Une finition liquide (vernis, peinture, laque,…) est une préparation fluide qui, après application, va s’étaler sur le support pour former (après séchage) un revêtement mince (film ou feuil) adhérent et résistant pour apporter un aspect et une performance à l’usage (CTBA 2007). En d’autres termes, l’application d’une finition sur le bois est préconisée afin de protéger sa surface et d’améliorer son apparence.
Ainsi, la qualité et la durabilité d’un revêtement de finition sont déterminées par les propriétés de surface, physiques ou chimiques, du bois et du revêtement (Cool 2011).
2.4.1 Critères d’estimes de la qualité d’une finition
Dans cette étude, nous nous intéressons particulièrement à la finition pour des usages en aménagement intérieur, et particulièrement pour l’ameublement.
Pour cette dernière, il existe une norme sur les méthodes d’essais des finitions, à savoir la norme NF D 60-050 (2009). Ces méthodes d’essais permettent de vérifier le comportement des finitions d’un meuble. Différents essais sont préconisés par la norme. Globalement, il s’agit d’essais qui permettent de :
- caractériser l’aspect des surfaces : aspects visuels (aspect et tension du film, brillance, indice de luminance lumineuse Y, …), épaisseur du film, … ;
- évaluer la résistance des surfaces en fonction des contraintes d’utilisation (chaleur, eau, corrosion, choc, abrasion, rayure,…) ;
- évaluer la performance des produits.
Pour cette dernière, il y a l’évaluation de l’adhérence du produit. Ce type d’évaluation est souvent considérée lors des études de la finition (de Moura 2006 ; Ratnasingam et Scholz 2006 ; Ozdemir et Hiziroglu 2007 ; Outahyon 2008 ; Cool 2011 ; Humar et al. 2011). En effet, cet essai est assez important dans la mesure où l’on cherche à évaluer la tenue du produit de finition à travers l’interaction entre le substrat (la surface du bois) et le produit. Ainsi, les essais d’adhérence peuvent être réalisés suivant deux méthodes d’essai : l’essai de quadrillage (NF EN ISO 2409 2013) et l’essai de traction (NF EN ISO 4624 2003). Ces deux méthodes sont basées sur des tests d’arrachement. Pour le premier qui est une mesure plutôt qualitative, l’évaluation est faite visuellement suivant une classification déterminée. Et pour le second, il s’agit d’une mesure quantitative de la résistance du film à l’arrachement, sous une sollicitation de traction.
Dans le contexte des études sur la finition et aussi des analyses sur les relations entre la finition et la préparation de surface, d’autres critères sont aussi très souvent considérés. Il s’agit des critères tels que la couleur, la brillance, etc... qui sont liés à l’aspect visuel des surfaces finies (Dawson et al. 2005 ; Nejad et Cooper 2011a ; Scrinzi et al. 2011) ; mais aussi l’épaisseur des films ou la tenue des films (Nejad et Cooper 2011b ; Cool 2011).
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2.4.2 Mesure de la qualité de surface via la mouillabilité
L'analyse de mouillabilité indique l'aptitude d'une surface à être mouillée par le revêtement de finition dans sa phase liquide (de Moura 2006). Les critères de mouillabilité les plus utilisés sont : l’angle de contact, le temps de mouillage, l’indice de dispersion et de pénétration, et l’énergie de surface (Gindl et al. 2001 ; de Moura 2006 ; Outahyon 2008 ; Cool 2011).
Pour faire les mesures de mouillabilité, plusieurs types de liquides d’essais tels que l’eau, le formamide, la glycérine et l’éthylène glycol peuvent être utilisés (Outahyon 2008 ; Aydin et Demirkir 2010 ; Cool 2011).
2.4.2.1 Critères utilisés pour l’évaluation de la mouillabilité Angle de contact
L'angle de contact θ (Figure 20) est l’angle formé entre la surface horizontale du substrat et la surface d'une goutte d'un liquide donnée (de Moura 2006).
La mouillabilité d’un substrat est souvent évaluée à partir d’un seul angle de contact à divers temps de mouillage. Les plus communs sont l’angle de contact initial, l’angle de contact à un temps donné et celui à l’équilibre. L’angle de contact initial illustre l’affinité de la surface de bois avec un liquide. Il est essentiellement influencé par la structure de la surface de chaque essence (Boehme et Hora 1996, in Cool 2011). Un angle de contact initial faible indique une bonne mouillabilité de la surface.
Figure 20 : Evolution de l’angle de contact en fonction du temps [Krüss ; in : http://www.kruss.de]
Indices de dispersion et de pénétration du liquide :
Etant donné que l’angle de contact seul ne suffit pas pour caractériser la mouillabilité de surface (Boehme et Hora 1996 ; in de Moura 2006), des paramètres considérant le temps de dispersion et de pénétration du liquide ont également été utilisés.
La dispersion et la pénétration du liquide ont été exprimées au moyen de la « valeur K » (Shi et Gardner 2001, in de Moura 2006 ; Cool 2011 ; Huang et al. 2012). Il s’agit d’un paramètre qui renseigne sur l’affinité des produits de finition avec la surface. Des valeurs élevées de K indiquent une pénétration et une dispersion plus rapide du liquide sur la surface du bois (de Moura 2006). Le calcul de ce paramètre est effectué à partir de l’Équation 8.
= ∗
( )∗ ( ∗ ∗ ) [8]
Équation 8 : Equation permettant le calcul de l’indice K de Shi et Gardner (2001) [Huang et al. 2012]
Avec : θi = angle initial de la goutte ; θe = angle d’équilibre de la goutte (angle mesuré après
40 secondes de la dépose de la goutte) ; K = taux de pénétration et de dispersion ; t = temps d’absorption.
