Étude de la brillance

L'ajout d'absorbeurs UV dans le revêtement peut provoquer des changements dans les valeurs de la brillance. Elle a donc été prise pour toutes les formulations utilisées lors des différents tests de vieillissement. De plus, les effets du rayonnement UV et de l'eau sur la brillance ont aussi été vérifiés. La brillance a été mesurée en même temps que les composantes de la couleur sur les mêmes spécimens.

Résultats de la brillance pour le test A

La figure 3.20 montre les résultats de la brillance. La présence d'un vernis, peu importe la formulation, donne nécessairement une plus grande brillance que les échantillons de bois non recouverts. Pour un test sans eau, la formulation avec 2% de nanoparticules de ZnO en poudre augmente légèrement la brillance en comparaison aux formulations avec les absorbeurs organiques et sans absorbeur UV qui ont des valeurs similaires. La formulation avec 3% de ZnO en poudre donne des valeurs légèrement plus basses que celle sans absorbeur. Cette diminution en comparaison avec la concentration de

2% de poudre s'expliquerait par une plus grande présence d'agrégats dans le film. Enfin, les formulations qui contiennent des nanoparticules pré­dispersées concèdent une diminution de la brillance, mais de valeurs moindres pour la concentration la plus faible, soit 2%. Pour la même raison que pour les poudres, la plus grande quantité d'agrégats diminuerait la brillance. En général, les nanoparticules présentent un effet initial sur la brillance, mais contrairement aux résultats pour la stabilité de la couleur, aucune variation évidente n'est notée durant le test de vieillissement avec rayonnement UV seul.

■o fc<U c + * ­> 'E =» 4 3 2 1 0 •sans revêtement ■ZnO 2% pré-dispersé •ZnO 3% poudre ■sans absorbeur UV ■ZnO 3% pré-dispersé ■absorbeur organique ■ZnO 2% poudre 100 200 Temps (h) 300 400

Fig. 3.20 : Valeurs de la brillance à 60° en fonction du temps (h) d'exposition au rayonnement UV pour le test A, dans un appareil de vieillissement accéléré pour les différentes formulations utilisées.

Résultats de la brillance pour le test B

La figure 3.21 présente les résultats pour la brillance pour les formulations soumises au vieillissement. Encore, pour toutes les formulations la présence d'un revêtement à la surface du bois augmente sa brillance. La présence d'eau pendant le test diminue la

brillance des vernis pour toutes les formulations. C'est probablement un phénomène d'érosion en surface du film qui est en jeu, rendant ainsi la surface moins lisse, donc moins brillante. L'ajout d'un absorbeur UV (organique ou inorganique) diminue la brillance du vernis utilisé sans additif avant le vieillissement. La formulation avec le mélange d'absorbeurs organiques présente une brillance légèrement inférieure à celle sans absorbeur quand l'effet d'érosion s'est stabilisé, soit après environ 100 heures de vieillissement. Enfin, les revêtements nanocomposites (en poudre et pré-dispersées) ont une variation de brillance semblable quand l'érosion s'est stabilisée, mais sont moins brillants que les formulations sans absorbeur UV et avec absorbeurs organiques.

4 3 - 2 - 1 - 0 ■sans revêtement ■absorbeur organique ■ZnO 3% poudre ■sans absorbeur UV ■ZnO 3% pré-dispersé

+

Fig. 3.21 : Valeurs de la brillance à 60° en fonction du temps (h) d'exposition au rayonnement UV pour le test B, dans un appareil de vieillissement accéléré pour les différentes formulations utilisées.

Résultats de la brillance pour le test C

Les résultats de la brillance pour les formulations qui ont subi le test de vieillissement naturel est représenté à la figure 3.22. Également pour ce test, tous les échantillons qui ont un revêtement en surface présentent une brillance supérieure au bois seul. Comme pour le test B, la présence d'eau diminue la brillance pour toutes les formulations à cause de l'érosion résultant de la pluie. La présence d'un absorbeur UV peu importe sa nature (organique ou inorganique) dans la formulation de base diminue la brillance. La formulation composée d'absorbeurs organiques présente une brillance supérieure aux systèmes nanocomposites. Enfin, la formulation comportant 2% de nanoparticules en poudre perd sa brillance plus rapidement que pour celle avec les nanoparticules pré-dispersées et devient moins brillante après 1500 heures. Par ailleurs, le test de vieillissement accéléré B présente une tendance semblable, donc la présence d'eau dans un cycle de vieillissement a pour conséquence de faire varier similairement la brillance.

sans revêtement sans absorbeur UV absorbeur organique ZnO 2% pré-dispersé ZnO 2% poudre 500 1000 1500 2000 Temps (h) 2500 3000 3500

Fig. 3.22 : Valeurs de la brillance à 60° en fonction du temps (h) d'exposition au rayonnement UV et aux différentes conditions climatiques pour le test C des différentes formulations utilisées.

