De nouvelles alternatives pour limiter l’interaction du bois avec l’eau

Le 9 juillet 2019

Afin de proposer des solutions innovantes pour améliorer les performances naturelles du bois, un projet de recherche collaboratif entre 3SR, LGP2, CTP et FCBA a été financé par l’institut Carnot Polynat qui réunit de nombreuses compétences. Les résultats obtenus sont synthétisés dans cet article.

De par sa nature, chimique et physiologique, le matériau bois interagit avec l’eau. Cette affinité, liée aux liaisons de nature hydrogène, entraîne des contraintes pour la mise en oeuvre. En particulier, les principales contraintes sont liées aux variations dimensionnelles, changement de couleur, stabilité des finitions ou attaques biologiques. Des solutions ont été investiguées. Certaines sont commercialisées et consistent en la mise en place d’une couche protectrice imperméabilisant la surface ou bien conduisent à des modifications chimiques du bois. Il est ainsi possible d’imperméabiliser le matériau par application d’une couche hermétique ou bien de réduire la proportion des groupements présentant une affinité pour l’eau, par traitement thermique dégradant les hémicelluloses ou par modification chimique via une acétylation, par exemple.

Des alternatives sont possibles. Ainsi, trois solutions originales, issues d’autres industries, ont été proposées pour modifier la propension du bois massif à interagir avec l’eau : la chimie chromatogénique, la dépose d’une lignine rendue hydrophobe par oxypropylation et une modification des phénols du bois. Chaque méthode repose sur un principe différent :

1. La modification des groupes hydroxyles du bois par traitement de type chromatogénie. Il consiste à greffer des polymères à grande chaîne de carbone (acides gras) sur les groupements. Le réactif utilisé est un chlorure d’acide gras à 16 atomes de carbone dilué dans un éther de pétrole. une quantité limitée de liquide est appliquée sur le bois et, sous l’action très brève d’une température élevée, le greffage est obtenu. Deux couches de greffage sont possibles pour renforcer l’effet barrière du traitement ainsi qu’une modification de la concentration en éléments actifs.

2. La modification de lignine (issue de la cuisson à la soude de paille de blé) par oxypropylation, à haute température et sous pression, en présence de soude et de carbonate de propylène. La solution de lignine obtenue est ensuite directement enduite sur le bois au pinceau en une ou plusieurs couches, comme une finition.

3. La modification des phénols présents à la surface du bois : elle est obtenue par trempages successifs dans différents bains de solutions. Plusieurs modalités de traitement sont expérimentées. Ces trois méthodes présentent des niveaux de maturité différents et sont classées dans l’ordre de transfert industriel, à court ou moyen terme. Leur intérêt réside dans leur spécificité car seule une partie du bois est traitée. Ainsi, les propriétés de résistance mécaniques attendues sont équivalentes à celle du bois initial et le coût des traitements limité grâce à des quantités de matières actives déposées réduites.

Différentes conditions de mises en oeuvre ont été testées pour chacune de ces trois méthodes avec un objectif initial de réduire l’absorption de l’eau par le bois.   

Impact des traitements sur l’absorption d’eau

Le gonflement dans l’eau, évalué au travers de la prise de masse lors de l’immersion, est un facteur discriminant pour évaluer les performances des traitements. Les essais sont menés sur le hêtre, une essence qui a une grande tendance à l’absorption naturellement.

Une éprouvette de bois traité (ou non traité dans le cas des éprouvettes témoins) est immergée dans l’eau pendant 24 heures pour évaluer sa variation massique. Elle sert de référence. La reprise en eau des éprouvettes traitées est exprimée en fonction de cette référence : plus le traitement sera efficace, moins l’éprouvette absorbera d’eau. Le témoin, sans traitement, présente une efficacité nulle. Les autres résultats montrent des améliorations importantes sur la tendance au gonflement grâce aux traitements appliqués. Plusieurs conditions expérimentales ont été mises en oeuvre.

Dans le cas de la chromatogénie, les paramètres optimaux à la réalisation de la réaction de greffage sur du bois sont définis : la température, la pression, le choix et la quantité de réactif. Ces paramètres garantissent un bon rendement de greffage sans altérer le matériau. Dans les conditions optimisées, la chromatogénie permet de réduire de près de 70% la reprise en eau par rapport au même bois non traité. Les autres conditions testées au travers des différentes expériences sont également relativement performantes, avec au minimum 55% d’efficacité. Ces éléments prouvent la robustesse des traitements appliqués.

Dans le cas de l’enduction de lignine modifiée, les performances sont moindres et directement reliées au nombre de couches. Ainsi, l’application de matériel hydrophobe permet d’atteindre au mieux une efficacité pour limiter la reprise en eau de 40%. Enfin, l’activation des phénols permet d’atteindre des performances de près de 70%. Toutefois, selon les conditions expérimentales, les performances varient. Ainsi, la démarche expérimentale au cours de cette phase du projet a permis, dans un premier temps, de valider la transposition des techniques maitrisées pour d’autres applications au matériau bois. Les solutions proposées sont performantes pour réduire la propension du bois à absorber l’eau.

