Opleiding Conservering en Restauratie van Cultureel Erfgoed,
Master, Specialisatie Moderne en Hedendaagse Kunst
Maak het Bont
Een onderzoek naar de reinigingsmogelijkheden van imitatiebont in
kunst
Masterscriptie
Katja van de Braak Met medewerking van:
Studentnummer: 0527351 Universiteit van Amsterdam
Eerste begeleider: Anna Laganá (UvA) Tweede begeleider: Ellen Jansen (UvA) Tweede lezer: Elizabet Nijhoff Asser (UvA) Begeleider science: Dr. Rene Peschar (UvA) Datum: 26 juni 2014
Deze scriptie is geschreven in het kader van de opleiding Conservering en Restauratie van het Cultureel Erfgoed aan de Universiteit van Amsterdam. Velen hebben mij tijdens het onderzoek geadviseerd en geholpen bij het verwezenlijken van het uiteindelijk resultaat. Graag wil ik hierbij de volgende personen bedanken:
Allereerst wil ik graag Giotta en Ryu Tajiri bedanken. Zij hebben mij met alle openheid ontvangen en verteld over de kunstwerken van hun overleden moeder. Hiernaast hebben zij mij enorm geholpen door het schenken van kunstbontrestmateriaal van Ferdi Tajiri, waardoor ik kon beschikken over verouderde monsters om daar testen op uit te voeren. Ik dank de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed voor het mogelijk maken van de instrumentele analyses. Ing. Suzan de Groot en Henk van Keulen wil ik in het bijzonder bedanken voor moeite die zij genomen hebben om respectievelijk de FTIR en py-GCMS analyses uit te voeren en vervolgens uitgebreid met mij te bespreken. Ook wil ik Ineke Joosten bedanken voor haar hulp bij het uitvoeren van de SEM-EDX analyses.
Daarnaast wil ik Dr. Rene Peschar (UvA) danken voor zijn hulp bij en uitleg over de chemische achtergronden van deze scriptie.
De restauratoren Ingeborg Smit (restaurator moderne kunst en schilderijen Rijksmuseum Twenthe), Dr. Lydia Beerkens (restaurator bij het SRAL), Emmy de Groot (UvA), Trudy Lith-Langeveld (textiel restaurator), Suzan Meijer (hoofd restauratie textiel Rijksmuseum Amsterdam) en Maren Romen (restaurator moderne en oude kunst Museum het Valkhof), dank ik voor het delen van hun ervaringen en kennis over de reiniging van imitatiebont in kunst.
Hiernaast ben ik de chemicus Dr. Jan van Amsterdam zeer dankbaar voor zijn deskundige blik op mijn scriptie en de vele adviezen die hij mij heeft gegeven.
Tot slot gaat mijn speciale dank uit naar mijn begeleidsters Anna Laganá en Ellen Jansen. Tijdens het gehele proces hebben zij mij aangemoedigd en moed ingesproken wanneer dit nodig was. Ik dank hen voor hun kritische blik die mij heeft geholpen bij het verwezenlijken van deze scriptie.
Inhoudsopgave
Dankwoord 2
Summary 6
Samenvatting 7
Inleiding 8
1. Kunstbont; variaties, fabricage en eigenschappen 10
1.1 Chemische achtergrond en geschiedenis van PAN 10
1.2 Variaties PAN vezels 13
1.2.1 Acrylvezels 14 1.2.2 Modacrylvezels 17 1.3 Polymerisatietechnieken 18 1.3.1 Waterige dispersie-polymerisatie 19 1.3.2 Oplossing-polymerisatie 19 1.3.3 Emulsiepolymerisatie 20 1.4 Fabricage vezels 20 1.4.1 Droog spinproces 22 1.4.2 Nat spinproces 23
1.4.3 Nabehandelingen van de vezels 24
1.4.4 Verf processen voor acryl en modacrylvezels 24
1.5 Chemische en fysische eigenschappen van acryl- en modacrylvezels 25
1.6 Fabricage kunstbont 28
1.6.1 Gebreid kunstbont 28
1.6.2 Geweven kunstbont 30
2. Casussen 32
2.1 Hortisculptures van Ferdi Tajiri 32
2.1.1 Ferdi Tajiri 33
2.1.2 Hortisculptuur 33
2.1.2.1 Conditie kunstbont 35
2.1.3 Wombtomb 38
2.1.3.1 Conditie kunstbont 41
2.2 Soft Living Room van Maria van Elk 45
2.2.1 Maria van Elk 45
2.2.2 Soft Living Room 45
2.2.2.1 Conditie kunstbont 47
3. Reiniging van kunstbont: restauratie-praktijk en overwegingen 50
3.1 Reiniging van kunstbont in de restauratie-praktijk 50
3.1.1 Mechanische reiniging 51
3.1.2 Natreiniging 52
3.1.3 Reiniging met oplosmiddelen 52
3.1.4 Reiniging met ‘dry cleaners’ 53
3.1.5 Conclusie reiniging van kunstbont in de restauratie-praktijk 53
3.2 To clean or not to clean: reiniging Hortisculptures 53
3.2.1 ‘Patina’: een omstreden begrip 53
3.2.2 Interview met nabestaanden van Ferdi Tajiri 55
3.2.3 SBMK besluitvormingsmodel 56
4.1 Experiment 61
4.1.1 Kunstbontmonsters 61
4.1.2 Monsterpreparatie 63
4.1.3 Selectie reinigingsmiddelen 64
4.1.3.1 Natreiniging 64
4.1.3.2 Reiniging met oplosmiddelen 67
4.1.3.3 Reinigingsmethoden 68 4.1.4 Materiaalanalyses 69 4.1.4.1 Stereomicroscoop 69 4.1.4.2 Polarisatiemicroscoop 70 4.1.4.3 FTIR- en py-GCMS 70 4.1.5 Evaluatie reiniging 71
4.1.5.1 Vochtherstellend vermogen grondbreisel van de kunstbontmonsters 71
4.1.5.2 Chemische weerstand van de kunstbontmonsters 71
4.1.5.3 Werkbaarheid en effectiviteit van de reinigingsmiddelen 71
4.1.5.4 Observaties met SEM 72
4.1.5.5 Kunstmatige veroudering 72
4.1.5.5.1 Kunstmatige lichtveroudering 72
4.1.5.5.2 Kunstmatige thermische veroudering 73
4.2 Onderzoeksresultaten en discussie 74 4.2.1 Materiaalanalyses 74 4.2.1.1 Stereomicroscoop 74 4.2.1.2 Polarisatiemicroscoop 74 4.2.1.3 FTIR- en py-GCMS 77 4.2.2 Evaluatie reiniging 82
4.2.2.1 Vochtherstellend vermogen grondbreisel van de kunstbontmonsters 82
4.2.2.2 Chemische weerstand van de kunstbontmonsters 84
4.2.2.3 Werkbaarheid en effectiviteit van de reinigingsmiddelen 85
4.2.2.4 Observaties met SEM 91
4.2.2.5 Kunstmatige veroudering 97
4.2.2.5.1 Kunstmatige lichtveroudering 97
4.2.2.5.2 Kunstmatige thermische veroudering 98
5. Toepassing resultaten op casussen 99
5.1 Reiniging Hortisculptuur 99
5.2 Reiniging Soft Living Room sculptuur 102
Conclusie 105
Literatuur 108
Lijst van gebruikte materialen en middelen 113
Bijlagen 114
Bijlage I Namen acryl- en modacrylvezels, fabrikanten en polymerisatietechnieken 115
Bijlage II Eigenschappen van surfactanten 118
Bijlage III Data gebruikte oplosmiddelen 121
Bijlage IV Afbeeldingen vezels onder gepolariseerd licht 122
Bijlage VI Samenstellingen van de onderzochte vezels door middel van analyse met FTIR
en py-GCMS 129
Bijlage VII FTIR-analyses 131
Bijlage VIII py-GCMS-analyses 135
Bijlage IX Afbeeldingen kunstbontmonsters voor en na onderdompeling in de
oplosmiddelen 143
Bijlage X Afbeeldingen gele kunstbontmonsters voor en na reiniging 145 Bijlage XI Afbeeldingen oranje kunstbontmonsters voor en na reiniging 150 Bijlage XII Afbeeldingen kunstbontmonsters na kunstmatige lichtveroudering 154 Bijlage XIII Afbeeldingen kunstbontmonsters na kunstmatige thermische veroudering 157
© Alle afbeeldingen en foto’s in deze scriptie zijn gemaakt door Katja van de Braak, tenzij anders wordt vermeld.
