Conoscenze chimico-fisiche del materiale cartaceo e suo degrado, Università di Camerino

Contenuti

1. LE MATERIE PRIME

   LA CHIMICA DELLA CELLULOSA INTERAZIONE ACQUA - CELLULOSA CRISTALLINITÀ DELLA CELLULOSA FUNZIONE DEI COLLANTI, ADESIVI, CARICHE

2. PRODUZIONE ED EVOLUZIONE NELLA FABBRICAZIONE DELLA CARTA

   MODIFICAZIONE DELLE SOSTANZE FIBROSE INTRODUZIONE DEL PROCESSO DI SBIANCA MODIFICAZIONE DELLE TECNICHE DI RAFFINAZIONE MODIFICAZIONE DELLA TECNICA DELLA COLLATURA

3. INSTABILITÀ DEL MATERIALE CARTACEO

   FENOMENI DI DEGRADO CHIMICI, FISICI E BIOLOGICI

4. NORME E METODI DI CARATTERIZZAZIONE DELLA CARTA

   METODI DI PROVA INTERNAZIONALI E NAZIONALI PIÙ USATI

Strumenti per la caratterizzazione del materiale cartaceo

• CONOSCERE I METODI DI CARATTERIZZAZIONE DEL MATERIALE CARTACEO
• INDIVIDUARE I PROBLEMI DI DEGRADO DEL MATERIALE CARTACEO
• RECUPERARE E CONSERVARE IL MATERIALE CARTACEO APPLICARE LE NORMATIVE IN USO

Definizione di carta

Si chiama "carta" un foglio di natura igroscopica costituito generalmente da fibre vegetali, ottenuto mediante feltrazione di esse. Questo feltro può contenere altre sostanze che vengono aggiunte al fine di impartire ad esso determinate caratteristiche: principalmente sostanze di carica, collanti, pigmenti, coloranti.

In questa definizione sono contenuti in poche parole i principali concetti che delineano il materiale "carta" e cioè che si tratta di un foglio di fibre vegetali lavorate in maniera opportuna per consentire la feltrazione e con la aggiunta di alcuni additivi per migliorare le caratteristiche del foglio e consentirne la scrittura.

• COLLANTI
• SOSTANZE DI CARICA
• PIGMENTI E COLORANTI

FELTRAZIONE: fenomeno che avviene solamente se le fibre sono state bagnate e lavorate in acqua.

La chimica della cellulosa

La carta vista al microscopio non è completamente omogenea, ma mostra un intreccio di elementi lunghi e sottili chiamati fibre. Le fibre delle carte antiche sono costituite principalmente da cellulosa mentre le carte moderne sono costituite da emicellulose e lignina.

Le fibre cellulosiche sono molto adatte a essere trasformate in carta perché hanno quelle che in gergo vengono chiamate PROPRIETÀ CARTARIE, cioè:

• facilità a formare legami intermolecolari fra le fibre che formeranno il FELTRO;
• buona resistenza alle deformazioni,
• Insolubilità in acqua

Le materie prime e la feltrazione

Con il fenomeno di feltrazione si intende il processo con cui le fibre si saldano le une alle altre ottenendo un materiale con notevole resistenza meccanica.

La feltrazione è un fenomeno che avviene solamente se le fibre sono state bagnate e lavorate in acqua.

Non è un fenomeno solo fisico, ma è accompagnato dalla formazione dei legami interfibra che dopo l'evaporazione dell'acqua divengono stabili.

La formazione di legami interfibra è un argomento molto studiato e complesso. Se questi legami sono scarsi, la carta avrà proprietà meccaniche scadenti, mentre se i legami sono molti la carta avrà ottime caratteristiche di resistenza meccanica.

I legami interfibra

I LEGAMI INTERFIBRA SONO DOVUTI AD INTERAZIONE DI TIPO ELETTROSTATICO: LEGAMI IDROGENO E LEGAMI VAN DER WAALS

Legame idrogeno

LEGAME IDROGENO: Il legame idrogeno è un particolare tipo di interazione che si forma ogni volta che un atomo di idrogeno è legato ad un atomo fortemente elettronegativo (capace di attrarre elettroni). Si genera così un DIPOLO, in cui l'atomo di H rappresenta la parte positiva. Quando l'elemento è fortemente elettronegativo, come l'ossigeno, la positivizzazione dell'atomo di idrogeno è tale da consentire ad esso di legare un altro atomo elettronegativo con legame di natura elettrostatica. Questo legame può avvenire sia nella stessa molecola, (legame intramolecolare) che fra molecole diverse (intermolecolare) Questo legame viene, in genere, rappresentato come una linea tratteggiata tra l'idrogeno e l'altro atomo elettronegativo.

Legami Van der Waals

LEGAMI VAN DER WAALS : anche i legami di Van der Waals sono di natura elettrostatica ma vengono indicati come forze a corto raggio perché i loro effetti sono sensibili soltanto se le molecole degli atomi interessati si trovano a piccole distanze dell' ordine di pochi Angstrom.

Infatti l'entità di queste interazioni varia con l'inverso della sesta potenza del raggio e già a distanze di 10 Å diventano trascurabili.

