Understanding the impact in relative humidity fluctuations on the stability of poruos underbound paint layers
Projektdurchführung
Technische Hochschule Köln
CICS - Institut für Restaurierungs- und
Konservierungswissenschaften
Fakultät für Kulturwissenschaften
Ubierring 40
50678 Köln
Zielsetzung
Im September 2022 hat der Deutsche Museumsbund eine "Empfehlung zur Energieeinsparung durch die Einführung eines erweiterten Klimakorridors bei der Museumsklimatisierung " veröffentlicht. In dieser wird empfohlen, einen großzügigeren Klimakorridor bei der Museumsklimatisierung zuzulassen und damit die bisher eng gefassten Sollwerte für Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit unter bestimmten Bedingungen auszuweiten.
Der empfohlene Klimakorridor sieht einen Temperaturbereich von 18°C-26°C (max. +/-2 °C innerhalb von 24h) und einen Luftfeuchtigkeitsbereich von 40-60% (max. +/- 5 Prozentpunkte innerhalb von 24h) vor.
Aktueller Anlass für die Empfehlung war die drohende Energieknappheit und insbesondere das Ziel, den CO2-Fußabdruck von Museen als öffentliche Institutionen zu reduzieren und damit nachhaltig zum Klimaschutz beizutragen.
Obwohl dieser erweiterte Klimakorridor für viele Materialien in Museumssammlungen vermutlich unbedenklich ist, erfordert die Risikobewertung für besonders klimaempfindliche Materialien zusätzliche Untersuchungen. Zu dieser Risikobewertung durch Restaurator:innen, Naturwissenschaftler:innen und Materialexpert:innen fordert der Deutsche Museumsbund in Punkt 5 der Empfehlung auf.
Poröse Malschichten, die eine geringe Menge an hygroskopischem Bindemittel enthalten, bilden eine dieser besonders klimaempfindlichen Materialkategorien.
Ziel unseres Projektes ist es zu untersuchen, welchen Einfluss die langfristige und sich zyklisch wiederholende Schwankung der relativen Luftfeuchte im Bereich zwischen 40-60% auf die Kohäsion poröser Malschichten mit hygroskopischen Bindemitteln und auf die Kontaktfläche zwischen Pigmentoberfläche und Bindemittel hat. Zum ersten Mal wird die Beziehung dieser zwei Aspekte auf Makro- und Mikroebene systematisch untersucht und korreliert.
Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) fördert das Forschungsvorhaben mit 85.000 Euro. Durchgeführt wird es an der Technischen Hochschule Köln, am Institut für Restaurierungs- und Konservierungswissenschaft (CICS), unter Leitung von Prof. Dr. Ester S.B Ferreira und unter Mitarbeit von Charlotte N. Stahmann (M.A.), sowie den Studierenden Emma Helfrich und Thanh Vu. Interne Partner im Projekt sind Prof. Dr. Jörg Lüderich und Andreas Käckel von Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TH Köln. Externe Partner sind Martin Muckelbauer (Powerlyze GmbH, Nürnberg) und Dr. Nicholas Phillips (Paul-Scheerer-Institut, Villigen, Schweiz).
Arbeitsschritte
Die Untersuchungen werden an Probekörpern durchgeführt, deren Materialien repräsentativ für eine Vielzahl farblich gefasster Kunst- und Kulturobjekte sind. Die Beispiele reichen von dekorativen Wandmalereien in norwegischen Stabkirchen [1] über australische indigene Rindenmalereien [2], Artefakte aus Papua-Neuguinea [3] bis hin zu Tüchleinmalerei [4]. Die Materialwahl umfasst die hygroskopischen Bindemittel Gelatine und Kasein (Proteine) sowie Gummi Arabicum (Polysaccharid). Als Pigmente werden Champagnerkreide, roter Ocker und Rebschwarz verwendet. Ein wasserunempfindliches Substrat wurde ausgewählt.
Insgesamt ergeben sich daraus Malschichten in neun verschiedenen Materialkombinationen, von denen jeweils ein Set mit geringem und ein Set mit ausreichend hohem Bindemittelanteil hergestellt wird.
Zur Ermittlung des Einflusses schwankender relativer Luftfeuchtigkeit auf poröse Malschichten mit hygroskopischen Bindemitteln wenden wir die Methode der künstlichen Alterung an. Dabei werden die zu untersuchenden Malschichten kontrollierten Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit ausgesetzt.
Neben den erwähnten Luftfeuchtigkeitsschwankungen zwischen 40 und 60 %, die im Rahmen der neuen Klimaempfehlungen im Fokus dieser Untersuchungen stehen, werden jeweils ein Probekörper-Set zu Vergleichszwecken den folgenden Klimasituationen ausgesetzt:
20–80 %, repräsentativ für eine nicht klimatisierte Umgebung,
45–55 %, repräsentativ für die bisher verbreitete Klimaempfehlung der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) [5],
sowie eine Umgebung mit stabilisierter relativer Luftfeuchtigkeit von 54 %, repräsentativ für eine Vitrine mit gesättigter Magnesiumnitrat-Salzlösung.
Die Temperatur wird in allen Versuchen konstant bei 22 °C gehalten.
Zur Überprüfung der Kohäsion der Malschichten nach der künstlichen Alterung wird in Kooperation mit dem IPK der TH Köln ein standardisiertes und automatisiertes Testverfahren entwickelt, das auf der Sammlung loser Partikel an der Probenoberfläche basiert (sogenannte Adhäsionsmethode). Zusätzlich wurde ein Abriebverfahren nach DIN ISO 4628-7:2006-07 getestet.
Ergänzend zur Untersuchung der Kohäsion fokussieren wir mittels Rasterelektronenmikroskopie und Synchrotron-Röntgen-Tomographie auf die Nanoebene des Inneren der Malschichten, um die Verteilung des Bindemittels sowie die Morphologie der Bindemittelbrücken in 3D zu analysieren.
