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Digeste de la construction au Canada, 1967-11
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Les nouveaux revêtements de finition organiques
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 79F
Les nouveaux revêtements de
finition organiques
Publié à l'origine en novembre 1967 H.E. Ashton
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Les architectes et autres rédacteurs de cahier des charges ont l'embarras du choix parmi de nombreux types de revêtements de finition lorsqu'il doivent choisir le revêtement convenant à une utilisation particulière. Bien que quelques fabriquants préfèrent se charger de fournir les matériaux convenant exactement à chaque utilisation, cette méthode n'est pas toujours pratique pour les utilisateurs. Un si grand nombre de termes sont utilisés pour identifier, décrire ou classifier les revêtements sur la base de leur composition, qu'il est devenu presque indispensable que les utilisateurs aient quelques connaissances sur ce sujet et sur l'action des éléments constitutifs pour la détermination des caractéristiques des revêtements. Les Digestes
CBD 76F et CBD 78F ont décrit les divers types de revêtements de finition et leur composition. Le but visé par le présent Digeste est la description des revêtements organiques de finition les plus récents, des avantages et des inconvénients qui découlent de leur composition.
L'expression "les plus récents" est employée ici de façon relative. Quelques-uns de ces produits ont été mis sur le marché il y a un certain nombre d'années, et ont été immédiatement adoptés pour un nombre limité d'utilisations, bien qu'ils n'aient acquis une importance commerciale que quelques années plus tard. D'autres sont véritablement récents en ce sens que leur mise au point et leur utilisation générale est survenue au cours de la dernière décennie, tout au moins de ce côté-ci de l'Atlantique.
Il est bon de noter que la présente étude s'applique aux revêtements de meilleure qualité de chaque classe. Il est toujours possible de réaliser des produits à un moindre prix par la réduction de la teneur en ingrédients coûteux, mais ces produits n'auront pas toutes les qualités caractéristiques de leurs groupes respectifs. La caractérisation d'un produit par l'ingrédient qui y est contenu ne signifie pas que cet ingrédient y est présent en quantité importantes.
Les revêtements de finition les plus récents diffèrent surtout par la nature du liant des types plus anciens. Les termes tels que résines acryliques, époxydiques, résines de polyuréthanes, s'appliquent à cet élément constitutif du revêtement (voyez le tableau n° 1). Comme nous l'avons précédemment expliqué dans le Digeste CBD 76F, les macromolécules, ou molécules polymères, qui constituent finalement le feuil durci, peuvent être formées partiellement ou en totalité soit avant l'application, soit après l'application. Si le liant d'un revêtement contient un nombre prédominant de molécules relativement simples, le feuil exigera un temps assez long pour durcir. Les molécules polymères résultantes seront relativement petites, et le feuil n'aura qu'un faible résistance à l'intempérisme ou à l'attaque des produits chimiques. Les macromolécules donnent au feuil des propriétés précieuses, mais si elles sont formées complètement avant l'application, l'addition de fortes quantités de solvant est nécessaire pour l'exécution du travail, et le feuil est habituellement soluble dans le même solvant.
Tableau I. Liste des liants employés avec les divers revêtements de finition liquides Revêtements Liants
au solvant
peinture huile siccative vernis huile et résine
alkyde uréthane vernis-émail huile et résine
alkyde époxyde acrylique polyuréthane polyester diverses résines synthétiques laques résines naturelles
cellulose vinyle acrylique
à l'eau
en solution ou soluble colle caséine ciment huile siccative alkyde dispersion alkyde styrène-butadiène vinyle acrylique
Les difficultés présentées par les revêtements faiblement solubles et aisément redissous ont été surmontées à l'aide de revêtements à forte polymérisation. Des solutions très concentrées de produits partiellement polymérisés sont mélangées juste avant l'application avec un second élément constitutif, et les macromolécules qui se forment par réaction chimique au cours de l'application et après cette dernière rendent le feuil insoluble. On qualifie généralement ces revêtements de peintures réactives. D'autres liants récents donnent au feuil une meilleure adhérence que précédemment, une meilleure résistance à l'attaque des produits chimiques ou à l'intempérisme, une plus forte ténacité ou une épaisseur plus grande. Nous décrirons ces produits dans l'ordre approximatif de leur introduction sur le marché des revêtements de finition.
