Szkło znajdujemy w budownictwie, architekturze, telekomunikacji, elektronice, medycynie, rolnictwie, czy w materiałach artystycznych, tworzących trwałe ślady naszego bytu i ewolucji kultury materialnej. Taka gama zastosowań możliwa jest dzięki specyficznej strukturze szkła i możliwościom modyfikowania jego właściwości. Ponadto, dzięki obecnym, nieograniczonym wręcz możliwościom technicznym rozwiązania, o których do niedawna nikt nie myślał, dziś są realizowane.

 

 

64-rys1

 

Rys. 1. SEM sensora witraża XIV w. gotowanego w wodzie destylowanej (pow. szlifowana)
 

Szkło jest generalnie materiałem trwałym, ale z uwagi na tak szerokie zastosowanie ma różną trwałość chemiczną. Skłonność szkła do reakcji z czynnikami zewnętrznymi zależy od jego składu chemicznego. Istotną rolę w podatności szkła na oddziaływanie z mediami ma stan zachowania jego powierzchni, czas, temperatura oddziaływania oraz charakter samego medium.

 

Jednym z ważniejszych zagadnień, zarówno dla technologów szkła jak i dla jego użytkowników, jest poznanie charakteru zjawisk chemicznych, jakie zachodzą na powierzchni tego materiału i prowadzą w rezultacie do niekorzystnych chemicznych i fizycznych zmian samego szkła.

 

Prowadzone prace nad tym zjawiskiem zmierzają do rozpoznania i określenia wpływu czynników zewnętrznych (tzw. korozyjności) i ich reakcji ze szkłem, w zależności od rodzaju samego szkła.

 

Badania wymienionych powyżej zjawisk prowadzone są między innymi w Katedrze Technologii Szkła i Powłok Amorficznych, Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej. Problem ten związany jest z szeregiem prac koniecznych w badaniach szkieł historycznych, umożliwiających prowadzenie prac konserwatorskich, niezbędnych dla zachowania tych obiektów, w trosce o dziedzictwo kulturowe lub w celu rozszerzenia zastosowania nowego szkła. Tylko po wykonaniu szeregu badań z uwzględnieniem uzupełniających się metod możliwe jest podjęcie decyzji o rozszerzeniu jego aplikacyjności [1].

 

64-rys2

Rys. 2. EDS sensora szkła witrażowego XIV w. (Kościół Bożego Ciała w Krakowie) gotowanego w wodzie destylowanej

 

 

Tego typu prace można prowadzić tylko przy dysponowaniu odpowiednią ilością materiału.

 

Problem ten jest szczególnie trudny w przypadku analizy korozji szkieł historycznych, z uwagi na ograniczoną ilość materiału. Wówczas to celowe jest zastosowanie metody tzw. sensorów szklanych. Pojęcie „sensory szklane" oznacza szkła modelowe, służące jako rejestratory zmian w szkle powstałych pod wpływem czynników zewnętrznych, oddziaływujących na szkło lub ewentualnie mających taki wpływ. W ten sposób na podstawie pojawiających się zmian na powierzchni można monitorować zjawiska korozyjne materiału, występujące w określonym miejscu, jak też mogące zaistnieć w przypadku planowanych innych zastosowań szkła lub miejsc jego ekspozycji.

 

64-rys3

Rys. 3. AFM sensora szkła witrażowego XIV w. po gotowaniu w wodzie destylowanej

 

 

 

Sensory to szkła odzwierciedlające swoim składem i przeszłością termiczną szkła będące przedmiotem badań. Stąd też uważa się, że ich skłonność do reakcji z otaczającym je medium jest porównywalna do omawianych obiektów zdefektowanych przez wskazane czynniki i parametry fizyko-chemiczne, które towarzyszą ich przechowywaniu. Sensory szklane są poddawane procesowi tzw. korozji indukowanej, a więc działaniu różnych niszczących czynników środowiskowych (przede wszystkim związków chemicznych), w rozmaitych przedziałach czasowo-temperaturowych.


