3/3 Chimica & ricerca - Una questione di temperature

30/06/05

  Una delle esperienze che ci permette di toccare con mano la variazione delle proprietà delle plastiche con il passare degli anni è la rottura delle sottili lamine verde pallido delle tapparelle. Dopo anni di esposizione alle radiazioni solari (sono nate per questo scopo!), le Iamelle si infragiliscono al punto tale che una minima flessione causa la loro rottura.
Potrebbe essere logico pensare ad un fenomeno di cross-linking, oppure ad una depolimerizzazione ossidativa, ma la realtà è molto più semplice: il polimero che le costituisce è fragile in partenza, ed è stato elasticizzato con un plastificante, che un poco alla volta è evaporato.
Il plastificante abbassa la Tg (temperatura di transizione vetrosa) in modo tale che questa è, inizialmente, sotto alla temperatura ambiente e quindi la plastica resiste alle sollecitazioni meccaniche (è effettivamente un materiale plastico!).
Ma via via che il plastificante evapora, la Tg sale al di sopra della temperatura ambiente, il materiale diviene sempre più vetroso, rigido e incapace di assecondare le sollecitazioni meccaniche, e si spezza. In generale i plastificanti sono sostanze con una velocità di evaporazione molto bassa, che però non è zero. Di conseguenza, lentamente, si disperdono nell’ambiente lasciando dietro di loro un materiale sempre meno plastico.

Parlando di plastificanti, e di additivi in generale, ci immaginiamo dei materiali aggiunti in piccola percentuale ad una massa di resina che resta però quantitativamente predominante. Attenzione! Il PVC può contenere una quantità di ftalati (la classe più comune di plastificanti), anche per il 50% in peso! E, in generale, nei moderni materiali plastici gli additivi possono aggirarsi attorno al 40% in peso. Tra i materiali plastici più problematici per la conservazione troviamo la gomma naturale (che non contiene plastificanti, essendo elastica già di suo), il PVC, il poliuretano, l’acetato di cellulosa e il nitrato di cellulosa.

Queste considerazioni sono fondamentali per il campo che ci interessa, quello della conservazione delle opere d’arte realizzate con materiali plastici, ma anche degli oggetti di uso comune divenuti affettivamente importanti, vuoi come ricordi dei tempi che furono, vuoi come pezzi da collezione, in altre parole di una discreta porzione del “modernariato”.
 Si aggiunga una componente non meno importante, quella dei supporti su materiali plastici (come il vinile o le lastre fotografiche) di molti archivi multimediali.
Si presentano quindi due problemi, uno di ordine conservativo, l’altro di restauro: nel secondo caso, che affronteremo in futuro, dobbiamo affrontare l’irreversibilità del processo di evaporazione del plastificante.

Ma dal punto di vista conservativo, se il problema è l’evaporazione di un componente (il plastificante), evaporazione direttamente proporzionale alla temperatura, una soluzione immediata potrebbe essere la conservazione a basse temperature.
E questo rallenterebbe anche le altre reazioni di degrado, come l’idrolisi e l’ossidazione.
La semplice relazione di Arrhenius ci dice che la velocità di una reazione chimica (quindi anche una ossidazione di un materiale plastico), raddoppia all’aumentare della temperatura di 10°C.
I primi studi sulla conservazione della plastica avevano individuato come valori ottimali per la temperatura 10°C, mentre la norma italiana di riferimento, la UNI 10829:1999, consiglia per le materie plastiche in generale e le fibre sintetiche una temperatura compresa tra 19 e 24°C. Solo per i dischi fonografici si scende a 10-21°C e per film e fotografie a 0-15°C.
Parallelamente alle basse temperature la solita norma UNI consiglia anche una ridotta umidità relativa, dal 30 al 50%, che può salire al 60% per le fibre sintetiche.
L’umidità relativa del 30% è anche il livello di umidità relativa individuata dai conservatori di Open Care, la società milanese che si occupa di conservazione di opere d’arte, e nei cui caveau trovano posto molte opere di arte contemporanea.
Più recentemente sono state proposte temperature più basse: una estrapolazione matematica basata su un modello più complesso ha individuato in un fattore 15 la riduzione del degrado portando una plastica da Tambiente a -30°C.
Con il variare delle temperature si hanno però anche delle variazioni fisiche,che possono essere reversibili o irreversibili, secondo il seguente schema.

