A humidity-buffering and visual indication wood substrate for preventive conservation of wooden cultural heritage

Technische Samenvatting: Een vochtbufferend en visueel indicerend houtsubstraat voor preventieve conservering van houten cultureel erfgoed

Probleemstelling
Houten cultureel erfgoed dat wordt bewaard in afgesloten museumdepots en vitrines, wordt blootgesteld aan aanzienlijke risico's door instabiele, hoogvochtige micro-omgevingen, waaronder zwelling, schimmelvorming, verval en barsten. De huidige vochtbeheersing leunt zwaar op elektromechanische apparaten, die energie-intensief zijn, traag kunnen reageren en kwetsbare relikwieën kunnen verstoren door luchtstroom. Bovendien voldoen bestaande materialen met een enkele functie of chemische indicatoren er niet in om gelijktijdig passieve vochtbuffering en veilige, contactloze visuele monitoring in besloten ruimtes te bieden. Er is een kritiek gebrek aan milieuvriendelijke, laag-interventieve substraten die passieve vochtregulatie integreren met visuele vochtindicatie, in het bijzonder substraten die de authenticiteit en de vezelstructuur van het hout behouden.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een milde, laagtemperatuur ultrasone co-impregnatiestrategie om houtsubstraten te modificeren. Drie commerciële houtsoorten—Cunninghamia lanceolata (Chinese ceder), Paulownia spp. en Populus spp. (populier)—werden initieel gescreend om het optimale substraat te identificeren op basis van poriestructuur, impregnatie-efficiëntie en dimensionale stabiliteit.

• Substraatselectie: Populier werd geselecteerd als het optimale substraat vanwege de gebalanceerde prestaties in uniforme impregnatie en controleerbare zwelling.
• Modificatiesysteem: Het hout werd geïmpregneerd met een groen gemengd oplosmiddel (waterloos ethanol en gedemineraliseerd water, pH aangepast naar 4,5–5,5 met citroenzuur) bevattende twee functionele additieven:
  • Glycerol: Om de vochtgevoeligheid en dimensionale stabiliteit te verbeteren via hygroscopische eigenschappen en porievulling.
  • Paarse zoete aardappel anthocyanine: Een pH-gevoelig natuurlijk pigment dat dient als visuele kleurindicator voor veranderingen in de vochtigheid.
• Experimenteel ontwerp: De studie maakte gebruik van voorbereidende experimenten, single-factor tests en orthogonale experimenten ($L_9(3^3)$) om de formulering te optimaliseren. Belangrijke variabelen waren het massafractie glycerol, het massafractie anthocyanine en de impregnatietijd.
• Evaluatiemetrieken: Prestaties werden beoordeeld aan de hand van gewichtstoename (WPG), evenwichtsvochtgehalte (EMC), dimensionale veranderingssnelheden, dynamische vochtabsorptiekinetiek en de totale kleurverschil ($\Delta E^*_{ab}$) onder hoge luchtvochtigheid (80% RV).
• Karakterisering: Scanning Elektronen Microscopie (SEM) en Fourier-Transform Infrarood Spectroscopie (FTIR) werden gebruikt om de microstructuurveranderingen, de componentbelading en de modificatiemechanismen te analyseren. De langetermijnduurzaamheid werd geëvalueerd door middel van 60 dagen nat-droog cyclische veroudering.

Belangrijkste Resultaten

• Optimaal Proces: De optimale modificatieparameters werden bepaald op 22 wt% glycerol, 0,6 wt% anthocyanine en een impregnatietijd van 9 uur.
• Vochtbuffering: Onder de optimale condities vertoonde het gemodificeerde populier een 51% hogere 24-uurs vochtabsorptiecapaciteit vergeleken met onbehandeld populier. Het materiaal bereikte sneller het vochtgevenwicht (9 uur versus 12 uur voor onbehandeld hout) en vertoonde een verbeterde vochtopname (35,0 ± 2,8 g/m²).
• Visuele Indicatie: Het gemodificeerde hout vertoonde een reversibele, vochtgevoelige kleurverandering. Bij 80% RV stabiliseerde het totale kleurverschil ($\Delta E^*_{ab}$) zich op ongeveer 3,01, wat wijst op een waarneembare verdonkering die geschikt is voor visuele monitoring. De kleurrespons was snel en stabiliseerde vóór de algehele verzadiging van het vocht.
• Dimensionale Stabiliteit: De modificatie verbeterde de dimensionale stabiliteit; monsters behandeld met 22 wt% glycerol vertoonden een tangentiële dimensionale veranderingssnelheid die 4,8% lager was dan die van blanco monsters, waardoor zwelling door deformatie effectief werd beperkt.
• Duurzaamheid: Na 60 dagen van nat-droog cyclische veroudering behield het materiaal ongeveer 80% van zijn initiële kleurindicerende prestaties, waarbij het totale kleurverschil binnen een stabiel bereik bleef (2,42–3,05).
• Mechanisme: SEM-analyse bevestigde dat de modificatie werd beheerst door porievulling en de vorming van continue films binnen celen en intercellulaire ruimten, zonder het vezelstelsel te beschadigen. FTIR-analyse onthulde uitgebreide intermoleculaire waterstofbruggen tussen de hydroxylgroepen van glycerol/anthocyanine en de houtcelwandpolymeren (cellulose/hemicellulose), terwijl het polysaccharide-backbone intact bleef (geen degradatie van de acetyl C=O band).

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat dit werk een milieuvriendelijk, duaal functioneel substraat biedt dat de beperkingen van huidige conserveringsmaterialen aanpakt. Door passieve vochtbuffering te integreren met visuele indicatie in één enkel houtgebaseerd materiaal, biedt het systeem een oplossing voor laag-interventie en laag-schadelijke preventieve conservering.

De studie benadrukt dat het milde, laagtemperatuur ultrasone proces de natuurlijke vezelstructuur en authenticiteit van het hout behoudt, wat aansluit bij de principes van minimale interventie in de erfgoedconservering. Het resulterende materiaal wordt voorgesteld als een passief vochtregulerend substraat dat geschikt is voor museumvitrines en vochtbescherming binnenshuis voor residentiële gebouwen en oude architectuur in vochtige regio's. De auteurs merken op dat hoewel de kleurverandering waarneembaar is, deze het best geschikt is voor observatie op korte afstand in plaats van detectie op afstand, en dat de huidige studie zich primair richtte op adsorptie onder hoge vochtigheidsomstandigheden. Toekomstig werk wordt gesuggereerd om bidirectionele adsorptie-desorptiecycli en bredere verouderingsfactoren te verkennen.