Abschlusskurzbericht Plasmatechnologie

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DANKSAGUNG
Die Fraunhofer-Gesellschaft kann mit ihrem Know-how bei der Entwicklung
von Hochtechnologien für die Industrie auch die Innovationen für die Kulturguterhaltung befördern.
Das vorliegende Projekt ist ein gelungenes Beispiel dafür, wie die Technikwissenschaft und die Konservierungsforschung einander befruchten können.
Unser Dank gilt an erster Stelle der Fraunhofer-Gesellschaft, die uns damit die
Möglichkeit eröffnet hat, erstmals mit unseren Partnern die industrielle
Plasmatechnologie für die Konservierung- und Restaurierung weiterzuentwickeln und für konkrete Problemstellungen in die Anwendung zu bringen.
Wir danken auch unseren Projektpartnern
dem Deutschen Museum, der Archäologischen Staatssammlung München,
dem Bayerischen Hauptstaatsarchiv, dem Bayerischen Nationalmuseum, dem
Braunschweigischen Landesmuseum, dem Landesmuseum Württemberg, dem
Römisch-Germanischen Zentralmuseum, der Staatlichen Akademie der
Bildenden Künste Stuttgart, der Staatsbibliothek zu Berlin, der Technischen
Universität München, der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin, der
Fachhochschule Potsdam und dem Rijksmusem Amsterdam sowie der
Fachhochschule Köln
für Ihre stets aktive, konstruktive und zielführende Mitarbeit, die wesentlich
zum Projekterfolg beigetragen hat. Und wir wünschen uns, dass diese
gewinnbringende Zusammenarbeit auch in zukünftigen Projekten gemeinsam
mit Ihnen umgesetzt werden kann.
Dr. Johanna Leissner
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Inhalt
1. Die Forschungsallianz Kulturerbe .................................................................................. 3
2. Das Forschungsprojekt Plasmatechnologie .................................................................... 4
3. Einsatz von Niederdruck-Plasmaverfahren und Parylen-Beschichtung (IGB) ............. 6
3.1 Prozessbeschreibung........................................................................................................................... 6
3.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes .................................................................................. 7
3.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ......................................................................................... 7
3.3.1 Reinigung von Silberobjekten ..................................................................................................... 7
3.3.2 Reinigung von Silberbechern ...................................................................................................... 9
3.3.3 Behandlung von archäologischen Funden .............................................................................. 10
3.3.4 Parylenbeschichtungen .............................................................................................................. 10
3.3.5 Zusammenfassung und Ausblick............................................................................................. 11
4. Einsatz von Atmosphärendruck-Plasmaverfahren (IST).............................................. 12
4.1 Prozessbeschreibung......................................................................................................................... 12
4.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes ................................................................................ 13
4.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ....................................................................................... 13
4.3.1 Grundlegende Untersuchungen zur Plasmabehandlung von Silberobjekten .................... 14
4.3.2 Behandlung von silberhaltigen historischen Textilien .......................................................... 15
4.3.3 Behandlung von fragilen Silberobjekten ................................................................................. 16
4.3.4 Plasmabehandlung zur Erleichterung des Freilegens von archäologischen Objekten ...... 17
4.3.5 Zusammenfassung und Ausblick............................................................................................. 19
5. Einsatz von beschleunigten Elektronen (FEP) .............................................................. 20
5.1 Prozessbeschreibung......................................................................................................................... 20
5.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes ................................................................................ 20
5.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ....................................................................................... 22
5.3.1 Verfahrensansatz und Untersuchungsmaterial ...................................................................... 22
5.3.2 Erfassung des Materialzustandes und Verfestigungsversuche ............................................ 22
5.3.3 Erste Arbeitsergebnisse und Bewertung ................................................................................. 24
5.3.4 Zusammenfassung und Ausblick............................................................................................. 26
6. Öffentlichkeitsarbeit ..................................................................................................... 27
7. Projektleitung und Projektpartner ................................................................................ 28
IMPRESSUM ..................................................................................................................... 32
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1. Die Forschungsallianz Kulturerbe
Die Forschungsallianz Kulturerbe (vollständiger Name: Forschungsallianz zur Erhaltung des
Kulturerbes) wurde im Oktober 2008 vom Forschungsvorstand der Fraunhofer-Gesellschaft, Prof.
Dr. Ulrich Buller, dem Präsidenten der Leibniz-Gemeinschaft, Prof. Dr. Ernst Theodor Rietschel,
und dem Präsidenten der Stiftung Preußischer Kulturbesitz, Prof. Dr. Hermann Parzinger im
Alten Museum in Berlin als offene Kooperation gegründet.
Die multidisziplinär zusammengesetzte Allianz, die Geistes- und Naturwissenschaft vereint, hat
sich zum Ziel gesetzt, durch die Entwicklung neuer Verfahren, Materialien und Technologien für
die Restaurierung und Konservierung einen Beitrag zur Erhaltung des kulturellen Erbes zu leisten.
Kunst- und Kulturgüter sind für unsere Gesellschaft unermesslich kostbar. Sie sind ein
wesentlicher identitätsstiftender Bestandteil unserer Zivilisation und auch von wirtschaftlicher
Relevanz. Da sie keine erneuerbare Ressource darstellen, ist es umso wichtiger sie zu erhalten
sowie nachhaltig zu sichern und zu pflegen. Die Forschungsallianz Kulturerbe möchte durch die
Schaffung einer offenen und öffentlichkeitswirksamen Plattform für den Austausch zwischen
Wissenschaft, Forschung, Wirtschaft und Politik die Bedeutung des Themas »Erhaltung des
kulturellen Erbes« auf gesellschaftlicher Ebene in das Bewusstsein rücken und auf die gesamtgesellschaftliche Verantwortung aufmerksam machen.
Gemeinsam sollen ungelöste Erhaltungsfragen aufgezeigt und Forschungsziele definiert werden.
Ein weiterer Fokus wird auf die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, das Anbieten
von Aus- und Weiterbildungsmöglichkeiten sowie den Ausbau der nationalen und internationalen
Netzwerke im Bereich des Kulturgüterschutzes gelegt.
Die Arbeitsgebiete der Forschungsallianz Kulturerbe sind sehr vielfältig und decken einen großen
Bereich der Aktivitäten ab, die sich sowohl mit der Erforschung als auch mit der Erhaltung der
durch zunehmende Umweltschäden und den Klimawandel stark gefährdeten Kunst- und
Kulturgüter beschäftigt. Die interdisziplinäre Forschung und die Entwicklung innovativer und
nachhaltiger Technologien in enger Zusammenarbeit mit Künstlern, Denkmalpflegern, Handwerkern, Restauratoren und Konservatoren tragen maßgeblich dazu bei. Die Forschungsallianz
Kulturerbe koordiniert diesen Prozess und fördert den Wissenstransfer zwischen Forschung und
Praxis. Die Durchführung gemeinsamer Projekte zur Entwicklung neuartiger Restaurierungs- und
Konservierungstechniken und die Anregung und Formulierung von (nationalen) Förderprogrammen im Bereich der Restaurierungs- und Konservierungsforschung stellen dabei einen
wesentlichen Bestandteil dar.
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2. Das Forschungsprojekt Plasmatechnologie
Das Forschungsprojekt „Plasmatechnologie – eine innovative Technologie zur Konservierung und
Restaurierung von Kulturgütern und öffentliche Präsentation der Forschungsallianz Kulturerbe“
ist ein Projekt der Fraunhofer-Gesellschaft, das im Rahmen der Forschungsallianz Kulturerbe
durchgeführt wird. Mit diesem Projekt soll das enorme Potenzial der innovativen, umweltverträglichen und nachhaltigen Plasmatechnologie speziell für die Kunst- und Kulturguterhaltung
unter Beweis gestellt und durch die öffentliche Präsentation ein rascher Transfer in die
Anwendung sichergestellt werden, um die Möglichkeiten an restauratorischen Maßnahmen zu
erweitern. Darüber hinaus bietet dieses erste gemeinschaftliche Projekt die Chance, sowohl die
Forschungsallianz Kulturerbe als auch den Einsatz innovativer Technologien im Bereich der
Restaurierung und Konservierung der Öffentlichkeit vorzustellen.
Die Plasmatechnologie ist aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten eine Schlüsseltechnologie, die nicht nur in der Industrie bereits seit den 1960er Jahren in vielen Bereichen etabliert ist,
sondern auch für die Erhaltung von Kunst- und Kulturgütern verwendet werden kann. Die Anwendung und Weiterentwicklung der Plasmatechnologie und der Einsatz beschleunigter
Elektronen für die besonderen Anforderungen der Restaurierung erfordern eine Optimierung der
Prozesse, einer Weiterentwicklung der Anlagentechnik sowie die Anpassung an spezifische
Fragestellungen. Deshalb stellt das Projekt eine Herausforderung dar, die interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordert und nur in enger Kooperation mit geisteswissenschaftlichen Institutionen
gelingt, da dort das kulturelle Erbe gesammelt, bewahrt und erhalten wird.
Wie alle Materialien unterliegen auch Kunst- und Kulturgüter der Verwitterung und Zerstörung
durch Umwelteinflüsse, Korrosion, mikrobiellen Befall oder unsachgemäßen Gebrauch. Jährlich
gehen viele Objekte unwiederbringlich verloren, da sie nicht gegen den weiteren Verfall durch
bewährte restauratorische oder konservatorische Maßnahmen geschützt werden können. Dies liegt
sowohl an fehlenden finanziellen Mitteln als auch an fehlenden kostengünstigen und langzeitstabilen Konservierungs- bzw. Beschichtungstechniken. Die Entwicklung geeigneter Schutzschichten stellt den ersten Schwerpunkt des Projektes dar. Verwitterung, Korrosion und Biofouling
finden ursächlich an der Oberfläche der Kunst- und Kulturgüter statt, die mit der Umgebung in
direktem Kontakt stehen. Für ihre Erhaltung ist die Entwicklung konservierender Schutzschichten
von entscheidender Bedeutung. Dafür müssen die Herstellungsverfahren so optimiert werden,
dass sie auch den speziellen Anforderungen der unterschiedlichen Objekte aus verschiedenen
Materialien (z.B. Metall, Glas, Keramik, Textil, Leder, Pergament oder Papier) genügen. Viele
Objekte weisen auch Materialkombinationen mit unterschiedlichen Alterungsverhalten der
einzelnen Bestandteile auf (z.B. Kleidung, Schmuck, Bücher). Sie könnten mit dünnen
transparenten organischen Schichten, die die Optik und Haptik nicht verändern, plasmaversiegelt
werden. Die Schutzeigenschaft dieser Schicht ließe sich gegebenenfalls sogar mit einer antibakteriellen oder Anti-Fingerprint-Funktion kombinieren. Die Restaurierungswissenschaft stellt
jedoch weitere wichtige Anforderungen an solche Schutzschichten: Langzeitstabilität und
Reversibilität. Die Beschichtung soll ohne Substanzverlust am geschützten Objekt entfernbar sein,
um gegebenenfalls in Zukunft neuentwickelte restauratorische Verfahren anwenden zu können
bzw. nachfolgende konservatorische Bearbeitungen nicht zu behindern.