Angles de contact

Sur les traitements les plus performants, des angles de contact ont été mesurés. Ils permettent d’évaluer la mouillabilité de la surface et donc son affinité pour des solutions aqueuses. Deux essences sont à présent considérées : hêtre et pin sylvestre. De plus, du pin acétylé est ajouté comme élément comparatif. Les mesures sont réalisées sitôt après dépose et l’évolution de l’angle de contact sur les deux premières minutes est observée afi n d’identifi er un éventuel défaut de stabilité des solutions de traitement proposées.

Plus l’angle est important et moins la surface est mouillable et donc l’étalement des gouttes limité. Sur les échantillons de contrôle, sans traitement, les valeurs sont initialement les plus basses. Les traitements permettent tous de réduire la mouillabilité des éprouvettes par l’eau. Les gains varient selon l’essence considérée, et le hêtre, dont la mouillabilité initiale est supérieure à celle du pin, présente les meilleurs. Il y a donc un impact de la nature du bois sur les résultats.

Les performances sont différentes selon les traitements. Le meilleur permet d’obtenir une surface pratiquement déperlante avec des angles proches de 120° sur le hêtre et le pin : la chromatogénie avec un greffage unique présente les angles les plus grands et une forte stabilité sur les 2 minutes de mesure. L’application de lignine modifiée est plus performante sur le hêtre que sur le pin. Sur cette même essence, l’activation des phénols entraîne une diminution de l’ange de contact avec un fort impact de la durée. Ainsi, au contraire de ce qui est observé sur le hêtre, ce traitement ne permet pas de diminuer l’affinité du pin pour l’eau. La présence de résine peut en partie justifier ces différences.

Comportement au vieillissement

Afin d’évaluer le comportement en conditions extérieures simulées, des éprouvettes de hêtre sont traitées dans les conditions présentant les performances les meilleures. Ces éléments sont soumis à un vieillissement artificiel, alternant des cycles d’exposition aux UV, de séchage et de réhumidification.

Avant vieillissement, les éprouvettes présentent un aspect similaire à celui des témoins sans traitement. Vieillies avec l’appareil de vieillissement artificiel QUV pendant 3 semaines, l’aspect des éprouvettes évolue. La partie de bois non traitée n’est que faiblement impactée. Les zones traitées et exposées aux cycles humidités/ UV/séchage blanchissent. Si cette évolution est homogène, elle est non désirable pour des traitements visant à limiter l’impact de l’eau sur le bois.

En plus de l’effet esthétique, les performances sont également affectées par le traitement. En effet, les angles de contact de gouttes qui illustrent la mouillabilité du bois et donc l’affinité de la surface pour l’eau évoluent : après vieillissement, les propriétés redeviennent similaires à celles.

Ainsi, les traitements n’ont pas résisté au vieillissement en QUV puisque l’hydrophobie qu’ils apportaient au bois a diminué. Ils sont donc assez peu résistants aux cycles alternant UV et pulvérisation d’eau et entraînent une évolution esthétique du bois spécifique.

Conclusions

Des solutions de rupture permettant de limiter les interactions du bois avec l’eau ont été identifiées. Les tests ont été menés sur deux essences de référence : le hêtre et le pin sylvestre, connus pour leur faible durabilité et leur forte tendance à interagir avec l’eau. Trois types de solution ont été identifiés : la chromatogénie, la dépose de lignine oxypropylée et la modification des phénols à la surface du bois.

Dans un premier temps, les conditions de traitement ont été mises au point afin d’obtenir des reprises massiques en eau les plus faibles possibles tout en préservant la structure du bois. Les résultats ont montré des impacts différents selon les méthodes appliquées. Tous les traitements testés permettent de modifier le comportement du bois avec l’eau et de réduire leurs interactions. Les modifications sont plus importantes sur le feuillu testé.

Dans un second temps, des éprouvettes ont subi un vieillissement artificiel par la méthode avec l’appareil QUV. Cette investigation a été menée pour le cas où le bois serait utilisé en extérieur. Les résultats ont montré que les traitements ne sont pas résistants à un vieillissement combinant UV et ruissellement d’eau. Les angles de contact de gouttes sont affectés par le vieillissement et l’esthétique du bois dégradée. Une teinte blanchâtre, caractéristique d’un futur grisaillement, a été obtenue.

Ainsi donc, le projet a permis de valider les performances des trois techniques basées sur les modifications chimiques du bois ou de la lignine pour limiter les interactions du matériau bois avec l’eau. Les taux de greffage et leur profondeur dans l’épaisseur sont à augmenter pour améliorer les performances obtenues, en particulier lors du vieillissement. A court terme, les solutions proposées seraient transférables dans le cas d’applications intérieures, pour lesquelles la profondeur de traitement serait suffisante par rapport aux sollicitations. A plus long terme, une amélioration est nécessaire afin de rendre ces solutions universelles et satisfaisantes avec les contraintes observées sur les expositions en extérieur. Egalement, l’élargissement des méthodes à d’autres supports à base de bois, tels que panneaux meublant, structurels ou isolants présente un potentiel important.

Les auteurs remercient l’Institut Carnot PolyNat pour son support financier (ANR-16-CARN-0025-01)

Michael Lecourt, institut technologique FCBA Philippe Martinez, Centre technique du papier (CTP) Nathalie Marlin, Gérard Mortha, Laboratoire génie des procédés papetiers (LGP2) Yung-Sing Wong, Département de Pharmacie moléculaire (DPM) Laurence Podgorski, institut technologique FCBA 

Voir notre édition verte, Le Bois International, Scierie, exploitation forestière N°25…