Altération des textiles de fibres naturelles en environnement intérieur : le rôle des polluants atmosphériques

par Pauline Uring

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Anne Chabas et de Stéphane Alfaro.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec LISA - Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques. (laboratoire) .


  • Résumé

    Les textiles sont des matériaux à la fois quotidiens, omniprésents dans nos intérieurs, mais aussi de prestige, comme en témoigne leur profusion dans les collections des musées et monuments historiques. La préciosité et l'unicité de ceux-ci nécessitent de les préserver sur des périodes prolongées durant lesquelles l'environnement a un impact déterminant. Ce travail de thèse vise à comprendre le rôle précis de l'environnement d'exposition des textiles dans la dégradation des fibres naturelles qui les composent, et plus particulièrement les mécanismes encore méconnus de dégradation liés à la présence de polluants atmosphériques, gazeux et particulaires. Pour y parvenir, une approche environnementale a été utilisée. Tout d'abord, quatre musées et monuments historiques situés dans des milieux contrastés - urbain (Musée de Cluny, Paris), semi-rural (château de Fontainebleau), marin (musée de la Tapisserie de Bayeux et Villa Kérylos, Beaulieu-sur-Mer) - ont été sélectionnés pour représenter la variété des conditions de conservation des textiles en France. Ces sites ont été étudiés de manière exhaustive (microclimat, concentration en polluants gazeux, granulométrie et chimie des aérosols, morphochimie des particules déposées, vitesse d'empoussièrement) afin de disposer de données environnementales complètes. Certaines pièces des monuments ont également été sélectionnées comme plateformes d'exposition de textiles-modèles (coton, laine et soie) pour un vieillissement naturel. Les données environnementales collectées ont été utilisées pour conditionner des expériences de vieillissement accéléré en laboratoire. La chambre CIME, dédiée à l'étude de l'interaction entre les matériaux et leur environnement, a été utilisée pour reproduire le dépôt sec de particules clés identifiées sur sites (mélange de calcite, argiles, suies, mascagnite et halite) et pour exposer les textiles empoussiérés artificiellement et naturellement à plusieurs polluants gazeux (SO2, NO2, CO2, O3, COV). Les concentrations des espèces gazeuses et les conditions thermo-hygriques ont été choisies en accord avec les mesures effectuées sur site. Ce dispositif expérimental, mettant en parallèle mesures et expositions in-situ avec expériences en laboratoire, a permis de mettre en évidence et de suivre à la fois la réactivité des couches de particules et l'évolution des fibres exposées aux polluants. Le dépôt est le premier à réagir en formant des efflorescences. La croissance de celles-ci peut se faire entre les fibres des textiles. Ces néoformations de sulfates, nitrates et formates se produisent indépendamment de la nature du substrat. Elles peuvent être dommageables pour les textiles car leur emplacement au sein des fibres les rend difficiles à dépoussiérer et ces nouveaux mélanges de sels peuvent avoir des points de déliquescence plus bas, favorisant ainsi la formation de films d'eau. Les fibres sont également altérées par le contact avec les polluants gazeux : le SO2 et l'acide formique mènent à la rupture de liaisons des chaînes polymères du coton et des liaisons peptidiques de la soie, tandis que le NO2 engendre plutôt des oxydations des fibres. Le coton est le plus sensible au NO2 (combinaison de l'oxydation et de l'hydrolyse des fibres). Si l'acide formique attaque la laine en entraînant des ruptures de liaisons covalentes, comme pour les autres fibres naturelles étudiées, cette fibre résiste mieux au SO2 que la soie et semble même être protégée des altérations futures suite à son exposition à ce polluant. Dans tous les cas, les altérations provoquées par les polluants gazeux sont exacerbées en présence de dépôt, quelle que soit sa composition chimique. Cette recherche combinant étude environnementale et simulation réaliste des vieillissements de textiles-modèles met clairement en évidence le caractère non protecteur des particules et la nécessité de limiter leur impact en condition intérieure.

  • Titre traduit

    Natural textile fibers degradation in indoor environment: the role of atmospheric pollutants


  • Résumé

    Textiles are ambivalent materials: they belong simultaneously to our daily life and to the collections of prestigious museums. In the latter case, they are both unique and precious and thus need to be preserved in the best possible state over long periods of time during which the environment has a strong impact. This thesis aims at understanding precisely the part played by the indoor environment in the degradation of natural fibers and in particular the seldom-studied alteration mechanisms involving gaseous and particulate atmospheric pollutants. For this purpose, an environmental approach was used. First, four museums and historic monuments located in contrasted environments - urban (Cluny Museum, Paris), semi-rural (Palace of Fontainebleau), marine (Bayeux Museum and Villa Kérylos, Beaulieu-sur-Mer) - were selected to represent the variety of textile preservation conditions in France. These sites were thoroughly studied (microclimate, gaseous pollutants concentrations, size-distribution and composition of the aerosols, morphochemistry of the deposited particulate matter, dust accumulation rates) in order to gather complete environmental datasets. Some of the rooms of these monuments were also selected for the display and natural ageing of reference textiles (cotton, wool and silk). These collected environmental data were used to select the parameters of accelerated ageing performed in a dedicated environmental chamber (CIME). This custom-built ageing chamber was designed for studying the interaction between materials and their environment. It was used to reproduce dry deposition of the main types of particles identified on site (mix of calcite, clays, soot, mascagnite and halite) and to expose soiled textiles to several harmful gaseous pollutants (SO2, NO2, CO2, O3, VOCs). Concentration levels of the selected gaseous pollutants were set according to the on-site measurements. This experimental setup combining in-situ measurements and laboratory artificial ageing allowed to highlight and to monitor both the reactivity of dust layers towards gaseous species and the evolution of fibers exposed to atmospheric pollutants. The layer of particles is the first to react, showing efflorescence blooming. These newly formed sulfates, nitrates, and formates can grow between the textiles' fibers and their nature does not depend on the type of substrate. Their presence can indirectly damage the underlying textile: indeed, their removal by vacuum cleaning is made difficult (the particles are interlocked with the fibers) and these newly formed salts can have lower deliquescence points, fostering the formation of thin layers of water. Fibers are also damaged by gaseous pollutants: SO2 and formic acid cause the cleavage of cotton's glycosidic links and silk's peptide bonds, while NO2 promotes the oxidation of the fibers. The most harmful pollutant towards cotton is NO2 since it causes both its oxidation and hydrolysis. The case of wool is more complicated: formic acid provokes peptide link cleavage (similarly to silk) but this fiber is less sensitive to SO2 attacks than silk and even seems to be protected against future alterations after having been exposed to this pollutant. In any case, damages caused by gaseous pollutants are fostered by the presence of particles, regardless of the chemical composition of the dust layer. This research combining environmental study and realistic ageing simulations of reference textiles clearly outlines the harmful potential of particles and therefore the need to mitigate their impact in indoor cultural heritage.