Καθαρισμός υφασμάτων

Υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα στην υπηρεσία της πολιτιστικής κληρονομιάς

Νέο σύστημα καθαρισμού υφασμάτων   

Δήμητρα Ασλανίδου¹, Κώστας Τσιόπτσιας², 

Κωνσταντίνος Παναγιώτου³

1. Χημικός Μηχανικός, Msc,  Εργαστήριο Φυσικής Χημείας, Τμήματος Χημικών Μηχανικών Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης,

2. Δρ. Χημικος Μηχανικός, Εργαστήριο Φυσικής Χημείας, Τμήματος Χημικών Μηχανικών Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ,

3. Καθηγητής, Εργαστήριο Φυσικής Χημείας, Τμήματος Χημικών Μηχανικών Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης.

Στις σελίδες που ακολουθούν γίνεται μια σύντομη περιγραφή ενός καινοτόμου συστήματος καθαρισμού υφασμάτων το οποιο σχεδιάστηκε στο Εργαστήριο Φυσικής-Χημείας του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Πρόκειται για μια ήπια, για το ύφασμα και ταυτόχρονα αποτελεσματική διεργασία. Οι πρώτες μελέτες δίνουν την εικόνα μιας τεχνικής η οποία μπορέι να αφαιρέσει τόσο υδρόφιλους όσο και υδρόφοβους ρύπους από την επιφάνεια των υφασμάτων,χωρίς να προκληθούν φθορές στο ύφασμα.

                                             Εισαγωγή

Οι ρύποι οι οποίοι προσβάλλουν τα υφάσματα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε υδατοδιαλυτούς (άλατα, οξέα, ιδρώτας, κ.α.), λιπαρούς και ελαιώδεις ρύπους (λίπη, έλαια, κ.α.), ρύπους χρώσης (οξείδια μετάλλων, χώμα, σκόνη, κ.α.), ρύπους πρωτεϊνικής φύσεως (αίμα, γάλα, κ.α.), ασβεστώδεις ρύπους, οξέα φρούτων, και λαχανικών, σκουριά, μικροοργανισμούς (βακτήρια, μύκητες, σπόρεα, κ.α.) [1].

Πρόκειται για ρύπους οι οποίοι έχουν ανιχνευθεί στο σύνολό τους στις περισσότερες των περιπτώσεων συντήρησης. Ενδεικτικά αναφέρεται το Πέτασμα Ωραίας Πύλης από τον Ι.Ν του Αγίου Φωκά στην Τουρκία. Η πύλη φέρει λεκέδες από την οξείδωση μεταλλικών καρφιών με τα οποία ήταν στερεωμένη, κηλίδες από οργανική κόλλα με την οποία ήταν στερεωμένα δυο κομμάτια από λινή φόδρα, λεκέδες υγρασίας, υπολείμματα κεριού, κηλίδες από μπογιά καθώς και λιπαρούς λεκέδες [2]. Δεύτερο παράδειγμα αποτελεί η περίπτωση συντήρησης φελονίου το οποίο έφερε λιπαρούς λεκέδες, όξινους λεκέδες από περιττώματα εντόμων, αποστάγματα κεριών, λεκέδες υγρασίας, και μικροοργανισμούς (μούχλα)[3]. Οι προαναφερθείσες περιπτώσεις αποτελούν κλασσικά παραδείγματα κατά τα οποία ο συντηρητής καλείται να αφαιρέσει, από την επιφάνεια του υφάσματος, ρύπους οι οποίοι μεταξύ τους παρουσιάζουν έντονες διαφορές στη φυσικοχημεία τους. Με τις συμβατικές μεθόδους καθαρισμού απαιτούνται πολλαπλά στάδια επέμβασης. Συχνά απαιτείται η χρήση πολλών διαλυτών προκειμένου να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, ενώ δεν είναι λίγες οι φορές που ο ενδεδειγμένος, προς την αφαίρεση συγκεκριμένης ουσίας, διαλύτης κρίνεται απαγορευτικός δεδομένου ότι μπορεί να προκαλέσει επιπλέον φθορά στο ύφασμα. Επομένως η μεθοδολογία η οποία θα ακολουθηθεί κατά τον καθαρισμό είναι καθοριστικής σημασίας για την μετέπειτα ζωή του αντικειμένου, και επιβάλλεται να εφαρμόζεται μια διαδικασία η οποία θα εξασφαλίσει την αφαίρεση του συνόλου των ρυπών, ενώ παράλληλα θα είναι ήπια σε τέτοιο βαθμό ώστε να προστατέψει το αντικείμενο από περαιτέρω φθορά.