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Vor der Beschichtung muss eine Reinigung, in einzelnen Fällen auch eine Entkeimung bzw.
Sterilisation erfolgen, um Oberflächen von Reaktionsprodukten, wie Oxid- oder Sulfidschichten zu
befreien oder einen mikrobiellen Befall zu stoppen. Daher wird ein zweiter Schwerpunkt auf
reinigende, desinfizierende oder sterilisierende Plasmen gelegt. Idealerweise sind die unterschiedlichen Oberflächenbehandlungsprozesse - Reinigung, Beseitigung von Korrosionsschäden
und Applikation einer Schutzschicht - durch Anpassen der Prozessparameter in einem Technologiezyklus möglich. Die spezielle Herausforderung liegt also darin, Rezepturen für technische
Plasmen zu entwickeln, mit denen je nach Bedarfsfall Oberflächen gereinigt, abgetragen,
funktionalisiert oder beschichtet werden können. Für Güter aus organischen Materialien (z.B.
Holz, Leder, Textilien, Papier, Gläser), die durch Stoffwechselprodukte von Mikroben angegriffen
werden, ließe sich ein Schutz gegen weitere Biokorrosion erreichen. Die Plasmatechnik bietet
prinzipiell die Möglichkeit, Mikroorganismen zu inaktivieren und je nach Belagsdicke auch zu
entfernen. Hier werden die Möglichkeiten und Grenzen solcher Verfahrenskombinationen am
Beispiel unterschiedlicher Kulturgüter aufgezeigt. Dazu wurden auch Vergleichsuntersuchungen
zur Elektronenstrahlentkeimung und Sterilisation vorgenommen.
Den dritten Schwerpunkt der Untersuchungen bildet der Einsatz von Elektronen zur Bewahrung
von Archivgut, das durch Mikrobenbefall und vielfältig verursachten Bruch von Zellulosefasern
stark zerfallsgefährdet ist. Elektronen werden aus dem Plasma extrahiert und als Energieträger zur
Vernetzung von Monomeren oder Polymeren innerhalb geschädigter und gefährdeter Bereiche
eines Papierdokumentes genutzt. Die vernetzten Polymere bilden ein langzeitstabiles Stützgerüst
für die gebrochenen Zellulosefasern. Der Einsatz von Elektronen bedingt gleichzeitig eine nachhaltige Sterilisation oder Entkeimung des Dokumentes. Optik und Haptik der Blätter des
Archivguts bleiben dabei im Wesentlichen erhalten.
Das Ziel der Fraunhofer-Gesellschaft in diesem Projekt ist es, gemeinsam mit Forschungsmuseen
der Leibniz-Gemeinschaft und Einrichtungen der Stiftung Preußischer Kulturbesitz sowie
weiteren assoziierten Partnern eine nachhaltige Technologie zur Erhaltung von Kulturgütern zu
entwickeln. Die beteiligten Fraunhofer-Institute besitzen hervorragende Kompetenzen im Bereich
der Plasmatechnologie und zeichnen sich durch langjährige Praxis und Erfahrung auf diesem
Gebiet, insbesondere auch in Verbindung mit Kulturgütern, aus. Die weiteren Projektpartner
begleiten die Forschung und Entwicklung der Plasmatechnologie durch die Erarbeitung des
Anforderungsprofils, die Bereitstellung der vielfältigen Objektproben sowie die detaillierte
Evaluierung der Effizienz und der konservatorischen Wirkung. Die Verbindung der profunden
Kenntnisse über historische Objekte, ihre Materialien, Erhaltungszustände und Aufbewahrungsbedingungen der Geisteswissenschaft mit dem naturwissenschaftlichen Wissen über die Anwendung der Plasmatechnologie ist für die Klärung der Frage der Umsetzbarkeit dieser neuen
Technologie sowie ihrer Einsatzmöglichkeiten und Grenzen in der Restaurierungspraxis unverzichtbar. Damit steht erstmals ein Konsortium aus Verfahrensentwicklern, Restauratoren, Archivaren und Konservatoren zur Verfügung, das eine zielorientierte und nachhaltige Entwicklung
dieser neuartigen restauratorischen Einsatzmöglichkeit, unter Berücksichtigung der spezifischen
Anforderungen, ermöglicht. Somit wird auch auf ideale Weise die vom Bundesministerium für
Bildung und Forschung gewünschte Zusammenarbeit zwischen Naturwissenschaftlern und
Geisteswissenschaftlern erreicht.
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3. Einsatz von Niederdruck-Plasmaverfahren und ParylenBeschichtung (IGB)
3.1 Prozessbeschreibung
Niederdruck-Plasmaverfahren werden in Prozesskammern mit einem reduzierten Prozessdruck
(üblicherweise 0,01 bis 0,1 mbar) durchgeführt. Die benötigte elektrische Energie wird über
Elektroden in die Reaktionskammer eingekoppelt. Hier stehen unterschiedliche Techniken zur
Verfügung, die z.B. anhand der Anregungsfrequenz (kHz, Radiowellen oder Mikrowellen)
unterschieden werden können. Am Fraunhofer IGB wird typischerweise mit der Radiofrequenzanregung von 13,56 MHz gearbeitet und die Energie über die sogenannte obere und untere
Elektrode, die gleichzeitig den Boden und den Deckel der Reaktionskammer darstellen,
eingekoppelt. Durch diese Einkopplung der Energie wird das eingespeiste Prozessgas angeregt
und es entstehen neben den angeregten Atomen und Molekülen auch Ionen, freie Elektronen und
Radikale, die, je nach Zusammensetzung des Gases, das zu behandelnde Substrat reinigen,
funktionalisieren oder beschichten.
Schematische Darstellung einer Plasmabehandlungsanlage.
Sogenannter DIN A3-Reaktor, in dem
Substrate bis zu einem Flächenausmaß
von DIN A3 behandelt werden können.
Sogenannter Rundreaktor, dessen Glaskammer die Beobachtung des Substrats
und des Prozesses von außen zulässt.
Abb.1: Schematische Darstellung (links) und Laborplasmaanlagen des Fraunhofer IGB (mittig und rechts).
Neben den Niederdruckplasmen wurden auch die Beschichtungen von Objekten mittels Parylen
durchgeführt. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition; CVD)
handelt es sich um eine seit Jahrzehnten in der Industrie etablierten Methode, die als
Beschichtungsmaterial die Substanzklasse der Parylene einsetzt. Sie nutzt den Effekt, dass
Parylene bei Raumtemperatur als Dimere vorliegen und unter Einwirkung von Temperatur
sublimieren. Das gasförmige Dimer wird
dann in einer Pyrolysezone in Monomere gespalten, die dann auf der Objektoberfläche auspolymerisieren und somit
eine sehr dünne (wenige Mikrometer),
transparente und wasserabweisende
Schutzschicht bilden. Diese kann, je nach
Material und Objektart, auch wieder
leicht entfernt werden. Ein weiterer
Vorteil der Methode ist die relativ leichte
Abb. 2: Parylene-Beschichtungsanlage (l.) und Blick auf einen
Probenhalter mit diversen Referenzproben (r.).
Handhabbarkeit.
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3.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes
Am Fraunhofer IGB wurden mittels der vorhandenen Anlagentechnik mehrere Teilziele verfolgt.
Inwieweit auf Silberobjekten mittels Niederdruckplasmen die Schwarzfärbung durch gebildete
Silbersulfidschichten rückgängig gemacht werden kann, wurde im ersten Teilziel untersucht. Dies
wurde an Modellsubstraten (Silberplättchen oder mit Silber beschichtete Gläser und Waver),
Silberbesteck und Münzen durchgeführt. Das zweite Teilziel überprüfte an silberbeschichteten
Bechern, inwieweit auch größere dreidimensionale Objekte, sowohl innen als auch außen, in einer
Niederdruckplasmakammer behandelt werden können. An stark korrodierten und mit Agglomeratschichten behafteten Funden wurde im dritten Teilziel geprüft, ob einerseits ein Teil der
Korrosion rückgängig gemacht werden kann und ob sich anhaftende Agglomeratschichten nach
der Behandlung leichter entfernen lassen. Und das vierte Teilziel lotete in einem Screening unterschiedlichster Objekte die Möglichkeiten und Grenzen der Parylenbeschichtung für Fragestellungen der Bestandserhaltung aus.
3.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
Da es in diesem Projekt auch darum ging, die Möglichkeiten und Grenzen der aktuellen
Niederdruckplasmatechnik für den Bereich der Bestandserhaltung zu klären, wurden zahlreiche
„reale“ Proben und Referenzproben untersucht.
Abb. 3: Auswahl diverser untersuchter „realer“ und Referenzproben.
3.3.1 Reinigung von Silberobjekten
Die Parameter zur Plasmareinigung an Silberobjekten wurden in Versuchen an silberbeschichteten
Referenzproben oder Silberplättchen durchgeführt. Variiert wurden neben den Prozessparametern
Leistung, Prozesszeit sowie Fluss und Art des Gases auch anlagenspezifische Parameter wie die
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Einspeisung der Energie und die Lage der Proben in der Anlage sowohl mit als auch ohne
elektrischen Kontakt zur Elektrode. In den nachfolgenden Bildern (Abb. 4). ist erkennbar, wie sich
die Plasmazone um das Objekt verändert, wenn sich die Probe (hier ein metallischer Serviettenring) im direkten Kontakt zur gepowerten Elektrode befindet. Als Prozessgas wurde eine
Wasserstoff-Argon-Mischung verwendet. Im Bild ganz rechts ist deutlich zu sehen, wie das
Plasma eine typische Aura um ein metallisches Modell des Stuttgarter Fernsehturms bildet. Als
Plasmagas wurde hier Stickstoff eingesetzt, das unter diesen Bedingungen rot leuchtet.
Abb. 4: Einfluss des elektrischen Kontaktes der Probe zur Elektrode auf die Plasmazone. Links und in der Mitte ist
ein Serviettenring mit und ohne elektrischen Kontakt zur Elektrode dargestellt. Im mittleren Bild steht der
Ring auf einer Isolierung. Rechts ist ein Modell des Stuttgarter Fernsehturms in einem Stickstoffplasma
abgebildet.
Die an Modellproben optimierten Parameter wurden dann auf Originalobjekte übertragen. Das
folgende Bild (Abb. 5) zeigt ein Messer mit einem Griff aus Silber, der vor der Behandlung eine
starke Dunkelverfärbung aufwies.
Abb. 5: Silbermesser vor und nach einer Plasmabehandlung in einem Wasserstoffplasma zur Reduktion
der Silbersulfidschichten.
