Samenvatting cursus scheikunde voor de restaurateur van schilderijen en polychrome beelden

Samenvatting cursus opleiding tot schilderijen restaurateur Frederik Cnockaert

Scheikunde voor de kunst restaurateur.

Inleiding

Algemene begrippen

Atomen : vroeger dacht men : het kleinste deeltje van een element dat nog juist alle eigenschappen bevat Nu weet men dat een atoom nog kan gedeeld wordenAtoom bestaat uit een kern (protonen (+) + neutronen (0) en een wolk, deze bevat elektronen (-)Wolk kan uit 7 schillen bestaan (schil K,L,M,N,O,P,Q)

Elektronenconfiguratie = ordening van elektronen op shil ; de hoeveelheid elektronen op schil De elektronen op de buitenste schil zijn de belangrijkste, zij zorgen Voor de binding, het zijn valentie elektronen

Aanduiding atoom : atoomnummer = e of p Massagetal = p + n

Buitenste schil is valentieschil = bepalend voor de eigenschappen van het atoomEdelgassen hebben en volledig gevulde schil = 8 elektronen op de buitenste schil = energetisch gunstig, zeer stabiel, zijn niet geneigd tot verandering van situatie en niet reactief

Alle atomen streven naar een volledig geladen valentieschil, dit kan door elektronen af te staan, elktronen op te nemen of elekronen gemeenschappelijk te delen.

Molecule = binding van 1 of meerdere atomen om de edelgasconfiguratie aan te gaanIonaire binding : electron krijgen = negatief worden = anion p+=e +e : neg. overweegt Electron weg geven = positief worden = kation p+ = e- -e- : pos.. overweegt Covalente binding of een atoombinding = een elktron delen

Het soort binding dat gevormd wordt hangt af van de elektronegatiewaarde ( EN) = maat van aantrekkingskracht door het atoom uitgeoefend op een vreemd electron in de onmiddelijke omgeving,

Voor metalen is dit laag, zij trachten een electron weg te gevenBij niet-metalen is dit hoog,

Zuivere covalente binding = EN = 0Overwegend covalente binding = EN 1,7Overwegend ionaire binding = EN 1,7

1


Organische scheikunde

Vroeger : levenskracht : om nieuw leven te vormen had men een levend organisme nodigNu = achterhaald : ook te bereiden op kunstmatige manierOrganische scheikunde wordt koolstofchemie ; alle elementen bevatten koolstofVb. : bereiding van organische stof (koolstofverbinding) uit minerale stof = bereiding van ethanol

Eigenschappen

Het aantal elementen dat voorkomt in de organische stoffen = beperkt : C,H,O,N,S,P en de Halogenen Beperkt aantal elementen, doch het aantal organische stoffen is zeer groot : 5000000De meeste organische stoffen zijn thermostabiel (ontbinden boven 300°C)De meeste organische stoffen bestaan uit moleculen en zijn opgebouwd uit een covalente bindingOrganische stoffen zijn niet oplosbaar in water ; wel in een organisch oplosmiddel Reacties tussen organische stoffen geven aanleiding tot complexe reactie mengselsOrganische verbindingen vertonen soms een enorm grote molecuulmassa, vb, : eiwitten, rubber, caseïne

Organische stoffen zijn koolstofverbindingen : grondstoffen uit aarde : steenkool, gas,…

Bindingsmogelijkheden van atoom C (4 valentieelektronen : veel bindingsmogelijkheden)

4 enkelvoudige bindingen : - C -

2 enkelvoudige + dubbele binding : C =

2 dubbele bindingen : = C =

1 enkelvoudige + 1 drievoudige binding : - C -

classificatie van organische stoffen

eigenschappen van organische binding C is vooral te wijten aan de aanwezigheid van specifieke bindingen (C C) of een combinatie van atomeneen functionele groep = een verzameling eigenschapsbepalende atomen

meest eenvoudige organische verbinding (enkel uit H en C) = koolwaterstoffenzijn verzadigd of onverzadigd

acyclisch cyclisch alkenen alkynen

= n-gesloten keten = gesloten = KWS met = KWS met 1 of 2 drievoudige of ringvormig 1 of 2 dubbele binding binding in keten in keten