Afbeelding voorpagina: Geel kunstbontrestmateriaal van het kunstwerk Mother’s Invention (1968) van Ferdi Tajiri, geschonken door Giotta en Ryu Tajiri.
Title: The Cleaning of Synthetic Furs in Art
Student: Katja van de Braak
Institution: University of Amsterdam
Course: Conservation of cultural heritage
Specialisation: Conservation of modern and contemporary art Supervisors: Anna Laganá (UvA) and Ellen Jansen (UvA)
Abstract
The aim of this research is to investigate the cleaning possibilities of synthetic furs in art and to examine the implications of the selected cleaning methods. The artworks Hortisculptuur (1967-69) and Wombtomb (1968) created by the artist Ferdi Tajiri (1927-1969) and Soft Living Room (1968) created by the artist Maria van Elk (1943) were used as case studies for this research. By cleaning the synthetic furs of these artworks, the original intention of the artworks by the artists could be substantially recovered. In addition, the cleaning of synthetic furs can stabilize the material by removing potential damaging dirt particles. Prior to cleaning extensively research was carried out on the chemical composition of acryl and modacrylic fibres and suitable cleaning procedures. Under polarised light combined with a red order first plate, it was possible to identify fibres in the samples using standard fibres as reference. Furthermore the chemical composition of fibres in the samples could be determined by FTIR en py-GCMS analysis. The cleaning agents in this investigation were limited to agents used in wet cleaning and solvent cleaning. For wet cleaning the following agents were investigated: demineralised water, two non-ionic surfactants, one anionic surfactant and the chelator tri-ammonia citrate (TAC). In this investigation acetone, isopropanol, ethanol, white spirit and xylene were used to evaluate their cleaning effectivity as organic solvents. The effectivity and workability of the selected cleaning agents applied with microfiber cloths on naturally aged synthetic fur samples were evaluated. The relative effectivity of the selected cleaning agents was visually evaluated using scanning electron microscope (SEM). In addition, to investigate whether the cleaning agents would accelerate the degradation process of the fibres in the long-term, the quality of partially cleaned synthetic fur samples were exposed to artificial light and prolonged but modest heating to mimic artificial aging of the samples. Having found the most suitable and effective cleaning agents and procedure, the artworks Hortisculptuur and Soft Living Room were (partially) cleaned accordingly. As a result of the present investigation synthetic furs in art can now be optimally cleaned using methods that do not accelerate degradation of the fibres in time.
Keywords: synthetic furs, acrylic and modacrylic fibres, wet cleaning, solvent cleaning, Ferdi Tajiri, Maria van Elk.
Samenvatting
Deze scriptie beschrijft een onderzoek naar de optimale reinigingsmethode voor imitatiebont in kunst en de implicaties van de onderzochte reinigingsmiddelen op de conservering van dergelijke kunstwerken. De kunstwerken Hortisculptuur (1967-69) en Wombtomb (1968) van Ferdi Tajiri (1927-1969) en Soft Living Room (1968) van Maria van Elk (1943) zijn in dit onderzoek gebruikt als voorbeeldcasussen. Door reiniging van het imitatiebont van de kunstwerken kan de oorspronkelijke intentie van de kunstenaar aanzienlijk worden hersteld. Bovendien kan reiniging zorgen voor het stabiliseren van het materiaal kunstbont doordat eventueel schadelijk vuil wordt verwijderd. Voorafgaand aan het onderzoek werden de chemische samenstelling van acryl- en modacrylvezels en geschikte reinigingsmiddelen uitgebreid onderzocht. Met gepolariseerd licht in combinatie met een gipsplaatje konden de onderzochte vezels worden geïdentificeerd aan de hand van referentievezels. Bovendien werd de chemische samenstelling van de onderzochte vezels vastgesteld met FTIR- en py-GCMS-analyse. De te onderzoeken reinigingsmiddelen werden beperkt tot natreiniging en reiniging met organische oplosmiddelen. Voor het onderzoek naar natreiniging zijn gedemineraliseerd water, twee non-ionische surfactanten, een anionische surfactant en het chelerend reagens tri-ammonium citraat (TAC) onderzocht. Voor onderzoek naar de reiniging met oplosmiddelen werden aceton, isopropanol, ethanol, white spirit en xyleen geselecteerd. De effectiviteit en de werkbaarheid van de reinigingsmiddelen aangebracht met een microvezeldoekje op natuurlijk verouderde kunstbontmonsters kon worden onderzocht. Met visuele analyse en met SEM kon de effectiviteit van de onderzochte reinigingsmiddelen worden vergeleken. Bovendien zijn de gedeeltelijk gereinigde kunstbontmonsters blootgesteld aan kunstmatige lichtveroudering en kunstmatige thermische veroudering om te onderzoeken wat de effecten van de aangebrachte reinigingsmiddelen op de lange termijn zijn. Op deze manier kon worden onderzocht of de geselecteerde reinigingsmiddelen het degradatieproces van de vezels versnellen. Nadat de meest geschikte en effectieve reinigingsmiddelen konden worden vastgesteld, is het kunstbont van Hortisculptuur en Soft Living Room (gedeeltelijk) gereinigd. Als resultaat van het huidige onderzoek kan imitatiebont in kunst nu optimaal gereinigd worden met middelen die geen nadelig effect hebben op de lange termijn.
Bij de conservering van moderne en hedendaagse kunst kan een enorme verscheidenheid van materialen worden toegepast wat tegelijkertijd een uitdaging betekent voor de restaurator. Na de traditionele schilder- en beeldhouwkunst hebben zich sinds het midden van de 20ste eeuw andere kunstvormen ontwikkeld, waarbij de bestaande technische mogelijkheden werden opgerekt. Hierdoor werd de toepassing van vrijwel alle materialen, van plastic tot schroot, mogelijk.1 De restaurator van moderne en hedendaagse kunst kent zodoende een breed werkterrein die samenwerking met andere conserveringsdisciplines noodzakelijk maakt. De toepassing van het niet-traditionele materiaal ‘kunstbont’ is hiervan een goed voorbeeld.
Kunstbont heeft de ongunstige eigenschap om vuil aan te trekken en vast te houden, wat het uiterlijk van het kunstbont aanzienlijk verandert aangezien er niets meer overblijft van het oorspronkelijke frisse, volumineuze en glanzende uiterlijk van het kunstbont. Door de hoge aaibaarheidsfactor van het materiaal kunstbont – wat tevens de charme van het materiaal is - zal een toeschouwer veelal geneigd zijn om het kunstbont aan te raken. Naast esthetische redenen kan de reiniging van het kunstbont belangrijk zijn voor de stabilisatie van het kunstwerk omdat vuil op het kunstwerk een potentiele bron is van verval.2 Kunstbont in de moderne kunst wordt in de restauratiepraktijk regelmatig gereinigd, maar naar de reinigingsmethoden is nagenoeg geen wetenschappelijk onderzoek verricht. Centraal in dit onderzoek staat dan ook de vraag welke methoden kunnen worden gebruikt voor de reiniging van imitatiebont in kunst en wat de voor en nadelen van deze reinigingsmethoden zijn.
Aanleiding voor dit onderzoek is de conservering van het kunstwerk Hortisculptuur (1967-69) van Ferdi Tajiri (1927-1969).3 Het kunstwerk maakt deel uit van een serie Hortisculptures (1967-69) bestaande uit een complete tuin met grote planten, fantasierijke insecten en bloemen, waarbij Ferdi Tajiri gebruik heeft gemaakt van het materiaal kunstbont.4 Het zwarte kunstbont dat deel uitmaakt van Hortisculptuur is behoorlijk vuil. De vezels van het kunstbont zijn dof en klitten aan elkaar. Voordat kan worden gekozen voor de reiniging van het kunstbont, moeten afwegingen worden gemaakt over hoe ernstig het verlies aan vorm, glans en kleur van het kunstbont het geheel van het kunstwerk aantast en in hoeverre het vuil deel uitmaakt van het kunstwerk. Voorafgaand aan het besluit welke restauratie-ingreep het meest geschikt is, komen bij hedendaagse kunst naast vragen rond de conditie en de oorspronkelijke vorm van het kunstwerk ook nieuwe vragen naar voren. Nieuw is bijvoorbeeld de mogelijkheid de kunstenaar of de nabestaanden als bron van het kunstwerk te raadplegen en daarbij de betekenis van het werk en van de persoonlijk intentie van de kunstenaar met de kunstwerken vast te stellen.5 Een onderzoek naar de reinigingsmogelijkheden van imitatiebont in kunst zou dan ook niet alleen de technische kant van de reiniging moeten omvatten, maar ook de ethiek van het reinigen en de historische waarde van de kunstwerken inclusief het vuil dat daar deel van is, zal moeten worden meegewogen. Naast Hortisculptuur zijn de kunstwerken Wombtomb (1968) van Ferdi Tajiri (1927-1969) en Soft Living Room (1968) van Maria van Elk (1943) in dit onderzoek gebruikt als voorbeeldcasussen.
