C.3. Analyse de l’adsorption surfacique (Théorie de Dent)

La théorie d'adsorption surfacique de Dent est présentée au paragraphe I.A.2.c de ce

mémoire. Pour rappel, elle modélise un phénomène d’adsorption multicouche pour le bois,

différenciant deux types de molécules adsorbées : les molécules primaires, liées directement

au bois, et les molécules secondaires, liées aux molécules primaires ou entre elles.

L'application du modèle aux courbes hygroscopiques du bois étudié devrait permettre de

mieux expliquer les phénomènes observés après fluoration, notamment la diminution de la

teneur en eau d'équilibre de la farine de bois.

Effet de la fluoration sur les propriétés physico-chimiques de la farine de bois

III.C.3.a. Analyse des courbes d’adsorption

Données recueillies par la méthode des sels

Les courbes d'adsorption des farines de bois non-traitée et fluorée sont

représentées en Figure III-29, pour les valeurs recueillies par la méthode des sels. Pour

rappel, est l'humidité relative de l'air et la teneur en eau du bois à l'équilibre pour cette

humidité.

Figure III-29 – Courbes pour la farine de bois non-traitée et fluorée, pour les valeurs

recueillies par la méthode des sels

Les courbes expérimentales sont approchées par une équation de type polynomiale

de second degré (III-11) :

^III-11

Avec :

, et III-12

Où, est la teneur en eau adsorbée comme monocouche par l'aire totale S,

prenant en compte tous les sites de sorption du bois, et, et sont des constantes

représentants respectivement les rapports et

pour .

Les coefficients de corrélation sont assez faibles pour les deux courbes (0,91 et

0,92). Cela peut s’expliquer par les écart-types importants observés sur les mesures, ainsi

que par les hypothèses posées par la théorie de Dent (paragraphe I.A.2.c), notamment sur la

vitesse de détachement des molécules d’eau secondaires qui est considérée identique pour

toutes les couches. Ainsi les paramètres initialement présents dans les équations sont

simplifiés en étant considérés égaux à . Avec une hypothèse moins forte, la forme de

l’équation finale serait différente, et comprendrait des termes de degrés supérieurs.

Toutefois, le nombre de données recueillies par la méthode des sels chimiques est trop

restreint pour permettre d'augmenter le degré de l'équation.

Données recueillies par l’analyse DVS

La Figure III-30 représente les courbes d'adsorption des farines de bois

non-traitée et fluorée obtenues par analyse DVS. L'allure des courbes expérimentales,

particulièrement celle correspondant au bois fluoré, suggère une approximation par une

équation polynomiale du troisième degré. Toutefois, les coefficients identifiés pour les termes

de degré 3 restent faibles devant les autres paramètres des équations.

Figure III-30 – Courbes pour la farine de bois non-traitée et fluorée, pour les valeurs

recueillies par analyse DVS

Effet de la fluoration sur les propriétés physico-chimiques de la farine de bois

Les coefficients des termes de degré 3 semblant négligeables, on revient à une

approximation de second ordre pour les deux types de farines. Les courbes correspondantes

sont représentées en Figure III-31.

Figure III-31 – Courbes pour la farine de bois non-traitée et fluorée, pour les valeurs

recueillies par analyse DVS

A partir des coefficients identifiés pour chaque courbes, les paramètres du modèle de

Dent peuvent être déterminés.

III.C.3.b. Calcul des paramètres des modèles

Des coefficients A, B et C de l’équation polynomiale III-11, on peut déduire la

constante par résolution d'équation du second degré. Deux solutions sont possibles, une

négative et une positive. étant un rapport de surface et d'humidité, la valeur négative est

écartée. Le système n’admet ainsi qu'une solution, de laquelle on déduit les valeurs de et

. Le Tableau III-7 rassemble les résultats obtenus pour les paramètres et les constantes

du modèle pour les deux séries de résultats (méthode des sels et DVS).

