An advanced analytical study on linseed oil paint binder

Drying oils, and in particular linseed oil, were the most common binding media employed in painting between XVI and XIX centuries. Artists usually operated some pre-treatments on the oils to obtain binders with modified properties, such as different handling qualities or colour. Oil processing has a key role on the subsequent ageing of and degradation of linseed oil paints. In this thesis a multi-analytical approach was adopted to investigate the drying, polymerization and oxidative degradation of the linseed oil paints. In particular, thermogravimetry analysis (TGA), yielding information on the macromolecular scale, were compared with gas-chromatography mass-spectrometry (GC-MS) and direct exposure mass spectrometry (DEMS) providing information on the molecular scale. The study was performed on linseed oils and paint reconstructions prepared according to an accurate historical description of the painting techniques of the 19th century. TGA revealed that during ageing the molecular weight of the oils changes and that higher molecular weight fractions formed. TGA proved to be an excellent tool to compare the oils and paint reconstructions. This technique is able to highlight the different physical behaviour of oils that were processed using different methods and of paint layers on the basis of the different processed oil and /or the pigment used. GC/MS and DE-MS were used to characterise the soluble and non-polymeric fraction of the oils and paint reconstructions. GC/MS allowed us to calculate the ratios of palmitic to stearic acid (P/S), and azelaic to palmitic acid (A/P) and to evaluate effects produced by oil pre-treatments and the presence of different pigments. This helps to understand the role of the pre-treatments and of the pigments on the oxidative degradation undergone by siccative oils during ageing. DE-MS enabled the various molecular weight fractions of the samples to be simultaneously studied, and thus helped to highlight the presence of oxidation and hydrolysis reactions, and the formation of carboxylates that occur during ageing and with the changing of the oil pre-treatments and the pigments. The combination of thermal analysis with molecular techniques such as GC-MS, DEMS and FTIR enabled a model to be developed, for unravelling some crucial issues: 1) how oil pre-treatments produce binders with different physical-chemical qualities, and how this can influence the ageing of an oil paint film; 2) which is the role of the interaction between oil and pigments in the ageing and degradation process.

Trasmission and Reflection (ATR)Far-Infrared Spectroscopy Applied in the Analysis of Cultural Heritage Materials

FIR spectroscopy is an alternative way of collecting spectra of many inorganic pigments and corrosion products found on art objects, which is not normally observed in the MIR region. Most FIR spectra are traditionally collected in transmission mode but as a real novelty it is now also possible to record FIR spectra in ATR (Attenuated Total Reflectance) mode. In FIR transmission we employ polyethylene (PE) for preparation of pellets by embedding the sample in PE. Unfortunately, the preparation requires heating of the PE in order to produces at transparent pellet. This will affect compounds with low melting points, especially those with structurally incorporated water. Another option in FIR transmission is the use of thin films. We test the use of polyethylene thin film (PETF), both commercial and laboratory-made PETF. ATR collection of samples is possible in both the MIR and FIR region on solid, powdery or liquid samples. Changing from the MIR to the FIR region is easy as it simply requires the change of detector and beamsplitter (which can be performed within a few minutes). No preparation of the sample is necessary, which is a huge advantage over the PE transmission method. The most obvious difference, when comparing transmission with ATR, is the distortion of band shape (which appears asymmetrical in the lower wavenumber region) and intensity differences. However, the biggest difference can be the shift of strong absorbing bands moving to lower wavenumbers in ATR mode. The sometimes huge band shift necessitates the collection of standard library spectra in both FIR transmission and ATR modes, provided these two methods of collecting are to be employed for analyses of unknown samples. Standard samples of 150 pigment and corrosion compounds are thus collected in both FIR transmission and ATR mode in order to build up a digital library of spectra for comparison with unknown samples. XRD, XRF and Raman spectroscopy assists us in confirming the purity or impurity of our standard samples. 24 didactic test tables, with known pigment and binder painted on the surface of a limestone tablet, are used for testing the established library and different ways of collecting in ATR and transmission mode. In ATR, micro samples are scratched from the surface and examined in both the MIR and FIR region. Additionally, direct surface contact of the didactic tablets with the ATR crystal are tested together with water enhanced surface contact. In FIR transmission we compare the powder from our test tablet on the laboratory PETF and embedded in PE. We also compare the PE pellets collected using a 4x beam condenser, focusing the IR beam area from 8 mm to 2 mm. A few samples collected from a mural painting in a Nepalese temple, corrosion products collected from archaeological Chinese bronze objects and samples from a mural paintings in an Italian abbey, are examined by ATR or transmission spectroscopy.