1 Beerkens 2012: 11.
2 Ashley-Smith 1992: 14
3 Het kunstwerk maakt deel uit van de collectie van de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed en wordt
momenteel door de auteur behandeld in het kader van de opleiding Restauratie en Conservering.
4 Beerkens 2002: 15. 5 Beerkens 2012: 14.
De reiniging van imitatiebont in kunst is een relatief onontgonnen terrein. Er zijn geen wetenschappelijke publicaties over de reiniging van imitatiebont in kunst beschikbaar, zodat het onderzoek niet op een hoger niveau kan worden getild. Mede hierdoor blijven restauratoren op individuele basis imitatiebont reinigen zonder dat er een debat met uitwisseling van resultaten plaatsvindt wat tot betere reinigingsmethoden kan leiden. Om deze reden is een breed onderzoek naar de reiniging van kunstbont noodzakelijk. Er zijn verschillende methoden voor de reiniging van synthetisch textiel, variërend van mechanische reiniging, tot natreiniging en chemische reiniging. Door het gebrek aan onderzoek naar de technische en chemische mogelijkheden van diverse reinigingsmethoden van imitatiebont zijn er wellicht reinigingsstrategieën op imitatiebont in kunst toepasbaar die een goed resultaat geven, maar niet worden toegepast. Dit onderzoek zou dan ook een bredere variatie aan reinigingsstrategieën kunnen bieden aan restauratoren van zowel moderne en hedendaagse kunst als textiel voor de reiniging van kunstbont.
Imitatiebont in kunst kan op veel verschillende manieren worden gereinigd. Er kan bijvoorbeeld worden gekozen voor natreiniging met water, surfactanten (zepen) of chelerende agentia. Hiernaast kan worden gekozen om kunstbont te reinigen met organische oplosmiddelen. Doel van dit onderzoek is daarom te onderzoeken welke reinigingsmiddelen en methoden bij deze twee vormen van het reinigen van imitatiebont in kunst het meest geschikt zijn. Onderzoek naar mechanische reinigingsmethoden is niet in dit onderzoek meegenomen, omdat hiermee alleen loszittend vuil kan worden verwijderd. Het vuil op het kunstbont van de onderzochte casussen bestaat echter uit een vettige substantie dat niet door middel van mechanische reiniging kan worden verwijderd, omdat het vuil aan de kunstvezels gehecht is.
In deze scriptie zal eerst uitgebreid worden ingegaan op de variaties in en de fabricage en eigenschappen van het materiaal kunstbont. Hierna worden verschillende casussen van imitatiebont in kunst besproken die werden onderzocht. Vervolgens zal worden ingegaan op de restauratie-praktijk en de schoonmaak controverse die daar mogelijk uit voort kan komen. Voorafgaand aan het onderzoek is uitgebreid onderzoek gedaan naar de chemische samenstelling van acryl en modacrylvezels en kon de samenstelling van de onderzochte vezels worden vastgesteld door middel van chemische analyses.
De reinigingstesten zijn uitgevoerd op kunstbont restmateriaal van kunstwerken van Ferdi Tajiri, tevens de vervaardigster van de twee kunstwerken die gebruikt zijn als casus in dit onderzoek. Hierdoor konden testen worden uitgevoerd op vergelijkbaar materiaal. Een mooie bijkomstigheid is dat deze monsters op natuurlijke wijze verouderd zijn. Door middel van visuele analyse en analyse met SEM kon de effectiviteit van de onderzochte reinigingsmiddelen worden vergeleken. Tenslotte is het effect van de reinigingsmiddelen op het verouderen van kunstbont bepaald door middel van kunstmatige thermische veroudering en lichtveroudering. Nadat de meest effectieve en werkbare reinigingsmiddelen konden worden vastgesteld door middel van het verrichte onderzoek, is het kunstbont van de kunstwerken Hortisculptuur en Soft Living Room gedeeltelijk gereinigd. Op deze manier konden de resultaten van het onderzoek direct in praktijk gebracht. Als resultaat van het huidige onderzoek kan kunstbont nu optimaal gereinigd worden met methoden die geen nadelig effect hebben op de afbraak van de vezels.
Bont wordt al sinds mensenheugenis gedragen en heeft in de etnografische context een gevarieerde functie. Hoewel bont in de westerse samenleving vooral een rol speelt in de mode, wordt bont in de niet-westerse samenleving vooral gedragen ter bescherming tegen de kou.6 Aan het eind van de jaren zestig van de twintigste eeuw veranderde de waardering voor bont en ontstond een anti-bontbeweging vanuit milieugroeperingen en dierenbescherming.7 Door de ontwikkeling van synthetische vezels en geavanceerde textielmachines werd het mogelijk om bont te imiteren.8 Echter, de fabricage van de eerste soorten kunstbont vond al plaats voordat de anti-bontbeweging bestond. Echt bont is immers niet goedkoop en de relatief lage prijs van kunstbont maakte ‘bont’ beschikbaar voor een groter publiek.9
Tegen het einde van de jaren veertig van de twintigste eeuw werd polyacrylonitril ontwikkeld als eerste (en tot nu toe meest toegepaste) volledig synthetisch alternatief voor bont. Polyacrylonitril is gemakkelijk te vervormen en leent zich daardoor goed voor toepassing bij de fabricage van kunstbont.10 Vezels die uit 100% acrylonitril bestaan bleken echter nagenoeg onmogelijk geverfd te kunnen worden. Door acrylmonomeren te polymeriseren met co-monomeren ontstond een synthetisch materiaal dat beter geverfd kon worden dan polyacrylonitril.11 In de loop der tijd werden verschillende monomeren gepolymeriseerd met acrylonitril om kunstbont optimaal te kunnen fabriceren. Hierdoor ontstond een grote variatie aan kunstbont; niet alleen in kleur en vorm, maar ook in chemische samenstelling. Er worden verschillende synoniemen gebruikt voor kunstbont.12 Er bestaan rond de 200 verschillende soorten acrylvezels die tevens kunnen worden onderverdeeld in verschillende variaties.13 In Bijlage I worden enkele van de acrylvezels, samenstellingen, fabrikanten en polymerisatietechnieken weergegeven. Hieronder worden de variaties, eigenschappen en fabricage van kunstbont beschreven.
1.1 Chemische achtergrond en geschiedenis van PAN
Polyacrylonitril (aangeduid als PAN) is een synthetische, semi-kristallijne polymeer die wordt verkregen uit polymerisatie van acrylonitril. Aan het begin van de 20ste eeuw konden vezels worden gesponnen uit oplossingen van polyvinyl-cyanide, oftewel polyacrylonitril. Deze vezels zijn sindsdien verder ontwikkeld tot een van de meest toegepaste synthetische vezels.14 Acrylonitril kan worden vervaardigd via verschillende syntheseroutes.
Polyacrylonitril wordt vervaardigd met een proces dat berust op radicaal-polymerisatie. Alleen chemische verbindingen die een dubbele binding bevatten kunnen radicaal polymerisatie ondergaan, waarbij tussen de moleculen (de monomeren) covalente bindingen worden gevormd wat resulteert in een langere keten, het polymeer. De 6 Hanssen 2008: p. 78. 7 Conrads 2008: p. 68. 8 Linssen 2008: p. 93. 9 Langeveld-van Lith 2008: 106. 10 Ibid. 11 Ibid.
12 Kunstbont, namaakbont, imitatiebont, nep bont, fur fabric, fake fur, fun fur, artificial fur, simulated fur,
faux fur, faux fourrure, Pelzimitation, Webpelz.
