Πειραματικές και θεωρητικές μελέτες για την ανάπτυξη πράσινων διεργασιών στη συντήρηση υφάσματος μέσω της τεχνολογίας των υπερκρίσιμων ρευστών, των νανοδομημένων υμενίων και μεθόδων πρόβλεψης διαλυτότητας

Abstract

Three green processes have been developed that serve the purposes of textile conservation. An innovative green method for textile cleaning, based on supercritical carbon dioxide (scCO2) as solvent and an aqueous suspension as co-solvent (calcium oxide suspension in water) is proposed. Calcium hydroxide reacts with carbon dioxide to give CaCO3. These particles, deposited on the soiled textile, stabilize locally a CO2-in-water (C/W, Pickering) emulsions. The optimal operational pressure is 150bar at 40ο C while the proposed Ca(OH)2 concentration is 5% w/w. The cleaning efficiencies reported on olive rabbit skin glue and beetroot paste are 97%, 99% and 97% respectively. The process has been successfully applied on textiles infected with Aspergillus Niger fungi. No chemical disinfectants are used nor required. The cleaning protocol was also applied in artificially aged samples. Soiled and non-soiled samples were exposed to a forced convection oven at 140οC for 90 and 180h, which correspond to natural ageing of silk for 250 and 500 years respectively. The analysis of the samples verified the success of the ageing protocol. The supercritical CO2 cleaning protocol was then applied on the aged samples. In addition, an intervention in the field of textile conservation is performed with the prediction of dye solubility via the theory of the Partial Solvation Parameters (PSPs). The PSPs of 75 natural dyes have been calculated, as well as the solubilities of natural dyes in 80 organic solvents. The received results where compared to well known predictive models such as the Abraham model and the QSPR model. The calculations indicate that the PSP model is successful in predicting the solubiliies of complex organic molecules. The acquired data could be exploited in several ways either for research purposes or even commercially, for the development of new materials. Serving the purposes of preventive conservation, a waterborne thin film was produced in order to protect the textile artefact. A water-soluble siloxane emulsion enriched with silica nanoparticles (7 nm) is sprayed on silk, without the use of any organic solvent. By adjusting the nanoparticle concentration, treated silk obtains superhydrophobic and superoleophobic properties. High static contact angles of water and oil droplets (> 150o) are evidence of this behaviour. In addition, the fabric acquires water and oil repellent properties, as supported by the corresponding low tilt contact angles (< 7o). The possibility of removing the protective coating via supercritical carbon dioxide has been examined and a 100% removal of the coating was achieved. All processes and methodologies developed in this thesis have three things in common, they are innovative, environmentally friendly and are especially designed for the artefact and textile conservation.

Αναπτύχθηκαν τρεις πράσινες διεργασίες με σκοπό την κάλυψη των αναγκών της συντήρησης του υφάσματος. Αρχικά αναπτύχθηκε μια μέθοδος καθαρισμού με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα και υδατική διασπορά Ca(OH)2. To Ca(OH)2 στη συνέχεια εκτίθεται στο υπερκρίσιμο CO2 όπου και παράγονται σωματίδια CaCO3 τα οποία σχηματίζουν γαλάκτωμα Pickering με το CO2 και με το νερό. Το παραγόμενο σύστημα συντελεί στην αφαίρεση των ρύπων. Ο καθαρισμός πραγματοποιείται στα 150bar στους 40ο C με βέλιστη συγκέντρωση Ca(OH)2 στο 5% w/w. Η απομάκρυνση των ρύπων προσεγγίζει το 97% για το ελαιόλαδο, 99% για την κουνελόκολλα και 97% για την αφαίρεση πάστας από παντζάρι. Στις ίδιες συνθήκες πραγματοποιείται και η απολύμανση του υφάσματος με αφαίρεση μυκήτων της οικογένειας του Aspergillus Niger. Το πρωτόκολλο του καθαρισμού εφαρμόστηκε με επιτυχία και σε γηρασμένα υφάσματα, τα οποία υποβλήθηκαν σε τεχνητή θερμική γήρανση στους 140οC για 90 και 180h γήρανσης. Επόμενη παρέμβαση στη συντήρης του υφάσματος έγινε με την εφαρμογή της θεωρίας των Μερικών Παραμέτρων Διαλυτότητας (PSPs). Πραγματοποιήθηκαν οι υπολογισμοί των PSPs 75 οργανικών χρωστικών και υπολογίστηκαν οι διαλυτότητες 10 οργανικών χρωστικών σε 80 οργανικούς διαλύτες. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με γνωστά μοντέλα πρόβλεψης διαλυτότητας όπως το μοντέλο του Abraham καθώς και το μοντέλο της QSPR. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μοντέλο των PSPs μπορεί να προβλέψει με επιτυχία τη διαλυτότητα οργανικών χρωστικών, και να χρησιμοποιηθεί ως μέσο για την ανάπτυξη νέων υλικών συντήρησης και νέων διαλυτών. Τέλος, εξυπηρετώντας τους σκοπούς της προληπτικής συντήρησης, αναπτύχθηκαν προστατευτικά υμένια για το ύφασμα, με τη χρήση υδατοδιαλυτού μίγματος ολιγομερών και νανοσωματιδίων SiO2 (7nm). Ρυθμίζοντας τη συγκέντρωση των νανοσωματιδίων, το ύφασμα καθίσταται υπερυδρόφοβο, υπερελαιόφοβο και τελικά αυτοκαθαριζόμενο. Οι υψηλές στατικες γωνίες επαφής για το νερό και για το λάδι (> 150o) και οι χαμηλές γωνίες υπόκλίση (< 7o) αποδεικνύουν την υδατοαπωθητικές και ελαιοαπωθητικές ιδιότητες του υφάσματος. Επιπρόσθετα κατέστη δυνατή η πλήρης απομάκρυνση του προστατευτικού υμενίου με τη χρήση υγρού ή υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα. Όλες οι διεργασίες οι οποίες αναπτύχθηκαν είναι καινοτόμες, φιλικές προς το περιβάλλον και μπορούν μα ασφάλεια να εφαρμοστούν στα ευαίσθητα υφάσματα πολιτιστικής κληρονομιάς.