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SiLK - SicherheitsLeitfaden Kulturgut

11. Schadstoffe

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Schadstoffe in kulturellen Einrichtungen?

Seit vielen Jahren wird in Deutschland über die Qualität der Innenraumluft in Wohn- und Arbeitsräumen diskutiert. So können Arbeitnehmer sich zum Schutz der Gesundheit auf bestimmte Grenzwerte berufen und es besteht die Möglichkeit, im Privaten auf emissionsarme (Bau-)Materialen zurückzugreifen.

Nur wenigen Menschen dürfte hingegen bewusst sein, dass sowohl die schadstoffhaltige Außenluft als auch Schadkonzentrationen im Gebäudeinneren eines Museums, einer Bibliothek oder eines Archives eine hohe Belastung für die dort befindlichen Kulturgüter darstellen. Insbesondere die Abbauprodukte holzhaltiger Materialien, welche üblicherweise zum Bau von Ausstellungsarchitekturen und Vitrinen verwendet werden, tragen zur Gefährdung in den Einrichtungen bei. Auch das Sammlungsgut selbst kann, sofern organisches Material vorliegt, Substanzen an seine Umgebung abgeben.      

       
Emissionen der Industrie                                           Fingerabdrücke auf staubiger Oberfläche                                 

Ebenso beeinflussen Staub und seine Bestandteile (z.B. Schimmelpilzsporen), die Qualität der Innenraumluft in den Depots und Ausstellungen. Aus diesem Grund zählt die Vermeidung von Schadstoffen im Kulturgüterschutz zu den zentralen Themen.


Systematik und Begrifflichkeiten

Der sehr allgemeine Begriff der Schadstoffe bezieht sich im Kulturgüterschutz vor allem auf flüchtige, organische Verbindungen, die aufgrund ihres niedrigen Siedepunktes in gasförmigem Aggregatzustand vorliegen. Die Fachliteratur folgt zumeist der englischsprachigen Terminologie, die die Substanzen in

• volatile organic compounds/ flüchtige organische Verbindungen (VOC)
• semi volatile organic compounds/ schwerflüchtige organische Verbindungen (SVOC)
• very volatile organic compounds/ schnellflüchtige organische Verbindungen (VVOC)

gliedert. Eine Ausnahme bilden hingegen die Stäube, welche als Festpartikel und je nach Korngröße, in kleine (0,01 bis 15-20 Mikron) und größere Staubpartikel (15-20 Mikron) gruppiert werden.

Des Weiteren wird zwischen Außenluftschadstoffen (Emissionen der Industrie, des Kraftverkehrs, salzhaltige Luft) und Innenraumluftschadstoffen (Ausdünstungen von Baumaterialien, Lagermedien und / oder Verpackungen) differenziert.


Schadensquellen

Der Eintrag von Außenluftschadstoffen wie Ozon, Stickoxid oder Schwefeldioxid erfolgt zum Großteil durch den direkten Luftaustausch über die Gebäudeöffnungen. Hierbei handelt es sich einerseits um große Mengen, die durch Fenster, Türen oder die Belüftungsanlage ins Gebäude gelangen. Aber auch ein geringer Luftaustausch, wie z.B. die Fugenluft, trägt zum kontinuierlichen Konzentrationseintrag von Schadstoffen in die Innenräume der Einrichtungen bei.

Eine maßgebliche Quelle für Schadstoffe in Museen, Archiven und Bibliotheken stellen die flüchtigen organischen Verbindungen aus der Bausubstanz und den zur Ausgestaltung des Raumes (Wände, Böden) verwendeten Materialien dar. Hierzu zählen Konstruktionsmaterialien wie Beton und Holz, insbesondere jedoch Dämm- und Dichtungsstoffe, Klebstoffe sowie harz- und lösungsmittelhaltige Farbaufträge. Weiterhin resultiert die Schadstoffbelastung in den Einrichtungen aus den aus Baumaterialien der Ausstellungsarchitekturen und Vitrinen sowie Einrichtungs- und Lagermedien entweichenden Substanzen.

Auch das Sammlungsgut selbst gibt Schadstoffsubstanzen an die Umgebung ab und trägt somit zur Anreicherung innerhalb der Räumlichkeiten oder der Ausstellungsarchitektur bei. Hierbei handelt es sich einerseits um flüchtige Verbindungen aus Objekten mit organischer Zusammensetzung (zellulose- oder proteinhaltig) oder um die zur Konservierung und Restaurierung eingesetzten Substanzen (Pestizide, Kunststoffe, Lösungsmittel etc.), die aufgrund langer Retentionszeiten über sehr lange Zeiträume hinweg emittieren können.