Ergebnisse
Das Ziel, eine Methodik zur Beurteilung der Kohäsion zu entwickeln, wurde erreicht. Die Adhäsionsmethode zeigte eine gute Reproduzierbarkeit, während die Abrasionsmethode geringere Reproduzierbarkeit aufwies. Letztere erscheint jedoch für die Bewertung von Proben, die längeren Alterungszyklen ausgesetzt waren, am besten geeignet. Die Abrasionsmethode eignete sich für alle drei untersuchten Pigmente, die Adhäsionsmethode erwies sich insbesondere für das Pigment Roter Ocker als besonders geeignet.
Die Reduzierung des Bindemittelanteils von 4 % auf 2 % führte zu einer Verringerung der Kohäsion, wie in beiden Methoden – Abrasions- und Adhäsionsmethode – festgestellt werden konnte.
Die Empfindlichkeit der Farbsysteme gegenüber schwankender relativer Luftfeuchtigkeit variiert abhängig von der Art des Bindemittels (Kasein, Gelatine oder Gummi Arabicum).
Einfluss schwankender relativer Luftfeuchtigkeit: Die Testdauer war mit einer Äquivalenz von ca. sieben Jahren für eine eindeutige Schlussfolgerung nicht ausreichend.
- Interessanterweise zeigten Referenzproben, die während der gesamten Projektdauer bei 54 % relativer Luftfeuchtigkeit und 22 °C gelagert wurden, eine geringere Kohäsion als die gealterten Proben.
- Die unkontrollierte Umgebung mit relativer Luftfeuchtigkeit zwischen 30 % und 80 % führte zum stärksten Kohäsionsverlust.
Dieser Befund wurde sowohl in den Adhäsions- als auch in den Abrasionskohäsionstests bestätigt und unterstützt die Hypothese, dass schwankende relative Luftfeuchtigkeit zu Kohäsionsverlust führt.
Der Einfluss des erweiterten Klimakorridors von 40–60 % im Vergleich zu 45–55 % lag innerhalb der Messgenauigkeit. Als Fazit sind längere Alterungszyklen erforderlich, um eine statistisch belastbare Aussage treffen zu können.
Einerseits deuten die Abrasionskohäsionstests auf eine Verringerung der Kohäsion bei Erweiterung des relativen Feuchte-Korridors von 45–55 % auf 40–60 % hin. Andererseits ist die Streuung der Daten hoch, sodass diese Ergebnisse statistisch nicht repräsentativ sind.
Die Synchrotron-Röntgen-Ptychographie erwies sich als äußerst aufschlussreich für die Untersuchung der Verteilung und des Zustands des Bindemittels in porösen Farbschichten im Nanometerbereich. Vergleichsstudien mit laborbasierter Nano-Computertomographie im Phasenkontrast- und Absorptionsmodus zeigten, dass diese Methode ein nützliches ergänzendes Werkzeug zur Untersuchung von Proben bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck darstellt.
Öffentlichkeitsarbeit
Voträge:
29. April 2024 CICS Ringvorlesung Title "Understanding the impact of RH fluctuations on the stability of porous underbound paint layers" Charlotte Stahmann und Ester S.B. Ferreira.
3.–4. April 2025 JAAP Journey into the Ageing and Alterations of Paintings, Amsterdam, Niederlande. Title: "Addressing the Challenges of Visualising Organic Binding Media Networks in Porous Painting Layers". Ester S.B. Ferreira.
6.–9. Mai 2025, Technart Perugia, Italien."Visualising Organic Binding Medium Networks in
Porous Paint Layers and Paint Reconstructions". Charlotte Nora Stahmann.
Poster:
Emma Helfrich, Thanh Vu, Charlotte N. Stahmann, Andreas Käckel, Jörg Luderich, Ester S.B. Ferreira. "Two Methods for Quantification of Cohesion in Porous Paints" ICOM-CC 2026. Submitted
Fazit
Das Projekt beschäftigt sich mit der Frage, welchen Einfluss ein erweiterter Klimakorridor auf die Stabilität fragiler, poröser Farbschichten hat. Zu diesem Zweck wurden Probekörper hergestellt, deren Materialien repräsentativ für eine Vielzahl gefasster Kunst- und Kulturobjekte sind, und diese unter verschiedenen Regimen beschleunigt schwankender relativer Luftfeuchtigkeit (45–55 %, 40–60 % und 30–80 %, was einer Expositionsdauer von 7 Jahren entspricht) künstlich gealtert. Ein wasserunempfindliches Substrat wurde ausgewählt, sodass die gewonnenen Informationen ausschließlich auf das Farbsystem bezogen sind.
Zur Prüfung der Kohäsion wurde ein mechanisiertes und standardisiertes Kohäsionstestverfahren entwickelt. Dies geschah in Zusammenarbeit mit dem IPK-Institut der TH Köln.
Innerhalb des getesteten Zeitraums (entsprechend etwa 7 Jahren) liegt der Einfluss des erweiterten Klimakorridors von 40–60 % im Vergleich zu 45–55 % jedoch innerhalb der Messunsicherheiten.
Parallel dazu wurde die Synchrotron-Ptychographie-Nanotomographie zur Beurteilung der Verteilung und des Zustands des Bindemittels evaluiert. Diese Methode erwies sich als besonders wertvoll, um die Bindemittelverteilung im Nanometerbereich sichtbar zu machen. Sie ermöglichte zudem die Visualisierung der Kontaktflächen zwischen Bindemittel und Pigment und zeigt großes Potenzial als Werkzeug, um die zugrunde liegenden Ursachen für den Verlust der Kohäsion zu verstehen.