Approches fondamentales et appliquées pour optimiser la dispersion de nanoparticules dans divers milieux : application aux revêtements pour le bois



L'incorporation de particules d'oxydes métalliques de taille nanométrique (10-100nm) dans des revêtements protecteurs peut améliorer considérablement les propriétés de ces revêtements, par exemple leur dureté, leur résistance à l'abrasion ou égratignures et leur durabilité sous l'influence des rayons UV, d'agents oxydants, de changements de température, etc. De plus, vu leur faible taille en comparaison de la longueur d'onde de la lumière visible, les nanoparticules permettent ces améliorations sans affecter les propriétés optiques et donc l'aspect esthétique des revêtements.

Pour maximiser les effets bénéfiques associés à l'introduction des nanoparticules, celles-ci doivent cependant être uniformément dispersées dans le milieu. Or, cet état s'avère d'autant plus difficile à atteindre que la taille des particules est faible, notamment en raison de l'énergie attractive élevée qui favorise l'agglomération des particules. L'utilisation imposée de formulations à base aqueuse pour des considérations environnementales amène souvent des contraintes additionnelles importantes, notamment au niveau de la compatibilité des composantes et du contrôle du milieu (pH, force ionique).  Ces dernières caractéristiques ont un impact important sur le comportement des formulations et sur les propriétés des revêtements à l'application.

Afin de promouvoir l'utilisation de nanoparticules dans les revêtements pour le bois, nous avons conçu un projet de recherche en partenariat impliquant  des chercheurs de l'Université Laval de FP Innovation et l'Université de Sherbrooke, de même qu'un manufacturier québécois de produits chimiques (Produits Chimiques Handy).

L'objectif central du projet consistait à développer une meilleure compréhension de l'origine des forces responsables de l'agrégation de nanoparticules, ainsi que des méthodes pour assurer leur dispersion optimale, en particulier, dans les formulations de revêtements à base aqueuse destinés à la protection du bois. L'objectif pratique ultime du projet consistait, de plus,  à développer de nouveaux adjuvants chimiques (dispersants) pour minimiser l'agrégation des nanoparticules dans les milieux pertinents à leur application, en collaboration avec le partenaire industriel au projet.

Dans cette perspective, nous avons étudié l'influence de plusieurs classes de dispersants commerciaux et expérimentaux sur le comportement de dispersions de nanoparticules dans divers milieux. L'efficacité relative des dispersants a été évaluée par des mesures de la taille moyenne des agrégats et par l'observation de la sédimentation en fonction du temps.

Ces études ont ainsi permis de mettre en évidence l'importance du mode de préparation des dispersions, de la nature chimique (composition, fonctionnalité, structure, taille) des dispersants et de leur dosage. En parallèle, nous avons également étudié l'adsorption des dispersants sur les nanoparticules, et les interactions électrostatiques engendrés par ces dispersants. Les résultats combinés de ces études nous ont mené à une meilleure compréhension du mode d'action des dispersants; ils nous ont de plus permis d'identifier les caractéristiques moléculaires d'un dispersant idéal pour l'application envisagée.

Les travaux réalisés ont permis de réduire la taille des agrégats à ~50 nm dans le cas de l'alumine, ~70 nm pour la silice et ~115 nm pour l'oxyde de zinc; ces agrégats sont stables sur une longue période de temps. Bien que la dispersion des nanoparticules à l'état individuel (~25 nm) n'aie pas été atteinte, les progrès réalisés lors de cette étude ont permis d'améliorer substantiellement la qualité de dispersion des nanoparticules dans divers milieux.

Les conditions optimales développées pour la dispersion de nanoparticules en milieu aqueux se sont avérées directement applicables aux émulsions aqueuses des résines utilisées dans les revêtements pour le bois. Des essais de dispersion dans des émulsions de résine polymérique, et dans les films de résine, ont montré que les dispersants et protocoles développés dans la présente étude pourront être intégrés dans la préparation de formulations industrielles de revêtements à base aqueuse pour le bois. La validation et l'optimisation des conditions d'intégration des nanoparticules dans les formulations industrielles sont présentement poursuivies via notre collaboration avec FP Innovation.

L'objectif global de dispersion de nanoparticules d'oxydes métalliques dans des émulsions aqueuses de résines, afin de fabriquer des revêtements plus écologiques pour la protection du bois, a été largement atteint. Les retombées significatives de ce projet se retrouvent à différents niveaux : scientifique, technologique et commercial.

Au plan scientifique, le projet a fourni une meilleure maîtrise des phénomènes physiques et chimiques qui règlent la dispersion de nanoparticules en milieux liquide, et des méthodes simples pour prédire la performance de dispersants dans les résines.

Au plan technologique, les résultats du projet faciliteront l'utilisation des poudres sèches de nanoparticules, ce qui étend le domaine des applications de ces matériaux; le développement d'un protocole de dispersion consommant peu d'énergie constitue également une retombée technologique significative.

Au plan commercial, l'exploitation des résultats de ce projet pourrait suivre deux approches : 1) la mise en marché des couples présélectionnés de dispersants/nanoparticules adaptés à diverses applications spécifiques et / ou 2) le design et la synthèse industrielle de dispersants « idéaux » en s'appuyant sur les paramètres moléculaires identifiés dans notre étude.

Chercheur responsable

Carmel R. Jolicoeur, Université de Sherbrooke

Équipe de recherche

  • Patrick Ayotte (Université de Sherbrooke)
  • Véronic Landry (FPInnovations)
  • Bernard Riedl (Université Laval)

Durée

2010-2013

Montant

153 207 $

Partenaire financier

  • ArboraNano

Appel de propositions

Nanotechnologies pour le secteur forestier