C – C – C – C C = C – C - C

2


2. De Koolwaterstoffen

naast deze indeling hebben we nog de vertakte en de onvertakte bindingenindeling van de koolwaterstoffen

Alkanen (al) basis voor naamvorming voor alle organisch stoffen (aan) verzadigd karakter = a-cyclisch en verzadigd ; bevatten geen functionele groep ; uitsluitend enkelvoudige binding

= homologe reeks C nH2n+2vb.: C5H12 = reeks organische verbindingen met dezelfde algemene formule, die enkel van elkaar verschillen door het aantal koolstofatomen in de koolstofketen

verkorte notatie

methaan CH4

ethaan C2H6

propaan C3H8

butaan C4H10

pentaan C5H12

hexaan C6H14

heptaan C7H16

octaan C8H18

nonaan C9H20

decaan C10 H22

De alkylradicalen

Ontstaat wanneer we aan elke term van de homologe reeks van de alkanen 1 waterstofatoom onttrekt

C nHn+2 - 1 H er ontstaat een ongepaard electron, kan dus niet op zichzelf bestaan Zal zich onmiddellijk verbinden met een atoom (groep) dat ook een ongepaard electron bevat

naamgeving : in de naam van het overeenkomstig alkaan vervangt men de uitgang –aan door –yl

vb. : CH3. methyl C2H5 . ethyl

C3H7 . propyl

3


De nomenclatuurregels = naamgevingsregels : meerdere systemen

Triviale nomenclatuur (= gebruiksnaam van oudsher vb. : azijnzuur) Oudere systematische naamgeving methylalcohol i.p.v. methanolModerne systematische naamgevingBasisregel van koolwaterstof

C – C – C – C – C C – C – C – C – C C C C C C Pentaan methyl methyl ethyl heptaan

2-metyl-pentaan 4-ethyl-3-methyl-heptaan

hoofdketen = langste keten met grootst aantal C-atomennummer de C-atomen van de hoofdketen zodanig dat de zijketens een zo klein mogelijke nummeringkrijgengeef aan elke zijketen een naamrangschik de zijketens alfabetischvorm de volledige naam van het vertakt alkaan voor de hoofdketennaam, let op de nummeringkomt de zijketen meerdere keren voor, gebruik dan het Grieks telwoord

CH3 CH3

CH3 CH3 CH2 CH2

CH3 – CH – C – CH – CH – CH – CH2 - CH3

CH3 CH3

Correcte naam : 4,5 – diethyl - 2,3,3,6 – tetramethyl – octaan

Oefeningen : zie cursus p. 14 , de oplossing werd meegegeven met de cursus

De alkenen (-een wijst op dubbele binding)

= onverzadigde acyclitische KWSZe bevatten één functionele groep : een koolstof-koolstof dubbele binding C = C

Formule : CnH2n

Structuurformule naam triviale naam

C2H4 CH2=CH2 etheen ethyleen

C3H6 CH2=CH-CH3 propeen propyleen

4


C4H8 CH2= buteen butyleen

De hoofdketen is de langst binding met dubbele binding (met kleinst mogelijke cijfers)

De alkenylgroepen = koolstofwaterketen met in de vertakking een dubbele bindingVb. : vinyl

C4H10 : 2 structuurformules mogelijk : butaan 2-methyl-propaan

Ze zijn keten-isomeren omdat ze enkel verschillen in bouw van de koolstofketen

CH3 - CH2 - CH3 en CH3 - CH - CH3

CH3

Alkynen = onverzadigde acyclische KWS. Ze bevatten één functionele groep : een drievoudige koolstof-koolstofbinding

