B.2 Les traitements existants

L’instabilité dimensionnelle du bois provoque des endommagements importants, le rendant incompatible pour certaines applications (notamment pour des utilisations structurales en extérieur). La réduction du caractère hydrophile du bois a fait l’objet de plusieurs études qui ont abouti au développement de plusieurs traitements. Ces derniers peuvent être classés en deux catégories : les traitements chimiques et physiques. Ces différents procédés ont concerné la poudre de bois et sa forme massive.

I.B.2.a. Les traitements chimiques

Plusieurs traitements chimiques, visant à réduire l’hydrophilie du bois, ont déjà été développés et appliqués à ce matériau. L’arrivée sur le marché de composites à renforts de bois, ou d’autres fibres naturelles, a d’ailleurs relancé les études pour optimiser ce type de traitement. En effet, le caractère hydrophile des fibres végétales entraîne une incompatibilité avec les matrices polymères généralement hydrophobes [54, 55]. En résulte alors un mauvais transfert de charge et donc un comportement mécanique médiocre. Malgré la variété des traitements chimiques existants pour augmenter l’hydrophobicité du bois, tous sont basés sur le même principe : le remplacement ou la désactivation des groupements hydroxyles –OH (cf.

I.A.4.b).

L’estérification

Un des traitements chimiques les plus connus est le greffage de chaînes carbonées sur les sites hydroxyles présents dans les différents composants du bois par la réaction entre les groupements hydroxyles (-OH) et un anhydride.

L’estérification la plus couramment utilisée et étudiée par de nombreux auteurs [56-64] est basée sur l’utilisation de l’anhydride acétique. Le principe de cette méthode, également nommée acétylation, consiste à faire réagir les groupements hydroxyles (-OH) avec des fonctions acétyles (-COCH3). Cette réaction entraîne alors la substitution des groupements

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Cette méthode présente cependant l’inconvénient de produire de l’acide acétique qui doit être retiré du bois après la réaction. En outre, cet acide peut être produit par l’hydratation de l’anhydride acétique. Cela signifie qu’en présence d’eau, l’anhydride acétique va engendrer la production d’acide acétique comme illustré sur la Figure I-26 (b).

Figure I-26 : Estérification des fibres de bois par l'anhydride acétique (a) et réaction avec l’eau de l’anhydride acétique (b)

Les groupements hydroxyles de l’eau étant plus réactifs que ceux présents dans le bois, autrement dit la réaction (b) prévaut sur la (a), ce dernier doit subir un séchage avant l’acétylation. Dans le cas contraire, la réaction entre l’eau dans le bois et l’anhydride acétique parasite le traitement et empêche l’estérification des hydroxyles du bois. En général, des teneurs en humidité du bois comprises entre 1 et 3% maximum sont requises.

Contrairement au traitement du bois par l’anhydride acétique, l’estérification par l’anhydride maléique n’engendre pas la production de produit secondaire. En effet, cette autre méthode d’estérification, très similaire à l’acétylation, est basée sur la réaction présentée sur la Figure I-27 [66-68]. L’estérification par l’anhydride maléique, ne nécessitant pas la récupération des sous-produits après la réaction, présente donc des avantages environnementaux et économiques par rapport à l’acétylation.

45 Utilisation d’agent de liaison

Dans le cas des panneaux composites à base de bois, le traitement via des cires à base de polypropylène modifié avec l’anhydride maléique (également appelée MAPP) permet une amélioration de la stabilité dimensionnelle en conditions d’usage [69, 70]. Le traitement par le polypropylène maléaté est en réalité possible grâce à ses fonctions anhydrides. En effet, l’adhésion du polypropylène maléaté se réalise par une réaction d’estérification (similaire à celles présentées dans le paragraphe précédent) entre ses fonctions anhydrides et les groupements hydroxyles du bois (Figure I-28) [71, 72].

Figure I-28 : Estérification de fibres de cellulose par MAPP

Ce type de traitement est essentiellement utilisé pour la fabrication de composites bois- plastique. En effet, ce type de composite présente naturellement de faibles propriétés mécaniques principalement dues à la mauvaise compatibilité entre les renforts de bois (polaire et hydrophile) et la matrice polymère (hydrophobe et non polaire). Le polypropylène maléaté joue alors le rôle d’agent couplant favorisant l’adhésion entre les particules de bois et la matrice [73].

Les produits à base de silane sont également utilisés en tant qu’agents de liaison entre les fibres de bois et une matrice polymère dans le cadre de la fabrication de composites. Ce type de greffage est permis par une substitution des groupements hydroxyles de la farine de bois par un groupement silanol (Figure I-29) [74, 75]. De nombreux facteurs influencent l’efficacité de la réaction, tels que la température ou le pH. En outre, un post-traitement de séchage du bois est nécessaire afin d’éliminer l’eau formée lors de la réaction.

