajem za­ bezpieczenia deski przed nierównomiernym przyjmowaniem i oddawaniem wilgoci przez drewno. Można takżfe spotkać się z przeklejaniem odwrocia, naklejaniem na odwrocie płótna, powlekaniem go zaprawą, olejem, po­ kostem, farbami, lakierami.

Z pojęciem zakładania powłoki przeciwwilgociowej jako zabiegu kon­ serwatorskiego spotykamy się jednak dopiero współcześnie. W początkach lat sześćdziesiątych koncepcję taką wysunął jako jeden z pierwszych R. D. B u ck 1. Należy tutaj zaznaczyć, że na określenie powłoki, przeciw­ wilgociowej Buck posługuje się terminem zapory, bariery wilgoci (moistu ­

re barrier), która jest*pojęciem szerszym niż powłoka przeciwwilgociowa. * Artykuł niniejszy jest skrótem pracy magisterskiej napisanej w 1980 r. w Za­ kładzie Konserwacji Malarstwa i Rzeźby Polichromowanej UMK w Toruniu pod kier. doc. Zofii Wolniewicz.

1 R. D. B u c k , The Use o f Moisture Barriers on Panel Paintings, Studies in Conservation 1961, nr 1, s. 9.

130

Marcin Kozarzewśki

Termin zaproponowany przez Bucka przyjął się w nazewnictwie angiel­ skim i został przejęty przez nazewnictwo polskie. W ydaje się jednak uza­ sadnione wprowadzenie rozróżnienia między szeroko pojmowaną barierą przeciwwilgociową i ściśle sprecyzowanym pojęciem powłoki przeciwwil­ gociowej, mającym zresztą odpowiednik w terminologii technicznej.

Zainteresowanie powłokami przeciwwilgociowymi zostało spowodowa­ ne wadami innych metod stabilizacji wymiarowej podobrazi drewnia­ nych — parkietów, ram, częściowej i całkowitej wymiany podobrazia, impregnacji strukturalnej. Wśród badaczy i konserwatorów było i jest to przedmiotem ostrych sporów 2.

Do wytwarzania powłok przeciwwilgociowych próbowano z różnym powodzeniem stosować rozmaite materiały. Można uszeregować je w fi podstawowych grup:

1) substancje termoplastyczne nakładane na gorąco (głównie woski), 2) pasty woskowe i parafinowe nakładane na zimno,

3) żywice naturalne i syntetyczne w roztworach rozpuszczalników organicznych,

4) żywice syntetyczne w emulsjach,

5) gotowe folie z tworzyw sztucznych naklejane na powierzchnię deski,

6) powłoki hydrofobowe silikonowe.

Jako temat badań wybrano powłoki ochronne z kilku żywic należących do trzeciej z wymienionych grup. O wyborze zadecydowały następujące względy: 1) istniejąca już tradycja w stosowaniu tworzyw tego typu po­ parta badaniami tylko w niewielkim zakresie, 2) łatwość techniczna w y­ konania powłoki z żywicy w roztworze; 3) dostępność tworzyw. Przy w y­ borze rodzaju materiałów kierowano się także tym, iż powłoki woskowe mają wprawdzie praktycznie sprawdzoną przydatność3, jednak w świetle ostatnich badań w stosunku do wosku wysuwa się szereg zastrzeżeń4. Powłoki krzemoorganiczne nie spełniają jak dotąd pokładanych w nich nadziei, ponieważ nie zabezpieczają hydrofobizowanych materiałów przed działaniem pary wodnej, a jedynie przed wodą 5. Samoprzylepne powłoki

* Obszerne opracowanie lit. przedmiotu znaleźć można w nie publ. pr. mag. E. T a c z a n o w s k i e j - M i k o ł a j c z a k , Sposoby stabilizacji podobrazi drewnia­ nych, Toruń 1974 orar. w pr. mag., której skrótem jest niniejszy art.

* R. D. B u c k , op. cit.; t e n ż e , Stabilizacja wymiarowa podobrazi drewnianych, BMiOZ, seria B, t. 27, Warszawa 1972, s. 139; Ch. W o l t e r s, Treatment o f Vfarped

Woodpanels by Plastic Deformation, Moisture Barriers and Elastic Supports, [w:] Recent Advances in Conservation, pod red. G. T h o m p s o n a , London 1963, s. 163;

A. K r z y ż y ń s k i , Badania nad stabilizacją podobrazia drewnianego, pr. mag., To­ ruń 1968, s. 68; E. T a c z a n o w s k a - M i k o ł a j c z a k , op. cit.

4G. B e r g e r , H. Z e l i n g e r , Detrimental and Irreversible Effects o f W ax

Impregnation on Easel Paintings, 4th Triennal Meeting o f 1COM, Venice 1975. 5 R. M i r o w s k i , Badania nad stabilizacją drewna związkami krzemoorganicz- nymi, pr. mag., Toruń 1972, s. 32.

przeciwwilgociowe z folii są już stosowane w praktyce przez konserwa­ torów w Europie Zachodniej i Stanach Zjednoczonych. W Polsce brak produktów krajowych o odpowiednim standardzie sprawia, że powłoki te, mimo przeprowadzonych badań, nie wyszły poza fazę doświadczalną6. Najmniej sprawdzone są powłoki przeciwwilgociowe uzyskiwane z emul­ sji wodnych żywic sztucznych. Autorowi udało się tylko jeden raz zet­ knąć z próbą ich zastosowania 7. W przypadku tej grupy żywic najwię­ ksze obawy związane są z wprowadzeniem wody w drewno podczas nakła­ dania powłoki.

