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Procédé de stabilisation par imprégnation d'un substrat en un matériau comprenant du bois

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un procédé de stabilisation d'un substrat imprégné, modifié, pourvu de propriétés déterminées, en particulier de propriétés mécaniques, physiques, chimiques que le substrat en matériau comprenant du bois, par exemple le substrat en bois ne possède pas naturellement.

Dans la présente description ^' , ^{' "} en entend généralement par "matériau comprenant du bois", un matériau comprenant une proportion majoritaire de bois. Par "proportion majoritaire", on entend généralement que le matériau comprend au moins 50% en poids de bois. De préférence, ce matériau est constitué en totalité de bois.

De même, dans la description, le terme "bois" doit être généralement compris comme signifiant non seulement bois pur, mais aussi matériau comprenant du bois. Ce procédé s'applique, en ^" particulier, au traitement du bois, en vue de lui conférer les propriétés mécaniques, physiques, et/ou chimiques voulues, afin notamment, de le préserver, de le conserver, d'améliorer sa résistance et de le protéger contre différents types d'agressions chimiques, biologiques et/ou physiques.

En d'autres termes, le procédé de l'invention vise à obtenir un matériau comprenant du bois, par exemple du bois, présentant une meilleure résistance vis-à-vis des conditions extérieures et, notamment, une meilleure stabilité intrinsèque vis-à-vis de l'humidité ambiante, qui fait que le matériau comprenant du bois, par exemple le bois, se dilate moins, voire pas du tout en reprenant de l'humidité, ou subit moins de retrait lors d'un séchage, et possède une meilleure résistance vis-à-vis des attaques par des organismes vivants capables de dégrader le matériau comprenant du bois, tel que le bois, par exemple les champignons, insectes et bactéries.

Ainsi, dans le domaine de la préservation du bois, des revêtements constitués par des résines, des lasures, des huiles

et des vernis sont généralement utilisés, souvent des revêtements à base de polyuréthane [1] [2] [3]. L'utilisation des produits mentionnés précédemment se limite à un simple traitement de surface, très superficiel, dont la pénétration dans un substrat tel que le bois est très faible, à savoir généralement très inférieure à 1 mm.

En raison de la grande taille de ces molécules et de leur caractère hydrophobe, il n'y a pas de pénétration, par exemple du polyuréthane, dans l'intimité de la microstructure des parois cellulaires du bois.

Pour garantir une résistance supérieure, à savoir d'au moins dix ans, pour satisfaire à ^' la garantie décennale imposée par l'industrie du bâtiment, il est nécessaire de recourir à des procédés d'imprégnation du bois, dans son volume, avec des conservateurs tels que les sels de cuivre-chrome-arsenic (CCA) , les créosotes et les composés ^' organochlorés ou d'autres substances toxiques qui, malheureusement, présentent, tous des désavantages sur les plans de la santé publique et du respect de 1 ' environnement . Dans le domaine industriel, il est aussi fait mention du procédé dit de "rétification" ou de pyrolyse du bois sous atmosphère neutre pour stabiliser le bois [4] . Cette technique consiste à soumettre le bois à un traitement thermique dans des conditions contrôlées afin de provoquer des réactions de thermocondensation au niveau de l 'hémicellulose du bois. Une opération de "rétification" est habituellement réalisée sous atmosphère neutre ou réductrice, sur du bois préalablement séché, en soumettant celui-ci à une température comprise entre 220 et 280°C pendant une durée suffisamment longue pour que la totalité de la masse du bois traité atteigne la température de traitement. Les conditions opératoires dépendent fortement de la quantité et de la géométrie des éléments de bois qu'il faut traiter dans une étuve; le moindre écart en température et/ou durée de traitement remet en cause fortement l'homogénéité du lot de bois traité ainsi obtenu. Mais la plus grande limite de ce procédé vient du fait que l'intégralité physique du bois n'est pas préservée pendant le traitement. En effet, 1 'hémicellulose est détruite au cours du traitement de manière

irréversible. Les propriétés mécaniques du bois sont dégradées pendant le traitement, notamment sa limite à la rupture et de ce fait, le bois devient plus cassant et plus fragile.

