I Tensioattivi

Fonte: “L’ uso di tensioattivi e chelanti nella pulitura di opere policrome” Collana i Talenti Paolo Cremonesi Edizioni il Prato   ISBN  88-87243-14-X 

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I Tensioattivi possono trovare utilizzo nel restauro per diverse ragioni: soltanto per il fatto che impartiscono particolari proprietà, le cosiddette proprietà superficiali, alle soluzioni acquose o di solventi organici a cui sono aggiunti, oppure per il loro potere detergente ed emulsionante.

Uso dei Tensioattivi per le Proprietà Superficiali.

Ricapitoliamo brevemente il loro modo d azione e le conseguenti possibili applicazioni.
A bassa concentrazione i Tensioattivi in soluzione abbassano la Tensione Superficiale del liquido, e mostrano solo le proprietà superficiali: maggior potere bagnante, minore diffusione verticale sotto la superficie, o minore risalita capillare.
A concentrazione maggiore in soluzione si formano aggregati di molecole di Tensioattivo, detti Micelle, che impartiscono alla soluzione proprietà emulsionanti, detergenti e solubilizzanti.
La quantità di Tensioattivo necessaria perché si verifichi questa situazione viene detta appunto Concentrazione Micellare Critica, o CMC, ed é caratteristica per ogni Tensioattivo.
Vediamo più in dettaglio le varie possibilità.

Potremmo anche definire questo come “uso dei Tensioattivi come agenti bagnanti”. Come abbiamo descritto, un Tensioattivo é una sostanza capace di abbassare la Tensione Superficiale del liquido (Acqua o altro) a cui viene aggiunto.
L acqua é il liquido a più alta tensione superficiale, seguita dai Solventi Dipolari Aprotici e dall’Alcool Benzilico.
In pratica, solo nel caso di acqua e soluzioni acquose ci si preoccupera di usare un Tensíoattivo per abbassare la Tensione Superficiale.
Come abbiamo descritto prima, la conseguenza di questo abbassamento é l’insorgere delle proprietà superficiali ricordate sopra, che influiscono sul modo in cui un liquido “bagna” una superficie.
Se si vogliono solo queste proprietà superficiali il Tensioattivo deve essere usato in piccola quantità, al di sotto della sua CMC; non è dunque consigliabile utilizzare Tensioattivi Non Ionici, perché a bassa CMC. Tensioattivi Anionici come i Saponi o la Bile sono meglio indicati.
Si deve solo tener presente che i Tensioattivi Anionici non sono compatibili con soluzioni a pH acido.

Anche gli Eteri di Cellulosa sono dei Tensioattivi: soluzioni acquose addensate (con Klucel o Metilcellulosa) hanno dunque azione superficiale.
Ad esempio, come descritto prima, una concentrazione di 0.01% (cioè, ad esempio, 10 mg in 100 ml di acqua) di Klucel abbassa la tensione superficiale dell’acqua quasi della metà.
Siccome una concentrazione così bassa non è sicuramente sufficiente ad addensare quella quantità d acqua, si vede che è effettivamente possibile con questi Eteri di Cellulosa migliorare il potere bagnante di soluzioni acquose pur mantenendole fluide.
Questa è ad esempio la ragione per l’aggiunta di piccole quantità di questi Eteri alle malte di calce, per fluidificarle (cioè per migliorarne il potere bagnante).

Uso dei Tensioattivi per le Proprietà Detergenti.

In questo caso, invece, l’attività detergente è subordinata al raggiungimento della CMC.
In altre parole, occorre sapere quanto Tensioattivo si deve aggiungere ad una certa quantità di acqua.
Per risolvere questo problema, è necessario conoscere due parametri del Tensioattivo: la sua Concentrazione Micellare Critica (CMC) e il suo Peso Molecolare (PM).
Il primo valore può essere ricavato, dalla letteratura tecnica o dai cataloghi; il secondo è comunemente riportato sui cataloghi, come per tutti i prodotti chimici.
Vogliamo esemplificare questo tipo di calcolo.

Problema. Preparare un litro di soluzione di Bile bovina che abbia proprietà detergenti.