2. WPŁYW WODY I PARY WODNEJ NA DREWNO I PODOBRAZIA DREWNIANE

Niestabilność wymiarowa podobrazi drewnianych spowodowana jest charakterystyczną budową tkanki drzewnej i jej właściwościami. W prak­ tyce największe znaczenie pod względem reologicznym ma woda wystę­ pująca w drewnie w przedziale wilgotności od 4 do 30%, obejmującym adsorpcję wielocząsteczkową i kondensację kapilarną. Wahania wilgot­ ności drewna w tym przedziale odpowiadają zmianom wilgotności względ­ nej powietrza występującym w cyklach dobowych i rocznych. Każdej temperaturze i wilgotności względnej powietrza odpowiada pewna rów­ noważna wilgotność drewna, którą osiąga ono po określonym czasie. Im większe wymiary drewna, tym większe opóźnienie. Opóźnienie to jest mniejsze przy wysychaniu niż przy nawilżaniu. Migracja wody i pary wodnej jest szybsza wzdłuż niż w poprzek naczyń i cewek, dlatego też najszybsza wymiana wilgoci z otoczeniem dokonuje się poprzez przekrój sztorcowy, w którym wszystkie naczynia i cewki są poprzecznie przecięte.

Specyficzna budowa tkanki drzewnej wywołuje także zjawisko anizo­ tropii pęcznienia i kurczenia się drewna. Anizotropia kurczliwości oraz krzywizna słojów są bezpośrednią przyczyną paczenia się desek. Krzywiz­ na słojów powoduje, że ruchy wywoływane kurczliwością drewna w kie­ runkach anatomicznych mają wektory skierowane pod różnymi kątami w różnych miejscach deski w stosunku do jej osi. Zależność paczenia od kurczliwości najprościej wyraża stosunek skurczu promieniowego do stycznego: im większa jest różnica między skurczem promieniowym i stycznym, tym większe jest spaczenie. W związku z tym największym odkształceniom podlegają deski wycięte z najbardziej zewnętrznej części pnia, gdzie różnica ta jest największa.

* R. D. B u c k , Stabilizacja wymiarowa..., s. 130; t e n ż e , The Use of Moisture..., B. K o s i c k a - P i e c h , Badania nad stabilizacją podobrazia drewnianego przy po­ mocy izolacji uszczelniającej odwrocie, pr. mag., Toruń 1973; Ch. W o 11 e r s, op. cit., s. 164.

. 7 J. Z a j ą c z k o w s k a , Portret Philipa Melanchtona Łukasza Cranacha mł., Dokumentacja konserwatorska, msp., Zakł. Kons. Mai. i Rzeźby Pol., UMK, Toruń 1978.

Marcin kozarzewski

Obrazy malowane na deskach zachowują się inaczej niż deski bez war­ stwy zaprawy, farby i werniksu. W takim przypadku spaczenie nie musi być naturalne — spaczenia w obrazach często mają zupełnie inny charak­ ter. Izolacyjny charakter malowidła jest przyczyną tego, że obrazy nieza­ leżnie od tego, czy są malowane na deskach ciętych stycznie czy promie­ niowo, paczą się tak, iż warstwa m a la r ia leży po wypukłej stronie. Suro­ we deski cięte promieniowo będą się jedynie kurczyły, natomiast spaczeniu będą ulegać obrazy malowane na tych deskąeh. Spaczenie obra­ zów na deskach stycznych będzie mniejsze lub większe, zgodne lub prze­ ciwne naturalnemu paczeniu się deski surowej. Może wydawać się para­ doksalne, że najmniej powinien spaczyć się obraz malowany nie na desce promieniowej, lecz na desce o stycznym układzie słojów, gdzie zewnętrz­ na, odrdzeniowa strona deski znajduje się pod warstwą malarską — kierunek spaczenia ma kierunek przeciwny do wektora spaczenia w y­ woływanego nierównomiernym rozkładem wilgoci w desce podobrazia. Bezwzględna wartość skurczu liniowego (praca) będzie oczywiście dużo większa w przypadku deski stycznej niż promieniowej. Stąd unikanie desek stycznych na rzecz promieniowych jest całkowicie uzasadnione. Nawet silne spaczenie deski jest mniej groźne dla malowidła niż skurcz liniowy. Zależności te, odnoszące się oczywiście wyłącznie do obrazów malowanych jednostronnie, ilustruje poniższy rysunek.

1. Wpływ usłojeńia na paczenłe się desek i podobrazi drewnianych. Rysunek schematyczny

a — deska cięta promieniowo, b — deska cięta stycznie; warstwa malarska po stronie odrdze- niowej, c — deska cięta stycznie; warstwa malarska po stronie dqrd*ealoweJ

Jest zatem jasne, że występowanie cyklów dobowych i rocznych nie­ równomiernego nawilżania i wysychania deski podobrazia powoduje kompresję skurczów. Następstwem tego jest odkształcenie plastyczne w postaci spaczenia lub pękanie deski, gdy zaistniałe naprężenia nie mogą się wyładować w postaci spaczenia. Ruchy podobrazia drewnianego mają zasadnicze znaczenie dla zachowania warstwy malarskiej, która w zależ­ ności od budowy reaguje na zmiany wilgotności względnej powietrza mniej lub bardziej intensywnie, ale nigdy nie -zmienia objętości, a co za tym idzie — wymiarów liniowych tak drastycznie jak deska.

3. MECHANIZM DZIAŁANIA POWŁOKI PRZECIWWILGOCIOWEJ

Powłoka przeciwwilgociowa ze względu na inałą przepuszczalność dla pary wodnej wytworzonej błony opóźnia wymianę wilgoci między drew­ nem i otoczeniem. Deska zabezpieczona taką powłoką uzyskuje wilgotność równoważną po czasie dłuższym niż deska riie zabezpieczona. Opóźnienie to jest wprost proporcjonalne do szczelności powłoki. Rezultatem tego jest bardziej równomierny rozkład wilgoci w desce — nie występują różnice między wilgotnością warstw drewna leżących pod malowidłem i warstw znajdujących się pod powłoką od strony odwrocia. Różnica między wil­ gotnością wnętrza i skrajów deski jest nieznaczna (mały gradient wilgot­ ności) na skutek ograniczonego przepływu pary wodnej z otoczenia lub do otoczenia. To wyrównanie dysproporcji wilgotności poszczególnych partii deski niweluje w poważnym stopniu naprężenia wewnętrzne, a to z kolei zmniejsza paczenie się obrazów tablicowych wywoływane kompre­ sją skurczów. Schematyczny obraz rozkładu wilgoci w surowej desce, w desce pokrytej jednostronnie malowidłem i takiej samej desce zabezpie­ czonej od odwrocia -powłoką przeciwwilgociową podczas nawilżania przed­ stawia rys. 2.

Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że niemożliwe jest cał­ kowite wstrzymanie reakcji drewna na wahania wilgotności otoczenia za­ równo za pomocą impregnacji jak i przez zastosowanie pow łoki8. Według R. D. Bucka powłoki nie redukują skurczu i pęcznienia podobrazia, ale w znajcznym stopniu opóźniają wymianę wilgoci, tzn. że malowidła zabez­ pieczone są przed krótkimi wahaniami wilgotności względnej, atmosfery nie więcej niż kilka d n i9. Prędkość przenikania pary wodnej do podobra­ zia zdeterminowana jest kilkoma zasadniczymi czynnikami:

1) gatunkiem botanicznym, cechami makroskopowymi, wiekiem i sta­

nem zachowania drewna;

* R. D. B u c k , The Use o f Moisture...; H. K r a c h , A. W ó j t o w i c z, Badania

nad hydrofobizacją niektórych gatunków drewna liściastego, Folia Forestalia Polonica

1962, nr 4, s. 127. • Ibid.

134 Marcin Kozarzewski

a

b

c

2. Rozkład wilgoci podczas nawilżania w surowej desce (a), desce jednostronnie ma­ lowanej (b) oraz desce jednostronnie malowanej, krytej od odwrocia powłoką prze­

ciwwilgociową (c). Rysunek schematyczny

2) stosunkiem powierzchni drewna wystawionej na działanie wilgoci

do grubości deski — cienkie deski reagują szyb ciej10;

3) temperaturą — podwyższona temperatura przyspiesza przenikanie wilgoci do podobrazia, ma także znaczny wpływ na przepuszczalność po­ włok: szybkość dyfuzji zwiększa się o około 10°/o przy wzroście tempera­ tury o 1°C łl;

4) poziomem wahań wilgotności względnej powietrza: im większa amplituda, tym szybsza migracja pary wodnej;

5) szczelnością ewentualnej powłoki przeciwwilgociowej.

Reakcja obrazu zabezpieczonego powłoką przeciwwilgociową jest więc wypadkową wymienionych wyżej czynników. Wnioski, jakie się tu nasu­ wają, są następujące: szczelność powłoki nie może przekraczać szczelności za werniksowanej warstwy malarskiej, która uwarunkowana jest techniką jej wykonania, ilością warstw i stanem zachowania (spękania, ubytki). W przeciwnym wypadku istnieje niebezpieczeństwo wymiany wilgoci z otoczeniem przez lico, co może być powodem szybkiej destrukcji warstwy malarskiej. Istnieje wtedy też niebezpieczeństwo wklęsłego spaczenia. Po­ włoka może spełniać stawiane jej zadania tylko w przypadku, gdy okresy 10 W. C. S t e v e n s , Rates of Changes the Dimention and Moisture Contents of Wooden Panels Resulting from Changes in the Ambient Air Condition, Studies in

Conservation 1961, nr 1, s. 21.

wahań wilgotności względnej powietrza nie są zbyt długotrwałe. Skutecz­ ność powłoki będzie większa w przypadku obrazów malowanych na gru­ bych deskach.

4. CZĘŚĆ BADAWCZA

Badania laboratoryjne, mające na celu ustalenie przydatności poszcze­ gólnych materiałów jako powłok przeciwwilgociowych, ograniczano do­ tychczas do ustalenia ich efektywności jako powłoki naniesionej już na obraz lub próbkę budową imitującą obraz. W niniejszej pracy wprowadzo­ no istotną, jak się wydaje, modyfikację, bowiem opracowano sposób sprawdzenia własności izolacyjnych samych błon z żywic użytych do do­ świadczeń, badając współczynnik przepuszczalności pary wodnej charak­ teryzujący samą żywicę. Znając współczynnik przepuszczalności żywicy można przewidywać zachowanie drewna zaizolowanego tą żywicą. Wstęp­ nych informacji o jakości powłok dostarcza badanie ich higroskopijności. Przeprowadzone badania miały na celu stwierdzenie współzależności mię­ dzy współczynnikiem przepuszczalności żyw icy i jej higroskopijnością a efektywnością powłoki przeciwwilgociowej. W ramach tych. badań sprawdzono przydatność pięciu wybranych żywic do wytwarzania powłok przeciwwilgociowych na obrazach tablicowych.

Do badań użyto czterech termoplastycznych żywic akrylowych: polime­ takrylanu metylu, polimetakrylanu butylu, Osolanu KL/B i Paraloidu B-72 oraz szelaku naturalnego. PMM i PMB stosowano w postaci 25-pro- centowych roztworów w toluenie, Paraloid w postaci 30-procentowego roz­ tworu w toluenie, Osolan rozcieńczono toluenem do stężenia ok. 30% ,(5 cz. Osolanu i 3 cz. toluenu). Szelaku używano w postaci 30-procentowego roztworu w etanolu. Stężenia roztworów żywic b y ły tak dobrane, by za­ pewnić uzyskanie ciągłego filmu, unikając w miarę możliwości penetracji żywicy i rozpuszczalnika w głąb struktury drewna (szczególnie ważne w przypadku alkoholu). Są to maksymalne stężenia pozwalające na swo­ bodne nanoszenie roztworów pędzlem (wyjątek stanowi tu szelak, który nawet w wyższym stężeniu ma stosunkowo niewielką lepkość).

