Smart surfaces for architectural heritage: self-cleaning titanium dioxide nano-coatings on travertine

The development and application of self-cleaning treatments on historical and architectural stone surfaces could lead to significant improvements in conservation, protection and maintenance of Architectural Heritage. Titanium dioxide (TiO2) can be used to realize transparent self-cleaning coatings on stone surfaces as an active and preventive protection system, limiting cleaning and maintenance actions, decreasing the onset of degradation processes and reducing maintenance costs. The self-cleaning ability of titanium dioxide is due to its two photo-induced properties activated by ultraviolet irradiation of solar light: photocatalysis and superhydrophilicity. The aim of this research is to analyse this effect. Two different titania-based products, obtained by two different processes, were deposited on travertine (a porous limestone often used in historical and monumental buildings) by spray coating in two different ways, obtaining a single-layer and a three-layers treatment for each product. The effects of deposited amount of titania on the characteristics of treated surfaces were evaluated in following analyses. In order to verify the potential use of titania in the field of Cultural Heritage, the maintenance of appearance properties of the treated travertine surfaces was monitored by colour and gloss analyses. The potential harmful effects of photo-induced hydrophilicity and eventual greater water absorption by treated stone was evaluated through water absorption by capillarity, static contact angle and surface water absorption analyses before and after the TiO2 deposition. De-pollution and soiling removal tests were carried out under UV-light exposure to evaluate photo-induced effects and self-cleaning efficiency. Results seem to allow the use of TiO2-based treatments on historical and architectural surfaces made up by travertine. Further analyses are necessary to evaluate the multidisciplinary features of TiO2 nano-coatings.

Lo sviluppo e l'applicazione di trattamenti auto-pulenti su pietre di valore storico e architettonico possono portare a miglioramenti significativi nella conservazione, la protezione e il mantenimento dei Beni Architettonici. Il biossido di titanio (TiO2) può essere utilizzato per realizzare rivestimenti auto-pulenti trasparenti sulle pietre, limitando interventi di pulizia e manutenzione, l'insorgere di processi di degradazione e riducendo i costi di mantenimento. La capacità auto-pulente del biossido di titanio è dovuta alle sue due proprietà foto-indotte attivate dall'irraggiamento ultravioletto della luce solare: fotocatalisi e superidrofilia. Lo scopo di questa ricerca è quello di analizzare questo effetto. Due diversi prodotti a base di titania, ottenuti tramite due processi differenti, sono stati depositati sul travertino (una pietra calcarea porosa usata spesso in edifici storici e monumentali) tramite spray, ottenendo un trattamento a strato unico e uno a tre strati per ogni prodotto. Gli effetti del quantitativo depositato di titania sulle caratteristiche delle superfici trattate sono stati considerati nelle analisi seguenti. Per verificare l'uso del TiO2 nel campo dei Beni Culturali, la conservazione dell'aspetto delle superfici di travertino è stata monitorata analizzando colore e brillantezza. I possibili effetti dannosi dell'idrofilia foto-indotta e l'eventuale maggiore assorbimento d'acqua da parte della pietra trattata sono stati valutati mediante analisi dell'assorbimento d'acqua per capillarità, dell'angolo di contatto e dell'assorbimento superficiale prima e dopo la deposizione del TiO2. Test anti-inquinamento e di rimozione dello sporco sono stati effettuati sotto luce UV per stimare l'efficacia auto-pulente. I risultati sembrano consentire l'uso di trattamenti a base TiO2 su superfici storiche e architettoniche costituite da travertino. Ulteriori analisi sono necessarie per valutare le caratteristiche dei nano-rivestimenti di TiO2.