Les vernis alkydes
Le mot "alkyde" provient de la première syllabe des mots "alcool" et "acide". Il s'agit des alcools à utilisations multiples et des acides employés dans les fabrications. Les résines alkydes ont été synthétisées entre 1920 et 1930 mais n'ont été utilisés largement qu'après la seconde guerre mondiale. Depuis cette époque, ces résines ont été les liants les plus employés pour la fabrication des vernis au solvant en raison de leur nombreux emplois et de leur excellent comportement.
La fabrication des vernis-émails alkydes, contrairement à celle des vernis gras (huile et résine) est réalisée dans une seule chaudière, et le produit en sort sous forme de sirop très épais. La structure moléculaire de ces vernis possède des liaisons transversales, dont le nombre est déterminé par la formule de composition établie en fonction de l'utilisation prévue. Les vernis alkydes qui doivent durcir à l'air contiennent une quantité modérée d'huile, et le plus grand nombre de liaison moléculaires transversales se forment au cours du durcissement de l'huile. Comme la résine n'est ni dure ni cassante, la quantité d'huile qu'elle nécessite est plus faible que celle requise par les vernis gras. Comme il se trouve un plus grand nombre de molécules pré-polymérisées, son durcissement final dépend moins du séchage à l'air, et il est possible d'utiliser des huiles à durcissement plus lent, qui conservent mieux les couleurs que l'huile de lin. Les feuils de vernis-émail alkyde résistent mieux que les feuils de peintures à l'huile ou de vernis gras aux intempéries, ont une meilleure adhérence, mais par contre ils résistent mal aux bases.
Les vernis-émail alkydes qui doivent être durcis par cuisson sont constitués de façon à avoir de nombreuses liaisons transversales, et par conséquent ils exigent l'utilisation de solvants puissants pour les dissoudre. La cuisson entraîne la formation d'une structure plus compacte que le durcissement à l'air, et on utilise cette méthode quand on désire que le feuil soit très dur. Ce dernier est également moins modifié par le vieillissement, car les groupes moléculaires sensibles à l'oxydation ont été occupés. Par la cuisson des vernis-émails alkydes on réduit encore le jaunissement, car les huiles utilisées sont différentes de celles qui sont nécessaires au séchage à l'air. On modifie en outre de nombreux vernis-émails alkydes, à durcissement par cuisson, par l'addition de résines aminées qui favorisent la formation de liaisons transversales, augmentant ainsi la dureté et les qualités de conservation des couleurs. La combinaison des résines aminée et alkyde donne de meilleure résultats que chacune de ces résines prise séparément.
Laques vinyliques
Les laques vinyliques ont tout d'abord été utilisées commercialement en construction navale et dans les usines de produits chimiques. Il est nécessaire d'utiliser des résines à molécules géantes contenant très peu de groupes sensibles à l'attaque des produits chimiques pour que le feuil résultant ait la résistance requise à ces produits; mais malheureusement ces laques ne contiennent que peu de particules solides et leur adhérence est faible. Les laques vinyliques doivent être appliquées par-dessus une peinture d'impression spéciale qui réagit avec la surface métallique et jouit d'une forte adhérence. Si le subjectile n'est pas préparé de cette façon, le feuil vinylique peut s'arracher d'un seul coup. Il est nécessaire d'employer des solvants à évaporation rapide si le feuil doit sécher à l'air, car les résines vinyliques ont tendance à retenir une partie du solvant. Le fait que la résine peut être redissoute s'ajoute à ce
phénomène pour empêcher une application aisée au pinceau. Les laques vinyliques pigmentées ont montré une excellente résistance aux intempéries à la suite d'une application soigneuse en usine sur des subjectiles bien préparés. Leur résistance à la chaleur est malheureusement mauvaise.