Algemene formule : CnH2n-2

Isomerie

Een molecule kunnen we op verschillende manieren benoemen :

brutoformule = eenvoudigste aanduiding C4H10

structuurformule = gedetailleerde omschrijving van een molecule C-C-C-Cverkorte notatie = kortste methode : enkel de bindingen tussen C-atomen en functionele groepen worden weergegeven

isomerie = wanneer één brutoformule aanleiding geeft tot verscheidene structuurformules

keten-isomerie : verschillen enkel in de bouw van de koolstofketenplaatsisomerie : een functionele groep kan zich op verschillende plaatsen in de koolstofketen bevinden cis-trans-isomerie : komt voort uit de ruimtelijke structuur van de dubbele koolstofbinding voorwaarde = aan elk koolstofatoom van de dubbele binding staan twee verschillende substituanten (naamvorming : cis- komt voor alkeen-keten)

CH3 CH3 H CH3

C=C C=CH Cl CH3 Cl

2-chloor- cis -2-buteen 2-chloor-trans- 2 – buteen

5


Oefenreeks 4 geef de isomeren en hun IUPAC namen : oplossing: zie cursusbijlage

C6H14 (CnH2n+2)) alkaan

C5H10 (CnH2n) alkeen (dubbele binding)

C2H2Cl2 (CnH2n) alkeen (dubbele binding)

6


De Lijmen

Algemeen

1 Dingen kleven aan elkaar door :

a)Cohesiekrachten : = geheel van de aantrekkingskrachten tussen de gelijksoortige moleculen

Cohesiekrachten zijn verantwoordelijk voor de onderlinge samenhang van een stof Elke stof bestaat uit atomen. Deze streven naar een valentietoestand = maximale verzadiging van de buitenste elektronenschil. Om deze te bereiken gaan de atomen onderling verbindingen aangaan = moleculen vormen. Bij deze binding zullen de atomen bepaalde elektronen gemeenschappelijk gebruiken (atoombinding) of zal het ene atoom aan het andere atoom een of meerdere elektronen afstaan (ion binding) Deze bindingen tussen de atomen noemt men primaire bindingen

Niet alle stoffen bestaan uit één molecule, maar uit meerdere moleculen, dus is een onderlinge aantrekkingskracht noodzakelijk? Deze zijn in 3 groepen in te delen :

Van der Waalkrachten = aantrekkingskracht tussen massa’s die op zeer korte afstand actief zijn zoals maan die op baan rond de aarde blijftPolaire krachten : ontstaan door de plaatselijke ladingsverschillen in moleculen ; een positief geladen deel van de molecule trekt een negatief geladen deel aanWaterstofbruggen : zijn heel sterke polaire krachten

Vb. : H2O bestaat uit 2 waterstofatomen en 1 zuurstofatoom EN waterstof = 2,2 EN zuurstof = 3,5 3,5 – 2,2 = kleiner dan 1,7 polaire atoombinding zuurstof is sterker dan waterom te restaureren : water = een polair product was = een a-polair product ; = heel zwak, kan goed opgelost worden

b)Adhesiekrachten = geheel van de aantrekkingskrachten tussen de ongelijksoortige moleculen

2 Breuken

2 soorten ;

cohesieve breuk : de cohesiekrachten van een stof zijn plaatselijk gebrokenvb. : de preparatielaag splitst in 2 door een slechte samenstelling, het ene deel blijft op de drager hangen, het andere deel laat samen met de verflaag los

adhesieve breuk : de adhesiekrachten tussen 2 verschillende stoffen zijn gebroken vb.: door een slechte laagopbouw laat de verflaag los van de preparatielaag

De breuken herstellen zicht niet spontaan ! - komt door de microscopische oneffenheden - na de breuk treedt er contaminatie op (de openstaande

7


bindingen worden onmiddellijk ingevuld door partikels uit de lucht (vb. Zuurstof = oxidatie)

hechting mogelijk door : smelten a) louter mechanisch grendelen : klemmen, spijkeren, naaien…. b) lijmen = chemische + een mechanische hechting Er ontstaat een secundaire lijm zet zich vast in de poriën binding tussen lijm en te en cappilairen van de te verlijmen verlijmen deel delen = mechanisch adhesie=chemisch

3 Goede hechting vanuit restauratorisch standpunt

= geen sterke lijm met grote duurzaamheid !!!