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω δεδομένα, σχεδιάστηκε ένα σύστημα καθαρισμού το οποίο χρησιμοποιεί διοξείδιο του άνθρακα και επιτρέπει την αποτελεσματική απομάκρυνση τόσο υδρόφιλων όσο και υδρόφοβων ρύπων. Το καινοτόμο αυτό σύστημα εξασφαλίζει την διατήρηση των χρωμάτων του υφάσματος, καθώς και τη διατήρηση των μηχανικών του ιδιοτήτων. Η τεχνική βασίζεται στη χρήση υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα.

Ως υπερκρίσιμο ορίζεται ένα ρευστό το οποίο βρίσκεται σε πιέσεις και θερμοκρασίες πάνω από το κρίσιμο σημείο. Ως κρίσιμο σημείο ορίζεται το σημείο εκείνο (T_c, P_c) όπου η υγρή φάση δεν ξεχωρίζει από την αέρια φάση (Σχήμα 1).

 

Σχήμα 1: Διάγραμμα φάσεων καθαρής ουσίας

Στην υπερκρίσιμη περιοχή το ρευστό φέρει ιδιότητες τόσο της υγρής όσο και της αέρια φάσης. Πιο συγκεκριμένα ένα υπερκρίσιμο ρευστό έχει πυκνότητες οι οποίες είναι πολύ κοντά στις πυκνότητες των υγρών, και αντίστοιχες διαλυτικές ικανότητες, ενώ παράλληλα κατέχουν ιδιότητες μεταφοράς (πχ. ιξώδες και διαχυτότητα) αντίστοιχες με αυτές των αερίων. Μεταξύ των υπερκρίσιμων ρευστών το CO₂ πλεονεκτεί διότι έχει πολύ χαμηλό κρίσιμο σημείο (30,8^oC, 72.8bar), είναι αναμίξιμο με οργανικούς διαλύτες, είναι φιλικό προς το περιβάλλον, δεν είναι εύφλεκτο και έχει χαμηλό κόστος.

Η χρήση του διοξειδίου του άνθρακα ως μέσο καθαρισμού έχει ήδη μελετηθεί και βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς τομείς όπως η  βιοιατρική, η μικροηλεκτρονική [4-8]. Η χρήση του για τον καθαρισμό υφασμάτων έχει μελετηθεί από αρκετούς ερευνητές [9-11]. Ένας περιορισμός της χρήσης του CO₂ είναι ότι, ενώ είναι εξαιρετικό για τη διάλυση και άρα αφαίρεση μη πολικών (υδρόφοβων) ενώσεων, δίνει πολύ φτωχά αποτελέσματα στις πολικές ενώσεις. Έτσι μέχρι σήμερα ήταν απαραίτητη η χρήση  κάποιου συνδιαλύτη ή  επιφανειοδραστικών ουσιών προκειμένου να απομακρυνθούν αποτελεσματικά οι ρύποι.

Το σύστημα καθαρισμού που σχεδιάστηκε δεν απαιτεί την χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών ούτε συνδιαλύτών και δίνει ιδιαίτερα αισιόδοξα αποτελέσματα για μεγάλο εύρος ρύπων. Περιλαμβάνει τη χρήση υπερκρίσιμου διοξείδιου του άνθρακα, νερό και σωματίδια ανθρακικού ασβεστίου.

