Seit etwa einem Jahrzehnt wird neben herkömmlichen mechanischen oder chemischen Abtragsmechanismen zunehmend die Laserstrahlreinigung als berührungsloses Reinigungsverfahren für verschiedene mineralische Werkstoffoberflächen eingesetzt. Beispiele hierfür sind vor allem der Abtrag dünner Schmutzkrusten und Filme von Sandstein-, Marmor- oder Glasoberflächen (auch farblich gefasst) in der Denkmalpflege sowie seit kurzem die Reinigung von verschmutzten keramischen Oberflächen von Druckwalzen. Die eingesetzten gepulsten Nd-YAG Laser arbeiten im infraroten Wellenlängenbe¬reich mit Pulsdauern um 6 Nanosekunden. Die Pulsspitzenleis¬tung ist hoch, so dass die abzutragenden Materialien durch thermische Spannungen abgesprengt bzw. zersetzt oder verdampft werden. Gleichzeitig besteht jedoch die Gefahr, dass bei zu hohen Energiedichten des Lasers der zu reinigende Werkstoff selbst verändert werden kann. Dieser ungewollte Nebeneffekt ist ebenso wie der Abtragsmechanismus selbst in der Regel thermischer Natur und tritt auf, wenn die Modifikationsschwelle (Energiedichte, bei der eine Veränderung erfolgt) des zu reinigenden Materials gering ist. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden Zustände von lasergereinigten Oberflächen dokumentiert und analysiert. Die Dicke der veränderten Materialschichten beträgt einige hundert Nanometer bis 1 Mikrometer. Die Veränderungen der laserbehandelten Oberflächen wurden analytisch mittels ESEM, EDX und XRD erfasst. In diesem Beitrag werden einige wichtige Ergebnisse zu Untersuchungen an Marmoroberflächen sowie verschiedenen Pigmenten, die in Farbfassungen (beispielsweise auf Sandstein) enthalten sind, vorgestellt.
Inhaltsverzeichnis
1. Ausgangssituation
2. Experimentelle Methoden, Analyseverfahren
3. Ergebnisse
3.1 a) Veränderungen anorganischer Pigmente durch Laserbestrahlung
3.2 b) Veränderungen von Marmoroberflächen durch Laserbestrahlung
4. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Auswirkungen der Laserstrahlreinigung mittels gepulster Nd-YAG-Laser auf mineralische Werkstoffoberflächen, wie Marmor und anorganische Pigmente, um das Risiko thermisch induzierter Materialveränderungen zu evaluieren.
- Analyse von Abtragsmechanismen durch Laserbestrahlung
- Untersuchung der Modifikationsschwelle verschiedener Pigmente und Gesteine
- Experimentelle Erfassung von Oberflächenveränderungen mittels ESEM, EDX und XRD
- Bewertung der Eignung der Laserreinigung für die Denkmalpflege
- Identifikation thermisch bedingter Zersetzungsreaktionen und Phasenumwandlungen
Auszug aus dem Buch
a) Veränderungen anorganischer Pigmente durch Laserbestrahlung
Die Ergebnisse der Untersuchungen an etwa 40 verschiedenen anorganischen Pigmenten lassen eine Gliederung der laserinduzierten Veränderungen in thermisch Phasenumwandlungen und „komplexe“ Zersetzungsreaktionen zu. Allerdings konnte mittels XRD GID nur im Falle des Pigments Zinnober (HgS) eine Phasenumwandlung durch Lasereinwirkung zweifelsfrei bestätigt werden. Dieser Zusammenhang wurde bereits von anderen Autoren als Ursache für die Farbänderung dieses Pigments von rot zu schwarzgrau genannt [3, 4, 5]. Rotes Zinnober (α-HgS) wandelt sich in die schwarze β-Modifikation (Metazinnober) um. Diese Phasenumwandlung findet „auf rein thermischem Wege“ oberhalb von 350 °C statt.
