Qualité et morphologie du film de peinture

 Taux de Transmission de Vapeur d’Eau (TTVE) des feuils

Le tableau 8.5 présente les résultats obtenus après analyse des feuils par l’analyseur de sorption de vapeur. Les résultats de transmission de vapeur par formulation ont été obtenus en multipliant les épaisseurs par les TTVE.

Tableau 8.5 : Valeurs des taux de transmission de vapeur d’eau (TTVE) et des épaisseurs moyennes des feuils de peinture

Formulation 1 Formulation 2 Formulation 3

Ech 1 Ech 2 Ech 3 Ech 1 Ech 2 Ech 3 Ech 1 Ech 2 Ech 3 TTVE (mg/min*cm2) 6,37 5,09 6,37 3,82 3,82 3,82 5,09 3,82 2,55 Épaisseur (µm) 65 54 60 103 106 88 83 80 77 Taux de transmission de vapeur 0,36 ± 0,07 0,39 ± 0,04 0,31 ± 0,11

Considérant ces valeurs ainsi que les écarts-types, il n’existe pas de différence significative dans les taux de transmission de vapeur de ces 3 formulations. Ces valeurs peuvent être considérées comme

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faibles (Das & Yadaw, 2013). Ce qui est en accord avec la littérature concernant des revêtements avec de faibles concentrations en pigments (Agnese et al., 2010). Une bonne coalescence permet la formation d’un film homogène et donc avec une faible transmission de vapeur. A la vue de ces résultats, les revêtements issus des trois formulations semblent permettent la formation d’un feuil bien coalescé.

 Investigation d'une porosité traversant le feuil

En parallèle des analyses de transmission de vapeur d’eau, des tests au sulfate de cuivre ont été réalisés. En raison de la nature inorganique des pigments utilisés, des problèmes de tension de surface entre la formulation et les particules de couleur peuvent créer une porosité. Les tests de sulfate de cuivre permettent de mettre en évidence la porosité qui traverse entièrement le feuil par l'apparition de points rouges en surface (réaction entre le fer contenu dans les plaques d’acier et le sulfate de cuivre). Dans cette expérience, même après 24h, aucun point rouge n’est apparu à l’œil nu. Cela démontre une bonne coalescence de la résine ainsi que le remplissage des vides entre les particules de pigments (Eckhaus et al., 1953).

L'utilisation d’un microscope optique a permis de mieux caractériser la surface des échantillons. La figure 8.2 montre la surface des revêtements obtenus pour différents échantillons. Afin de ne pas charger la partie résultat de ce chapitre, il a été choisi de ne pas montrer la surface des échantillons issus de la formulation 2 qui montrent un fini intermédiaire entre les formulations 1 et 3. De nombreuses taches peuvent être observées. Ces taches ne sont pas dues à la réaction entre le sulfate de fer et le sulfate de cuivre, mais semblent avoir été provoquées par une mauvaise dispersion des pigments dans le fini. La nature hydrophobe du DPnB peut générer des défauts résultant de la différence de tension superficielle entre l'agent de coalescence et le fini (Bierwagen, 1991 ; Weidner et al., 1996). Dans cette expérience aucun défaut, tel que des cratères, n'a été observé pour aucun des échantillons. Ceci démontre la bonne comptabilité des agents de coalescence utilisés.

Aucune différence n’a été remarquée entre les différents échantillons issus de l’application au pinceau. Cependant, les surfaces issues de l'application par le pistolet présentent des différences entre les échantillons correspondant à l’application de la formulation 1 et les échantillons correspondant à l’application de la formulation 3. La formulation 1 ne semble pas être adaptée à une application par pistolet. Cette particularité sera discutée en détail plus loin dans cette étude.

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Figure 8.2 : Images de la surface des échantillons de a) formulation 1 - application par pinceau - sans ponçage, b) formulation 1 - application par pinceau - avec ponçage, c) formulation 3 - application par pinceau - sans ponçage, d) formulation 3 - application par pinceau - avec ponçage, e) formulation 1 - application avec un pistolet - sans ponçage, f) formulation 1 - application avec un pistolet - avec ponçage, g) formulation 3 - application avec un pistolet - sans ponçage, h) formulation 3 - application avec un pistolet - avec ponçage

145  Caractérisation microscopique des échantillons

L'utilisation de la microscopie électronique à balayage permet de caractériser en détail la surface du film (Figure 8.3).

