RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Il consolidamento sostenibile del legno bagnato: nuovi approcci di impregnazione e polimerizzazione a basso impatto ambientale

Università di riferimento

Università di PISA - CHIMICA E CHIMICA INDUSTRIALE - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Maria Perla COLOMBINI

Descrizione

L'attività di ricerca svolta dalla unità di ricerca di Pisa nell'ambito del progetto nazionale "Il consolidamento sostenibile del legno bagnato: nuovi metodi di impregnazione e polimerizzazione a basso impatto ambientale" sarà finalizzata a
- investigare le potenzialità di tecniche analitiche basate su spettrometria di massa quali pirolisi accoppiata a gas cromatografia spettrometria di massa nella caratterizzazione di legno bagnato degradato, ed in particolare di legno archeologico ;
- contribuire, mediante le metodiche analitiche selezionate ed ottimizzate, allo sviluppo di metodiche innovative per il consolidamento del legno degradato in collaborazione con le altre unità operative, mediante la valutazione dello stato di conservazione del legno nonché dell'efficacia e della curabilità dei metodi conservativi proposti;
- contribuire alla valutazione del rischio ambientale e sanitario dei metodi di consolidamento sviluppati nel corso del progetto, mediante selezione, ottimizzazione ed applicazione di opportune metodologie di monitoraggio ambientale finalizzate alla determinazione delle sostanze volatili che provengono dai processi per il consolidamento/impregnazione e che possono risultare fattori di rischio per la salute degli operatori.
Per quanto riguarda la caratterizzazione di legno e lignina prima e dopo il consolidamento, un aspetto fondamentale riguarderà l'applicazione di nuovi approcci di analisi basati sull'impiego di tecniche pirolitiche interfacciate con GC-MS. Infatti, come evidenziato nella sezione relativa alla Base di Partenza scientifica, la pirolisi analitica si è dimostrata un metodo estremamente efficace per l'analisi di biopolimeri complessi quali i polimeri lignocellulosici, ma nonostante questo non sono disponibili finora in letteratura applicazioni della pirolisi a legno archeologico. Riteniamo che metodi di indagine utilizzati nel settore dell'industria e nella caratterizzazione del legno non degradato siano di estremo interesse per una applicazione alla conservazione dei manufatti lignei nel settore dei beni culturali, e la ricerca proposta è diretta a verificare questa ipotesi.
Lo studio chimico delle modificazioni indotte nella lignina da vari agenti di degrado e di quelle che sono avvenute in legni archeologici, storici, e rinvenuti in ambienti acquatici permetterà di contribuire non solo allo studio del biodegrado dei materiali lignocellulosici, ma anche allo sviluppo di adeguati metodi di consolidamento e conservazione. A tale scopo verranno utilizzati campioni di materiale ligneo archeologico forniti dalla Sovrintendenza Archeologica della Toscana e dall'Istituto di Studi Marittimi dell'Università di Haifa (Israele), che partecipano all'unità di ricerca come partecipanti esterni. Campioni analoghi verranno utilizzati dalle altre unità operative per testare le procedure di consolidamento.
Tale studio sarà basato sull'esperienza acquisita nel programma PRIN 2003 che ha riguardato lo studio di diverse specie lignee (abete, pioppo, castagno, rovere, tiglio) fresche e sottoposte ad invecchiamento accelerato sia prima che dopo avere subito trattamenti consolidanti e/o impregnanti, effettuando la caratterizzazione degli estrattivi organici del legno mediante GC-MS e HTGC-MS. Nell'ultima fase del programma, misure preliminari mediante Py/GC/MS di campioni di legno e lignina hanno effettivamente mostrato che tale tecnica può fornire informazioni sulla struttura della lignina in legni archeologici degradati. In particolare l'uso di opportuni reagenti per la derivatizzazione in situ termicamente assistita dei prodotti di pirolisi contenenti gruppi acidi (carbossilici e fenolici) rappresenta un interessante sviluppo della tecnica. Nelle applicazioni a legno e lignina, la metilazione pirolitica classica non appare l'approccio di derivatizzazione ottimale in quanto la metilazione delle funzioni idrossiliche, ed in particolare di quelle fenoliche, rende queste funzioni indistinguibili dai gruppi metossilici originariamente presenti sugli anelli aromatici della macromolecola. La differenziazione tra gruppi fenolici e gruppi metossilici sembra essere di fondamentale importanza nello studio della struttura chimica della lignina e soprattutto negli studi sui processi degradativi della lignina, in quanto le diverse lignine sono spesso classificate in base al contenuto relativo di unita aromatiche con più o meno gruppi metossilici e fenolici, e tra le alterazioni chimiche che coinvolgono la lignina nel corso della diagenesi si hanno demetilazione e demetossilazione. Per questo motivo è di particolare interesse investigare le potenzialità di altri agenti derivatizzanti da utilizzare in accoppiamento con la pirolisi come gli agenti sililanti.
Verrà quindi effettuato un confronto tra i diversi derivatizzanti finora applicati allo studio del legno (TMAH, TBAH, BSTFA) in maniera da individuare le condizioni ottimali per il legno archeologico e soprattutto verrà investigata la silanizzazione in situ medianti reagenti quale l'esametildisilazano, che ha mostrato interessanti potenzialità nelle applicazioni ad altre sostanze naturali quali resine terpeniche [10 ,11 ] ma non è stato finora testato sul legno.
