© Antoine Cogulet, 2018
Caractérisation des mécanismes naturels de
vieillissement de lambris de bâtiments en bois
Thèse
Antoine Cogulet
Doctorat en sciences du bois
Philosophiæ doctor (Ph. D.)
Caractérisation des mécanismes naturels de
vieillissement de lambris de bâtiments en bois
Thèse
Antoine Cogulet
Sous la direction de :
Pierre Blanchet, directeur de recherche
Véronic Landry, codirectrice de recherche
III
Résumé
Quatre axes de recherche ont été étudiés dans ce doctorat afin de répondre à un objectif global: avoir une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation de lambris d'un bâtiment en bois. Le premier axe a été imaginé dans le but d'élaborer de bonnes pratiques d'utilisation des méthodes de vieillissement. Les dégradations issues de quatre expositions ont été caractérisées par des analyses de spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier (IR-FT) et colorimétrie. Une interprétation originale des modifications de couleur observées sur les échantillons a permis de formuler des recommandations sur les bonnes pratiques d’utilisation de ces méthodes. De plus, ces connaissances ont permis de choisir les expositions les plus adaptées pour répondre aux questions scientifiques élaborées dans cette thèse.
Le deuxième axe de ce doctorat s'est porté sur l'étude fondamentale de la photodégradation d'un bois par l'utilisation de la spectroscopie Raman. L’étude des contributions obtenues suite à l'analyse Raman des échantillons n’a pas permis d’obtenir de nouvelles informations sur les modifications chimiques que subit le bois suite à la photodégradation. Cette technique n’a pas été retenue pour étudier la dégradation du bois. Cependant, la sensibilité de l'appareil à la fluorescence a permis d'identifier un nouveau mécanisme de dégradation de la lignine. La sensibilité des carbones α et β à la photodégradation a pu être mise en évidence ainsi que la résistance de la liaison carbone-carbone 5-5’.
Le troisième axe de ce projet s'est intéressé au développement d'une méthode prenant en compte les interactions pouvant exister entre photodégradation et dégradation biologique. Une échelle visuelle a été créée afin de suivre la colonisation d’échantillons de bois protégés avec un fini semi-translucide par deux fungi. Il est apparu que la photodégradation favorise la colonisation de deux fungi à tâches noires : Aureobasidium pullulans et Epicoccum nigrum. Les analyses par spectroscopie Infrarouge n’ont pas permis de mettre en évidence les mécanismes par lesquels les fungi prennent avantage de la photodégradation pour coloniser les échantillons. La présence de bulles dans le feuil de peinture a pu être mise en évidence à l’aide d’observations microscopiques. Après photodégradation ces bulles forment des zones de faible résistance entrainant la colonisation des fungi notamment par l’utilisation de structures fongiques telles qu’un transpressorium. La photodégradation et la dégradation biologique entrainent une diminution de l’adhérence du fini.
IV
Le dernier axe de ce projet de doctorat s'est intéressé à identifier le rôle de l’agent de coalescence, de la méthode d’application et d’une étape de sablage sur les propriétés du revêtement et sur la qualité et la morphologie du film. La capacité de la peinture à dégazer, le temps de séchage et la température minimale de formation de film (TMFF) ont été reliée aux propriétés de l’agent de coalescence. La brillance ainsi que la topographie de la surface de l’échantillon ont été ramenées à la qualité du fini. L’utilisation d’un agent de coalescence hydrophobe a mené aux meilleurs résultats.
Globalement, les résultats obtenus ont permis d'identifier des fragilités et la résistance d’un fini acrylique en fonction : (i) de sa formulation, (ii) de la qualité du feuil sec, (iii) et de son exposition au vieillissement. Il a été possible de répondre aux objectifs spécifiques déterminés dans ce doctorat par la réalisation des quatre axes de recherche. L'ensemble des informations obtenues a permis de mieux comprendre les mécanismes et les causes impliqués dans la perte de performance d'une protection d’un lambris de bâtiments en bois.
V
Abstract
Four lines of research have been studied in this manuscript in order to answer at the goal of this PhD: having a better understanding of the degradation mechanisms of wood siding building.
The first line was designed to provide recommendations regarding good practice for effective use of the different weathering methods. Sample degradation was characterised with FTIR and colorimetric analysis. An original interpretation of color modifications observed on samples allowed recommendations to be provided. In addition, suitable exposures were chosen for each line of research.
The second line of this PhD was about a fundamental study of wood photodegradation by using a Raman spectrophotometer. Interpretation of Raman contribution did not provide new relevant information on chemical modification underwent by the wood due to the photodegradation. Thus, this technique was not used to further study the degradation of wood. However, the sensitivity of this device to fluorescence has led to the identification of a new mechanism of lignin degradation. The sensitivity of α and β carbons to photodegradation has been demonstrated as well as the strength of the 5-5 carbon-carbon bond.
The third line of this project was concerned with the development of a method taking into account the interactions that may exist between photodegradation and biological degradation. A visual scale was created in order to monitor the colonisation of samples coated with a clear protection. It was found that the photodegradation promotes the colonisation by two black stain fungi: Aureobasidium pullulans and Epicoccum nigrum. Infrared analyses did not reveal the mechanisms by which fungi take advantage of photodegradation to colonize the samples. The presence of bubbles in the paint finish was demonstrated by microscopic observations. After photodegradation, these bubbles form weak points for colonization by fungi through the protective layer. The use of structures such as a transpressorium has been highlighted. Photodegradation and biological degradation leads to a decrease of coating adhesion.
The last line of this doctoral project was to identify the influence of the coalescing agent, the application method and a sanding step onto the paint properties and the quality and morphology of the film. The ability of the paint to degas, the curing time and the minimal film formation temperature (MFFT) were linked with the properties of the coalescing agent. Gloss as well as topography of the
VI
coating surface were characterized in order to qualify the coating quality. The use of a hydrophobic agent showed the best results concerning the parameters studied.
Overall, the results obtained throughout the PhD allowed the identification of fragilities and weaknesses of an acrylic finish based on (i) its formulation, (ii) the quality of the dry finish, (iii) and its exposure to weathering. Specific goals determined in this PhD have been addressed. The whole of the information obtained helps to better understand of the mechanisms and causes involved in the loss of performance of a wood protection of a wood siding building.