Πειραματική Διαδικασία

Ύφασμα εμποτίζεται σε διασπορά νερού και Ca(OH)₂. Το Ca(OH)₂ επικάθεται πάνω στο ύφασμα το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται στη συσκευή του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα. Μόλις το Ca(OH)₂ έρθει σε επαφή με το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέπεται σε CaCO₃. Το CaCO₃ βοηθάει στον σχηματισμό γαλακτώματος Pickering [13-14] μεταξύ του CO₂, του νερού. Η βασική συνεισφορά των σωματιδίων CaCO₃ είναι ότι αυξάνουν την επιφάνεια επαφής μεταξύ CO₂ και βρεγμένου υφάσματος, με αποτέλεσμα την καλύτερη διαβροχή. Μετά το πέρας του χρόνου καθαρισμού ακολουθεί η εκτόνωση του διοξειδίου του άνθρακα το οποίο παρασύρει και τις προς αφαίρεση ουσίες.

Οι υδρόφοβοι ρύποι διαλύονται στο υδροξείδιο του άνθρακα ενώ οι υδρόφιλοι διαλύονται στο νερό. Παράλληλα με τον σχηματισμό του γαλακτώματος αυξάνεται η ποσότητα του CO₂ που έρχεται σε επαφή με το ύφασμα, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται η επαφή του διοξειδίου του άνθρακα με τους ρύπους. Τέλος το νερό που υπάρχει στο ύφασμα βοηθάει στη διόγκωση των ινών με αποτέλεσμα να είναι πιο αποτελεσματική η αφαίρεση των κηλίδων.

Αρχικά μελετήθηκαν οι συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να γίνει ο καθαρισμός. Ως ρύποι επιλέχθηκαν το ελαιόλαδο (ως υδρόφοβος), η πάστα παντζαριού (ως ρύπος και υδρόφιλα συστατικά και έντονη μεταβολή του χρώματος κατά την εφαρμογή) και η κουνελόκολλα (ως ρύπος ο οποίος δημιουργεί ένα στερεό φιλμ πάνω στην επιφάνεια του υφάσματος). Μελετήθηκαν τρεις πιέσεις, και 4 χρόνοι καθαρισμού μεταξύ 30-120min. Τα αποτελέσματα του καθαρισμού αξιολογήθηκαν και με μετρήσεις των χρωματομετρικών συντεταγμένων των δειγμάτων πριν και μετά τον καθαρισμό. Μεταξύ των εξεταζόμενων συνθηκών επιλέχθηκε για περαιτέρω μελέτη τα 200bar πίεση και  60min χρόνος καθαρισμού.

Στη συνέχεια εφαρμόστηκε ο καθαρισμός σε μεταξωτά και βαμβακερά δείγματα βαμμένα με φυσικές χρωστικές. Και σε αυτά τα δείγματα εφαρμόστηκαν οι τρεις ρύποι.

Αποτελέσματα

Το αποτέλεσμα του καθαρισμού είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό τόσο ποιοτικά (Εικόνα 1), όσο και ποσοτικά.

1                           2                         3                       1                       2                      3
α)                                                                              β)

Εικόνα 1: α) Αποτέλεσμα καθαρισμού σε μεταξωτά υφάσματα/ αφαίρεση πάστας παντζαριού, β) αποτέλεσμα καθαρισμού σε μεταξωτά υφάσματα/ αφαίρεση κουνελόκολλας.1. δείγματα πριν την εφαρμογή του ρύπου/ 2. δείγματα μετά την εφαρμογή του ρύπου/ 3. δείγματα μετά τον καθαρισμό. Χρωστικές που χρησιμοποιήθηκαν: κουρκουμάς/ ρεζεδά/ ινδικό/ κοχινίλη.