Niżej podano najważniejsze, z konserwatorskiego punktu widzenia, ce­ chy testowanych żywic oraz ich niektóre właściwości fizykochemiczne. Część informacji zaczerpnięto od producentów oraz z literatury. Samo­ dzielnie określono lepkość roztworów użytych do badań: szelaku, Paralo­ idu i PMM wiskozymetrem Ubbelohde’a o średnicy kapilary 0,49 mm, Osolanu i PMB — wiskozymetrem ultradźwiękowym Unipan 505. Tempe­ raturę mięknienia żywic oznaczano w mikroskopie HMK 71 na stoliku Boetiusa. Twardość żywic określono aparatem wahadłowym AW S — 5 wg PN 73/C-81530. Masę cząsteczkową PMM i PMB obliczono z równania

136 Marcin Kozarzewski

gdzie:

GLL — graniczna liczba lepkościowa, Mv — masa cząsteczkowa.

Wartości stałych k i a odczytano z tablic. GLL wyliczono z równania Salom ona-Ciuty12. Lepkość 0,1-procentowych roztworów PMM w toluenie i PMB w m-e-ketonie oraz lepkość rozpuszczalników oznaczono lepkościo­ mierzem Ubbelohde’a (k=0,04001).

1. Polimetakrylan metylu — Metapleks SO suspensyjny produkcji Zakładów Chemicznych w Oświęcimiu: masa cząsteczkowa ok. 130 600, gęstość ok. 1,2 g/cm 3, temperatura mięknienia 132°C, lepkość 20% roz­ tworu w toluenie 220,2 mPas, twardość 0,45.

PMM rozpuszcza się w acetonie, dwuchloroetylenie, czterochlorku wę­ gla, toluenie, kwasie octowym oraz innych pokrewnych rozpuszczalnikach. Do najważniejszych z punktu widzenia konserwatorskiego cech PMM na­ leży przeźroczystość i całkowita bezbarwność, brak tendencji do żółknię­ cia i sieciowania, dzięki czemu polimer trwale zachowuje rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych, twardość i wytrzymałość mechaniczną. Właściwości te sprawiły, iż PMM jako jedna z pierwszych żywic znalazł szerokie zastosowanie w konserwacji.

2. Polimetakrylan butylu — do badań zastosowano PMB polimeryzo­ wany w obecności 0,05% nadtlenku benzoilu: masa cząsteczkowa 90 800, temperatura mięknienia 43°C, lepkość 20-procentowego roztworu w to­ luenie 260 mPas, twardość 0,18.

PMB rozpuszcza się dobrze w węglowodorach aromatycznych, keto­ nach, estrach i węglowodorach chlorowanych. Istnieją także gatunki PMB rozpuszczalne w benzynie lakowej. Ta żywica znalazła zastosowanie do impregnacji kamienia, drewna, ceramiki i innych materiałów porowatych (bardzo cenna jest tu możliwość użycia roztworu żywicy w benzynie la­ kowej). Do negatywnych cech PMB należy zaliczyć tendencję do sieciowa­ nia oraz niską temperaturę mięknienia i związaną z tym małą odporność na zabrudzenie.

3. Osolan K L/B — ciekły produkt Zakładów Chemicznych w Oświęci­ miu, uzyskiwany drogą polimeryzacji rozpuszczalnikowej metakrylanu butylu w octanie etylu w obecności kwasu metakrylowego. Zawartość su­ chej substancji wynosi 49 ± 3 % ; lepkość Osolanu rozcieńczonego toluenem w stosunku 5 : 3 (ok. 30% suchej substancji) 260 mPas, temperatura mięk­ nienia polimeru po odparowaniu rozpuszczalników ok. 51°C, twardość 0,23. Osolan KL/B można rozcieńczać octanem etylu i butylu, ksylenem, toluenem i cykloheksanonem. Ze względu na obecność cząstek kwasu me­ takrylowego w Osolańie występują wolne grupy karboksylowe (nie w y­

13 W. W. C w i e t k o w , W. J. E s k i n , S. J. F r e n k e 1, Struktura makrocząste­

czek w roztworach, Warszawa 1967, s. 138. Badania przeprowadzono pod kier. dra

wołujące jednak kwaśnego odczynu polimeru dzięki specyficznej budo­ wie makrocząsteczek),• co powoduje, że żywica odznacza się doskonałą adhezją do wielu materiałów, m.in. do szkła, skóry, drewna, betonu, tka­ nin. Powłoki oraz spoiny z Osolanu K L są wodoodporne. Ujemną cechą Osolanu jest możliwość sieciowania.

4. Paraloid B-72 produkcji firm y Rohm Haas jest kopolimerem meta- krylanu etylu i akrylanu metylu (79 : 29); stopień polimeryzacji ok. 900, gęstość 1,11 g/cm 3, lepkość 30-procentowego roztworu w toluenie 222,5 mPas, twardość 0,46.

Paraloid dobrze rozpuszcza się w toluenie, ksylenie, metyloetyloketonie, dwumetyloformamidzie, chloroformie, octanie amylu i cellosolve acetate (octan glikoetylenowy z grupy rozpuszczalników cellosolve). Ta żywica jest odporna na sieciowanie, bezbarwna, przeźroczysta, nie żółknie nawet w podwyższonych temperaturach. Paraloid ma dobrą odporność na wodę, alkohol, słabe kwasy i alkalia. Jest mniej elastyczny od PMB a bardziej od PMM. Ma dobrą adhezję do większości materiałów.

5. Szelak — ze względu na rozmaitość gatunków można mówić jedynie 0 właściwościach przeciętnie występujących. Do badań użyto żywicy typu

Shellac o dużej liczbie zanieczyszczeń i ciemnopomarańczowym zabar­

wieniu, temperatura mięknienia 102°C, twardość 0,55, lepkość 30-procen­ towego roztworu w alkoholu etylowym 61,4 mPas.