Letztlich führt auch die Atmung und Transpiration der Besucher zu einer erhöhten Konzentration von Schadstoffsubstanzen in den Ausstellungen und publikumsoffenen Bereichen der Einrichtungen.


Wechselwirkungen und Schadensbilder

Das Schädigungspotential flüchtiger, organischer Verbindungen auf Kulturgüter erhöht sich durch das Zusammenwirken unterschiedlicher Substanzen. So ist der Einfluss von Schadstoffen stark von der Kombination und der Anzahl vorhandener Verbindungen, deren Konzentration und Expositionsdauer abhängig. Besonders wirken sich Umgebungsparameter, wie Lichtstärke, hohe UV-Werte sowie hohe Feuchtigkeitswerte und Temperaturen katalytisch auf den Ablauf chemischer Reaktionen aus. Bisher ist jedoch genau dieses Zusammenspiel aus unterschiedlichen Schadsubstanzen und den Faktoren der Umgebung nur wenig erforscht.

Weitaus bekannter sind hingegen die hieraus resultierenden Schadensbilder, die vor allem durch schwefelhaltige Verbindungen oder organische Säuren verursacht werden. Diese weisen oftmals ein charakteristisches Erscheinungsbild auf:

• Ablagerungen (Korrosionsprodukte, Ausblühungen)
• Farbveränderungen (Flecken, Verfärbungen)
• Klebrigkeit (Abbau von Oberflächen)
• Zersetzung und Zerstaubung (als Folge des Komplettzerfalls)

Schadensbilder, verursacht durch organische Säuren, zeichnen sich durch Ablagerungen und (meist nadelförmige) Ausblühungen aus. Zum Beispiel führen organische Säuren an kalkhaltigen Materialien (Kalkstein, Marmor oder Terrakotta) zu genannten Ausblühungen (http://iaq.dk/image/cyprus_vase.htm, abgerufen 05.09.2016) bzw. führen, wenn nicht
behoben, zur kompletten Auflösung der Objektoberfläche.

Ein sehr spezifisches Schadensphänomen, die Byne’sche Krankheit, ist häufig an naturkundlichem Sammlungsgut, wie Muscheln oder Eierschalen zu finden, das noch in Holzschubladen aus Eiche gelagert wird. Hierbei führen die aus dem Holz entweichenden organischen Verbindungen zu einem typischen weißen, pulvrigen Belag auf der Exponatoberfläche.

   
Ausprägung der Byne'schen Krankheit einem naturkundlichen Objekt  Weiße Auflagerungen in den Zwischenräumen eines naturkundlichen Objektes

Neben der Gefährdung von kalkhaltigen Materialien treten organische Säuren insbesondere mit Metallen in Reaktion und führen zu Korrosionserscheinungen an Blei, Zink und Kupferlegierungen (http://iaq.dk/image/lead.htm, abgerufen 05.09.2016).

Jedoch auch zeitgenössische Objektgattungen, wie Filmmaterialien auf Basis von Cellulosenitrat bzw. Fotografien und Datenträger mit Celluloseacetat-Bestandteilen, sind durch das Einwirken von Schadsubstanzen in ihrem Erhaltungszustand gefährdet (http://iaq.dk/image/photo_neg.htm, abgerufen 05.09.2016). So unterliegen Filme aus Cellulosenitrat auch bei guter Lagerung dem Zerfall und geben hierbei Stickstoffverbindungen an die Umgebung ab. Diese reichern sich z.B. in verschlossenen Filmdosen an und können das Filmmaterial selbst angreifen. Ähnliche Prozesse durchlaufen die frühen Kunststoffe mit Celluloseacetatbestandteilen. Auch diese bauen sich während der Lagerung unter Abspaltung von säurehaltigen Gasen (Essigsäure) ab, welche auf das Objekt einwirken. Der genannte Prozess führt zur Zersetzung bzw. zum Verschrumpfen der Objektsubstanz und wird durch einen charakteristischen Essiggeruch begleitet. Aus diesem Grund ist das Schadbild als Vinegar Syndrom bekannt.

