Physical chemical studies of pigments of archaeological decorated textiles and the best methods of restoration and conservation them

Abstract

Archaeologists in Egypt discovered ancient colored textiles in great quantities in comparison with the analogous uncolored ones. Furthermore, the latter are far more deteriorated. Most research investigations into archaeological linen have been concerned with manufacture, restoration, and conservation but little information is available about the properties of the fibers and particularly their chemical and physical properties after dyeing with natural dyes or painted with inorganic pigments. The main aim of this study is to evaluate the physicochemical properties of Egyptian linen textiles coloring with a variety of pigments and natural dyes used in ancient times after thermally aged to get linen samples which are similar as possible to the ancient linen textiles. The evaluations were based on Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction and Tensile strength and Elongation measurements. Results showed that beyond cosmetic reasons, colored textiles did indeed play a role as protecting agents affecting strength and reducing thermal deterioration. Specifically, in the molecular level, pigments and natural dyes under study seem to interact to cellulose and lignin compounds of the aged linen while in the macroscopic level tensile and elongation parameters are altered. Electron microscopy confirms that pigment particles are deposited on and between the fibers surfaces, while dye molecules are small enough to permeate the fibres with colour.Moreover, this work is also focused on testing and analysis of some Archaeological samples from different places and periods of ancient Egypt to identify the pigments, dyes and binding media in order to understand the painting and dyeing techniques used in their decoration and to establish the degree of damage of the ancient fibres. Scientific analytical techniques have been employed for this purpose, such as FTIR, SEM, XRD and XRF. The results confirmed that all archaeological fibre textiles are made of linen and the blue dye of sample (N. R60-2) may be indigo, the dark red dye of sample (N. S-58) is cochineal dye and the black colour of sample (N. Z-57) is black charcoal. Scanning electron microscopy result shows that the fibres are severely damaged, consistent with loss of scale structure of linen fibre in according with XRD and FTIR results. XRD, XRF and FTIR results of ancient inorganic pigments confirmed that the red pigment is hematite, the yellow one is natrojarosite and the light green pigment is mixture of Egyptian blue, goethite and calcite.

Οι αρχαιολόγοι στην Αίγυπτο έχουν ανακαλύψει αρχαία βαμμένα υφάσματα σε σημαντικές ποσότητες συγκριτικά με τα αντίστοιχα άβαφτα. Επί πλέον, τα τελευταία είναι πολύ πιο υποβαθμισμένα. Οι πιο πολλές ερευνητικές προσπάθειες σχετικά το αρχαιολογικό λινό έχουν ασχοληθεί με την παρασκευή, την αποθήκευση και την συντήρηση, αλλά λίγες πληροφορίες είναι διαθέσιμες σχετικά με τις ιδιότητες των ινών και ιδιαιτέρως τις χημικές και φυσικές τους ιδιότητες μετά το βάψιμο με φυσικές βαφές ή με ανόργανες χρωστικές ουσίες. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να αξιολογήσει τις φυσικοχημικές ιδιότητες των Αιγυπτιακών λινών υφασμάτων, βαμμένων με ποικίλες ανόργανες χρωστικές ουσίες και φυσικές βαφές οι οποίες χρησιμοποιούνταν στην αρχαιότητα, μετά από θερμική γήρανση των λινών ώστε να είναι κατά το δυνατόν παρόμοια με τα αρχαία λινά υφάσματα. Οι αξιολογήσεις βασίζονται στο φασματοφωτόμετρο μετασχηματισμών Fourier (FTIR), στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), στην περίθλαση ακτινών ΧRD και την αντοχή σε εφελκυσμό, και σε μετρήσεις επιμήκυνσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι εκτός από αισθητικούς λόγους, τα βαμμένα υφάσματα όντως διαδραμάτισαν ένα ρόλο ως παράγοντες προστασίας, επηρεάζοντας και περιορίζοντας την θερμική φθορά. Ειδικότερα, σε μοριακό επίπεδο, οι ανόργανες χρωστικές ουσίες και οι φυσικές βαφές φαίνεται να αλληλεπιδρούν με την κυτταρίνη και τη λιγνίνη των παλαιωμένων λινών, ενώ στο μικροσκοπικό επίπεδο οι εκτεινόμενες παράμετροι μεταβάλλονται. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο επιβεβαιώνει πως τα σωματίδια της (ανόργανης) χρωστικής ουσίας είναι τοποθετημένα πάνω και ανάμεσα στις επιφάνειες των ινών, ενώ τα μόρια των (φυσικών) βαφών είναι αρκετά μικρά για να διαποτίσουν τις ίνες με χρώμα. Επιπλέον, η εργασία αυτή επικεντρώθηκε σε δοκιμές και αναλύσεις μερικών αρχαιολογικών δειγμάτων από διαφορετικά μέρη και περιόδους της αρχαίας Αιγύπτου για να προσδιοριστούν οι χρωστικές, οι βαφές και τα διαβρωτικά μέσα, προκειμένου να κατανοηθούν η ζωγραφική και οι τεχνικές βαφής οι οποίες χρησιμοποιούνταν στην διακόσμηση τους και να καθοριστεί ο βαθμός ζημίας των αρχαίων ινών. Για το σκοπό αυτό έχουν χρησιμοποιηθεί οι επιστημονικές αναλυτικές τεχνικές όπως FTIR, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), περίθλαση ακτινών ΧRD και XRF. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι όλα τα αρχαιολογικά υφάσματα είναι κατασκευασμένα από λινό, η μπλε βαφή του δείγματος (N. R60-2) μπορεί να είναι το λουλάκι, το σκούρο κόκκινο του δείγματος (N. S-58) είναι κοχενίλλη βαφή και το μαύρο χρώμα του δείγματος (N. Z-57) είναι μαύρο κάρβουνο. Το αποτέλεσμα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης δείχνει πως οι ίνες είναι εντελώς κατεστραμμένες, σε συνδυασμό με την απώλεια της δομικής κλίμακας των ινών λινού σύμφωνα με τα αποτελέσματα XRD και FTIR. Τα αποτελέσματα XRD, XRF και FTIR των αρχαίων ανόργανων βαφών επιβεβαίωσαν ότι η κόκκινη βαφή είναι αιματίτης, η κίτρινη είναι “natrojarosite” και η φωτεινή πράσινη βαφή είναι μείγμα από αιγυπτιακό μπλε, γαιτίτη και ασβεστίτη.