13 Gorp 1974: p. 168. 14 Cook 1993: p. 393.
CN CN CN CN n n acrylonitril polyacrylonitril
substituent aan de dubbele binding van het originele monomeer vormt de repeterende zijgroep aan het lange koolstof skelet van het polymeer molecuul (figuur 1.1).15
Alhoewel acrylonitril voor het werd eerst vervaardigd in Duitsland door C. Moureu in 1893, was de verwerking van acrylonitrilmonomeren voor een lange tijd nagenoeg onmogelijk doordat er geen oplosmiddelen bekend waren waar PAN in kon worden opgelost.16 Pas tegen het eind van de jaren ’30 van de 20ste eeuw ontstond er interesse in de verwerking van acrylonitril polymeren als bestanddeel van synthetische rubber, maar nog niet als potentieel vezelmateriaal. In 1937 ontwikkelde de fabriek I. G. Farben de eerste acrylonitril-butadiene rubber. Synthetische rubber verbindingen gebaseerd op acrylonitril werden kort hierna vanwege schaarste in de Tweede Wereldoorlog in de Verenigde Staten ontwikkeld.17 Tegen het eind van de oorlog was acrylonitril relatief goedkoop en in grote hoeveelheden verkrijgbaar.18
Ondertussen werd PAN onderzocht als een potentieel vezelvormend polymeer, maar praktische moeilijkheden verhinderden een vooruitgang in deze richting. Om vezels te produceren moet het polymeer in een organisch oplosmiddel worden opgelost waar vervolgens draden uit worden gesponnen die uitharden doordat het oplosmiddel verdampt.19 Het grootste obstakel was het spinnen van een polymeer die niet smeltbaar of oplosbaar was in de tot dan toe bekende oplosmiddelen en PAN ontbindt voordat het zijn smeltpunt heeft bereikt.20 Alhoewel PAN enigszins thermoplastisch is, kan deze niet worden gesmolten om vervolgens in een gesmolten toestand te worden gesponnen, zoals dat wel kan bij nylon en polyester. PAN moet worden gesponnen uit een oplossing.21 Pas toen er oplosmiddelen voor 100 procent PAN waren gevonden, zoals dimethylformamide (DMF), konden PAN vezels worden geproduceerd.22 Synthetische vezels bestaan uit filamenten (zeer lang doorlopende vezels), die ontstaan door een polymeeroplossing door
15 Ibid., p. 394. 16 Lewin 1998: p. 871. 17 Ibid.
18 Cook, op.cit. (noot 14), p. 394. 19 Tímár-Balázsy 1998: p. 61. 20 Cook, op.cit. (noot 14), p. 394. 21 Miller 1989: p. 51.
22 Cook, op.cit. (noot 14), p. 394.
Figuur 1.1 Polymerisatie van acrylonitril.
Alle chemische structuren in deze scriptie zijn gemaakt met het programma CS ChemDraw Ultra van CambridgeSoft (versie 12.0.3.1216).
Afbeelding 1.2 Productie van de Orlon vezel door DuPont.
Bron: website DuPont (http://www2.dupont.com/Phoenix_Heritage/en_US/1941_detail.html).
synthetische vezels garens te kunnen vervaardigen, worden ze als filamenten vervaardigd. In 1945 produceerde E. I. Du Pont de Nemours en Co. Inc. de eerste PAN vezel, genaamd ‘Fiber A’. Deze PAN vezels waren bijna net zo sterk als het eerder ontwikkelde nylon en zeer resistent tegen chemicaliën en zonlicht, maar zeer moeilijk verfbaar.23 In 1950 werd er door Du Pont een vezel als garen vervaardigd onder de handelsnaam ‘Orlon’ (afbeelding 1.2). De vroege vezelsoorten (Orlon 41, Orlon 81, Dralon, Cashmilon, Dunova) bestonden volledig uit PAN zodat er nog steeds problemen waren met het verven van deze vezels.24 Het bleek dat door het toevoegen van monomeren, zoals methyl acrylaat (MA) en vinyl acrylaat de vezelmorfologie (de vorm en de structuur van vezels) kon worden gemodificeerd.25 Zodoende werden kleine hoeveelheden van een tweede monomeer toegevoegd, die zorgden voor een gemodificeerde vezel met een verbeterde verfbaarheid. 26 23 Cook, op.cit. (noot 14), p. 394. 24 Tímár-Balázsy, op.cit. (noot 19), p. 61. 25 Lewin, op.cit. (noot 16). p. 871. 26 Cook, op.cit. (noot 14), p. 394.
Figuur 1.3 graft copolymeer. X X n X X Y Y Y m Y Y Y o
1.2 Variaties PAN vezels
PAN vezels worden tegenwoordig geproduceerd door verschillende fabrikanten met een grote variëteit van handelsnamen. De PAN vezels die worden vervaardigd verschillen voornamelijk van elkaar in mate van verfbaarheid.27 In de begindagen van de fabricatie van de PAN vezels werden al deze vezels simpelweg beschreven als ‘acrylvezels’. Aangezien deze term een grote variatie aan vezels beschreef met verschillende karakteristieken, werd op 3 maart 1960 door de U.S. Federal Trade Commision besloten om deze term op te splitsen.28 PAN vezels werden door deze commissie onderverdeeld in twee groepen, afhankelijk van het percentage acrylonitril in de polymeer. Deze onderverdeling is verwarrend aangezien er nog steeds ruimte is voor een grote variatie aan karakteristieken van individuele vezels binnen elke groep. PAN vezels bestaande uit ten minste 85 procent acrylonitril eenheden worden geclassificeerd als acrylvezels, terwijl de vezels die tussen de 35 en 85 procent acrylonitril bevatten worden geclassificeerd als modacrylvezels.29 Wanneer vezels minder dan 35 procent acrylonitril bevatten worden deze geclassificeerd naar het hoofdbestanddeel van de vezel. Cook beschrijft in ‘Handbook of Textile Fibres: Man-Made Fibres’:
“Deze classificatie omvat dus ook de copolymeren waarin acrylonitril de minderheid vormt. Een vezel gesponnen uit een copolymeer bestaand uit bijvoorbeeld 60 procent vinyl chloride en 40 procent acrylonitril kan beter worden beschreven als polyvinyl vezel in tegenstelling tot de classificatie als modacryl vezel door de Federal Trade Commision.”30 Hiermee benadrukt Cook de enigszins verwarrende onderverdeling tussen acryl en modacrylvezels. Bovendien maakt de term ‘acryl’ geen onderscheid tussen een vezel die bestaat uit een copolymeer van acrylonitril met een kleine hoeveelheid van een tweede component en een vezel gesponnen uit een ‘graft’ copolymeer van acrylonitril.31 Graft-polymerisatie is een andere polarisatietechniek waarmee PAN kan worden geproduceerd (figuur 1.3).32
27 Cook, op.cit. (noot 14), p. 395. 28 Ibid.
29 Ibid., p. 395-396.
30 Ibid. Vertaling door de auteur. 31 Ibid., p. 396.
Figuur 1.4 Copolymerisatie acrylonitril met co-monomeren. Y Y CN CN n+m m
acrylonitril monomeer copolymeer
CN n co-monomeer + Z X Z X X Y Z
acrylonitril monomeer co-monomeer copolymeer
Hoewel de vroege vormen van polyacrylonitril vezels werden gesponnen uit 100 procent PAN, bestaan tegenwoordig bijna alle moderne vormen van acrylvezels uit copolymeren.33 De meer dan tweehonderd gebruikte co-monomeren die voor de vervaardiging van acrylvezels kunnen worden gebruikt bevatten allen onverzadigde vinyl groepen. Echter, slechts vijftien van zulke moleculen worden daadwerkelijk gebruikt in de commerciële industrie waarbij meestal verschillende combinaties van acht moleculen worden toegepast.34 Deze combinaties zijn weergegeven in tabel 1.1. De neutrale co-monomeren nemen geen deel aan de chemische reacties, maar worden toegevoegd om de oplosbaarheid van de polymeer te verhogen in spinoplosmiddelen en de morfologie van de vezels te modificeren.35 De zure co-monomeren en natrium zouten worden toegevoegd om verf-punten te creëren.36 In figuur 1.4 t/m 1.6 zijn verschillende copolymerisaties van acrilonitril met co-monomeren weergegeven.
monomeer
85-100%, maar meestal 90-94%
neutrale co-monomeer
0-14%, maar meestal 6-9%
natrium zouten en zure co-monomeer
0-1%
acrylonitril methyl acetaat
vinyl acetaat
methyl methacrylaat acrylamide
natrium styreen sulfonaat natrium methallyl sulfonaat
natrium 2-methyl-2-acrylamidopropaan- sulfonaat
itaconzuur
Tabel 1.1 Polymeer compositie van acryl vezels.