Wyniki badań przeprowadzonych na sensorach informują nas o zachodzących procesach, które w wielu przypadkach doprowadzają do niszczenia obiektów historycznych. Szybka i precyzyjna identyfikacja takich przypadków umożliwia ustalenie czynników korozyjnych, a to ukierunkowuje właściwe zabiegi konserwatorskie. Jak dotąd, z uwagi na bardzo wysokie koszty i konieczność posiadania wyposażenia pomiarowego, w wielu miejscach nie prowadzi się monitoringu parametrów otaczającego środowiska naturalnego. Wtedy właśnie istotną rolę pełnią tzw. sensory szklane. Ich skuteczność jest szczególnie dobra wówczas, gdy są one odpowiednio dobrane pod względem składu chemicznego, odpowiadającego składom badanych obiektów [2].

 

64-rys4

Rys. 4. Kielich Saski XVIII w., zbiory Muzeum Narodowego w Krakowie.

 

 

Regularnie prowadzone obserwacje makroskopowe z równoczesną kontrolą parametrów temperaturowo-wilgotnościowych pozwalają na ustalenie rodzaju i kierunku powstających zmian oraz określenie stopnia destrukcji szkła.

 

Równocześnie sensory szklane dla odpowiednich obiektów są korodowane w warunkach laboratoryjnych z uwzględnieniem również parametrów ekstremalnych, jak np. wysoka temperatura lub ciśnienie. Ma to na celu przyspieszenie procesów destrukcyjnych.

 

Procesy korozyjne prowadzi się z zachowaniem stałego stosunku powierzchni szkła (S) do objętości (V) użytych roztworów [3]. Wówczas otrzymane wyniki mogą być ze sobą porównywane. Jest to ważny element, ponieważ jak dotąd nie ma konkretnej jednostki ani jednolitej metody do badania i określenia stopnia deterioracji szkła. Otrzymane w ten sposób wyniki są porównywalne i pomagają w ustaleniu wpływu wartości stężenia danego medium na stopień zniszczenia materiału.

 

 

64-rys5

Rys. 5. SEM sensora pucharu z XVIII w., przetrzymywanego w wodzie w temperaturze pokojowej - powierzchnia szlifowana - próbka A

 

Proces korozji indukowanej często jest silniejszy niż ten, który występuje w warunkach naturalnych [2].

 

W przypadku prac prowadzonych w Katedrze Technologii Szkła i Powłok Amorficznych ze szkłami historycznymi koncentrowano się głównie na badaniach samego materiału, stanowiącego zabytek lub będącego przedmiotem dyskusji nad rozszerzeniem jego stosowalności.

 

Zakres badań, w sensie różnorodności przebadanego materiału, jest dość szeroki.

 

Przebadano następujące zabytki sztuki szklarskiej, które zostały wskazane przez ich posiadaczy z uwagi na rozpoczęte prace konserwatorskie i pewne problemy wynikające z ich stanu technicznego:

- szkło wykopaliskowe z ok. XIV w. z terenów gminy Szemud,

- szkło wykopaliskowe z I w. fortu rzymskiego Gelligaer (szkło okienne),

- szkło witrażowe z XIV w. z kościoła Najświętszej Marii Panny w Krakowie,

- szkło witrażowe z XIV w. z kościoła Bożego Ciała w Krakowie,

- szkła saksońskie z XVIII w. ze zbiorów Muzeum Narodowego w Krakowie,

- dekoracyjne aplikacje wykonane ze szklanych koralików na damskiej sukni z XVIII w., ze zbiorów Muzeum Narodowego w Krakowie,

- szkło z ołtarzyka zdobionego techniką eglomise z XVII w. ze zbiorów Muzeum Narodowego w Krakowie.

 

 

Ponadto należy tu nadmienić, że w grupie analizowanych obiektów współczesnych były szkła przeważnie do zastosowania w budownictwie. Były to szkła hartowane, z powierzchniami różnorodnie wzmocnionymi, np. powłokami. Z uwagi na umiejscowienie takich szyb należało podejść do zagadnienia indywidualnie. Badania wówczas były prowadzone na próbkach oryginalnych i w oparciu o szczegółowe dane przyszłych parametrów eksploatacyjnych. Otrzymane dane pozwoliły na sugestie dotyczące rodzaju powłoki i sposobu ich nanoszenia (np. grubości), aby szkło było bardziej wytrzymałe do planowanych zastosowań.

