Pigment-binder interaction under urban atmosphere: novel approaches to unravel chemical-physical degradation model paintings

Abstract

En esta Tesis Doctoral se ha evaluado el impacto del aerosol atmosférico urbano en el deterioro físico-químico de dosímetros pictóricos (muestras pictóricas modelo) expuestos a largo plazo (hasta 40 meses) en monumentos piloto (semi)abiertos de Granada capital, profundizando en los procesos de interacción pigmento-aglutinante producidos en la interfase “pintura-ambiente de exposición”, que expliquen los cambio de color producidos en las pinturas debido a distintos escenarios de contaminación atmosférica. Estos resultados se han comparado con los obtenidos en distintos ensayos de alteración acelerada en laboratorio, por exposición de los dosímetros pictóricos a SO2 y radiación UV. Además por primera vez en este tipo de investigación se aborda el análisis del efecto que tiene el tamaño de grano de los pigmentos y la cantidad de aglutinante pictórico en los procesos de degradación de las pinturas artísticas. Para alcanzar los objetivos propuestos en esta Tesis Doctoral se ha realizado un estudio en detalle de los dosímetros pictóricos a distintas escalas (nano- hasta macroescala), aplicando un conjunto amplio de técnicas analíticas complementarias de uso tradicional en el patrimonio pictórico (e.g. SEM-EDX, FTIR-ATR, XRD, RS, espectrofotometría, etc). Asimismo, se presenta el diseño de protocolos de análisis novedosos y de alta potencialidad en la investigación de pinturas artísticas, como es la puesta a punto de estrategias analíticas lipidómicas aplicadas al análisis de la interacción aglutinante lipídico-pigmento, y la aplicación de técnicas quimiométricas (PCA) a datos espectrofotométricos de pinturas modelo expuestas a la intemperie, para mejorar la interpretación de los cambios cromáticos de las mismas, y determinar tendencias de deterioro por exposición a diferentes escenarios de polución atmosférica.

In this doctoral thesis we evaluated the impact of the urban atmospheric aerosol on the physicochemical decay of paint dosimeters (model paint samples) exposed long-term (up to 40 months) to the elements in (semi-) open pilot monuments in the city of Granada, exploring in depth the pigment-binder interaction processes that take place at the interface between the paint and the exposure atmosphere and are responsible for the changes in paint color caused by a variety of atmospheric pollution scenarios. These results have been compared with those obtained in accelerated aging tests in the laboratory in which the paint dosimeters were exposed to SO2 and UV radiation. In addition, for the first time in this kind of research we analyzed the effect of pigment grain size and the quantity of paint binder in the decay processes affecting paints used in artworks. In order to achieve the objectives proposed in this thesis, we made a detailed study of the paint dosimeters at different scales (nano- to macroscale), applying a series of complementary analytical techniques that are widely used in research on historic paintings (e.g. SEM-EDX, FTIR-ATR, XRD, RS, spectrophotometry, etc.). We also presented the design of new analysis protocols with enormous potential in research into artists’ paints. These include the updating of the lipidomic analytical techniques used in the analysis of the interaction between the lipid binder and the pigment. We also applied chemometric techniques (PCA) to spectrophotometry data from model paint samples exposed to the elements, so as to improve our understanding of the color changes they undergo and assess the decay tendencies produced by exposure to different atmospheric pollution scenarios.