4 Material und Umwelt
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Fused filament fabrication (FFF) on desktop 3D printers is a material extrusion-based technique often used by educational institutions, small enterprises and private households. Polymeric filaments are melted and extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extrusion temperature is therefore a key parameter for a successful print job, but also one of the main driving factors for the emission of harmful air pollutants, namely ultrafine particles and volatile organic gases, which are formed by thermal stress on the polymeric feedstock. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, the multiplicity of study designs makes an objective comparison of emission data challenging because printer hardware factors such as the actual extruder temperature (TE) and also feedstockspecific emissions are not considered. We assume that across the market of commercial low- and mid-price FFF printers substantial deviations between actual and set extruder temperatures exist, which have a strong effect on the emissions and hence may bias the findings of exposure studies. In our last publication, we presented a standardized feedstock-specific emission test method and showed that for each investigated feedstock an increase in actual extruder temperature was accompanied by an increase in particle emissions (Tang and Seeger, 2022). Therefore, any systematic discrepancy between set and actual extruder temperature matters. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperatures at different heights. We found significant under- and overestimation of the actual extruder temperatures by the respective set temperatures in three commercial printers. This caused a broad variation of the measured total numbers of emitted particles (TP), even when the same feedstock was operated. For the determination of TP, we followed the DE-UZ 219 test guideline. In a second round we repeated the tests with all printers adjusted to exactly the same extruder temperatures, i.e., to TE=230°C for ABS and TE=210°C for PLA. All measurements were conducted in a 1 m³ emission test chamber. Particle emissions in the size range between 4 nm and 20 μm were detected. Printing on three different printer models without temperature adjustment resulted for each of the investigated feedstocks in a variation in TP of around two orders of magnitude. After temperature adjustment, this was substantially reduced to approx. one order of magnitude and hence minimizes the bias of printer hardware on the emissions. Our findings suggest that adjustment of the extruder temperature should be mandatory in emission testing standards. It also poses a more accurate benchmark and provides more reliable emission data for evaluation of indoor air quality or for health risk assessments. In addition, a proper temperature setting is in the interest of the user. Some commercial FFF printers may have a higher actual extruder temperature than displayed and unintended overheating may not only impair the print quality but may cause unnecessarily increased exposure to particle emissions.
Im Rahmen des Projektes „Hinterglasmalerei als Technik der Klassischen Moderne von 1905 – 1955“, welches vom Museum Penzberg – Sammlung Campendonk, Penzberg (Gisela Geiger und Diana Oesterle) geleitet wurde und in Zusammenarbeit mit der freischaffenden Restauratorin Simone Bretz, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Doerner Institut erfolgte, konnte im Rahmen einer Promotion erstmals ein Konvolut von mehr als 60 Hinterglasbildern mit nicht-invasiven Analysemethoden untersucht werden. Die eingesetzten Verfahren ermöglichten die Identifizierung der Pigmente und eine Klassifizierung der verwendeten Bindemittel.
Die materialwissenschaftliche Beschäftigung mit der Hinterglaskunst in ihrer Vielfalt ist ein relativ junges Forschungsfeld. Lange wurde ihr mit Unkenntnis, Missverständnis und sogar Geringschätzung begegnet. Im kunsthistorischen Kontext wurde diese Art der Kaltmalerei zumeist mit dem Begriff der Glasmalerei belegt und nicht als eigenständige Kunstform anerkannt, da in beiden Fällen Glas als Bildträger seinen Einsatz findet. In der Hinterglasmalerei wird die Tafelrückseite mit organisch gebundenen Malfarben verziert und das Werk ausschließlich bei auffallendem Licht betrachtet. Die künstlerische Herausforderung liegt immer in der technischen Notwendigkeit eines umgekehrten Malvorganges: die oberste, durch das Glas sichtbare Schicht muss zuerst auf den Bildträger Glas aufgetragen werden, der optische Hintergrund wird zuletzt aufgebracht. Im Vergleich zum Tafelbild, bei dem die Malerei erst durch den Firnisauftrag Tiefenlicht erhält, entfalten die Farben in der Hinterglasmalerei bereits beim Malen ihre Intensität und erhalten gleichzeitig Schutz durch den gläsernen Bildträger (Bretz et al. 2016).