 

 

Intensywność procesów destrukcyjnych jest zależna od składu chemicznego a także postaci (roztwór, faza gazowa) czynników je wywołujących oraz temperatury.

 

W przypadku szkieł historycznych, ich sensory - skorodowane w różnych warunkach - były badane przy użyciu następujących metod: mikroskopii skaningowej (SEM), z przystawką do analizy chemicznej (energy dispersive spectroscopy - EDS), spektroskopii w podczerwieni (FTIR), mikroskopii sił atomowych (AFM) czy interferometrii optycznej (OI). Należy tu nadmienić, że wszystkie pomiary były wykonane na próbkach bez uprzedniego napylania ich powierzchni.

 

Głównym celem było prześledzenie wpływu zasugerowanych czynników korozyjnych działających na obiekty rzeczywiste, a w celu przyspieszenia niektórych procesów stosowano podwyższoną temperaturę lub ciśnienie.

 

Badanie szkieł historycznych - o ile jest taka możliwość - wskazuje już defektację powierzchni po wielu nakładających się na szkłach procesach.

 

Na sensorach można przebadać wpływ kolejnych wskazanych mediów i nawet łączyć je z różnymi parametrami fizycznymi. Próby te ułatwiają interpretację złożonych zjawisk korozyjnych na obiekcie rzeczywistym. Tak np. witraże, które są zlokalizowane często w środowisku wilgotnym będą wyglądać inaczej niż te, które są w środowisku przemysłowym, również wilgotnym ale z podwyższoną zawartością siarki i dwutlenku węgla [1].

 

Dla uzyskania szybszych wyników stosowane powierzchnie sensorów były szlifowane.

 

Sensor czternastowiecznego witraża, z dużą koncentracją alkalii, czyli chemicznie nietrwały, był przetrzymywany w temperaturze pokojowej (ok. 20oC) oraz, w nieregularnych odstępach czasu, gotowany. Po ośmiu miesiącach takiego oddziaływania wody wykonano obserwacje mikroskopowe na mikroskopie skaningowym, co przedstawia rysunek 1.

 

Mechanizm korozji szkieł, jaki ujawnił się w rezultacie przeprowadzonych badań, odpowiada pod względem swego ogólnego charakteru mechanizmowi rozpuszczania inkongruentnego w cieczach środowiskowych [2].

 

Rozpuszczanie inkongruentne wyróżnia się tym, że składniki rozpuszczającego się ciała stałego przechodzą do roztworu w innych proporcjach niż w nim występowały, gdyż część z nich wytrąca się na granicy ciało stałe - roztwór w postaci związków, których rozpuszczalność w roztworze jest mniejsza [5].

 

Z uzyskanych rezultatów badań wynika, że w przypadku korozji atmosferycznej szkieł, koncepcja ta wymaga rozszerzenia o przypadek, gdy skład roztworu ulega okresowym zmianom, co ma miejsce w odniesieniu do wody opadowej (dotyczy to witraży przeniesionych do pomieszczeń muzealnych). Dla ułatwienia interpretacji zjawisk zachodzących na szkle mierzono również wartości pH kolejnych roztworów korodujących przed i po kolejnych etapach badań.

 

Zmiany charakteru roztworu, z wyraźną tendencją do jego alkalizacji, wpływają na zmiany powstałe na szkle, zarejestrowane w analizie EDS (rys. 2).

 

Trójwymiarowy obraz powierzchni szkła zdefektowanego przez wodę uzyskano w mikroskopie sił atomowych (rys. 3).

 

Powierzchniowe rysy spowodowały rozwinięcie powierzchni i ułatwiły tym bardziej reagowanie z wodą. Proces ten doprowadził do dealkalizacji powierzchni i pokrycie jej warstwą żelu krzemionkowego, który uwidacznia rys. 2 [2].