Μια πιο λεπτομερής εικόνα του καθαρισμού παρατίθεται στην Εικόνα 2. Η διαφορά πριν και μετά τον καθαρισμό είναι εμφανής. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ολοκληρωτική αφαίρεση της κρούστας που σχηματίζει η κουνελόκολλα πάνω στην επιφάνεια του υφάσματος, αλλά και η αφαίρεση του χαρακτηριστικού κόκκινου χρώματος του παντζαριού από τα δείγματα. Παρατηρείται επίσης η επικάθιση των σωματιδίων του ανθρακικού ασβεστίου πάνω στο ύφασμα, κάτι το οποίο επηρεάζει τις χρωματικές συντεταγμένες των δειγμάτων.

α) β)

Εικόνα 2: Δείγματα πριν και μετά τον καθαρισμό. α) μετάξι/ κουρκουμάς/ πάστα παντζαριού, β) βαμβάκι/ ινδικό/ κουνελόκολλα. Λήψη από οπτικό μικροσκόπιο, μεγέθυνση x20.

Στον πίνακα που ακολουθεί παρατίθενται τα ποσοτικά αποτελέσματα του καθαρισμού.

Πίνακας 1 : Ποσοστιαία απομάκρυνση ρύπων από μεταξωτό και βαμβακερό ύφασμα

Ρύπος:	ελαιόλαδο	κουνελόκολλα	πάστα από παντζάρι
μεταξωτό ύφασμα
	% απομάκρυνση ρύπου (±2,48%)	% απομάκρυνση ρύπου (±3,08%)	% απομάκρυνση ρύπου (±3,8%)
Κοχινίλη	83,29	93.58	92.36
Ινδικό	67,44	95.85	96.36
Ρεζεδά	57,69	91.31	87.45
κουρκουμάς	76,38	84.47	96.32
βαμβακερό ύφασμα
	% απομάκρυνση ρύπου (±3,24%)	% απομάκρυνση ρύπου (±3,67%)	% απομάκρυνση ρύπου (±4,98%)
Κοχινίλη	50.73	92.33	92.51
Ινδικό	75.06	93.88	87.52
Ρεζεδά	82.22	87.32	88.3
κουρκουμάς	79.14	97.04	91.65

Στη συνέχεια μελετήθηκε η αφαίρεση του ανθρακικού ασβεστίου που επικάθεται πάνω στο ύφασμα. Προτείνεται λοιπόν, μια δεύτερη πλύση σύντομης διάρκειας (max 10min) μόνο με νερό και υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα προκειμένου το ανθρακικό ασβέστιο να μετατραπεί σε ανθρακικό οξύ και διαλυόμενο μέσα στο νερό να απομακρυνθεί από το ύφασμα. Τα αποτελέσματα της δεύτερης πλύσης (Εικόνα 3) αξιολογήθηκαν τόσο με μετρήσεις χρωματομετρίας όσο και με οπτική μικροσκοπία αλλά και με φάσματα x-RF(Σχήμα 2) .

α) β)

Εικόνα 3: Αφαίρεση CaCO3

α) βαμβάκι/ ινδικό/ ελαιόλαδο,



β) μετάξι κουρκουμάς. Πάστα παντζαριού

Σχήμα 2: Φάσμα XRF/ Βαμβάκι-κοχινίλη

Παράλληλα, με στόχο την εξήγηση του μηχανισμού του καθαρισμού, μελετήθηκε η επίδραση της εκτόνωσης του διοξειδίου του άνθρακα, όπως επίσης και η επίδραση της διόγκωσης των ινών των υφασμάτων λόγω του νερού. Επίσης μελετήθηκαν οι μηχανικές και οι θερμικές ιδιότητες των υφασμάτων πριν και μετά τον καθαρισμό.

