Tagungsbeitrag

Völkel, Laura; Ahn, Kyujin; Potthast, Antje; Hähner, Ulrike:

Nanocellulose – Hoffnung auf ein innovatives Material für die Papierstabilisierung?

Historische Handschriften und Dokumente der frühen Neuzeit weisen häufig Schäden in Form von Rissen, Brüchen, Knicken, Stauchungen und Deformierungen auf. Die Schadensbilder entstehen durch lokale, exogene Krafteinflüsse, die auf die Objekte einwirken. Auch moderne Papiere des 20. Jahrhunderts zeigen auf Grund ihrer schlechten Materialqualität und eines endogen-bedingten Celluloseabbaus verstärkt mechanische Nutzungsschäden. Die Stabilisierung der beschädigten Papierbereiche ist sehr wichtig, da von ihnen meist Gefahren bei einer erneuten Objektnutzung ausgehen, die weitere Beschädigungen auslösen können.
Unterschiedliche Arten von Nanocellulose zeichnen sich durch spezielle Strukturen und besondere Materialeigenschaften aus. Die große Ähnlichkeit zur Papiermatrix und die sehr feine Morphologie der Nanocellulose-Arten ermöglichen neben einer hohen Kompatibilität zwischen Papier und Nanocellulose auch eine vergleichsweise geringe optische Beeinträchtigung. Das Ziel der Studie war eine gegenüberstellende Untersuchung von bakterieller und mechanisch fibrillierter Nanocellulose mit besonderem Blick auf ihre Potenziale zur Stabilisierung fragiler historischer Papiere. Um die Anwendbarkeit und die Fähigkeiten der Nanocellulose-Arten in der Papierstabilisierung beurteilen zu können, wurde das innovative Material in zwei Bereichen untersucht.
Zunächst standen die Möglichkeiten der Anwendbarkeit und der Modifizierung von Nanocellulose-Suspensionen im Vordergrund. Mit Blick auf das Materialhandling und die Rahmenbedingungen bei Konservierungsmaßnahmen wurden verschiedene Applikationsarten lokal und flächig an Papieren unterschiedlicher Jahrhunderte überprüft. Darüber hinaus war das Herausarbeiten von Wegen der Suspensionsmodifizierung relevant, um zu prüfen, in wieweit der Wassereinfluss bei der Behandlung gesteuert werden kann.
Aufbauend darauf wurden die Nanocellulose-Arten und die Papier-Nanocellulose-Verbundstoffe in ihren chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften im Rahmen einer Anwendung analysiert und charakterisiert. Um ein genaueres Verständnis für das „neu gebildete“ Verbundsystem (Papier-Nanocellulose-Verbundstoff) zu bekommen, lag der Fokus der Untersuchung neben dem Nachweis des Stabilisierungseffektes auf der Analyse der Eigenschaften der neugebildeten Faser-Faser-Netzwerke sowie ihrem Einfluss auf die historischen Materialien und dem Langzeiteffekt der Behandlung. Dementsprechend wurden die Proben vor und nach einer künstlichen Alterung mit mechanischen Tests (Zugfestigkeitsmessungen, Null-Zugfestigkeitsmessungen), optischen Analysen (mikroskopische Untersuchungen, Weißgradmessung) und Cellulose-analytischen Untersuchungen (Molmassenverteilung mit Carbonylgruppengehalt) charakterisiert.
Der Vortrag legt seinen besonderen Schwerpunkt auf die Darstellung der ausgeführten Untersuchungen und auf Überlegungen zur Übertragung der gewonnenen Ergebnisse in die praktische Anwendung mit Blick auf die Materialverträglichkeit und -festigkeit sowie die Langzeitstabilität der Nanocellulose-Arten und möchte dadurch die Bedeutung der interdisziplinären Zusammenarbeit, die zur Einführung eines neuen, innovativen Materials in der Konservierung und Restaurierung von Kulturgut notwendig ist, hervorheben.