Les revêtements acryliques
Ces derniers ont été introduits sur le marché entre 1930 et 1940, mais ils ne se sont répandus que dans les dix dernières années. On a préparé les laques acryliques quand on a cherché à améliorer la couleur des laques cellulosiques et leur conservation des couleurs. Les changements ont atteint leur conclusion logique lors de l'emploi des résines exclusivement acryliques. Ces laques sont transparentes, ne foncent pas et ne perdent pas leur brillant lors de leur exposition aux intempéries. C'est pour cette raison qu'on les emploie largement depuis quelques années pour la peinture des carrosseries d'automobiles, pour lesquelles leur excellent résistance aux salissures est précieuse. En raison de la méthode utilisée pour leur durcissement, les laques acryliques sont redissoutes facilement et n'ont qu'une faible teneur en particules solides, bien que cette dernière soit un peu plus forte que celle des laques cellulosiques ou vinyliques.
Les vernis-émails acryliques, qui sont préparés à l'aide de résines acryliques à molécules peu polymérisées et d'autres résines, et qui sont durcies par cuisson, ont été récemment mis sur le marché pour remédier aux défauts des laques. Ces vernis-émails donnent un feuil de bonne épaisseur, résistent bien à la chaleur et peuvent généralement atteindre la même dureté que les laques sans être aussi fragiles. Leur résistance à l'abrasion et aux salissures est donc améliorée.
Les excellentes propriétés des résines acryliques peuvent être conférées aux peintures au latex. La principale difficulté rencontrée pour l'emploi extérieur des peintures à solvant aqueux est leur coût élevé.
Vernis-émails époxydiques
La forme sous laquelle se présentent ces résines peut varier entre un liquide à faible poids moléculaire et un solide cassant à fort poids moléculaire. Elles sont constituées par des molécules en chaîne résistant à l'action des bases. On peut les faire durcir de deux façons différentes. Si le vernis-émail est soumis à une cuisson en même temps que les acides gras provenant d'huiles siccatives, par la même technique d'élaboration que les vernis-émails alkydes, on obtient des esters époxydiques. Le feuil se forme à l'intérieur du film d'huile par réaction avec l'oxygène atmosphérique, tel une huile siccative, un complexe huile-résine (vernis gras) ou une résine alkyde. Les trois matériaux qui contiennent des molécules pré-polymérisées durcissent bien entendu plus vite que les huiles seules. L'avantage principal des esters époxydiques réside dans leur résistance aux bases. Le seul élément de l'édifice moléculaire sensible à l'attaque des bases est la liaison chimique entre résine et huile siccative. Les propriétés des esters époxydiques découlent des proportions d'huile et de résine dans le mélange, tout comme pour les autres résines.
Les vernis-émails époxydiques peuvent être aussi durcis par l'établissement de liaisons transversales intermoléculaires. Si l'on peut durcir le revêtement de finition par cuisson, il est possible d'utiliser diverses résines, dont quelques-unes possèdent d'excellentes qualités de résistance à l'attaque des produits chimiques. En outre, des revêtements aux qualités proches de celles des revêtements obtenus par cuisson peuvent être réalisés sans chauffage par l'emploi de certains produits favorisant l'établissement de liaisons transversales à température ambiante. Le type d'agent de durcissement et la quantité employée font que l'on obtient un feuil souple ou dur. On qualifie quelquefois ces produits de vernis-émails époxydiques à durcissement par catalyse, ce qui est inexact, car l'agent de durcissement s'intègre à l'édifice intermoléculaire. Il vaut mieux dire qu'ils durcissent à température ambiante. Les molécules des résines époxydiques contiennent des groupes d'attraction qui ne sont pas affectés par les bases ou par l'eau, et en conséquence leur adhésivité et leur résistance à l'attaque des produits
chimiques sont excellentes: c'est d'ailleurs la raison de leur emploi dans les colles fortement adhésives.
On peut fabriquer les vernis-émails époxydiques à durcissement à température ambiante sous deux formes : la solution normale ou le liquide à forte consistance. La solution normale est obtenue par dissolution de la résine solide dans les solvants de puissance requise, et elle contient 50 pour cent de liant. L'épaisseur du feuil obtenu avec une seule couche de cette solution est la même que celle que donnent les autres vernis-émails. Des feuils relativement épais sont produits par l'application des vernis-émails époxydiques à forte consistance qui contiennent la résine époxydique liquide sans adjonction de solvant, ou avec une faible quantité de celui-ci. On utilise ces vernis-émails sur les lambris des hôpitaux et autres endroits où la résistance à l'abrasion est importante.