The effect of linseed oil on the properties of lime-based restoration mortars

The traditional lime mortar is composed of hydrated lime, sand and water. Besides these constituents it may also contain additives aiming to modify fresh mortar´s properties and/or to improve hardened mortar´s strength and durability. Already in the first civilizations various additives were used to enhance mortar´s quality, among the organic additives, linseed oil was one of the most common. From literature we know that it was used already in Roman period to reduce water permeability of a mortar, but the mechanism and the technology, e.g. effects of different dosages, are not clearly explained. There are only few works studying the effect of oil experimentally. Knowing the function of oil in historical mortars is important for designing a new compatible repair mortar. Moreover, linseed oil addition could increase the sometimes insufficient durability of lime-based mortars used for reparation and it could be a natural alternative to synthetic additives. In the present study, the effect of linseed oil on the properties of six various lime-based mortars has been studied. Mortars´ compositions have been selected with respect to composition of historical mortars, but also mortars used in a modern restoration practise have been tested. Oil was added in two different concentrations – 1% and 3% by the weight of binder. The addition of 1% of linseed oil has proved to have positive effect on mortars´ properties. It improves mechanical characteristics and limits water absorption into mortar without affecting significantly the total open porosity or decreasing the degree of carbonation. On the other hand, the 3% addition of linseed oil is making mortar to be almost hydrophobic, but it markedly decreases mortars´ strength. However, all types of tested lime-based mortars with the oil addition showed significantly decreased water and salt solution absorption by capillary rise. Addition of oil into mortars is also decreasing the proportion of pores which are easily accessible to water. Furthermore, mortars with linseed oil showed significantly improved resistance to salt crystallization and freeze-thaw cycles. On the base of the obtained results, the addition of 1% of linseed oil can be taken into consideration in the design of mortars meant to repair or replace historic mortars.

Problemi di diagnostica e restauro dei materiali decorativi nell'architettura Liberty in Emilia-Romagna

Le pietre artificiali ed i cementi artistici utilizzati durante la stagione Liberty rappresentano tutt’oggi un patrimonio artistico non ancora sufficientemente studiato. In seguito ad una ricerca bibliografica su testi e riviste dei primi anni del Novecento, è stata eseguita una ricognizione del patrimonio architettonico emiliano-romagnolo, al fine di valutarne i materiali e le tipologie di degrado più diffuse. Le città e le zone oggetto di studio sono state: Bologna, Ferrara, Modena e provincia, Reggio Emilia, Parma, Firenze, la Romagna e le Marche settentrionali. Tra gli edifici individuati sono state analizzate le decorazioni e gli intonaci di tre edifici ritenuti particolarmente significativi: il villino Pennazzi (noto anche come Villa Gina) a Borgo Panigale (Bologna), villa Verde a Bologna e l’ex-albergo Dorando Pietri a Carpi. Da tali edifici sono stati selezionati campioni rappresentativi delle diverse tipologie di decorazioni in pietra artificiale e successivamente sono stati caratterizzati in laboratorio tramite diffrattometria a raggi x (XRD), termogravimetria (TGA), microscopio ottico in sezioni lucide, microscopio elettronico a scansione (SEM) e porosimetria ad intrusione di mercurio (MIP). In particolare per Villa Verde sono state formulate e caratterizzate diverse tipologie di malte variando il tipo di legante ed il rapporto acqua/cemento, al fine di garantire la compatibilità fisico-meccanica con il supporto negli interventi di risarcimento delle lacune previsti nel restauro. L’attività sperimentale svolta ha permesso di mettere a punto un vero e proprio protocollo diagnostico per il restauro di questo tipo di decorazioni che potrà essere utilizzato sia nei casi di studio analizzati che per ogni futuro intervento.