Neben der kunstgeschichtlichen und kunsttechnologischen Bearbeitung der Hinterglasbilder spielten materialwissenschaftliche Untersuchungen an einer Auswahl von 66 Bildern im Rahmen des von der VolkswagenStiftung finanzierten Forschungsprojektes eine zentrale Rolle. Grundsätzlich wurde ein nicht-invasiver Ansatz gewählt, um die fragilen Kunstwerke in-situ zu messen und somit einen Transport zu vermeiden. Die Methodik umfasst neben VIS-Spektrometrie in Reflexion und energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) auch Infrarotspektroskopie in diffuser Reflexion (DRIFTS) und Raman-Spektroskopie. Mit Hilfe des gewählten methodischen Ansatzes lassen sich sowohl anorganische als auch organische Pigmente identifizieren und die Zusammensetzung von Metallfarben und Folien sowie die Glaszusammensetzung qualitativ bestimmen. Ferner ermöglicht die DRIFT-Spektroskopie eine Klassifizierung der Bindemittel.
Die im Rahmen des Forschungsprojektes analysierten Hinterglasbilder können folgendermaßen chronologisch gruppiert werden: 1910-1919 (17 Bilder), 1920-1929 (18 Bilder), 1930-1939 (6 Bilder), 1940-1949 (7 Bilder), 1950-1955 (13 Bilder) und >1955 (5 Bilder). Die Auswertung der Ergebnisse ermöglicht grundsätzliche Aussagen über die verwendeten Malmaterialien in Hinterglasbildern in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und zeigt Änderungen der verwendeten Pigmente im zeitlichen Kontext auf.
Während der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts kamen viele neue Pigmente und Malmaterialien auf den Markt, wobei speziell die synthetischen organischen Pigmente (SOP) zu nennen sind. Eine Vielzahl an SOP konnte in Hinterglasbildern aus allen Zeitgruppen identifiziert werden, wobei hier vor allem Farblacke aus synthetischem Alizarin (PR83), Vertreter der roten und orangen β-Naphthol Pigmente [(z.B. PR3, PR4, PO5 (in Nächtliche Fahrt, 1921 von L. Hildebrandt nachgewiesen)], die blauen und grünen Kupferphthalocyanine [z.B. PG7, PB15 (taucht ab 1949 in Hinterglasbildern auf)] und einige gelbe Azopigmente [z.B. PY1, PY3, PY12 (in Geneigter Mädchenkopf, 1941 von Oskar Schlemmer gefunden)] aufzuführen sind (Steger et al. 2018; Steger et al. 2019a). Einige seltene SOP der Triarylcarboniumgruppe konnten ebenso nachgewiesen werden. Darunter fallen neben der Identifizierung von PR81 (Ohne Titel, 1954, M. Uhlenhuth) auch die erstmaligen Nachweise von PV2 (Hahn, um 1945, L.-G. Buchheim) und PG1 (Exzellente und einmalige Dressuren, 1945/46, L.-G. Buchheim) in Kunstwerken überhaupt (Steger et al. 2018; Steger et al. 2019a). Ferner konnten mit PB52 aus der Gruppe der Anthrachinone und PR60 aus der Gruppe der verlackten Naphthalin-Sulfonsäure-Pigmente weitere seltene SOP in den Bildern Rudern (um 1912) beziehungsweise Apokalyptischer Reiter II (1914) von Wassily Kandinsky nachgewiesen werden (Steger et al. 2019b).