Die Verfärbung kann mittels Plasma weitestgehend rückgängig gemacht werden. Nur bei Konversionsschichten, die neben Silbersulfid auch weitere Verunreinigungen enthalten, kann es sein, dass
einige Flecken nachbehandelt werden müssen. Die Plasmareduktion hat hierbei den Vorteil, dass
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kein Silber abgetragen wird, sondern es gemäß der Reaktion Ag2S + H2  2 Ag + H2S  erhalten
bleibt. Durch die Morphologieänderung haben die plasmareduzierten Oberflächen oft ein mattes
Erscheinungsbild.
3.3.2 Reinigung von Silberbechern
Ein Projektpartner stellte aus seinem Privatbesitz Becher aus Silber zur Verfügung, die teilweise
eine sehr starke Dunkelverfärbung aufwiesen. Auch hier kommt es durch Plasmareduktion zu
einer signifikanten Aufhellung in Folge der Konversion der Silbersulfidschichten, wie das
nachfolgende Bild (Abb. 6) zeigt. „Flecken“ die andere Ursachen haben, können jedoch nur zum
Teil rückgängig gemacht werden. Hier können aber nachfolgende „klassische“ Reinigungsverfahren leichter ansetzen, da, wie oben beschrieben, der Silbergehalt durch die Plasmabehandlung erhalten wurde.
Abb. 6:
Silberbecher vor (l.) und nach (r.) einer
Plasmabehandlung im Wasserstoffplasma.
Deutlich ist die Aufhellung durch die Konversion der
Silbersulfidschichten zu sehen.
Zur Reinigung dieser Silberbecher wurde eine weitere Behandlungsanlage aufgebaut, die im
nachfolgenden Bild zusammen mit einem Silberbecher (Abb. 7) während einer kurzen Behandlung
im Wasserstoffplasma gezeigt ist. Da hier die Prozessparameter noch nicht optimal eingestellt
waren, brannte das Plasma an der rechten Seite nicht. Dadurch konnte an dieser Stelle auch das
Silbersulfid nicht reduziert werden, wie der Becher nach der Behandlung deutlich zeigt.
Abb. 7:
Links: Plasmaanlage zur Behandlung eines
Silberbechers. Hier ist gut erkennbar, dass
bei falscher Parameterwahl das Plasma
nicht gleichmäßig brennt und somit das
Objekt ungleichmäßig behandelt wird.
Rechts: Silberbecher nach der Behandlung.
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3.3.3 Behandlung von archäologischen Funden
In diesem Kurzbericht soll exemplarisch anhand des nachfolgenden Bildes (Abb. 8) gezeigt
werden dass auch an eisenhaltigen Objekten, die Behandlung im Wasserstoffplasma zu einer
deutlichen Reduktion der Oxidschichten führen kann. Ebenfalls festzustellen ist, dass sich
Agglomeratschichten um ein Objekt nach einer Plasmabehandlung leichter entfernen lassen.
Abb. 8: Eisenhaltige archäologische Funde links vor und rechts nach der Plasmabehandlung.
3.3.4 Parylenbeschichtungen
Zur Beschichtung von Objekten mittels Parylen konnten im Rahmen eines Praktikums und einer
Diplomarbeit von Jonas Jückstock umfangreiche Studien durchgeführt werden. Dabei wurden
etwa 30 verschiedene Objekte wie Metalle, Kunststoff, Papier, Textilien, Fotografien, Dias,
Elfenbein usw. behandelt. Je nach Fragestellung wurden auch die unten dargestellten drei
verschiedenen Parylene eingesetzt, deren Schichten sich durch unterschiedliche Eigenschaften
auszeichnen.
Abb. 9:
Darstellung der drei verwendeten Parylentypen.
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Desweiteren wurden auch Primerschichten getestet, die zu einer höheren Haftfestigkeit der
Polymerfilme speziell auf glatten Metallobjekten führen können.
Parylenschichten lassen sich als sehr dünne transparente Schutzschichten nahezu auf jedes Objekt
applizieren. Auf sehr glatten metallischen Oberflächen können diese Schichten gegebenenfalls
recht einfach als Film wieder abgezogen werden. Sollte eine höhere Haftfestigkeit gefordert sein,
kann dies durch Primerschichten realisiert werden. Auf stark porösen Oberflächen, beispielsweise
archäologischen Funden, dringt die Parylenschicht auch in die Porosität ein, so dass sie hier nicht
als Film abgezogen werden kann. Sie kann aber durch Strahltechniken wieder entfernt werden. Ein
„Abbrennen“ der Parylenschicht wurde auch mittels Plasma versucht. Hier ist anzunehmen, dass
die Parylenschicht durch ein Sauerstoffplasma „verkohlt“ werden kann und sich dann gegebenenfalls leichter mechanisch entfernen lässt. In Abhängigkeit der Schichtdicke kann es auf spiegelnden
Oberflächen zur Bildung von Interferenzfarben kommen, die aber meist schon ab Schichtdicken
von ca. 3-5 Mikrometer nicht mehr zu sehen sind. Da die Parylene eine geringere Wärmeleitfähigkeit haben als Metalle, fühlen sich entsprechend beschichtete Objekte etwas „wärmer“ an.
Es konnte auch gezeigt werden, dass Parylen C Schichten gegenüber chemischen Einflüssen eine
höhere Barrierewirkung erzielen als Parylen N Schichten. Letztere zeigen aber eine höhere
Stabilität gegenüber klimatischem Stress und UV-Bestrahlung.
3.3.5 Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Parylenbeschichtung ein großes Potential für die
Konservierung und Bestandserhaltung hat, da sie zunächst auf alle Objekte anwendbar ist. Nur
im Einzelfall ist zu prüfen, welche konkreten Eigenschaften diese direkt auf das Objekt applizierte
„Mikroschutzfolie“ aufweisen muss.
Die Niederdruckplasmabehandlung ist sehr gut geeignet, um angelaufenes Silber durch Reduktion
der Silbersulfidschichten wieder signifikant aufzuhellen. Da im Niederdruck die Objekte aber in
eine Behandlungskammer gelegt werden, kommt es stets zu einer vollflächigen Behandlung. Sollte
nur eine lokale Behandlung nötig sein, kann die nachfolgend beschriebene Behandlung mit den
Plasmadüsen die Methode der Wahl sein.
Die Kombination aus beiden Verfahren ermöglicht es, z.B. zuerst Silberobjekte zu reinigen und sie
anschließend mit einer Parylenschicht vor weiterem Anlaufen zu bewahren.
Literatur zu Kapitel 3:
Die Vielzahl der Ergebnisse zur Parylenbeschichtung sind in der Diplomarbeit von Herrn Jonas Jückstock
die er an der TU München unter Leitung von Herrn Prof. Emmerling in Zusammenarbeit mit dem
Fraunhofer IGB durchgeführt hat, nachlesbar.
Jückstock, Jonas: „Parylene - eine Alternative in der Konservierung und Restaurierung“, Diplomarbeit, TU
München, 2012.
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4. Einsatz von Atmosphärendruck-Plasmaverfahren (IST)
4.1 Prozessbeschreibung
Bereits seit etwa einem halben Jahrhundert werden dielektrisch behinderte Entladungen (DBE,
„Korona“-Entladungen) eingesetzt, um Polymeroberflächen wie z. B. bei Plastiktüten, Frischhaltefolien, für nachfolgende Verarbeitungsschritte (Lackieren, Kleben, Bedrucken, Laminieren)
vorzubehandeln. Die Behandlung geschieht an der Luft und ist in erster Linie auf eine Reaktion
der durch das Plasma aktivierten Oberfläche (Erzeugung von Radikalzentren) mit Luftsauerstoff
zurückzuführen. Dabei werden, auch auf chemisch inerten Polyolefinen, polare Gruppen
(Hydroxyl, Carbonyl, Carboxyl) gebildet, die die Oberflächenspannung stark erhöhen sowie die
Benetzung der Oberfläche und die Ankopplung organischer Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen, Säure-Base-Wechselwirkungen und kovalente Bindungen erlauben.1,2,3
Im Allgemeinen verliert ein Plasma, z. B. eine durch Gleichspannung betriebene Entladung, ihren nicht-thermischen
Charakter, wenn der Druck bis auf den Umgebungsdruck, ca.
105 Pa, gesteigert wird, da sich tendenziell ein energetisches
Gleichgewicht zwischen den Elektronen und den übrigen
Bestandteilen des ionisierten Gases einstellt: Es wird ein
thermisches Plasma mit Temperaturen im Bereich von einigen
1.000 K resultieren, wie es heute beispielsweise beim Schweißen
oder beim Plasmaspritzen Einsatz findet. In besonderen Fällen
lässt sich diese Aufheizung jedoch vermeiden.
Abb. 10: Verschiedene
Plasmajets.
Heißer Jet PlasmaTec der
Fa. Tantec
Neben sogenannten Plasmajets, bei denen durch einen starken
Gasstrom eine Abkühlung der Entladung erreicht wird, sind
besonders sogenannte dielektrisch behinderte Entladungen
(DBE) zu nennen, die im üblichen Sprachgebrauch häufig auch
als Korona-Entladungen bezeichnet werden.
Insbesondere im Bereich der Plasmajets hat es im letzten
Jahrzehnt enorme Entwicklungen hinsichtlich der Anordnungen
gegeben. So gibt es jetzt neben den heißen Bogenentladungen
auch Jets auf Basis der DBE bis hin zu sogenannten Mikroplasmajets, in verschiedensten Designs, Anregungsarten und
damit verbundenen Plasmaintensitäten. Ein weiterer Vorteil
dieser Plasmajetsysteme ist es, dass Oberflächen lokal behandelt
werden können und sie keiner vollflächigen Behandlung unterzogen werden müssen. Der Restaurator braucht das Objekt nicht
aus der Hand zu geben und kann den Behandlungseffekt stets
sehen und kontrollieren.
DBE-Jet Plasmabrush PB1
der Fa. Reinhausen Plasma
Mikroplasmajet kINPenTM
der Fa. Neoplas tools
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4.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes
Silberoberflächen neigen bereits bei der Anwesenheit von Spuren schwefelhaltiger Gase, wie z.B.
Schwefelwasserstoff, dazu »anzulaufen«, d. h. es bildet sich eine Silbersulfidschicht aus, die das
Objekt zunächst gelblich bis bräunlich, bei dickeren Schichten dann tief schwarz erscheinen lässt.
Silberobjekte müssen daher von Zeit zu Zeit von dieser Silbersulfidschicht befreit werden.
Reduzierend wirkende Plasmen wurden bereits seit den 1970er Jahren für die Behandlung von
Silberobjekten herangezogen. Untersucht wurden dabei wasserstoffhaltige Niederdruck-Plasmen,
welche bewirken, dass die schwarze Silbersulfidschicht zu reinem Silber und zu
Schwefelwasserstoff reduziert wird und die Oberfläche wieder silbern erscheint.
Abb. 11:
Versilberte Teekanne, links vor und
rechts nach der Behandlung mit dem
heißen Plasmajet PlasmaTec.
