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16.1 Chimica & Ricerca - La soluzione nello scambio

16.1 Chimica & Ricerca - La soluzione nello scambio

30/09/08

La soluzione nello scambio

Un recentissimo articolo pubblicato sulla rivista Applied Physics [1] descrive l’approfondito studio che è stato condotto da un team di ricercatori del CNR-Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati di Palermo e Roma e dell’Università degli Studi di Catania, sugli effetti di alcuni prodotti utilizzati nella rimozione delle incrostazioni calcaree da manufatti ceramici.
Gli oggetti presi in esame rappresentavano una ampia tipologia di ceramiche archeologiche provenienti da vari siti italiani, dalle ceramiche campane del IV-I secolo a.C., a vasi romani in Terra sigillata (I secolo a.C. – IV secolo d.C.), fino alle ceramiche medievali di Caltagirone del XII-XVII secolo.
Anche la tipologia di superfici copriva le varie casistiche, dalle invetriature campane nere, a quelle rosse romane, fino alle protomaioliche a base di piombo.

La prima parte dello studio, volta a determinare la composizione delle incrostazioni, ha appurato che nella multiforme casistica, tutte le incrostazioni sono riconducibili alla calcite (CaCO3 - carbonato di calcio), che va a depositarsi nelle irregolarità delle superfici che si formano dopo un primo processo di erosione. Si osserva anche una ridotta presenza di quarzo (SiO2), e raramente vengono riscontrati altri componenti come solfato di calcio, ossidi di ferro e manganese.
La conclusione è che tutte le incrostazioni possono essere rimosse operando sul carbonato di calcio.
Una volta esclusa la possibilità di intervenire con agenti chimici (acidi, oppure complessanti come l’EDTA), che possano penetrare al di sotto dell’incrostazione, e quindi attaccare sia la superficie decorata che la struttura ceramica, rimane l’opzione delle resine a scambio ionico di tipo cationico, come l’Amberlite IR 120 H.

Questa è una resina cationica forte, che opera lo scambio bloccando i cationi (nel nostro caso Ca2+) e rilasciando idrogenioni H+:

[Resina -SO3- H+ ] + Cat+ ? [Resina -SO3- Cat+ ] + H+

Dove con Resina si intende un copolimero stirene/DVB (divinilbenzene), sulla cui struttura sono innestati i gruppi scambiatori veri e propri, -SO3-.
Lo ione H+ reagisce poi con il carbonato: si forma un intermedio instabile, l’acido carbonico, che evolve verso i sottoprodotti di reazione, acqua e anidride carbonica, che evaporano:

CO32- + 2H+ ? [H2CO3] ? H2O + CO2

La reazione risulta così complessivamente neutra, senza acidità “libera”.
Come è noto il funzionamento delle resine a scambio ionico è legato alla presenza dell’acqua, che fa da “veicolo” degli ioni: appena la resina si asciuga, il trasporto si interrompe.
Per questo tutte le prove sono state condotte in ambienti sigillati, con il 100% di umidità relativa, in modo da escludere variabili come l’ambiente esterno, la ventilazione, ecc….
Inoltre, dato che la temperatura è direttamente correlata al movimento delle particelle, sono state effettuate misure a 20, 30, 40, 50 e 60 °C, variando infine anche i tempi di contatto, da 12 a 72 ore.
I risultati forniscono al restauratore utilissime indicazioni operative, riassunte nella tabella sottostante, che permettono di ottimizzare le procedure senza perdite di tempo ed evitando di ricorrere a prove empiriche

Temperatura       
Quella ottimale è 30°C, ed è assolutamente inutile riscaldare ulteriormente.
Tempo di contatto* 
Nel caso specifico sono ottimali le 24 ore, ed a tempi superiori i risultati sono invariati.
Umidità
RH = 100%. L’impacco perde efficacia una volta asciugatosi.


* Nel caso di incrostazioni più sottili, o addirittura di scialbi e velature, i tempi di contatto sono molto più brevi. In particolare su materiali che possono essere aggrediti dal fenomeno di scambio, come pitture murali, materiali lapidei,.... è necessario valutarne gli effetti con tempi brevi, anche di pochi minuti.

Vogliamo far presente che operativamente il mantenimento dell’umidità necessaria può essere ottenuto con l’aggiunta di un supportante idrofilo (polpa di cellulosa, sepiolite...) in miscela con la resina, ma non dimentichiamo che le resine agiscono soprattutto col primo strato a contatto del manufatto. Il rimanente spessore dello strato di resina funziona solo da supporto per l’acqua.
‘Tagliare’ le resine con supportanti vari significa sottrarre una percentuale importante di ‘siti attivi’ della resina dall’interfaccia con la superficie da trattare, e quindi diminuirne l’efficacia di scambio.
La presenza costante di acqua può esser garantita con un altro accorgimento, ossia stendendo un primo sottile strato di Amberlite IR 120 H, e sullo strato di resina a scambio un secondo strato di polpa di cellulosa e acqua distillata.
Questo procedimento consente inoltre un notevole risparmio se si sta operando su grandi superfici.
In casi estremi (alte temperature, forte ventilazione), può rendersi necessaria l’applicazione di una pellicola di polietilene o di alluminio.

Sono state infine condotte analisi SEM-EDS di due diverse decorazioni, una di color rosso corallo di un frammento di Terra sigillata, l’altra di una invetriatura a piombo di una ceramica di Caltagirone del XII secolo. Prima e dopo la rimozione delle incrostazioni non si hanno variazioni nelle composizioni delle decorazioni, quindi il metodo di pulitura è assolutamente rispettoso delle zone più delicate e preziose dei reperti, le più soggette a rischio nel corso di puliture meccaniche.
Proprio il confronto con reperti puliti meccanicamente ha dimostrato che quantità significative di depositi carbonatici permangono nelle zone meno accessibili, specie se i frammenti sono in cattive condizioni di conservazione.
Ancor una volta la ricerca scientifica viene a chiarire alcuni parametri che rischierebbero di rimanere frutto di una intuizione o ottenibili solo a seguito di una lunga serie di prove su cantiere.

Per saperne di più

Casaletto M.P., Ingo G.M., Riccucci C., De Caro T., Bultrini G., Fragalà I., Leoni M. “Chemical cleaning of encrustations on archaeological ceramic artefacts found in different Italian sites” Applied Physics A 92, 35-42 (2008)

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