Neben den Entwicklungen der SOP können auch eindeutige Trends in den anorganischen Pigmenten veranschaulicht werden. Seltene anorganische Pigmente wie zum Beispiel Strontiumweiß (SrSO4) in der Kreuzabnahme (1914/15) von Carlo Mense (Steger et al. 2019c) wurden identifiziert. Neu entwickelte anorganische Pigmente wie zum Beispiel Cadmiumrot (Cd(S,Se); ab 1928 in 11 Hinterglasbildern nachgewiesen) oder Titanweiß (TiO2; Anatas kommt ab 1922 vor, Rutil konnte nur in Kissen der Träume, 1976 von Werner Schriefers identifiziert werden) tauchen in einigen Hinterglasbildern auf. Schweinfurter Grün (3Cu(AsO2)2·Cu(CH3COO)2) oder Strontiumgelb (SrCrO4) wurden in einigen Bildern bis etwa um 1925 gefunden; diese Pigmente konnten dagegen in späteren Bildern nicht mehr nachgewiesen werden. Als Beispiel sind hier vier frühe Hinterglasbilder (1909–1914) von Wassily Kandinsky zu nennen, wobei Strontiumgelb in vielen Bildpartien zu finden war (Steger et al. 2019b). Publizierte materialwissenschaftliche Ergebnisse von Kandinskys Leinwandgemälden aus späteren Werksperioden zeigen, dass Strontiumgelb zu dieser Zeit vollkommen aus seiner Palette verschwunden ist und vor allem durch ein anderes Gelbpigment, nämlich Cadmiumgelb, ersetzt wurde (McMillan et al. 2013).
Eine materialtechnische Besonderheit in der Hinterglaskunst ist die Verwendung von Metallfolien und Metalleffektpigmenten. Metallfolien aus Silber, Zinn, Aluminium oder Messing wurden vielfach als künstlerisches Element in die Komposition integriert, wobei sie als finale Schicht auf, die bereits gestaltete, leicht transparente Malerei geklebt wurden. Durch die Betrachtung im auffallenden Licht erzeugten die Folien bemerkenswerte Glitzereffekte. Zinn- und Aluminiumfolien wurden zum Beispiel in Rudern (um 1912, W. Kandinsky) nachgewiesen, während Messingfolien häufig in Bildern von L.-G. Buchheim gefunden wurden. Die Zinnfolien wurden im 19. und frühen 20. Jahrhundert für Verpackungszwecke (z.B. Zigaretten, Schokolade) verwendet. Aluminiumfolie wurde erst ab 1910 industriell in der Schweiz hergestellt und zu Beginn vor allem für Schokoladenverpackungen eingesetzt (Skrabec 2016). Die frühe Verwendung solche Folien in Hinterglasbildern (z.B. Rudern, um 1912) zeigen eine rasche Verbreitung dieses Materials bei den Künstlern an. Unter Metalleffektpigmenten versteht man feingemahlene Pulver aus Metall (z.B. Zinn, Nickel, Kupfer) und Legierungen (z.B. Messing, Neusilber) mit unterschiedlichen Tönungen, welche bei seitlichem Lichteinfall auf Hinterglasbildern ein merkbares Funkeln erzeugen. Solche Metalleffektpigmente wurden vielfach bei Werken von Heinrich Campendonk nachgewiesen (Geiger und Bretz 2017) und konnten in allen chronologischen Gruppen gefunden werden.
Grundsätzlich ermöglichen die Ergebnisse ein besseres Verständnis für die Technik der Hinterglasmalerei und helfen insbesondere, diese eigenständige Kunst im Hinblick auf die „klassische“ Tafel- bzw. Leinwandmalerei abzugrenzen. So zeigen Vergleiche mit Gemälden auf Leinwand von Wassily Kandinsky deutliche Unterschiede in den verwendeten Farbmitteln für beide Techniken. Die Anzahl von 66 gemessenen Hinterglasbildern von 39 Künstlern erscheint im Kontext von über 1200 Arbeiten, welche im Rahmen des Projektes lokalisiert werden konnten, gering. Allerdings können die durchgeführten Untersuchungen als Startpunkt für zukünftige Projekte in diesem Forschungsfeld, beispielsweise für einzelne Werkkomplexe verstanden werden.