Niederdruck-Plasmaanlagen sind aufgrund des zu erzeugenden Vakuums aufwendige und damit
kostenintensive Anlagen. Das zu behandelnde Objekt muss in die Vakuumkammer eingebracht
werden, weswegen das Prozessergebnis schlecht kontrolliert werden kann. Außerdem wird stets
das ganze Objekt behandelt und nur durch einen erhöhten Aufwand, wie z. B. der Maskierung der
Objekte, ist eine lokale Bearbeitung möglich. Aufgrund der genannten Nachteile der NiederdruckPlasmabehandlung wurde bei den Untersuchungen des Fraunhofer IST der Schwerpunkt auf
Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen unter reduzierenden Bedingungen mit zwei verschiedenen Jetsystemen gelegt – dem PlasmaTEC der Fa. Tantec und dem Plasmabrush PB1 der Fa.
Reinhausen Plasma.
4.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
Für die Untersuchungen wurde am Fraunhofer IST eine mit Stickstoff gespülte Glovebox
aufgebaut, in der die beiden Plasmajets installiert wurden. Diese Umgebung sollte dafür sorgen,
dass die im Plasma behandelten Objekte nicht direkt nach der Behandlung mit Sauerstoff in
Verbindung kommen, da die Oberflächen zu diesem Zeitpunkt sehr reaktiv sind. Im Rahmen
dieses Projektes wurde dann die Reduzierung von verschiedenen Silberoberflächen mit den
beiden Plasmajets untersucht und mit anderen Reinigungsmethoden wie der abrasiven Reinigung
mit Schlämmkreide, der Behandlung mit Seifenwurzelsud, der elektrolytischen Reinigung und der
Niederdruck-Plasmabehandlung verglichen. Der letzte Teil des Projektes beschäftigte sich mit der
Plasmabehandlung von archäologischen Eisenobjekten, um das Freilegen dieser Objekte zu
erleichtern.
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4.3.1 Grundlegende Untersuchungen zur Plasmabehandlung von Silberobjekten
Die Arbeiten wurden im Rahmen einer Studienarbeit durchgeführt.4 Im ersten Schritt wurden die
Silberproben aus 925er Sterlingsilber, weißgesottenem Sterlingsilber und reinem Silber mit
definierten Silbersulfidanlaufschichten versehen. Dazu wurden die Proben in einem Exsikkator
einer schwefelhaltigen Atmosphäre aus Natriumsulfit und Bariumsulfid bzw. Ammoniumsulfid
ausgesetzt.
Abb. 12:
Unterschiedliche
Probeplättchen nach
den verschiedenen
Anlaufvarianten.
Diese Proben wurden dann den klassischen Reinigungsmethoden wie Schlämmkreide (Calciumcarbonat-Wasser-Gemisch), Seifenwurzelsud und elektrolytische Reinigung ausgesetzt und mit
den Plasmabehandlungen im Niederdruck und Atmosphärendruck verglichen. Betrachtet man die
Proben nach den Plasmabehandlungen, ist ersichtlich, dass die dünnen reinen Silbersulfidanlaufschichten mit allen drei Plasmaverfahren sehr gut reduziert werden können. Auch das
Silbersulfid und teilweise die Kupfer-Schwefel-Verbindungen der Sterlingsilberproben können
entfernt werden. Vergleicht man die Plasmaverfahren untereinander, ist festzustellen, dass der
PlasmaTec, trotz der sehr guten Ergebnisse, aufgrund der hohen Temperaturen nur bedingt an
temperaturempfindlichen Objekten angewendet werden sollte. Die Anwendung des PlasmaBrush
ist durch die geringe Arbeitsdistanz von unter 1 cm nur eingeschränkt für plastische Objekte
geeignet, zeigt aber ebenfalls eine gute reduzierende Wirkung. Gegenüber dem Niederdruckplasma ist von Vorteil, partiell arbeiten zu können, vor allem weil die Reduktion in der Niederdruckplasmaanlage unregelmäßig ausfallen kann, da sich das Plasma bei dreidimensionalen
Objekten nicht gleichmäßig ausbildet.
Bei den klassischen Methoden kann der Seifenwurzelsud als erster Schritt der Schmutzabnahme
eingesetzt werden, bietet aber allein kein zufriedenstellendes Erscheinungsbild bei der Silberreduktion. Die Calciumcarbonatpaste hingegen liefert zwar ein sehr schönes Ergebnis, trägt aber
auch das meiste Silber ab. Handelt es sich um eine reine Silbersulfidschicht, sind die Plasmaverfahren, gegebenenfalls mit einer Nachreinigung matter Oberflächen, den anderen Verfahren
vorzuziehen, weil weder Silber abgetragen, noch eine korrosive Substanz eingebracht wird.
Abb. 13:
Mit dem Plasmatec behandelte weißgesiedete und reine Silberproben.
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Problematisch bei der Plasmabehandlung sind dickere reine Silbersulfidschichten, die zwar
komplett reduziert werden, aber anschließend matt und verfärbt aussehen. Anlaufschichten, die
Kupferverbindungen enthalten, lassen sich mit den Plasmen visuell nicht zufriedenstellend
reduzieren. Die Oberflächen sind verfärbt oder fleckig und es verbleiben stets geringe Schwefelrückstände auf den Proben. Lediglich die elektrolytische Reduktion vermochte auch diese zu
entfernen, doch war danach das Erscheinungsbild nicht akzeptabel. Zudem ist mit zurückbleibenden korrosiv wirkenden Salzen zu rechnen. Dickere Anlaufschichten und vor allem Kupfer
enthaltende Schichten konnten nur mechanisch zufriedenstellend entfernt werden. Hierbei wird
relativ viel Silber abgetragen, was bei einer Kombination des Plasmaverfahrens oder der elektrolytischen Reduktion mit der Calciumcarbonatpaste verringert werden konnte. Bei Kupferverbindungen in der Anlaufschicht eignet sich eine Kombination aus elektrolytischer Reduktion und
Calciumcarbonatpaste am besten. Der Materialabtrag ist dadurch geringer und es wird sämtlicher
Schwefel entfernt. Eine Kombination von Plasmabehandlung und Calciumcarbonatpaste führt
zum gleichen positiven Ergebnis, trägt aber geringfügig mehr Silber ab.
Abb. 14: Gewichtsänderung (links) und Reflexionsverhalten (rechts) der behandelten angelaufenen Silberproben.
Der Zeitaufwand der einzelnen Behandlungen ist sehr unterschiedlich. An sich sind die Plasmaverfahren schneller durchgeführt als die elektrolytische Reduktion oder die Calciumcarbonatreinigung. Durch eine Vorbehandlung mittels Plasma oder elektrolytischer Reduktion kann die
Dauer der Bearbeitung und zudem der Silberabtrag einer anschließenden Reinigung mit Calciumcarbonatpaste deutlich reduziert werden.
Als Fazit ergibt sich, dass die Auswahl der geeigneten Methode stets nach dem Objekt zu treffen
ist, weshalb die Ergebnisse der Testreihe entsprechend den Ansprüchen des Stückes bewertet und
gewichtet werden müssen. Je nach Anlaufschicht stellen die Plasmaverfahren kontrollierbare,
effektive und das Objekt schonende Methoden der Reinigung dar. Sollten sie ein unzureichendes
Erscheinungsbild aufgrund der Eigenschaften der Anlaufschicht ergeben, ist die Kombination mit
einem abrasiven Mittel eine vorzuziehende Alternative zu der alleinigen Anwendung von
materialabtragenden Methoden.
4.3.2 Behandlung von silberhaltigen historischen Textilien
Seide oder andere organische Fasern im Verbund mit Silber stellen eine besondere restauratorische Herausforderung dar. Das Silber, welches häufig in Form von flachgeschmiedeten
15
Silberlahnen oder als Draht um organische Fasern (die sogenannte Seele) gewickelt vorliegt, muss
vom Silbersulfid befreit werden, ohne dass die organischen Fasern Schaden nehmen. Mechanische
Reinigung des Silbers durch schleifendes Abtragen der Sulfidschicht mit Schlämmkreide sowie
nasschemische Entfernung mit Thioharnstoffen oder Ammoniak bewirken nicht nur einen
ungewollten Silberabtrag, sondern greifen auch stark die organischen Bestandteile des Textils an.
Seit Ende der 1970er Jahre werden Untersuchungen im reduzierenden Niederdruck-Plasma
durchgeführt. Eine Reduktion des Silbersulfids konnte hier erfolgreich durchgeführt werden –
allerdings ist die im Vakuum herrschende Trockenheit nicht unkritisch z. B. für Seidenproteine.
Abb. 15:
Textiles Objekt mit Silberfäden vor
(l.) und nach der Plasmabehandlung
(r.); Stereomikroskopische Aufnahme,
Vergrößerung: 6,5x.
Es zeigte sich, dass durch eine Atmosphärendruck-Plasmabehandlung mit einem kalten Jet der
Schwefelanteil auf mit Silbersulfid versehenen Silberlahnen bzw. -drähten deutlich reduziert
werden konnte. Ebenfalls war es in einigen Fällen möglich, Chlor- und Sauerstoffverbindungen zu
reduzieren. Dabei wurde keine Schädigung des Grundmaterials festgestellt.
4.3.3 Behandlung von fragilen Silberobjekten
Die folgenden Untersuchungen wurden im Rahmen einer Diplomarbeit durchgeführt.5
Zielsetzung war die Erprobung von Restaurierungsmethoden für den Merkel’schen Tafelaufsatz.
Die Problemstellung hierbei ist, dass fragiles Silber nicht auf die gebräuchliche Art mit einer
Calciumcarbonatpaste mechanisch freigelegt werden kann. Für die Untersuchungen wurden 925er
Silberplättchen 10 x ausgeglüht, um eine feine Silberlage analog dem Tafelaufsatz zu erhalten
sowie Nachgüsse von Pflanzen aus Silber gemacht. Die künstliche Silbersulfidschicht wurde durch
Auslagerung in einem schwefelhaltigen Dampf im Exsikkator für 48 Stunden erzeugt. Analog zu
den grundlegenden Untersuchungen wurde hier ebenfalls eine Lösung aus Bariumsulfid und
Natriumsulfit verwendet.
Abb. 16:
Links: Angelaufene 925er
Silberplättchen vor und
nach verschiedenen
Behandlungen mit dem
Plasmabrush.
Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen
vor (oben) und nach
viermaliger Behandlung
(unten).
16
Die Proben wurden mit dem Plasmabrush mit einer Mischung aus Stickstoff und 3,5% Wasserstoff
mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s behandelt. Die Sulfidschicht konnte leicht entfernt werden.
Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen keine Veränderung der Oberfläche
durch die Behandlung.
Abb. 17:
Angelaufener
Naturabguss vor
(links) und nach 40 s
Behandlung (rechts)
mit dem PlasmaTEC.
Es zeigte sich, dass für die Behandlung von Naturabgüssen der Plasmabrush (T = 90°C) nicht
ausreicht. Jedoch konnte durch die Verwendung des heißeren PlasmaTEC (T = 180°C) eine sehr
gute Reinigung von Naturabgüssen innerhalb von 40 s erreicht werden. Der Vorteil bei diesen
Proben ist, dass die Oberfläche von vornherein matt ist und somit die bei den glatten Proben
auftretende Problematik der Mattheit bei der Reduktion von dicken Silbersulfidschichten entfällt.