Zastosowanie szelaku w technikach plastycznych, rzemiośle i konser­ wacji ma kilkuwiekowe tradycje. Doskonałe własności izolacyjne oraz możliwość osiągnięcia szlachetnej, trwałej i błyszczącej powierzchni spra­ wiły, że alkoholowy roztwór szelaku pozostaje niezastąpiony jako politura 1 lakier w meblarstwie. W malarstwie stosowany do izolowania chłonnych zapraw. Powłoki szelakowe znacznie przewyższają, jeżeli idzie o odporność raa wilgoć, lakiery damarowe i mastyksowe. Wadą powłok szelakowyeh jest dość mała elastyczność, oraz, w przypadku użycia szelaku nie bielo­ nego, wyraźne żółtawe lub pomarańczowe zabarwienia. Roztwory szelaku w alkoholu metylowym i etylowym nawet w dużych stężeniach charakte­ ryzują się niewielką lepkością i dobrą rozlewnością.

4.1. B AD AN IE W ŁAŚCIW O ŚCI IZOLACYJNYCH BŁON Z SZELAKU, POLIM ETAKRYLANU METYLU, POLIM ETAKRYLANU BUTYLU,

OSOLANU KL/B I PARALOIDU B-72

4.1.1 Oznaczanie higroskopijności powłok

Badanie to miało na celu ustalenie chłonności błony dla pary wodnej i związanej z tym zdolności pęcznienia błony pod wpływem pary wodnej. Znaczna cjiłonność wskazuje, że błonę będzie łatwo przenikała para wod­ na i tym samym nie będzie ona spełniać stawianego jej zadania, natomiast nieznaczne spęcznienie powłoki może prowadzić do zamknięcia

makropo-138 Marcin Kozarzewski

rów w błonie i w sumie zmniejszyć przenikanie pary wodnej podczas na­ wilżania. W trakcie wysychania mikropory w błonie będą się otwierać, dyfuzja pary wodnej może nieznacznie wzrosnąć.

Chłonność błon oznaczano metodą wagową. Po całkowitym odparo­ waniu rozpuszczalnika i wysuszeniu błon w suszarce próżniowej — próbki zważono i umieszczono w temp. 25 °C i wilgotności względnej powietrza 98%. Po upływie 48 godzin próbki zważono ponownie. Ustalono, że higro- skopijność poszczególnych powłok wynosi średnio: szelakowej — 3,27%, z polimetakrylanu metylu — 1,10%, z polimetakrylanu butylu — 0,25%, z Osolanu — 0,15% i z Paraloidu — 0,25%.

Badane żywice akrylowe wykazały bardzo niską chłonność dla pary wodnej. Wyższą chłonność wykazał szelak, lecz i ta wartość jest stosun­ kowo niewielka, może natomiast wywoływać wyżej wspomniane zjawisko zasklepienia mikroporów powłoki.

4.1,2 Oznaczenie przepuszczalności pary wodnej przez błony z badanych żyw ic oraz wyznaczenie współczynnika

przepuszczalności

Metoda oznaczania przepuszczalności pary wodnej zastosowana w ni­ niejszej pracy została opracowana na podstawie obowiązujących norm polskich i branżowych oraz badań Nassalskiego, Podkówki i Czerniaw­ skiego 1S. Zasada pomiaru przenikliwości tą metodą jest szczególnie prostaj Membrana wytworzona z ży w icy 14 zamyka szczelnie naczynie, w którym znajduje się żel krzemionkowy (użyto do tego słoików typu tw ist-off z w y­ ciętymi w zakrętkach otworami o średnicy 50 mm; naczynia uszczelniano masą woskowo-żywiczną). Pomiar odbywa się w określonej temperaturze, przy określonej prężności pary nasyconej. Warunki pomiaru są tak dobie­ rane, aby występowała znaczna różnica ciśnień cząstkowych pary wodnej po obu stronach membrany: Szybkość przenikania pary przez błonę okre­

śla się na podstawie zmiany masy naczyńka zwiększa się masa żelu

o masę zaadsorbowanej z otoczenia pary wodnej. Celem metody nie jest

w PN--66/6301-04: Oznaczanie przepuszczalności pary wodnej w warunkach umiar­ kowanych; PN-67/0-7911: Oznaczanie przenikania pary wodnej metodą wagową. B. C z e r n i a w s k i , A. N a s s a l s k i , Folie opakowania, Warszawa 1970, s. 289—293; A. N a s s a l s k i , Badanie folii z tworzyw sztucznych na przenikalnoić gazów su­

chych, Polimery 1906, nr 7, s. 304; J. P o d k ó w k a , Z. G r z y w n a , D. R u d e k , Oznaczanie przenikalności par substancji organicznych przez folie polimerowe metodą wagową, Polimery 1977, nr 1, s. 14.

14 Opaski szklane o średnicy 70 mm z zeszlifowanym brzegiem obciągnięto folią poliestrową tak, by folia tworzyła denko cylindra. Do tak przygotowanego, wypozio- mowanego naczynia wlewano ściśle określoną ilość roztworu o znanym stężeniu. Po odparowaniu rozpuszczalnika i oderwaniu estrofolu uzyskiwano błonki o pożądanej grubości, które dosuszano w suszarce próżniowej, by usunąć resztki rozpuszczalnika.

uzyskanie wartości bezwzględnych przenikalności, lecz porównanie prze- nikalności różnych substancji.

Warunki pomiaru były zgodne z wymogami PN 66/6301-04: tempera­ tura 25 ± 18°C, wilgotność względna powietrza 75%> (nad nasyconym roz­ tworem NaCl). By zapobiec wybrzuszeniu się folii, słoiki, zakrętki i żel krzemionkowy doprowadzano do jednakowej temperatury 25°C. Dopiero wówczas szczelnie zamykano naczynia. Przepuszczalność p pary wodnej obliczano ze wzoru:

(

1

)

gdzie:

m — przyrost masy naczynia (g), S — powierzchnia robocza (cm2),

t — czas trwania pomiaru (h).

Podane we wzorze wartości liczbowe wynikają z przeliczenia jednostek w celu uzyskania wyniku w gramach na 1 m2 na 24 godz.