Figure 8.3 : Observations de la surface des échantillons par microscopie électronique à balayage. Application de la formulation 3 : a) au pistolet, c) et e) au pinceau. Application de la formulation 1 : b) au pistolet, d) et f) au pinceau.

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Aucune différence n'a été remarquée entre les échantillons qui ont subi un sablage entre les deux couches et ceux qui ne l'ont pas été. Comme observé précédemment, la surface des échantillons correspondant à l'application avec le pistolet de la formulation 3 (Figure 8.3a) apparait rugueuse contrairement aux échantillons correspondant à l’application au pistolet de la formulation 1 (Figure 8.3b). Cette différence n'est pas observée pour les échantillons qui ont été appliqués au pinceau (Figure 8.3c et 8.3d). Cette particularité sera expliquée dans la suite de ce chapitre.

Des cratères peuvent être observés lors de l'application de la formulation 3 avec le pinceau (Figure 8.3e) et en moindre mesure avec la formulation 2 (Figure 8.3f). Aucun cratère n'est observé pour les échantillons correspondant à l’application de la formulation 1. L'agent de coalescence DPM malgré sa comptabilité avec l'eau semble être associé à la formation de ces défauts. Ces défauts semblent être dus à la migration de bulles d’air à la surface. Le séchage relativement rapide de ce revêtement peut limiter l’action des désaérateurs et des antimousses présents dans la formulation. Les bulles migrent en surface et éclatent. Cependant, le temps de durcissement rapide empêche le liquide de remplir les cavités résultantes de l’éclatement des bulles.

 Qualité de surface des échantillons

La brillance et l'uniformité des surfaces ont été reliées à la qualité du feuil. Une rugosité élevée diffuse la lumière dans de nombreuses directions et diminue ainsi la brillance. En mesurant la brillance, il devient possible de déterminer l’uniformité et le bon nivellement du fini.

Le tableau 8.6 présente les valeurs moyennes de brillance et de Sa obtenues pour les échantillons correspondant à chaque formulation et chaque application sablée ou non. La masse de protection appliquée sur chaque échantillon est également présenté dans ce tableau. Toutes les valeurs sont la moyenne de 10 réplicas.

La quantité de revêtement appliqué par pinceau est supérieure à celle appliquée avec le pistolet. Une relation est retrouvée entre les valeurs de la brillance et Sa. Plus Sa est élevée et moins la surface est brillante. Ceci est en accord avec la littérature (Gunde et al., 2007; Wang et al., 2007). En ce qui concerne les différences entre les échantillons, le sablage entre les deux couches a permis de diminuer la rugosité par rapport aux échantillons sans sablage. L’action de sablage permet de diminuer la rugosité de la première couche. La rugosité de ces échantillons est donc uniquement la conséquence de l’application de la deuxième couche. Sans sablage, la deuxième couche ne permet pas de combler intégralement les aspérités laissées par la première couche.

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Tableau 8.6 : Valeurs de rugosité, brillance et poids de revêtement pour chacun des échantillons

Méthode

d’application Formulation Sablage Brillance 60°

Sa (nm) Masse du revêtement (g) Application avec le pistolet Formulation 1 Sans 57.9 ± 10.0 1889 0.7049 ± 0,0590 Avec 50.1 ± 9.8 1576 0.6332 ± 0,0225 Formulation 2 Sans 38.4 ± 8.5 2109 0.7235 ± 0,1044 Avec 43.8 ± 7.1 1949 0.6587 ± 0,0761 Formulation 3 Sans 30.4 ± 4.8 2411 0.7462 ± 0,08312 Avec 34.2 ± 6.5 2354 0.6978 ± 0,0570

Application

avec le

pinceau

Formulation 1 Sans 56.5 ± 8.6 1219 1.0591 ± 0.0897 Avec 60.1 ± 5.8 1039 0.8792 ± 0.0769 Formulation 2 Sans 51.9 ± 9.9 1410 1.1520 ± 0.1047 Avec 55.8 ± 6.1 1226 0.9251 ± 0.0767 Formulation 3 Sans 49.7 ± 7.9 1582 1.0985 ± 0.1109 Avec 53.2 ± 8.3 1360 0.9011 ± 0.0856

L’application au pistolet de la formulation 3 a mené à la rugosité la plus élevée et donc la brillance la plus faible. Cette augmentation de la rugosité avec la formulation 3 avait déjà été constatée lors des observations microscopiques. L’application avec le pinceau n’a pas donnée de différences aussi importantes entre les échantillons issus des formulations 1 et 3. Le temps de séchage de la formulation 3 est inférieur à celui de la formulation 1. Lorsqu'on utilise une application par pistolet, la taille des

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particules est très faible et le contact avec l’air très élevé. Ces particularités ont provoqué le séchage du revêtement avant que celui-ci ne touche la surface de l’échantillon. Cela a engendré une forte rugosité par le dépôt de particules sèches en surface du bois.