 Συμπεράσματα

Από το σύνολο των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα έχει τέτοια χαρακτηριστικά τα οποία το επιτρέπουν να είναι αξιόλογος σύμμαχος στον καθαρισμό και γενικότερα στη συντήρηση των έργων τέχνης. Αναμφίβολα υπάρχουν πολλά βήματα τα οποία πρέπει να ακολουθήσουν προκειμένου να ισχυριστεί κανείς με βεβαιότητα, ότι αυτή τη τεχνική μπορεί να λύσει αποτελεσματικά το ζήτημα του καθαρισμού των υφασμάτων. Τα πρώτα αποτελέσματα πείθουν για ένα συστήμα το οποίο μπορεί, με χαμηλό κόστος πρώτων υλών και χωρίς ιδιαίτερη τεχνογνωσία, ως προς την εφαρμογή, να καθαρίσει με αφάλεια τα υφάσματα. Χωρίς τη χρήση διαλυτών ή μεγάλων ποσοστήτων νερού, με υλικά μη τοξικά, φιλικά προς το περιβάλλον, η προτεινόμενη μέθοδος φιλοδοξεί να καταλάβει μια θέση μεταξύ των τεχνικών της συντήρησης των έργων τέχνης.

Βιβλιογραφία

1. Hofenk-De Graaff J., 1968, “The constitution of detergents in connection with the cleaning of ancient textiles”, Studies in Conservation, Vol.13 No.3, pp. 122-141.

2. Χ. Καρύδης, “Πέτασμα Ωραίας Πύλης από τον Ι. Ν. Αγίου Φωκά (Τουρκία) | Καταγραφή φθορών και επεμβάσεις συντήρησης”, Αρχαιολογία και Τέχνες, 2008, 101.

3. Σακελλαρίου, Α.Γ., Νικολαίδη, Μ και Καρύδης, Χ. 2007. Εκκλησιαστικά Υφάσματα: Συντήρηση & Ηθικοί Προβληματισμοί. Περιοδικό Μουσείο-Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, 4-9.

4. Basceri C., Sandhu G.S., 2006, “Supercritical fluid technology for cleaning processing chambers and systems”, US, 0070637A1.

5. Della Porta G., Volpe M.C., Reverchon E., 2006, “Supercritical cleaning of rollers for printing and packaging industry”, J. of Supercritical Fluids, Vol. 37, pp. 409–416.

6. Jacobson G., Kevwitch R., Lowe M., Supercritical Systems INC., 2006, “Etching and cleaning BPSG material using supercritical processing”, WO, 091909A2.

7. Chen Ch., Chen Sh., Liu Ch., Huang J., Industrial Technology Research Institute, 2007, “Supercritical CO2 cleaning system and method”, US, 0144555A1.

8. Han G., Yoo K., Lim J., Kwon Y., Industry-University Cooperation Foundation Sogang University, 2011, “ Cleaning apparatus and high pressure cleaner for the use therein”, US, 0120507A1.

9. Maffei R., 1971, “Extraction and cleaning processes”, US, 4012194.

10. Motson H., 2007, “Cleaning textiles”, US, 0267045A1.

 11. Van Roosmalen M.J.E., Van Diggelen M., Woerlee G.F., Witkamp G.J., 2003 (a), Dry –cleaning with high pressure carbon dioxide- the influence of mechanical action on washing results, J of Supercritical Fluids, Vol. 27, pp., 97-108.

12. M. Sousa, M. Melo, T.Casimiro and A. Ricardo, Green Chem.,2007,9,943

13. Golomb D., Barry E., Ryan D., Swett P., Duan H., 2006, “Macroemulsions of liquid and supercritical CO2-in water and water in liquid CO2 stabilized by fine particles”,Ind. Eng. Chem. Res., Vol 45., pp. 2728-3733.

14. Hunter T.M., Pugh R., Franks G.V., Jameson G.J., “The role of particles in stabilising foams and emulsions”, 2008, Advances in Colloid and Interface Science, Vol. 137, pp. 57–81.

ΠΗΓΗ:http://www.pemptousia.gr/conservation/?cid=52215