Lezione 4-1 Materiali Cellulosici PDF

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 4.1_Materiali cellulosici Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences ...

CORSO di CHIMICA degli ARCHEOMATERIALI A.A. 2023-24 4.1_Materiali cellulosici Docente: Enrico Greco, PhD ([email protected]) Assistant Professor, Department of Chemical and Pharmaceutical Sciences  MATERIALI CELLULOSICI  legno  carta  fibre tessili Costituiti principalmente da cellulosa, emicellulosa e lignina. 2 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Carboidrati o zuccheri o saccaridi  Dal punto di vista chimico, i carboidrati sono aldeidi o chetoni con vari gruppi ossidrilici (OH), solitamente uno per ogni atomo di carbonio. Le singole unità di carboidrati sono chiamate "monosaccaridi". Tra questi si annoverano il glucosio, il galattosio e il fruttosio. D-glucosio D-galattosio D-fruttosio 3 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Il D-Galattosio viene prodotto dal nostro organismo e viene utilizzato perCarboidrati la sintesi odizuccheri polimeri o saccaridi complessi. La maggior parte del galattosio usato dal nostro organismo ha una  Dal punto di vista chimico, i carboidrati sono aldeidi o chetoni con vari gruppi origine alimentare. Esso è infatti il costituente di un ossidrilici (OH), solitamente uno per ogni atomo di carbonio. importante e diffuso disaccaride: il lattosio. Quando la quantità di galattosio introdotta con gli alimenti supera i Le singole unità di carboidrati sono chiamate "monosaccaridi". Tra questi si bisogni dell’organismo, esso viene utilizzato per produrre annoverano il glucosio, il galattosio e il fruttosio. energia. Per assolvere a questa funzione il galattosio deve essere prima convertito in glucosio. D-glucosio D-galattosio D-fruttosio 4 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI  I monosaccaridi possono legarsi tra di loro in moltissimi modi per formare i polisaccaridi. 5 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI La cellulosa La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi, costituita da un gran numero di molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro. Ponti a idrogeno 6 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI In natura la cellulosa è rappresentata dalle fibre che avvolgono il seme del cotone.  Le fibre corte, con lunghezza che da 3 a 7 mm, costituiscono un'ottima materia prima per la fabbricazione della carta.  Le fibre con una lunghezza che varia da 2 a 6 cm e un diametro da 10 a 40 micron vengono impiegate per usi tessili. In tutti gli altri vegetali la cellulosa non si trova allo stato puro come nel seme del cotone, ma cementata e legata agli altri costituenti, che, per semplicità, vengono definiti genericamente sostanze incrostanti. 7 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI L'emicellulosa Polisaccaride poco solubile, a peso molecolare minore di quello della cellulosa e di composizione irregolare. Le emicellulose sono costituite da zuccheri diversi ed hanno una struttura ramificata. La caratteristica principale delle emicellulose è la loro facile idratabilità. In natura le emicellulose sono amorfe e possiedono proprietà adesive. Si conoscono tre tipi di emicellulose:  xilani (tegumento dei chicchi dei cereali, crusca)  galattani/arabinolattani  mannani/glucomannani. 8 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Lignina Polimero organico pesante e complesso, costituito principalmente da composti fenolici. Si trova nella parete cellulare di alcune cellule vegetali. Le lignine sono per quantità i secondi biopolimeri sulla terra dopo la cellulosa. La biomassa formata da cellulose e lignine rappresenta circa il 70% della biomassa totale. 9 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI emicellulosa lignina terpeni, Il legno è formato da: cellulosa resine, acidi grassi legno Cellulosa ed emicellulosa costituiscono le fibre del legno, mentre la lignina è l'interfibra (scheletro) che le tiene unite. 