En utilisant le pinceau, ce problème n'est pas observé car le séchage se produit directement sur l’échantillon. Pourtant, l'application avec le pinceau a donné une rugosité plus élevée avec la formulation 3 qu'avec la formulation 1. Cela s'explique par le temps de séchage plus long pour la formulation 1, qui permet un meilleur nivellement mais aussi une meilleure coalescence et donc une rugosité plus faible et une brillance plus élevée (Overdiep, 1986).

8.4. Conclusion

L'objectif de cette recherche était de déterminer l'influence de certains paramètres tels que la nature de l'agent de coalescence, la méthode d'application et du sablage entre les deux couches sur les propriétés physiques de la protection ainsi que sur la qualité et la morphologie du film. Les résultats montrent que l'agent de coalescence a une forte influence sur les propriétés du revêtement telles que sa capacité à dégazer, la température minimale de formation de film et le temps de séchage. Cela est essentiellement expliqué par les coefficients de partage entre l'eau et le polymère des agents de coalescence. Si l’agent de coalescence est hydrophobe, il aura tendance à migrer dans la partie plastique de la peinture et donc à ramollir le polymère. Par conséquent et comme il a été observé dans cette expérience avec le DPnB, une diminution de la TMFF peut être observée car les particules d'acrylique restent molles même à plus basse température. De plus, le taux d'évaporation plus lent du DPnB lui permet de rester plus longtemps dans le polymère ce qui laisse le temps à un meilleur nivellement et donc une meilleure brillance. À l’opposé, si l'agent de coalescence est très hydrophile comme le DPM dans cette étude, il aura tendance à former des azéotropes avec l'eau. Le temps de séchage est raccourci et peut alors empêcher un bon nivellement (Winnik, 1997). Cependant, dans cette étude, l’agent de coalescence n’influe pas sur le taux de transmission de vapeur du feuil. De plus, il a été observé que dans cette étude un temps de séchage trop court n'était pas adapté à une application avec un pistolet. Ainsi, la formulation doit être adaptée avec la méthode d'application utilisée. Le sablage entre les deux couches de protection n'a pas apporté de différences importantes sur la morphologie du feuil sec. C’est l’utilisation d’un agent de coalescence hydrophobe qui a entrainé l’obtention des meilleurs résultats. La formulation avec 2 % de DPM et 2 % de DPnB possédait des propriétés intermédiaires entre les deux autres formulations. Il n'y a pas d'interaction positive entre les deux agents de coalescence. Il serait nécessaire, pour compléter cette étude, de caractériser la dureté du feuil qui est une caractéristique essentielle dans la durabilité de la protection.

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Conclusions Générales sur la thèse

Le bois est une ressource naturelle qui est abondante au Canada. Récemment, de nouvelles législations dans le pays et plus particulièrement au Québec, comme par exemple la chartre du bois au Québec et le Wood first act en Colombie-Britannique, favorisent son utilisation dans le secteur de la construction. Cependant, sa nature biologique et son rôle dans les cycles biogéochimiques en font un matériau dégradable dans le temps. Malgré les efforts de la communauté scientifique, il n’est pas possible aujourd’hui d’offrir une protection permanente au bois. Les tendances architecturales actuelles qui préconisent l'utilisation de systèmes de protection translucides rendent cette tâche encore plus difficile puisque ces finis offrent une performance plus faible face au vieillissement comparée à d’autres technologies telles que les finis opaques.

La revue de littérature présentée en début de ce manuscrit a permis de mettre en évidence des lacunes dans la compréhension des mécanismes de dégradations présentes dans le vieillissement. Ce projet de doctorat s’est intéressé à en documenter certaines. L’objectif de cette recherche était de pouvoir caractériser et documenter les pertes de performance des protections mises en place sur le lambris d’un bâtiment en bois. Quatre axes de recherche ont été développés dans ce but et sont intégrés dans ce manuscrit par l’inclusion des articles scientifiques aux chapitres 4, 5, 6 et 7 ainsi que des résultats présentés dans le chapitre 8.

