Original title:
Plazmochemické odstraňování korozních vrstev bronzu
Translated title:
Plasma chemical removal of bronze corrosion layers
Authors:
Miková, Petra ; Slavíček, Pavel (referee) ; Tiňo, Jozef (referee) ; Krčma, František (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2019
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
V této dizertační práci byla řešena problematika aplikace nízkotlakého nízkoteplotního plazmatu na vrstvy korozních produktů na bronzu. Vrstvy korozních produktů na vzorcích byly připravovány uměle. Díky tomu měly stejné složení a mohly být během experimentů nevratně zničeny, což by u reálných archeologických artefaktů nebylo možné. Vzorky byly nařezány z bronzu, slitiny mědi a cínu, s ohledem na velikost plazmochemické aparatury. Pomocí XRF bylo zjištěno složení bronzu. Každý vzorek byl před uložením do korozně aktivního prostředí omyt etanolem a osušen proudem teplého vzduchu. Až do této fáze byl postup pro všechny vzorky stejný. Při tvorbě vrstev korozních produktů bylo potřeba zohlednit dva faktory: časové možnosti a reálnost korozně aktivního prostředí. Díky kladení důrazu na jeden či druhý faktor vzniklo několik skupin vzorků s různě degradovanými povrchy. Nejrychlejším způsobem bylo umístění vzorků do korozní komory, kde na ně působil roztok chloridu sodného za zvýšené teploty. Vzorky zkorodovaly během několika dnů. Delším, ale z hlediska kompaktnosti lepším způsobem, se ukázal postup, kdy byly vzorky uzavřeny do exsikátoru. Na jeho dně se nacházela Petriho miska s anorganickou kyselinou, v našem případě kyselinou chlorovodíkovou. Tímto způsobem zkorodovaly vzorky během jednoho měsíce. Nejdelším, ale nejrealističtějším, postupem bylo zakopání vzorků do půdy respektive do kompostu. Tento postup však prodloužil délku tvorby vrstev korozních produktů na dva roky. Po vytažení vzorků z kteréhokoliv korozního prostředí, byly vzorky vysušeny za sníženého tlaku a následně byly uloženy do bariérové folie společně s absorbéry vlhkosti a kyslíku. Vzorky s takto připraveným vrstvami korozních produktů byly ošetřeny v nízkotlakém nízkoteplotním plazmatu. Ošetření probíhalo v aparatuře, jejímž základem byl reaktor – válec z křemenného skla o průměru 100 mm a délce 900 mm. Do reaktoru byl přiváděn pracovní plyn nebo směs pracovních plynů o celkovém průtoku 50 sccm. V našem případě se jednalo o čistý vodík nebo jeho směs s argonem. Odtah vzniklých plynných sloučenin zajišťovala rotační olejová vývěva. Před ošetřením byl tlak v reaktoru 10 Pa, během ošetření 150 Pa. Energie byla do systému dodávána z vysokofrekvenčního generátoru (13,54 MHz) přes dvě měděné elektrody umístěné vně reaktoru. Podle způsobu dodávání energie bylo ošetření prováděno v kontinuálním nebo v pulzním režimu. Během experimentu byla sledována teplota vzorku a vyhodnocována emisní spektra z OES. Teplota vzorku se během výzkumu ukázala jako jeden z klíčových faktorů. Měření probíhalo nejprve termočlánkem, později se přešlo na teplotní čidlo s optickým přenosem dat. Byla stanovena bezpečná teplota a tou se poté řídil celý proces. Dále byl zkoumán vliv způsobu dodávání energie, velikosti dodávaného výkonu, velikosti vzorku, přítomnosti inkrustačních vrstev a složení pracovního plynu. Po aplikaci plazmatu byly vzorky analyzovány pomocí SEM – EDX a XRD. Po vyhodnocení získaných poznatků a zkušeností byl ošetřen reálný artefakt – bronzové dláto z naleziště u Boskovic. K tomuto artefaktu chyběla dokumentace, proto ho bylo možno použít k ověření získaných poznatků o plazmochemické redukci.
The thesis deal with applying low-pressure low-temperature plasma to corrosion products layers on bronze. Layers of corrosion products on samples were artificially prepared. As a result, they had the same composition and could be irreversibly destroyed during experiments, which would not be possible with real archeological artifacts. Bronze, copper and tin alloy, samples were cut with respect to the size of the plasma-chemical device. XRF was used to determine the bronze composition. Before being corroded by the active medium, each sample was washed with ethanol and dried with a hot air stream. Until now, the procedure was the same for all samples. During formation of corrosion products layers, two factors have to be taken into account: the time consumption and the corrosiveness of the active environment. By focusing on one or the other factor, several groups of samples with differently degraded surfaces were created. The fastest way was to place samples in a corrosion chamber where sodium chloride solution was applied at the elevated temperature. The samples were corroded within a few days there. Longer, but in terms of corrosion products layers compactness better way proved procedure where the samples were sealed in the desiccator. At the desiccator bottom the Petri dish with an inorganic acid was placed, in our case, with hydrochloric acid inside. This method corroded the samples within one month. The longest but the most closed to the real live method was the burial of samples into soil or compost. However, this method corroded the samples within two years. Final step after the samples were removed from any corrosive environment, were dried under low pressure and were placed in a barrier film made bag together with moisture and oxygen absorbers. So prepared samples with layers of corrosion products have been treated in a low-pressure low-temperature plasma. Treatment was carried out in the apparatus which is based on the reactor: cylinder of quartz glass having a diameter of 100 mm and a length of 900 mm. The reactor was supplied with a working gas or a mixture of working gases with a total flow rate of 50 sccm. In our case, one is pure hydrogen or a combination with argon. A rotary oil pump was used to provide vacuum. The reactor base pressure was 10 Pa before treatment, while during the treatment it was 150 Pa. High-frequency generator (13.54 MHz) was used for supply the system with energy through two copper electrodes located outside the reactor. According to the energy delivery method, the treatment was carried out in a continuous or pulse mode. The sample temperature was monitored during the experiment and were evaluated the emission spectra from OES. The sample temperature was one of the key factors. The measurement was first done with a thermocouple, later switched to a thermocouple with optical data transmission. A safe temperature was set and then the whole process was controlled through it. In addition, the effect of the energy delivery method, value of the delivered power, sample size, presence of incrusted layers and composition of working gas were studied. After application of plasma, samples were analyzed by SEM – EDX and XRD. After the evaluation of the acquired knowledge and experience, a real artifact - a bronze chisel from the site of Boskovice - was treated. This documentation lacked the artifact, so it could be used to verify the lessons learned about plasma chemical reduction.
Keywords:
bronze; corrosion products reduction; electron microscopy; low temperature plasma; optical emmission spectroscopy; XRD analysis.; bronz; elektronová mikroskopie; nízkoteplotní plazma; optická emisní spektroskopie; redukce korozních produktů; rentgenová difrakční analýza
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/178200
guest ::