Współczynnik przepuszczalności w oblicza się ze wzoru:

(2)

Rodzaj żywicy Grubość błony (cm) Przepuszczalność (g/m2. 24 h) Współczyn. przepuszczaln. (g/cm -Tr.h) Szelak 0,019 23,9 1,14.10-7 PMM 0,099 40,5 0,97.10—7 PMB 0,008 142,0 2,36.10-7 Osolan 0,010 63,7 1,51.10—7 Paraloid 0,009 93,1 1,99.10-7 gdzie:

h — grubość błony określona śrubą mikrometryczną (cm),

Ap — różnica ciśnień po obu stronach błony (Tr). Wartość Ap obliczo­ no przyjmując, że wilgotność powietrzś nad żelem krzemionkowym jest równa 0%. Wyniki oznaczania zestawiono w tab. 1.

Najniższą przepuszczalność wykazała błona z szelaku, była ona jednak dwukrotnie grubsza od pozostałych błon. Niska przepuszczalność cechuje także błony z PMM i Osolanu. Błona z Paraloidu wykazała ponad dwu­ krotnie, a błona z PMB ponad czterokrotnie wyższą przepuszczalność od błony z PMM. O ile wartość przepuszczalności jest zależna (odwrotnie proporcjonalna) od grubości błony, to współczynnik przepuszczalności jest

T a b e l a 1

140 Marcin Kozarzewski

wielkością charakteryzującą samo tworzywo, niezależną od grubości ba­ danej membrany. Obliczony współczynnik przepuszczalności pozwala stwierdzić, że najmniej przepuszczalnymi dla pary wodnej z badanych żywic są PMM, szelak naturalny i Osolan KL/B. Jak wolno przypuszczać na podstawie poprzedniego doświadczenia, nieco wyższa higroskopijność szelaku od pozostałych żywic może poprawiać jego własności izolacyjne.

Na podstawie badania chłonności i przepuszczalności powłok dla pary wodnej można przewidywać, że najbardziej efektywne będą powłoki prze­ ciwwilgociowe z PMM i szelaku oraz Osolanu KL.

4.2. B AD ANIE EFEKTYWNOŚCI POWŁOK PRZECIWWILGOCIOWYCH

Do badań użyto desek sosnowych, bezsęcznych, ciętych stycznie, o wymiarach 20X 10X 1 cm (najdłuższy wymiar wzdłuż włókien, pokry­ tych od strony odrdzeniowej zaprawą, warstwą malarską i werniksem, a od strony dordzeniowej i od sztorców zabezpieczonych powłokami z tes­ towanych żywic). Oznaczononopóźnienie w sorpcji i desorpcji pary wodnej przez próbki z powłokami przeciwwilgociowymi w stosunku do analo­ gicznych próbek jednostronnie malowanych bez powłoki i w porównaniu do surowej deski. Porównywano także stopień paczenia się desek. Udział wagowy zaprawy i warstwy malarskiej wynosił 10— 13°/o. Sucha masa żywicy naniesionej w postaci powłoki przeciwwilgociowej kształtowała słę w granicach 0,006 g na 1 cm2 chronionej powierzchni. Powłoki uzyskano z roztworów o stężeniach PMM, PMB — 20% i Paraloid ■?— 30% w tolu­ enie, Osolan rozcieńczony w stosunku 5 : 3 oraz szelak — 30% w alkoholu. Przed przystąpieniem do badań próbki z powłokami klimatyzowano przez 3 miesiące.

Celem badania było praktyczne sprawdzenie własności izolacyjnych poszczególnych żywic przewidywanych na podstawie wcześniej wykona­ nego oznaczenia higroskopijności i przepuszczalności dla pary wodnej. Wa­ runki doświadczenia dobrano tak, aby zapewnić gwałtowny w zrost lub spadek wilgotności względnej powietrza otaczającego próbki. Amplitud^ wahań Rh wynosiła 40— 45%. Są to warunki ostrzejsze od naturalnych zmiennych warunków wilgotnościowych występujących w pomieszcze­ niach muzealnych, mieszkaniach, kościołach.

Wykonano dwie serie badań: 1) nawilżanie przez 17 dni i suszenie przez. 18 dni; 2) nawilżanie przez 10 dni i suszenie przez 10 dni. Mierzono przy­ rost masy próbek podczas nawilżania i ubytek masy podczas suszenia. Na tej podstawie określono w procentach opóźnianie w sorpcji i desorpcji pary T.rodnej przez próbki zabezpieczone powłokami i próbkę jednostronnie ma­ lowaną bez powłoki w stosunku do surowej deski.. Zależności te, przedsta­ wione w tab. 2, 3 i 4 ilustrują wykresy 1, 2 i 3. Określono także spaczenia desek podczas nawilżania i suszenia. Posłużono się w tym celu specjalnie przygotowanym prostym przyrządem. Zasadę pomiaru obrazuje ryś. 3.

Opóźnienie w sorpcji pary wodnej: przez próbki w stosunku do surowej deski podczas nawilżania (80*/o hr, 25°C) w procentach

1 — szelak, 2 — PMM, 3 — Osolan, 4 — Paraloid, S — PMB, 6 — deska jednostronnie malowana bez powłoki p/wllg., 7 — surowa deska. (Oznaczenia dotyczą wszystkich wykresów)

T a b e l a 2 S E R IA I — O p óź n ie n ia w sor pc ji pa ry wo d n e j p od cz a s n a w il ża n ia p rz ez pr ó b ki w st os u n k u do su ro w e j d es k i w p r o c e n ta c h 3