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Un autre paramètre a également été utilisé par Šernek et al. (2004) et Cool et Hernandez (2011a ; 2011b) pour quantifier le taux de mouillage ou l'aptitude du liquide à s'étaler et à pénétrer sur la surface du bois : il s’agit du rapport (Δθ/Δt) qui correspond à la variation de l'angle de contact (Δθ) au cours d’un temps déterminé (Δt) suivant le mouillage. Dans les travaux de Šernek et al. (2004), les observations ont été effectuées pendant la première minute de mouillage. Par contre, dans ceux de Cool et Hernandez (2011a ; 2011b) ; elles ont été faites durant les 30 premières secondes de mouillage.
Pour évaluer la mouillabilité de la surface à travers l’angle de contact, la dispersion et la pénétration, l’utilisation de l’eau pure comme liquide d’essai est préconisée. En effet, il est intéressant d’utiliser de l’eau puisque ses propriétés physiques et chimiques sont bien connues. Il est ainsi plus facile d’expliquer les phénomènes observés (Cool 2011). Cela reste aussi valable dans la mesure où l’on veut utiliser des produits aqueux comme produits de finition.
Energie de surface
La détermination des paramètres d’énergie de surface se base sur les mesures d’angles de contact déterminées par un ou des liquides dont la tension de surface est connue. Les mesures d’angles de contact sont corrélées avec l’énergie de surface (Liptáková et al. 1995; Wu et al. 1995 ; in Cool 2011). Pour calculer ses composantes, au moins deux liquides dont les tensions de surface sont connues sont nécessaires suivant la méthode de calcul (Cool 2011).
Figure 21 : Formation d’un angle de contact sur une surface solide d’après Young [Krüss ; In : http://www.kruss.de]
Avec : θ = angle de contact ; σl = tension de surface de la phase liquide ; σs = tension de
surface de la phase solide ; γsl = tension interfaciale entre les deux phases
2.4.2.2 Facteurs influençant la mouillabilité de surface
La mouillabilité peut être influencée par de nombreux paramètres dont :
- L’essence de bois utilisée : du fait de ses propriétés anatomiques et chimiques particulières (Shupe et al. 2001, in Cool 2011) ;
- Le procédé d’usinage utilisé : avec notamment l’influence très importante des paramètres de coupe sur la rugosité de surface obtenue (de Moura 2006 ; Outahyon 2008 ; Cool 2011).
Les corrélations entre la rugosité et la mouillabilité montrent que l'augmentation de la rugosité pour les paramètres tels que SRa et SRk, améliore globalement les propriétés de mouillage du bois (de Moura 2006 ; Cool 2011).
Par ailleurs, les travaux de Nussbaum (1999), Gindl et al. (2004), Šernek et al. (2004), Cool (2011) ont montré que le temps passé, entre l’usinage de la surface et le moment où le test de mouillabilité était réalisé, avait une influence significative sur les résultats obtenus. Les auteurs l’expliquent par un phénomène d'oxydation ou de vieillissement rapide des surfaces
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en fonction du temps (après usinage). Autrement dit, les propriétés de mouillabilité du bois se détériorent avec le temps.
2.4.3 Facteurs influençant la qualité de surface et les propriétés d’adhérence
L’analyse de la rugosité et de la mouillabilité de la surface du bois fournit des informations sur les propriétés d’adhérence d’un produit de revêtement sur la surface du bois (Hernandez et Cool 2008a). En effet, la corrélation de l’adhérence avec ces deux critères (et plus particulièrement les paramètres : Ra pour la rugosité ; l’angle initial θi, le temps de mouillage, l’indice K et l’énergie de surface pour la mouillabilité), et la résistance des films a été vérifiée (de Moura 2006).
Il en est de même pour les relations entre la rugosité de surface et la mouillabilité (de Moura et Hernandez 2006b). Dans cette étude, il a été trouvé que plus la rugosité (avec SRa et SRsk) est élevée, plus les propriétés de mouillage sont élevées.
De façon à permettre une adhérence optimale et une bonne qualité de finition, une bonne mouillabilité est indispensable (Hernandez et Cool 2008a). Par ailleurs, pour une surface usinée destinée à une application de type finition, les propriétés d’adhérence croissent généralement avec l’augmentation de la rugosité SRa (de Moura et Hernandez 2006b). Autrement dit, les différentes études menées par ces auteurs démontrent que pour obtenir des propriétés optimales d’adhérence, il est nécessaire d’avoir une rugosité de surface élevée, une bonne mouillabilité et une certaine fibrillation.
2.4.4 Bilan pour une application « bois vernis »
L’étude de la finition requiert l’évaluation de la qualité de surface du substrat (c’est-à-dire de la surface du bois) à travers la rugosité de surface et la mouillabilité. Il est toutefois nécessaire de prendre en considération la qualité esthétique de la finition (avec les critères tels que la couleur, la brillance,…), mais aussi la tenue ou la performance du produit de finition (c’est-à- dire l’interaction entre le produit de finition et la surface via l’adhérence, la résistance de la surface à différentes sollicitations, etc…).
Qui plus est, les études citées dans cette partie 2.4 ont permis de voir les relations entre la qualité de surface et l’aptitude de la surface à recevoir le produit de finition. Il en ressort que : bien que des liens entre les différents critères d’estime de la qualité de surface aient été obtenus, il apparaît clairement qu’un seul critère ne suffit pas à caractériser la qualité de surface du bois et/ou son aptitude à recevoir un produit de finition. Ces différents types de critères doivent être utilisés ensemble (critères de qualité de surface, critères esthétiques, critères sur la performance du vernis), de façon à obtenir le maximum d’informations sur l’aptitude des essences de bois à recevoir une finition.
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