Le reologia dei leganti bituminosi stradali: studio delle proprietà meccaniche a seguito di processi di “aging” in laboratorio

Lo studio effettuato pone le sue basi sulla ricerca di materiali stradali che combinino ad elevati standard prestazionali, la riduzione dell’impatto ambientale in fase realizzativa e manutentiva. In particolare il seguente lavoro si occupa dello studio di 7 leganti modificati con polimeri ed additivati con cere. I primi infatti conferiscono alla miscela maggiore elastoplasticità, incrementandone la durabilità e la resistenza a fatica. Nei secondi la presenza del materiale paraffinico contribuisce a ridurre la viscosità del bitume, consentendo un notevole abbassamento della temperatura di produzione e stesa della miscela. Numerosi studi hanno dimostrato che le caratteristiche meccaniche della pavimentazione sono fortemente influenzate dal grado di ossidazione delle componenti organiche del bitume, ovvero dal fenomeno dell’invecchiamento o aging. Pertanto allo studio reologico del bitume, si sono affiancate prove di simulazione dell’ invecchiamento nel breve e lungo termine. In fase di ricerca sperimentale si sono analizzati i leganti modificati ed additivati secondo la teoria della viscoelasticità, simulando le reali condizioni di carico ed invecchiamento alle quali il bitume è sottoposto. Tutte le prove di caratterizzazione reologica avanzata sono state effettuate mediante l’utilizzo del DSR (Dynamic Shear Rheometer - UNI EN 14770 ) in varie configurazioni di prova e l’invecchiamento a breve termine è stato simulato mediante RTFOT (Rolling thin film oven test -UNI EN 12607-1). Si è proposto inoltre una nuova procedura di aging invecchiando il bitume alla temperatura di Twork, ovvero a quel valore della temperatura tale per cui, in fase di messa in opera, si avrà una distribuzione molecolare omogenea del modificante all’interno del bitume.

Studio numerico e sperimentale delle miscele di aggregati per i conglomerati bituminosi

I crescenti volumi di traffico che interessano le pavimentazioni stradali causano sollecitazioni tensionali di notevole entità che provocano danni permanenti alla sovrastruttura. Tali danni ne riducono la vita utile e comportano elevati costi di manutenzione. Il conglomerato bituminoso è un materiale multifase composto da inerti, bitume e vuoti d'aria. Le proprietà fisiche e le prestazioni della miscela dipendono dalle caratteristiche dell'aggregato, del legante e dalla loro interazione. L’approccio tradizionalmente utilizzato per la modellazione numerica del conglomerato bituminoso si basa su uno studio macroscopico della sua risposta meccanica attraverso modelli costitutivi al continuo che, per loro natura, non considerano la mutua interazione tra le fasi eterogenee che lo compongono ed utilizzano schematizzazioni omogenee equivalenti. Nell’ottica di un’evoluzione di tali metodologie è necessario superare questa semplificazione, considerando il carattere discreto del sistema ed adottando un approccio di tipo microscopico, che consenta di rappresentare i reali processi fisico-meccanici dai quali dipende la risposta macroscopica d’insieme. Nel presente lavoro, dopo una rassegna generale dei principali metodi numerici tradizionalmente impiegati per lo studio del conglomerato bituminoso, viene approfondita la teoria degli Elementi Discreti Particellari (DEM-P), che schematizza il materiale granulare come un insieme di particelle indipendenti che interagiscono tra loro nei punti di reciproco contatto secondo appropriate leggi costitutive. Viene valutata l’influenza della forma e delle dimensioni dell’aggregato sulle caratteristiche macroscopiche (tensione deviatorica massima) e microscopiche (forze di contatto normali e tangenziali, numero di contatti, indice dei vuoti, porosità, addensamento, angolo di attrito interno) della miscela. Ciò è reso possibile dal confronto tra risultati numerici e sperimentali di test triassiali condotti su provini costituiti da tre diverse miscele formate da sfere ed elementi di forma generica.