VII
Table des matières
Résumé ... III Abstract ... V Liste des tableaux ... XII Liste des figures ... XIIIIII Liste des acronymes en français ... XVIVII Liste des acronymes en anglais ... XVII Liste des symboles ...XVIII Remerciements ... XIX Avant-propos ... XXIIII
Introduction générale ... 1
Pertinence de l'étude ... 4
Chapitre 1: revue de littérature ... 6
1. Le bois ... 6 1.1. Le bois au Canada ... 6 1.2. L'anatomie du bois ... 7 1.3. La chimie du bois ... 9 1.3.1. Les lignines ... 9 1.3.2. Les hémicelluloses ... 10 1.3.3. La cellulose ... 11 1.3.4. Les extractibles ... 12
2. Le vieillissement des bois de revêtement extérieur ... 13
2.1. Généralités ... 13
2.2. Photodégradation du bois ... 14
2.2.1. La chimie ... 14
2.2.2. Les radicaux libres ... 17
2.2.3. Profondeur de la photodégradation ... 17
2.2.4. Conséquences macroscopiques ... 17
2.2.5. Conséquences microscopiques ... 18
2.3. Action hydrique ... 19
2.4. Autres facteurs abiotiques ... 20
2.4.1. Température ... 20 2.4.2. Oxygène ... 20 2.4.3. Oxygène singulet ... 20 2.5. Facteur biotique ... 20 2.5.1. Généralités ... 20 2.5.2. Classification ... 21
2.5.3. Les fungi noircissants ... 23
2.5.4. Milieu favorable à la croissance des fungi ... 23
3. Protection de la surface du bois ... 24
3.1. Généralités ... 24
3.2. Utilisation de revêtements ... 25
3.2.1. Classification ... 25
3.2.2. Composition ... 26
3.2.3. Préparation et application ... 30
3.3.4. Formation du film de peinture ... 31
4. Le vieillissement des finis pour bois ... 32
4.1. La photodégradation des finis ... 32
VIII
4.3. Perte de performance des finis translucides ... 34
5. Méthode d'évaluation de la durabilité de matériau ... 366
5.1. Généralités ... 366
5.2. Exposition naturelle ... 377
5.3. Exposition artificielle ... 38
5.3.1. QUV ... 38
5.3.2. Ci3000+ Weather-Ometer ... 39
6. Caractérisation des dégradations ... 39
6.1. Colorimétrie ... 39
6.2. La spectroscopie infrarouge ... 411
6.3. La spectroscopie Raman ... 43
6.4. La microspectroscopie confocal Raman ... 44
6.5. Microscopie ... 45
6.6. Essais mécaniques ... 45
Chapitre 2: Objectifs du projet de recherche ... 46
Chapitre 3: Cadre rétrospectif de l'étude ... 47
Chapitre 4: Evaluation of the impacts of four weathering methods on two acrylic paints: showcasing distinctions and particularities ... 54
4.1. Résumé ... 54
4.2. Abstract ... 54
4.3. Introduction ... 55
4.4. Materials and Methods ... 57
4.4.1. Paints ... 57
4.4.2. Weathering methods ... 58
4.4.3. Colour measurements ... 61
4.4.4. ATR-FTIR spectroscopy analysis ... 61
4.5. Results and discussion ... 62
4.5.1. FTIR-ATR ... 62
4.5.2. Colorimetric analysis ... 66
4.5.3. Overview and recommendations ... 70
4.6. Conclusion ... 72
Chapitre 5: Wood degradation under UV Irradiation a lignin characterization. ... 74
5.1. Résumé ... 74
5.2. Abstract ... 74
5.3. Introduction ... 75
5.4. Materials and Methods ... 78
5.4.1. Wood specimens ... 78
5.4.2. UV irradiation ... 78
5.4.3. Colour measurements ... 78
5.4.4. ATR-FTIR spectroscopy analysis ... 79
5.4.5. FT-Raman spectroscopy ... 79
5.4.6. Statistical experiments ... 79
5.5. Results and Discussion ... 79
5.5.1. Macroscopically aspect and colour changes... 79
5.5.2. FTIR spectroscopy ... 82
5.5.3. FT-RAMAN spectroscopy ... 87
5.6. Conclusion ... 90
Chapitre 6: The multifactorial aspect of wood weathering: a review based on a holistic approach of wood degradation by clear coating ... 92
6.1. Résumé ... 92
IX
6.3. Introduction ... 93
6.4. Degradation of wood and wood clear coating due to weathering ... 95
6.4.1. Wood irradiation ... 95
6.4.2. Macroscopic impacts of the photodegradation ... 97
6.4.3. Clear coatings irradiation ... 99
6.4.4. Water action on wood and wood clear coating ... 100
6.4.5. Other abiotic factors ... 101
6.4.6. Biotic factors ... 102
6.5. Wood protection by coating ... 104
6.5.1. Generality ... 104
6.5.2. Clear coating performance loss ... 105
6.6. Multifactorial aspect of degradation... 107
6.6.1. State of art ... 107
6.6.2. Moving forward ... 108
6.7. Closing thoughts ... 112
Chapitre 7: Weathering of wood coated with semi-clear coating: study of the interactions between photodegradation and biological degradation ... 114
7.1. Résumé ... 114
7.2. Abstract ... 114
7.3. Introduction ... 115
7.4. Materials and methods ... 116
7.4.1. Materials ... 116
7.4.2. Photodegradation ... 117
7.4.3. Copper sulphate tests ... 117
7.4.4. Fungal cultures ... 117
7.4.5. Inoculation ... 118
7.4.6. Experimental design ... 118
7.4.7. Colonization ... 119
7.4.8. Colorimetric analysis ... 120
7.4.9. ATR-FTIR spectroscopy experiments ... 120
7.4.10. Pull-off strength tests ... 121
7.4.11. Microscopic observations ... 121
7.4.12. Statistical tests ... 121
7.5. Results and discussion ... 122
7.5.1. Colorimetric analysis ... 122
7.5.2. ATR-FTIR spectroscopy ... 124
7.5.3. Microscopic observations ... 126
7.5.4. Coating adhesion tests ... 129
7.6. Conclusions ... 133
Chapitre 8 : Influence de l'agent de coalescence et de la méthode d'application sur l'obtention d'un film de qualité ... 134
8.1. Mise en contexte... 134
8.2. Matériels et méthodes utilisés dans cette étude ... 136
8.2.1. Formulation des peintures ... 136
8.2.2. Temps de séchage ... 138
8.2.3. Application et préparation des échantillons ... 138
8.2.4. Test de dégazage ... 138
8.2.5. Tests au sulfate de cuivre ... 138
8.2.6. Température minimum de formation de film ... 139
8.2.7. Analyse de brillance ... 139
X
8.2.9. Analyse de la transmission de vapeur d’eau... 140
8.3. Résultats et discussion ... 140
8.3.1. Propriétés de la peinture ... 140
8.3.2. Qualité et morphologie du film de peinture ... 142
8.4. Conclusion ... 148
Conclusions Générales sur la thèse ... 149
Recommandations ... 152
Bibliographie ... 153
Annexe 1 : Comportement thermique du polymère of poly(butyl acrylate/ methyl methacrylate) ... 1677
Annexe 2 : Caractérisation de la photodégradation de cellules de bois par microspectroscopie confocale Raman ... 1722
Annexe 3 : Degradation of wood beneath the coating: a way for monitoring the coating state .. 18080
Annexe 4 : Understanding the interactions between photodegradation and biological degradation by black stain fungi ... 1911
Annexe 5 : Affiche présenté lors du colloque du Centre de Recherche sur les Matériaux Renouvlables (CRMR) en 2015………...201
Annexe 6 : Affiche présenté lors de l’école d’été de la Chaire Industrielle de Recherche sur la Construction Ecorésponsable en bois (CIRCERB) en 2017………202
XI
Liste des tableaux
Tableau 1.1 : Description des différents types de vieillissement de bois (Williams, 2005)...13
Tableau 1.2 : Les domaines des UV en nm...14
Tableau 1.3 : Expression des quanta d'énergie...15
Tableau 1.4 : Propriétés des différents liants utilisés dans la protection du bois...27
Tableau 1.5 : Propriétés des différents additifs pouvant être utilisés dans la protection pour bois à bas d’eau...29
Tableau 1.6 : Paramètre d'exposition en Arizona...37
Tableau 1.7 : Paramètres d'exposition en Floride...37
Tableau 1.8 : Assignation des principales contributions d'un spectre infrarouge du bois (Pandey & Pitman, 2003) ...41
Tableau 1.9 : Ratios d'absorbance reflétant les changements chimiques du bois suite à la photodégradation...42
Tableau 1.10 : Assignation des principales contributions d'un spectre infrarouge d'un revêtement acrylique(Chiantore & Lazzari, 2001; Chiantore et al., 2000)...43
Tableau 1.11 : Assignation des principales contributions d'un spectre Raman du bois (Agarwal et al., 2010, Reiner et al. 2010)...44
Table 4.1 : Paint's composition in dyes and pigments...57
Table 4.2 : Meteorological characteristics of an exposure in Arizona...58
Table 4.3 : Quantum energy received by samples after exposure in Arizona...58
Table 4.4 : Meteorological characteristics of an exposure in Florida...
..