10 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI 11 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Composizione chimica media percentuale del legno Specie Cellulosa Emicellulosa Lignina Sostanze estraibili* Abete rosso (conifera) 41 30 27 2 Pino (conifera) 39 30 27 4 Abete (conifera) 38 23 34 5 Acero {latifoglia) 44 22 29 5 Betulla {latifoglia) 40 37 20 3 *Le sostanze estraibili sono composti che dal legno passano in solvente organico quale etanolo o diclorometano. 12 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Il primo vero antenato della carta fu il papiro. Il papiro è stato ottenuto incollando assieme piccole strisce ricavate dal fusto della pianta omonima. La sua comparsa risale a circa 5000 anni fa presso gli Egiziani e i Greci. Anche i Romani ne fecero uso. 13 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI 14 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Papiro di Hunefer (XIX dinastia, 1275 BCE) 15 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Il libro della Morte di Pinedjem II (1000 BCE). Il testo è in ieratico ad eccezione dei geroglifici nell’immagine. Da notare le giunzioni tra i fogli di papiro. 16 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Museo Egizio del Cairo, Laboratorio di Restauro dei Papiri e Carta. 17 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI La pergamena La pergamena prende nome dalla città di Pergamo (nell'Asia minore) dove, secondo Plinio il Vecchio, sarebbe stata utilizzata attorno al II secolo BCE, in sostituzione del papiro. Quando l’Egitto smise di esportare il papiro, a causa della concorrenza culturale fra il sovrano egiziano Tolomeo V ed il re di Pergamo Eumene II (196- 158 BCE), Pergamo reagì ricavando la pergamena dalla lavorazione delle pelli. Detta anche membrana o vellum in latino o cartapecora o carta pecudina, è prodotta con pelli di pecora, di capra o di vitello opportunamente depilate e fatte asciugare sotto tensione. Non fa parte dei materiali cellulosici, ma viene associata alla carta per funzione. La pergamena fu utilizzata come supporto scrittorio fino al XIV secolo. Materiale proteico 18 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Le pergamene destinate alla legatoria (un uso che si diffuse dal XVI secolo in poi) erano più spesse e scure. Quelle utilizzate per la scrittura di testi erano generalmente più chiare e sottili: ► per documenti di particolare rilevanza (per esempio i brevi pontifici) erano utilizzate pergamene molto bianche e sottili ricavate dal trattamento di pelli di animali giovanissimi o nati morti; ► nell'Alto Medioevo furono prodotte pergamene purpuree, utilizzate per la scrittura di libri o documenti particolarmente solenni redatti con inchiostri d'argento o d'oro. o Codice Purpureo di Rossano, noto come Codex Purpureus Rossanensis (Museo Diocesano di Rossano) del VI secolo o Bibbia di Ulfila (Biblioteca Universitaria di Uppsala) IX secolo o Privilegium Othonianum (manoscritto A.A. Arm. I-XVIII, 18 dell’Archivio Segreto Vaticano), del IX secolo. 19 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI La carta La scoperta del procedimento per la fabbricazione della carta viene attribuita al cinese Ts'ai Lun intorno al 105 BCE. Egli la ottenne da ritagli di seta ridotti in pasta e mescolati con acqua, tramite battitura. Questa pasta acquosa veniva filtrata con stuoie di bambù, ottenendo fogli di una certa consistenza che venivano posti al sole ad asciugare. Materiale proteico 20 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Nel 751 i musulmani conquistano Samarcanda e fanno prigionieri alcuni cartai cinesi. Il segreto della fabbricazione della carta è svelato. Viene organizzato un primo centro di produzione a Samarcanda. Stracci di canapa e lino divengono la materia prima della carta araba, stracci che spesso sono strappati alle mummie ritrovate nelle tombe in Egitto. Nel 794-795 a Baghdad nasce una cartiera, seguono le cartiere di Damasco, Tiberiade e Tripoli. Materiale cellulosico 21 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Verso la fine dell'VIII sec. la carta compare in Egitto. La Valle del Nilo e la