Bron: Synthetic fibres: nylon, polyester, acrylic, polyolefin: Mclntyre, ed.: p. 168.
33 Ibid. 34 Mclntyre 2005: p. 167. 35 Lewin 1998: p. 875. 36 Ibid.
methylacrylaat: vinylacetaat: methyl-methacrylaat: acrylamide: = C O O CH3 X = H Y Z = H = X = H Y O C Z = H O CH3 = X = H Y C O Z = CH3 O CH3 = X = H Y C NH2 Z = H O
natrium styreensulfonaat:
natrium methallylsulfonaat:
natrium 2-methyl-2-acrylamidepropaan sulfonaat:
itaconzuur: HO O O OH X = H Y = Z = S O O = X = H Y Z = H O na+ S O O = X = H Y Z = CH3 O na+ C NH S O O H3C CH3 O O Z = H = Y X = H na+
Y
Y
CN CN
n+m m
acrylonitril monomeer copolymeer
CN n co-monomeer + Z X Z X X Y Z
acrylonitril monomeer co-monomeer copolymeer
Figuur 1.7 Copolymerisatie acrylonitril met co-monomeren.
1.2.2 Modacrylvezels
Deze categorie van PAN vezels omvat modacrylvezels (samenvoeging van ‘modified acrylic fibres’) gesponnen uit polymeren die tussen de 35 en 85 procent acrylonitril eenheden bevatten.37 De vezels uit deze categorie zijn gesponnen uit een omvangrijke reeks van copolymeren van acrylonitril, waarbij de aard en het percentage van de tweede component varieert. Net als in het geval van de acrylvezels zijn de details van de chemische structuren van individuele modacrylvezels niet altijd beschikbaar. De co-monomeren die werden gebruikt voor de vervaardiging van modacrylvezels zijn gebaseerd op onverzadigde gehalogeneerde moleculen die brandwerende eigenschappen toevoegen aan het polymeer. De meest gebruikte co-monomeren in deze categorie zijn vinylidene chloride, vinylbromide en vinylchloride. 38 Bijna alle modacrylvezels zijn zeer brandwerend en bevatten een hoge hoeveelheid van gehalogeneerde monomeren.39 In figuur 1.7 t/m 1.8 zijn de verschillende copolymerisaties van acrilonitril met gehalogeneerde monomeren weergegeven.
De eerste modacrylvezel werd ontwikkeld door Union Carbide in 1847 onder de handelsnaam Vinyon N, die voor 60 procent uit vinylchloride en voor 40 procent uit acrylonitril bestond.40 Hierna begonnen ook andere fabrikanten met het vervaardigen van modacrylvezels. Vinylchloride werd tijdens de jaren zeventig van de twintigste eeuw niet meer gebruikt als component van modacrylvezels aangezien deze stof kankerverwekkend is. Om dezelfde reden werd hierna vinylbromide niet langer gebruikt als component van modacrylvezels.41 Vandaag de dag worden zeer weinig modacrylvezels vervaardigd voor commercieel gebruik.42 Dit is ook de reden dan in de literatuur nagenoeg niet wordt ingegaan op modacrylvezels.
37 Cook, op.cit. (noot 14), p. 395-396. 38 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 167. 39 Lewin, op.cit. (noot 35), p. 875. 40 Ibid., p. 871.
41 Ibid., p. 872. 42 Ibid., p. 870.
= Cl X = H Y Z = Cl vinylidene chloride: vinylbromide: vinylchloride: = Br X = H Y Z = H = Cl X = H Y Z = H
1.3 Polymerisatietechnieken
Het molecuulgewicht en de verdeling van de ketenlengtes bepalen de belangrijkste eigenschappen van de polymeren waarmee acryl- en modacrylvezels worden geproduceerd. Deze eigenschappen worden tevens door fabrikanten gebruikt bij het uitvoeren van de kwaliteitscontrole.43 Het molecuulgewicht van het polymeer moet laag genoeg zijn, zodat deze oplosbaar is in het oplosmiddel dat wordt gebruikt bij het spinproces, maar hoog genoeg om het materiaal voldoende viskeus te krijgen.44 Commerciële acrylpolymeren voor het vervaardigen van textiel hebben een gemiddeld molecuulgewicht tussen 40.000 en 70.000 Da (Dalton). Polymeren met een hoger molecuulgewicht worden alleen gebruikt voor specifieke doeleinden, bijvoorbeeld ter versterking van cement.45
De oplosbaarheid van de polymeren die worden gebruikt voor het vervaardigen van acryl en modacrylvezels verschillen van elkaar. Het molecuulgewicht van de polymeren wordt beïnvloed door allerlei variabelen tijdens de polymerisatie, zoals het type van de co-monomeren, de concentratie van de co-co-monomeren, de reactietemperatuur en reactietijd.46 Het gemak waarmee de vezel geverfd kan worden hangt ook af van de verdeling van de ketenlengtes van de polymeren aangezien bij de meeste acryl vezels de mate van verfbaarheid wordt afgeleid van de sulfonaat en sulfaat -initiator fragmenten aan de
43 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 171. 44 Ibid.
45 Ibid. 46 Ibid.
polymeerketen.47 De verdeling in ketenlengte is belangrijk voor zowel de reologische eigenschappen als de goede verfbaarheid van de geproduceerde vezels.48
Voor commercieel gebruik kan acrylonitril met andere co-monomeren worden gecopolymeriseerd met drie verschillende radicaal-polymerisatietechnieken. In het algemeen worden voor het vervaardigen van acrylvezels waterige dispersie-polymerisatie en oplossing-polymerisatie, terwijl emulsiepolymerisatie meestal wordt gebruikt voor het vervaardigen van modacrylvezels.49 Deze drie technieken worden hieronder besproken. 1.3.1 Waterige dispersie-polymerisatie
De waterige dispersie-polymerisatietechniek die in de industrie het meest wordt toegepast, maakt in het algemeen gebruik van redox-initiatie. Hierbij genereert de initiator vrije radicalen in de waterige fase bij een relatief lage temperatuur.50 Er kan gebruik worden gemaakt van verschillende redoxsystemen, maar het meest gebruikte systeem bestaat uit een oxidator (ammoniumpersulfaat of kaliumpersulfaat), een reductor (natrium bisulfaat) en een katalysator (Fe2+ of Fe3+).51 Om de reactie te starten worden twee vrije radicalen gevormd die reageren met het monomeer. De sulfaat- en sulfonaat-groepen die hieruit ontstaan zijn altijd gepositioneerd aan het eind van de keten en fungeren meestal als verfpunten in de uiteindelijke vezel.52 Het geproduceerde polymeer wordt gewassen en gescheiden door middel van filtratie voordat het kan worden opgeslagen. Afhankelijk van het oplosmiddel dat wordt gebruikt tijdens het spinnen van de vezel, wordt de polymeer gedroogd of nat opgeslagen. De spinoplossing wordt gevormd door de polymeren eerst te mengen en vervolgens op te lossen.53
1.3.2 Oplossing-polymerisatie
Bij de oplossing-polymerisatietechniek hoeven de polymeren niet apart geïsoleerd, gewassen en opgelost te worden, wat deze techniek minder kostbaar maakt.54 Bij deze techniek vindt de polymerisatie plaats in een geschikt homogeen medium (oplosmiddel), waarin het polymeer wordt gevormd. Vaak worden hiervoor zeer polaire oplosmiddelen gebruikt zoals dimethylformamide (DMF) en dimethylsulphoxide (DMSO).55 Hoewel met deze techniek een direct spinbare oplossing wordt gevormd na de verwijdering van de monomeren, heeft deze techniek ook nadelen. Een van deze nadelen is dat het moeilijk is om een hoog molecuulgewicht te bereiken omdat de keten-overdrachtsconstante bij deze oplosmiddelen hoog is.56
47 Lewin, op.cit. (noot 16), p. 876. 48 Ibid., p. 876.
49 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 173. 50 Ibid., p. 174.
