Hochschularbeit

Olaf Pung: Überprüfung der Eignung reaktiver Methacrylatklebstoffe für die Restaurierung musealer Steinobjekte. Zurück

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Probeplättchen der Klebstoffe vor und nach der thermischen Alterung.
Zusammenfassung: Heute sind in der Steinrestaurierung hauptsächlich Reaktionsklebstoffe auf Epoxid- und Polyesterbasis gebräuchlich. Die Tatsache, daß diese Klebstoffe die in der Restaurierung allgemein gestellte Forderung nach Reversibilität nicht erfüllen, war Ausgangspunkt dieser Arbeit. Eine Alternative bieten gewisse Reaktionsharze auf der Basis von Methylmethacrylat (MMA): Diese besitzen zwar die Vorteile eines Reaktionsklebstoffes, durch die Härtungsreaktion entsteht jedoch kein duromerer Kunststoff wie bei Epoxid oder Polyester, sondern der thermoplastische Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA). Dieser läßt sich durch Erwärmung oder mittels organischer Lösungsmittel wie Aceton erweichen, wodurch eine solche Klebung leichter wieder zu trennen ist.
Die Arbeit besteht aus einem theoretischen und einem praktischen Teil. Im ersten Teil wird zunächst die Härtungsreaktion des Klebstoffes erläutert. Die einzelnen Inhaltsstoffe und ihre Aufgaben werden aufgeführt. Die physikalischen Eigenschaften von PMMA werden dargestellt und mit denen von Naturstein verglichen. Im praktischen Teil der Arbeit werden die Eigenschaften folgender Reaktionsharze überprüft:

- ein Steinkitt auf MMA-Basis

- ein Epoxidklebstoff

- ein MMA-Gießharz, gedacht für Schliffeinbettung und Präparation für die Mikroskopie

- verschiedene selbstformulierte MMA-Klebstoffe

Bei diesen Klebstoffen wurden folgende Parameter überprüft:

- Zugfestigkeit des Kunstharzes selbst

- Haftzugfestigkeit, gemessen an Verbundkörpern aus Kalkstein und Klebstoff

- Topfzeit

- Reaktionsschrumpfung

- Löslichkeit nach dem Aushärten

Um das Alterungsverhalten der Klebstoffe abzuschätzen, wurden außerdem Festigkeit und Löslichkeit nach einer 28-tägigen Lagerung bei 70°C geprüft.
Die Arbeit erbrachte folgende Ergebnisse: Reaktive MMA-Klebstoffe ohne vernetzende Zusätze sind grundsätzlich geeignet für die Verklebung musealer Steinobjekte. Problematisch sind die geringe Topfzeit sowie die schlechtere Adhäsion im Vergleich zu Epoxidharzen. Die Langzeitbeständigkeit der Klebstoffe ist hervorragend. Es ist zu erwarten, daß über einen längeren Zeitraum weder Schrumpfung, Degradation oder Verlust der Löslichkeit auftreten. Auf dem Markt konnten keine MMA-Reaktionsharze gefunden werden, die explizit als Klebstoffe gedacht sind und die Forderung nach Wiederanlösbarkeit erfüllen. Es gibt zwar zwei Gießharze mit den geforderten Eigenschaften, das Verarbeitungssystem dieser Produkte ist jedoch für eine Anwendung als Klebstoff weniger geeignet. Eines der selbstformulierten Produkte besitzt hier bessere Eigenschaften. Auch ist die Topfzeit etwas länger.
In den Versuchen konnte gezeigt werden, daß sich die Benetzung durch Vorstreichen der Klebflächen mit einem niedrigviskosen Klebstoffgemisch verbessern läßt. Die allgemein gegen thermoplastische Klebstoffe geäußerten Bedenken, daß diese zu "kaltem Fluß" neigen und daher zur Verklebung schwerer Steinteile ungeeignet seien, konnten mit einer Beispielrechnung entkräftet werden. Es wird eine Rezeptur für einen MMA-Reaktionsharz vorgeschlagen, welche vom Restaurator selbst hergestellt werden kann.