Darüber hinaus kommt man mit dem Plasma bereits sehr gut in kleine Geometrien. Insgesamt
wären hier jedoch noch feinere Mikroplasmajets von Vorteil.
4.3.4 Plasmabehandlung zur Erleichterung des Freilegens von archäologischen
Objekten
Eisengegenstände, die Jahrhunderte im Boden lagern, bilden nach und nach Konglomeratschichten aus, die aus einer Mischung von Korrosionsprodukten und Bodenbestandteilen bestehen. Häufig sind diese Schichten so dick, dass das Objekt in seiner ursprünglichen Gestalt nicht
mehr erkennbar ist. Um die Lesbarkeit wiederherzustellen, werden derartige Funde häufig
»freigelegt«. Das bedeutet, dass die Objekte mit unterschiedlichem Strahlgut wie beispielsweise
Korund (Al2O3) oder feinsten Glasperlen mit einem Mikrofeinstrahlgerät gestrahlt werden. Ziel ist
es, die originale Oberfläche wieder freizulegen. Häufig ist dieser Vorgang aufgrund der Härte der
Konglomeratschichten sehr schwierig.
In der Dissertation von Frau Schmidt-Ott wurden Niederdruck-Plasmen dahingehend untersucht,
ob sie eine Vereinfachung des Freilegens bewirken können.6 Frau Schmidt-Ott konnte im Blindversuch die deutliche Tendenz aufzeigen, dass sich durch eine Behandlung im NiederdruckPlasma (H2/Ar-Plasma) bei 110 °C bzw. 150 °C das Freilegen vereinfachen lässt. Sie konnte auch
im metallographischen Schliff eine Spaltbildung zwischen originaler Oberfläche und den Korrosionsprodukten, verursacht durch die Plasmabehandlung, nachweisen, welche allerdings unabhängig davon war, ob im reinen Argonplasma oder in einem Wasserstoff-Argon-Plasma gearbeitet
wurde. Ziel der Untersuchungen in diesem Projekt war es nun zu evaluieren, inwieweit auch eine
Behandlung im Atmosphärendruck-Plasma zu einer Erleichterung beim Freilegen führen kann.
Die durchgeführten Versuche werden im Folgenden beschrieben. Vom Landesmuseum
Württemberg wurden 25 archäologische Eisennägel für den Versuch zur Verfügung gestellt. Die
Eisennägel stammen aus einem Fund aus dem Ende der 1970er Jahre. Die Erdschicht wurde
17
damals grob abgebürstet und die Nägel anschließend im Metall-Depot des Landesmuseums
Württemberg bei einer Luftfeuchtigkeit von 40% gelagert. Vor dem Beginn einer Behandlung
wurden die Nägel mit einem Mikrofeinstrahlgerät von den locker aufliegenden Schichten befreit.
Nach dem Strahlen wurden die Nägel für 22 Stunden in einem Trockenschrank bei einer
Temperatur von 70 °C und einer Luftfeuchtigkeit zwischen 10 – 30 % getrocknet. Die Nägel
wurden nach der optischen Erscheinung in fünf Gruppen à fünf Nägel eingeteilt. Es wurde an den
Proben Behandlungen mit Niederdruckplasma (Ar/H2 – je 2,5 h Vorder- und Rückseite, 100 °C)
und mit dem PlasmaTEC mit N2 (10 min, 330°C) und N2/10%H2 (10 min, 450°C) als Prozessgas
durchgeführt. Als Vergleich wurden fünf Proben nicht behandelt, sowie fünf Proben mit einem
300°C heißen N2-Strom ausgesetzt, um den Einfluss der Temperatur zu evaluieren.
B2
B2
B1
B1
B3
B3
B5
B4 B5
B4
Nieder
Nieder
NN2-2N2 heiß
druck N2 heiß
Plasma druck
Plasma
ohne
ohne
2-H
NN2-H
2-2Plasma
Plasma
Abb. 18: Links ist die Gruppe B nach dem Strahlen zu sehen, in der Mitte nach den unterschiedlichen Behandlungen
und rechts nach dem Freilegen.
Alle Nägel wurden nach der Behandlungen als Blindproben nach Stuttgart in die
Restaurierungswerkstatt der Staatlichen Akademie der bildenden Künste geschickt und dort von
drei angehenden Restauratorinnen freigelegt. Die Nägel wurden mit einem Mikrofeinstrahlgerät
SANDMASTER der Firma WÜLSAG Apparatebau AG mit einem Düsendurchmesser von 2 mm,
einem Strahlmitteldurchsatz von 3 und einem Druck von 2 bar bearbeitet. Als Strahlgut diente
Edelkorund F230. Zwei der Testpersonen behandelten zwei Serien und eine Testperson nur eine.
Die Aufgabe der drei Probandinnen bestand nun darin, das Freilegen der einzelnen Nägel in die
Kategorien »leicht«, »mittelschwer« und »schwer« einzuordnen. Außerdem sollte die Qualität die
Originaloberfläche beurteilt werden.
Abb. 19: Beurteilung des Einflusses der Vorbehandlung auf das Freilegen (links). Oberflächenzustand nach dem
Freilegen von Eisennägeln (rechts).
18
Zu beobachten ist, dass im Vergleich zu den anderen Varianten, die im Atmosphärendruck-Plasma
behandelten Proben in geringem Maße als leichter freilegbar eingestuft wurden. Allerdings ist zu
bemerken, dass bereits von den unbehandelten Nägeln zwei als gut freilegbar bewertet wurden.
Die reine Temperaturbehandlung scheint keinen ausschlaggebenden Einfluss auf das Freilegen zu
haben. Sechs von den insgesamt zehn mit Atmosphärendruck-Plasma behandelten Nägeln zeigten
nach dem Freilegen eine gute Oberflächenbeschaffenheit. Damit fällt die Bewertung deutlich
positiver auf als bei der Niederdruck-Plasmabehandlung bzw. der Behandlung mit heißem Stickstoff sowie der unbehandelten Nägel. Tendenziell lässt sich ein positiver Einfluss auf das Freilegen
von archäologischen Eisennägeln durch eine Atmosphärendruck-Plasmabehandlung aufzeigen,
auch wenn diese Tendenz durch weitere Versuche mit einem größeren Stichprobenumfang
abgesichert werden müsste. Wie Frau Schmidt-Ott im Niederdruck-Plasma festgestellt hat, scheint
die Anwesenheit von reduzierenden Spezies nicht von entscheidender Bedeutung zu sein. So
zeichnen sich ebenso im reinen Stickstoffplasma positive Effekte bezüglich des Freilegens ab.
4.3.5 Zusammenfassung und Ausblick
Insgesamt zeigt sich, dass Atmosphärendruckplasmaverfahren ein großes Potenzial für die
Restaurierung und Konservierung haben. Es können Silbersulfidschichten sehr lokal reduziert
werden, ohne dass das Silber abgetragen wird. Insbesondere für sehr fragile Objekte und
kombinierte Objekte wie Silberfäden in Textilien kann diese Technik sehr gut eingesetzt werden.
Auch bei der Freilegung von archäologischen Eisennägeln konnte ein erster positiver Ansatz
gefunden werden. Jedoch besteht noch Entwicklungsbedarf in der Anpassung der Quellen für die
Anwendung in der Restaurierung. Es zeigte sich, dass die im Rahmen dieses Projektes angewendeten Quellen zum Teil zu hohe Temperaturen (PlasmaTEC) in die Objekte eingebracht haben
oder die Reinigungswirkung noch nicht ausreichend war (Plasmabrush). Optimal wären Quellen,
die in einem weiteren Temperaturbereich variabel einstellbar wären und bei denen darüber hinaus
auch die Geometrie der Jetform einstellbar wäre, um sowohl flächige als auch punktuelle
Behandlungen durchführen zu können. Hier sind zukünftige Forschungsprojekte notwendig, um
solche Quellen zu optimieren und für die verschiedenen Anwendungsfelder im Bereich des
Kulturerbes zu qualifizieren.
Literatur zu Kapitel 4:
1
Softal-Report Nr. 102, Softal electronic GmbH, Hamburg.
2
K. Gerstenberg, dpw Deutsche Papierwirtschaft 4/1990.
3
V. d. Heide-J-C; Wilson-H-L; Guide to corona film treatment, Modern Plastics 5, 1961, S. 199-208.
4
Maier, A.: Reinigung von Silberoberflächen mittels Atmosphärendruckplasma, Studienarbeit Staatliche
Akademie der Bildenden Künste, Stuttgart, 2012.
5
Hoffmann, S.: Möglichkeiten der schonenden Abnahme von Silbersulfid auf fragilen Silberobjekten,
Diplomarbeit FH Potsdam, 2011.
6
Schmidt-Ott, K.: Erhaltung von Kulturgütern – das Plasma in der Metallkonservierung –
Möglichkeiten und Grenzen, Dissertation, Staatliche Akademie der Bildenden Künste, Stuttgart, 2009.
19
5. Einsatz von beschleunigten Elektronen (FEP)
5.1 Prozessbeschreibung
Elektronen sind Bestandteile aller Plasmen. Sie können nach Emission aus einer Katode im
Vakuum durch elektrische Felder beschleunigt und auf ihrem weiteren Weg durch elektromagnetische Felder fokussiert und abgelenkt werden. Diese Technik nutzt beispielsweise die
konventionelle Fernsehröhre zur Bilderzeugung. Ein Elektronenstrahl „rastert“ die Fluoreszenzschicht der Bildröhre rückseitig ab und erzeugt an jedem Bildpunkt entsprechend seinen Steuerparametern aus der Aufnahmekamera einen optisch sichtbaren Grau- oder Farbwert. Elektronen
sind nahezu trägheitslos ablenkbare Energieträger. Ihre Energie ist über die Beschleunigungsspannung kontinuierlich regelbar und ihre Flussdichte über den Strahlstrom. Im Fraunhofer FEP
werden als Strahlerzeuger Elektronenstrahlkanonen mit Beschleunigungsspannungen bis 300 kV
im Leistungsbereich von einigen Watt bis 300 kW betrieben. Die Strahl-Ablenkfrequenz wird bis in
den Megahertz-Bereich realisiert. Das ist ein Alleinstellungsmerkmal des Institutes. Im Gegensatz
zum Laser kann der Elektronenstrahl in dielektrische Substanzen eindringen und nicht nur Oberflächenprozesse, sondern auch Volumenprozesse auslösen und aufrechterhalten.