Auch schwefelhaltige Verbindungen, häufig durch organische Materialien und Objekte (Wolle, Holz) selbst emittiert, wirken sich negativ auf den Erhaltungszustand von Sammlungsgut aus. So erzeugen Schwefelwasserstoff und andere sulfidische Verbindungen das schwarze Anlaufen von Silberobjekten, die Verfärbung und das Schwärzen von bleihaltigen Pigmenten an Gemälden oder fördern den sogenannten ‚Roten Zerfall’ von Leder.

 

   
 Schwarz angelaufene Silberexponate  Roter Zerfall an einem Möbelstück mit Lederbezug

     
Das Schadbild von Stäuben ist von der Größe der Partikel abhängig. Die kleinen Korngrößen des Staubes werden durch Adhäsion an die Oberflächen von Wachs-, Papier- oder Federobjekten gebunden und bilden hierbei eine schmierige, verschmutzende Schicht. Größere Partikel lagern sich auf allen Exponaten ab. Die Staubschichten speichern Feuchtigkeit und reagieren mit der Objektoberfläche zu sehr harten Schmutzkonglomeraten. Da Stäube oftmals auch organische Bestandteile (Nahrungsgrundlage vieler Insekten) enthalten, die Ursache für einen Schädlingsbefall sein können, stellen Fraßspuren ein sekundäres Schädigungsbild von Stäuben dar.


Messen, Vermeiden und Vermindern

Innenraumluftschadstoffe werden durch aktive und passive Messverfahren bestimmt. Meist ist zur Beprobung eine umfangreiche technische Ausrüstung sowie entsprechende Laborausstattung notwendig. Des Weiteren können einfache qualitative Analysen erste Hinweise auf eine Schadstoffbelastung liefern.

Die zur Darstellung von Schadstoffbelastungen verwendeten Maßeinheiten hängen von der Menge und dem Aggregatzustand der Schadsubstanzen ab. Hohe Schadkonzentrationen werden in Volumenprozent (Vol %) angegeben, wohingegen geringere Konzentrationen in der Maßeinheit ppm/ppb (parts per million/billion) dargestellt werden. Die Maßeinheit ppm (ppb) entspricht hierbei der Schadstoffkonzentration in einer Million (Billion) Teile Luft. Handelt es sich um flüssige oder feste Substanzen, gibt man diese in Masseanteilen (μg/ m³) an.

Aktive Schadstoffmessungen werden unter definierten und beschleunigten Bedingungen durchgeführt. Hierbei wird eine bestimmte Luftmenge über ein Filtermaterial gesaugt, welches anschließend mittels Gaschromatografie und Massenspektroskopie im Labor ausgewertet wird. Mit Hilfe verschiedener Detektoren kann bei der aktiven Schadstoffmessung auch die Konzentration der Verbindung ermittelt werden. Insgesamt liefern aktive Messungen ein sehr genaues Bild über Art und Ausmaß einer Belastung durch Schadstoffe.

Hingegen werden bei der passiven Messung von Schadsubstanzen keine qualitativen Ergebnisse erzeugt und auch die quantitative Bestimmung gilt als eher ungenau. Dennoch kommen passive Probensammler aufgrund ihrer unkomplizierten Handhabung häufig zum Einsatz. Im Zuge passiver Messungen wird das Probenmaterial bis zu drei Monaten der Raum- oder Vitrinenluft ausgesetzt, das Filtermaterial nimmt vorhandene Schadstoffe auf und wird – ähnlich einer aktiven Beprobung –  im Labor ausgewertet. Zu den passiven Schadstoffsammlern zählen Diffusionsröhrchen, Glassensoren oder Metallstreifen. Letztere dienen u.a. dem Nachweis von Stickoxiden oder schwefelhaltigen Verbindungen.

Ein breiteres Bild zur Belastung der Raumluft liefern Glassensoren, die aus besonders empfindlichem Kalium-Silikatglas oder, wie der vom Fraunhofer Institut für Silicatforschung Würzburg entwickelte Glassensor, aus ‚kranken’ Glasfragmenten bestehen . Auch dieser Sensor wird über einen längeren Zeitraum im Raum oder in der Vitrine ausgelegt. Er weist die Schadbelastung im Vergleich zur Außenluft nach, d. h. es wird die je nach Belastung mehr oder weniger fortgeschrittene Zersetzung des Glases analysiert. Die Analyse erfolgt ebenfalls im Labor und wird mit dem Infrarotspektrometer durchgeführt.