3.4 Conclusion

Dans ce chapitre, il a été question d'évaluer l'effet de l'eau sur la dégradation du bois recouvert de vernis nanocomposites aqueux pour usage extérieur. La comparaison entre les tests de vieillissement accélérés et naturels a aussi été accomplie. L'efficacité de différents absorbeurs UV sous des contraintes différentes du chapitre 2 a été évaluée. Premièrement, les profils de dispersion des nanoparticules en poudre et pré-dispersées à différentes concentrations ont été analysés par microscopie électronique à transmission (MET). Les images MET ont révélé qu'à plus haute teneur en nanoparticules (3%) le taux d'agrégats était augmenté; malgré cela les dispersions ont été très bonnes et semblables aux teneurs plus basses (2%).

Ensuite, l'effet d'un cycle de vieillissement accéléré avec rayonnement UV seul (tests A) sur les différents absorbeurs UV a été étudié. Avec ce test, les nanoparticules sous forme de poudre ont menées à une protection médiocre contre la photodégradation, alors que celles pré-dispersées ont été les plus efficaces.

Un autre essai de vieillissement accéléré a été réalisé, cette fois avec une projection d'eau (test B). La stabilité de la couleur subit des variations très différentes en présence d'eau, qui sont occasionnées par des réactions secondaires non présentes en condition de rayonnement UV seul. Le mélange d'absorbeurs organiques a donné la meilleure stabilité de la couleur à la suite de ce test.

Le test C était un cycle de vieillissement en conditions météorologiques réelles. La formulation la plus efficace contre la décoloration du bois pour ce test est le mélange d'absorbeurs organiques, tandis que les nanoparticules donnent la moins bonne stabilité. Ce test a été exécuté afin de faire des comparaisons possibles avec les tests de vieillissement accéléré et de vérifier les correspondances éventuelles. Ainsi, le test B dévoile une tendance de variation semblable au test C (vieillissement naturel), car l'effet de l'eau ajoute beaucoup d'instabilité dans la variation de la couleur qui ne se retrouve pas dans le test A. Par ailleurs, plusieurs autres facteurs climatiques et environnementaux typiques à des expositions réelles sont difficilement reproductibles en vieillissement artificiel (le vent, la pollution, les microorganismes, etc.), donc il est difficile de comparer précisément ces tests.

Une analyse visuelle de la qualité de la surface des échantillons soumis au test de vieillissement naturel a donné des résultats intéressants. La formulation avec le ZnO en poudre a montré un effet antifongique et autonettoyant, car là il n'y avait pas de présence d'impureté sur sa surface suite au vieillissement, contrairement aux autres échantillons. Aussi, il a été possible de déterminer que le vernis avec les absorbeurs UV donne la meilleure stabilité de la couleur après le test, donc d'arriver à la même conclusion qu'avec l'étude sur la variation de la couleur.

Enfin, pour le test A, la formulation avec 2% de nanoparticules en poudre augmente légèrement la brillance laquelle est constante dans le temps pendant le vieillissement. Cependant, pour les tests qui possèdent une composante eau (test B et C), les analyses ont montré que l'ajout d'absorbeurs UV, organique ou inorganique, diminue généralement la brillance du film. De plus, un phénomène d'érosion réduisant la brillance selon le temps d'avancement du test a été également observé.

Le présent projet a eu comme but d'évaluer l'aptitude de différents absorbeurs UV utilisés pour les revêtements aqueux à usage extérieur sur la stabilité de la couleur du bois. Les absorbeurs organiques utilisés se détériorent généralement après un temps prolongé d'exposition au rayonnement UV à cause de leur nature. Ils finissent également par se dégrader sous l'action des UV, d'où l'idée de tester des molécules inorganiques plus stables qui pourraient jouer le même rôle. Deux oxydes métalliques en dimensions nanométriques ont été employés, soit le ZnO et le CuO. Un autre objectif était de comparer différents systèmes de nanoparticules qui peuvent être utilisés dans des formulations aqueuses : soit sous forme pré-dispersées, soit en poudre. L'effet de la concentration des nanoparticules a aussi été un facteur examiné.

Le présent travail s'est divisé en deux volets. Le premier a porté sur l'optimisation du choix de nanoparticules susceptibles d'être utilisées à cause de leurs meilleures propriétés anti-UV pour la stabilité de la coloration. Ce choix a porté à la fois sur la nature (ZnO ou CuO), l'état (en poudre ou pré-dispersé) et la concentration des nanoparticules. Pour ce faire, un test de vieillissement accéléré avec uniquement un rayonnement UV (sans eau) a été réalisé. Cette comparaison a été réalisée en termes d'analyses de films libres par MET pour étudier la dispersion des nanoparticules, de mesures de variations de la couleur et de la brillance et enfin d'analyses XPS pour vérifier les modifications chimiques du film après le vieillissement.