...59Table 4.5 : Quantum energy received by samples after exposure in Florida...59
Table 4.6 : Meteorological characteristics of an exposure in Quebec...60
Table 4.7 : Quantum energy received by samples after exposure in Quebec...60
Table 4.8 : Quantum energy received by samples after exposure in a QUV...60
Table 4.9 : Identification of most important peaks in FTIR-ATR spectrum of acrylic paint (Perrin et al., 2001; Pintus & Schreiner, 2010)...63
Table 4.10 : Results from quantitative analyses made from ratios between most exposed samples and unexposed samples...65
XII
Table 4.11 : Maximum variation of the ΔECMC parameter for each paint and method...66
Table 4.12 : The most degrading methods in terms of the abscissa used...67
Table 4.13 : Summarises of main results and parameters for each exposure...71
Table 5.1 : Average values of the chromatic coordinates as function of irradiation duration. Different letters indicate statistical differences (tukey test=0,01) ...80
Table 5.2 : Identification of most important peaks in FTIR-ATR spectrum in the 1800-800cm-1 region for wood (Ganne-Chédeville et al., 2012; Lin & Dence, 1992; Müller et al., 2003; Pandey & Pitman, 2003)...83
Table 5.3 : Average degradation parameters as function of irradiation duration. Different letters indicate statistical differences (tukey test=0.01) ...84
Table 5.4 : Identification of most important peaks in FT-Raman spectrum in the 350-3200 cm-1 region for wood...88
Table 6.1 : Description of phenomena could occur during weathering (Williams, 2005)...93
Table 7.1 : Description of parameters used in cycle 1 of ASTM-G155 (2013) ...117
Table 7.2 : Criteria of the visual scale elaborated to follow fungal colonization...120
Table 7.3 : Lightness obtained from the samples for each group...122
Table 7.4 : Pull-off strength obtained for each fungus and length of photodegradation. Same letter within a line means that the values are not statistically different at the 5 % probability level...130
Tableau 8.1 : Composition des peintures développées…...136
Tableau 8.2 : Fractions massiques de chaque constituant dans les formulations...137
Tableau 8.3 : Les principales différences entre les deux agents de coalescence utilisés dans les formulations………...137
Tableau 8.4 : Propriétés des différentes formulations développées…………...142
Tableau 8.5 : Valeurs des taux de transmission de vapeur d’eau (TTVE) et des épaisseurs moyennes des feuils de peinture………..142
Tableau 8.6 : Valeurs de rugosité, brillance et poids de peinture pour chacun des échantillons...147
XIII
Liste des figures
Figure 1.1 : Vues schématiques d'une trachéide (Agarwal, 2006; Williams, 2005)...8
Figure 1.2 : Copolymères de base à la lignine (Duval & Lawoko, 2014)...9
Figure 1.3 : Structure schématique d’une partie de la lignine issue d'un bois tendre selon Adler, 1977 (Tiré de Zakzeski et al., 2010)...10
Figure 1.4 : Cellobiose, l'unité répétitive de la cellulose (Stevanovic & Perrin, 2009)...11
Figure 1.5 : Vue schématique de la constitution d'une fibrille de cellulose (Kumar & Murthy, 2011)...12
Figure 1.6 : Mécanismes de photodégradation du bois d'après Leary, (1994)...16
Figure 1.7 : Évolution de la coloration en fonction de la dégradation lumineuse...18
Figure 1.8 : Trachéide non dégradée (à gauche) et photodégradée (à droite)(Williams, 2005)...18
Figure 1.9 : Schémas de fungi levuriformes et filamenteux (Kendrick, 1985)...21
Figure 1.10 : Mécanisme général de la photooxydation d'un polymère (Gryn'ova et al., 2011)...33
Figure 1.11 : Délamination d'un revêtement translucide sur des échantillons de bois (Evans et al., 2015a)...35
Figure 1.12 : Représentation graphique de l’espace de couleur CIE L*a*b* (Agudo et al.)…... 40
Figure 2.1 : Photos d'échantillons après exposition a) Floride ou b) Arizona...48
Figure 2.2 : Photo de la colonisation d'un revêtement translucide par un fungus à taches noires (x40)...51
Figure 4.1 : FTIR-ATR spectra of a) paint 1 and b) paint 2. Control (solid line), QUV (dash line), Quebec (short dash line), Arizona (dash-pointed line), Florida (dash double pointed line) ...64
Figure 4.2 : Formation of new carbonyls by reaction between the resin, oxygen molecules and radicals species followed by β-scission (Chiantore et al., 2000) ...65
Figure 4.3 : ΔE CMC parameters for paint 1 (left) and paint 2 (right)...68
Figure 5.1 : The different intermolecular bonds in lignin...77
Figure 5.2 : Colour changes due to irradiation. Variation of CIELAB parameters () L*, () a*, () b* and () E* at different irradiation times at the surface of white spruce...81
Figure 5.3 : FTIR ATR spectra corresponding to different exposure period, from 0 to 2000 h. Peaks assignments are as described in table 2 and arrows correspond to their evolution...82
XIV
Figure 5.4 : Variation of lignin ratio at 1511cm-1 against carbohydrate at 1375 cm-1 in function as
function of irradiation duration...85
Figure 5.5 : Variation of presence of ketone associated with double conjugated carbon as function of irradiation duration...86
Figure 5.6 : Modification of cellulose crystallinity according to I1316/ I1335 ratio as function of irradiation time...87
Figure 5.7 : The 10 FT-Raman spectra corresponding at different periods ranging from 0 to 2000 hours. Peaks assignment are described in Table 5.4...88
Figure 5.8 : Hypothetical reaction of homolytic cleavage of both Cα of ether oxide linkage of dibenzodioxocin in the native lignin. L is connection to lignin...90
Figure 6.1 : Mechanism of polymer photo oxidation (Gryn'ova et al., 2011)...99
Figure 6.2 : Schema of yeast-like and filamentous fungi (Kendrick, 1985)... 102
Figure 6.3 : Delamination of clear coating on wood (Evans et al., 2015)……...106
Figure 6.4 : Interaction between different mechanisms of degradation for the wood/coating (Sell & Feist, 1986) ...108
Figure 6.5a : New approaches of the multifactorial aspect of the wood and clear coating weathering: a) photodegradation…...109
Figure 6.5b : New approaches of the multifactorial aspect of the wood and clear coating weathering: b) water degradation……….110
Figure 6.5c : New approaches of the multifactorial aspect of the wood and clear coating weathering: c) fungal degradation...111
Figure 7.1 : Summary of the experimental design...119
Figure 7.2 : Average ranks got for each experimental design and time of photodegradation. Arrows correspond to an addition of water...123
Figure 7.3 : Infrared spectra of the coating before and after four weeks of photodegradation...124
Figure 7.4 : Infrared spectra of coating after colonization for each length of exposure...125
Figure 7.5 : ESEM observation. a) Before photodegradation, b) after 4 weeks of photodegradation, c) zoom in of interesting area...126
Figure 7.6 : Microscope optic observations. a) Before photodegradation, b) after 4 weeks of photodegradation. The arrows correspond to bubbles trapped inside the coating. Arrows show interesting areas: bubbles and/ or holes in the coating...127 Figure 7.7 : Microscope optical observations. a) Sample without photodegradation inoculated with E. nigrum, b) sample after 4 weeks of photodegradation inoculated with E. nigrum,
XV
c) sample without photodegradation inoculated with A. pullulans, d) sample after 4
week...128 Figure 7.8 : Optical observation of a transpressorium structure...129
Figure 7.9 : Evolution in coating adhesion for each fungus and length of photodegradation a) smooth surface preparation, b) rough surface preparation...132 Figure 8.1 : Projection 3D de la détermination du paramètre Sa……….140 Figure 8.2 : Figure 8.1: Surface des échantillons obtenue à partir de a) formulation 1 - application par pinceau - sans sablage, b) formulation 1 - application par pinceau - avec sablage, c) formula tion 3 - application par pinceau - sans sablage, d) formulation 3 - application par pinceau - avec sablage, e) formulation 1 - application avec un pistolet - sans sablage, f) formulation 1 - application avec un pistolet - avec sablage, g) formulation 3 - application avec un pistolet - sans sablage, h) formulation 3 - application avec un pistolet - avec sablage...144 Figure 8.3 : Observations de la surface des échantillons par microscopie électronique à