Un procédé qui tient à la fois des techniques d'imprégnation et de greffage est décrit dans le document [5]. Ce document concerne un procédé de traitement d'un élément en bois, de préférence en bois dit "debout" comprenant une étape d'imprégnation et une étape de réticulation. Au cours de l'étape d'imprégnation, on imprègne ledit élément avec une substance d'imprégnation choisie parmi les composés hydrosolubles mono- et/ou polyfonctionnels possédant un ou plusieurs atomes d'hydrogène actif et ayant comme propriété de gonfler les parois cellulaires du bois.

Ces substances d'imprégnation sont de préférence des monools ou polyols, en particulier des résines hydrophiles riches en fonction hydroxyles ^' (-0H) tels que les polyéthers mono et polyols hydrosolubles, tels que les polyéthylènes glycols.

Au cours de l'étape de réticulation, la substance d'imprégnation réagit, éventuellement en présence d'un catalyseur, avec un agent de réticulation ou agent de couplage de manière à obtenir au sein du bois au moins un agent de réticulation insoluble dans l'eau. ^'1 L'étape d'imprégnation et l'étape de réticulation sont effectuées à partir d'un même bain.

Les agents de réticulation, greffage sont choisis parmi les diisocyanates, les polyisocyanàtes et sont capables de polymériser soit avec la résine hydrophile, soit avec les fonctions alcools du bois. L'approche décrite dans ce document nécessite un chauffage du bois pour initier la réaction chimique entre l'agent de réticulation et les hydrogènes labiles . De cette manière il est possible de ^' constituer un "réseau interpénétré entre les chaînes de polyuréthane et les polymères constitutifs des parois cellulaires du bois" en maintenant le bois gonflé et le rendant moins sensible à l'humidité. Néanmoins, la principale limite de ce procédé est qu'il est lourd à mettre en œuvre car- il. fait appel à des systèmes réactifs qui sont potentiellement dangereux à mettre en œuvre comme les diisocyanates. L'imprégnation massive du bois à partir de diisocyanate va nécessiter des opérations onéreuses de

et/ou de neutralisation des excès d' isocyanates bloqués ou protégés à l'issue du traitement.

Les documents [6] et [7] indiquent qu'il est possible de stabiliser le bois en injectant dans les parois cellulaires des polycarbamates ou des polyuréthanes à courte chaîne. Les imprégnations sont réalisées à partir de solutions d'éthanol et d'eau en mélange. Cette imprégnation permet de maintenir le bois gonflé après séchage et de limiter ainsi son instabilité dimensionnelle vis-à-vis de l'humidité. Malgré leur efficacité, cette famille de molécules présente plusieurs inconvénients.

Le caractère hydrophobe de ces molécules de polycarbamates n'est pas assez fort pour assurer une bonne résistance au lessivage aqueux du bois. En' effet après plusieurs cycles de séchage/réhumidification, le bois retrouve pour une grand partie son instabilité diramensionnelle initiale.

En outre, ces polycarbamates ne sont pas actuellement disponibles commercialement. Par conséquent, les polycarbamates doivent être préparés à partir de précurseurs diisocyanates d'un coût élevé et très toxique dans leur emploi. II existe donc un besoin non encore satisfait pour un procédé qui permette un traitement dans l'ensemble du bois, aussi bien au cœur de celui-ci, qu'en surface, permettant de mettre en œuvre des résines disponibles commercialement, d'un faible coût et de toxicité nulle ou très réduite; il doit comporter également un nombre limité d'étapes simples induisant ainsi un coût limité du procédé. Enfin, le procédé ne doit pas porter atteinte aux autres propriétés du substrat tel que le bois.

Le but de l'invention est de fournir un procédé de stabilisation d'un substrat en un matériau comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois qui satisfasse entre autres à l'ensemble des besoins mentionnés cx-dessus.

Ce but et d'autres encore -sont atteints, conformément à l'invention, par un procédé de stabilisation chimique d'un substrat en un matériau comprenant du bois, dans lequel on met en contact ledit substrat avec au moins un composé de la famille des poly (tetraméthylène éther) glycol de masse molaire comprise entre 200 et 2000 g/mol, dans lequel ledit composé répond à la

formule (I) suivante:

HO- (CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -CH ₂ -O) _n -H (I) dans laquelle n est un nombre entier compris entre 3 et 35 de préférence inférieur à 20, mieux proche de 10. Avantageusement, le composé organique poly (tetraméthylène éther) glycol mis en oeuvre dans le procédé de l'invention est très hydrophobe (en particulier non soluble dans l'eau et les solutions aqueuses) , ce qui rend impossible le lessivage par 1 ' eau. Le procédé selon l'invention est d'une grande simplicité, il ne met en œuvre que des produits pouvant être préparés à partir de composés d'un faible coût et déjà disponibles commercialement; en fait, il s'agit d'un simple procédé d'imprégnation qui met en œuvre des molécules extrêmement spécifiques et qui ne présente pas les inconvénients des procédés d'imprégnation de l'art antérieur mettant en œuvre d'autres substances.