Caratterizzazione avanzata in laboratorio di materie prime secondarie rigenerate o stabilizzate con emulsione di bitume e leganti cementizi

Il recupero dei materiali di scarto è un aspetto di grande attualità in campo stradale, così come negli altri ambiti dell’ingegneria civile. L’attenzione della ricerca e degli esperti del settore è rivolta all’affinamento di tecniche di riciclaggio che riducano l’impatto ambientale senza compromettere le prestazioni meccaniche finali. Tali indagini cercano di far corrispondere le necessità di smaltimento dei rifiuti con quelle dell’industria infrastrutturale, legate al reperimento di materiali da costruzione tecnicamente idonei ed economicamente vantaggiosi. Attualmente sono già diversi i tipi di prodotti rigenerati e riutilizzati nella realizzazione delle pavimentazioni stradali e numerosi sono anche quelli di nuova introduzione in fase di sperimentazione. In particolare, accanto ai materiali derivanti dalle operazioni di recupero della rete viaria, è opportuno considerare anche quelli provenienti dall’esercizio delle attività di trasporto, il quale comporta ogni anno il raggiungimento della fine della vita utile per centinaia di migliaia di tonnellate di pneumatici di gomma. L’obiettivo della presente analisi sperimentale è quello di fornire indicazioni e informazioni in merito alla tecnica di riciclaggio a freddo con emulsione bituminosa e cemento, valutando la possibilità di applicazione di tale metodologia in combinazione con il polverino di gomma, ottenuto dal recupero degli pneumatici fuori uso (PFU). La ricerca si distingue per una duplice valenza: la prima è quella di promuovere ulteriormente la tecnica di riciclaggio a freddo, che si sta imponendo per i suoi numerosi vantaggi economici ed ambientali, legati soprattutto alla temperatura d’esercizio; la seconda è quella di sperimentare l’utilizzo del polverino di gomma, nelle due forme di granulazione tradizionale e criogenica, additivato a miscele costituite interamente da materiale proveniente da scarifica di pavimentazioni esistenti e stabilizzate con diverse percentuali di emulsione di bitume e di legante cementizio.

Interactions of G-quadruplex binders and Topoisomerase I inhibitors in cancer cells

Top1-DNA cleavage complexes (Top1ccs) trigger an accumulation of antisense RNAPII transcripts specifically at active divergent CpG-island promoters in a replication independent and Top1 dependent manner, leading to transcription-dependent genome instability and altered transcription regulation. Using different cancer cell lines of colon and osteo origins, we show that they display different sensitivity to CPT and G4 binder that is independent from Top1 level. To look at the interactions between Top1 and G4, we show that co-treatment with G4 binders potentiate the cell cytotoxicity of CPT regardless of the treatment sequences. Potentiation is indicated by a reduced inhibition concentration (IC50) with a more profound cytotoxicity in CPT-resistant cell lines, HCT15 and U2OS, hence, indicating an interaction between Top1inhibitor and G4 binders. Moreover, computational analysis confirmed the present of G4 motifs in genes with CPT-induced antisense transcription. G4 motifs are present mostly 5000 bp upstream from transcription start site and notably lower in genes. Comparisons between genes with no antisense transcription and genes with antisense transcription show that G4 motifs in this region are notably lower in the genes with antisense transcripts. Since CPT increases negative supercoils at promoters of intermediate activity, the formation of G4 is also increased in CPT-treated cells. Suprisingly, formation of G4 is regulated in parallel to the transient stabilization of R-loops, indicating a role in response to CPT-induced stress. G4 formation is highly elevated in Pyridostatin treated cells, which previous study shows increased formation of γH2Ax foci. This effect is also seen in the CPT-resistant cell lines, HCT15, indicating that the formation is a general event in response to CPT. We also show that R-loop formation is greatly increased in Pyridostatin treated cells. In order to study the role of R-loops and G4 structures in Top1cc-dependant repair pathway, we inhibited tyrosyl-phosphodiestrase 1 (TDP-1) using a TDP-1 inhibitor.