XVI
Liste des acronymes en français
MEB : Microscopie Électronique à Balayage
CRSNG : Conseil de la Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada FESP : Faculté des Études Supérieures et Postdoctorales
R&D : Recherche et Développement
CIFQ : Conseil de l’Industrie Forestière du Québec HR : Humidité Relative
UV : Ultraviolet UVT : Ultraviolet Total IR: Infrarouge
IRFT : Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier COV : Composé Organique Volatil
ANOVA : Analyse de la variance
DPM : Éther de méthyle dipropylène glycol DPnB : Éther de n-butyle dipropylène glycol CVP : Concentration Volumique en Pigments
CVPC : Concentration Volumique en Pigments Critique CIE : Commission Internationale de l’Éclairage
Tg : Température de transition vitreuse
TMFF : Température Minimale de Formation du Film
Py-CG-SM : Pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse couplée avec un spectromètre de masse BA : Acrylate de Butyle
EA : Acrylate d’Éthyle
MMA : Méthacrylate de Méthyle MA : Méthacrylate
XVII
Liste des acronymes en anglais
AWPA : American Wood Protection Association CWPA : Canadian Wood Protection Association NRC : National Research Council
ISO : International Organization for Standardization ASTM : American Society for Testing and Materials FTIR : Fourier-transform infrared spectroscopy VOC : Volatile Organic Compound
HALS : Hindered Amine Light Stabilizers ATR : Attenuated Total Reflection PVC : Pigment Volume Concentration HSD : Honest Significant Difference SEM : Scanning Electron Microscope
XVIII
Liste des symboles
J : Joule m : Mètre W : Watt
L* : Luminosité dans la mesure de la couleur a* : Échelle chromatique, du rouge au vert b* : Échelle chromatique, du jaune au bleu E* : Mesure de différence entre deux couleur C* : Chromacité
h* : Ton et teinte d’un échantillon λ: Longueur d’onde
h : Constante de Planck
XIX
Remerciements
Je tiens en tout premier lieu à remercier mon directeur de Thèse : M Pierre Blanchet. Merci, Pierre, de m’avoir fait confiance tout au long de ce doctorat. J’ai vraiment apprécié toutes ces discussions informelles que nous avons pu avoir lorsque la porte de ton bureau était ouverte. Je n’ai à aucun moment senti de barrière entre nous, et je me suis toujours senti à l’aise de parler de mon projet, de la science et de la vie en générale avec toi. Tu as toujours été prêt à partager tes connaissances purement scientifiques, mais aussi ta compréhension du monde qui t’entoure. J’ai bu et j’espère pouvoir boire encore tes paroles dans les prochaines années. Je te remercie également d’avoir su jouer avec ma spontanéité, d’avoir su dire non lorsque nécessaire, mais aussi de m’avoir encouragé lorsque ça valait le coup !
Merci également à ma codirectrice de doctorat : Mme Véronic Landry. Je suis vraiment content de t’avoir eu avec nous à l’université Laval pour cette dernière année de doctorat. J’ai pu découvrir à ce moment toutes tes compétences, mais aussi ta gentillesse. Bon courage pour ta nouvelle aventure avec ta chaire à l'université Laval. Que ce soit toi, Pierre ou toi, Véronic, vous m’avez apporté un soutien impeccable.
Bien sûr, je remercie les différentes personnes avec qui j’ai eu la chance de travailler durant mon projet de doctorat. Notamment lors de mes stages en entreprise.
Merci au laboratoire de seconde transformation du bois de FPInnovations localisé à Vancouver de m’avoir accueilli pendant 5 mois. La proximité de chercheurs qualifiés tels que Paul Morris, Rod Stirling ou encore Adnan Uzunovic m’a permis d’accroitre de façon efficiente et significative mes connaissances en dégradation biologique du bois. La pédagogie que vous avez employée à mon égard m’a permis de me sentir en confiance avec vous malgré mes limites de compréhension de la langue anglaise.
Merci à Roger Mouhanna et à toute l’équipe de recherche d’Inortech de m’avoir fait confiance et de m’avoir permis de jouer à l’apprenti formulateur dans les locaux. L’utilisation sans limites de vos matières premières et de vos connaissances m’a permis de faire un pas de géant dans la compréhension de la formulation de peinture pour bois.
Il m’est bien sûr impossible de ne pas remercier particulièrement Benoit Schmitt et Eric Miville de l’entreprise Maibec. Non seulement vous avez fourni les matières premières de mon projet de doctorat, mais vous avez en plus eu assez confiance en moi pour partager certaines informations qui
XX
étaient confidentielle pour Maibec. Vous m’avez permis d’avoir une compréhension rapide de la réalité industrielle et des problématiques qui étaient associées. De plus, vos questions « challengeante » m’ont poussé dans mes limites et m’ont permis d’approfondir mes connaissances. L’ensemble du personnel de l’université Laval mérite également des remerciements. Particulièrement l’équipe technique de la faculté de foresterie et de science du bois. Merci aux techniciens d'avoir été disponible et merci pour votre compétence. Vous avez toujours su répondre à mes besoins qui pouvaient être sur mesure. Merci tout particulier à Mme Guylaine Belanger. Vous êtes la première personne que j’ai vue à mon arrivée à l’université Laval et vous avez gardé votre sourire et votre bonne humeur au cours de ces trois années.
En parlant de l’université Laval, il est pour moi très important de remercier mes amis et collègues du pavillon Kruger. Charles Breton, Samuel Guy-Plourde, Kevin Arnaud, Gabriel Jobidon, Ulysse Martin, Caroline Quéant, Nellie francezon, Thibault Geoffroy, Romaric Meda, Dominic Sanscartier-Pilon, Frédéric Blondin.
Mention spéciale à toi Damien Mathis, tu as été mon voisin de bureau pendant plus de deux ans. Ça a toujours été un plaisir de me retourner et de te voir, de pouvoir profiter de ta bonne humeur et de ton énergie !
Enfin, il est indispensable que je remercie ma famille. Merci à mes parents qui m’ont permis de me hisser au doctorat. Je garde toujours en tête que c’est grâce à vous qu’aujourd’hui je suis capable de déposer un manuscrit de doctorat. Merci à mes deux grands frères : Sébastien et Maxime, j’ai hâte de pouvoir passer plus de temps avec vous. Max, je profite de ces pages pour te dire que ton soutien a été important pour moi et le sera certainement pendant un bout’ ! Tu es et tu resteras mon grand frère. Le meilleur pour la fin. Un énorme merci à la femme que j’aime. Merci Mylène, d’avoir été là pendant cette dernière année de doctorat. Merci de ton aise, tu as été une source d’inspiration incroyable pour moi. Ton aide va au-delà de ta relecture, de ton esprit critique, mais touche bien la façon dont je vois la science et la recherche aujourd’hui. Ton aide a été réellement appréciée et a été pour moi inestimable.
XXI
Science needs time to think.
Science needs time to read
and needs time to fail.
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Avant-propos
Cette recherche a été possible grâce au financement offert par le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada (CRSNG) via les programmes Recherche et Développement en coopération (RDC) et Professeur Chercheur Industriel (PCI) n°461745 et 445200. Ce doctorat s’est déroulé au sein de la Chaire Industrielle de Recherche sur les Constructions Éco-Responsable en Bois (CIRCERB). La direction de ce doctorat a été réalisée par le titulaire de cette chaire : M. Pierre Blanchet, professeur agrégé au Département des sciences du bois et de la forêt de l’Université Laval. La codirection a été assurée par Mme Véronic Landry, professeure agrégée et titulaire d’une chaire industrielle de recherche sur la finition et la densification des produits du bois d'intérieur au sein du même département.
