Study, analysis and identification of degradation by-products in ancient and artificially aged papers

The aims of this research is the identification of the degradation by-products in ancient papers by means of chemical, spectroscopic and chromatographic analyses and the development of innovative methods of artificial ageing that should be able to simulate the natural degradation in these materials. For many centuries paper has been representing the main writing support for storing human knowledge. Paper is a material prone to degradation, and its conservation is a main concern, due to its obvious wide diffusion. A considerable effort has been dedicated to the paper preservation issue and it is widely recognized that a proper knowledge of the degradation reactions is essential in designing an efficient conservation treatment. To this purpose, a relevant amount of data has been collected about artificially aged paper, but just a few articles deal with naturally aged materials, since generally paper from ancient books has an artistic or historical value, and either non-destructive or micro-destructive spectroscopic techniques can be applied. In the first part of this work, (“Analysis of degradation by-products in ancient papers”, Chapter 4) a new comprehensive protocol is proposed for assessing the degradation of ancient books. The protocol is based on a multi-technique spectroscopic, chemical and analytical study of material obtained by washing leaves of ancient books. Indeed, the conservation treatments on ancient books involve frequently washing the paper leaves with water to remove the acidic by-products, which is considered a safe treatment. If the waters used for washing are collected rather than wasted, the cross-referencing of the analysis results of these “wasted waters” can provide a broad and deep insight into paper degradation by-products, thus furnishing much valuable information on both the conservation state of the books/documents in question and the degradation reactions occurring within their leaves. The proposed protocol is applied here, as a case-of-study, to the “wasted waters” obtained from washing leaves of a 16th-century-printed book, the De Divina Providentia. The widest range of analytical techniques was applied to the degradation by-products extracted from leaves in different conservation state, ranging from not degraded to very degraded. The here-proposed method is meant to become a pilot protocol for the study of ancient/historical paper degradation processes: it represents the starting point of a wider study on ancient and historical papers. Its potential application on a broad range of books and papers of different ages, origins and in different conservation state could allow for the creation of the first database on the natural by-products generated by aging in ancient books. Furthermore, a fruitful comparison with the data collected directly on ancient sheets can represent the basis for the development and the optimization of an innovative method for paper ageing (accelerated or artificial ageing methods, AAMs), able to closely simulate the natural degradation of cellulosic materials, depending on their chemical composition. In the second part of this research (“Artificial ageing by ozonation”, Chapter 5) a method for the artificial ageing of paper is proposed, aiming to reproduce oxidative by-products found in naturally aged paper. In literature, much research has been carried out in the area of paper artificial ageing, especially as regards the simulation of hydrolytic damage of paper leading to the depolymerisation of cellulose. However, other mechanisms that proceed during the natural ageing of paper, such as oxidation and autoxidation reactions, can become predominant in certain cases and therefore render these systems more complex and difficult to reproduce in the laboratory. In the last few years, much work has been performed in order to shed light on this class of reactions and on the reactive species, which promote and catalyze them. Much evidence has been collected on the role of reactive oxygen species (ROS) in the cellulose natural oxidation reactions, on their ability to induce paper radical reactions and to produce radical species in ancient papers. In general, nowadays serious and complete studies of paper radicals and, in particular, of their correlation with the paper oxidation by-products are not present in literature. In this sense, they have been reported here the first steps followed towards the development of a specific method of artificial ageing, which implies the use of ozone as a trigger for the accelerated degradation of paper. A great effort has been dedicated towards the achievement of an ozonation protocol of paper, which could reproduce the formation of both the natural degradation by-products and the open-shell species and allow for a deeper study of their nature and their effect on the writing support. The continuous comparison between the data collected on ancient papers and on artificially aged papers is the only sensible way to develop and optimize new methods for artificial or accelerated ageing of paper, able to simulate the natural degradation in cellulosic materials according to their chemical composition. The third part of this research (“Logwood inks”, Chapter 7) reports the results of the spectroscopic and analytical study on Logwood inks, carried out in cooperation with the Scientific Department of the Metropolitan Museum of Art, NYC. Fe and Cu/Fe - based Logwood inks have been synthesized following late 19threcipes and they have been characterized using UV-VIS, IR, Raman, EPR and ESI-MS analyses. This multi-technique approach is aimed to shed light on the coordination environment of the metallic ions in the colorant matrix, in order to better understand the structure of the complexes responsible for the ink colors. The UV-VIS and FT-IR spectra confirm the complexation of the metallic ions by the coloring Logwood organic matter, the hematein (Hm) macromolecule, while the Raman spectra show that the aromatic rings, composing the molecule, are also involved in the interaction. The high-sensitivity of the EPR technique allows for a deeper study of the ink structure giving information about the coordination environment of the metal ions. It turns out, together with ESI-MS, as the only technique, among the applied ones, that can provide a unique outline for each ink. Unexpected results are obtained by the ESI-MS analyses: for the first time in literature, mass analysis of Logwood inks has demonstrated the breakdown of Hm molecules during the ink preparation, as just complexed cathecols and/or byciclic compounds were identified as the main component of the three inks. These chemical species are very similar to the ones which compose the iron gall inks: the Fe(II)/Fe(III)-pyrogallates.