Die Forschungsergebnisse werden auf die Webseite www.hinterglas-klassischemoderne.de eingestellt. Im Sommer 2020 präsentiert das Museum Penzberg – Sammlung Campendonk Hinterglasbilder von 1910 bis 1960 als Abschlussausstellung des Forschungsprojektes. Die Ausstellung wird von einem ausführlichen Katalog über die fächerübergreifende Forschung begleitet. Für Herbst 2020 ist ein Hinterglas-Symposium an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Berlin im Rahmen eines N.i.Ke. Workshops geplant.
Scientific analysis based on spectroscopic methods provide essential information on the composition of colourants and binders in paintings. These results can be set in a historical context and help to confirm art historical interpretations. Proofs of certain pigments can be used for dating purposes and may reveal if the artist used not only local but also imported materials. A pilot study of two Chinese reverse glass paintings from the late 19th (Yingying and Hongniang) and early 20th centuries (The Archer) was performed using a multi-analytical approach including X-ray fluorescence (XRF), diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) and Raman spectroscopy. This approach allowed the identification of the pigments and the classification of the binding media. The results reveal a combined use of traditional Chinese and imported European materials. Several pigments like cinnabar, lead white, orpiment, carbon black and copper-arsenic green (probably emerald green) were found in both paintings; red lead, artificial ultramarine blue, Prussian blue and ochre appear in at least one of the paintings. The proof of limewash (calcite and small amounts of portlandite) as a backing layer in “Yingying and Hongniang” indicates that clamshell white was also used for reverse glass paintings. Drying oil was classified as a binding media in most areas of both paintings. However, the orange background of The Archer yielded prominent bands of both proteinaceous and fatty binder.
The technique of painting on the reverse side of a glass panel was rediscovered by German artists at the beginning of the 20th century. They appreciated the impressive gloss, luminosity, and depth of colours in this genre. Compared to stained glass, the distinctive properties of this technique are: (1) the paint is applied “cold”, hence, it doesn’t involve a firing step, (2) reverse paintings on glass are framed and always viewed in reflected light and (3) the reverse paint stratigraphy is different from canvas paintings, starting with the front most layer and ending with the backing layer. In 1908 several artists, including Gabriele Münter, Wassily Kandinsky, Heinrich Campendonk, August Macke and Franz Marc of the “Der Blaue Reiter” (the Blue Rider) collective took an interest in this technique and started to share their interest with other colleagues in Europe. Our pioneering project is tracing this transfer of knowledge by a multidisciplinary approach in terms of art history, paint technology and material science. More than 100 artists and >1000 reverse paintings on glass were identified during the project. This high number of objects clearly points out that this technique was by far more important for modern art than previously assumed. In-situ, non-invasive measurements (XRF, Raman, VIS, DRIFTS) on a well-considered selection of 67 paintings reveal the broad palette of colorants ranging from traditional to experimental. Special attention is paid to the impact of synthetic organic pigments (SOP) in artists palette. Demonstrative examples by W. Kandinsky, L. G. Buchheim and F. Jespers are used to discuss analytical challenges and highlights.