Neben der Verwendung von aktiven und passiven Probensammlern ist die Bestimmung von Schadstoffen über die Durchführung verschiedener qualitativ-chemischer Analyseverfahren möglich. Hierzu zählen unter anderem:

• Oddy-Test (Schwefelverbindungen, organische Säuren)
• Beilsteintest (Chlorbestandteile)
• Azide-Test (reduzierbare Schwefelanteile)
• Iodid-Iodat-Test (flüchtige Säuren)

Eine ausführliche Beschreibung dieser und weiterer Schadstofftests bezogen auf Museen, Bibliotheken und Archive kann dem Netzauftritt der internationalen Arbeitsgruppe Indoor Air Quality (IAQ) entnommen werden (http://iaq.dk/iap/iaq2003/iaq2003_08.pdf, abgerufen 27.11.2015). Dennoch sollen im Folgenden zwei der bekanntesten, der Oddy- und der Beilstein-Test, kurz beschrieben werden:

Beim Oddy-Test werden Streifen aus Blei, Kupfer und Silber zusammen mit den zu beprobenden Materialien in fest verschlossene Testflakons eingebracht – für die entsprechende Feuchtigkeit wird ca. 1 ml Aqua-dest zugefügt. Um die Reaktion des Bleistreifens zu beschleunigen, kann der betreffende Flakon zusätzlich mit Kohlendioxid geflutet werden. Die Flakons werden für 28 Tage in einem bis zu 60° C erwärmten Wärmeschrank gelagert. Um Fehlerquellen zu minimieren, sollten pro Testmaterial drei bis fünf Probenflakons angesetzt werden.

   
Durchführung des Oddy-Tests  
   
Unterschiedliche Korrosionsgrade an Teststreifen    Tropfenbildung an Bleistreifen

Die Auswertung des Oddy-Tests erfolgt rein visuell, ist interpretationsbedürftig und lässt auf keine spezifischen Substanzen schließen. Dennoch zeigt der Test eine Richtung auf; so sind Korrosionsspuren an den Silberstreifen auf schwefelhaltige Verbindungen zurückzuführen, während die Bleistreifen häufig von organischen Säuren angegriffen werden oder die korrodierten Kupferstreifen auf Chloride schließen lassen. Damit ein Material als eindeutig unbedenklich gilt, sollte keine Korrosion an den Testmetallen sichtbar sein.

Generell können die Ergebnisse des Oddy-Tests folgendermaßen interpretiert werden:

korrosionsfrei: dauerhafter Einsatz des Materials möglich
leichte Korrosion: eingeschränkter Einsatz (bis zu sechs Monaten) des Materials möglich
starke Korrosion: das Material ist nicht im Ausstellungsbau und zur Deponierung von Kulturgütern einsetzbar.

 

Der Beilsteintest lässt sich ebenfalls mit geringem technischen Aufwand durchführen und liefert erste Hinweise auf eine Schadstoffbelastung durch Halogenverbindungen, insbesondere Chloride in Kunststoffen. Zum Beproben einer Substanz wird diese auf einem gut ausgeglühten Kupferdraht in einer Gasflamme erhitzt. Enthält das Probenmaterial eine chloridische Verbindung, färbt sich die Flamme grün. Derart lassen sich Verpackungen, wie Kunststoffhüllen, die häufig in älteren Depots und Archiven zur Aufbewahrung von Münzen oder verschiedenen Archivalien eingesetzt werden, auf PVC-Bestandteile / Weichmacher beproben.

Um die Konzentration von Stäuben in der Raumluft und somit die Gefährdung von freistehenden Kulturgütern in Ausstellungen bzw. von Sammlungsgut in offenen Lagermedien zu bestimmen, werden z.B. portable Reflektometer eingesetzt. Diese
bestimmen den Glanz von Oberflächen und errechnen den Staubgehalt. Hierbei wirft das Gerät in einem Winkel von 60 - 85° Licht auf den Messbereich, erfasst die Reflexion und rechnet sie in Gloss Units (GU) um.

Da sich Schadstoffe auf alle Bereiche der Museen, Archive und Bibliotheken ausbreiten und Objekte im Depot und Magazin ebenso wie in der Ausstellung kontinuierlich durch Schadsubstanzen bedroht sind, werden immer wieder Grenzwerte, ähnlich denen im Arbeitsschutzbereich, gefordert. Zumindest für die flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) wurde vom Umweltbundesamt zum Zweck des Gesundheitsschutzes eine Grenze zur Gesamtbelastung in Arbeitsräumen (TVOC-Wert) von 1 bis 3 mg/m³ festgelegt. Ein weit geringerer Wert (< 0,3 mg/m³) sollte jedoch, wie weiterführende Forschungsergebnisse zeigen, in naher Zukunft angestrebt werden.

