Propriétés des huiles utilisées en peinture : rôle des siccatifs au plomb

Properties of oils used in artistic paints : role of lead driers

• Auteur / Autrice : Lucie Laporte
• Direction : Laurence de Viguerie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'archéologie moléculaire et structurale (Paris ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Michot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guylaine Ducouret, Francisco Mederos Henry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bauduin, Véronique Schmitt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Diffusion centrale

Rhéologie

Plomb -- Composés

Oxydes métalliques

Huile de lin

Peinture -- Technique

Propriétés physico-chimiques

Peinture à l'huile

Mots clés libres

Peinture à l'huile

Savons de plomb

Rhéologie

Diffusion des rayons X aux petits angles

Oil paint

Lead soaps

Rheology

Small Angle X-ray Scattering

Résumé

À partir du XVe siècle, les peintres préparent leurs peintures en broyant les pigments en présence d’huiles siccatives, comme l’huile de lin. Cette dernière constitue le liant, et forme un film solide après un long temps d’exposition à l’air. Afin d’accélérer le processus de séchage, il était d’usage pour les peintres de traiter leurs huiles avant d’y adjoindre des pigments. De nombreuses recettes historiques recommandent de chauffer les huiles en présence d’oxydes métalliques, appelés siccatifs. Parmi eux, l’oxyde de plomb (II) PbO était le plus fréquemment utilisé. En complément, de l’eau pouvait être ajoutée dans le milieu réactionnel. De tels traitements modifient la composition chimique des systèmes : les triglycérides de l’huile sont partiellement saponifiés et des savons de plomb sont formés. Simultanément, les propriétés physico-chimiques des huiles (consistance, couleur) évoluent. Ce travail vise à préciser les changements induits par le pré-traitement des huiles et à en comprendre l’origine. Dans ce but, les recettes historiques ont été transcrites en un protocole de formulation reproductible. Dans un second temps, la caractérisation des huiles traitées obtenues a été effectuée aux trois échelles : macroscopique, mésoscopique et moléculaire. L’impact de la quantité initiale de PbO (de 0 à 50% mol) et de l’ajout d’eau a été étudié. À l’échelle macroscopique, les propriétés rhéologiques sont fortement modifiées : l’huile seule, initialement newtonienne, voit sa viscosité augmenter avec la teneur en savons de plomb. Au-delà de 50% de PbO, les huiles saponifiées sont rhéofluidifiantes. L’échantillon d’huile chauffé avec 50% de PbO est également viscoélastique. À l'échelle supramoléculaire, des analyses SAXS et cryo-TEM ont révélé la présence de domaines lamellaires dispersés dans une matrice non organisée. La teneur en savons de plomb a un impact sur l’étendue et la distance caractéristique des domaines lamellaires. Afin de comprendre l’impact du cisaillement sur la structuration lamellaire identifiée au repos, les échantillons ont ensuite été analysés en rhéo-SAXS avec un faisceau synchrotron. Sous cisaillement continu, les lamelles ont adopté une orientation préférentielle dite parallèle. Un délaminage progressif a également été observé, plus marqué pour les échantillons les plus saponifiés. De manière surprenante, le cisaillement oscillatoire de l’échantillon viscoélastique a induit la formation de cylindres unilamellaires alignés dans le plan de cisaillement, conjointement à une diminution de l’élasticité de l’échantillon. En parallèle, l’influence de l’ajout d’eau au cours du chauffage a été étudiée : un déphasage progressif des échantillons a été observé, et les deux phases ont été caractérisées aux trois échelles. La caractérisation fine de la composition chimique des huiles saponifiées s’est avérée délicate mais a mis en évidence la grande diversité des espèces présentes dans les huiles traitées (savons, triglycérides partiellement saponifiés, chaînes aliphatiques isomérisées, cyclisées, etc.), et ce en raison des nombreux mécanismes réactionnels impliqués lors du chauffage. Aborder les huiles saponifiées selon une approche multi-échelles apporte un éclairage nouveau sur ce type de matériaux : le lien entre structuration supramoléculaire et comportement rhéologique a clairement été établi. La reconstitution de recettes historiques d'huiles chauffées en présence de PbO et l'utilisation de techniques analytiques complémentaires nous permet de mieux comprendre les pratiques picturales en usage à partir du XVe siècle. Afin d’affiner encore notre connaissance de ces systèmes, l’étude des huiles saponifiées au cours du séchage gagnerait à être poursuivie. Les observations faites sur les systèmes liquides pourraient ainsi être reliées aux altérations constatées à long terme sur les œuvres d’art.

Since the 15th century, artistic painters have prepared paint mixtures by adding oil binders to various pigments. Oils commonly used in historical paints, such as linseed oil, are called drying oils: they exhibit natural hardening properties after a long period of exposure to air. To accelerate the drying process, numerous historical recipes mention the use of inorganic drying compounds (or “driers”). Among them, lead (II) oxide PbO was the most frequently used. The driers were ground, added to the oil and the mixture was heated, possibly with water. Such treatments modify the chemical composition of the systems: the triglycerides of the oil are partially saponified and lead soaps are formed. Simultaneously, the physicochemical properties of the oils (consistency, color) change. This work aims to detail the changes induced by the pre-treatment of oils and to understand their origin. To do so, the historical recipes were first translated into a reproducible formulation protocol. In a second step, the characterization of the obtained treated oils was performed at the macroscopic, mesoscopic and molecular scales. The impact of the initial amount of PbO (from 0 to 50 mol%) and of the addition of water were studied. On a macroscopic scale, the rheological properties are significantly modified: oils cooked with 0 to 31% PbO behaved like Newtonian fluids. With 50% PbO, metal soaps induced important modifications of the rheological properties, leading to viscoelastic systems with shear-thinning behavior. At the supramolecular scale, SAXS and cryo-TEM analyses revealed the presence of lamellar domains dispersed in an unorganized matrix. The lead soap content has an impact on the extent and on the characteristic distance of the lamellar domains. To understand the impact of shear on the lamellar structuring identified at rest, the samples were then analyzed by rheo-SAXS on a synchrotron beamline. Continuous shear led to a preferential parallel orientation of the lamellae. A progressive delamination was also observed, increasingly marked for the most saponified samples. Surprisingly, an oscillatory shear on the viscoelastic sample induced the formation of unilamellar cylinders aligned in the shear plane, together with a decrease in the elasticity of the sample. In parallel, the influence of the addition of water during heating was studied: a progressive demixing of the samples was observed, and the two phases were analyzed. The fine characterization of the chemical composition of the saponified oils proved to be arduous but highlighted the great diversity of species present in the treated oils (soaps, partially saponified triglycerides, isomerized and cyclized aliphatic chains, etc.), due to the numerous reaction mechanisms involved during heating. The multi-scale approach applied to saponified oils sheds new light on this type of material: the link between supramolecular structuring and rheological behavior has been clearly established. The reconstitution of historical recipes of oils heated with PbO and the use of complementary analytical techniques allow us to better understand the pictorial practices in use from the 15th century. In order to further refine our knowledge of these systems, the study of saponified oils during drying would require further research. Observations performed on the liquid systems could thus be correlated with the alterations that occur on the works of art in the long term.