The technique of painting on the reverse side of a glass panel was rediscovered by German artists at the beginning of the 20th century. In contrast to other paint techniques (e.g. panel and mural painting), the paint layers are applied in reverse succession starting with the foremost paint layer and ending with the primer (backmost layer). The paintings are viewed in reflected light, thus revealing an impressive gloss, luminosity and depth of colour. The artist group “Der Blaue Reiter” (the Blue Rider) around W. Kandinsky and F. Marc got in touch with this technique in the summers of 1908 and 1909 and spread their knowledge in different regions. Our pioneering project is tracing this transfer of knowledge by a multidisciplinary approach in terms of art history, painting technology and material science. More than 100 artists and >1000 reverse paintings on glass (1905-1955) were identified during the project. This numbers clearly point out that this technique was by far more important for modern art than previously assumed. In-situ, non-invasive measurements (XRF, Raman, VIS, DRIFTS) on a well-considered selection of 67 paintings reveal the broad palette of colorants ranging from traditional to experimental materials. Special attention is paid on artists who are strongly connected to Berlin. Demonstrative examples by W. Dexel, G. Muche and L. Hildebrandt are used to discuss analytical challenges and highlights.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10 % variability over 14 days). Two approaches were tested: the impregnation of porous materials with VOC, and the encapsulation of VOC in polymer microcapsules. Impregnation is performed with help of an autoclave and supercritical CO2. The encapsulation is done by interfacial polymerisation on VOC droplets. For both approaches, synthesis and/or material parameters were varied to obtain an optimal ERM. Findings about the optimisation of ERM generation, as well as performance of the best emission reference materials, will be presented.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. Different VOC combinations may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use materials proven to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability and metrological traceability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable reference materials. The emission test chamber procedure according to EN 16516 comprises several steps from sample preparation to sampling of test chamber air and chromatographic analysis. Quality assurance and quality control (QA/QC) must therefore be ensured. Currently, there is a lack of suitable reference products containing components relevant for the health-related evaluation of building products.
The EU-funded EMPIR project 20NRM04 MetrIAQ (Metrology for the determination of emissions of dangerous substances from building materials into indoor air) aims to develop 1) gaseous primary reference materials (gPRM), which are used for the certification of gaseous (certified) reference materials (gCRM) and 2) emission reference materials (ERM).
Most commercial gas standards of indoor-relevant compounds are not certified due to the lack of primary reference materials to which the project aims to contribute. The gPRM under development is a gas-phase standard containing trace levels of VOCs in nitrogen or air from the check standard according to EN 16516 (n-hexane, methyl isobutyl ketone, toluene, butyl acetate, cyclohexanone, o-xylene, phenol, 1,3,5-trimethylbenzene) with a target uncertainty of 5 %. The gPRM can be sampled into sorbent tubes to obtain transfer standards in the form of gCRM.
The well characterised ERM represents a sample of a test specimen, e.g. building material, that is loaded into the emission test chamber for a period of several days and is used to evaluate the whole emission test chamber procedure. It shall have a reproducible and temporally constant compound release of less than 10 % variability over 14 days. Different approaches for retarded VOC release, such as the encapsulation of pure compounds and the impregnation of porous materials, are being tested to reach this aim. Furthermore, the design of the ERM is accompanied by the development of a numerical model for the prediction of the emissions for each of the target VOCs. The current progress of the work on both materials will be presented.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning.
Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures.
While studying the history of inks, division 4.5 of the BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung) together with the Centre for the Study of Manuscript Cultures in Hamburg has developed a protocol for ink analysis. It consists of a primary screening to determine the type of the ink, and a subsequent in-depth analysis using several spectroscopic techniques. One of them, X-ray Fluorescence (XRF) aims primarily at establishing the fingerprints of inks containing metals, making it possible to distinguish among different inks.
Our research aims primarily at recreating a socio-geographic history of inks, parchment, and papyrus and includes the comparative analysis of the writing materials of the Dead Sea Scrolls, ink and papyrus in Ancient and Hellenistic Egypt, and inks in documents from various contemporary medieval communities in Fustat (first nucleus of Cairo) as well as other medieval Jewish and Armenian communities.
The presentation shows the panorama of historic inks and our attempt to follow up the transition of the inks from those based on soot to the iron-gall inks commonly used in the Middle Age.
Our study is dedicated to non-destructive characterization of the support and the inks of the DSS.
To that aim we use micro-XRF, 3D- SY-XRF, different IR methods including synchrotron radiation based reflectance spectroscopy, optical and electron microscopy.
The lecture discusses advantages and the shortcomings of the non-destructive testing approach.