Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Farbpigmenten mittels kalorimetrischer und thermographischer Methoden
(Bachelorarbeit von Novid Ghassemi)Einleitung
Im Jahre 2014 hatten wir uns schon einmal mit dem thermischen Verhalten von verschiedenen Farbpigmenten auf Gemälden auseinandergesetzt [1]. Mit der angefertigten Bachelorarbeit von Herrn Ghassemi wurde die Untersuchungsmethode konkretisiert. In seiner Untersuchung sind zwei Methoden zum Einsatz gekommen. Die erste Methode ist eine kalorimetrische zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität einiger Pigmente. Die zweite ist eine thermographische, bei der eine Wärmebildkamera (InfraTec, Vario CAM head) eingesetzt wird, um eine Überprüfung der vorher bestimmten Wärmekapazitäten durchzuführen.
Kalorimeter
Bei der kalorimetrischen Untersuchung werden die einzelnen Pigmente alle auf die gleiche Temperatur aufgeheizt. In Abhängigkeit von der Wärmekapazität erfolgen dann die Erwärmungen unterschiedlich schnell. Um Umgebungseinflüsse zu minimieren, werden die Messungen in einem Doppelwandgefäß (Dewargefäß) mit der enthaltenen Probe durchgeführt.
Abb. 1: Kalorimeter
Das Messsystem wird in Näherung als geschlossenes System angesehen. Mittels eines regelbaren Netzteils wird Wärme direkt im Dewargefäß erzeugt und erwärmt die Probe, das Wasser im Dewargefäß sowie die Wände des Gefäßes. Zur Auswertung müssen alle fremden Wärmekapazitäten bekannt sein (Wasser, Gefäß, Probenbehälter), die im Vorfeld ermittelt werden. Auf diese Weise ist für die unbekannten Proben im Messsystem die Wärmemenge zu berechnen. Unter Hinzuziehung der gemessenen Temperaturveränderung und der Probenmasse, wird die spezifische Wärmekapazität der Probe ermittelt.
Abb. 2: Messaufbau mit Kalorimeter, Netzteil und Messwerterfassung
Wärmebilder
Für die erfolgte Untersuchung wurden auf einer Leinwand Messfelder mit Chromoxid, Azurit und Zinnober angelegt. Jeder Pigmentauftrag erfolgte zusätzlich in unterschiedlichen Konzentrationen mit einem Bindemittel, deren Masse vorher zu bestimmen war.
Abb. 3: Wärmebild Messaufbau mit Leinwand. Rechts die IR-Lampen und links die Wärmebildkamera.
Für die gleichmäßige Erwärmung wurden diesmal ausschließlich Infrarotlampen eingesetzt, ohne sichtbares Licht. Mit der Wärmebildkamera wird die Aufheizphase überwacht, um eine gleichmäßige Erwärmung der Oberflächen und Messfelder sicherzustellen. Durch den unterschiedlichen Farbauftrag stellte sich auch die Frage nach der Gleichmäßigkeit der Emission. Zur Vermeidung unterschiedlicher Emissionen wurde ein Emissionsklebeband mit einem Emissionsgrad von 0,95 eingesetzt, das jeweils auf ein Messfeld platziert wurde.
Abb. 4: Pigmentfeld mit Emissionsklebeband auf Leinwand mit verschiedenen Pigmenten und unterschiedlichen Konzentrationen
Beim Abkühlvorgang starten alle Messfelder in Näherung mit der gleichen Temperatur. Nach einer definierten Messzeit werden die Werte miteinander verglichen. Je nach Wärmekapazität, sollte das Abkühlverhalten unterschiedlich schnell geschehen. Korreliert man die Wärmekapazitäten mit der Geschwindigkeit des Abkühlens, müsste die höchste Wärmekapazität das langsamste Abklingverhalten aufweisen.
Tendenziell konnte dieser erwartete Zusammenhang mit der Wärmebildkamera beobachtet werden. Allerdings ist der relative Fehler der Messwerte zum Teil recht groß. Ursache hierfür sind die kleinen Pigmentmengen, die aus Kostengründen zur Anwendung kamen und entsprechend einen großen Fehler aufwiesen. Auch ist der Farbauftrag nicht gleichmäßig, wodurch zusätzliche Fehler bei der Messung entstanden. Ein weiteres Problem verbleibt im Pigment selbst. Es wird nicht immer genau in der gleichen Zusammensetzung zu beziehen sein, da Farbpigmente teilweise aus unterschiedlichen Bestandteilen zusammengesetzt sind und je nach Hersteller variieren. Die Ergebnisse der Arbeit scheinen vielversprechend, jedoch sind weitere Untersuchungen für eine gesicherte Aussage notwendig.
Abb. 5: Pigmentfeld - Start der Abkühlphase. R1 ist ein Kontrollmesspunkt ohne Farbauftrag. Die maximale Differenztemperatur zwischen den Messpunkten beträgt 1 K.
Abb. 6: Pigmentfeld - Durch den ungleichmäßigen Farbauftrag entsteht ungleichmäßiges Abkühlverhalten
Abb. 7: Pigmentfeld - Ende der Abkühlphase. Die maximale Differenztemperatur zwischen den Messpunkten beträgt 2,5 K die Messzeit zwischen Abbildung 5 und 7 liegt bei 62 s.
Quellen:
[1] Wärmekapazitäten von Pigmenten bei Gemälden (2014). Url: http://didaktik.physik.fu-berlin.de/projekte/ waermebild/Waermekapazitaet_Pigmente/Waermekapazitaet_Pigmente.html
[2] Detektierung und Konservierung infolge von Umwelteinflüssen hohlstehender Wandmalereien am Beispiel der national wertvollen mittelalterlichen Kirchen in Kühren und Bad Schmiedeberg. Url: http://www.hornemann-institut.de/doi/62.php