Men moet de reversibiliteit bewaren !De sterkte van de lijm mag niet groter zijn dan het te lijmen deel (kans is groot dat verlijmd deel op een andere plaats breekt door een destructieve kracht) Vraagstelling : voorwerp : materiaal, contact opp. intenties kunstenaar…. lijm : lijmproces, hechting, veroudering restaurator

4) Maximale hechting door :

Algemene regel : hoe groter het opp., hoe sterker de hechting moetHet verlijmde opp. kan vergroot worden door zo een proper mogelijk oppervlak ruw bevochtiging en vloei van de lijm

= adhesie is groter dan cohesie = viscositeit, stroperigheidlijm hecht door sec. binding wanneer lijm te weinig vloeibaar is, slechte hechting op vette ondergrond zal er weinig capilaire werking zijn water is een polair solvent en zal de bevochtiging moeilijk verlopen

5) polymerisatie

polymeren zijn grote moleculen opgebouwd uit kleine moleculen (monomeren)

a) ketenpolymeer

polyethyleen = meest eenvoudige lange keten polymeer : ..- C – C – C – C – C – C -…

C2H4 C=C monomeer ethyleen

Om de verschillende bindingen ethyleen aan elkaar te hangen moet men de dubbele verbreken, op die manier kan men de monomeren aan elkaar zetten

8


De bindingen in polyethylene zijn covalente bindingen. Het polymeer is een apolaire molecule met zwakke intermoleculaire aantrekkingskrachten (ENC = 2,5 ; ENH = 2,2 2,5-2,2= 0,3 1,7 (= secundaire binding) PVC (polyvinylchloride) = polymeer ; de monomeer is vinylchloride. De dubbele binding van vinylchloride wordt opengebroken zodat 2 nieuwe bindingsmogelijkheden ontstaan, zo kunnen verschillende vinylchloridemoleculen elkaar verbinden tot één lange molecule Eigenschappen : cohesie door primaire en secundaire bindingen Thermoplastisch : wordt door warmte kneedbaar kristallijn of amorf

Ketens liggen naast elkaar de weg naar vloeibaarheid duurt veel langer(volgens bepaald patroon) (moleculen zitten willekeurig)Gaan plots op bepaald punt vb. : was, bevaover naar vloeibaar heeft overgangs t° (Tg)vb. : water

de specifieke eigenschap van het ketenpolymeer wordt bepaald door gebruikte monomeer (polair of a-polair)

b) netwerkpolymeren

vb. Bakeliet, verouderde lijnolie cohesie door primaire bindingen , in feite is er maar één molecule thermoharder : steeds amorf, toch geen Tg, gans de bakelietmassa blijft onder warmte even hard tot bepaalde t°, bakeliet breekt op 300° en verkoolt

9


Bespreking van de lijmen per applicatie type

3 soorten lijmen :

1 SOLVENTLIJMEN = lijm op basis van organisch oplosmiddel (= solvent)

Fysische harding door verdamping van het solvent

Voordeel = lage viscositeit (taaiheid, stroperigheid, = tamelijk dik) vrij reversibelnadeel : krimp (verdampen solvent) broos worden (breekbaar)

dispersie en emulsies zijn meestal niet op te lossen in water :

geen enkele oplosneiging dispersie van 2 vloeistoffen

vb; : polyvinylacetaat : + toevoeging H2O + zeep + oplosmiddel = hars + eventuele toevoeging van anti-schimmelproduct omwille van het water (= bacteriologisch midden)voordeel : reversibiliteit blijft : krimpt minder handig en controleerbaar nadeel : corrosie aan metalen (wegens water)

voorbeelden : eiwitlijm, huidenlijm, caseïnelijm,…

2 Reactielijmen (ook plaaster, cement)

er vindt een volledige of gedeeltelijke polymerisatie plaats

3 manieren : - monomeer en verharder zit in gescheiden verpakking (vb. Componenten lijm) voordeel : zeer beperkte krimp (chemische verharding en geringe aanwezigheid van solvent) vlugge verlijming zeer sterk nadeel ; beperkte reversibiliteit exothermisch ; verhoogde t° brengt hogere vochtigheid mee) nadonkering en meestal niet kleurloos juiste menging = noodzakelijk

- polymerisatie wordt verhinderd tot er contact is met lijmoppervlak. Voordeel : snelle droging en zeer sterk Nadeel : proper opp. is noodzakelijk Zeer bros en niet reversibel