Va sottolineato che le indagini sulle potenzialità di nuovi approcci analitici devono essere effettuate non solo su legno e lignina, la cui struttura è particolarmente complessa, ma preliminarmente su composti di sintesi a struttura nota e più semplice, da utilizzare come composti modello per la lignina. Tra i composti modello utilizzati in letteratura a questo scopo ci sono sia dimeri (es. difenilmetani e stilbeni opportunamente sostituiti o dimeri del tipo 5-5' come deidrocreosolo e deidrometilveratrolo [12 ]) che polimeri (come il polimero di deidrogenazione ottenuto mediante polimerizzazione dell'alcool coniferilico, che può essere considerato un equivalente sintetico della lignina [13 ]).
Un aspetto di estremo interesse dell'utilizzo di tecniche basate su pirolisi è che applicate al legno consolidato mediante polimerizzazione in situ oppure impregnato con polimeri, forniscono informazioni anche sulla struttura del polimero impregnante. Queste tecniche di pirolisi saranno utilizzate non solo per caratterizzare il legno, ma anche i legni consolidati ottenuti mediante i trattamenti messi appunto dalle altre unità operative. L'unità operativa dispone di una camera di invecchiamento che verrà utilizzata per studiare i processi di degrado e di trasformazione dei polimeri impregnanti utilizzati per consolidare il legno bagnato e degradato. Provini di legno consolidato verranno sottoposti ad invecchiamento artificiale basato su variazioni termoigrometriche ed irraggiamento con luce UV e visibile, in modo da valutare l'efficacia e la durabilità degli impregnanti.
Sempre nell'ambito della messa a punto di nuove metodologie di conservazione e consolidamento, un ulteriore obiettivo dell'unità di ricerca di Pisa sarà rappresentato dalla selezione e ottimizzazione di metodi per il monitoraggio ambientale degli ambienti in cui vengono messe in opera gli interventi di conservazione e consolidamento, al fine di selezionare condizioni operative per il consolidamento che salvaguardino la salute degli operatori.
L'unità operativa si occuperà quindi degli aspetti analitici relativi al controllo del rischio sanitario e ambientale e all'individuazione, per i vari metodi di consolidamento proposti dalle altre unità, delle specie chimiche da monitorare ed in particolare delle sostanze organiche volatili significative. Per la determinazione rapida delle specie chimiche provenienti dai processi per il consolidamento/impregnazione che risulteranno più significative e rilevanti e che dovranno essere monitorate durante e dopo il consolidamento verranno ottimizzate apposite metodologie analitiche. Sulla base dei risultati ottenuti verranno descritte delle line guida per le operazioni di consolidamento.
La tecnica più adatta all'analisi delle sostanze organiche volatili e degli inquinanti organici gassosi a basse concentrazioni è la gas cromatografia, ed a tale scopo l'unità di ricerca dispone di tre sistemi GC-MS. Analisi di questo tipo richiedono opportune procedure di campionamento ed arricchimento degli analiti. I metodi di campionamento convenzionali prevedono l'uso di filtri, colonne di materiale adsorbente o trappole criogeniche. Per l'esame delle sostanze organiche rilasciate dalle soluzioni impregnanti verrà preferenzialmente adottato il campionamento mediante microestrazione in fase solida (SPME), recentemente applicato con successo anche ad ambienti museali [14 ], il quale prevede l'uso di una fibra adsorbente incorporata in una microsiringa che viene esposta alla soluzione o all'ambiente da esaminare. La rapidità e semplicità di questo metodo, che lo rendono in molti casi una valida alternativa ai metodi di campionamento classici, risiede nel fatto che campionamento e preconcentrazione vengono combinati in un unico step analitico, direttamente seguito da desorbimento termico degli analiti dell'iniettore del GC-MS.
Riassumendo, sulla base delle considerazioni riportate e dello stato dell'arte attuale, appare di estremo interesse sviluppare la ricerca nelle seguenti direzioni :
- Investigare l'applicabilità della pirolisi analitica allo studio del legno archeologico, e applicare nuovi metodi come ad esempio la silanizzazione in situ con esametildisilazano.
- Utilizzare tali tecniche per contribuire alla valutazione dello stato di degrado di manufatti lignei di valore storico ed archeologico e per contribuire alla valutazione dell'efficacia a breve e a lungo termine di nuovi procedimenti per il consolidamento sviluppati dalle altre unità operative partecipanti al progetto.
- contribuire al monitoraggio del rischio sanitario ed ambientale delle metodologie di consolidamento proposte, mediante monitoraggio della qualità dell'aria degli ambienti in cui vengono effettuate le procedure di consolidamento.
Un compito fondamentale dell'unità di ricerca di Pisa sarà la coordinazione del programma di ricerca nazionale, che oltre al reperimento e alla distribuzione di campioni lignei prevede:
-l'organizzazione di riunioni scientifiche tra le diverse unità con cadenza semestrale al fine di verificare lo stato di avanzamento della ricerca;
- l'organizzazione, alla fine del biennio,di un convegno nazionale per rendere visibili i risultati delle ricerche. In questa occasione verranno invitati anche esperti appartenenti all'organizzazione internazionale WOAM (Wet Organic Archaelogical Materials).