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Schlagworte: Klebstoffe,Diplomarbeit,Reaktionsharz, Acrylat, Naturstein,Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen, Steinobjekte
Inhalt: 1 Vorbemerkungen
1.1 Fragestellung, Umgrenzung des Themas
1.2 Typographie
1.3 Begriffsdefinition

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Bisheriger Stand : Kleben in der Restaurierung
2.1.1 Kleben allgemein
2.1.2 Kleben von mineralischen Stoffen
2.1.3 Kleben in der Steinrestaurierung
2.1.4 Methacrylat-Reaktionsharze in der Restaurierung
2.2 Anforderungen an den Klebstoff
2.2.1 Reversibilität
2.2.2 Festigkeit
2.2.3 Überbrückung großer Klebschichtstärken
2.2.4 Langzeitstabilität
2.3 Chemische Grundlagen : Radikalpolymerisation von Methylmethacrylat
2.3.1 Einfluß der Initiatorkonzentration
2.3.2 Sauerstoffinhibierung
2.3.3 Kettenwachstum: der sogenannte Gel- oder Trommsdorff-Effekt
2.4 Physikalische Grundlagen
2.4.1 Begriffe
2.4.2 Allgemeine Betrachtungen
2.4.3 Viskoelastische Eigenschaften von Thermoplasten
2.4.4 Löslichkeit
2.4.5 Klebschichteigenschaften und Klebfestigkeit
2.4.6 Einfluss der Klebschichtdicke auf die Klebfestigkeit
2.4.7 Polymerisationsschrumpfung
2.4.8 Kerbwirkung
2.4.9 Physikalische Eigenschaften von Naturstein
2.5 Einschätzungen zur Langzeitstabilität von PMMA als Klebstoff
2.5.1 Veränderungen der chemischen Struktur
2.5.2 Physikalische Einflüsse
2.6 Methacrylatklebstoffe
2.6.1 Inhaltsstoffe und ihre Aufgaben
2.6.2 Topfzeit
2.6.3 Übliche Verarbeitungssysteme für MMA-Reaktionsharze
2.6.4 Möglichkeiten der Kohäsionsminderung in der Klebeschicht
2.7 Gefahren für Mensch und Umwelt beim Arbeiten mit MMA-Reaktionsharzen
2.7.1 Gefahren durch einzelne Inhaltsstoffe
2.7.2 Vorsichtsmaßnahmen bei Arbeit und Lagerung
2.7.3 Entsorgung von Resten
2.8 Ein theoretisches Beispiel: Kleben einer Marmorskulptur

3 Experimenteller Teil
3.1 Beschreibung der ausgewählten Klebstoffe
3.1.1 Referenzklebstoff AK - Akemi Marmorkitt Super
3.1.2 Referenzklebstoff EP-ARALDIT AY 103/HY991
3.1.3 Selbstformulierter Klebstoff M
3.1.4 Selbstformulierter Klebstoff M0
3.1.5 Selbstformulierter Klebstoff M+Ca
3.1.6 Handelsübliches MMA-Reaktionsharz T - TECHNOVIT 5071
3.1.7 Handelsübliches MMA-Reaktionsharz KALLOCRYL A/C
3.2 Vorbemerkungen zu den Testverfahren
3.2.1 Festigkeitsprüfungen
3.2.2 Prüfungen nach thermischer Alterung
3.3 Zugfestigkeitsprüfung
3.3.1 Anzahl der Probekörper
3.3.2 Herstellung der Probekörper
3.3.3 Vorbereitung der Probekörper für die Zugprüfung
3.3.4 Ermittlung des Prüfquerschnitts
3.3.5 Lagerung vor der Prüfung
3.3.6 Thermische Alterung
3.3.7 Durchführung der Prüfung
3.3.8 Mögliche Fehlerquellen
3.3.9 Zusammenfassung der Ergebnisse, Auswertung und Interpretation
3.4 Haftzugprüfung
3.4.1 Anzahl der Probekörper
3.4.2 Auswahl der Klebstoffe, Herstellung der Probekörper
3.4.3 Lagerung der Prüfkörper vor der Prüfung
3.4.4 Durchführung der Prüfungen
3.4.5 Mögliche Fehlerquellen
3.4.6 Ergebnisse
3.5 Überprüfung der Topfzeiten
3.5.1 Versuchsaufbau
3.5.2 Mögliche Fehlerquellen
3.5.3 Ergebnisse
3.6 Messung der linearen Schrumpfung während der Härtungsreaktion
3.6.1 Versuchsaufbau
3.6.2 Mögliche Fehlerquellen
3.6.3 Ergebnisse
3.6.4 Interpretation der Ergebnisse
3.7 Überprüfen der Löslichkeit nach dem Aushärten
3.7.1 Versuchsaufbau
3.7.2 Mögliche Fehlerquellen
3.7.3 Ergebnisse
3.7.4 Interpretation der Ergebnisse
3.8 Ermittlung des Gewichtsverlustes bei der thermischen Alterung
3.8.1 Durchführung, Ergebnisse
3.8.2 Interpretation der Ergebnisse
3.9 Optische Beurteilung nach der thermischen Alterung
3.9.1 AKEMI MARMORKITT SUPER
3.9.2 Reihe E - ARALDIT AY 103/HY 991
3.9.3 Reihe M - Methylmethacrylat mit 33% PARALOID B72
3.9.4 Reihe M0 - Methylmethacrylat ohne Zusätze
3.9.5 Reihe T 2:1 - TECHNOVIT 5071
3.9.6 Reihe M+Ca - MMA mit Füllstoff