Siria si specializzano nella produzione di una carta di canapa e lino, più fine di quella di Samarcanda. Fra il X e il XII sec. la produzione della carta si sviluppa nell'Africa settentrionale, durante il regno della dinastia Fatimita (909-1171) che estende il proprio dominio dalla Tunisia in Egitto, in Palestina, nel Maghreb ed infine in Sicilia. La città santa di Kairouan diviene un importante centro cartario. Intorno all'anno Mille, in Andalusia, fioriscono nuovi centri di fabbricazione. Nascono cartiere a Cordoba, a Cadice, a Siviglia ed in Castiglia. Ad opera di cartai ebrei, espulsi da Cordoba e rifugiati in Catalogna, si diffuse nella Francia meridionale. Nel X sec. la Sicilia diventa un centro nevralgico del commercio della carta e nel XIII sec., per impulso dell'imperatore Federico II, Palermo diviene un importante centro di produzione. Per questa via la carta siciliana inizia la sua inarrestabile risalita verso l'Italia settentrionale, e l'Europa. 22 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI La carta fu realizzata usando il libro del gelso e di altri vegetali. Una volta raschiata la corteccia, il legno veniva ridotto a fettucce, cotto con acqua e calce. La pasta ottenuta, dopo il lavaggio in acqua, veniva sottoposta a battitura per separare bene le fibre. Da questa pasta si otteneva un foglio che veniva poi pressato e asciugato all'aria. Più tardi, verso l’anno Mille, si cominciò ad usare anche la canna di bambù. 23 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Caratteristiche della carta Caratteristiche meccaniche 1. resistenza alla trazione (tensione applicata agli estremi) 2. resistenza allo strappo (capacità di opporsi alla rottura per lacerazione nei due sensi) 3. resistenza alla piegatura (capacità di resistere alla spiegazzatura localizzata). Caratteristiche fisiche 1. grammatura (peso della carta espresso in grammi/mq); 2. spessore (espresso in mm e misurato con appositi micrometri); 3. impermeabilità; 4. rigidità; 5. levigatezza. Caratteristiche estetiche 1. grado di pulizia (qualità di impurità sulla carta: nodini, punti colorati, schegge, macchie...): 2. spera (aspetto che presenta la carta vista in trasparenza). 24 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Si chiama "carta" un foglio di natura igroscopica costituito generalmente da fibre vegetali, ottenuto mediante la "feltrazione” di esse. Questo feltro "può” contenere altre sostanze che vengono aggiunte al fine di impartire ad esso determinate caratteristiche:  sostanze di carica  collanti  pigmenti  coloranti. La carta al microscopio mostra un intreccio di elementi lunghi e sottili chiamati fibre. Le fibre delle carte antiche sono costituite principalmente da cellulosa, quelle delle carte moderne anche da emicellulosa e lignina. 25 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Le fibre per diventare carta devono feltrare, cioè intrecciarsi e saldarsi tra loro formando un feltro con proprietà di resistenza meccanica. Il foglio asciutto così ottenuto ha già una sua peculiare consistenza: un feltro di carta, le cui fibre stanno insieme da sole senza bisogno di aggiungere collanti, che banalmente può essere definito carta assorbente. Tutte le materie fibrose per essere trasformate in carta devono essere opportunamente lavorate e mescolate con le sostanze denominate ausiliarie (o materie prime non fibrose); queste conferiscono alla carta determinate caratteristiche desiderabili. I prodotti ausiliari si distinguono in sostanze di carica e sostanze collanti. 26 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI 27 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Le sostanze di carica Le sostanze di carica riempiendo gli spazi compresi tra le fibre consentono di ottenere una superficie chiusa e piana. Le sostanze adoperate più comunemente sono carbonati (carbonato di bario, di calcio e di magnesio); ossidi (biossido di piombo/titanio); silicati (asbestina, bentonite, caolino e talco); solfati (solfato di bario e di calcio) e solfuri (solfuro di zinco). I principali vantaggi : ►migliore ricettività dell'inchiostro ►migliore lisciatura ►maggior grado di bianco (le sostanze impiegate sono generalmente bianche) ►favoriscono la formazione del foglio Si fa inoltre aggiunta di sostanze minerali di carica per conseguire determinati risultati in carte speciali. Ad esempio, l'aggiunta di opportune sostanze alla carta da sigarette permette di regolare il tempo di combustione della carta su quello del tabacco. 