 

Tak więc szkło, z tendencją do reakcji z wodą, będzie jeszcze łatwiej ulegało zniszczeniu, kiedy jego powierzchnia będzie już zdefektowana. Tym samym wynik oddziaływania siarki - która uaktywnia się w wilgotnym środowisku - będzie szybszy i poważniejszy w skutkach.

 

Inne próby robione dla sensorów szkieł osiemnastowiecznych były ukierunkowane na zbadanie siły oddziaływania związków organicznych na powierzchnie szklane. Problem ten został zasygnalizowany bezpośrednio przez konserwatorów muzealnych. Sukcesywnie postępujące zmiany powierzchni pewnej grupy szkieł, pomimo utrzymywania stabilnych parametrów, uznanych za właściwe, zasugerowały potrzebę szukania przyczyn tych zmian w miejscach, które do tej pory nie budziły żadnych podejrzeń. Na drodze analizy zebranych informacji okazało się, że zmiany powodane były materiałem, z jakiego zostały wykonane gabloty wystawowe i szafy magazynowe. Do ich produkcji używano bowiem kleju z udziałem formaldehydu.

 

Celem sprawdzenia ewentualnego wpływu tego składnika na klimat wnętrza szaf czy gablot, dokonano pomiaru stężenia par aldehydu mrówkowego przy użyciu metody kolorymetrycznej. Otrzymane wartości stężeń par aldehydu mrówkowego we wnętrzu gablot były wielkościami na tyle dużymi, że mogły stanowić istotne zagrożenie dla przechowywanych obiektów, które przecież są zachowane w różnym stanie. Eksponaty z Muzeum Narodowego, będące przedmiotem badań, w większości były w stanie na tyle dobrym lub w całości zachowane po renowacji, że nie było możliwe uzyskanie jakichkolwiek fragmentów do badań.

 

Inne, dostępne części oryginałów, datowane na wiek XVIII, miały zauważalne zamglenia powierzchniowe, porównywalne do reprezentatywnego obiektu z podobnymi zmianami, uwidocznionego na rys. 4.

 

Pomocnym stały się też sensory szklane wykonane dla osiemnastowiecznych pucharów i następnie poddane indukowanej korozji w mediach organicznych o różnym stężeniu, w różnym czasie i różnej temperaturze ekspozycji.

 

Po przetrzymywaniu takiego sensora w temperaturze pokojowej wykonano obserwacje mikroskopowe, co przedstawia rys. 5 [2].

 

Widać na nim, że powierzchnia jest wyraźnie zdefektowana, z licznymi lokalnymi rozwarstwieniami. Analiza z wybranego punktu na części będącej nawarstwieniem, wykazała obecność związków organicznych, co uwidoczniła analiza EDS. Wykazała ona obecność krzemu, węgla oraz słabszego śladu tlenu. W tle pozostają alkalia i wapń.

 

Takie zjawisko obserwowane jest na wielu innych sensorach, przetrzymywanych w temperaturze pokojowej, jak też gotowanych. Otrzymane wyniki pokazują wyraźne tworzenie się związków organicznych na powierzchni szkła, w wyniku jego reakcji z formaldehydem. Mała ilość i wielkość kryształków wytworzonych na powierzchni szkła, uniemożliwia ich dokładne zbadanie dostępnymi metodami.

 

W toku badań udało się zaobserwować tworzenie się warstwy krzemionkowej i jej zmiany pod wpływem działania roztworów i temperatury.

 

Warstwa krzemionkowa, pozbawiona alkaliów, zaczyna tworzyć się pod wpływem wilgoci atmosferycznej na wyrobach ze szkła zaraz po ich uformowaniu i ostudzeniu. Jej powstanie zwiększa z czasem odporność chemiczną i mechaniczną szkła, zwłaszcza na zarysowanie.

 

Korozja w warunkach naturalnych lub indukowanych zwiększa jej grubość i równocześnie powoduje uwodnienie oraz stopniową przebudowę w kierunku żelu krzemionkowego. W przypadku sensorów obrazują to wyraźne zmiany masy próbki przed, w trakcie i po eksperymencie. W okresach suchych następuje odwodnienie warstwy, które skutkuje odpowiednim zmniejszeniem jej objętości, kurczeniem się i powstaniem spękań, dając efekt tzw. crizzlingu.