Mit Hilfe einer mikrometer-dünnen Metallfolie, dem nach seinem Erfinder benannten „LenardFenster“, können Elektronenstrahlen bzw. Elektronen aus dem Vakuum an Atmosphärendruck
geführt werden und auf hier befindliche Substrate einwirken. Dabei transportieren sie entweder
ihre Energie direkt in Prozesse auf das beziehungsweise im Substrat, oder sie induzieren in einem
reaktiven Prozessgas bei Atmosphärendruck Plasmen zur Oberflächenbearbeitung. Die Plasmaenergie ist abhängig von der Beschleunigungsspannung der induzierenden Elektronen und damit
ebenfalls regelbar. Zu beachten ist bei allen Elektronenstrahlprozessen die Entstehung von Röntgenstrahlung, die nicht in die Umgebung gelangen darf. Sie muss im Prozessbereich durch geeignete Abschirmmaßnahmen absorbiert werden. Der Elektronenstrahl beziehungsweise schnelle
Elektronen können damit zu einem flexiblen technologischen Werkzeug des Konservators oder
Restaurators werden.
5.2 Zielstellung und Aufgaben des Teilprojektes
Zu den wichtigsten und schwerwiegend bedrohten Kulturgütern zählt das Papier, das in Archiven
in mannigfaltiger Herstellungsart und Zusammenstellung aufbewahrt wird. Insbesondere den
Beständen aus dem 19./20. Jahrhundert drohen aufgrund ihres Säuregehaltes und teilweise
unsachgemäßer Lagerungsvergangenheit weltweit irreversible Zerstörungen. Schimmelpilz- und
Bakterienbefall, Tintenfraß und Parasiten sind weitere Schadensursachen.
Hier kann nur noch ein massentaugliches und kostengünstiges Verfahren für die Bestandserhaltung und die Konservierung helfen. Traditionelle Konservierungs- bzw. Restaurierungsverfahren wie die manuelle Papierspaltung oder das Laminieren in Kunststofffolie sind nicht nur
energie-, zeit- und kostenaufwendig, sie bieten keinen nachhaltigen Schutz. Im Fall der
Laminierung verändert sich das Objekt durch einen extremen Massen- und Volumenzuwachs
20
sowie veränderter Haptik in nachteiliger Weise, so dass dieses Verfahren aufgrund begrenzter
Lagerungskapazität für die Archive nicht für Massengut geeignet ist.
Abb. 20:
Archivalisch gefährdetes
Massengut (links) und
wertvolle Sachzeugnisse
(rechts).
Eine aussichtsreiche Möglichkeit, den Verfall zu stoppen bzw. ihm zu begegnen, bietet der Einsatz
der Elektronenstrahltechnik an Atmosphärendruck. Hierbei kann aus der Vielfältigkeit des
Archivmaterials nur das vom Säurefraß gefährdete Massengut einer Behandlung zugeführt
werden und diese muss sich durch akzeptable Anwendungsbreite auszeichnen. Es ist einleuchtend, dass kulturhistorisch besonders wertvolle Archivgüter nicht in den Fokus unserer
Zielstellung kommen, weil sie eine individuelle restauratorische Behandlung erfordern.
Durch Imprägnieren des Papierhauptbestandteils, der Zellulosefaser, mit speziellen reaktiven
Monomeren kann mittels niederenergetischer Elektronenstrahlen deren chemische Vernetzung
und somit eine Verfestigung des Papiers mit hoher Stabilität gegen weitere chemische und
biologische Umwelteinflüsse erzielt werden. Im Gegensatz zum Laminieren bleiben bei diesem
Verfahren Biegsamkeit, Optik und Haptik des Papiers weitestgehend erhalten. Willkommener
Nebeneffekt ist eine nachhaltige keimtötende Wirkung auch im Blattinneren durch die Elektronenstrahlen.
Abb. 21:
Prinzip Oberflächenbehandlung mit
nichtthermischen Elektronen.
Die Anwendung der Elektronenstrahltechnik an Atmospärendruck ist gekennzeichnet durch eine
diffuse und nur schwach aufheizende, dafür aber sehr schnell wirkende Strahlung. Die Eindringtiefe hängt von der Beschleunigungsspannung der Elektronen ab. Bei der im Fraunhofer FEP
21
stattfindenden Verfahrensentwicklung kommen niederenergetische Elektronenstrahlen mit Beschleunigungsspannungen bis zu 300 kV zur Anwendung. Sie durchdringen zwar nur einzelne
Papierblätter, erfordern dafür aber einen geringen Aufwand zum Schutz vor der entstehenden
Röntgenstrahlung.
Im Projekt werden Grundlagenuntersuchungen zur Ermittlung der notwendigen Materialien und
Prozessparameter mit dem Ziel durchgeführt, Konstruktion und Bau von kostengünstigen
Behandlungsanlagen mit geringem räumlichen Aufwand zu ermöglichen, die flexibel an die
Einsatzorte und die jeweiligen technologischen Erfordernisse angepasst werden können.
Das Fernziel ist, eine Behandlungsanlage zu erstellen, die es bei einfacher Bedienbarkeit ermöglicht, in einem kontinuierlichen Durchlaufgang große Mengen von Papierblättern mit dem
Vernetzungsmaterial zu imprägnieren und durch Elektronenbestrahlung zu verfestigen.
5.3 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
5.3.1 Verfahrensansatz und Untersuchungsmaterial
Aufgrund der dargestellten Situation und der Beschaffenheit der Papiere ist eine pragmatische
Problemlösung zur Massenbehandlung erforderlich. Als alternativer Ansatz zu den traditionellen
Konservierungs- und Restaurierungsverfahren wurde, wie bereits in früheren Publikationen
empfohlen, die Methode des plasmaunterstützten strahlenchemischen Einbaus von reaktiven und
somit vernetzenden Verfestigungsmitteln in die Faserstruktur der Zellulose gewählt. Imprägnierungen erfolgen in Flüssigbädern oder unter Dampfbehandlung, unter vermindertem oder
normalen Druck, unter Schutzgas, in ein- oder mehreren Prozessstufen, mit unterschiedlichen
ionisierenden Strahlungsquellen (UV-, Gamma-, Elektronenstrahlen) oder mit speziellen Gasplasmen. Bezüglich Härtung von strahlenchemisch vernetzenden Lacken bzw. Co-Vernetzung
verschiedener Polymersysteme, auch von Biopolymeren, gibt es im Fraunhofer FEP langjährige
Erfahrung und Kompetenz mit hierzu verfügbarer Anlagentechnik.
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf das derzeit unmittelbar gefährdete und in großen
Mengen aufbewahrte holzschliffhaltige, alaunharzgeleimte Papier. Das Stoppen des Säurefraßes
mittels Massenentsäuerung ist wirksam, aber konservatorisch umstritten und es vermag nicht, die
verlorengegangene Festigkeit wiederherzustellen. Hierzu wurde Material in Form von Zeitungspapier der Stiftung Preußischer Kulturbesitz, der Staatsbibliothek zu Berlin sowie diverse Sorten
historischer Papierproben, darunter Hadernpapiere, vom Bayerischen Hauptstaatsarchiv für eine
analytische Examination zur Verfügung gestellt.
5.3.2 Erfassung des Materialzustandes und Verfestigungsversuche
Mittels umfangreicher physikalisch-chemischer Voruntersuchungen unter Anwendung moderner
Analysenmethoden wie Rasterelektronenmikroskopie oder Infrarotspektroskopie wurde der Ausgangszustand der übergebenen Papiersorten erfasst. Dies betraf sowohl die Alterungsbeschaffenheit, wie Vergilbung und mechanische Festigkeit, Masse-Volumen-Verhältnisse, die
Faserstruktur der Zellulose, den Verleimungszustand, Ligninpräsenz, Säuregehalt, Benetzungs-
22
verhalten, Tinteneinwirkung und Schädigungen durch Nässe, biologische oder thermische
Faktoren. Das Wasseraufnahmevermögen des alten Zeitungspapiers wurde mittels Klimakammerversuchen bestimmt. Schon hier zeigten sich gravierende Zustandsunterschiede bei gleichen
Papiersorten (z.B. Holzschliff), aber verschiedener Papiermühlen-Provenienz.
Abb. 22:
Rasterelektronen-Aufnahmen:
Beispiel für Hadernpapier (oben)
und Holzschliffpapier (unten).
Hadernpapier:
(l.) Draufsicht (600x vergr.) und
(r.) Querschnitt (500x vergr.)
Holzschliffpapier:
(l.) Draufsicht (600x vergr.) und
(r.) Querschnitt (500x vergr.)
Der alternative Ansatz zu den traditionellen Konservierungs- und Restaurierungsverfahren ist
eine Prozessführung im Faserbereich. Entweder wird chemische Veresterung an den ZelluloseHydroxylgruppen ausgelöst oder es erfolgt Generierung von neuen Bindungen zu reaktiven
Partnern. Nach derzeitigem Erkenntnisstand wurde bisher die Generierung neuer Bindungen in
die konservatorische Praxis noch nicht umgesetzt. Da Zellulose-Molekülketten unter Einwirkung
ionisierender Strahlung (UV-Licht, Elektronen) und Sauerstoffeinwirkung abgebaut werden, war
es wichtig, diesen Befund und dessen Ausmaß an den alten Papieren nachzustellen.
Ein gewisses Maß aufgebrochener Bindungen ist andererseits erforderlich, um durch deren
simultane, strahleninitiierte Verknüpfung mit den gleichfalls erzeugten Bruchstellen beim
Verfestigungsmittel das erwünschte Resultat einer intermolekularen Verfestigung zu erhalten.
Somit musste ein optimaler Bereich des Energieeintrages durch Elektronenstrahlen gefunden
werden, um zur Brückenbildung, einem sogenannten „Grafting“, zu kommen.
Dieser Energieeintrag – die Dosis – ist in seiner Wirkung abhängig von der Zeitdauer sowie von
Umgebungsfaktoren wie der Temperatur. Ein Stopp des säurebedingten Zerfalls durch alkalische
Neutralisierung bleibt unumgänglich und der Zusatz beispielsweise von säurehemmenden
Additiven ist empfehlenswert.
Im weiteren Verlauf der Untersuchungen galt es, durch Erprobung einer Vielzahl möglicher und
aus der Lackchemie her bewährter Rohstoffe den geeigneten Verfestigungspartner bzw. eine
Rezeptur aus mehreren solchen auszuwählen. Sowohl die synthetischen, vielfältig angebotenen
Acrylate mit ihren sensiblen, leicht spaltbaren Doppelbindungen, als auch bekannte, strahlen-
23
chemisch polymerisierende Bio-Rohstoffe wie das Chitosan, und Zwitter wie methacrylierte
Gelatine, wurden getestet.
Bei der praktischen Umsetzung ergaben sich einige
Probleme, die zu überwinden waren. Da die strahlenchemische Vernetzung unter Sauerstoffausschluss erfolgen
muss, ist eine Inertisierung des Prozessraumes erforderlich.
Eine spezielle, mit Inertgas (Stickstoff) flutbare Behandlungskammer für die Bestrahlung der Papierproben
wurde in die Elektronenstrahlanlage REAMODE des
Fraunhofer FEP installiert. Die Menge und Rezeptur des
Verfestigungsmittels sowie die Art und Weise der Einbringung in das Papier ist von Wichtigkeit, um den
Anforderungen der Flexibilität, Optik und Haptik zu
genügen. Tränken erwies sich dabei als ungeeignet.
