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Protection du bois par barrière pénétrante : stratégie multifonctionnelle

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2020
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Le bois est un matériau de construction hors du commun; solide, léger et esthétique, il permet la construction de bâtiments sécuritaires et accueillants. De plus, en tant qu’important puit de carbone, il est un excellent outil pour combattre l’accumulation de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Étant de nature biologique et hygroscopique, il est cependant sujet à être dégradé par divers agents biotiques et abiotiques. Parmi ceux-ci, les changements de dimensions, suite à l’adsorption et la désorption d’eau, et la biodégradation limitent beaucoup son usage à l’extérieur des bâtiments. Fort heureusement, la dégradation peut être limitée de plusieurs façons, comme en adoptant des pratiques de construction qui réduisent l’exposition du bois aux sources de dégradation et en utilisant différents traitements. Cette thèse, divisée en trois axes, s’est dédiée au développement d’une barrière pénétrante, un traitement du bois permettant à la fois son imprégnation et son revêtement. Le premier axe s’est concentré sur le développement de la partie pénétrante du traitement et ses performances pratiques. Dans le second axe, la partie pénétrante a été caractérisée de manière plus descriptive pour assurer une protection durable. Finalement, lors du troisième axe, des résines acryliques ont été ajoutées au traitement en guise de partie barrière. Le premier axe a permis de développer une partie pénétrante inspirée du traitement Tru-Core® de la compagnie américaine Kop-Coat et d’évaluer son efficacité sur le pin blanc (Pinus strobus L.) et l’épinette blanche (Piceaglauca (Moench) Voss). Celle-ci utilise des oxydes d’amines tertiaires pour permettre l’imprégnation du bois par diffusion, évitant les procédés classiques nécessitant des cycles de vide et de haute pression. Les oxydes d’amines permettent la solubilisation de fongicides organiques et leur transport dans le bois, améliorant la résistance à la biodégradation du bois traité. Ils réduisent également les changements de dimensions provoqués par les fluctuations d’humidité relative. Le traitement a permis une inhibition presque complète de la dégradation du champignon à pourriture brune Rhodonia placenta, alors que les échantillons témoins ont perdu plus de 22% de leur masse initiale. Des essais de stabilité dimensionnelle ont montré une réduction de 29% des changements de dimensions chez le pin blanc et de 24% dans le cas de l’épinette. Ces résultats se situent loin de ce qui est obtenu par d’autres traitements, comme l’acétylation, qui peuvent atteindre jusqu’à 70%. Ces traitements son tcependant accompagnés de besoins en équipements beaucoup plus sophistiqués, de coûts et de consommations énergiques supérieurs, et d’un gain de masse de plus de 20% du bois traité. Dans le cas de la barrière pénétrante, le gain masse s’est limité à 1-2%. Lors du deuxième axe, des aspects plus techniques et descriptifs du traitement ont été évalués. Bien qu’ils n’affectent pas directement ses performances, ces aspects sont des indicateurs du niveau de protection du traitement. Des essais de profondeur de pénétration, à partir d’une teinture indigo, ont indiqué que les fongicides ne pénètrent que de deux millimètres dans le bois, et seulement longitudinalement. L’indigo a été sélectionnée pour sa structure chimique et sa masse moléculaire, qui sont celles qui se rapprochaient le plus des fongicides utilisés parmi toutes les teintures disponibles. Pour leur part, les oxydes d’amines ont imprégné le bois plus profondément et dans toutes les directions principales. Les fongicides imprégnés ont été quantifiés par chromatographie liquide, indiquant une concentration supérieure à celle suggérée par les normes en matière de protection du bois (minimum 0.040 kg/m3). Même après deux semaines de lessivage par immersion, la concentration des fongicides représentait encore entre 50% et 200% des recommandations des normes, selon l’espèce et le traitement utilisé. Il est donc raisonnable de s’attendre à ce que la protection antifongique reste efficace sur une longue durée. Lors du troisième axe, des résines acryliques commerciales ont été ajoutées à la formulation développée en guise de partie barrière. Plusieurs propriétés des revêtements ont été évaluées, avant et après vieillissement artificiel, en portant une attention particulière sur l’influence de la partie pénétrante sur celles-ci. L’adhérence du revêtement a sensiblement diminué en présence de la partie barrière, tel qu’évalué par des tests d’arrachement. En effet, une rupture à l’interface bois-revêtement était parfois observée à des valeurs inférieures à 2 MPa. La perméabilité à l’eau liquide a environ doublé, mais celle à l’humidité relative n’a pas été affectée. La pénétration de la teinture indigo a légèrement diminué en présence de la résine acrylique, résultat de la viscosité plus élevée des solutions de traitement.