51 Ibid. 52 Ibid. 53 Ibid., p. 175. 54 Ibid.
55 Lewin, op.cit. (noot 16), p. 876. 56 Ibid.
Net als waterige dispersie-polymerisatie en oplossing-polymerisatie is emulsiepolymerisatie een radicaal-polymerisatietechniek die kan worden gebruikt om acrylonitril te polymeriseren. Bij de emulsie polymerisatietechniek worden de monomeren geroerd in een waterige suspensie waarin zich, naast een geschikte emulgator, de radicaalinitiator bevindt.57 Er ontstaat zodoende een olie-in-water emulsie, waarbij fijne druppeltjes van het monomeer (de olie) door de emulgator in de continue waterige fase worden geëmulgeerd. De emulgator dispergeert een kleine hoeveelheid van het monomeer in micellen. Micellen zijn aggregaten van ongeveer 50-100 moleculen.58 Het monomeer dat bij een emulsiepolymerisatie wordt gebruikt is altijd water-onoplosbaar, waardoor de monomeren in de kernen van de micellen diffunderen en de micellen in essentie een klein reservoir van monomeren zijn. Het grootste deel van het monomeer vormt druppels met een diameter van ongeveer 1000 nm.59 “Aangezien een in water oplosbare radicaalinitiator wordt gebruikt, start de polymerisatie in de waterige fase. De polymerisatie transformeert de micellen in polymeer nuclei.”60
Doordat bij de emulsie-polymerisatiemethode de radicalen van elkaar kunnen worden gescheiden, wordt de snelheid waarmee de radicalen opnieuw met elkaar kunnen reageren geminimaliseerd. Hierdoor kunnen hoge polymerisatiesnelheden worden bereikt en vezels met een hoog molecuul gewicht worden geproduceerd. Dit mechanisme verschilt van de oplossing polymerisatiemethode doordat de opeenhoping wordt geminimaliseerd door de aanwezigheid van de oppervlakte-actieve stoffen aan het oppervlak.61 Deze techniek wordt alleen toegepast bij de productie van polymeren van modacrylvezels omdat acrylonitril-vinylchloride monomeerparen langzaam polymeriseren. Hierdoor ontstaan polymeren met een lager molecuulgewicht dan wanneer de monomeerparen worden vervaardigd door middel van waterige dispersie-polymerisatie of oplossing-polymerisatie.62
1.4 Fabricage vezels
Om een vezel van PAN te kunnen produceren wordt gebruik gemaakt van spinprocessen. Acrylvezel polymeren kunnen niet in gesmolten vorm worden gesponnen omdat dit type polymeer de neiging heeft om af te breken tijdens het smelttraject.63 Om deze reden worden acrylvezels door middel van droog of natspinnen gesponnen uit oplossingen. Met spinnen wordt het vervaardigen van een zeer lange, dunne, ronde en buigzame draad bedoeld.64 Bij het droge spinproces wordt de vezel gevormd door met hete lucht het oplosmiddel te verwijderen. Bij het natte spinproces wordt de vezel gevormd door een
57 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 177. 58 Lewin, op.cit (noot 16), p. 885. 59 Ibid.
60 Ibid. 61 Ibid., p. 886.
62 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 177.
63 Ibid., p. 168. Gesmolten spinprocessen worden bijvoorbeeld toegepast voor het vervaardigen van
polyamide en polyester vezels.
diffusieproces waarbij het polymeer oplosmiddel wordt uitgewisseld met een non-solvent (een oplosmiddel waarin het polymeer onoplosbaar is).65
Bij het commercieel droogspinnen wordt alleen gebruik gemaakt van dimethyl formamide, terwijl bij het commercieel natspinnen meerdere oplosmiddelen kunnen worden toegepast.66 Tabel 1.2 vermeldt de meest gebruikte polaire oplosmiddelen en de polymeerconcentraties die bij de vervaardiging van acrylpolymeren tijdens het natte spinproces gebruikt worden. Deze polaire oplosmiddelen zijn in staat om de waterstofbruggen te verbreken tussen de waterstof-atomen en de nitril-groepen en de dipool-dipool interactie tussen twee paren nitrilgroepen teniet te doen.67 Afhankelijk van het gekozen oplosmiddel en het type polymeer en coagulant hebben fabrikanten voor de nabehandeling van de vezels verschillende opties, waaronder het drogen van de vezel.68 Een coagulant is een reactieve chemische stof die door middel van neutralisatie van de ladingen de colloïdale-deeltjes destabiliseert, zodat zij coaguleren (samenklonteren).69
Zoals hierboven beschreven, kan een acrylpolymeer met de verschillende polymerisatietechnieken worden geproduceerd. De in oplossing geproduceerde acrylpolymeren zijn direct klaar voor het spinproces, terwijl de in vaste vorm geproduceerde polymeren eerst nog in een daarvoor geschikt oplosmiddel moeten worden opgelost.70 In het laatste geval, wordt de polymeer eerst deels in een koud oplosmiddel (meestal 5°C) opgelost zodat er geen gel ontstaat, waarna de polymeer verder wordt opgelost door middel van verwarming en roeren.71
oplosmiddel % polymeer
dimethylformamide dimethylacetamide natrium thiocyanaat (aq) zink chloride (aq) dimethyl sulphoxide salpeterzuur ethyleen carbonaat 28-32 22-27 10-15 8-12 20-25 8-12 15-18
Tabel 1.2 Commerciële oplosmiddelen gebruikt voor het spinnen van acryl vezels.
Bron: Synthetic fibres: nylon, polyester, acrylic, polyolefin: Mclntyre, ed.: p.169.
65 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 182. Men dient oplosmiddelen (solvents) waarin het polymeer oplosbaar is
te onderscheiden van oplosmiddelen waarin het polymeer onoplosbaar is (non-solvents).
66 Masson, 1995: p. 73.
67 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 168. 68 Masson, 1995: p. 73.
69 Moncrieff 1975: p. 309.
70 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 183. 71 Ibid.
Figuur 1.9 Schematische weergave van een droog-spin toren.
Bron: Acrylic Fiber Technology and Applications. Masson, J.C., ed.: p. 72.
Bij het droog spinproces wordt de polymeer oplossing door een spinnerette in een toren gepompt waardoor een verhit inert gas stroomt. Het merendeel van het oplosmiddel verdampt, wat leidt tot het stollen van het opgeloste polymeer.72 De fijne stralen uit de spinnerette worden hierdoor vast. Een bundel van filamenten komt uit de onderkant van de toren en kan vervolgens worden na-behandeld (figuur 1.9).
72 Masson, op.cit. (noot 68), p. 71-72.
1.4.2 Nat spinproces
Bij het natte spinproces wordt de polymeeroplossing gepompt door een spinnerette in een verdunde vorm van het polymeeroplosmiddel. Dit verdunde oplosmiddel reageert als een non-solvent waardoor op gecontroleerde wijze de vezel gevormd wordt.73 Tijdens dit proces wordt het oplosmiddel (solvent) waarin het polymeer is opgelost vervangen door een oplosmiddel waarin het polymeer onoplosbaar is (non-solvent). Uiteindelijk treedt de polymeer uit oplossing via een coagulatie-proces (figuur 1.10).74 De gevormde filamenten die vervolgens ontstaan kunnen hierna verder worden verwerkt.75
Bij 85 procent van de totale productie van acrylvezels worden natte spinprocessen toegepast.76 Natte spinprocessen zijn aantrekkelijk vanwege de grote variëteit aan oplosmiddelen die kunnen worden toegepast. Bovendien levert het natspinnen een hogere productie per eenheid op en is er sprake van minimale blootstelling aan organische oplosmiddelen.77
73 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 184. 74 Ibid.
75 Masson, op.cit. (noot 68), p. 72. 76 Ibid., p. 73.
77 Ibid.
Figuur 1.10 Schematische weergave van een nat-spin coagulatie bad.
Bron: Acrylic Fiber Technology and Applications. Masson, J.C., ed.: p. 73.
