Коррозия металлов, связанная с древесиной

Ник Амни
Старший реставратор отдела мебели и изделий из дерева, отдел консервации

Реакция на свинец может быть: (щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Дерево и металл используются вместе для стольких целей, что обычно считаются хорошо совместимыми материалами. Однако взаимодействие между некоторыми металлами и древесиной может иметь место при неблагоприятных условиях или в результате использования неподходящих материалов. Такие взаимодействия могут происходить при прямом контакте металлических креплений и фурнитуры с деревом или опосредованно, через окружающую среду при транспортировке, хранении или выкладке металлических предметов в деревянной таре. Это давно известно, но до сих пор иногда забывается. О повреждении металлических предметов в коллекции Баррелла сообщалось в течение дня в разделе «Хранение» на конференции UKIC Restoration ‘9.1. В этой статье кратко рассматриваются способы, которыми древесина может способствовать коррозии металлических предметов.

Структурными компонентами древесины являются сложные органические молекулы – целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Древесина также содержит небольшое количество неструктурных органических материалов, в совокупности называемых экстрактивными веществами, и значительное количество воды.

Объект представляет собой бронзовую статую Нанди, коленопреклоненного быка Шивы, XIX века. (Музей № ИМ 69-1914) (щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Коррозия – это процесс окисления. Для большинства коррозионных процессов необходимо присутствие влаги и кислорода на поверхности металла, хотя атмосфера не обязательно должна быть насыщенной водой. Однако при более низкой влажности скорость коррозии постепенно снижается. «Безопасные» пределы установлены в Музее при относительной влажности 40–45 % для нестабильного железа и бронзы, содержащей хлориды, и относительной влажности 55 % для железа и бронзы хорошего качества со стабильной патиной.

Древесина может служить источником воды для коррозионных процессов. В стабильных условиях достигается равновесие, при котором вода распределяется между воздухом и древесиной в определенных пропорциях. Положение равновесия зависит от относительной влажности и температуры окружающего воздуха, а также от породы древесины. При температуре 20°C и относительной влажности 55% и кубический метр воздуха, и 6-сантиметровый куб дерева содержат около 10 мл воды. Повышение температуры вызывает уменьшение влажности древесины и увеличение относительной влажности окружающего воздуха.

Влажность = вес присутствующей воды x 100%
                                масса древесины в сухом состоянии

Следовательно, повышение температуры запечатанного деревянного контейнера может привести к увеличению относительной влажности внутри него.

Приблизительное содержание влаги в древесине, при котором внутри деревянного контейнера создается относительная влажность 80 % при различных температурах, показано на графике ниже.

В деревянных ящиках, находящихся на солнце в этой стране, может достигаться температура 40-50°C, в то время как воздух внутри ящиков в тропическом климате может достигать 70°C. Поэтому важно, чтобы любая используемая древесина имела подходящее содержание влаги и чтобы были приняты меры для сведения к минимуму колебаний температуры в процессе эксплуатации.

Таблица, показывающая приблизительное содержание влаги в древесине, необходимое для обеспечения 80% относительной влажности внутри деревянного ящика (щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Помимо влаги, многие виды древесины содержат летучие спирты, сложные эфиры и масла, которые оказывают растворяющее действие на некоторые защитные покрытия, нанесенные на металлические предметы, что делает металл более восприимчивым к воздействию влаги или других химических веществ.

Исследование Фармером ¹  в 1962 году радиоприемников с кадмиевым покрытием, подвергшихся коррозии при хранении, показало, что коррозия была вызвана березовой древесиной в их корпусах, а не другими присутствующими материалами. Многие виды древесины могут выделять небольшое количество летучих коррозионно-активных веществ, что более заметно в теплых и влажных условиях. Эти вещества включают карбоновые кислоты с большим молекулярным весом, особенно уксусную и муравьиную кислоты. Тенденция вызывать коррозию в этих условиях не связана напрямую с кислотностью древесины, и ее значение pH не является надежным показателем степени коррозии, которую она может вызвать.

Фермер измерял количество свободной кислоты, выделяемой различными видами древесины в контролируемых условиях с интервалами до двух лет. Для всех исследованных пород древесины, включая дуб, пихту Дугласа, ситхинскую ель, бук, березу, обече и сосну Парана, наблюдалось прогрессивное увеличение содержания свободной кислоты. Более 90% кислоты было летучим и было идентифицировано химически и хроматографически как уксусная кислота.

Считается, что производство уксусной кислоты является результатом процесса медленного гидролиза объединенных ацетильных групп, присутствующих в гемицеллюлозах. В подтверждение этого количество уксусной кислоты, производимой несколькими видами древесины, с достаточной точностью уравновешивается потерями комбинированных ацетильных групп.

Скорость высвобождения уксусной кислоты зависит от химического состава древесины, из которой она получена. Это зависит от вида и в значительной степени объясняет значительные различия в скорости производства уксусной кислоты между древесиной. Доля ацетильных групп, способных высвобождать уксусную кислоту, выше в лиственных породах, чем в хвойных. На практике высушенная в печи древесина с гораздо большей вероятностью вызовет коррозию, чем древесина, высушенная на воздухе.