Tableau III-7 – Constantes des courbes hygroscopiques pour le bois non-traité et fluoré

A B C

Méthode

des Sels

Bois

non-traité

0,97 0,14 0,0011 0,16 0,0075 6,46

Bois fluoré 1,70 0,18 0,0016 0,12 0,0081 4,75

Écarts avant/après traitement -25% +8% -26%

Analyse

DVS

Bois

non-traité

5,66 0,10 0,0011 0,03 0,0077 5,35

Bois fluoré 6,10 0,25 0,0027 0,06 0,0089 2,79

Écarts avant/après traitement +200% +16% -52%

représente le pourcentage d'eau liée directement sur le bois en formant des

liaisons hydrogène avec les groupes hydroxyles (paragraphe I.A.2.a). Les valeurs obtenues

pour le bois non-traité sont proches de celle de la littérature, de l’ordre de 6% (Skaar, 1988).

La diminution de après la fluoration indique clairement une réduction du nombre de sites

de sorption dans le bois, confirmant les résultats obtenus par spectroscopie infrarouge

(paragraphe III.B.2). Cette diminution est ici chiffrée entre 26% (résultats obtenus par la

méthode des sels chimiques) et 52% (analyse DVS).

Le paramètre est proportionnel au rapport entre l'aire formée par les sites ne

possédant qu’une seule molécule d’eau liée ( ) et l'aire des sites vides ( ). Il donne une

indication sur la proportion de sites de sorption vides. Son augmentation indiquerait qu’un

plus grand nombre de sites de sorption (groupes hydroxyles du bois) sont occupés par au

moins une molécule d’eau. Les résultats obtenus par les deux méthodes de mesure sont

contradictoires sur l’évolution de ce paramètre avec le traitement, et ne permettent pas de

conclure sur l'effet du traitement sur ce paramètre.

L'augmentation du paramètre , observée pour les deux méthodes d’analyse,

indique une augmentation de l'aire des sites possédant molécules d’eau liées ( ) par

rapport à l'aire de ceux en possédant (

), pour . Ce phénomène tend à

montrer que le bois fluoré possède un ratio molécules secondaires / molécules primaires

supérieur à celui du bois non-traité. En d’autres termes, les molécules d'eau se lient moins

facilement sur le bois et plus facilement entre elles après fluoration, formant un plus grand

nombre de couches. L'ensemble de ces constatations est schématisé à la Figure III-32.

Effet de la fluoration sur les propriétés physico-chimiques de la farine de bois

Figure III-32 – Représentation schématique des différentes couches de molécules dans les

farines de bois non-traitée et fluorée (pour un même nombre de molécules d'eau)

III.C.3.c. Tracé des isothermes

On nomme l'apport des molécules primaires à la teneur en eau totale du bois ( )

et l'apport des molécules secondaires. En reprenant les équations de la théorie de Dent

(paragraphe I.A.2.c), et peuvent être exprimées en fonction des constantes , , de

l'humidité relative , et de la teneur en eau . On obtient pour :

^III-13

Et pour :

^III-14

La Figure III-33 et la Figure III-34 représentent l'évolution des teneurs , et en

fonction de l'humidité relative pour les farines de bois non-traitée et fluorée, pour les deux

méthodes de caractérisation. On constate que le nombre de molécules primaires d'eau

directement liées sur le bois est diminué après fluoration alors que le nombre de molécules

secondaires est conservé. Le nombre de sites de sorption de l'eau sur le bois a donc été

réduit par le traitement. Après le traitement, moins d'eau se lie directement sur le bois, mais

autant, voire plus, de molécules d'eau sont adsorbées de manière secondaire, se liant les

unes aux autres. Ce qui semble cohérent puisque l'attractivité des molécules d'eau entre

elles reste inchangée, alors que celle du bois a été modifiée par le traitement. Ces

observations sont encore plus prononcées pour les résultats obtenus par analyse DVS, le

nombre de sites de sorption étant réduit de 52% contre 26% pour les données récoltées par

la méthode des sels chimiques.

Figure III-33 – Isothermes des farines de bois non-traitée et fluorée, résultats obtenus par la

méthode des sels

Effet de la fluoration sur les propriétés physico-chimiques de la farine de bois

La diminution de la teneur en eau d'équilibre observée après fluoration directe de la

farine de bois peut donc être expliquée par une réduction du nombre de sites de sorption.

III.C.4. Corrélation avec l'analyse de la composition chimique

Dans le document Influence de traitements physico-chimiques des renforts sur le comportement mécanique des composites à base de co-produits de bois (Page 153-160)