Revêtements multicouches pour l'industrie du bois



Les produits de commodité sont d'une importance majeure dans notre vie quotidienne. L'utilisation du bois en tant que substrat pour les composants de ces produits est reliée non seulement à ses propriétés intrinsèques, mais aussi à l'apparence naturelle de ses surfaces. Indépendamment du type de produit de commodité (planchers, meubles, armoires, etc.), la durabilité de ces derniers dépend non seulement de l'espèce ligneuse utilisée, mais aussi du système de protection des surfaces de bois. Cependant, due à la nature hydrophile des composantes chimiques (cellulose, hémicelluloses et lignine) de ses parois cellulaires. Le bois est un matériau sensible à l'eau et à l'humidité. Ainsi, l'utilisation des composants en bois sans aucune protection de leurs surfaces, limite la durée de vie des produits dont ils constituent.

Le développement des revêtements pour la protection des surfaces de bois est une technologie très complexe et dépend énormément du milieu d'utilisation (extérieur et intérieur) des produits fabriqués. Pour les produits de commodité à usage intérieur, comparé aux revêtements opaques, les revêtements transparents sont les plus recherchés. Car, outre à protéger la surfaces du bois, ils améliorent l'apparence naturelle de celles-ci.

Bien que les surfaces des composants en bois des meubles soient protégées à l'aide des revêtements, dans le cas des meubles en bois utilisés en milieux intérieur à forte humidité (exemple : salles de bains), la durabilité du système [revêtement/surface du bois] est généralement limitée. Les principaux facteurs responsables de cette faible durabilité sont les suivants : (i) eau et humidité qui pénètrent et diffusent à travers le système [revêtement/surface du bois], (ii) produits chimiques utilisés pour le nettoyage des surfaces lesquels causent une perte des propriétés optiques des surfaces et (iii) actions des usagers causant des égratignures.

Outre aux problèmes cités ci-haut, depuis les années 1960, les industries des produits de finition se doivent de développer des formulations à faible émission de composés organiques volatils (COV). La nanotechnologie et la technologie de polymérisation aux UV sont deux d'approches utilisées afin de pallier aux problèmes mentionnés ci-haut. Ces approches permettent respectivement d'améliorer les propriétés (propriété barrière, adhésion, résistance aux égratignures, etc.) des systèmes [revêtement/surface du bois] tout en réduisant les émissions des COV issues des formulations utilisées.

Ce travail de recherche était constitué de deux volets : le premier volet avait comme objectif général d'améliorer les propriétés barrières et mécaniques de la couche de surface devant constituer le revêtement multicouche utilisé pour la protection des surfaces de bois. De manière spécifique, il était question de préparer différents types de revêtements nanocomposites UV à haute teneur en solide et d'évaluer : (i) la morphologie, la clarté optique et taux de transmission de la vapeur d'eau et (ii) la viscoélasticité et les propriétés mécaniques.

Le second volet, quant à lui, avait comme objectif général de protéger les surfaces de bois en se servant d'une partie des résultats obtenus au premier volet. Plus  spécifiquement, le travail consistait à : (i) développer différents types de systèmes [revêtement nanocomposite multicouche/surface du bois] et (ii) d'étudier la morphologie ainsi que la contrainte d'adhésion de ces systèmes en fonction de l'humidité relative.

D'un point de vue scientifique, les résultats issus de ce travail de recherche apporteraient un plus à la littérature basée sur l'utilisation de la nanotechnologie et de la technologie de polymérisation aux UV pour la protection des surfaces de bois. Quant au point de vue industriel et économique, ces résultats seraient non seulement utiles aux industries du plancher et du meuble en bois, mais redonneraient à l'industrie du meuble en bois une place sur le marché, laquelle est de plus en plus remplacée par les meubles dont les substrats sont à base de polymère.

Dans le premier volet, des revêtements UV pour la couche de surface ont été préparés en utilisant trois différents grades de nanoparticules d'argile commerciale à savoir : Cloisite 10A (C10A), Cloisite 15A (C15A) et Cloisite 30B (C30B). Ces nanoparticules ont été dispersées (1 et 3 % en masse totale dans la formulation) dans un oligomère commerciale du type époxy acrylate à l'aide d'un mélangeur à trois rouleaux. La morphologie des revêtements nanocomposites a été étudiée à l'aide de la méthode de diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à transmission (MET). Le taux de transmission de la vapeur d'eau (propriété barrière), la clarté optique et les propriétés   mécaniques ont également été évalués.

Dans le deuxième volet, les surfaces de bois du bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton) ont été protégées avec six différents types de revêtements multicouches (MC) à   savoir : MC1, MC2, MC3, MC4, MC5 et MC6. Les formulations UV pour la couche d'imprégnation et celle et surface constituant ces MC contenaient respectivement la nanosilice hydrophobe fumée (NS; 0 et 0,5 %) et la nanoargile (NA; 0, 1 et 3 %). La morphologie de la section-transversale des échantillons de bois vernis a été étudiée par MEB et MET. La contrainte d'adhésion de ces MC à la surface du bois a été évaluée en fonction de l'humidité relative (HR). D'après les images de MET, la C30B a été moins bien dispersée comparée à la C10A et C15A lesquels, ont porté à l'obtention des revêtements nanocomposites UV dont la morphologie serait du type intercalée.

Les nanoargiles utilisées dans ce travail ont un effet autant sur la propriété barrière que sur la clarté optique. L'augmentation de l'humidité relative (HR) diminue le module de Young. Parmi les trois grades de nanoparticules d'agile utilisés dans ce travail, la Cloisite C10A serait idéale pour une application pratique. La contrainte d'adhésion des échantillons de bois vernis et conditionné à 80 % d'HR a été supérieure comparée à celle obtenue pour les échantillons conditionnés à 40 % d'HR. Le revêtement multicouche 5 (0,5 % NS dans la couche d'imprégnation–1 % NA dans la couche de surface) a été choisi comme système idéal de protection.

Enfin, des revêtements multicouches comportant des nanocelluloses ont été réalisés.

Chercheur responsable

Bernard Riedl, Université Laval

Cochercheure

  • Véronic Landry (Université Laval)

Durée

2010-2013

Montant

97 354 $

Partenaire financier

  • ArboraNano

Appel de propositions

Nanotechnologies pour le secteur forestier