Il a été constaté de manière surprenante que les composés poly (tetraméthylène éther) glycols, très hydrophobes, utilisés dans le procédé de l'invention, étaient capable de pénétrer dans la paroi cellulaire du bois, alors qu'il est connu que la paroi cellulaire du bois constitue un milieu très hydrophile. Dans l'état de l'art, il n'a pas été trouvé d'exemples d'imprégnation du bois tel que défini dans le procédé de l'invention, à partir de cette famille de composés. Ces composés sont utilisés actuellement comme précurseurs de polymères de la famille des polyuréthanes combinés avec des diisocyanates; il n'a jamais été envisagé de les utiliser seuls dans un substrat en bois afin de le stabiliser dimensionnellement . Les multiples avantages et effets surprenants de l'invention peuvent donc être énumérés comme suit, sans que cette énumération soit considérée comme limitative:

- On obtient une excellente stabilisation du substrat en un matériau comprenant du bois, tels que le substrat en bois, vis- à-vis de l'humidité, cette stabilisation peut être exprimée par le paramètre dénommé ASE ("Anti Shrinkage Efficiency") . L 'ASE est défini par l'équation suivante:

ASB { % ) =100 X ( Sbois _non traité ~ Sbois traité ) / Sbois non traité avec la définition suivante de S:

S _b ois _t rait _{é ou non} ( % ) = 100x (Vθlume _bois humide-Vθlume _{bols sec} ) /Vθlume _bois sec

On peut également définir un ASE particulier dans lequel on fait référence non pas au volume de l'échantillon de bois, mais à l'une des dimensions du bois; par exemple dans le cas d'une lame de bois, il pourra s'agir de la Longueur (L), de la largeur (1) ou de l'épaisseur (e) . Le coefficient ASE partiel ASE _P relatif à la largeur (1) peut donc être exprimé par l'équation:

ASEp ( % ) =100 X ( Spbois non traité ~ S _pbo is traité) /Spbois non traité

avec la définition suivante de S _p : Spbois traité ou non ( % ) =100x (largeur _bois humide-largeur _bθ i _{S sec} ) /largeur _bO is sec

Le bois est séché en étuve à 60 ⁰ C pendant 24 heures et le bois est humidifié par immersion dans l'eau à 20 ⁰ C pendant 24 heures pour des géométries peu massives de l'ordre de quelques cm ³ .

Selon l'invention l'ASE est généralement supérieure à 50%, même après plusieurs cycles d'humidification / séchage.

-Les composés mis en œuvre selon l'invention sont peu, voire pas toxiques, et sont donc faciles à utiliser dans un processus industriel.

-Comme on l'a déjà indiqué plus haut, il est possible, voire avantageux, et de manière totalement surprenante, de réaliser le traitement d'imprégnation du procédé de l'invention même si le substrat en un matériau comprenant du bois, tel que le substrat en bois, est chargé d'eau ou préhumidifié, cela permet d'éviter d'effectuer une ^" étape de séchage, très consommatrice d'énergie et de ^'' temps, avant de réaliser le procédé de l'invention en vue de la stabilisation du substrat.

-Le coût du procédé, ainsi que l'accessibilité de la technologie nécessaire à la mise en œuvre du procédé permettent son utilisation dans l'industrie.

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-Le procédé de l'invention que l'on peut qualifier de traitement d'imprégnation ne nécessite pas obligatoirement de catalyseurs, de solvants, d'adjuvants divers très nocifs ou dangereux du type tetrahydrofuranne (THF) , dichlorométhane, pyridine, dilméthylformamide (DMF) , triéthylamine, ... que ce soit pour transporter le composé, résine, mis en œuvre selon l'invention au sein de la structure du substrat en un matériau comprenant du bois, tel que le bois, ou pour nettoyer le substrat de tous les résidus de traitement non fixés par le substrat comprenant du bois, tel que le substrat en bois.

Il n'est pas utile de procéder à un nettoyage en profondeur du substrat en un matériau comprenant du bois tel que le substrat en bois après le traitement d'imprégnation.