- polymerisatie komt tot stand door toevoeging water voorbeeld : plaaster of cement

10


3 Thermische lijmen

stollingslijmen : korte a-polaire keten = thermoplast (= vloeibaar – lijmen – stollen- natuurlijk voorbeeld : bijenwas, beenderlijm, schellak synthetische voorbeeld : paraffine, polyamide voordeel : snelle droging chemisch vrij stabiel nadeel : zwakke cohesie; zwakke adhesie hoge viscositeit variant = heat-seal additieven = korte a-polaire en lange polaire polymeren samensmelten ; gebruikt bij bedoeking : was-hars mengsel en Beva 371thermische re-activeringslijmen : men kan ze opnieuw doen kleven door verhitting

4 Drukgevoelige lijmen

Bespreking individuele lijmen

A Lijmen van natuurlijke oorsprong

1) lipiden :

a ) drogende olie

behoort tot de groep van de lipiden, lipide komt voort in vaste toestand (was) of in vloeibare toestand (olie)eigenschap = doorzichtige vlekken maken op papier

een drogende olie = een triglycerine (= ester van( tot 3 verschillende) vetzuren + glycerol)glycerol bevat OH-groepen waaraan vetzuren kunnen binden = estereen triglycerine bevat 3 OH-groepen , dus 3 maal estervorming (= 3 x glyceride) De dubbele bindingen in de drogende olie zijn van groot belang, zij breken open en vormen cross-links met ander triglyceriden, dit door plaatsing van een zuurstofatoom, van daar zuurstofdroging Zo worden kleine oliemoleculen aan elkaar gekoppeld tot grote moleculen met filmvorming als resultaat.Vb. Lijnolie = afkomstig van vlaszaad waaraan kleurstof en slijm onttrokken zijnAanvankelijk = de film vrij elastisch, zwak en poreus, Door inwerking van zuurstof krijgt men primaire bindingen, zo ontstaat een stevige, harde en onoplosbare film door cross-linkingBij toevoeging van pigmenten en bij veroudering van de verflaag komt de brekingsindex van de lijolie (= bindmiddel) in de buurt te liggen van het gemiddelde van de pigmenten waardoor de verflaag transparanter wordt zodat eventuele overschilderingen zichtbaar worden.

In het verleden trachtte men droging van lijnolie te versnellen door :-toevoeging siccatieven- koken van de olie- lucht in de olie blazen- gebruik van standolie

11


door polymerisatie en inwerking van licht gaat lijnolie nadonkeren en vergelen, wordt daarom niet meer in de restauratie gebruikt; De retouches zijn zeer moeilijk te verwijderen; Vroeger werd soms een loodwitbedoeking toegepast, ook bij bereiding van mastiek en vernis werd lijnolie gebruikt.

b) wassen

zijn natuurlijke of synthetische producten met volgende eigenschappen :- kneedbaar bij 20-25°C- stevig tot hard (bros)- grove en kleine kristallen- transparent tot opaal (niet glasachtig)- smeltbaar boven 40°C- even boven smeltpunt : dun vloeibaar- oplosbaar in a-polaire solventen- met lichtedruk tot glans wrijvend

bij de natuurwassen heeft men :

wassen van dierlijke oorsprong : bijenwas = verteringsproduct uit verzamelde honingbijenwas bestaat uit onverzadigde, a-cyclitische koolwaterstoffenvrij a-polair, dus oplosbaar in meeste a-polaire solventen

wassen van plantaardige oorsprong : petroleumwas : komt voort uit aardolie o.a. parrafine

2) Gluciden (suikers ) : min of meer oplosbaar water, niet in organisch solvent

2.1 Arabische gom : sort hars van ongezonde en beschadigde bomenwerd reeds bij Egyptenaren gebruikt ams bindmiddel voor inkt en verfnu : dient als verdikkingsmiddel in de voedingsindustrie= kleurloos bindmiddel voor aquarel en gouachev(goede retoucheerverven)als kleefmiddel niet gebruikt : te bros