 

Szkła historyczne, słabsze pod względem odporności chemicznej, umożliwiają szybsze kształtowanie się warstwy żelowej i wykazują małą odporność na korozję. Obserwuje się różne etapy zmian powierzchni, które początkowo pojawiały się w sposób nieuchwytny, często jako bardzo słaba iryzacja, przechodząca szybko w nieznaczne zmętnienie, a wreszcie pojawia się zwarta warstwa produktów korozji.

 

Warstwa żelowa osiąga grubość ok. 10-100 |jm. Nieraz dochodzi ona do 1 mm. Wówczas zachowane warstwy szkła pierwotnego stają się coraz cieńsze, a warstwy produktów osadzone na nich coraz grubsze. Szkło staje się trudne do rozróżnienia z uwagi na jego strukturę warstwową [6].

 

Inny przypadek zmniejszania się grubości szkła pierwotnego występuje w witrażach średniowiecznych, troskliwie restaurowanych poprzez sukcesywne zmywanie warstw korozyjnych z zewnętrznych części witraża. Warstwy produktów korozji znacznie się zmniejszą poprzez powtarzające się prace zmywania, ale odsłonięta zostaje warstwa tzw. „wyługowana", która teraz pełni rolę zabezpieczającą szkło przed dalszym oddziaływaniem czynników zewnętrznych. Dlatego warto rozważyć sposób usuwania produktów korozyjnych w taki sposób, aby zawsze pozostawiać warstwę żelową na powierzchni szkła. Warstwa ta pełni rolę czynnika wzmagającego odporność.

 

Można założyć, że warstwa żelowa zabezpiecza szkła historyczne przed ich rozpuszczeniem. Jeżeli zostanie usunięta w sposób mechaniczny, np. przez zeszli-fowanie warstwy zewnętrznej, to średniowieczne szkło witrażowe przetrwa tylko krótki okres. Dzieje się tak dlatego, że odsłania się zdefektowana powierzchnia, która łatwo wchodzi w reakcję z otoczeniem. Tak więc warstwa żelowa może być traktowana jako pierwszy stabilizujący czynnik przeciwdziałający korozji.

 

Większość szkieł współczesnych z racji swojego składu (ok. 70% masowych krzemionki) tworzy powierzchniową warstwę krzemionkową o submikronowej grubości, gdyż trójwymiarowa struktura szkła, z racji składu, utrudnia rozprzestrzenianie się procesu destrukcji.


Czyszczenie i restaurowanie historycznych obiektów musi się odbywać w zgodzie z zasadą zachowania i zabezpieczenia substancji oryginalnej. Należy tu nadmienić, że dla szkieł konserwowanych zabezpieczenie istniejącej warstwy żelowej ma fundamentalne znaczenie.

 

Otrzymane wyniki z badań obiektów oryginalnych jak i ich sensorów udowadniają że całego procesu destrukcji nie da się ujednolicić i usystematyzować. Analiza poszczególnych przypadków wyraźnie pokazuje, jak złożone są to zjawiska które często przechodzą jedne w drugie, bez wyraźnych rozgraniczeń. Najważniejszy jest tu skład chemiczny i stan zachowania powierzchni. Zachowanie się szkła względem różnych mediów zapisane jest w jego składzie tlenkowym.

 

Bardzo istotne są parametry tempe-raturowo-czasowe jego przechowywania. Jednorazowy gwałtowny wzrost temperatury może być gorszy dla szkła niż stabilne - choć nieoptymalne dla obiektu - parametry fizyko-chemiczne. Ustalenie pewnych warunków równowagi jest lepszym gwarantem zachowania dobrego stanu szkła niż gwałtowna zmiana na prawdopodobnie lepsze parametry otoczenia.

 

Interesujące są wyniki eksperymentów, prowadzonych równolegle z sensorem (tzn. modelem konkretnego obiektu) w tym samym medium ale przy zachowaniu obiegu zamkniętego i wymianie medium na świeże po ustalonym czasie, czy każdorazowym gotowaniu.