Weiterhin kann die durch das Laserlicht eingebrachte thermische Energie zu Zersetzungsreaktionen führen (Abspaltung von Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff). Bei den Kupferpigmenten Azurit und Malachit ist offenbar die Bildung von Cuprit bzw. Tenorit für die beobachtete Grau- bis Schwarzfärbung verantwortlich, bei Bleiweiß und Mennige die Bildung von α-PbO bzw. Cerussit. Aber auch bei Pigmenten, die bis in hohe Temperaturbereiche stabil sind, wurden laserinduzierte Farbänderungen beobachtet. Titanweiß (Rutil, TiO2, ϑS = 1855°C) verändert beispielsweise seine Farbe bei Laserlichteinwirkung mit einer Energiedichte von ϖ > 170 mJ/cm² von weiß zu graublau. Die ESEM Aufnahmen (Abb. 3) zeigen, dass die TiO2-Partikel miteinander verschmelzen. Eine Sauerstoffabspaltung (Bildung von schwarzblauem Ti2O3 oder Ti3O5) als Grund für die hier beobachtete Farbänderung konnte jedoch mittels EDX nicht eindeutig nachgewiesen werden. Ein Verschmelzen der Pigmentpartikel an der Oberfläche wurde bei weiteren 15 anorganischen Pigmenten unterschiedlicher Zusammensetzung festgestellt.
Zusammenfassung der Kapitel
Ausgangssituation: Es wird der Einsatz von Nd-YAG-Lasern in der Denkmalpflege zur Reinigung mineralischer Oberflächen sowie das zugrundeliegende physikalische Prinzip der Laserablation beschrieben.
Experimentelle Methoden, Analyseverfahren: In diesem Abschnitt werden der verwendete Versuchsaufbau mit Nd-YAG-Lasern und die angewandten analytischen Verfahren wie ESEM, EDX und XRD zur Oberflächenuntersuchung vorgestellt.
Ergebnisse: Detaillierte Darstellung der durch Laserbestrahlung verursachten Veränderungen bei anorganischen Pigmenten sowie an Marmoroberflächen durch thermisch induzierte Prozesse.
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen: Die Arbeit resümiert, dass die Laserreinigung prinzipiell geeignet ist, jedoch die Bestimmung der Modifikationsschwelle vorab zwingend erforderlich ist, um Schäden zu vermeiden.
Schlüsselwörter
Laserstrahlreinigung, Nd-YAG Laser, Denkmalpflege, Marmor, Anorganische Pigmente, Abtragsmechanismus, Modifikationsschwelle, Thermische Zersetzung, ESEM, Oberflächenanalyse, Laserablation, Natursteinreinigung, Phasenwechsel, Energiedichte, Materialschaden
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht die Effekte und Risiken der Reinigung mineralischer Oberflächen (insbesondere Marmor und Pigmente) durch gepulste Nd-YAG-Laser in der Denkmalpflege.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Laserablation von Schmutzkrusten, das Verständnis thermischer Modifikationsprozesse am Werkstoff und die analytische Charakterisierung laserbehandelter Oberflächen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, den Einfluss der Laserenergiedichte auf das zu reinigende Material zu dokumentieren und zu klären, unter welchen Bedingungen ungewollte Materialveränderungen auftreten.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen experimentelle Bestrahlungsreihen zum Einsatz, die mittels ESEM (Rasterelektronenmikroskopie), EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) und XRD (Röntgendiffraktometrie) analysiert werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der detaillierten Untersuchung von Pigmentveränderungen und Marmoroberflächen nach der Laserbestrahlung sowie der physikalischen Interpretation der beobachteten thermischen Effekte.
Welche Schlüsselbegriffe definieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Laserstrahlreinigung, Modifikationsschwelle, thermische Abspaltung, Pigmentstabilität, Laserablation und ESEM-Analytik.
Warum kommt es bei der Laserreinigung zu unerwünschten Verfärbungen?
Verfärbungen entstehen durch thermisch induzierte Phasenumwandlungen oder Zersetzungsreaktionen der Pigmente sowie durch die Veränderung der Oberflächenstruktur des Untergrunds.
Wie unterscheidet sich die Reaktion von Marmor von der von Pigmenten?
Während bei Marmor vor allem Aufschmelzungen und Zersetzungen des Calciumcarbonats (CaCO3) beobachtet wurden, zeigen Pigmente spezifische Zersetzungsreaktionen oder Farbänderungen durch Modifikationswechsel, abhängig von ihrer thermischen Stabilität.
Ist die Laserstrahlreinigung für die Denkmalpflege zu empfehlen?
Die Methode ist prinzipiell geeignet, sofern vorab die materialspezifische Modifikationsschwelle bestimmt wird, um irreversible Schäden am Kulturgut auszuschließen.
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- Dipl.-Ing. Alexander Schnell (Author), Goretzki Lothar (Author), Christian Kaps (Author), 2004, Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von mineralischen Werkstoffoberflächen mittels Laserbestrahlung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/93400