$

•o •i-n O u 3 «0 O ■o 3 * 3 co 0 +» _co ?m_ci

1

u -G • m_O CO rt ‘f l 4 ) N co 3_co co jfi co «o *3_{N a} M *2 * "O EJ >“■ O <D_{V o, o} A w A * S *_h A N 0> N a • n 4 ) • 8 O >» M co a •»4 • n 0 & 8 4 ) *o * .2 8 <§* 1 H4 < S ca 1 8 (O (A « IO <0 0 »0 0 CO* CQ 0 0 ę f *H~ O ^ ^ N W « H 1 4 łH 00 Cfl t *_{co eó* 115 « 0} IA lA C9 CO H CO rH W CO « OJ <0 co » W tf ) © ' N O IA (A d ' t CO H N rH 5 6 ,5 5 5 ,0 2 9 ,4 4 6 ,9 3 7 .8 1 2 .9 ₀ H rH ia10 Tt? c T i> 00 tiT ^ © ^ w co *h lA № CO CO H O rH «000^ N »o a co" cd" N IA ^ 0 iA IA N ^ CO H Oi 100 <0 oT oT ł-T-^ IO CO^ €0^ 5 0^ W 10 N ^ H 0 ta 6 7 .0 6 4 ,4 3 8 .0 5 9 ,9 5 1 ,7 1 5 ,6 0 0 co h 00 ia » t * * ' O)“ N W « p CO CO CO CO 1 0 TH co » O, Oł, © H _{i-T *h e " co} 0 _{co 0} t- C* ^ <0 IA H CNI ia o co co a e*f co t> c a co co* o C - C - 0 0 CO № H 7 6 ,6 8 2 ,2 3 8 .2 7 4, ® 6 6 .3

_8,0

₀

R o d za j ż y w ic y S z e la k P M M P M B O so la n K L /B P a ra lo id B-72 N ie p o w le k a n a S u ro w a de ska ś H N W ^ Ifl W ^ C* H 4 0 ,5 3 8 ,6 2 3 ,0 2 9 ,9 2 5 ,3 _r-4 N O <o H ₄2,8 39 ,6 2 1 ,7 2 9 ,9 2 0 ,5 1 8 ,5 O m H 4 2 ,2 00 00 co 19 ,9 2 8 ,7 1 9 ,0 1 5 ,2 o 4 4 ,5 4 0 ,0 2 1 ,7 2 9 ,3 6‘_6I 1 1 5 ,6 o *a s o 0 10 CSI 1 a> U «0 H lO COesT d HCO O ow Nl>_{rH o} I> Tł« w co 04 CO co co co co N 00 CO H o A e o O 00 o •H c-5 9 ,7 1 5 9 ,0 3 8 ,4 4 8 ,5 3 7 ,5 !9 ,0 _o CC ♦N »“H • i-H £ !§ co 6 4 ,7 6 1 ,8 4 4 ,0 5 3 ,6 4 2 ,5 00 Ho 7 3 ,3 6 4 ,7 5 2 ,9 6 2 ,6 5 2 ,9 !7 ,4 o CO 7 5 ,9 6 8 ,3 5 4 ,9 6 6 ,3 5 4 ,9 1 1 ,4 o 04 8 0 ,0 7 0 ,9 6 1 ,8 6 9 ,9 00 «H _{^ 04} to ** o co 00 77 ,2 6 9 ,8 7 6 ,7 6 9 ,3 _o R o d z a j ż y w ic y S z e la k § ® S 3 04 № Oso la n K L /B Pa raloid B -7 2 N ie p o w le k a n a Su row a d e s k a L p . e* CO ** W CD

Opóźnienie w desorpcji pary wodnej przez próbki w stosunku do surowej deski pod­ czas suszenia (30*/» hr, 25°C) w proeentach

Wykres III (do tabeli 4) — Seria II

a — Opóźnienia w sorpcji pary wodnej przez próbki w stosunku do surowej deski podczas nawilżania (90i—95°/« hr, 25°C) w procentach, b — Opóźnienia w desorpcji pary wodnej przez próbki w stosunku do surowej deski podczas suszenia (45—55%

10 — Z a b y t k o z n a w s t w o . (0 rH 6 7 ,7 6 6 ,3 4 7 ,0 00_IA IA 54 ,4 1 6 ,3 o 05 £ 68 ,5 48 ,4 , 5 8 ,1 5 8 ,3 1 6 ,7 _o 00 7 4 ,5 7 3 ,3 5 7 ,9 O_*—♦ co 62 ,3 1 5 ,3 _o w H CO 75 ,4 5 9 ,2 6 2 ,0 6 6 .8 a_{05 o} s ₉3,7 8 2 ,7 co co CO 75 ,6 7 6 ,9 8‘fi i o 03 5 3 ,4 5 2 ,3 _H 4 7 ,5 4 2 ,1 2 0 ,0 o co 5 6 ,7 5 6 ,1 45 ,2 I O ef IA 47 ,2

Vzz

1 o t^* _o> m 60 ,9 _ofO 5 6 ,4 4 9 ,2 2 5 ,5 9 *a* ₇3,5 7 2 ,3 H_csf co 68 ,9 6 2 ,8 3 !, 1 o CS) 7 9 ,0 7 6 ,9 7 2 ,7 7 2 ,6 7 1 ,2 3 3 ,7 o H Oco 00 82 ,3 7 5 ,5 ś 75 ,8 3 6 ,6 _o | A U U M Ij ijf W *' -J S z e la k P M M P M B O so la n K IV B Par alo id B -7 2 N ie p o w le k a n a Su rowa d e sk a } H W co ** IACO e» - d n i 1 U o 1A

i

« a c d ba X! o IA lA 1 1 IA S 0) c QJ N 00 3 I fl -d n i 1 O 0 tA a c c o •+J u J3 o e IA C i ! 1 O S (U d cs •N 2 cs i? >

i

•> •r 0 c p f .a_u cs ■4-> C_Q> a 0 _u a * X CO <D T3 •n

1

O u a co O 'd 3 ■a₃ co O -*-»_co * .fi 'O_*-l a 0) d CS *0 cS N V N $-» a ■n 4)

€

_O >> CS a o & oco₀₎ •o • H • H •n₀ &

s

* 0)

1

*o a O 1 <

B

w * CS *> CS

H

146 Marcin Kozarzewski

Wykres IV (do tabeli 5) — Seria II

Odkształcenie próbek (spaczenie) po 24 h nawilżania (hr > 90%) (a) i suszenia (45#/o < hr > 55%) (c) oraz po 9 dniach nawilżania (hr > 90%) (b) i suszenia (45% <

< hr > 55%) (d)

Oznaczone wartości spaczenia desek podczas nawilżania (9 dni, 90— — 95°/o, hr, 25°C) i suszenia (9 dni, 45— 55®/o hf, 20— 25°C) podano w tab. 5. Wykresy ilustrują przegięcie desek (spaczenie) po 24 godzinach i 9 dniach nawilżania i suszenia.