-Le procédé de l'invention permet de traiter un substrat en un matériau comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois, en profondeur, dans son volume, et ne se limite pas seulement à sa surface contrairement aux traitements par lasure, vernis et autres .

Le procédé selon l'invention présente l'avantage surprenant d'être réversible; il est ainsi possible de récupérer le composé organique mis en œuvre selon l'invention (la résine) à l'intérieur du substrat comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois, en utilisant un solvant du poly (tetraméthylène éther) glycol . Par exemple une solution riche en éthanol (> 60% massique) . Par conséquent, cette réversibilité permet le retraitement du substrat en bois, traité, en fin de vie.

-Le procédé de l'invention est extrêmement simple à mettre en œuvre puisqu'il se limite en fait à une simple imprégnation du substrat; il n'y a pas de système réactionnel. Il est en outre possible d'utiliser des techniques et des installations éprouvées pour sa mise œuvre. Il ne nécessite aucune adaptation, modification des installations existantes. En d'autres termes, on peut utiliser de très nombreux ^' procédés et installations industrielles déjà en usage pour imprégner le bois tel que par exemple la technique "vide-pression".

-Le procédé selon l'invention n'endommage pas le matériau comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois, et notamment l'aspect extérieur du substrat n'est pas altéré, et les

propriétés mécaniques ne sont pas dégradées.

-Le caractère extrêmement hydrophobe de la résine mise œuvre selon l'invention empêche toute lixiviation par l'eau, en particulier par les eaux pluviales en conditions extérieures. Le procédé selon l'invention est généralement compatible avec les différentes opérations de finition du bois utilisées par l'industrie: ponçage, vernissage, sciage, peinture, collage , densification/durcissement par polymérisation de résine in situ dans le bois, coloration dans le volume par des pigments. L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans ce qui suit.

Le substrat, traité selon l'invention, est un matériau comprenant du bois, on entend généralement un matériau comprenant une proportion majoritaire du bois (> 50% massique) ; de préférence, le substrat est constitué de bois, c'est-à-dire qu'il est constitué, en totalité, à 100% de bois (compte tenu des impuretés naturellement présentes dans celui-ci) .

Selon l'invention, le substrat traité peut être un substrat sec, mais il peut s'agir aussi d'un substrat humide qui, de manière surprenante, peut être traité par le procédé de l'invention. Par substrat humide, on entend généralement un substrat dont la teneur en eau est supérieure ou égale à 20% en poids de bois sec, par exemple est de 20 à 50% massique.

Selon l'invention, le substrat comprenant du bois est mis en contact avec au moins un composé organique de poly (tetraméthylène éther) glycol qui répond à la formule (I) donnée plus haut.

Le substrat peut être mis en contact avec un seul composé organique ou plusieurs composés organiques différents répondant à la définition ci-dessus. On peut en particulier utiliser un mélange avec des composés présentant des "n" différents.

Ces composés de formule (I) mis en oeuvre selon l'invention ont généralement une masse molaire comprise entre 200 et 2000.

La mise en contact, à savoir l'imprégnation du substrat par le ou les composé (s) organique (s) peut être réalisée à l'aide d'une solution de ce (s) dernier (s) dans un solvant de ce (s) composé (s). Généralement, cette mise en contact consiste en une immersion du substrat comprenant du bois, tel qu'un substrat en

bois, dans la solution du composé organique défini précédemment .

Le solvant est choisi généralement parmi les mélanges constitués d'au moins un solvant organique choisi parmi les alcools aliphatiques de 1 à 10C tel que l'éthanol, ou tout autre solvant organique présentant une affinité avec les poly (tetraméthylène éther) glycols . Si le matériau en bois est initialement sec, il est nécessaire de rajouter dans la solution une quantité d'eau comprise entre 5 et 30% massique pour permettre le gonflage de la structure du bois pendant l'imprégnation par le poly (tetraméthylène éther) glycol .

La solution finale contient en général de 10 à 100% massique du composé organique poly (tetraméthylène éther) glycol.

La mise en contact entre ^' la solution de résine et le substrat comprenant du bois - peut par exemple être réalisée de la manière suivante: on introduit le substrat comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois, dans un réacteur étanche et on introduit de même le composé organique à base de poly (tetraméthylène éther) glycol sous forme de solution dans ledit réacteur. La mise en contact est généralement réalisée à température ambiante (20 ⁰ C), mais avantageusement il est possible de chauffer le substrat et le composé organique à base de poly (tetraméthylène éther) glycol jusqu'à 50 ⁰ C pour faciliter la cinétique de diffusion de la résine au sein de la structure du bois. Il faut rester si possible en-dessous de la température d'ébullition de l'éthanol ou du solvant utilisé. pour des raisons de sécurité.

