Atmospheric corrosion of quaternary bronzes (Cu-Sn-Zn-Pb): laboratory tests (accelerated ageing in wet & dry conditions)and field studies (the Bottego monument in Parma, Italy).

The interactions between outdoor bronzes and the environment, which lead to bronze corrosion, require a better understanding in order to design effective conservation strategies in the Cultural Heritage field. In the present work, investigations on real patinas of the outdoor monument to Vittorio Bottego (Parma, Italy) and laboratory studies on accelerated corrosion testing of inhibited (by silane-based films, with and without ceria nanoparticles) and non-inhibited quaternary bronzes are reported and discussed. In particular, a wet&dry ageing method was used both for testing the efficiency of the inhibitor and for patinating bronze coupons before applying the inhibitor. A wide range of spectroscopic techniques has been used, for characterizing the core metal (SEM+EDS, XRF, AAS), the corroded surfaces (SEM+EDS, portable XRF, micro-Raman, ATR-IR, Py-GC-MS) and the ageing solutions (AAS). The main conclusions were: 1. The investigations on the Bottego monument confirmed the differentiation of the corrosion products as a function of the exposure geometry, already observed in previous works, further highlighting the need to take into account the different surface features when selecting conservation procedures such as the application of inhibitors (i.e. the relative Sn enrichment in unsheltered areas requires inhibitors which effectively interact not only with Cu but also with Sn). 2. The ageing (pre-patination) cycle on coupons was able to reproduce the relative Sn enrichment that actually happens in real patinated surfaces, making the bronze specimens representative of the real support for bronze inhibitors. 3. The non-toxic silane-based inhibitors display a good protective efficiency towards pre-patinated surfaces, differently from other widely used inhibitors such as benzotriazole (BTA) and its derivatives. 4. The 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH) additivated with CeO2 nanoparticles generally offered a better corrosion protection than PropS-SH.

Bronzi e bronzi dorati esposti all’azione della pioggia: corrosione ed inibizione

Il presente lavoro di tesi è stato organizzato in tre parti principali: in prima analisi, è stato effettuato uno studio preliminare di patine reali prelevate da bronzi esposti all’aperto, al fine di verificare l’ipotesi che diverse geometrie di esposizione generano patine differenti nella morfologia e nella composizione sulla superficie della lega. In particolare, è stata posta l’attenzione sullo Sn, il quale esibisce un differente comportamento in aree esposte o riparate dalla pioggia battente. Successivamente quindi, mediante una prova di invecchiamento accelerato che riproduce l’azione della pioggia battente (dropping test) è stata quindi studiata l’efficienza dell’inibitore PropS-SH (3-mercapto-propil-trimetossi-silano), il quale si è dimostrato un possibile sostituto del BTA nell’inibizione della corrosione dei bronzi e tra i primi candidati nello studio dell’inibizione della corrosione nei bronzi dorati. Lo studio è stato effettuato impiegando il dropping test sia per la pre-patinazione (in modo da produrre un substrato rappresentativo di quello su cui si applica l’inibitore) che per l’esposizione vera e propria. I risultati ottenuti sono stati poi confrontati con quelli ottenuti in un lavoro precedente, in cui è stata studiata l’efficienza dello stesso inibitore in condizioni che simulano invece l’azione della pioggia stagnante. Infine, sono stati condotti studi preliminari sulla corrosione di campioni di bronzo dorato mediante invecchiamento accelerato in condizioni che simulano sia la pioggia battente che quella stagnante (wet&dry test).

Outdoor bronze conservation: assessment of protective treatments by accelerated aging and of treatment removal procedures by laser cleaning