Wood is an outstanding building material; hard, light and aesthetic, it allows the construction of safe and welcoming buildings. Furthermore, as an important carbon sink, it is a great tool to prevent the accumulation of carbon dioxide in the atmosphere. Being biologic and hygroscopic, it is however subject to degradation by diverse biotic and abiotic agents. Amongst those, dimensional changes, following the absorption and desorptionof water, and biodegradation limit its use outdoor. Fortunately, degradation may be limited by adopting building practices which reduce the exposition of wood to the sources of degradation and by using wood treatments. This thesis, divided in three axes, was dedicated to the development of a penetrating barrier, a wood treatment allowing both its impregnation and coating. The first axis was focused on the development of the penetrating part of the treatment and its service performances. During the second axis, the penetrating part was characterized to ensure durable performances. Finally, during the third axis, acrylic resins were added to the treatment as a barrier part. The first axis allowed the development a penetrating part, inspired by the Tru-Core® treatment of the American company Kop-Coat, and the evaluation of its service performances on eastern white pine (Pinus strobus, L.) and white spruce (Picea glauca (Moench) Voss). It used tertiary amine oxides to allow the impregnation of wood through diffusion, avoiding the classic processes relying on vacuum and high pressure. The amine oxides allow the solubilisation of organic fungicides and their transportation into the wood, improving the treated wood’s resistance to biodegradation. They also reduce the dimensional changes induced by the fluctuating relative humidity. The treatment allowed an almost complete inhibition of the degradation from the brown-rot fungi Rhodonia placenta, while untreated samples lost more than 22% of their initial mass. Dimensional stability tests showed 29% less dimensional changes in white pine and 24% in white spruce. These results do not meet the performances of other treatments, like acetylation, which can attain as much as 70%. These treatments however need more sophisticated equipment, are more expensive and energy consuming, and increase the density of the treated wood by more than 20%. With the penetrating barrier, the mass increase is limited to 1-2%. During the second axis, more descriptive and technical aspects of the treatment were evaluated. While they do not directly affect the performances of the treatment, these aspects indicate the level of protection offered by the treatment. Penetration depth tests, performed with an indigo dye, indicated that the fungicides penetrated 2 mm deeps into the wood, and only longitudinally. The amine oxides impregnated deeper than the dye, and in all the principal axes of the wood. The amount of fungicides impregnated was quantified by liquid chromatography, indicating higher concentrations of fungicides than the 0.040 kg/m3 requested by the wood preservation standards. Even after two weeks of leaching through immersion, the concentration was still higher than the recommendations of the standards. For the third axis, commercial acrylic resins were added to the formulation as the barrier part of the treatment. Many properties of the coatings were evaluated, before and after artificial aging, according a particular attention to the influence of the penetrating part on the former. The adhesion of the coatings were substantially reduced, as evaluated with pull-off tests showing fracture at the wood-coating interface at values below 2 MPa. The permeability to liquid water slightly increased, although the permeability to relative humidity was not affected. The penetration of the indigo blue dye was slightly diminished by the acrylic resins, as a result of the increased viscosity of the treatment solutions.
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thèse de doctorat