Risoluzione. Non esistono valori CMC e PM della Bile;
sappiamo però che il suo componente principale è il Sodio Deossicolato.
Possiamo dunque fare questa lecita approssimazione, e considerare che anche la Bile, più in generale, abbia i valori CMC e PM del suo componente principale. Dalle letterature tecnica ricaviamo allora il valore 5mM (per ora sorvoliamo su questa strana unità di misura.)
Il secondo parametro, il PM, è 414.6, come da cataloghi.
Il nostro punto di partenza è proprio il valore CMC: 5mM. L unità di misura mM, che si legge milli Molare, è un sottomultiplo secondo mille dell’unità di misura M, o Molare, cioè:

5 (mM) = 5 / 1000 (M) = 0.005 (M)

Molare sta a significare moli/1 litro, quindi l’uguaglianza diventa:

= 0.005 (moli / 1 litro)

Le Moli sono una grandezza che viene usata in Chimica: per misurare una quantità, un peso delle sostanze.
Senza precisare ulteriormente, a noi interessa mettere a fuoco questo: visto che le quantità sono misurate praticamente in grammi (g), come possiamo effettuare la conversone tra i grammi e queste “fantomatiche” moli?
Ci basta usare il fattore di conversione adatto, che è proprio il Peso Molecolare, PM. Precisamente, per passare:

– dai grammi alle moli: bisogna dividere i grammi per il PM
– dalle moli ai grammi: moltiplicare le moli per il PM.

Nella nostra formula sopra troviamo espresse le moli, e quindi ci basta moltiplicare per il PM

0.005 (moli / 1 litro) x 414.6 (PM) = 2.1 (g / 1 litro)

e troviamo finalmente un espressione più familiare.

In conclusione, ci basta pesare 2.1 grammi di Bile, e scioglierli in un litro di acqua: sappiamo che la soluzione ottenuta è alla sua CMC, cioè si formano Micelle, e si ha azione detergente.
Se invece utilizziamo una concentrazione minore, diciamo dieci volte, cioè utilizziamo solo 200 mg per un litro di soluzione, sappiamo che la nostra soluzione avrà solo proprietà superficiali.
La prima soluzione sarà pertanto appropriata per una pulitura, la seconda come agente bagnante (diluente per una tempera, etc.).
Questo procedimento può essere applicato, più in generale, per calcolare la quantità necessaria di un generico Tensioattivo (Ionico e Non Ionico) per ottenere una soluzione detergente.
Cambieranno solo le due grandezze, la CMC e il PM, del Tensioattivo. Immaginiamo, come secondo esempio, di voler preparare un litro di soluzione acquosa di Tween 20 con proprietà detergenti. I dati per il Tween 20 sono: CMC 0.049 mM; PM: 1227.54. Effettuando i calcoli come nell’esempio precedente, troviamo:

0.049 (mM) / 1000 = 0.000049 (M) = 0.000049 (moli / 1 litro)

0.000049 (moli / 1 litro) x 1227.54 (PM) = 0.060 (g / 1 litro)

Si trova così che sono necessari 0.060 g di Tensioattivo, cioè 0.060 x 1000 = 60 mg.
Si noti la grande differenza con l’esempio precedente: circa due grammi di Bile (Tensioattivo Anionico, ad alta CMC) contro soli 60 milligrammi di Tween 20 (Tensioattivo Non Ionico, a bassa CMC).
Poiché il Tween 20 é un liquido, può essere molto più semplice misurarlo in volume anziché in peso, in particolare perché ne serve una quantità così piccola.
Per passare da peso a volume occorre la densità: dividendo il peso espresso in grammi per la densità si ottengono i millilitri (ml).
La densità del Tween 20 (come da catalogo) é di 1.095 g/ml; la nostra uguaglianza diventa dunque:

0.060 (g) / 1.095 (g/ml) = 0.05 (ml)

Come si vede, sono sufficienti 0.05 ml di Tween 20 in un litro di acqua per raggiungere la CMC, e quindi cominciare ad avere effetto detergente. Questo rende conto di quanto abbiamo detto prima, che in generale i Tensioattivi Non Ionici hanno bassa CMC, di solito nell’intervallo 10610`M (= Molare, Moli/litro), cioè 10 10~ mM (milli Molare, milli Moli/litro): anche in piccola quantità essi agiscono già come detergenti. Dal nostro punto di vista questo é da considerarsi un vantaggio: essendo tutti questi prodotti non volatili, il fatto di usarne in piccola quantità rappresenta una garanzia di non lasciare residui. Basta un semplice lavaggio acquoso dopo il trattamento per eliminare queste piccole quantità.

Saliva. La Saliva artificiale é un Tensioattivo di grande importanza nelle puliture: replica l’azione della Saliva naturale, senza condividerne i difetti (quale la possibilità di contaminazione batterica del manufatto).
È una soluzione a bassissima concentrazione di E solidi, quindi praticamente immune dal rischio di lasciare residuo. E facilmente preparata sciogliendo 0.1 0.2 g di Mucina e 0.1 0.2 g di Ammonio Citrato Tribasico in 100 ml di Acqua deionizzata. La soluzione é più attiva ad una temperatura “fisiologica”, intorno ai 37 °C, ma é labile: perde via via la sua attività fino ad essere praticamente inservibile nel giro di 10 15 giorni. Anche la Mucina in forma solida é termolabile, in quanto materiale proteico. Deve essere conservata in contenitore ben chiuso refrigerata (cioè in frigorifero, a temperatura 2-6 °C).