Le premier axe a été développé dans le but d'élaborer de bonnes pratiques d'utilisation des méthodes de vieillissement. La diversité des expositions rend difficile de choisir avec certitude la méthode la plus appropriée pour une problématique donnée. Les travaux réalisés permettent de souligner les différences entre les 4 méthodes d'exposition étudiées. L'exposition en Arizona permet d'étudier les limites de résistance d'une peinture. L'exposition en Floride permet d'étudier la résistance d'une peinture à la dégradation biologique ainsi qu'aux synergies pouvant exister entre les dégradations présentent dans le vieillissement. L'exposition dans le QUV permet d'étudier la résistance du polymère acrylique à la lumière ultra-violette. Il a également été conclu qu'il est toujours nécessaire de mettre en place des témoins de dégradation exposés dans l'environnement d'utilisation finale afin de confirmer les résultats obtenus par les méthodes de vieillissement. Grâce à cet axe, il a été possible de choisir les expositions adaptées aux travaux mis en œuvre dans les axes 2 et 3 de ce doctorat. Le deuxième axe de ce doctorat s'est porté sur l'étude de la photodégradation d'un bois par l'utilisation de la spectroscopie Raman. L'emploi de cette technique reste peu utilisé dans l'étude de tissus biologiques tels que le bois. L'analyse des différentes contributions n'a pas permis d'obtenir de

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nouvelles informations sur les mécanismes de photodégradation des constituants du bois. Cependant, la sensibilité de l'appareil à la fluorescence a permis d'identifier un nouveau mécanisme de dégradation de la lignine. La dibenzodioxocine présent dans la lignine des résineux subit des clivages homolytiques sur les carbones alphas des oxydes d'éther. La structure moléculaire qui en résulte est composée d'une liaison 5-5' libre de rotation qui produit de la fluorescence. La lignine est la molécule la plus touchée par la photodégradation, la formation de certains sous-produits peut servir de sources de carbone pour le développement de certaines fungi.

L'axe trois de ce projet s'est intéressé au développement d'une méthode prenant en compte les interactions pouvant exister entre photodégradation et dégradation biologique. La caractérisation des résultats a permis de mettre en évidence le rôle positif de la photodégradation dans le développement de deux fungi à taches noires. Ces deux facteurs ont un impact sur l'adhérence du revêtement et donc sur la performance du fini translucide. Au-delà des modifications chimiques ou de la diminution de l'adhésion du fini, c'est la présence de défauts tels que des bulles dans le revêtement qui permet à la photodégradation de favoriser la colonisation. Ces défauts peuvent être générés de multiples façons et il est nécessaire d'en identifier les causes pour pouvoir les corriger.

Le dernier axe de ce projet de doctorat s'est donc intéressé à identifier les sources de certains défauts de surface apparaissant sur un fini translucide en phase aqueuse. Le but premier de cette recherche était de lutter spécifiquement contre la présence de bulles dans le fini. Face aux résultats obtenus il a été choisi de documenter les variations des propriétés physiques des peintures ainsi que la morphologie du feuil de peinture en fonction de l’agent de coalescence utilisé ou de la méthode d'application ou du sablage ou non entre les deux couches de peinture. L'utilisation de l'agent de coalescence à nature hydrophobe (éther de n-butyle dipropylène glycol (DPnB)) a permis d'obtenir le meilleur feuillet vis à vis de la topographie, de la brillance et de la TMMF. La méthode d'application ainsi que le sablage ont également entrainés des morphologies différentes. Le sablage entre les deux couches de revêtement limite la rugosité produite. L’application avec le pistolet entraine un séchage prématuré de la formulation si celle-ci n’est pas adaptée à cette méthode.

Le but général de ce projet de doctorat était de documenter les pertes de performance de systèmes de protection pour des enveloppes de bâtiment en bois. De par la diversité des échantillons ainsi que des méthodes d’exposition utilisée, il est aujourd’hui possible d’identifier des fragilités ou des résistances d’un fini acrylique en fonction : (i) de sa formulation, (ii) de la qualité du fini sec, (iii) et de la nature de son vieillissement.