2.2 plantenlijmen : komt uit voedselreseves van planten (schors, wortels, bladeren, granen) vormt in water een gel i.p.v. een oplossing zeer gevoelig voor schimmels en bacteriën vb.: zetmeel = gewonnen uit maïs, tarwe, rijst, aardappel,… bestaat uit 2 polymeren lijmen op basis van zetmeel zijn frequent gebruikt in restauratie 1 van de hoofdbestanddelen bij pap bedoeking gevoelig voor bacterie, schimmel en vocht

vb.: stijfsel = oud plakmiddel oplossing in water, na verhitting van zetmeel kent een hoge viscositeit lang gebruikt als doublerings middel : in de 18de eeuw : rogge- wit-meel of glutinelijm gebruikt als facing wanneer een sterke hechting gewenst is.3) proteïnelijm

12


3.1 : gelatinelijm totin lijm (konijnenvellenlijm) is beste gelatinelijm

verlijmt alle oppervlakten die zich laten bevochtigen met water goede mechanische hechting : sterk onderhevig aan cappilaire krachten3.2: vislijm : steurlijm

4) harsen of terpenen

4.1 Damar : afkomstig van bomen sinds 2 de helft 19de eeuw frequent gebruikt als schilderijvernis!

Goede oplosbaarheid in organische solventen Oplosbaar in white spirit – terpentijnOplossen in LAUW oplosmiddel !?

Mindere vergeling dan andere harsen

4.2 Mastiek: afkomstig van de mastiekboombleekgroen tot zeer helder

oplosbaar in terpentijn en etherde fim zijn glanzend & soepel niet voldoende hardals bindmiddel gebruikt in retouches en harsverven

Vergeling is vergelijkende met damar

4.3 Elemi: Weekmaker voor vernis & washars mengselsZorgt voor elasticiteit bij het bedoeken Voor weer onder en bros geworden doeken

Oplosbaar in alcohol

4.4 Schellak: afkomstig van insecten levert de rode kleurstofoplosbaar in alcohol - acetonde film is gevoelig voor water ( slaat blauw uit onder invloed van vocht )

5) Pekachtige stof Bitumen & teer destilatie van branstoffen

Afkomstig van aardolieNiet oplosbaar in H2OWel oplosbaar in alcohol – ether – aceton

Interessant duurzame kleefkrachtMaakt bepaalde materialen waterdicht

ONBRUIKBAAR in de restauratie = geeft donkere kleur

Permeke gebruikte dit als olieverf wordt ZWART !!!

13


B. Lijmen van synthetische oorspong

NIET alle te gebruiken voor restauratie

1) Polyvinylacetaat PVAC = Stabiel wat betreft veroudering door het licht

cross-linkt niet aan de luchtonderhevig aan oxidatiena 30-40 jaar nog verwijszebaar !!!

gebruikt in de restauratie facing frsco’snu lijmretoucheermediumvernisglazuur

vb Witte houtlijm

2) Acrylharsen gebruikt in schilders vernis

cross-linkt onder invloed van licht

vroeger was meer dan 50 % onoplosbaar !!!nu paraloid B72 = beter stabiel & niet onoplosbaar

doorschijnende korrels oplosbaar in Xyleen – aceton – tolueen – ethanol

in restauratie gebruikt als vernisfixeermiddelmedium

= thermoplastisch

3) Lijm op basis van ethyleen vinylacetaat vb BEVA 371 parafine & solventen aanwezig

verdunbaar met white spiritbij striplining & bedoekingen gebruikenfixeermiddel bij verf

! toxisch karakter

4) Polyamiden nylons behoren tot de familie van de polyamiden

in restauratie ;polyamide smeltpoeder = lijm in poedervorm dat smelt door warmte

voor textiel en leder !bij schilderijen : lassen van scheuren

- poeder op warme naald en een verbinding maken tussen 2 draden

- kan tussen 2 velletjes melinex tot een filmlaagje gesmolten worden

14

Samenvatting cursus scheikunde voor de restaurateur van schilderijen en polychrome beelden

Technology

Transcript of Samenvatting cursus scheikunde voor de restaurateur van schilderijen en polychrome beelden