 

Okazało się, że każdorazowa wymiana medium to często usunięcie przyczyny korozji, ale i jej skutków. Często roztwór korodujący wchodzi w reakcję z powierzchniowymi produktami i je rozpuszcza, lub wymywa ze szkła. Te nowe miejsca nie zdążą wejść w kolejną reakcję kiedy nastąpi usunięcie roztworu. Zostaje wówczas świeża, odsłonięta warstwa, bogatsza w alkalia, z bardziej rozwiniętą powierzchnią czynną, która intensywniej wejdzie w reakcję z nową porcją świeżego roztworu. Ten każdorazowy, nowy impakt jest silny i powoduje odpadanie kolejnej warstwy szkła do medium korodującego. W wyniku tego grubość szkła pierwotnego jest coraz mniejsza. Stwierdzenia te wynikają bezpośrednio z przeprowadzonych badań zarówno na fragmentach szkieł historycznych jak i na ich odpowiednich sensorach na drodze korozji indukowanej.

 

W pracach nad renowacją i konserwacją zabytków sztuki szklarskiej pojawia się często dylemat odnośnie usuwania warstwy produktów korozji z powierzchni szkła. W świetle przeprowadzonych badań należy zauważyć, że w przypadku zawansowanej korozji, kiedy powierzchnia szkła pokryta jest warstwą jej produktów wskazane jest ich usunięcie aż do odsłonięcia niezmienionego szkła. Pozwoli to na odbudowanie się zwartej warstwy krzemionkowej, która znowu będzie mogła spełniać rolę ochronną. W przypadku, gdy warstwa krzemionkowa jest zwarta, a jej pęknięcia niezbyt liczne, czyszczenie powierzchni należy prowadzić tak, aby jej nie naruszyć.

 

Inaczej będzie należało podejść do tego procesu w przypadku obecności dekoracji na obiekcie typu: emalia, farba czy folie złote lub srebrne z grawerowanymi wzorami.

 

W każdym przypadku decyzje powinny być podejmowane po dokładnym rozpoznaniu stanu powierzchni szkła, najlepiej po przeanalizowaniu zjawisk korozyjnych i wniosków z eksperymentów, przy zastosowaniu odpowiednich sensorów, aby prześledzić różne etapy zmian szkła.

 

Zgodnie z zasadą, że wczesna wykrywalność zjawisk negatywnych to najlepsza metoda prewencyjna, słusznym i zasadnym jest propagowanie metody sensorów szklanych do określenia zakresu i sposobu przeprowadzenia różnego rodzaju prac konserwatorskich i renowacyjnych, a także wyboru optymalnego miejsca przechowywania i ekspozycji obiektów szklanych [2].

 

Problemy szkieł zabytkowych poruszane w niniejszej w pracy są odbiciem problemów spotykanych w wielu muzeach świata, a szkła współczesne mogą być badane pod kątem bardzo ścisłego określenia przyszłych parametrów użytkowych. Skala wielkości tych problemów wynika z różnych systemów kontrolnych i zabezpieczających obiekty historyczne.

 

Dr inż. Elżbieta Greiner-Wronowa

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH - Kraków

 

Literatura

1. Greiner-Wronowa E.: Szkła sensorowe dla ochrony zabytków - praca doktorska. AGH, Kraków 1999.

2. Greiner-Wronowa E.: Korozja Szkieł Zabytkowych. „Ceramika", PAN Oddział Kraków - Vol. 85, 2004.

3. Hench L. w: „Journal of Non-Crystalline Solids" Vol. 28. Nr 1, 1978.

4 Greiner-Wronowa E., Stoch L.: Proc. of Inter. Conference on Conservation Kraków 2000, s. 233-237.

5. Richter T. w: „Ceramika", PAN Oddział Kraków - Vol. 39., 1994, s. 47 -56.

6. Muller W. w: „Glastechnische Berichte" -Nr 9. 1968, s. 285-291.



więcej informacji: Świat Szkla 5/2005

 

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.