Les résultats du premier volet de cette étude ont révélé que l'ajout de nanoparticules améliore sensiblement la stabilité de la couleur du revêtement. Aussi, une meilleure dispersion donne généralement une plus grande stabilité. Le vernis contenant les nanoparticules les mieux dispersées est celui avec 1,44% de ZnO pré-dispersé. Or, pour un profil de dispersion semblable, la plus grande concentration présente nécessairement une meilleure protection contre les UV. Ainsi, la formulation la plus efficace est celle qui contient 2% de nanoparticules de ZnO pré-dispersées. En comparaison, les nanoparticules

en poudre présente beaucoup plus d'agrégats, résultant une moins bonne stabilité de la couleur du bois. Les nanoparticules de CuO ont été jugées inaptes à l'usage dans les vernis transparents, car elles rendent brunâtre le film et offrent la moins bonne protection. Par un effet de synergie, le mélange d'absorbeurs organiques avec les nanoparticules de ZnO augmente la brillance du film. Pour toutes les formulations, la brillance ne varie pratiquement pas suite à un test de vieillissement avec uniquement un rayonnement UV. L'analyse du film par XPS démontre que la présence des absorbeurs organiques semble diminuer l'oxydation de la surface du revêtement, tandis que les nanoparticules de ZnO présente une augmentation de l'oxydation sous l'influence des rayonnements UV.

Dans le second volet de cette recherche, différents tests de vieillissement ont été effectués dans le but de déterminer l'influence de l'eau sur la stabilité de la couleur du bois. Ainsi, un test de vieillissement en conditions réelles extérieures (test C) a été comparé à deux tests de vieillissement accéléré (tests A et B) d'une durée de 400 heures, soit un cycle avec rayonnement UV seul (test A) et un cycle avec 102 minutes d'exposition au rayonnement UV seul suivi de 18 minutes de projection d'eau avec rayons UV (test B). Cette fois-ci, un seul type de nanoparticules a été utilisé sous deux formes et deux concentrations différentes, soit 2 et 3% de nanoparticules de ZnO en poudre et pré- dispersées. Un mélange d'absorbeurs UV organiques a été comparé avec les nanoparticules. Le profil de dispersion des différentes formulations a également été analysé pour fins de comparaison. Enfin, une étude visuelle de l'état de surfaces des divers échantillons a été réalisée pour comparer les états initiaux et finaux après vieillissement naturel.

Pour les nanoparticules pré-dispersées, les dispersions des deux concentrations (2 et 3%) sont semblables, mais meilleures que pour les poudres. La formation d'agrégats augmente avec la charge, car logiquement plus le taux de nanoparticules est élevé, plus il y a de possibilités pour former des agrégats.

Pour les mesures de variations de la couleur du test A, les formulations utilisant les nanoparticules pré-dispersées furent les plus efficaces. Les vernis avec le ZnO en poudre sont médiocres, car les valeurs varient souvent plus que celles sans aucun absorbeur UV.

Or, les mesures de la brillance indiquent que l'ajout de 2% de ZnO augmente cette dernière, tandis que les autres systèmes de protection la diminue ou ne la modifie pas. Dans un test de vieillissement soumis seulement aux UV, aucune variation significative de la brillance n'a été perçue.

Les résultats qui ressortent suite au test de vieillissement B, présentent des variations de la coloration et de la brillance très différentes du test A. En effet, l'action de l'eau sur un revêtement jumelé au rayonnement UV modifient différemment la couleur car des réactions secondaires peuvent avoir lieu sur les chromophores du bois. Par exemple l'hydrolyse donne ainsi des domaines de couleurs différents. Le revêtement avec la meilleure stabilité de la couleur est celui avec le mélange d'absorbeurs organiques. La brillance a diminué dans tous les cas en présence d'un absorbeur UV. Un effet de diminution continue de la brillance est perçu pendant toute la durée du test, car la projection d'eau érode la surface.

Conformément aux observations précédentes, le test C (vieillissement naturel) peut s'apparenter au test B, car le rôle de l'eau sur la stabilité de la couleur semble similaire. De nouveau, la formulation la plus efficace est celle avec le mélange d'absorbeurs organiques. Pour la brillance, les résultats ressemblent au test B, à cause de l'effet d'érosion. Aucune formulation ayant un absorbeur UV n'augmente la brillance. Les différences qui peuvent être décelées entre les tests C et B sont dues en majorité aux nombreux facteurs qui influencent la variation de la couleur et qui sont difficilement reproductibles en laboratoire. Enfin, l'étude visuelle de la dégradation des échantillons a été accomplie pour le test naturel seulement. Visuellement, le revêtement à base d'absorbeurs organiques offre une plus grande stabilité de la couleur, ce qui concorde avec les résultats obtenus pour la couleur. L'échantillon avec des nanoparticules de ZnO sous forme de poudre montre un effet antifongique et autonettoyant, car sa surface possède le moins d'impuretés.

Finalement, les résultats prouvent que les nanoparticules peuvent s'avérer utiles pour améliorer la stabilité de la couleur avec des vernis transparents appliqués au bois sous certaines conditions. En présence d'eau, elles tendent à être peu efficaces. Ainsi, en

conditions intérieures, puisqu'il n'y a pas de projection d'eau, ou simplement dans les régions qui ont des taux de précipitation faibles, les nanoparticules pourraient être un atout intéressant, à condition d'être très bien dispersées.

Certains travaux sont nécessaires afin d'approfondir cette étude. Notamment, l'utilisation d'un prétraitement en surface avant l'application du revêtement pourrait être envisagée. Par exemple, un photostabilisant chimique comme des nitroxydes d'aminés stériquement encombrées.

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