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Ces traitements chimiques présentent un inconvénient majeur lié à leur caractère nocif pour l’environnement. Par conséquent, l’aspect écologique du bois s’estompe par l’utilisation de ce type de traitement.

I.B.2.b. Les traitements physiques

Traitement thermique

La stabilisation du bois par un traitement à haute température, appelé également torréfaction ou encore rétification, a été étudiée pour la première fois il y a plus de 50 ans

[76]. Ce procédé repose sur un chauffage du bois (sur poudre ou sur bois massif) n’excédant

pas 300°C (température de combustion de la cellulose), au risque de détériorer significativement le bois. La température de torréfaction varie entre 150 et 280°C pendant une durée de 15 min à 24 h selon l’essence, l’humidité et les dimensions du bois traité.

Ces traitements thermiques induisent une élimination de l’eau de constitution contenue entre les groupements hydroxyles des cellules adjacentes. Cette dernière est alors remplacée par des groupements ester. Durant la torréfaction, les composants du bois sont dégradés, par oxydation ou hydrolyse, dans un ordre bien précis : les hémicelluloses puis la cellulose et enfin une partie de la lignine. Bourgois et Özgenç [77, 78] ont d’ailleurs appuyé cette dernière remarque en observant une augmentation du ratio de lignine dans le bois après torréfaction. La plupart des études s’accorde et conclut que ce type de traitement permet une diminution de l’affinité entre l’eau et le bois, conduisant à sa stabilité dimensionnelle. Cette amélioration est notamment due à la dégradation des hémicelluloses, qui sont les polymères les plus hygroscopiques du bois, et de la formation de polymères ou de composants de type furane très peu solubles dans l’eau [79].

En outre, le traitement par haute température, actuellement très utilisé en milieu industriel, ne nécessite pas de solvant nocif à l’environnement contrairement aux traitements chimiques présentés précédemment. Cependant, la torréfaction entraîne une détérioration notable des propriétés mécaniques [80]. En effet, Mburu a noté une baisse significative de la contrainte à rupture liée à la perte de masse du bois, issue de la torréfaction. Le module d’élasticité quant à lui diminue de manière négligeable. Une telle conséquence limite l’utilisation du bois stabilisé par chauffage dans le domaine de la construction. De plus, le processus de torréfaction doit s’opérer dans une enceinte à l’abri de l’air, puisque la présence d’oxygène pendant le chauffage du bois entraîne des phénomènes d’oxydation susceptibles d’accélérer la dégradation des propriétés mécaniques du bois. Rappelons également qu’au-delà de 200°C, le bois peut facilement brûler en présence d’oxygène.

47 Décharge électrique

Les traitements par plasma et par décharge Corona sont les deux principaux procédés de traitement utilisant la décharge électrique. Ce type de traitements a d’abord beaucoup été appliqué sur les polymères afin de modifier leurs propriétés de surface (telles que l’adhésion ou la mouillabilité). Les tests sur des fibres végétales telles que le bois ont été réalisés lors d’études assez récentes [81, 82].

Le plasma est considéré comme étant le quatrième état de la matière. Il s’agit en réalité d’un gaz excité contenant des atomes, mais aussi des espèces chargées électriquement (ions, radicaux libres et électrons). Dans leur état normal, les gaz ne contiennent pas de particules chargées, mais seulement des molécules neutres ; un plasma doit donc être généré sous vide via un champ électrique assez important pour ioniser ces gaz. L’échantillon à traiter, appelé substrat, est placé en contact avec le plasma. Les interactions entre le substrat et le plasma conduisent aux propriétés de surface désirées. Ces propriétés du substrat, obtenues après le traitement, dépendent des facteurs suivants :

- le type de gaz à l’origine du plasma

- la puissance générée lors de la synthèse du plasma - le temps de contact entre le substrat et le plasma - la distance entre le substrat et la source du plasma

Klarhöfer [83] et Avramidis [84] ont notamment démontré que le traitement plasma sur le bois engendrait une oxydation de la lignine et une réduction de la cellulose (notamment par la perte des groupements hydroxyles –OH).

Le traitement par décharge Corona, très similaire au traitement par plasma, repose aussi sur les interactions entre le substrat et un plasma, décrites précédemment. Lors d’un traitement par décharge Corona, la décharge électrique est directement appliquée sur le matériau à traiter. Elle s’opère en présence d’un gaz spécifique (généralement de l’ozone) afin de permettre la création du plasma. La tension et le temps de la décharge constituent les deux paramètres principaux permettant d’ajuster les propriétés de surface.