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2023_CORRIGE_MA-CRAE-DupuisAsh-InvestigatingGlassDegradationInFluidCollections.pdf
Master thesis

A Brain Teaser : Investigating the Chemical and Physical Alteration Mechanisms of Glass in Fluid Collections and Their Conservation Implications for the Ariëns Kappers Brain Collection

  • Neuchâtel : Haute Ecole Arc Conservation-restauration

176 p.

Master of arts HES-SO in conservation-restoration: Haute Ecole Arc Conservation-restauration, 2023

Conservation-restauration
Collection en fluide
Dégradation du verre
English French The following thesis investigates the chemical and physical degradation of glass in fluid collections through the lens of the Arïens Kappers Brain Collection. To that end, severely degraded glass containers from the collection were studied with the help of a variety of tools. A specially devised nomenclature, fractography, polarized light (polariscope), and experiments on the resistance of glass jars to inner negative pressure, revealed the glass walls of rectangular containers in fluid collections are subjected to 3 types of forces: 1 - bending forces with a twist caused by negative inner pressure forming after a decrease in volume of the conservation fluid, linked to a drop in temperatures. 2 - Compressive forces from the lid being pulled inwards by the inner negative pressure. 3 – Residual stress from the manufacturing process and/or improper annealing, when present. Observations, spectra, as well as quantitative results obtained with scanning Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), revealed the composition of the glass was not particularly unstable, but water based conservation fluids had degraded the inner glass walls, causing a loss of alkalis and microcracks. From there, a comprehensive degradation system was established describing the relations between physical forces and chemical alterations. First, the glass walls are weakened and their alkalis leached into the fluid, eventually reaching a point where the walls can no longer withstand the physical forces to which they are subjected. Once there is a fracture, water seeps into the fractures and starts degrading the break surfaces, releasing alkalis. As they remain trapped between the two fracture plans, a localized environment forms with an ever increasing pH. Eventually dissolving the silica network and forming precipitates in the fluid.
The implications of this alteration system were also discussed. At present, only preventive conservation measures can be taken to delay the fracturing of glass walls in rectangular jars. Containers at risk can be identified through visual cues of chemical alterations, polariscope observations, or simply typology. The main way to delay fracturation of the glass walls is to limit changes in volume of the conservation fluid and/or its impact on the glass walls. This can be done by controlling environmental conditions or by installing a bi-directional valve or using the hole-pastille method. When fracturing has already occurred, time is of the essence to stabilize it and prevent the chemical degradation process to start there as well.
Finally, experiments were conducted to establish if current glass conservation materials can be suitable in the context of fluid collections. It was concluded that currently, none of the materials used for the conservation of glass meet all the criteria for fluid collections. Out of the four materials tested, Dowsil™ 732, a polysiloxane, showed great resistance to both conservation fluids (Ethanol 80% and Kaiserling III). It’s main limitation being its thickness as it is impossible to infiltrate in a crack, and it requires an open fracture. Paraloïd™ B-72 samples failed in both conservation fluids. Both tested epoxies (Araldite® 2020 and HXTAL NYL-1) came out as unsuitable on their own as well, but the addition of a silane coupling agent could be sufficient to render HXTAL usable with Kaiserling III. Ce travail de Master porte sur l’étude de la dégradation chimique et physique du verre dans les collections de spécimens en fluide, et plus spécifiquement de la dégradation du verre dans la collection de cerveaux Arïens Kappers. Dans cette optique, des récipients en verre très dégradés de la collection ont été étudiés à l'aide d'une variété d'outils. Une nomenclature spécialement conçue, la fractographie, un polariscope, et des expériences sur la résistance des bocaux en verre à la pression négative interne, ont révélés que les parois en verre des récipients rectangulaires dans les collections en fluide sont soumises à trois types de forces : 1 - des forces de flexion avec une torsion causée par une pression interne négative se formant à la suite d'une diminution du volume du liquide de conservation, liées à une baisse des températures. 2 - des forces de compression résultant du fait que le couvercle est aspiré vers l'intérieur par la pression négative interne. 3 - des contraintes résiduelles issues du processus de fabrication et/ou d'un refroidissement inadéquat, si présentes. Les observations, les spectres, ainsi que les résultats quantitatifs obtenus grâce à la microscopie électronique à balayage couplée à la spectrométrie de dispersion d'énergie (MEB-EDS), ont révélé que la composition du verre n'était pas particulièrement instable, mais que les fluides de conservation à base d'eau avaient dégradé les parois internes, entraînant une perte d'alcalis et la formation de microfissures. À partir de ce constat, un système complet de dégradation a été proposé décrivant les relations entre les forces physiques et les altérations chimiques. Tout d'abord, les parois en verre sont affaiblies et leurs alcalis sont extraits dans le milieu aqueux, atteignant finalement un point où ils ne peuvent plus résister aux forces physiques auxquelles ils sont soumis. Une fois qu'il y a une fracture, l'eau s'infiltre et commence à dégrader les surfaces de rupture, libérant encore des alcalis. Ces derniers restent piégés entre les deux plans de fracture, un environnement localisé se forme avec un pH toujours croissant, dissolvant finalement le réseau de silice et formant des précipités dans le liquide.
Les implications de ce système d'altération ont également été traités. À l'heure actuelle, seules des mesures de conservation préventives peuvent être prises pour retarder la fracturation des parois en verre des bocaux rectangulaires. Les récipients à risque peuvent être identifiés grâce à des indices visuels d'altérations chimiques, à des observations au polariscope, ou simplement à la typologie. La principale façon de retarder la fracturation des parois en verre est de limiter les changements de volume du liquide de conservation et/ou leur impact sur les parois en verre. Cela peut être réalisé en contrôlant les conditions environnementales, en installant une valve bidirectionnelle ou en utilisant la méthode du trou-pastille. Lorsque la fracturation s'est déjà produite, il est essentiel d’agir rapidement pour la stabiliser, et empêcher le processus de dégradation chimique de se mettre en place à cet emplacement également.
Enfin, des expériences ont été menées pour déterminer si les matériaux actuels employés pour la conservation du verre peuvent être adaptés aux collections en fluide. Il a été conclu que, actuellement, aucun des matériaux utilisés pour la conservation du verre ne répond à tous les critères des collections en fluide. Sur les quatre matériaux testés, le Dowsil™ 732, un polysiloxane, a montré une grande résistance aux deux liquides de conservation (éthanol à 80 % et Kaiserling III). Sa principale limitation réside dans son épaisseur, car il est impossible de l’infiltrer dans une fissure, et il nécessite une fracture ouverte. Le Paraloïd™ B-72 n’est pas adapté aux deux liquides de conservation. Les deux époxydes testées (Araldite® 2020 et HXTAL NYL-1) se sont révélés inadaptés seuls, mais l'ajout d'un agent de couplage silane pourrait être suffisant pour rendre la HXTAL utilisable avec le Kaiserling III.
Language
  • English
Notes
  • Haute Ecole Arc Conservation-restauration
  • Conservation-restauration
  • Orientation : objets archéologiques et ethnographiques
  • hesso:hearc-cor
Persistent URL
https://sonar.ch/hesso/documents/326600
Statistics
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