Soluzioni di Cocco Collagene. Il prodotto disponibile nel mercato statunitense sotto il nome Maypon 4C (sostitutivo del precedente Lexein 5620 descritto da Wolbers come Tensioattivo molto efficace per puliture con soluzioni acquose gelificate) é un derivato di Cocco Collagene. In quanto composto di proteine animali, mostra forte affinità per materiali proteici. Una preparazione descritta a questo scopo ha la seguente composizione.
Si prepara una soluzione di 3 ml Trietanolammina in 100 ml acqua deionizzata, e la si porta a pH 7.5 8.5 per aggiunta di piccole quantità di Acido Acetico diluito (controllando il pH con una cartina indicatrice).
Si aggiungono 4 ml di Cocco Collagene e poi si gelifica con Metilcellulosa (2 3 g) o Klucel G (3.5 4 g).
Quando il gel é omogeneo si aggiungono 2 4 ml di Alcool Benzilico, mescolando vigorosamente.
Questa miscela si dimostra straordinariamente efficace nella rimozione di materiale proteico come una Colla animale.
Un trattamento tipico sarebbe questo.
È molto frequente, nel nostro Paese, riscontrare che la vernice di un dipinto é contaminata da Colla animale. Perché il quadro é stato foderato a Colla di pasta (e, in fase di stiratura, la Colla fluidificata é penetrata attraverso i vari strati), o perché é stato consolidato con “Colletta”, o, infine, perché sono rimasti residui di una velinatura a Colla.
La presenza di questo materiale proteico complica la solubilizzazione della vernice che invece, sé non contaminata, sarebbe magari ancora solubile in semplici Solventi Organici Neutri: la Colla infatti non é solubile in questi solventi.
Eseguendo il Test’di Feller su questa vernice si troverebbe un risultato variabile dal discontinuo/disomogeneo al non efficace
Spesso purtroppo, in simili circostanze, ci si ostina a pensare che la pulitura debba avvenire in un unico passaggio: per agire sulla vernice e sulla Colla si fa dunque ricorso a solventi resi basici con alcali (molto frequentemente Alcool e Ammonio Idrossido), oppure a solventi molto più aggressivi e tossici come i Dipolari Aprotici (tipicamente la Dime tilformammide), che possono solubilizzare materiale proteico
Un approccio più soft a questo problema é invece quello di differenziare l’intervento: eliminare in primo luogo il materiale proteico dov è presente (non é detto, infatti, che sia distribuito uniformemente su tutta la vernice), e poi affrontare la solubilizzazione della vernice.
Per eliminare il materiale proteico si possono utilizzare Enzimi, in particolare delle Proteasi , oppure, più semplicemente, la miscela di Cocco Collagene sopra descritta.
Fatto questo passaggio ci si preoccupa di solubilizzare la vernice vera e propria.
E non é infrequente riscontrare questo: riprovando il Test’di Feller ora si troverà una risposta positiva, e si potranno utilizzare semplicemente miscele di Solventi Neutri di appropriata polarità (lo stesso valore fd determinato con il Test).

Tensioattivi Non Ionici. Sono anch’essi utilizzabili per operazioni di pulitura, con il grande vantaggio che, essendo a bassa CMC, ne basta poco sciolto in acqua per avere già una soluzione detergente. Particolarmente indicate sono ad esempio soluzioni di Tween 20 (2% volume/volume) o Brij 35 (2% peso/volume). I loro valori HLB, rispettivamente 16.7 e 16.9, assicurano ottimo potere detergente/emulsionante e buona idrosolubilità. Per un azione ancora più efficace e localizzata, le soluzioni, una volta preparate, possono essere addensate con Metilcellulosa o Klucel, producendo dei gel.
Possono essere utilizzati per puliture superficiali (il generico “sporco” a carattere grasso), ma non é esclusa l’azione su materie grasse più tenaci. Questo consiglia prudenza nell’uso su pittura ad Olio recente (dove, peraltro, i Tensioattivi rappresentano comunque un alternativa più sicura all’uso dei solventi organici, in quanto sono in ambiente acquoso). Dopo l’applicazione é consigliabile un leggero lavaggio acquoso.

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