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Cependant, il reste à réaliser de nombreuses études afin de documenter l'ensemble des lacunes existantes dans la compréhension des mécanismes de dégradation du bois. Il apparait qu'une de ces lacunes est due à la difficulté pour un formulateur de peinture d'obtenir des informations précises de la part des manufacturiers sur les produits qu’ils utilisent. Cela créé des boîtes noires lors de l'étude de leurs comportements face au vieillissement. Ainsi, toute une partie de la documentation sur la caractérisation des mécanismes de dégradation d’un lambris d'un bâtiment en bois reste inaccessible et empêche une partie de l'interprétation.

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Recommandations

La documentation des mécanismes de dégradation impliqués dans le vieillissement du bois et de son système de protection est un travail de longue haleine. De nombreuses recherches exploratoires doivent être mises en place. Ce projet de doctorat a seulement pu étudier les prémisses de certains aspects de la dégradation d'une enveloppe d'un bâtiment en bois. Chacun des axes abordés pourrait être approfondi afin de continuer le travail et d’atteindre ce but.

Des particularités de plusieurs méthodes de vieillissement ont pu être identifiées grâce aux recherches effectuées dans ce doctorat. Des recommandations ont déjà été données dans le chapitre 4 concernant leurs usages. Cependant, d’autres études comparatives pourraient être effectuées afin de mieux comprendre ces techniques et donc de mieux les utiliser. Des recherches sur l’influence de la résine, l’épaisseur du feuil de peinture, la couleur ou encore la nature des pigments pourront être pertinentes afin de pouvoir prédire correctement la performance d’une technologie à une exposition donnée. L’utilisation de la spectroscopie Raman n’apporte pas d’information supplémentaire sur les changements chimiques résultant de l’exposition d’un bois à la photodégradation par rapport à la spectroscopie infrarouge. Il reste cependant pertinent d’obtenir une image en trois dimensions de ces modifications suite à la photodégradation. Un travail important devra être apporté pour surmonter les difficultés techniques rencontrées lors de l’utilisation de la microspectroscopie Raman confocal. La connaissance des cibles spécifiques de la photodégradation permettrait de mettre en place une protection sur mesure des fonctions réactives du bois.

Les interactions entre photodégradation et dégradation biologique ont été prises en compte dans ce projet de doctorat. Cela a permis d’identifier le rôle de certains défauts du fini dans la perte de performance de la protection. D’autres efforts devront être réalisés dans cette voie afin de rapprocher les études en laboratoire de la réalité d’exposition d’un bois au vieillissement.

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Bibliographie

Agarwal, U.P. 2014. 1064 nm FT-Raman spectroscopy for investigations of plant cell walls and other biomass materials. Frontiers in Plant Science, 5.

Agarwal, U.P. 1999. An overview of Raman spectroscopy as applied to lignocellulosic materials. Advances in lignocellulosics characterization, 209-225.

Agarwal, U.P. 2006. Raman imaging to investigate ultrastructure and composition of plant cell walls: Distribution of lignin and cellulose in black spruce wood (Picea mariana). Planta, 224(5), 1141-1153.

Agarwal, U.P., Ralph, S.A. 1997. FT-Raman spectroscopy of wood: Identifying contributions of lignin and carbohydrate polymers in the spectrum of black spruce (Picea mariana). Applied Spectroscopy, 51(11), 1648-1655.

Agarwal, U.P., Ralph, S.A., Atalla, R.H. 1997. FT Raman spectroscopic study of softwood lignin. International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, Proceedings, 8, 1-8.

Agarwal, U.P., Reiner, R.S., Ralph, S.A. 2010. Cellulose I crystallinity determination using FT- Raman spectroscopy: Univariate and multivariate methods. Cellulose, 17(4), 721-733. Agnese, T., Cech, T., Geiselhart, V., Mistry, M. 2010. Comparing the Influence of the Film Coating

Formulation on the Oxygen Gas and Water Vapour Transmission Rates. BASF.

Agresti, G., Bonifazi, G., Calienno, L., Capobianco, G., Lo Monaco, A., Pelosi, C., Picchio, R., Serranti, S. 2013. Surface investigation of photo-degraded wood by colour monitoring, infrared spectroscopy, and hyperspectral imaging. Journal of Spectroscopy, 2013(1), 13-19. Agudo, J.E., Pardo, P.J., Sánchez, H., Pérez, Á.L., Suero, M.I. 2014. A low-cost real color picker

based on arduino. Sensors, 14(7), 11943-11956.

Dans le document Caractérisation des mécanismes naturels de vieillissement de lambris de bâtiments en bois (Page 166-191)