Formulation des revêtements UV-aqueux

La formulation des peintures/vernis constitue l’une des étapes les plus importantes pour le formateur. Les propriétés finales du revêtement étant gouvernées par la nature des constituants, le formulateur aura pour mission de choisir judicieusement les constituants adéquats pour la formulation. Une formulation est généralement constituée de 3 ou 4 groupes de composants selon qu’elle soit destinée à un vernis ou une peinture respectivement : la résine (ou liant), le solvant (eau), le pigment (pour les peintures uniquement) et les additifs [6]. Chaque groupe de composants présente un vaste choix de produits présentant des propriétés et des compatibilités spécifiques, aussi une connaissance

11 avancée dans la formulation des peintures et des vernis est indispensable afin de développer une formulation efficace. Les compositions de la formulation UV-aqueuse sont présentées au Tableau 1.1.

La Résine constitue l’élément principal d’une formulation de peinture. D’un point de vue chimique, il s’agit de polymères ou d’oligomères polymérisant lors du séchage de la peinture. Son rôle est de former une pellicule continue qui après séchage formera un film sec adhérant au substrat, c’est donc pour cette raison qu’on la qualifie de matériau filmogène [11, 21]. Le liant confère au revêtement ses principales caractéristiques physico- chimiques, c’est donc une matière première essentielle dans la composition d’une peinture [16].

Tableau 1.1. Compositions de la formulation UV-aqueuse

Composant

Structure chimique

Nom commercial

Résine

Polyuréthane-acrylate

Bayhydrol UV 2282

Agent

antimoussant

Copolymère

polyétherdiméthylsiloxane

Foamex 822

Agent de surface

Copolymère polyéthersiloxane

Byk 348

Dispersant

Solution de bloc de copolymère de

haut poids moléculaire

Byk 190

Photoinitiateur

Oxyde de bis-acylphosphine

Irgacure 819DW

Agent épaississant

Polyuréthane

RM 2020

Solvant

Eau déionisée

_

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Le Bayhydrol UV 2282 (Bayer Material Science), oligomère polyuréthane-acrylate en émulsion dans l'eau développée essentiellement pour des applications sur le bois ou ses dérivés, a été employé en tant que liant. Cette résine est caractérisée par un aspect laiteux, propre aux émulsions aqueuses et son taux d'extrait sec est de 43%.

1.4.1. Les additifs

L’oxyde de titane (TiO2) est bien connu comme un pigment blanc. Après plusieurs mesures on a constaté, que ~30% (à la masse sec) de TiO2 nous donne une opacité de plus que 80%, suffisante pour la peinture opaque.

La formation de mousse au cours de la formulation peut nuire aux propriétés d’apparence du revêtement mais aussi réduire sa fonction de protection. Il est donc nécessaire d'ajouter un agent antimoussant dans la formulation afin d'éviter la formation de mousse. Les agents antimoussants sont des liquides de faible tension de surface, insolubles dans le milieu dans lequel ils sont introduits, possédant un coefficient d'entrée et un coefficient d'étalement positifs [11, 21]. Le Foamex 822, copolymère polyétherdiméthylsiloxane, a été utilisé dans ce projet.

L'utilisation du Byk 348 (Byk-Chemie) en tant que surfactant permet d’une part d'abaisser la tension de surface des formulations aqueuses et d’autre part de favoriser un meilleur étalement de la formulation sur le bois [11, 21, 22].

L’agent épaississant (agent rhéologique) RM 2020 (Rohm and Haas Company) a été

introduit afin d’ajuster la viscosité de la formulation UV-aqueuse. Les propriétés rhéologiques d'une formulation dépendent non seulement de la nature du liant (structure chimique, poids moléculaire, solubilité), mais aussi du solvant et de la concentration en pigments/matières de charges [6, 11, 21, 22].

Le choix du photoinitiateur joue un rôle prépondérant dans les systèmes UV puisque la vitesse et l’efficacité de la polymérisation, ainsi que les propriétés des revêtements en dépendent. Le photoinitiateur est un élément indispensable dans une formulation à cuisson ultraviolette puisque c'est lui qui va permettre d'amorcer la réaction de polymérisation

13 radicalaire par absorption du rayon ultraviolet incident [6, 14]. Les photoinitiateurs de type Norrish I (coupure homolytique au niveau du carbonyle), qui consistent en des cétones aromatiques, sont les plus utilisés compte tenu de leur grande réactivité [6]. Les dicétals benzyliques, les oxydes d'acylphosphine et les α-aminocétones, dont les structures sont présentées à la Figure 1.1, qui se distinguent par une plus grande capacité d'absorbance dans le proche UV, sont les photoinitiateurs de type Norrish I les plus performants [14]. Le photoinitiateur utilisé dans notre recherche est un oxyde de bisacylphosphine en dispersion dans l'eau (45% en poids) de couleur jaunâtre à savoir l’Irgacure 819 DW (Mississauga,

Canada).

Dicétal benzylique Oxyde d'acylphosphine α-aminocétone

Figure 1.1 Structure chimique des photoinitiateurs de type Norrish I les plus performants [14].

1.4.2. Les agents des renforts

Malgré les nombreux avantages que présentent les revêtements UV-aqueux, la popularité de ces derniers est limitée car leurs propriétés mécaniques sont souvent inférieures à celles de leurs homologues en phase solvant [23]. Un des objectifs de notre recherche consiste à tenter de mettre en valeur les revêtements UV-aqueux en ajoutant des nanoparticules afin de renforcer leurs propriétés. Les nanoparticules permettent d’améliorer certaines propriétés et/ou d'apporter des propriétés spécifiques aux revêtements [6, 7]. Afin d’améliorer la performance des revêtements aqueux pour le bois, on a, par le passé, étudié l’intégration des nanoparticules de ZnO, TiO2, CeO2, Al2O3, SiO2 et nanoargiles dans une matrice polymère, sous forme d’un film de revêtement. Ces nanoparticules ont permis d’améliorer

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la résistance à l'usure (abrasion et égratignures), la protection contre les UV et les champignons [6-9]. Ils concernent la dispersion de nanoargiles et autres renforts inorganiques dans les revêtements non-aqueux [7], les nanorenforts dans les revêtements intérieurs aqueux [6], les nanorenforts dans les revêtements extérieurs architecturaux [8], et la résistance aux UV des revêtements extérieurs [9]. Ces travaux indiquent que les nanorenforts apportent une meilleure résistance à l’usure et aux UV aux revêtements en autant que les nanoparticules soient bien dispersées. Cette variabilité dans la qualité de la dispersion dépend de la chimie du système utilisé mais aussi fortement des appareils utilisés pour effectuer la dispersion. Il a été aussi démontré que la dispersion en milieu aqueux constitue un défi important étant donné la faible viscosité des produits de finition aqueux, des effets du pH et de la force ionique en milieu aqueux, alliées à la très grande surface spécifique des nanorenforts.