Quantitative characterization of surface layers on corroded medieval window glass with SIMS

Summary Dark green coloured panes, consisting of lead oxide, potash, lime, magnesia, silica and phosphorus oxide show minor corrosion phenomena compared with other stained glasses used in medieval painted windows. Surface layers and leaching zones on such naturally weathered glass samples can be succesfully characterized by SIMS. This analytical technique enables quantitative depth profiling of the main and trace components of the glass as well as the depth distribution of hydrogen. With the use of relative sensitivity factors of the elements and the different sputtering coefficients of the various layers, a quantification of the depth profiles is possible. According to the results, an ion exchange process leads to incorporation of water and depletion of the glass components potassium, calcium, sodium and lead at the glass surface. The leached elements form precipitations with components of the ambient atmosphere (CO₂, SO₂ etc.). A layer containing compounds of low solubility is built up, which protects the glass surface from further attack by water and moisture.

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Quantitative Charakterisierung von Oberflächenschichten verwitterter mittelalterlicher Fenstergläser mit SIMS

Zusammenfassung Die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) wurde zur Charakterisierung von Oberflächenschichten natürlich verwitterter Bleigläser aus mittelalterlichen Glasgemälden verwendet. Diese Gläser enthalten als Hauptkomponenten Kalium-, Calcium-, Silicium- sowie Blei- und Phophoroxid und weisen im Gegensatz zu den übrigen, in Glasgemälden verwendeten gefärbten und ungefärbten Gläsern wesentlich geringere Verwitterungsschäden auf. Mit Hilfe der relativen Empfindlichkeitsfaktoren und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Sputterkoeffizienten in den einzelnen Schichten ist es möglich, die Tiefenprofile zu quantifizieren. Dabei zeigt sich, daß die aufgrund des Verwitterungsprozesses an der Glasoberfläche ausgebildete Gelzone an Blei, Alkalien und Erdalkalien gegenüber dem Bulk verarmt ist. Reaktionen dieser gegen Bestandteile des Wassers ausgetauschten Elemente mit Bestandteilen der Luft (CO₂, SO₂ usw.) führten zur Ausbildung einer weitgehend kompakten Oberflächenzone, die in erster Linie aus wasserunlöslichen Verbindungen besteht und die darunter liegende Glasoberfläche vor einem weiteren Angriff durch Wasser und atmosphärische Schadstoffe schützt.