A humidity-buffering and visual indication wood substrate for preventive conservation of wooden cultural heritage

Resumo Técnico: Um Substrato de Madeira para Amortecimento de Umidade e Indicação Visual para a Conservação Preventiva do Patrimônio Cultural em Madeira

Definição do Problema
O patrimônio cultural em madeira armazenado em repositórios de museus selados e vitrines de exibição enfrenta riscos significográficos decorrentes de microambientes instáveis e de alta umidade, incluindo inchamento, bolor, decomposição e fissuras. O controle atual da umidade depende fortemente de dispositivos eletromecânicos, que consomem muita energia, podem responder lentamente e podem perturbar relíquias frágeis através do fluxo de ar. Além disso, materiais existentes de função única ou indicadores químicos falham em fornecer simultaneamente o amortecimento passivo da umidade e o monitoramento visual sem contato em espaços fechados. Há uma carência crítica de substratos ecológicos e de baixa intervenção que integrem a regulação passiva da umidade com a indicação visual da umidade, particularmente aqueles que preservem a autenticidade e a estrutura fibrosa da madeira.

Metodologia
Este estudo empregou uma estratégia de coimpregnação ultrassônica suave e de baixa temperatura para modificar os substratos de madeira. Três espécies de madeira comerciais — Cunninghamia lanceolata (cipreste chinês), Paulownia spp. e Populus spp. (choupo) — foram inicialmente selecionadas para identificar o substrato ideal com base na estrutura de poros, eficiência de impregnação e estabilidade dimensional.

• Seleção do Substrato: O choupo foi selecionado como o substrato ideal devido ao seu desempenho equilibrado em impregnação uniforme e inchamento controlável.
• Sistema de Modificação: A madeira foi impregnada com um solvente misto verde (etanol anidro e água deionizada, pH ajustado para 4,5–5,5 com ácido cítrico) contendo dois aditivos funcionais:
  • Glicerol: Para aumentar a responsividade à umidade e a estabilidade dimensional via higroscopicidade e preenchimento de poros.
  • Antocianina de Batata Doce Roxa: Um pigmento natural sensível ao pH que serve como um indicador de cor visual para mudanças de umidade.
• Desenho Experimental: O estudo utilizou experimentos preliminares, testes de fator único e experimentos ortogonais ($L_9(3^3)$) para otimizar a formulação. As variáveis principais incluíram a fração de massa de glicerol, a fração de massa de antocianina e o tempo de impregnação.
• Métricas de Avaliação: O desempenho foi avaliado utilizando o ganho de porcentagem de peso (WPG), o conteúdo de umidade de equilíbrio (EMC), taxas de mudança dimensional, cinética dinâmica de absorção de umidade e a diferença total de cor ($\Delta E^*_{ab}$) sob alta umidade (80% UR).
• Caracterização: Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) foram utilizadas para analisar as mudanças microestruturais, a carga de componentes e os mecanismos de modificação. A durabilidade a longo prazo foi avaliada através de 60 dias de envelhecimento cíclico de molhagem-secagem.

Principais Resultados

• Processo Ótimo: Os parâmetros de modificação ideais foram determinados como sendo 22% em massa de glicerol, 0,6% em massa de antocianina e um tempo de impregnação de 9 horas.
• Amortecimento de Umidade: Sob as condições ótimas, o choupo modificado exibiu uma capacidade de absorção de umidade de 24 horas 51% maior em comparação com o choupo não tratado. O material atingiu o equilíbrio de umidade mais rapidamente (9 horas vs. 12 horas para a madeira não tratada) e demonstrou maior absorção de umidade (35,0 ± 2,8 g/m²).
• Indicação Visual: A madeira modificada mostrou uma mudança de cor reversível e responsiva à umidade. A 80% de UR, a diferença total de cor ($\Delta E^*_{ab}$) estabilizou-se em aproximadamente 3,01, indicando um escurecimento perceptível adequado para monitoramento visual. A resposta de cor foi rápida, estabilizando-se antes da saturação total da umidade.
• Estabilidade Dimensional: A modificação melhorou a estabilidade dimensional; as amostras tratadas com 22% em massa de glicerol apresentaram uma taxa de mudança dimensional tangencial 4,8% menor do que as amostras em branco, restringindo efetivamente a deformação por inchamento.
• Durabilidade: Após 60 dias de envelhecimento cíclico de molhagem-secagem, o material reteve aproximadamente 80% do seu desempenho inicial de indicação de cor, com a diferença total de cor permanecendo dentro de uma faixa estável (2,42–3,05).
• Mecanismo: A análise por MEV confirmou que a modificação foi governada pelo preenchimento de poros e pela formação de filmes contínuos dentro dos lúmens celulares e espaços intercelulares, sem danificar o esqueleto fibroso. A análise por FTIR revelou extensas ligações de hidrogênio intermoleculares entre os grupos hidroxila do glicerol/antocianina e os polímeros da parede celular da madeira (celulose/hemicelulose), enquanto a espinha dorsal de polissacarídeos permaneceu intacta (sem degradação da banda C=O de acetila).

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este trabalho fornece um substrato de dupla funcionalidade e compatível com o meio ambiente que aborda as limitações dos materiais de conservação atuais. Ao integrar o amortecimento passivo da umidade com a indicação visual em um único material à base de madeira, o sistema oferece uma solução para a conservação preventiva de baixa intervenção e baixo dano.

O estudo enfatiza que o processo suave de ultrassom de baixa temperatura preserva a estrutura fibrosa natural e a autenticidade da madeira, alinhando-se aos princípios de intervenção mínima da conservação do patrimônio. O material resultante é proposto como um substrato de controle passivo de umidade adequado para vitrines de museus e proteção contra umidade interna para edifícios residenciais e arquitetura antiga em regiões úmidas. Os autores observam que, embora a mudança de cor seja perceptível, ela é mais adequada para observação de curto alcance e não para detecção remota, e que o estudo atual focou primariamente na adsorção sob condições de alta umidade. Sugere-se que trabalhos futuros explorem ciclos bidirecionais de adsorção-dessorção e fatores de envelhecimento mais amplos.