28 ENRICO GRECO, PHD  MATERIALI CELLULOSICI Le principali sostanze collanti sono: ► le resine, ► l'amido, ► la caseina, ► le cere, ► le resine sintetiche ► ecc. Il collaggio che si ottiene con l'impiego di tali prodotti conferisce alla carta una impermeabilità ai liquidi ed agli inchiostri (rendendola così scrivibile). 29 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE CONSERVATIVE Il legno è un materiale organico e pertanto è soggetto a degrado chimico e biologico. Fattori ambientali quali umidità, temperatura e pH alterano la composizione chimica ed il rapporto tra i costituenti. I legni disidratati presentano fragilità e necessitano di materiali adatti per il recupero ed il trattamento conservativo. I manufatti in legno, quali esempi notissimi sono i relitti navali storici, possono in particolari condizioni preservarsi per lungo tempo nell'ambiente sommerso.  Temperatura abbastanza bassa da rallentare i naturali processi degradativi  Ambiente povero di ossigeno. 30 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE CONSERVATIVE Nave Vasa XVII sec. Museo di Stoccolma 31 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE CONSERVATIVE I legni che hanno subito un forte degrado nella struttura della parete cellulare se esposti all'aria dopo il recupero presentano il collasso della parete. È necessario salvaguardare il legno in un ambiente con opportuna umidità. Nel caso di legni bagnati si deve eliminare l'acqua, consolidando e stabilizzando il materiale in modo da restituirgli le caratteristiche meccaniche originarie. 32 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE CONSERVATIVE A causa della permanenza prolungata in ambiente acquoso, i legni imbibiti, oltre alla perdita pressoché totale di cellulosa, emicellulosa e delle sostanze estrattive solubili, presentano un degrado parziale e alterazioni strutturali della lignina. Il deterioramento delle pareti cellulari è irreversibile  eliminazione, a seguito del fenomeno di diffusione, dei prodotti solubili in acqua (sali, zuccheri, tannini, amidi ecc.),  idrolisi delle emicellulose meno stabili (pentosani) quelle più stabili (galattani, poliuronidi) si degradano solo se attaccate da organismi specifici. I legni bagnati o imbibiti si caratterizzano per un più elevato contenuto di lignina, per un minor contenuto di polisaccaridi e al contempo per la presenza di sostanze estranee al legno, depositate dall'acqua. Essi si presentano come una massa tenera completamente disorganizzata, comprimibile con le dita. 33 ENRICO GRECO, PHD  TECNICHE CONSERVATIVE Trattamenti conservativi dei legni bagnati hanno come finalità quella di rafforzare le pareti cellulari e di sostituire l'acqua presente nel legno con sostanze che diminuiscano latensione e la pressione esercitata sulle pareti cellulari. L'ispessimento delle pareti cellulari avviene tramite la sostituzione dell'acqua con una sostanza inerte. A questo scopo vengono usate sostanze impregnanti (in genere polimeri preformati) per riempire la porosità del legno degradato. Tra i numerosi agenti utilizzati vi sono: il polietilenglicole, miscele di polietilenglicole e polipropilenglicoli, miscele di zuccheri, allume, etc. 34 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO L'invecchiamento e il degrado dei materiali d'archivio (carta, pergamena, inchiostri, pelli, etc.) sono fenomeni naturali e irreversibili. Possono essere rallentati – prolungando la vita dei documenti - creando il miglior "ambiente" di conservazione possibile. La carta è composta prevalentemente da cellulosa, cui si aggiungono collanti (che la rendono meno feltrosa e più adatta a ricevere l'inchiostro) e materiali minerali di carica (che le conferiscono consistenza e maggiore opacità). Nel tempo la materia prima (seta, stracci di lino, canapa e cotone) divenne sempre più rara e costosa. Si cominciarono così ad usare dapprima stracci colorati sbiancati con cloro (fine '700) e poi pasta di legno (metà '800). In tal modo entrarono nella carta componenti acidi e lignina, che costituiscono elementi di degrado. 