Verdünnen und anschließendes Abdampfen des Lösemittels sollte jedoch vermieden werden.
Deshalb wurde eine Ultraschall-Vernebelungsapparatur
erstellt, um im feinsten Sprühverfahren die reaktiven
Verfestigungsmittel auf das Papierblatt aufzubringen.
Allerdings begrenzt diese Methode die Zugabe bestimmter
Additive, die präventiv weiteren säurekatalysierten Zelluloseabbau verhindern sollen. Die Höhe des Wassergehaltes
im Papier hat auf die Prozessführung Einfluss. Um das
Zusammenführen der Zellulose mit dem Verfestigungsmittel zu unterstützen, wurden Vorbehandlungen des
Papiers, u.a. mit wasserstoffhaltigem (reduzierend wirkendem) Atmosphärendruck-Plasma, erprobt und über eine
längere Zeit anhaltend ein hoher hydrophilisierender
Effekt nachgewiesen. Hierbei ist anzumerken, dass beim
realen Elektronenstrahlprozess unter Atmosphärendruck
ebenfalls ein Gasplasma (verursacht durch das hier
eingesetzte Schutzgas Stickstoff) mit ähnlichen simultanen
Wirkungen vorhanden ist.
Abb. 23: Elektronenstrahlanlage
REAMODE im FEP.
Abb. 24: Ausschnitt eines UltraschallAerosolgerätes.
5.3.3 Erste Arbeitsergebnisse und Bewertung
Die bisher getätigten Grundlagenuntersuchungen befassten sich ausführlich mit der Zustandsbeschreibung des zur Konservierung anstehenden Ausgangsmaterials. Der aufgrund eigener
Kompetenz gewählte und auch von anderen Wissenschaftlern avisierte Lösungsansatz wurde in
ersten Versuchsreihen begonnen, um die Variationsbreite an Verfahrensstufen und geeigneten
Rohstoffen einzugrenzen.
24
Zunächst konnte festgestellt werden, dass
moderate Elektronenbestrahlung alter
Papiere nicht zu dem befürchteten erheblichen Festigkeitsverlust führt, sondern
stattdessen stabilisierend wirken kann
(Vgl. Abb. 25).
Die Zugabe von neutralisierend wirkenden Additiven kann nur begrenzt
erfolgen, da dies den Verfestigungseffekt
mindert. Ein großes Problem stellen Risse
in den Papierblättern dar. Durch zusätzliches Einbringen von Nanocellulose
wurde versucht auch die Fehlstellen zu
füllen. Allerdings erhöht dies den
konservatorischen Gesamtaufwand durch
Separatbehandlung. Der Einsatz von
synthetischen Bindemitteln in verschiedenen Rezepturen war aufgrund
negativer Veränderungen in Optik,
Haptik und Geruch an den Papieren
bisher nicht zufriedenstellend.
Die Wirkung einer Verfestigung des
Altpapiers mittels verwendeter Bindemittel auf Biopolymer-Basis unter
strahlenchemischer Behandlung zeigen
die Diagramme (Abb. 25 b,c). Durch
Verwendung von Gelatine als Verfestigungsmittel erhöht sich die Zugfestigkeit
(Angaben in Newton) und zeigt ab 5%
Gelatineanteil ein Maximum nach einer
Bestrahlungsdosis von 13 kGy. Die Verwendung von methacrylierter Gelatine
zeigt einen ähnlichen Effekt bei 27 kGy
Strahlungsdosis.
Zugfestigkeiten alter Holzschliffpapiere
konnten von etwa 15 Newton durch die
Verfestigungsmethode mit Hilfe der
Elektronenstrahlbehandlung auf über 35
Newton erhöht werden.
Abb. 25: Erhöhung der Zugfestigkeit nach Bestrahlung von
Papieren.
a) Einfluss von Elektronenbestrahlung (Dosis) auf die Zugfestigkeit
von unbehandeltem Papier.
b) Erhöhung der Zugfestigkeit durch Elektronenbestrahlung von
Holzschliffpapier mit Verfestigungsmitteln auf Biopolymer-Basis.
c) Erhöhung der Zugfestigkeit durch Elektronenbestrahlung von
Holzschliffpapier mit Verfestigungsmitteln auf Biopolymer-Basis
und säureneutralisierenden Additiven.
Die Bewertung der bisher erarbeiteten Ergebnisse zeigt, dass noch umfangreiche Arbeit zu leisten
ist. Gewisse Meilensteine wurden erreicht und erste Ergebnisse ermutigen, den gewählten
Lösungsansatz weiter zu verfolgen.
25
5.3.4 Zusammenfassung und Ausblick
Die Erarbeitung eines optimalen, effizienten und in akzeptabler Anwendungsbreite nutzbaren
Behandlungsverfahrens unter vertretbarem Kostenaufwand hat viele Faktoren und Einflussgrößen
zu berücksichtigen und war bisher im vorhandenen Budgetrahmen nicht uneingeschränkt
möglich. Die Fortführung der Arbeiten erstreckt sich derzeit auf die weitere Optimierung der
Verfestigungsmittel-Rezepturen und der Behandlungsabfolge. Die Schritte - Entsäuerung,
Trocknung, (eventuell) Oberflächenvorbehandlung, Aufbringen des Verfestigungsmittels,
Elektronenstrahlvernetzung unter Inertbedingungen sowie Ausbringen der Papierblätter - sind
verfahrenstechnisch so zu lösen, dass sie in einer kontinuierlich betriebenen Durchlaufanlage
effizient ausführbar werden. Die Problematik des Röntgenschutzes ist hierbei zu beachten.
Eine fundamentierte Konzeption der künftigen Anlagengestaltung ergibt sich aus den nächstfolgenden Arbeitsergebnissen. Wir glauben, dass in Zukunft auch der Bau einer mobilen Anlage
präferiert werden kann, die zu den jeweiligen Archivzentren fährt und dort das unmittelbar
bedrohte Massengut schnell und kostengünstig bearbeitet. Für einen anderen Einsatzzweck hat
Fraunhofer FEP solche mobile Behandlungsanlagen gebaut und an die Landwirtschaft zur
Entkeimung von Saatgut ausgeliefert. Sie arbeiten seit über einem Jahrzehnt an mehreren Einsatzorten erfolgreich. Die Erstellung einer im Pilotstadium funktionierenden ElektronenstrahlBehandlungsanlage für Papier im Durchlaufverfahren ist jedoch ohne entsprechende zusätzliche
Finanzmittel nicht realisierbar.
Literatur zu Kapitel 5:
U. Vohrer, I. Trick, J. Bernhardt, C. Oehr, H. Brunner: Plasma Treatment – an increasing technology for
paper restoration?, Surface and Coatings Technology, 2001, S. 142-144, S. 1069-1073.
B. Trnovec, M. Mikula, P. Rehak: Surface modification of paper by atmospheric barrier discharge in N2 to
enhance is strength and protection against aging. Printing Future Days 2005 - 1st international IARIGAI
student conference on print and media technology. Chemnitz, Germany. 14.11. - 17.11.2005, Proc. S. 227-232.
Paper manufacture and package printing, S. 228-232.
B. Trnovec, M. Mikula: Surface modification of paper by atmospheric DBD in N2 with HMDSO and chitosan
to enhance ist strength and protection against aging. 16th Symposium of Application of Plasma Processes,
Podbanske, Slowakia. 19.01. - 21.01.2007, Proc. S. 271-272, Bd. SAPP XVI.
Chr. C. Mollett, Chr. E. Butler, M. L. Burstall: Treatment of Archival Material. The British Library; US-Patent
4,808,433, (1989).
A. M. Felbush: Low temperature Irradiation of monomer impregnated cellulosic bodies. US-Patent 3,420,761
(1969).
Jett C. Arthur, Jr.; J. Macromol: Cellulose Graft Copolymers. Sci.-Chem., A4(5), 1970, S. 1057-1065.
E. Princi, S. Vicini: Graft polymerisation of ethyl acrylate/methyl methacrylate copolymers: A tool for the
consolidation of paper-based materials. European Polymer Journal 44, 2008, S. 2392-2403.
26
6. Öffentlichkeitsarbeit
Ein wichtiger Bestandteil des von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Projektes ist die
Öffentlichkeitsarbeit für die neugegründete Forschungsallianz Kulturerbe sowie für das
Forschungsprojekt Plasmatechnologie. Das Projekt ermöglichte eine Vielzahl von Aktionen und
Aktivitäten, die von der Fraunhofer Gesellschaft in Kooperation mit den Allianzpartnern
konzipiert und umgesetzt wurden.
Zu nennen sind hier:
 Erstellung eines Logos für die Forschungsallianz Kulturerbe
 Einrichtung und Pflege einer Webseite (www.forschungsallianz-kulturerbe.de)
 Erstellung eines Flyers für die Forschungsallianz Kulturerbe in deutscher und englischer
Sprache
 Erstellung von Postern zur Forschungsallianz und zur Plasmatechnologie
 Posterpräsentation der Plasmatechnologie im Rahmen der „ERA-NET NETHERITAGE“
Abschlussveranstaltung in Brüssel
 Erstellung von Roll-ups zur Forschungsallianz und zur Plasmatechnologie
 Erstellung eines Wikipedia-Artikels
 Präsentation auf der Denkmalmesse 2010 und 2012 in Leipzig
 Erstellung des Abschlussberichtes
 Durchführung der Abschlussveranstaltung im Fraunhofer FEP Dresden
Die Veröffentlichung einer Sonderpublikation über die Forschungsallianz Kulturerbe mit dem
Titel „Dem Zahn der Zeit zum Trotz – Wie Wissenschaftler mit Hightech unser Kulturerbe retten“
entstand in Kooperation mit dem Verlag Spektrum der Wissenschaft und erschien in den
Zeitschriften „Spektrum der Wissenschaft“ (2/2012) und „epoc“ (1/2012) mit einer Auflage von
ca. 150.000. Sie stellt gleichzeitig einen Beitrag zum Wissenschaftsjahr 2012 „Zukunftsprojekt Erde“
des BMBF dar.
Desweiteren hat die Forschungsallianz Kulturerbe in Kooperation mit der Neuen Deutschen
Kongress GmbH seit 2010 die jährliche Roadshow „Das grüne Museum“ zu aktuellen Fragen der
Museologie und Konservierungswissenschaft in Deutschland, Österreich und der Schweiz ins
Leben gerufen.
Durch die finanzielle Unterstützung aus Eigenmitteln der Fraunhofer Gesellschaft konnten das
Anliegen und die Aktivitäten der Forschungsallianz sowohl in der nationalen wie internationalen
Forschungsgemeinschaft, in der Gesellschaft aber auch in der Politik bekanntgemacht werden. Die
Forschungsallianz Kulturerbe ist mittlerweile in Deutschland und in Europa als ein zentraler
Ansprechpartner etabliert.