Les manipulations ont été réalisées dans les laboratoires de l’université Laval et chez deux partenaires de la thèse : FPInnovations (Vancouver, Colombie-Britannique, Canada) et Inortech EMCO (Terrebonne, Québec, Canada). L’entreprise de revêtement extérieur en bois Maibec aégalementjoué un rôle important dans ce projet en fournissant les matières premières utilisées lors des expérimentations. Les résultats obtenus sont présentés dans ce manuscrit sous la forme de publications scientifiques et d’un chapitre conventionnel de thèse. Le format des articlesest conforme aux critères établis par la faculté des études supérieures et postdoctorales (FESP) de l’université Laval. Le chapitre 8 correspond au chapitre traditionnel et présente les résultats obtenus suite à la réalisation de l'axe 4 de ce projet de doctorat. Des manipulations supplémentaires devront être réalisées afin que celui-ci soit à la hauteur d'une publication scientifique.
Les articles qui correspondent aux chapitres 4, 5, 6 et 7 sont les suivants : · Chapitre 4 (Article 1)
Cogulet Antoine, Blanchet Pierre, et Landry Veronic (2017). « Comparison of the impacts of four weathering methods on acrylic paints. Showcasing distinctions and particularities». Soumis au journal Journal of Coatings Technology and Research..
· Chapitre 5 (Article 2)
Cogulet Antoine, Blanchet Pierre, et Landry Veronic (2016). « Wood degradation under UV irradiation : A lignin characterization. » Publié dans Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology.
XXIII · Chapitre 6 (Article 3)
Cogulet Antoine, Blanchet Pierre, et Landry Veronic (2017). « The multifactorial aspect of wood weathering a review based on a holistic approach of clear coatings degradation ». Publié dans le journal BioRessources.
· Chapitre 7 (Article 4)
Cogulet Antoine, Blanchet Pierre, Landry Veronic et Paul Morris (2017). « Weathering of wood coated with clear coating: study of the interactions between photodegradation and biological degradation. » Soumis au journal International of biodeterioration & biodegradation.
· Chapitre 8 (Chapitre traditionnel)
"Influence de l'agent de coalescence, de la méthode d'application et du sablage ou non entre les deux couches sur certaines propriétés physiques de la peinture ainsi que sur la morphologie du feuil ». Ce chapitre sera à terme valorisé par la publication d'un article scientifique par le biais de caractérisations supplémentaires et d'une interprétation approfondie.
Ces articles ont été entièrement rédigés par l’étudiant au doctorat : Antoine Cogulet. Le directeur de recherche M Pierre Blanchet et la codirectrice Mme Véronic Landry ont commenté, annoté et corrigé ces différentes contributions avant soumissions aux journaux scientifiques. M Paul Morris, coauteur de l’article 7, a aidé à l’élaboration du plan expérimental.
Des résultats complémentaires aux travaux réalisés dans l’axe 1 peuvent être retrouvés dans l’Annexe 1 de ce manuscrit. Des résultats préliminaires documentant l’axe 2 de ce doctorat sont présentésdans l’Annexe 2.
Les résultats de ce projet ont également été présentés lors de plusieurs conférences, colloques et séminaires :
Congrès de l’association francophone sur le savoir (ACFAS), Québec, Canada, 2016 Rencontre annuelle de la « Canadian Wood Protection Association (CWPA) », Vancouver,
Canada, 2016.
Congrès « PRA's 10th International Woodcoatings », Amsterdam, Pays-bas, 2016 Séminaire II à l’occasion du cours SBO 8001, Québec, Canada, 2016.
XXIV
Colloque Facultaire de la Faculté de Foresterie, Géographie et Géomatique, Québec, Canada, 2016.
Rencontre annuelle de la « American Wood Protection Association (AWPA) », Las Vegas, États-Unis d’Amérique, 2017.
12ème édition de la conférence « Thèses de bois – xylofuture », Bordeaux, France, 2017.
Il est à souligner que, parmi ces présentations, deux ont été réalisées suite à l’obtention des prix étudiants organisés par la CWPA et l’AWPA. Deux manuscrits ont été écrits et publiés dans les livres annuels d’article de conférence de ces deux organismes.
Pour la CWPA : « Degradation of wood beneath the coating: a way for monitoring the coating state ».
Pour l’AWPA : « Understanding the interactions between photodegradation and biological degradation by black stain fungi ».
Ces deux manuscrits sont incorporés à ce manuscrit de doctorat par les annexes 3 et 4.
Deux affiches ont également été réalisées au cours de ce doctorat pour deux événements distincts. Colloque du Centre de Recherche sur les Matériaux Renouvelables en 2015.
L’école d’été de la Chaire Industrielle de Recherche sur la Construction Écoresponsable en bois (CIRCERB) en 2017
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Introduction générale
Dans le contexte actuel du réchauffement climatique, la réduction des effets négatifs de l’homme sur l’environnement est au cœur des préoccupations sociétales. Sachant qu’en 2013, il était estimé qu’environ 12 % des émissions deCO2 au Canada était générées par le secteur de la construction, la durabilité ainsi que la réduction des impacts écologiques des matériaux utilisés sont particulièrement visés par les initiatives politiques (BCLaws, 2009; MFFP, 2013; MFFP, 2008). Le bois est un matériau renouvelable avec un impact écologique plus faible que les principaux autres produits de construction tels que le béton ou l’acier (Frühwald et al., 2003). Comparé à ces derniers, l’usinage du bois engendre moins de déchets à chaque étape de sa production. De plus, les nouvelles technologies liées au bois permettent une diversification de son utilisation: de la manufacture à la construction résidentielle comme non résidentielle en passant par l’art. Une des limites qui freine encore le plein essor de son utilisation est sa protection pour une durabilité à long terme.
Le bois est de nature organique et est impliqué dans des cycles biogéochimiques comme ceux de l’azote ou le carbone. Il existe donc des phénomènes de dégradation naturelle, de nature biologique et chimique qui permettent une récupération de ces éléments par l’environnement. Bien que ces phénomènes soient indispensables au bon fonctionnement des écosystèmes, ils deviennent problématiques lorsque le bois est utilisé en tant que matériau puisqu’ils limitent sa durabilité et augmentent ainsi les conséquences écologiques de son exploitation. L’ensemble des dégradations de surface résultant de l’exposition du bois aux conditions climatiques est désigné par le terme scientifique vieillissement (weathering). Les dégradations causées par ce phénomène entraînent des modifications permanentes des propriétés esthétiques, physiques et chimiques du bois. Pour réduire ces dégradations, un système de protection peut être mis en place. Certaines des stratégies utilisées incluent l’application d’un fini et la modification chimique ou thermique du bois. Certains conservateurs à base de cuivre offrent également une résistance face au vieillissement.
Malgré les avancées technologiques dans ces domaines, la durabilité des systèmes de protection, tout comme celle du bois, est limitée par leur vieillissement prématuré. En effet, les garanties offertes par certains fabricants sont relativement courtes: de 3 à 5 ans pour les finis translucides et jusqu’à 15 ans pour les finis opaques (Maibec, 2017). Il est alors nécessaire d'appliquer une nouvelle couche de protection, ce qui augmente le coût du produit, mais également son impact environnemental. Jusqu’à présent, les efforts de la communauté scientifique pour améliorer la protection du bois se sont principalement appuyés sur la méthode d’essai-erreur. Si celle-ci peut porter fruit, elle peut parfois
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être laborieuse et engendrer de nombreux échecs avant l’obtention de résultats satisfaisants. Cette situation entraîne des délais et des coûts supplémentaires. En approfondissant le savoir sur les mécanismes de dégradation des revêtements extérieurs en bois et de leur système de protection, il pourrait être possible de prédire leur comportement face au vieillissement. Les progrès effectués pourraient ainsi permettre de façonner la science de la protection du bois en une science prédictive. Dans ce but, quatre axes de recherche ont été développés dans ce projet de doctorat.