Nanocellulose – hope for innovative material for paper stabilisation?

Historical manuscripts and documents of the early modern period often have local damage in the form of cracks, breaks, buckling or deformations. These occur by exogenous influence and mechanical load during use. The structure of modern paper is also subject to exogenous and endogenous degradation processes of cellulose or suffers from poor quality of materials. The stabilisation of such paper is very important because further use of the object can cause additional damage.
Different types of nanocellulose are interesting due to their special structures and material properties. The structural similarity and extremely fine morphology of nanocelluloses should also allow for little optical interference of the treatment as well as a very high compatibility between the treated paper substrate and the compounds used for its repair. The aim of the present study was to compare two different nanocelluloses - bacterial nanocellulose and a mechanically nanofibrillated cellulose - with regard to their performance in the stabilisation of fragile paper. In order to judge the applicability and capabilities of nanocellulose in paper stabilisation, the innovative material was investigated in two fields.
First, the applications and modification possibilities of nanocellulose suspensions were considered. With regard to material handling and the parameters of conservation steps, different types of application (local and full coating) were tested on historical paper from several centuries. Furthermore, different ways of reducing the water content were relevant in order to verify to what extent the influence of water can be managed in the treatment.
On this basis, the nanocellulose and the paper–nanocellulose composites were further characterized by different physical and chemical analyses. In order to gain a deeper insight into the “newly formed” composite systems, the focus of investigation was placed on analysing the behaviour of newly generated fiber-fiber networks and also the influence on the long-term effect of the treatment. Accordingly, the samples were characterised by mechanical tests (long span and zero span measurements), optical analyses (SEM, AFM, ISO brightness) and cellulose analytical investigations (GPC with CCOA analysis).
The paper will especially discuss the performed investigations and the transferability of the results into practice with regard to material compatibility and stability and also long-term performance. It will also emphasize the importance of interdisciplinary teamwork, which is necessary to introduce new and innovative materials in the conservation of cultural heritage.


Laura Völkel studierte Konservierungs- und Restaurierungswissenschaft an der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst in Hildesheim und schloss 2015 ihr Master-Studium ab. Während ihres Studiums legte sie ihren Schwerpunkt auf Methoden der Papierstabilisierung und untersuchte Anwendungsmöglichkeiten verschiedener Materialien. 2011/2012 arbeitete sie als Praktikantin im Institut für Restaurierung an der Österreichischen Nationalbibliothek Wien. Während eines Forschungsaufenthalts von März bis September 2014 an der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU), Abteilung für Chemie nachwachsender Rohstoffe konnte sie den Einsatz von Nanocellulose zur Stabilisierung von Papier untersuchen. Aktuell arbeitet sie an der Herzogin Anna Amalia Bibliothek (Klassik Stiftung) in Weimar.

Laura Völkel studied paper conservation at the University of Applied Science and Art Hildesheim and received her M.A. in 2015. In her study, she focused on topics of paper stabilisation and investigated the application of different materials. In 2011/2012, she worked as trainee at the Institute for Conservation of the Austrian National Library Vienna. From March to September 2014 she was involved in a research project on application of nanocellulose for paper stabilisation at the Division of Chemistry of Renewable Resources of the University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna (BOKU). Currently she works at Herzogin Anna Amalia Bibliothek (Klassik Stiftung) in Weimar.

-Laura Völkel, Kyujin Ahn: Herzogin Anna Amalia Bibliothek Weimar, Abteilung für Bestandserhaltung und Sondersammlungen
- Antje Potthast: Universität für Bodenkultur Wien, Abteilung für Chemie nachwachsender Rohstoffe
- Ulrike Hähner : Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim, Fakultät Bauen und Erhalten

Laura Völkel M.A.
Herzogin Anna Amalia Bibliothek Weimar
Abteilung für Bestandserhaltung und Sondersammlungen
Platz der Demokratie 1
D-99423 Weimar
laura.voelkel@klassik-stiftung.de