27
7. Projektleitung und Projektpartner
An dem Forschungsprojekt waren insgesamt sechs Fraunhofer-Institute, Einrichtungen der
Leibniz-Gemeinschaft und Stiftung Preußischer Kulturbesitz sowie zahlreiche assoziierte Partner
beteiligt.
Projektleitung
Koordination
(Öffentlichkeitsarbeit)
Dr. Johanna Leissner
Fraunhofer Brüssel
[email protected]
Dipl.-Restaurator Univ. Ralf Kilian
Fraunhofer IBP
[email protected]
Plasmatechnik
Dr. Uwe Vohrer
Fraunhofer IGB
[email protected]
Beteiligte Fraunhofer-Institute und AnsprechpartnerInnen
Adresse
Ansprechpartnerin
Fraunhofer Brüssel
Dr. Johanna Leissner
Scientific Representative for Fraunhofer
IAP, IBP, ICT, IGB, ISC, IST & MOEZ
Research Alliance Cultural Heritage and Sustainability Network
E-Mail: [email protected]
Rue du Commerce 31
B-1000 Bruxelles
Wissenschaftliche Repräsentantin für Fraunhofer IAP, IBP, ICT, IGB, ISC, IST & MOEZ, Koordination
nationaler und europäischer Forschungsprojekte im Bereich Kulturerbe sowie Mitbegründerin des
Fraunhofer Netzwerks Nachhaltigkeit.
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Adresse
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Institutsteil Holzkirchen IBP
Dipl.-Restaurator Univ. Ralf Kilian
Gruppenleiter Präventive Konservierung und Denkmalpflege
E-Mail: [email protected]
Fraunhoferstraße 10
83626 Valley
Die Aufgaben des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP konzentrieren sich auf Forschung,
Entwicklung, Prüfung, Demonstration und Beratung auf den Gebieten der Bauphysik. Dazu zählen z.B.
der Schutz gegen Lärm und Schallschutzmaßnahmen in Gebäuden, die Optimierung der Akustik in
Auditorien, Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und Optimierung der Lichttechnik, Fragen
des Raumklimas, der Hygiene, des Gesundheitsschutzes und der Baustoffemissionen sowie die Aspekte
des Wärme-, Feuchte- und Witterungsschutzes, der Bausubstanzerhaltung und der Denkmalpflege. Das
Fraunhofer IBP schafft mit der Arbeitsgruppe Präventive Konservierung und Denkmalpflege eine
Verbindung zwischen angewandter, naturwissenschaftlicher Forschung auf der einen Seite und der
Kunsttechnologie, Konservierungswissenschaft und praktischer Restaurierung auf der anderen Seite,
um in multidisziplinärer Zusammenarbeit neue Methoden und Verfahren zu entwickeln und zu
erproben.
Adresse
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut
für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB
Dr. Uwe Vohrer
Business Development
E-Mail: [email protected]
Nobelstrasse 12
70569 Stuttgart
Dr. Michael Haupt
Gruppenleiter: Plasmaverfahren und
Laborleiter Oberflächenanalytik
E-Mail: [email protected]
Das Fraunhofer IGB entwickelt und optimiert Verfahren und Produkte für die Geschäftsfelder Medizin,
Pharmazie, Chemie, Umwelt und Energie. Zu unseren Kompetenzen zählen Grenzflächentechnologie
und Materialwissenschaft, Molekulare Biotechnologie, Physikalische Prozesstechnik, Umweltbiotechnologie und Bioverfahrenstechnik sowie Zellsysteme. Ein großer Schwerpunkt liegt in der
Entwicklung plasmabasierter Prozesse für die oben genannten Geschäftsfelder.
Adresse
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut
für Elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FEP
Dipl.-Phys. Wolfgang Nedon
Leiter Technik, Beauftragter Architektur / Kulturguterhaltung
E-Mail: [email protected]
Winterbergstraße 28
01077 Dresden
Dipl.-Phys. Frank-Holm Rögner
Abteilungsleiter Elektronenstrahlprozesse
E-Mail: [email protected]
Das Fraunhofer FEP entwickelt plasmagestützte Verfahren zur Abscheidung dünner Funktionsschichten im Vakuum u.a. mittels Elektronenstrahlverdampfung und Magnetron-Sputtern sowie
Elektronenstrahl-Technologien zur Behandlung organischer Materialien, zur Desinfektion/
Sterilisierung und zur Modifikation von Oberflächen.
29
Adresse
Ansprechpartner/in
Fraunhofer-Institut
für Schicht- und Oberflächentechnik
IST
Dr. Michael Thomas
Abteilungsleiter Atmosphärendruckverfahren
E-Mail: [email protected]
Bienroder Weg 54 E
38108 Braunschweig
Dipl.-Ing. Margret von Hausen
Atmosphärendruck-Plasmaverfahren
E-Mail: [email protected]
Das Fraunhofer IST gehört zu den führenden Instituten der Oberflächen- und insbesondere der
Plasmatechnik. Neben PVD-, PECVD- und HWCVD-Verfahren im Niederdruck für tribologische und
optische Anwendungen werden auch neue Plasmaprozesse zur Schichtabscheidung und
Funktionalisie-rung von Oberflächen bei Atmosphärendruck seit über 15 Jahren entwickelt. Darüber
hinaus besitzt das Institut eine umfangreiche oberflächenanalytische Ausstattung.
Adresse
Ansprechpartner
Fraunhofer Informationszentrum
Raum und Bau IRB
Dipl.-Ing. Dipl-Wipäd. Volker Schweizer
AG Medieninhalte Planen und Bauen
E-Mail: [email protected]
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart
Das Bauen im Bestand sowie die Denkmalpflege nehmen einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Die
erforderlichen Baumaßnahmen setzen Erfahrung und spezifische Fachkenntnisse voraus, die dem
konkreten Einzelfall gerecht werden. Folglich kommt dem vernetzten Wissenstransfer und dem
unkomplizierten Zugriff auf verlässliche Fachinformationen eine besondere Bedeutung zu. Beim
Fraunhofer IRB werden Informationen zur Denkmalpflege und Bauschäden dokumentiert und zur
Verfügung gestellt. Es wird nicht nur gezeigt, welche relevanten Informationen es zum Thema gibt,
sondern wie diese zeitnah – oder zeitgleich – zu beschaffen sind. Durch die Zusammenarbeit mit
externen Fachautoren, Herausgebern, Tagungsreferenten und qualifizierten Mitarbeitern wird in
Verbindung mit modernster Technik eine neue Qualität im Angebot von Fachwissen erreicht, welche die
Informationsbeschaffung erleichtert.
Adresse
Ansprechpartner/in
Fraunhofer-Institut für
Silicatforschung ISC
Dipl.-Rest. (FH) Katrin Wittstadt
Fachbereich Kulturgüterschutz
E-Mail: [email protected]
Außenstelle Bronnbach
Bronnbach 28
97877 Wertheim-Bronnbach
Der Fachbereich Kulturgüterschutz des Fraunhofer ISC stellt eine Schnittstelle zwischen zukunftsweisenden Technologien und klassischer Restaurierung dar. Im Fokus stehen spezifische Aufgaben zur
Erhaltung von historischen Gläsern und Keramiken, aber auch geschädigten Metallobjekten, Emaille,
Glasuren oder Mosaiken. Die anwendungsorientierte Forschung umfasst neben der Schadensanalytik
auch die Entwicklung neuer Konservierungsmaterialien- und Methoden.
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Projektpartner
Archäologische Staatssammlung München
Prof. Dr. Rupert Gebhard
Bayerisches Hauptstaatsarchiv
Gerhard Fürmetz, Klaus Rieger
Bayerisches Nationalmuseum
Ute Hack, Dagmar Drinkler, Egidius Roidl
Braunschweigisches Landesmuseum
Dr. Angela Klein, Olaf Wilde
Landesmuseum Württemberg
Andrea Funck, Martin Raithelhuber
Römisch-Germanisches Zentralmuseum
Christian Eckmann
Staatliche Akademie der Bildenden Künste Stuttgart
Prof. Dr. Gerhard Eggert, Annika Maier
Staatsbibliothek zu Berlin
Dr. Joachim Zeller
Technische Universität München
Prof. Erwin Emmerling, Jonas Jückstadt
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
Siobhan Piekarek, Prof. Ruth Keller
Fachhochschule Potsdam/Rijksmusem Amsterdam
Sophie Hoffmann, Prof. Jörg Freitag
Fachhochschule Köln
Dr. Anne Sicken
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AutorInnen
Dr. Johanna Leissner, Fraunhofer Brüssel; Viktoria Piehl, Wiss. Mitarbeiterin der Forschungsallianz
Kulturerbe; Wolfgang Nedon, Fraunhofer FEP; Wolfgang Schwarz, Fraunhofer FEP; Dr. Michael Thomas,
Fraunhofer IST; Margret von Hausen, Fraunhofer IST; Dr. Uwe Vohrer, Fraunhofer IGB; Ralf Kilian,
Fraunhofer IBP; Volker Schweizer, Fraunhofer IRB; Dr. Paul Bellendorf, Fraunhofer ISC
Bildnachweis
Titelbilder (v.o.n.u.): Fraunhofer IGB, Fraunhofer FEP, Fraunhofer IGB, Fraunhofer IGB, Fraunhofer IST
Abb. 1 - 9: Fraunhofer IGB
Abb. 10-19: Fraunhofer IST
Abb. 20-25: Fraunhofer FEP
Der ausführliche Abschlussbericht zum Projekt „Plasmatechnologie – eine innovative Technologie zur
Konservierung und Restaurierung von Kulturgütern und öffentliche Präsentation der Forschungsallianz
Kulturerbe“ wird voraussichtlich im Herbst 2012 über das Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau
zu beziehen sein.
IMPRESSUM
Herausgeber:
Redaktion:
Layout/Satz:
Produktion:
Forschungsallianz Kulturerbe
Dr. Johanna Leissner, Viktoria Piehl
Viktoria Piehl
Fraunhofer Informationszentrum Raum und Bau IRB, Stuttgart
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© Forschungsallianz Kulturerbe 2012
Ansprechpartner der Forschungsallianz Kulturerbe
Prof. Dr. Stefan Simon
Direktor
Rathgen-Forschungslabor,
Staatliche Museen zu Berlin
Dr. Stefan Brüggerhoff
Museumsdirektor
Deutsches Bergbau-Museum
Bochum
Dr. Johanna Leissner
Scientific Representative for
Fraunhofer IAP, IBP, ICT, IGB, IST,
ISC & MOEZ
Schlossstraße 1a
14059 Berlin
Telefon: +49 (30) 3267490
Herner Straße 45
44787 Bochum
Telefon: +49 234 968-4032
Rue du Commerce 31
B-1000 Bruxelles
Telefon: +32 2 506 42 43
[email protected]
www.smb.museum/rf
[email protected]
www.bergbaumuseum.de
[email protected]
www.fraunhofer.de
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