Alle acrylvezel-spinprocessen maken gebruik van nabehandelingen waarbij de vezels worden gewassen om de overgebleven oplosmiddelen te verwijderen. Bovendien moeten de vezels worden georiënteerd om een interne vezelmorfologie te ontwikkelen en de vezel te versterken.78 Commerciële acrylvezelsystemen gebruiken water als wasmedium met een temperatuur onder de 100 °C. Een zeer kleine hoeveelheid van het overgebleven oplosmiddel wordt vaak met opzet achter gelaten op de vezels om zo de eigenschappen van de vezels te optimaliseren.79 Voordat de vezels worden uitgerekt, heeft de vezel nog een poreuze structuur zodat de additieven, zoals verf, die worden toegevoegd zich goed aan de vezel kunnen hechten.80
Het oriëntatieproces is van groot belang om de vezelstructuur te wijzigen en de vezeleigenschappen te verbeteren. De temperatuur van de vezel wordt verhoogd naar de glastransitietemperatuur en de vezel wordt 3 tot 12 keer uitgerekt tussen rollen waarbij warm water wordt gebruikt als warmtebron. Tijdens het oriëntatieproces wordt de vezelsterkte verhoogd. 81 Bovendien worden de acrylvezels tijdens de nabehandeling chemische behandeld. Deze chemische behandeling bestaat uit een waterige oplossing of emulsie die antistatische componenten en een smeermiddel bevat.82
Het drogen, het sluiten van de poriën en de relaxatiekrimp van de acrylvezels kan in verschillende volgordes en op verschillende manieren worden uitgevoerd. Bij het droogproces wordt het overgebleven water uit de was- en oriëntatiefase verwijderd.83 Wanneer het water uit de interne structuur van de vezel verwijderd is, zal de vezel zich verdichten. Hiermee wordt bedoeld dat de open poriestructuur van de vezel zich sluit. Wanneer het verdichten van de vezel niet wordt voltooid, zal de vezel broos blijven en zijn er glans-verschillen zichtbaar tussen de delen van de vezel die wel en niet zijn verdicht. Hierna wordt de vezel gekrompen en ontspannen.84 Relaxatiekrimp houdt in dat de vezels hun oorspronkelijke lengte aannemen onder invloed van energie in de vorm van een hete en natte omgeving.85 De relaxatiekrimp van de vezel is de laatste stap in de verandering van de vezel morfologie en verandert de spanning-rekeigenschappen van de vezel.86 1.4.4 Verf processen voor acryl en modacrylvezels
De belangrijkste reden voor de slechte verfbaarheid van vezels die geheel uit PAN bestaan is het vrij hoge glastransitiepunt van PAN (≥ 100°C). 87 In 1950 werd het ‘koperoxide ion proces’ ontwikkeld voor het verven van Dynel vezels.88 Dit proces, waarbij de vezels worden behandeld met kopersulfaat en hydroxylamine die de nitril groep verbinden met het verfmolecuul, was beperkt succesvol.89 Voor een meer succesvol verfproces is aanpassing van het polymeer zelf vereist.
78 Masson, op.cit. (noot 68), p. 80. 79 Ibid., p. 82. 80 Ibid. 81 Ibid. 82 Ibid. 83 Ibid. 84 Ibid., p. 83. 85 Van Paasen 1974: p. 301. 86 Masson, op.cit. (noot 68), p. 83. 87 Ibid., p. 285.
88 Cook, op.cit. (noot 14), p. 403. 89 Masson, op.cit. (noot 68), p. 285.
Zoals eerder besproken wordt acrylonitril over het algemeen gepolymeriseerd met ten minste één andere monomeer. Sommige van deze monomeren bevatten sulfonaat of carbonzuur-groepen terwijl andere monomeren amine- of ammonia-groepen kunnen bevatten. Door de toevoeging van deze monomeren ontstaat een meer open structuur en wordt het glastransitiepunt verlaagd naar 85-95°C wat zorgt voor een betere verfpenetratie van de vezels.90 De toevoeging van zowel kationische als anionische groepen maakt het mogelijk om contrasterende kleuren te produceren van weefsels geproduceerd van acryl en modacrylvezels.91
Het verfmechanisme van de acrylvezels kan worden beschreven aan de hand van drie stappen. Bij de eerste stap wordt de kleurstof geadsorbeerd aan het vezeloppervlak. De hoeveelheid kleurstof die wordt geadsorbeerd hangt af van de concentratie van de kleurstof in het verfbad. 92 Hierna vindt er diffusie plaats van de kleurstof in de vezel. Diffusie vindt plaats boven het glastransitiepunt van de vezel (85-95°C), waarbij delen van de polymeerketens genoeg energie hebben om te bewegen, wat inhoudt dat de vezel zacht wordt zodat de kleurstof kan penetreren in de vezel. Onder het glastransitiepunt is de vezel stijf wat de penetratie van de verfstof hindert.93 De laatste stap in het verfmechanisme bestaat uit de fixatie van de kleurstof binnen de vezel.94
1.5 Chemische en fysische eigenschappen van acryl- en modacrylvezels
De chemische en fysische eigenschappen van acryl en modacrylvezels zijn afhankelijk van de samenstelling. Door de grote variatie van productsamenstelling is het lastig om in zijn algemeenheid iets te zeggen over deze eigenschappen. In de literatuur is het bovendien niet altijd duidelijk of er wordt gesproken over acrylvezels, modacrylvezels of een combinatie van beide. In deze paragraaf worden de acryl- en modacrylvezels in algemene termen besproken en wordt niet nader ingegaan op de verschillende eigenschappen van specifieke vezels. Bovendien wordt meer aandacht besteed aan de chemische eigenschappen van de vezels dan de fysische eigenschappen. Hier is voor gekozen, omdat in het kader van het onderzoek naar de reiniging van imitatiebont in kunst, de chemische eigenschappen van groter belang werden geacht. Aan de fysische eigenschappen zal kort aandacht worden besteed en er zal een overzicht worden gegeven van de meest belangrijke fysische eigenschappen van de vezels.Een van de meest opvallende eigenschappen van acrylvezels is dat ze goed bestand zijn tegen degradatie door zonlicht. Uit een onderzoek van George Fremon (Union Carbide) naar de vergelijking in verlies van sterkte tussen acrylvezels en andere belangrijke natuurlijke en synthetische vezels na enkele maanden blootstelling aan zonlicht, bleek dat de acrylvezels vijf keer langer resistent zijn dan katoen en wol en bijna vier keer langer dan nylon.95 Uit een ander onderzoek van Rugeley naar het verlies van sterkte na tweehonderd uur blootstelling aan direct zonlicht, bleek dat de acrylvezels niet alleen superieur waren aan de nylon, katoen, acetaat en kunstzijdevezels, maar ook aan de modacrylvezels (Dynel).96 De resultaten van dit onderzoek zijn weergegeven in figuur 90 Ibid., p. 285. 91 Ibid. 92 Ibid., p. 287-288. 93 Ibid., p. 288. 94 Ibid. 95 Fremon 1953: p. n/a. 96 Rugeley 1948: p.1724–1731.
licht weinig aan sterkte doordat er ringstructuren worden gevormd die zeer stabiel zijn.
Acrylvezels zijn resistent tegen biologische afbraak en de meeste chemicaliën. Alle synthetische vezels zijn in principe ongevoelig voor biologische afbraak door micro-organismen en insecten, aangezien het materiaal voor hen totaal onverteerbaar is. Toch kan biologische aantasting voorkomen. Schimmels, insecten en bacteriën kunnen zich voeden met vuil dat eventueel aanwezig kan zijn op de vezels en wel verteerbaar is.98 De vezels worden bijna niet aangetast door zwakke zuren, zwakke alkaliën, organische oplosmiddelen, oxiderende media en dry-cleaning oplosmiddelen (zoals perchloorethyleen en fluorchloorkoolwaterstoffen).99 De acrylvezels worden alleen aangetast door sterke basische oplosmiddelen en sterk polaire oplosmiddelen zoals dimethylaceetamide (DMAC), DMF, DMSO en ethyleen carbonaat. Acrylvezels worden meer door alkaliën, dan door zuren of oxiderende media aangetast.100 De acrylvezels zijn resistent tegen zuren doordat de acrylpolymeren geen chemische groepen bevatten die kunnen reageren met zuren.101 Een onderzoek van Quig heeft aangetoond dat acryl vezels 24 uur lang stabiel zijn in een oplossing van 50 procent zwavelzuur bij 100°C.102 Dezelfde vezels beginnen
97 Boersma 2000: p. 51. 98 Ibid.
99 Lewin, op.cit. (noot 35), p. 993. 100 Ibid.
101 Gohl 1980: p. 96. 102 Quig 1948: p. n/a.
Figuur 1.11 Verlies aan sterkte van vezel type na 200 uur directe blootstelling aan zonlicht.