A l'extérieur les vernis-émails époxydiques souffrent de jaunissement et de farinage, et on les utilise seulement quand leur résistance à l'attaque des produits chimiques est plus importante que leur aspect. Après leur mélange, de nombreux vernis-émails époxydiques réclament un temps d'attente avant l'application pour permettre la formation d'un nombre suffisant des liaisons transversales conférant au feuil les qualités voulues. Avec les vernis-émails époxydiques à forte consistance, le temps d'attente est suivi d'une durée d'application très limitée, car le durcissement est rapide en raison de l'absence de solvant. La solution normale requiert l'utilisation de solvants très puissants, et leur odeur est désagréable.
Vernis-émails polyesters
Ces vernis sont fabriqués par la dissolution d'une résine constituée de molécules en chaîne possédant des groupes réactifs dans un solvant dont les molécules possèdent aussi des groupes réactifs. Après l'adjonction d'un catalyseur et d'un agent d'accélération, la résine et le solvant établissent des liaisons intermoléculaires et donnent un feuil dur comme le verre, contenant la quasi-totalité des constituants originaux. Les vernis-émails polyesters ont généralement une faible résistance aux chocs, qu'on peut améliorer par la modification des constituants. Ils diffèrent des vernis époxydiques par la présence dans la même boîte des deux constituants nécessaires à l'établissement des liaisons intermoléculaires, et il suffit d'ajouter le catalyseur pour déclencher la réaction qui transformera le contenu en un feuil solide. Cependant, la chaleur peut aussi déclencher la réaction, et si un vernis-émail polyester est emmagasiné dans un endroit chaud, sa viscosité augmente jusqu'à gélification. Certains vernis-émails polyesters n'ont ainsi qu'une faible durée de conservation, et il faut n'en préparer que la quantité utilisable sans délai.
On utilise les résines polyesters beaucoup plus sous forme de plastiques renforcés à l'aide de fibres de verre que sous forme de revêtements de finition; il est en effet difficile de faire durcir des polyesters normaux en films minces, car le solvant nécessaire à l'établissement des liaisons intermoléculaires s'évapore rapidement. En conséquence une partie seulement du feuil polyester possède des liaisons transversales. En outre, la réaction déclenchée par le catalyseur est continuée par l'oxygène de l'air. Les deux phénomènes entrament un durcissement incomplet en surface, et le feuil reste collant. Ce défaut a été surmonté partiellement par l'incorporation de paraffine à la solution. Après l'application, la paraffine flotte sur le film et sert d'écran contre l'évaporation du solvant et la pénétration de l'oxygène. Si on désire obtenir cependant le très grand brillant et la bonne réflectivité du feuil de polyester normal, il est nécessaire de sabler la couche de paraffine. On affirme que certains des polyesters les plus récents durcissent à l'air de façon satisfaisante, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser de la paraffine. Quand on applique une nouvelle couche de vernis sur un ancien vernis polyester, il est nécessaire de sabler la surface de ce dernier pour obtenir une bonne adhérence de la nouvelle couche.
Vernis-émails uréthanes
Ce n'est que depuis 1960 que les résines polyuréthanes ont pris une grande importance commerciale en Amérique. Leur utilisation principale se trouve dans le domaine des mousses synthétiques. Elles sont cependant très intéressantes comme revêtements de finition, car les
résines polyuréthanes donnent des feuils plus durs que les autres résines, sans qu'ils soient cassants. Les uréthanes résistent aussi très bien à l'attaque des produits chimiques et ont une bonne adhésivité, car les groupes moléculaires d'attraction ne sont pas attaqués facilement par voie chimique.