Ruolo dell'acqua nella formazione dei legami interfibra

Affinché i legami interfibra si possano costituire è necessario che le fibre siano a distanze molto piccole e ciò avviene grazie all'azione dell'acqua. L'acqua molto polare, penetra nelle fibre della cellulosa sostituendo alcuni legami H fibrilla-fibrilla con legami fibrilla-H2O. Durante l'essiccamento l'acqua esercita una forza attrattiva che avvicina progressivamente le superfici fibrose in modo da favorire la formazione di legami H fra le fibre.

Quindi il processo di raffinazione della cellulosa deve essere necessariamente fatto con liquidi polari come l'H2O per permettere la feltrazione che promuove la formazione dei legami interfibra.

La cellulosa come polisaccaride

La cellulosa è un polisaccaride, cioè una macromolecola costituita essenzialmente dalla sequenza di unità monosaccaridiche di glucosio che in ambiente acquoso esiste prevalentemente in forma ciclica piuttosto che in forma aperta.

Gli anelli a 6 atomi, in particolare, sono dotati di notevole stabilità, essendo la loro struttura pressoché priva di tensioni. La molecola di glucosio in questa forma si chiama glucopiranosio.

Proiezioni del glucosio

Per rappresentare le strutture cicliche del glucosio ci sono vari tipi di proiezioni:

Proiezione di Fisher

FISHER: Le proiezioni di Fischer delle strutture cicliche semiacetaliche offrono il vantaggio di essere facilmente correlabili alle strutture di Fischer aperte. Per convenzione la molecola va disegnata verticale con il carbonio più ossidato verso l'alto. I carboni asimmetrici occupano il centro dei legami a croce, i legami verticali si intendono diretti sotto il piano del foglio, i legami orizzontali sono rivolti verso chi guarda. Per chiudere il ciclo si usa il solo legame semiacetalico che quindi assume una lunghezza e una forma anomale.

Proiezione di Haworth

HAWORTH: Le proiezioni di Haworth rispecchiano meglio la reale struttura tridimensionale degli zuccheri. Secondo questa convenzione l'etere ciclico deve essere rappresentato come un esagono con il carbonio anomerico a destra e l'ossigeno eterociclico in alto. I legami che escono dall'anello devono essere disegnati come trattini verticali.

Proiezione conformazionale

CONFORMAZIONALE: Le proiezioni di Haworth descrivono meglio la struttura tridimensionale degli zuccheri rispetto a quelle di Fischer, ma sono in ogni caso una semplificazione. Per avere una rappresentazione più accurata si utilizzano le proiezioni conformazionali che rappresentano i piranosi con strutture a sedia.

In questo modo è possibile valutare meglio i dettagli strutturali distinguendo i legami assiali da quelli equatoriali.

Conformazione a sedia

a se il legame C-OH è orientato sotto il piano dell'anello piranosico

ß se il legame C -OH è orientato al di sopra.

Cellobiosio e grado di polimerizzazione

Come ogni altro polimero la cellulosa può essere descritta come il ripetersi un unità ripetitiva che nel caso della cellulosa è il CELLUBIOSIO

Il grado di polimerizzazione medio n ha un valore elevato nella cellulosa vegetale, con valori superiori a 5000.

Esso varia in funzione del vegetale di provenienza e in funzione dei trattamenti chimici subiti nel corso di fabbricazione della carta.

Formazione del legame glicosidico

Se il gruppo ossidrilico coinvolto nella formazione del legame glicosidico è in configurazione ß, il legame risultante è definito ß glicosidico.

La formazione del polisaccaride lineare cellulosa attraverso legami ß (1-4) glicosidici ha importanti conseguenze sulle sue caratteristiche e funzioni biologiche.

A differenza dell'amido (altro polisaccaride di origine vegetale costituito, come la cellulosa, da unità di glucosio legate però da legami a (1-4) glicosidici) la cellulosa non può essere utilizzata dagli animali superiori come fonte di nutrimento; questi ultimi mancano infatti della ß -glicosidasi, l'enzima che consentirebbe la scissione del polisaccaride in unità di glucosio, mentre posseggono l'a-glicosidasi, che effettua la scissione dell'amido e rende quindi possibile il suo utilizzo a fini metabolici.

Solo i ruminanti possono utilizzare la cellulosa come nutrimento, perché nel loro tratto gastro-intestinale vivono batteri che possiedono la ß-glicosidasi.

Confronto tra cellulosa e amido

Il legame a(1-4) conferisce alla molecola dell'amido una forma a spirale, il legame B (1-4) glicosidico conferisce alla molecola della cellulosa una forma lineare.

I legami B(1-4) glicosidici promuovono l'instaurarsi di legami idrogeno intramolecolari fra le singole unità di glucosio che costituiscono la molecola lineare della cellulosa, conferendone grande stabilità.

Le singole catene sono poi in grado di associarsi tra loro mediante legami intermolecolari.

L'elevato numero di legami intercatena è responsabile delle speciali caratteristiche di resistenza e tenacità della cellulosa vegetale, considerate simili a quelle di un filo di acciaio di pari spessore.