Outdoor bronzes exposed to the environment form naturally a layer called patina, which may be able to protect the metallic substrate. However, since the last century, with the appearance of acid rains, a strong change in the nature and properties of the copper based patinas occurred [1]. Studies and general observations have established that bronze corrosion patinas created by acid rain are not only disfiguring in terms of loss of detail and homogeneity, but are also unstable [2]. The unstable patina is partially leached away by rainwater. This leaching is represented by green streaking on bronze monuments [3]. Because of the instability of the patina, conservation techniques are usually required. On a bronze object exposed to the outdoor environment, there are different actions of the rainfall and other atmospheric agents as a function of the monument shape. In fact, we recognize sheltered and unsheltered areas as regards exposure to rainwater [4]. As a consequence of these different actions, two main patina types are formed on monuments exposed to the outdoor environment. These patinas have different electrochemical, morphological and compositional characteristics [1]. In the case of sheltered areas, the patina contains mainly copper products, stratified above a layer strongly enriched in insoluble Sn oxides, located at the interface with the uncorroded metal. Moreover, different colors of the patina result from the exposure geometry. The surface color may be pale green for unsheltered areas, and green and mat black for sheltered areas [4]. Thus, in real outdoor bronze monuments, the corrosion behavior is strongly influenced by the exposure geometry. This must be taken into account when designing conservation procedures, since the patina is in most cases the support on which corrosion inhibitors are applied. Presently, for protecting outdoor bronzes against atmospheric corrosion, inhibitors and protective treatments are used. BTA and its derivatives, which are the most common inhibitors used for copper and its alloy, were found to be toxic for the environment and human health [5, 6]. Moreover, it has been demonstrated that BTA is efficient when applied on bare copper but not as efficient when applied on bare bronze [7]. Thus it was necessary to find alternative compounds. Silane-based inhibitors (already successfully tested on copper and other metallic substrates [8]), were taken into consideration as a non-toxic, environmentally friendly alternative to BTA derivatives for bronze protection. The purpose of this thesis was based on the assessment of the efficiency of a selected compound, to protect the bronze against corrosion, which is the 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane (PropS-SH). It was selected thanks to the collaboration with the Corrosion Studies Centre “Aldo Daccò” at the Università di Ferrara. Since previous studies [9, 10, 11] demonstrated that the addition of nanoparticles to silane-based inhibitors leads to an increase of the protective efficiency, we also wanted to evaluate the influence of the addition of CeO2, La2O3, TiO2 nanoparticles on the protective efficiency of 3-mercapto-propyl-trimethoxy-silane, applied on pre-patinated bronze surfaces. This study is the first section of the thesis. Since restorers have to work on patinated bronzes and not on bare metal (except for contemporary art), it is important to be able to recreate the patina, under laboratory conditions, either in sheltered or unsheltered conditions to test the coating and to obtain reliable results. Therefore, at the University of Bologna, different devices have been designed to simulate the real outdoor conditions and to create a patina which is representative of real application conditions of inhibitor or protective treatments. In particular, accelerated ageing devices by wet & dry (simulating the action of stagnant rain in sheltered areas [12]) and by dropping (simulating the leaching action of the rain in unsheltered areas [1]) tests were used. In the present work, we used the dropping test as a method to produce pre-patinated bronze surfaces for the application of a candidate inhibitor as well as for evaluating its protective efficiency on aged bronze (unsheltered areas). In this thesis, gilded bronzes were also studied. When they are exposed to the outside environment, a corrosion phenomenon appears which is due to the electrochemical couple gold/copper where copper is the anode. In the presence of an electrolyte, this phenomenon results in the formation of corrosion products than will cause a blistering of the gold (or a break-up and loss of the film in some cases). Moreover, because of the diffusion of the copper salts to the surface, aggregates and a greenish film will be formed on the surface of the sample [13]. By coating gilded samples with PropS-SH and PropS-SH containing nano-particles and carrying out accelerated ageing by the dropping test, a discussion is possible on the effectiveness of this coating, either with nano-particles or not, against the corrosion process. This part is the section 2 of this thesis. Finally, a discussion about laser treatment aiming at the assessment of reversibility/re-applicability of the PropS-SH coating can be found in section 3 of this thesis. Because the protective layer loses its efficiency with time, it is necessary to find a way of removing the silane layer, before applying a new one on the “bare” patina. One request is to minimize the damages that a laser treatment would create on the patina. Therefore, different laser fluences (energy/surface) were applied on the sample surface during the treatment process in order to find the best range of fluence. In particular, we made a characterization of surfaces before and after removal of PropS-SH (applied on a naturally patinated surface, and subsequently aged by natural exposure) with laser methods. The laser removal treatment was done by the CNR Institute of Applied Physics “Nello Carrara” of Sesto Fiorentino in Florence. In all the three sections of the thesis, a range of non-destructive spectroscopic methods (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS), μ-Raman spectroscopy, X-Ray diffractometry (XRD)) were used for characterizing the corroded surfaces. AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) was used to analyze the ageing solutions from the dropping test in sections 1 and 2.