Le premier consiste en une analyse critique des différentes méthodes d’exposition disponibles pour étudier la durabilité d’un produit. Une meilleure connaissance et compréhension de ces outils permet non seulement de choisir avec certitude la méthode la plus appropriée pour une problématique donnée, mais également de s'assurer de la véracité des résultats. Cette étape préliminaire était nécessaire à l’élaboration de protocoles pour l’étude des dégradations issus du vieillissement. Le deuxième s’intéresse à l’étude des mécanismes fondamentaux de photodégradation d’un lambris de bâtiments en bois. Ce phénomène est considéré comme étant le facteur principal de dégradation du bois exposé sans protection au vieillissement. Pour mieux comprendre la photodégradation, une méthode de caractérisation chimique a été actualisée et employé dans cette étude. Les résultats obtenus suite à l’utilisation de cette technologie ont permis d'identifier un nouveau mécanisme impliqué dans ce processus.
Le troisième se concentre sur les interactions pouvant exister entre les nombreux facteurs présents dans le vieillissement. La dégradation du bois et de sa finition a été source de nombreuses recherches ces dernières décennies, mais jusqu'à présent, la stratégie de la communauté scientifique a consisté à séparer les différents facteurs de dégradation en laboratoire. Bien que cette méthode a rendu possible d’isoler et de comprendre différents mécanismes de dégradation, elle n’est pas représentative de la réalité d'un bois exposé aux conditions climatiques, plus spécifiquement en ce qui concerne les possibles interactions entre les facteurs dégradations. On parle alors de dégradation multifactorielle. En effet les nombreux facteurs abiotiques (radiations solaires, eau, air, chaleur) et biotiques (fungi, bactéries, algues) impliqués peuvent agir de façon synergique. Un protocole expérimental a été mis en place pour étudier les interactions entre la photodégradation et la dégradation biologique. Il a été prouvé que la photodégradation favorise la colonisation des échantillons à travers des défauts présents dans le fini. De plus, la caractérisation des impacts de dégradation de ces deux phénomènes a permis d’identifier des faiblesses dans les systèmes de protection utilisés.
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Le quatrième consiste au développement et à l’amélioration d’une protection pour bois, en tenant compte de l'ensemble des informations obtenues aux trois axes précédents. Suite à l’exposition d’un fini pour bois à la photodégradation, des zones de faibles résistances permettant à la dégradation biologique de se mettre en place ont été identifiées. L’identification de la source de ces faiblesses et la compréhension des paramètres clés à leur apparition permettrait d’améliorer la durabilité du système de protection. Ainsi, en fonction de la composition du fini et de son environnement d’utilisation, il sera possible de prévoir les risques de défaillance précoce de la protection.
Les recherches réalisées tout au long de ce doctorat ont permis d’obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation des revêtements muraux en bois et de leur système de protection. L’identification des particularités de différentes méthodes de vieillissement, la connaissance des mécanismes de photodégradation du bois et de son système de protection et la compréhension des interactions pouvant avoir lieu entre différents facteurs présent dans le vieillissement ont permis de mieux comprendre les limites des systèmes de protection actuelle. L’ensemble de ces nouvelles connaissances permettra de mieux comprendre la défaillance ou la performance d’une protection pour bois à une exposition au vieillissement.
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Pertinence de l'étude
En tant que ressource organique renouvelable, le bois offre de nombreux avantages économiques et écologiques. Or, pour donner plein potentiel à ces avantages, il est nécessaire que le bois soit amplement utilisé, et donc acheté par des consommateurs. Le principal facteur décisionnel lors d'un achat reste la sensibilité du client aux propriétés esthétiques du produit. Fort heureusement, le bois a beaucoup à offrir de ce côté. Au-delà de ses propriétés isolantes, il offre une ambiance chaleureuse et permet une belle diffusion de la lumière (Fell, 2010).
Ainsi, les tendances actuelles en matière d’architecture favorisent de plus en plus l’utilisation de bois d’apparence naturelle et ce, même dans les applications extérieures. Cela implique l'utilisation de finis dit "translucides" qui laissent apparaître le grain du bois. Ces finitions sont plus sensibles au vieillissement que des finis dit "opaques" qui vont cacher le grain du bois et par conséquent diminuer l’attrait esthétique naturel du bois.
Les garanties encadrant les technologies translucides dépassent rarement la dizaine d'année en fonction des clauses. À l'opposé, les consommateurs demandent des produits nécessitant de moins en moins d’entretien. Cette combinaison de facteurs crée un écart de rendement important entre la performance réelle et celle attendue et diminue alors son côté attractif.
A titre d'exemple, il a été évalué que dans le seul état de Californie, le montant attribué à la détérioration des bâtiments en bois par les fungi a été évalué annuellement à 364 millions de dollars US (Kutz, 2012). Ces facteurs socio-économiques contribuent à une impression négative du matériau bois auprès des consommateurs et des décideurs en bâtiment.
Malgré ces difficultés, les tendances actuelles en matière d'utilisation du bois démontrent l’essor continu de ce matériau dans la construction. En 2015, 6,1 milliards de dollars canadien ont été généré par l'industrie de la seconde transformation du bois représentant alors 39 % de la valeur monétaire totale des produits forestiers (NRC, 2015). La demande en bois de revêtement ne cesse d'augmenter en Amérique du Nord comme le prouve une étude de marché réalisée par Freedonia qui évalue à 2,4 % l'augmentation annuelle de la demande aux États-Unis. Aux États-Unis, cette économie représentait 5,7 milliards de dollars US en 2016 (Freedonia, 2011).
Il est donc nécessaire de mettre en place des dispositions pour pouvoir offrir aux consommateurs et aux élus des produits à base de bois pouvant performer dans le temps. Pour ce faire, la première étape
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de ce travail est une revue de littérature sur la perte de performance des protections translucides pour des lambris de bâtiments en bois.
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Chapitre 1: revue de littérature
1. Le bois
1.1. Le bois au Canada
Grâce à ses 400 millions d'hectares de forêt, le Canada est le quatrième exportateur de produits forestiers au monde (NRC, 2015). Ces ressources permettent la production de bois d’œuvre, de panneaux de construction ou de parement, de papier journal, de pâte et de divers produits du papier. Globalement, en 2015, la valeur des exportations de produits forestiers du Canada était de 32,7 milliards de dollars (NRC, 2015). Au Québec, le chiffre d'affaire de l'exploitation des ressources forestières et de la production de produits à valeur ajoutée était de 16,6 milliards de dollars avec environ 60 000 emplois liés directement ou indirectement à cette industrie (CIFQ, 2015).
Au vu de l'abondance de cette ressource au Québec mais aussi de ses avantages écologiques, de nombreuses initiatives ont été mises en place ces dernières années afin de promouvoir ce matériau. Ainsi, les acteurs du secteur, notamment le Ministère des forets, de la faune et des parcs (MFFP) encourage la modernisation de l'industrie Québécoise des produits forestiers afin de la rendre plus compétitive. Notamment par la création de nouveaux de produits à base de bois à forte valeur ajoutée qui permettra de diversifier les applications de cette ressource. Plusieurs actions concrètes ont été mises en place ces dernières années dans ce but.
Une première initiative officialise ce désir à travers la publication en 2008 d'un livre vert intitulé "La forêt, pour construire le Québec de demain" (MFFP, 2008). Son but est de développer l'utilisation du bois dans les constructions non résidentielles et multifamiliales. La stratégie utilise l’innovation, le développement d’outils et la promotion d’une culture misant sur l’utilisation du matériau bois. En 2013, le Québec met en place un nouvel outil législatif "la charte du bois" (MFFP, 2013). Son principal objectif est de positionner le bois comme premier choix comme matériau de construction dans le cadre de construction non-résidentielle. Plusieurs conséquences bénéfiques pour le Québec peuvent ainsi être énumérées:
Accroissement de l'utilisation du bois dans la construction au Canada Réduction des émissions de gaz à effet de serre
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Développement de produits du bois à plus haute valeur ajoutée Contribution à l'enrichissement du Québec
Un rapport présenté en 2012 montre que l'utilisation du bois dans le secteur de la construction non résidentielle au Québec est passée de 15 % à 20 % en 3 ans, soit une augmentation de 33 % (MFFP, 2012). Ailleurs au Canada des initiatives similaires voient le jour tel que le Wood first act en Colombie-Britannique (BCLaws, 2009).