Bis sich derartige Grenzwerte durchgesetzt haben und weitere Forschungsergebnisse zu den Auswirkungen von Schadbelastungen auf Kulturgüter vorliegen, sollte und muss in Museen, Archiven und Bibliotheken die Gefährdung von Sammlungsgut durch Schadstoffe vermieden bzw. vermindert werden.
 
Zu den Vermeidungsstrategien gehören:

• mehrstufige Türsysteme am Haupteingangsbereich
• das Abdichten aller nicht im Gebrauch stehenden Gebäudeöffnungen
• der Einsatz von entsprechendem Filtermaterial für Klima- und Belüftungsanlagen.

Das Prinzip des Ausschließens gilt ebenfalls für den Mikrobereich. Glasstürze, Vitrinen und Bilderrahmen besonders empfindlicher Exponate sollten, um einen Lufteintrag und Schadgase auszuschließen, gasdicht abgeschlossen werden.

Zur Vermeidung von Schadstoffen zählt jedoch vor allem die sorgfältige Auswahl von emissionsfreien Materialien bzw. deren vorangehende Analyse. Jedes im Ausstellungs- und Lagerungsbereich verbaute Material muss vor seinem Einsatz beprobt werden. Gleiches gilt für die im Rahmen von Restaurierungsmaßnahmen verwendeten Materialien und Chemikalien, die sorgfältig im Hinblick auf sich entwickelnde Emissionen gewählt werden sollten.

Die folgende Zusammenstellung listet eine Reihe von Materialien auf, die als unbedenklich für Lagerung und Präsentation von Kulturgütern gelten.

• Metall (Pulverbeschichtungen, mit Schutzhüllen und ohne direkten Kontakt)
• Glas und Acrylglas
• Keramik
• Säurefreie Papiere und Kartonagen
• Textilien (farblos, ungebleicht und gewaschen)
• PE-Schaumstoffe (Ethafoam, Microfoam)
• PE-Folien (Mylar, Melinex)

Weiterhin können folgende Materialien für kurze Dauer (Sonderausstellungen) und sofern sie nicht in direktem Kontakt zu Objektmaterialien stehen für die Präsentation von Kulturgütern eingesetzt werden:

• Klettverschlüsse für Verbindungen, ohne direkten Kontakt zum Objekt
• Nylonfolie (Dartek) und -sehne, ohne direkten Kontakt zum Objekt
• Acrylfarben, ohne direkten Kontakt zum Objekt

Auch die Verwendung von Klebstoffen und Dichtungsmaterialien sollte nur unter Einschränkung und nach Berücksichtigung entsprechender Abdampfzeiten erfolgen. Zur Klebung bieten sich Acrylate in Lösung (Acryloid, Paraloid) oder als Emulsion sowie klare Schmelzklebstoffe (PVA) an.

Zeigen die Bemühungen der Schadstoffvermeidung keinen Erfolg, gilt es den Emissionen durch Reduzierung zu begegnen. Dies kann z.B. im Fall von Altbeständen an Vitrinen und Lagermaterialien, die nachweislich Schadstoffe absondern, notwendig werden.
Für die Zwischenzeit – und um eine Zwischenlösung sollte es sich bei der Reduzierung von Schadstoffen immer handeln – gilt es die Belastung zu mindern durch:

• Versiegeln von Oberflächen und der Einsatz von Barrieren
• Einsatz von Sorbentien (Aktivkohle / Purafil, Ageless, Silbertuch etc.).

Abschließend soll auf die Schadstoffbelastung durch den Werkstoff Holz, welcher aufgrund seines guten Verarbeitungspotentials bevorzugt im Ausstellungsbereich zum Einsatz gelangt, hingewiesen werden. Abhängig von der Baumart spalten Hölzer unterschiedlich hohe Mengen an Formaldehyden bzw. Ameisen- und Essigsäure ab. Diese rufen umfangreiche Schadensbilder hervor. Um eine Schädigung von Kulturgütern zu vermeiden, sollten Museen, Archive und Bibliotheken gänzlich auf den Einsatz von Holzwerkstoffen verzichten bzw. bestehende Ausstattungen nach und nach auswechseln.

 

Alexandra Jeberien und Matthias Knaut

                                                                                                      Fotos: Alexandra Jeberien

 

 

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