Sviluppo di un protettivo a base di benzotriazolo per il rivestimento di superfici metalliche e beni culturali

Il BTA (benzotriazolo), largamente impiegato nei protettivi per metalli utilizzati commercialmente, in particolare per la conservazione dei beni culturali, presenta problematiche riguardo il progressivo impoverimento di quest'ultimo legato alla sua volatilità, con conseguente perdita di efficacia antiossidante del film e rischi per la salute e per l'ambiente, data la tossicità del composto. Lo scopo di questo lavoro è stato di mettere a punto un polimero per il coating ecofriendly (PLA, polimero proveniente da materie prime rinnovabili) ed efficiente (polimero funzionalizzato con BTA, il quale essendo legato chimicamente alla catena di polimero, è maggiormente trattenuto all'interno del materiale) come valida alternativa a quelli reperibili commercialmente. In questo lavoro di tesi è stato sintetizzato un derivato funzionalizzato del benzotriazolo, molto usato per la conservazione dei beni culturali, in modo da essere utilizzato come iniziatore di polimerizzazione ROP di rac-lattide. In questo modo sono stati messi a punto, modulandone il peso molecolare attraverso la variazione della quantità di iniziatore, alcuni polimeri di poli-acido lattico con una molecola di benzotriazolo legata alla estremità carbossilica di ogni catena, legame che ne limita molto la fuoriuscita dal film. In seguito è stata testata l'efficacia di questi polimeri come alternativa a quelli utilizzati commercialmente nel campo della conservazione dei beni culturali, applicando uno strato di essi su dei provini di bronzo e sottoponendoli a diversi processi di invecchiamento, confrontando il loro comportamento con quello di un prodotto commerciale preso a paragone e con quello di PLA privo di funzionalizzazioni additivato di benzotriazolo. Particolare attenzione è stata posta, non solo sul tasso di degradazione al quale sono andati in contro, ma, visto l'ambito artistico, anche le modificazioni estetiche che i provini hanno subito dopo l'applicazione e dopo l'invecchiamento servendosi di misure di colore e foto che ne monitorassero i cambiamenti.

Strategie di conservazione per bronzi esposti all'aperto: studio di metodologie di pulitura, patinazione e consolidamento

Con l’aumento dell’acidità e degli inquinanti nelle deposizioni umide, la corrosione atmosferica dei bronzi esposti all’aperto è stata accelerata e la stabilità della patina di prodotti di alterazione, che solitamente protegge parzialmente il substrato metallico, risulta compromessa. La patina costituisce il supporto reale nelle condizioni d’impiego dell’inibitore o del protettivo, il quale viene applicato in seguito ad una pulitura del manufatto corroso che non espone il metallo nudo. L’inibitore attualmente più utilizzato, benzotriazolo (BTA), risulta non totalmente adeguato nei confronti del bronzo, tossico per l’ambiente e sospetto cancerogeno per l’uomo. Occorre quindi sviluppare soluzioni alternative per la conservazione dei bronzi all’aperto: a questo scopo, il presente lavoro di tesi si è sviluppato in tre fasi: (i) patinazione via invecchiamento artificiale accelerato, simulando la pioggia battente (dropping test) e la pioggia stagnante (wet&dry) su campioni di bronzo quaternario Cu-Sn-Zn-Pb, al fine di produrre un substrato rappresentativo, diversificando le patine prodotte dalle due geometrie di esposizione, sul quale possa essere applicato un inibitore o protettivo. La patinazione artificiale ha permesso di riprodurre efficacemente le due tipologie di patine naturali: le superfici patinate in pioggia battente hanno mostrato il tipico arricchimento in Stagno dovuto alla decuprificazione, mentre le superfici patinate in pioggia stagnante hanno presentato la comparsa dei tipici prodotti precursori dei solfati basici. (ii) pulitura di una patina naturale su bronzo quaternario (fontana del XVII sec.) mediante sabbiatura criogenica (dry-ice blasting), al fine di verificare l’efficienza di questa tecnica per preparare le superfici patinate all’applicazione di un inibitore o protettivo e il suo eventuale utilizzo in sostituzione alle tecniche tradizionali. La sabbiatura criogenica si è tuttavia dimostrata non selettiva nei confronti dei depositi calcarei, dimostrandosi non utilmente applicabile. (iii) protezione di superfici di bronzo quaternario, patinate artificialmente simulando la pioggia battente, mediante un trattamento innovativo di biopatinazione ottenuto applicando il ceppo fungino Beauveria Bassiana, potenzialmente in grado di convertire in ossalati i prodotti di corrosione della patina naturale. Lo scopo è quello di valutare l’efficienza protettiva della biopatina in seguito ad un invecchiamento accelerato simulante la pioggia battente. La biopatinazione è risultata applicabile anche a superfici arricchite in Stagno artificialmente (dropping test), ma la biopatina ottenuta non si è mostrata in grado di limitare i fenomeni corrosivi. Si ritengono necessarie ulteriori prove per valutarne l’efficienza a più lungo termine.