echter in dezelfde tijdspanne te ontleden in een oplossing van minder dan 0.5 procent natriumhydroxide bij dezelfde temperatuur.103 Dor een dichtere pakking kan de aantasting door alkalische substanties worden voorkomen.104
Acrylvezels zullen eerder verkleuren en ontbinden dan smelten wanneer deze aan hitte worden blootgesteld. Volgens Lewin hebben acrylvezels een zeer goede kleur en hittestabiliteit bij temperaturen onder 200°C.105 De excellente chemische resistentie van de acrylvezels kan worden verklaard aan de hand van de lateraal gebonden structuur. Dipool-dipool interacties tussen de nitril groepen van aangrenzende ketens moeten worden verbroken voordat chemische aantasting, het smelten van de vezel of het oplossen van de vezel kan plaatsvinden.106 Acrylvezels zijn daarom onoplosbaar in de meeste chemische oplosmiddelen. Dit is de reden waarom alleen sterk polaire oplosmiddelen zoals dimethyl formamide, dimethyl sulphoxide en ethyleen carbonaat kunnen worden gebruikt voor het spinnen van de vezels. 107 Bovendien zouden de afstotende krachten tussen de aangrenzende nitrilen resulteren in een zeer stijve polymeer keten. Daardoor zijn er relatief hoge temperaturen nodig voor het smelten of oplossen van de vezels.108 Dit wordt echter in de literatuur niet verder uitgelegd. In tabel 1.3 is de invloed van chemische stoffen van acryl en modacryl weergegeven. Hier wordt echter geen onderscheid gemaakt tussen modacryl- en acrylvezels.
invloed van chemisch stoffen acryl / modacrylvezels
zwakke anorganische zuren resistent
sterke anorganische zuren lost op in concentraties van HNO3, H2SO4
verdunde alkaliën resistent
geconcentreerde alkaliën degradeert
oxiderende media resistent
dry-cleaning oplosmiddelen resistent
apolaire oplosmiddelen resistent
polaire oplosmiddelen oplosbaar in DMF, DMSO, DMAC en ethyleen
carbonaat
hitte resistentie degradeert langzaam boven 200 °C
stabiliteit in zonlicht excellent
resistentie tegen insecten resistent
resistentie tegen biologische media (zoals bacteriën en schimmel)
resistent
Tabel 1.3 Invloed van chemische stoffen van acryl en modacrylvezels.
Bron: Synthetic fibres: nylon, polyester, acrylic, polyolefin: Mclntyre, ed.: p. 209.
Twee benoemenswaardige fysische karakteristieken van acryl- en modacrylvezels zijn de hoge elektrische weerstand en het vochtherstellend vermogen van de vezels (2-3%). Deze karakteristieken worden tevens toegekend aan de dipool-dipool interacties tussen de
103 Lewin, op.cit. (noot 35), p. 993. 104 Gohl, op.cit. (noot 101), p. 96. 105 Lewin, op.cit. (noot 35), p. 995. 106 Ibid.
107 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 208. 108 Lewin, op.cit. (noot 35), 995.
Tabel 1.4 Fysische eigenschappen van acryl- en modacrylvezels.
Bron: Synthetic fibres: nylon, polyester, acrylic, polyolefin: Mclntyre, ed.: p. 207.
de tendens hebben om vuil aan te trekken en vast te houden. Bovendien kunnen acrylvezels elektrostatisch worden, dat wordt veroorzaakt door het hygroscopische karakter van de acrylpolymeren. In tabel 1.4 zijn enkele fysische eigenschappen van acryl- en modacrylvezels weergegeven.
eigenschap acryl modacryl
sterkte (N tex-1) droog nat 0.09-0.33 0.14-0.24 0.13-0.25 0.11-0.19 rek (%) droog nat 25-45 29-61 25-45 n/a modulus (N tex-1) droog nat 3.5-4.9 3.1-4.9 2.6-3.5 n/a elastisch herstel (%) 2% rek 10% rek 99 n/a 95-100 70-95
elektrische weerstand hoog hoog
elektrische staticiteit gemiddeld gemiddeld
wrijvingsweerstand gemiddeld gemiddeld
vochtherstellend vermogen (std %) 1.5-2.5 1.5-3.5
1.6 Fabricage kunstbont
Het grondbreisel of -weefsel (“pool”) van het kunstbont wordt bijna altijd van katoen vervaardigd.110 Onder de pool worden alle weefsel en breisels verstaan waarbij de vezels bij benadering loodrecht op het vlak van een grondweefsel uitsteken.111 Het merendeel van de acryl- en modacryl vezels wordt gebreid of geweven.112 Hieronder zullen deze technieken worden besproken.
1.6.1 Gebreid kunstbont
Voor alle gebreide bontsoorten geldt dat de stoffen elastisch zijn. Om de pool vast te zetten in het grondbreisel kan een dunne harslaag worden aangebracht. De gebreide bontimitaties zijn goedkoper dan de geweven imitaties.113 De meeste kunstbonten worden gebreid op een
109 Mclntyre, op.cit. (noot 34), p. 207-208 110 Langeveld-van Lith, op.cit (noot 9), p. 110. 111 Du Bois 1971: p. 45.
112 Langeveld-van Lith, op.cit (noot 9), p. 106. 113 Ibid.
rondbreimachine, waarbij de inslagtricot met lussen wordt vervaardigd (afbeelding 1.12).114 Deze lussen worden later doorgesneden en vormen zo de pool.115
Naast de kunstbonten die worden gebreid op een rondbreimachine kan er ‘Borg’ kunstbont worden vervaardigd door middel van een installatie die wordt gekoppeld aan een rondbreimachine. De term ‘Borg fabric’ verwijst naar de uitvinder van de sliver-knit breimachine George W. Borg.116 De rondbreimachine met gekoppelde installatie trekt vezels uit de kamlont (in het Engels sliver) en voegt deze toe aan het breisel. Het kamlont is een bundel gekamde vezels, waarmee kamgarens kunnen worden gesponnen.117 ‘Borg fabric’ is licht in gewicht en kenmerkt zich door de lange pluche vezels (afbeelding 1.13a t/m c). Deze bontsoort wordt ook wel pluche, Borgazia of Borgana genoemd.118
114 Gorp, op.cit. (noot 13), p. 368.
115 Langeveld-van Lith, op.cit (noot 9), p. 106 116 Ibid., p. 107.
117 Ibid. 118 Ibid.
Figuur 1.12 Terrot rondbreimachine van het
Textielmuseum te Tilburg. Bron: website van het Textielmuseum. www.textielmuseum.nl.
1.6.2 Geweven kunstbont
Geweven kunstbont wordt gefabriceerd op dubbeldoekweefgetouwen. In dergelijke getouwen worden twee doeken gelijktijdig boven elkaar geweven. Bij het weven van stoffen met een pool loopt de poolketting tussen de twee weefsels op en neer en wordt in de machine in het midden doorgesneden (afbeelding 1.14a en b).119 Hierdoor kan ook een ‘pluche’ uiterlijk ontstaan, vergelijkbaar met Borg kunstbont (afbeelding 1.15a t/m c). Aangezien het productieproces van geweven kunstbont langzamer en gecompliceerder is dan dat van gebreid kunstbont, is geweven bont duurder, maar wel van betere kwaliteit. Bovendien is het geweven kunstbont niet elastisch zoals het gebreide kunstbont.120
119 Ibid., p. 108.
120 Ibid.
Afbeelding 1.13a Modacryl kunstbont met een katoenen breisel
gefabriceerd volgens de sliver-knitting methode (achterzijde).
Afbeelding 1.13c Modacryl kunstbont met een katoenen breisel
gefabriceerd volgens de sliver-knitting methode (voorzijde).
Afbeelding 1.13b Detail afbeelding 1.13a.
Afbeelding 1.15a Geweven modacryl kunstbont
(achterzijde).
Afbeelding 1.15b Detail figuur 1.15a.
(Carl Zeiss Stemi stereomicroscoop 20x)
Afbeelding 1.14b Gedeeltelijk doorgesneden doek.
Foto: Trudy Langeveldt-van Lith.
Afbeelding 1.14a schematische lengte doorsnede van
een doek gefabriceerd op dubbeldoeksgetouwen. Bron: Trudy Langeveldt-van Lith.