On fait durcir les vernis-émails polyuréthanes de plusieurs façons, et pour cette raison on les range en deux classes comprenant cinq types. Cependant l'une des résines polyuréthanes est plus intéressante que les autres si l'on peut durcir le vernis par cuisson. Les vernis-émails polyuréthanes d'emploi le plus simple sont ceux qui tiennent en une seule boîte. Il s'en trouve deux de ce type. La méthode de durcissement la plus aisée consiste, comme pour les autres résines, à faire réagir la résine polyuréthane avec une huile siccative. On connaît le produit sous le nom de vernis-émail polyuréthane modifié aux acides gras. Le durcissement se produit comme d'habitude par l'établissement de liaisons intermoléculaires, mais il se produit très rapidement. Le second type de vernis-émail polyuréthane tenant dans une seule boîte réagit non avec l'oxygène de l'air, mais avec la vapeur d'eau, dont une faible quantité seulement est requise pour l'établissement de liaisons entre les molécules relativement grosses de polyuréthane. Comme l'humidité de l'air varie, la vitesse du durcissement par hygroscopie varie aussi. Le pourcentage d'humidité relative de l'air nécessaire pour un durcissement de vitesse raisonnable atteint 30 pour cent, mais même à 15 pour cent un lent durcissement se produira. Les boîtes de vernis polyuréthanes à durcissement par hygroscopie doivent être protégées de toute humidité, sinon le produit se gélifiera. Des méthodes particulières sont utilisées pour pigmenter les vernis-émails polyuréthanes, car les pigments absorbent l'humidité de l'air avant d'être dispersés dans le véhicule. Ces vernis-émails polyuréthanes permettent d'avoir les avantages d'un produit à mélanger avant l'emploi tout en évitant les désavantages de cette manipulation.
Deux types de vernis-émails polyuréthanes sont rangés dans la classe des vernis à mélanger. Le premier ressemble au vernis-émail polyuréthane à durcissement par hygroscopie, sauf l'addition d'une faible quantité d'agent de durcissement pour induire l'établissement des liaisons entre les molécules pré-polymérisées. Il est assez difficile de le pigmenter. Le second vernis à mélanger, qu'on utilise plus couramment, ne subit qu'une polymérisation partielle. On le fait réagir juste avant l'application avec de l'huile de ricin ou avec un produit constitué de molécules assez grosses.
En changeant le type de composant réactif, il est possible d'obtenir des vernis-émails polyuréthanes produisant un feuil ressemblant au caoutchouc ou, par gradations, durcissant jusqu'à consistance du verre. Contrairement aux vernis-émails polyuréthanes prépolymérisés, aux vernis polyesters ou époxydiques, ce type de vernis à l'avantage d'être constitué de deux éléments en quantités égales. De cette façon il est beaucoup plus simple préparer de faibles quantités de vernis qu'avec les autres types pour lesquels l'agent de durcissement ou le catalyseur se trouve en faible volume par rapport à celui de la résine. Le vernis-émail polyuréthane à polymérisation partielle est facilement pigmenté, car le pigment peut être dispersé dans les deux composants. Tous les types de vernis-émails polyuréthanes réactifs doivent être protégés de la vapeur d'eau pour éviter leur gélification.
Les vernis-émails polyuréthanes sont utilisés avec grand avantage pour peindre les planchers, à cause de la résistance qu'ils confèrent au feuil. Les vernis-émails polyuréthanes exposés aux intempéries réagissaient naguère comme les vernis époxydiques : ils jaunissaient et souffraient de farinage. Des types nouveaux sont maintenant commercialisés, qui retiennent très bien leur couleur et leur brillant. Ils sont malheureusement encore très coûteux.
Conclusion
Certaines des nouvelles résines décrites dans le présent Digeste sont utilisées pour la préparation des vernis à mélanger. Cette méthode donne d'excellentes qualité au feuil, sans qu'il soit nécessaire de le durcir par cuisson. Ils ont le désavantage d'obliger à des manipulations sur le chantier, entraînant des possibilités d'erreur; leur conservation en boîte est de durée limitée, et le matériel d'application nécessite de fréquents nettoyages. On a
amélioré certaines résines, habituellement par réaction avec des huiles siccatives, pour faciliter leur emploi. Bien que ces produits représentent des améliorations sensibles par rapport à leur ancienne forme, on ne doit pas s'attendre à ce qu'ils aient toutes les excellentes propriétés des résines non modifiées.
La connaissance de la composition des peintures et vernis aidera le rédacteur de cahier des charges, car cette composition détermine en général les propriétés d'un revêtement et par conséquent sa meilleure utilisation.