Questo lavoro è finalizzato all’identificazione dei prodotti di degrado in carte antiche attraverso l’uso di analisi chimiche, spettroscopiche e cromatografiche e allo sviluppo di metodi innovativi di invecchiamento artificiale capaci di simulare la degradazione naturale di questi materiali. Per molti secoli la carta ha rappresentato il principale supporto scrittorio per tramandare la conoscenza e la cultura dell’intera umanità. La carta è un materiale incline al degrado: data la sua ampia diffusione, una particolare attenzione è stata dedicata alla preservazione e alla conservazione del patrimonio documentario cartaceo. È, infatti, ampiamente riconosciuto che è necessaria una profonda conoscenza delle reazioni di degrado per progettare un efficace trattamento di conservazione. A questo scopo, una grande quantità di dati è stata raccolta dall’analisi di carte artificialmente invecchiate, ma solo alcuni lavori in letteratura riportano studi su materiale cartaceo naturalmente invecchiato, a causa dell’impossibilità di applicare tecniche di analisi distruttive e non distruttive su carte antiche di alto valore storico-artistico. Nella prima parte di questo lavoro (“Analysis of degradation by-products in ancient papers”, Capitolo 4) si propone, per la prima volta in letteratura, un protocollo globale che sfrutta la combinazione di un vasto numero di analisi spettroscopiche, chimiche e separative su materiale ottenuto dal lavaggio di fogli appartenenti a libri antichi. Infatti, i trattamenti di conservazione di libri antichi spesso prevedono il lavaggio dei fogli di carta per eliminare l’acidità e i composti bruni, che conferiscono la colorazione scura alle carte degradate. Se le acque contenenti questi prodotti “di scarto” vengono conservate anziché gettate, la loro analisi può fornire un’ampia e profonda conoscenza dei prodotti di degrado cartaceo insieme ad utili informazioni sullo stato di conservazione dei libri/documenti in esame e sulle reazioni di degrado avvenute sui fogli, che li costituiscono. In questo lavoro di tesi, il protocollo proposto è applicato alle acque di lavaggio ottenute dalle pagine di un libro a stampa risalente al sedicesimo secolo, il De Divina Providentia, e sul materiale estratto da fogli in differente stato di conservazione (da molto degradati a non degradati). Il metodo qui descritto vuole proporsi come un protocollo pilota per lo studio dei processi di degrado in carte antiche e storiche: esso rappresenta il punto d’inizio per uno studio più ampio di carte antiche e storiche. La sua potenziale applicazione su un numero rilevante di libri e carte risalenti a varie epoche, di diversa origine e caratterizzati da vari stati di conservazione, permetterebbe la creazione del primo database dei prodotti di degrado indotti dall’invecchiamento del supporto scrittorio. Nella seconda parte di questa ricerca (“Artificial ageing by ozonation”, Capitolo 5), si propone un metodo di invecchiamento artificiale mirato a riprodurre i sottoprodotti di ossidazioni trovati in carte invecchiate naturalmente. In letteratura, molte ricerche si sono concentrate sulla simulazione del deterioramento idrolitico della carta, che causa la depolimerizzazione delle catene di cellulose. La carta, però, è anche soggetta ad altri meccanismi di degrado, quali l’ossidazione e l’autossidazione, che in certi casi diventano predominanti e rendono il sistema più complesso e difficile da riprodurre in laboratorio. Negli