Il est possible de faire la distinction entre le bois à usage structural et le bois à usage non structural. Ce projet de doctorat s'intéresse à cette dernière catégorie lorsqu’elle est exposée au vieillissement. Afin de supporter les politiques dans cette démarche de favoriser le bois comme un matériau stratégique, il est nécessaire que celui-ci réponde aux attentes (i) des professionnels de la construction, (ii) des utilisateurs, mais aussi du gouvernement de Québec.
Une de ces attentes concerne la durabilité du produit. De nombreuses technologies sont aujourd'hui disponibles pour augmenter la durée de vie d'un revêtement extérieur en bois. Celles-ci seront abordées dans la section 3 de cette revue de littérature. Avant de pouvoir protéger, il est nécessaire de comprendre le matériau et comment celui-ci réagit à une exposition au vieillissement. Ainsi, il va être nécessaire dans un premier temps de décomposer l'anatomie du bois.
1.2. L'anatomie du bois
Le bois issu des forêts du Canada est constitué de peuplements de feuillus (angiosperme) et de résineux (gymnosperme). Ils sont également classés respectivement comme "bois dur" et "bois tendre". Les principales différences entre ses deux catégories sont à l'échelle anatomique la présence de pores ou de vaisseaux dans le bois dur et chimiquement par des teneurs et des compositions différentes.
Lors de la différenciation cellulaire, la paroi se dote de plusieurs couches, de l’extérieur vers l’intérieur (Figure 1.1)(Agarwal, 2006; Williams, 2005) :
La lamelle moyenne : première couche à être synthétisée de 0,5 à 1,5 µm d’épaisseur elle est riche en lignine (jusqu'à 80 % massique dans les coins des trachéides) et assure la cohésion des cellules les unes aux autres.
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La paroi primaire : Constituée de microfibrilles de cellulose enchevêtrées les unes aux autres dans lesquelles se déposent la lignine ainsi que des hémicelluloses (0,1 µm d’épaisseur). La paroi secondaire : C’est la paroi la plus épaisse. Elle est constituée de trois sous-couches
différentes. Les microfibrilles de cellulose de chacune de ces sous-couches sont alignées les unes par rapport aux autres avec des angles différents par rapport à l’axe de la cellule.
Il en découle une paroi relativement dense et rigide qui donne le comportement mécanique de la cellule. Les trois sous-couches sont nommées :
Couche externe S1 : la plus fine avec des angles de microfibrilles variant de 60° à 80°. Couche centrale S2 : La plus importante, car représente 70 à 75 % de l’épaisseur totale de la
paroi cellulaire. Les angles des microfibrilles varient de 5° à 30°.
La couche interne S3 : légèrement plus épaisse que la couche externe, elle est caractérisée par une orientation des microfibrilles de 60° à 90°.
Figure 1.1 : Vues schématiques d'une trachéide (Agarwal, 2006; Williams, 2005)
Si les dégradations que subit le bois ont un impact sur son anatomie, les réactions mises en jeu sont de nature chimique. Il est alors intéressant de décomposer le bois chimiquement.
9 1.3. La chimie du bois
1.3.1. Les lignines
Les lignines sont quantitativement les deuxièmes substances majoritaires dans le bois (entre 10 % et 30 %). Elles ont permis dans l’évolution vers les plantes supérieurs et donc le passage de l’état rampant à l’état dressé. Elles assurent la rigidité des parois cellulaires, mais jouent également un rôle dans la conduction de l’eau. Ce sont des polymères amorphes de composition extrêmement variable. Elles sont non linéaires, hydrophobes et constituées de systèmes aromatiques et phénoliques complexes.
On distingue trois copolymères (Figure 1.2)(Duval & Lawoko, 2014) issus de la polymérisation oxydative des unités phénylpropanes d'alcool comme il suit :
alcool trans – p – coumarique donnant le copolymère p- hydroxyphénylpropane (H) alcool trans – p - coniférilique donnant le copolymère guaïacylpropane (G)
alcool trans – p – sinapinique donnant le copolymère syringylpropane (S)
Figure 1.2 : Monomères de base à la lignine (Duval & Lawoko, 2014)
Le polymère obtenu a une structure tridimensionnelle très complexe en raison du nombre de combinaisons possibles entre les copolymères ainsi que la variété de liaisons mises en jeu. Le modèle d'Adler est cependant une des représentations admises (Figure 1.3) (Feist & Hon, 1984; Zakzeski et al., 2010). Les sous-structures phénoliques qui en découlent peuvent être des chromophores qui vont alors absorber à plusieurs longueurs d’onde dans le domaine des UV/ visible.
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Figure 1.3 : Structure schématique d’une partie de la lignine issue d'un bois tendre selon Adler, 1977 (Tiré de Zakzeski et al., 2010)
La composition anatomique de la lignine entre bois dur et bois tendre est différente. Les bois durs sont constitués de copolymères guaïacyle et syringyle alors que les bois tendres sont essentiellement en guaïacyle (Dence, 1992; Evans, 1991).
Les matériaux lignocellulosique comme le bois sont capable de générer de la fluorescence. Ceci s’explique principalement par la lignine et sa composition. Certaines liaisons chimiques sont capables de produire et de réémettre des photons lorsqu'ils sont dans des dispositions dimensionnelles particulières (Lähdetie et al., 2013).
1.3.2. Les hémicelluloses
Les hémicelluloses définissent un ensemble de polysaccharides d’une très grande variabilité entre les différentes espèces végétales. Ce sont tous les polyosides constituants de la paroi cellulaire autres que la cellulose. Elles ont des rôles variés tant dans des domaines structuraux que de stockage ou de protection. Les glucides retrouvés majoritairement sont des pentoses (xylose et arabinose) et des hexoses (glucose, le galactose et mannose). On retrouve aussi des acides uroniques (glucuronique,
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galacturonique et methylglucoronique). Ces composés forment les quatre types d’hémicelluloses considérés comme les plus importants dans les parois des cellules végétales par liaison osidique bêta:
Les glucanes Les xylanes
Les mannanes Les galactanes
Ces hémicelluloses sont globalement amorphes, hydrophiles et de plus faible masse moléculaire que la cellulose.
1.3.3. La cellulose
C’est la macromolécule la plus abondante dans le bois : environ 40 à 50 %. Elle régit les propriétés mécaniques et chimiques du bois. C’est un polysaccharide homogène linéaire de glucose lié par des liaisons covalentes acétal bêta 1->4. L’unité répétitive de la cellulose est nommée cellobiose (Figure 1.4)(Stevanovic & Perrin, 2009).
Figure 1.4 : Cellobiose, l'unité répétitive de la cellulose (Stevanovic & Perrin, 2009)
La cellulose possède la particularité d’être hydrophobe malgré ses nombreuses fonctions hydroxyle. Il existe en effet de nombreuses liaisons hydrogènes intra et inter moléculaire entre les hydroxyles. Elles permettent la formation (i) des protofibrilles puis (ii) des fibrilles élémentaires et enfin (iii) des microfibrilles de cellulose (Figure 1.5)(Kumar & Murthy, 2011). De cette particularité découlent d’excellentes propriétés mécaniques ainsi qu’une structure tridimensionnelle cristalline.
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Figure 1.5 : Vue schématique de la constitution d'une fibrille de cellulose (Kumar & Murthy, 2011)
Dans les produits naturels, on retrouve la cellulose dite native (cellulose I) qui possède un caractère cristallin. On distingue alors deux structures : I alpha et I bêta qui sont deux allomorphes. Il est
important de souligner que toute la cellulose cellulaire n’est pas cristalline, car cela dépend de l’importance et de la régularité des liaisons hydrogènes. On estime à deux tiers la cellulose cristalline et à un tiers celle amorphe. Les domaines amorphes apparaissent comme des zones permettant la fixation de molécules d’eau. Les gonflements des échantillons sont engendrés proportionnellement à la quantité des zones amorphes (Lionetto et al., 2012).