35 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO Carta XVI sec. pura cellulosa Carta XIX-XX sec. con lignina 36 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO Fattori di degrado chimico-fisici esterni. La temperatura e l'umidità ed i loro sbalzi (giorno/notte) accelerano il processo di ossidazione della carta e degli inchiostri, favoriscono lo sviluppo di muffe, e agiscono negativamente sui collanti e sulle pelli. La luce provoca la sbiadimento dei colori (degli inchiostri) e l'infragilimento dei supporti. L'uso stesso dei documenti ne accelera il degrado meccanico, specie se condotto senza i dovuti accorgimenti. A tutto questo si aggiungono gli eventi eccezionali: inondazioni, terremoti, incendi e cosi via. L'alluvione di Firenze del 1966, con gli ingenti danni arrecati al patrimonio archivistico e librario, segna in pratica l'inizio della cultura del restauro cartaceo in Italia. 37 ENRICO GRECO, PHD  ALLUVIONE DI FIRENZE, 1966 38 ENRICO GRECO, PHD  ALLUVIONE DI FIRENZE, 1966 Biblioteca Nazionale Centrale, Firenze 1966 39 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO Fattori di degrado di origine biologica. Gli ambienti poco adatti alla conservazione di beni archivistici, con scarsa ventilazione, inadatta illuminazione, valori termoigrometrici impropri, difese esterne insufficienti, favoriscono gli agenti di degrado biologici. Funghi e muffe possono proliferare tra i muri, gli scaffali, i documenti e i libri. 40 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO Fattori di degrado di origine biologica. Insetti (blatte, pesciolini d'argento, tarli e termiti) possono insediarsi nei depositi d'archivio cibandosi di carta, pergamena, legno (legature, scaffalature) e pelli. Non dimentichiamo, infine, i roditori, anche se oggi appartengono più alle espressioni idiomatiche e ai luoghi comuni archivistico-bibliotecari, che non alla realtà degli Istituti. 41 ENRICO GRECO, PHD  INVECCHIAMENTO E DEGRADO Fattori di degrado di origine biologica. l pesciolino d'argento (Lepisma saccharina Linnaeus, 1758) è un insetto lucifugo, veloce e privo di ali; è sinantropico, ovvero lo si trova nelle abitazioni umane, ed è molto diffuso. Il nome scientifico è legato al fatto che questo insetto si nutre di carboidrati. Il cibo preferito del pesciolino d'argento sono le sostanze che contengono amido o polisaccaridi come la destrina usata negli adesivi: colla, legature dei libri, foto, francobolli, zucchero, capelli, forfora, polvere, cotone, lino, seta, insetti morti. In caso non trovi altro cibo, il pesciolino d'argento può arrivare a rovinare capi in pelle (cinture, scarpe) o indumenti in fibra sintetica. Può restare senza cibo per mesi. 42 ENRICO GRECO, PHD  CONTRASTO DELLA LEPISMA SACCHARINA Gocce di olio essenziale di menta piperita, citronella, o soluzioni a base di ammoniaca nei punti critici. Fogli, libri e raccoglitori – inserimento di alcune foglie (da sostituirle ogni 6 mesi circa) di ► alloro; ► foglie di ginkgo biloba; ► infiorescenze della lavanda. Esche ► miscele 1:1 di borace e zucchero; ► intonaco spruzzato su uno strofinaccio bianco umido lasciato per tutta la notte; ► una patata grattugiata. 43 ENRICO GRECO, PHD  CONTRASTO DELLA LEPISMA SACCHARINA  Gli oli essenziali sono ampiamente utilizzati come fonte di composti per la profumeria (citronella, citronellolo, geraniolo nella produzione di saponi, profumi, cosmetici ed aromi).  L'olio di citronella è uno degli oli essenziali ottenuti dalle foglie e dagli steli di alcune specie di Cymbopogon.  L'olio di citronella è un repellente per insetti (bio-pesticida) ed ha forti proprietà fungicide. 44 ENRICO GRECO, PHD