ultimi anni, molto lavoro è stato realizzato per studiare maggiormente questa classe di reazioni e le specie reattive, che le promuovo e le catalizzano. Molti dati sono stati raccolti sul ruolo delle specie reattive all’ossigeno (ROS) nelle reazioni di ossidazione della cellulosa, sulla loro capacità di indurre reazioni radicaliche e di produrre specie radicaliche nelle carte antiche. In generale, in letteratura non è ancora presente uno studio completo sui radicali della cellulosa e sulla loro correlazione con sottoprodotti di ossidazione cartacea. In questo senso, vengono qui riportati i primi passi verso lo sviluppo di uno specifico metodo di invecchiamento artificiale, che implica l’uso di ozono come agente di innesco della degradazione accelerata della carta. Un grande sforzo è stato dedicato alla realizzazione di un protocollo di ozonizzazione della carta, che potesse riprodurre la formazione dei prodotti di degrado naturale della carta e le correlate specie open-shell e che permettesse uno studio più approfondito della loro natura e del loro effetto sul supporto cartaceo. Il costante confronto fra i dati raccolti direttamente su carte antiche e i dati ottenuti su carte invecchiate artificialmente rappresenta l’unico criterio ragionevole per lo sviluppo e l’ottimizzazione di metodi innovativi di invecchiamento accelerato o artificiale del supporto cartaceo, capaci di simulare la degradazione naturale dei materiali cellulosici, in base alla loro composizione chimica. Nella terza parte di questo lavoro (“Logwood inks”, Capitolo 7) vengono riportati i risultati dello studio spettroscopico e analitico di inchiostri a base di campeggio realizzato in collaborazione con il Dipartimento Scientifico del Metropolitan Museum of Art di NYC. Durante questo progetto, sono stati sintetizzati tre tipi di inchiostro a base di campeggio, due dei quali contenenti ioni Fe3+/Fe2+ e un terzo contenente sia ioniFe3+/Fe2+ che ioni Cu2+, seguendo delle ricette del tardo ottocento, e sono stati caratterizzati tramite l’uso di tecniche UV-VIS, IR, Raman, EPR ed ESI-MS. Lo scopo dello studio è quello di comprendere la natura e la struttura dei complessi responsabili del colore assunto dall’inchiostro. Gli spettri UV-Vis e IR degli inchiostri indicano l’avvenuta complessazione degli ioni metallici da parte del colorante organico estratto dal campeggio, l’emateina, mentre gli spettri Raman mostrano come gli anelli aromatici della molecola siano coinvolti nell’interazione con gli ioni metallici. L’elevata sensibilità della tecnica EPR ha permesso uno studio approfondito dalla struttura degli inchiostri, fornendo informazioni sull’intorno di coordinazione degli ioni metallici. Insieme all’ESI-MS, l’EPR risulta essere l’unica tecnica capace di fornire un profilo unico e identificativo per ciascun inchiostro. L’applicazione dell’analisi ESI-MS ha fornito risultati inaspettati: per la prima volta in letteratura, gli spettri di massa degli inchiostri a base di campeggio hanno dimostrato come il processo di preparazione dell’inchiostro implichi la decomposizione della macromolecola di emateina. La colorazione dell’inchiostro non è data quindi da complessi metallo-emateina, ma da catecoli e/o composti biciclici, strutture costituenti la macromolecola, complessati agli ioni metallici aggiunti nella preparazione. Queste specie chimiche sono molto simili a quelle che sono alla base degli inchiostri ferrogallici: i pirogallati di ferro.