La cristallinité apporte de bonnes propriétés mécaniques. En effet, une relation positive a été trouvée entre la cristallinité et la densité. De même, il a été prouvé que la cristallinité joue un rôle dans les bonnes propriétés mécaniques au travers des bons résultats obtenues avec le module de Young et de la résistance à la tension (Lionetto et al., 2012).
1.3.4. Les extractibles
Ce sont des molécules organiques de faible masse moléculaire qui peuvent être extraites à l’aide de solvants polaires et apolaires. Leurs teneurs varient en fonction de l’espèce (1,2 % pour les feuillus). Elles sont infiltrées dans les parois cellulaires du bois ou à la surface des lumens.
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Ce sont en partie des chromophores de par leurs structures chimiques et ils jouent donc un rôle sur la couleur du bois. Ils ont également un rôle dans l'hygroscopie, l'odeur et la résistance aux ravageurs (Stevanovic & Perrin, 2009).
Les extractibles donnent au bois sa résistance naturelle aux dégradations biologiques. Par exemple, le bois de cœur du cèdre blanc de l'est (Thuya occidentalis L.) résiste en moyenne 27 ans sans traitement contre 5 ans pour l'épinette noire (picea mariana (Mill.) BSP)(Bouslimi et al., 2014). Il existe plusieurs groupes d'extractibles comme par exemple, celui des tropolones dans lequel l'activité antifongique des thujaplicins a été identifiée {Chedgy, 2007 #204;Taylor, 2006 #217;Barton, 1971 #711;Erdtman, 1948 #714}.
2. Le vieillissement des bois de revêtement extérieur
2.1. Généralités
Le vieillissement se décrit comme les modifications fonctionnelles que subit le bois par son environnement. C’est une combinaison complexe entre facteurs chimiques, biologiques, mécaniques et énergie lumineuse (Williams, 2005)(Tableau 1.1). Son importance varie en fonction de l’arbre, de l’espèce et de son environnement.
Tableau 1.1 : Description des différents types de vieillissement de bois (Williams, 2005)
Facteurs présent dans le vieillissement Conséquences
Lumière Phénomène de surface entrainant une
coloration du bois
Eau
Lixiviation de surface
Provoque des contraintes dans le matériau entrainant des fractures, fissures et gonflement
Microorganismes
Coloration du bois
Décoloration en profondeur du bois
Altération différent en fonction de l’espèce
Ravageurs Destruction de l’intégrité physique
Atmosphère Oxygène, pollution naturelle et anthropique
Activités humaines Piétinement, nettoyant chimique et ponçage
Saison Changement de température et d’humidité
relative (HR)
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En effet, les impacts vont être différents en fonction de la densité, du grain, de la texture, de la quantité d’aubier et de la présence d’extractibles. Les sources de dégradation sont nombreuses et n’ont pas la même importance. Le tableau 1.1 présente une liste exhaustive des différents facteurs de dégradation présent dans le vieillissement. Tous ces facteurs ne seront pas décrits en détails dans ce manuscrit. Ce projet de doctorat s’est en effet intéressé à seulement qu’une partie de ces phénomènes. Il est toutefois important de spécifier que même si cette recherche n’a pas considérée l’ensemble des facteurs décris dans le tableau 1.1, ceux-ci font partie intégrante des processus chimiques et physiques présents dans le vieillissement.
2.2. Photodégradation du bois
2.2.1. La chimie
La photodégradation se produit dès la première exposition à une source photonique. Elle dépend de l’énergie lumineuse et va donc être fonction de la longueur d’onde selon l'équation :
E = ℎ∗𝑐 𝛌
h = constante de Planck
c = vitesse de la lumière dans le vide λ = longueur d'onde
Le spectre du soleil touchant la terre est étendu sur une plage de 295 à 3000 nm. Dans la dégradation des bois de revêtement, les UV sont considérés comme le domaine le plus énergétique et donc le plus dégradant, avec une plage allant de 100 à 400 nm. On dissocie trois domaines dans les rayons UV (Tableau 1.2) :
Tableau 1.2 : Les domaines des UV en nm
UVa UVb UVc
315«λ«290 290«λ«315 100«λ«290
Les UVc sont entièrement filtrés par la couche d'ozone. Le spectre UV du soleil touchant les échantillons est donc 295≤UV≤400 nm. Afin de déterminer la quantité d'énergie que peut recevoir un échantillon (Tableau 1.3).
15 On définit plusieurs paramètres :
Tableau 1.3 : Expression des quanta d'énergie
Irradiation Le flux de rayonnement par unité de
surface W/ m²
Irradiation spectrale L’irradiation mesurée pour une longueur d’onde W/ m²/ nm Exposition rayonnement L’irradiation avec intégration du temps J/ m² Spectre du rayonnement
d’exposition
L’exposition au rayonnement pour une
longueur d’onde J/ m²/ nm
Malgré les nombreuses études visant à élucider les mécanismes chimiques mis en œuvre, le phénomène de photodégradation reste globalement inexpliqué. Il a tout de même été démontré que le phénomène commence par l’absorption d’un photon comme cela est énoncé dans la première loi de la photochimie : la loi de Grotthus – Draper. La molécule va alors être dans un état excité en respectant la deuxième loi de la photochimie : la loi de Stark – Einstein (Williams, 2005). Les cibles préférentielles sont des groupements chromophoriques qui mènent à la formation de radicaux libres (Moore & Owen, 2001).
Ces radicaux libres peuvent ensuite migrer en profondeur dans le bois. Cela entraîne une dépolymérisation et des dégâts en profondeur (Feist & Hon, 1984). Ils participent également à la dégradation de l'interface bois/fini. C'est ce phénomène qui est en partie responsable de la perte d'adhérence du fini et entraine ainsi les phénomènes de délamination.
Leary décrit trois voies de dégradation possibles qui sont dépendantes de l'eau et de l'oxygène (Figure 1.6)(Leary, 1994) :
La voie des radicaux libres de type phénoxy : Ces radicaux se forment directement entre les radicaux libres formés par excitation des groupes chromophoriques et réagissent avec les groupes phénoliques. Ils s’oxydent ensuite en quinones provoquant une coloration.
La voie phénacyl : L’excitation a lieu sur les groupes carbonyles de la lignine pour former des cétones et des radicaux phénoxy s’oxydant en quinone.
La voie cétyle : formation d’autres radicaux réagissant avec la lignine pour donner des cétones et radicaux phénoxy.
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Figure 1.6 : Mécanismes de photodégradation du bois d'après Leary (1994)
Ces études ont démontré que la lignine était la plus sensible à ce type de dégradation avec un pic d’absorption à 280 nm et jusqu’à 400 nm (Pandey, 2005a). Cela est dû à la présence des groupements aromatiques et phénoliques qui absorbent fortement dans les UV (Kalnins, 1984). C'est le cas des chromophores donnant la coloration du matériau.
Les polysaccharides sont aussi sujets à la photodégradation. La distinction entre hémicelluloses et cellulose est difficilement réalisable à l’aide des techniques analytiques actuelles. Contrairement à la lignine, les polysaccharides sont sensibles au spectre global de la lumière blanche (Derbyshire & Miller, 1981). Cela entraine une dépolymérisation ainsi qu’une perte de masse (Pandey, 2005b). Le domaine du visible étant des photons de faible énergie par rapport aux UV, les dégâts observés sont moins rapides, environ 4 heures pour la lignine et 4 jours pour la cellulose (Evans et al., 1996). Les dégâts se font, par contre, plus en profondeur par la pénétration accrue de la lumière visible par rapport aux UV ainsi que par la présence des radicaux qui sont capables de migrer dans le bois. On a aussi des phénomènes d'entrainements des espèces radicalaires par l'eau.