In particolare i materiali possono, variando dimensionalmente con la temperatura, subire danni irreversibili se la plastica è legata ad altri materiali, più resistenti, che si muovono meno. Infatti i materiali termoplastici hanno alti coefficienti di dilatazione (i termoindurenti come le epossidiche ed i poliesteri sono meno influenzati), e bassa conducibilità termica, così che un oggetto posto in un freezer si contrarrà molto in superficie, mentre il suo interno non si sarà ancora contratto granché.
Questo causerà uno stress sulla superficie con possibile formazione di microfratture, e conseguente opacizzazione.
L’opacizzazione dei materiali plastici è spesso associata alla formazione di microfratture, che causano diffusione della luce.

Ma il fenomeno più preoccupante con l’eccessiva riduzione della temperatura è la formazione, da parte delle catene del polimero, di zone ordinate, fenomeno che viene infatti chiamato cristallizzazione, e la conseguente espulsione del plastificante, incapace di posizionarsi in queste nuove aree cristalline. Si ha una vera è propria essudazione del plastificante verso la superficie.


 È quindi evidente che se da un lato il raffreddamento è salutare per alcune proprietà, scendere a temperature troppo basse può causare danni su altri fronti.
Ma quanto basse?
A questa domanda ha dato una risposta una ricercatrice del National Museum of Danmark, Yvonne Shashoua, che ha sottoposto due tipi di plastica (PVC e acetato di cellulosa) a temperature di +70, +20 e -30°C.
Il PVC era in realtà di due composizioni diverse, contenendo in un caso il 33% e nell’altro il 44% di plastificante. L’acetato di cellulosa era la base di una pellicola cinematografica su cui era distribuita della gelatina, sulla quale è impressa l’immagine.
Se per entrambi i campioni di PVC il raffreddamento risultava salutare sul fronte della perdita del plastificante, poteva essere osservata la formazione sulla superficie di piccoli buchi, formatisi per la migrazione dello stesso plastificante, spinto fuori dalla massa di polimero mano a mano che la cristallinità aumentava. Questo fenomeno si osservava, sebbene in misura ridotta, anche ad una temperatura di -20°C.
Possiamo quindi supporre che la temperatura ottimale di conservazione sia in questo caso ben superiore ai -20°C, forse vicina allo 0°C.
Invece per l’acetato di cellulosa un brusco raffreddamento (15 minuti da +10°C a -30°C), comportava il distacco dello strato di gelatina, non riscontrabile dilatando l’intervallo ad un’ora. Questo fenomeno è correlato quelle variazioni dimensionali reversibili citate all’inizio, legate non solo alla temperatura, ma in questo caso anche alla umidità relativa. Infalli la gelatina, all’abbassarsi del valore di RH%, si ritira sensibilmente, molto di più di quanto non faccia l’acetato. In quanto reversibili queste variazioni dimensionali non sono negative di per sé: diventano però problematiche se il materiale è un composito, legato ad un altro materiale con coefficiente di dilatazione molto diverso. Questo secondo materiale (nel nostro caso il supporto di acetato di cellulosa), più resistente, eserciterà allora sul materiale più sensibile e debole (la gelatina), una vera e propria azione meccanica.
Per una situazione di elevata sensibilità all’umidità come quella del materiale fotografico, si dovrebbe ridurre RH% di 3-4 punti ogni 10°C di riduzione della temperatura.
Infatti con elevate RH% la gelatina vede abbassarsi progressivamente la propria Tg, fino a subire una transizione a gel se la Tg scende sotto la temperatura ambiente. In stato di gel il deterioramento della gelatina non è più solo chimico-fisico, ma può innescarsi un attacco microbiologico. Quindi, considerata una temperatura ambiente di 20°C, RH% non dovrà superare il 60%, mentre a -25°C non si dovrà oltrepassare il 40%.
Particolare attenzione alle condizioni di RH% dovrà essere posta al momento di trasferire gli oggetti dalle aree fredde di immagazzinamento, ad aree più calde, per ispezioni, restauri, studio, ecc...
Infatti, come accade per una lattina di birra estratta dal frigorifero, sulle superfici fredde può formarsi della condensa, che può risultare devastante per le gelatine fotografiche.

Il controllo dei valori di temperatura ed umidità in ambienti confinati (come cassettiere o frigoriferi), potrà essere effettuato con i sensori HOBO H8/3, e risulteranno particolarmente utili per il mantenimento dell’umidità relativa le confezioni, in cassette o fogli, di Art-Sorb.  


    Per saperne di più:
  • Blank S.; “An introduction to plastics and rubbers in collections”, Studies in Conservation 35 (1990), 53-63.
  • Shasoua Y.; “Modern plastics: do they suffer from the cold?” IIC Preprints, Bilbao (2004), 91-95.
  • McCormick-Goodhart M.H. “The allowable temperature and relative humidity range for the safe use and storage of photographic materials”; Journal of the Society of Archivists, Vol.17, n°1, (1996).
-
-
-