Большинство металлов разъедает уксусная кислота, которая может вызвать коррозию даже при концентрации в воздухе 0,5 ppm. Серьезные повреждения могут возникнуть при длительном хранении, особенно во влажных условиях. Свинцовые предметы можно быстро разрушить, храня их в деревянных ящиках, при этом свинец превращается в карбонат свинца. Цинк и бронза также поражаются, но не так сильно, как свинец.

Таблица, показывающая измеренные значения pH некоторых распространенных видов древесины (щелкните изображение, чтобы увеличить его)

В уравнении 4 уксусная кислота (4C ₂ H ₄ O ₂ ) высвобождается и поэтому может свободно участвовать в уравнении 2. Таким образом, небольшое количество уксусной кислоты может нанести большой вред. Это говорит о том, что неразумно оставлять продукты коррозии в контакте с металлом, поскольку в этом случае возможна дальнейшая атака, даже когда объект перемещается в среду, не содержащую древесины.

Поскольку выделение уксусной кислоты является результатом нормального химического процесса, а не, например, биологического, маловероятно, что будут найдены какие-либо практические средства его предотвращения. Поэтому необходимо сконцентрироваться на предотвращении попадания образующейся кислоты на объекты, которые могут быть ею разъедены. Было исследовано включение в упаковку основных веществ для поглощения и нейтрализации уксусной кислоты, но оно неэффективно, поскольку образующиеся ацетаты сами по себе нестабильны и разлагаются с высвобождением уксусной кислоты. Облицовка ящиков непроницаемым материалом кажется лучшим подходом. Алюминиевый лист между наполнителем и грунтовкой из шеллака и двумя слоями тщательно подобранного лака или эмали кажется эффективным, хотя и довольно дорогим. Полиэтилен неэффективен. Хотя древесина имеет много преимуществ, от ее использования, возможно, придется отказаться для чувствительных материалов.

Для некоторых металлов степень коррозии ограничивается образованием оксидного или гидроксидного поверхностного слоя. В этих случаях коррозию может ускорить присутствие кислот и некоторых солей, повышающих растворимость основного продукта коррозии. Водные экстракты большинства распространенных пород дерева кислые и могут действовать подобным образом. Кислотность древесины возникает из-за сложных смесей органических кислот и их солей. Сахарные кислоты, образующиеся при гидролизе гемицеллюлоз, являются сильными кислотами, их соли растворимы в воде и нейтральных растворах. Когда присутствуют соли, которые могут действовать как электролиты, химические реакции, вызывающие коррозию, усиливаются электрохимическими реакциями, и минерализация значительно ускоряется.

Информацию о кислотности древесины можно получить, приготовив суспензию древесных частиц в дистиллированной воде в пропорции пять частей воды на одну часть древесины. рН суспензии измеряют рН-метром со стеклянным электродом. Это не обеспечивает точного измерения истинного pH влаги в древесине из-за сильного эффекта разбавления, связанного с подготовкой образца для измерения. Однако такие измерения дают полезную информацию об относительной степени кислотности различных пород древесины. Для практических целей рН 4,0-4,3 представляет собой предел, ниже которого скорость коррозии стали быстро увеличивается в присутствии влаги. Измеренные значения pH некоторых распространенных пород древесины приведены в оглавлении.

Дуб, сладкий каштан, западный красный кедр и пихта Дугласа являются древесиной, наиболее часто связанной с коррозией металлов при контакте с ними во влажных условиях. Железо и сталь гораздо более подвержены коррозионному воздействию дерева, чем алюминий, медь или латунь.

Ржавление железа часто сопровождается ухудшением состояния непосредственно прилегающей к нему древесины. Древесина в контакте с активно ржавеющим железом теряет прочность на растяжение, но не влияет на прочность на сжатие.

Иногда коррозия металлов возникает при контакте с древесиной, которая не слишком кислая, и это часто происходит из-за присутствия поваренной соли. Например, соль может способствовать биметаллической коррозии никелированной стали и омедненного железа. Наблюдались случаи, когда щелочь, образующаяся при коррозии омедненных железных гвоздей, крепящих холст к деревянному каркасу, вызывала гниение холста. Соль не является обычным компонентом древесины, но она может попасть в древесину, когда бревна спускаются на воду или подвергаются воздействию морских брызг. Кроме того, в Северной Америке для сушки некоторых твердых пород дерева, включая клен, используется процесс приправы солью.

Существуют также специфические реакции между определенными породами дерева и металлами. Например, западный красный кедр содержит трополоны, которые реагируют с металлической медью с образованием стабильного хелата, который выглядит как зеленый налет на металле.

Признание взаимодействий, подобных описанным, привело к поиску более пассивных материалов для создания герметичных помещений, особенно для постоянных дисплеев
.