4 Zusammenfassung der Ergebnisse, erste Erfahrungen mit den Klebstoffen
4.1 Unterschiede zwischen den getesteten Fertigprodukten und den selbstformulierten
Klebstoffen
4.2 Auswirkungen von Füllstoffzusatz
4.3 Auswirkungen von Lösungsmittelzusatz
4.4 Auswirkungen der Sauerstoffinhibierung
4.4.1 Konsequenzen für die Verwendung als Klebstoff in der Restaurierung
4.5 Empfehlungen für den Einsatz von MMA-Reaktionsharzen in der Steinrestaurierung
4.5.1 Überbrückbare Klebeschichtstärken
4.5.2 Belastbarkeit der Klebung, Gefahr des "Fließens"
4.5.3 Vorbereitung der Klebflächen
4.5.4 Wahl des Klebstoffes
4.5.5 Günstige Verarbeitungssysteme
4.6 Praktischer Versuch: Verklebung von Steinteilen mit MMA-Reaktionsharz

5 Anhang
5.1 Ungeeignete Acrylat-Reationsharze
5.2 Materialdaten zu Thüster Kalkstein
5.3 Einzelmesswerte der Zugfestigkeitsprüfung
5.3.1 Dickenbestimmung, Probekörper der Zugfestigkeitsprüfung
5.3.2 Ermittlung der Zugfestigkeitswerte
5.3.3 Spannungs-Dehnungsdiagramme
5.4 Einzelergebnisse der Haftzugprüfung
5.4.1 Vorversuche, Zugabe von Füllstoff
5.4.2 Probereihen ohne thermische Alterung
5.4.3 Probereihen mit thermischer Alterung
5.5 Einzelergebnisse im Löslichkeitsversuch
5.6 Gewichtsverluste der Proben durch die thermische Alterung
5.7 Bezugsquellen
5.8 Glossar

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weitere Angaben:
  • Hochschule:  HAWK Hildesheim/ Holzminden/Göttingen
  • Art der Arbeit:  Diplomarbeit
  • Erstprüfer:  Prof. Jan Schubert
  • Zweitprüfer:  Dipl.-Phys. Michael Leck
  • Abgabedatum:  2000
  • Sprache:  Deutsch
  • Seitenzahl:  122
  • Abbildungen:  32
 
Kontakt:
 
Olaf Pung
Mendiger Straße 9
56743  Thür
Deutschland
pung@[Diesen Teil loeschen]kabelmail.de
www.olaf-pung.de
 
Anmerkung
Autor/in:
 
aktualisiert: 11.05.07. Zur Praxiserfahrung mit dem Klebstoff habe ich einen Zeitschriftenartikel publiziert, siehe http://193.175.110.9/hornemann/german/epubl_aufsaetze52.php
 
Download:
 
Volltext der Hochschularbeit  Volltext in deutsch
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DOI (Digital Object Identifier) 10.5165/hawk-hhg/epublication/20

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