5. OMÓWIENIE WYNIKÓW

Najlepsze rezultaty uzyskano z szelakiem naturalnym i polimetakry­ lanem metylu. W czasie krótkotrwałego (do 3 dni) intensywnego wzrostu lub spadku wilgotności względnej powietrza powłoki z tych żywic ogra­ niczają wymianę pary wodnej z otoczeniem o ok. 70% w porównaniu z deską malowaną jednostronnie i ok. 80®/o w porównaniu z surową

des-Marcin Kozarzewski

ką. Wysoką wartość opóźnienia (65°/o w stosunku do deski jedno­ stronnie malowanej) wykazała też próbka izolowana Osolanem KL/B. Re­ zultaty uzyskane z powłokami z PMB i Paraloidu B-72 były gorsze, co potwierdza fakt, że żywice te mają znacznie wyższe współczynniki prze­ puszczalności dla pary wodnej.

Założone powłoki przeciwwilgociowe w znacznym stopihiu hamowały także paczenie się desek. Jednostronnie malowane deski zabezpieczone po­ włokami po 24 godzinach nawilżania lub suszenia wykazywały zbliżoną tendencję do paczenia się jak surowa deska. Odkształcenie nie izolowanej deski z warstwą malarską jest średnio trzykrotnie większe od próbek za­ bezpieczonych powłokami przeciwwilgociowymi. Po dłuższym (9 dni) na­ wilżaniu lub suszeniu różnica ta znacznie maleje, ale i tak powłoka szela- kowa i z PMM zmniejszyły spaczenie o połowę. Deska surowa tylko w nie­ znacznym stopniu uległa spaczeniu i było ono średnio czterokrotnie mniej­ sze od przegięcia deski z warstwą malarską nie izolowanej powłoką.

6. WNIOSKI KOŃCOWE

Zaproponowana metoda badań, polegająca na wstępnym określaniu higroskopijności i współczynnika przepuszczalności żywicy, a następnie badaniu efektywności powłoki przeciwwilgociowej z tej żywicy, pozwala na uzyskanie uzupełniających się danych. Uzyskane wyniki potwierdziły słuszność wstępnych założeń.

Praktyczne wnioski, jakie można wysunąć -na zakończenie, są nastę­ pujące. Należy zrezygnować z polimetakrylanu butylu (M = 90 800) i Para­ loidu B-72 na rzecz tworzyw o lepszych właściwościach izolacyjnych — szelaku, PMM, ewentualnie Osolanu KL/B. Niekorzystną cechą szelaku nie bielonego jest silne ściemnianie drewna. PMM jest wolny od tej wady i zmienia zabarwienie drewna w najmniejszym stopniu ze wszystkich przebadanych żywic. Powłoki z szelaku i PMM są twarde, odporne na

urazy mechaniczne i kurz. Pewne zastrzeżenia budzi fakt, iż są one mało elastyczne, jednak po przeprowadzeniu opisanych badań nie stwierdzono występowania makro- i mikrospękań w żadnej z testowanych powłok. Nieco gorsze właściwości izolacyjne oraz większą podatność na zakurzenie powłok z Osolanu K L/B w pewnym stopniu rekompensują takie zalety, jak łatwość sporządzenia odpowiednio stężonego roztworu (rozcieńczanie), niska cena i dostępność na rynku krajowym.

Do wytwarzania powłok należy używać możliwie najbardziej stężo­ nych roztworów, by zapewnić uzyskanie dość grubej ciągłej błony i uni­ knąć jednocześnie głębokiego wprowadzania żywicy w strukturę drewna. Silne zniszczenie, z czym związane jest znaczne zwiększenie powierzchni drewna, utrudnia założenie powłoki. Wydaje się, że stosowanie powłok w tym wypadku jest niecelowe. Należy dbać, b y szczelność powłoki nie przewyższyła szczelności warstwy malarskiej i dlatego słuszne jest zakła­ danie izolacji na odwrocie dopiero po zakonserwowaniu i zawerniksowa- niu malowidła.

Powłoki przeciwwilgociowe mogą w pełni zdać egzamin jedynie w wa­ runkach raczej umiarkowanych krótkotrwałych wahań wilgotności wzglę­ dnej powietrza, a więc głównie we wnętrzach muzealnych i mieszkalnych.

Martin Kozarzewski

f

UNTERSUCHUNGEN ZUR STABILISIERUNG DER HOLZGRUNDIERUNGSPLATTEN

MIT HILFE VON ANTIFEUCHTIGKEITSÜBERZÜGEN AUS SCHELLACK, METHYLPOLYMETHAKRYLAT,

BUTYLPOLYMETHAKRYLAT, OSOLAN KL/B UND PARALOID B-72 (Zusammenfassung)

Im Artikel wurde kurz der Einfluß der Feuchtigkeit auf die Tafelbilder darges­ tellt. Folglich wurde der Einfluß der Antifeuchtigkeitsüberzüge auf die Zerlegung der Feuchtigkeit im Holzgrundinnern während der Schwankungen der relativen Luft­ feuchtigkeit erörtert.

Im Forschungsteil wurde festgestellt, daß eine enge Abhängigkeit zwischen dem Wasserdampfdurchlässigkeitsfaktor, der das Harz kennzeichnet und der Effektivität der aufs Holz aufgetragenen Überzüge besteht. Den niedrigsten Durchlässigkeitsfaktor unter den untersuchten Harzen besitzen Methylpolymethakrylat und Schellack. Die Überzüge aus diesen Harzen verminderten den Wasserdampfaustausch um 70®/» binnen 3 Tage im Vergleich zum rohen Brett. Deutlich wurde auch das Sichverziehen der Bretter gehemmt.