La mise en contact est généralement réalisée à pression atmosphérique, mais il est possible d'utiliser une variante avantageuse du procédé, dite procédé "vide-pression" pour améliorer le taux d'imprégnation du bois. Cette variante "vide- pression" consiste à placer le substrat comprenant du bois à traiter, à imprégner dans une enceinte sous vide, par exemple dans une enceinte sous un vide de 10 à 100 mbar, afin de dégazer le substrat, puis de réaliser la mise en contact proprement dite avec la solution du composé à base de poly (tetraméthylène éther) glycol sous pression, c'est-à-dire en établissant une pression sur la solution, par exemple une pression de 5 à 10 bars pour

forcer le liquide à pénétrer dans le substrat comprenant du bois, tel qu'un substrat en bois.

La mise en contact est généralement réalisée pendant une durée de 24 heures. Cette durée n'est pas limitative car elle dépendra fortement de la géométrie des substrats comprenant du bois et des variantes du procédé d'imprégnation, qui peuvent être éventuellement choisies: "imprégnation avec "chauffage" et/ou "imprégnation par vide-pression".

Le procédé selon l'invention s'applique particulièrement au domaine de la conservation du bois, vis-à-vis notamment des agressions induites par l'humidité.

Ainsi, le procédé selon l'invention est particulièrement destiné aux bois maintenus à l'extérieur, faisant partie, par exemple, de bardage, volets, fenêtres, portes, portails, piquets, pancartes, poteaux, mobiliers de jardins ou d'espaces urbains et d'autres éléments de menuiserie extérieure, etc..

Le procédé selon l'invention trouve aussi des applications dans le bâtiment, où le bois fait partie des charpentes, meubles, par exemple de salle de bain ou de cuisine, escaliers, parquets, etc ...

Le procédé selon l'invention peut être appliqué aux ouvrages d'art en bois tel- que passerelles, ponts, structures, charpentes et également aux objets en bois utilisés dans les activités maritimes. L'invention va maintenant être décrite en référence à un exemple, donné à titre illustratif ^' et non limitatif.

Exemple

Dans cet exemple, on réalise la stabilisation de deux échantillons constitués d'une lame de hêtre (bois réputé pour sa grande instabilité dimensionnelle vis-à-vis de l'humidité) par le procédé de l'invention à partir d'une résine de poly (tetraméthylène éther) glycol de poids moléculaire 650g/mol disponible commercialement. On place les deux échantillons de hêtre sec dans une enceinte d'imprégnation permettant d'utiliser le procédé "vide- pression". Les données de départ des deux échantillons sont décrites dans le tableau suivant:

- il -

Dans un premier temps, un vide de 0.1 bar est réalisé dans l'enceinte à température ambiante (20°C° pendant une durée de 16 heures) . Dans un deuxième temps, une solution de résine comprenant 300 g de poly (tétraméthylène éther) glycol 650 + 300 g d'éthanol + 150 g d'eau est introduite dans l'enceinte jusqu'à immersion complète des deux échantillons de hêtre. L'imprégnation est réalisée avec une mise en pression du liquide de 5 bars pendant une durée de 16 heures à 50 ⁰ C.

En fin d'imprégnation, les deux échantillons A et B sont séchés à 60 ⁰ C pour éliminer l'humidité et l'éthanol résiduels dans le bois pendant une durée de 24 heures.

Pour pouvoir évaluer l'efficacité du traitement en terme de stabilisation dimensionnelle du bois vis-à-vis de l'humidité, nous calculons la valeur du coefficient "Anti Shrinkage Efficiency" ou "ASE" particulier calculé à partir de la largeur de l'échantillon, c'est à dire la dimension la plus instable pour les deux échantillons.

Il est nécessaire de faire subir au bois après traitement selon l'invention, selon l'étape décrite ci-dessus, plusieurs cycles d'humidification/séchage en mesurant la largeur de l'échantillon à sec à chaque cycle au ^' pied à coulisse.

L'humidification consiste à immerger complètement les deux échantillons traités pendant 24 heures à 20 ⁰ C dans l'eau pure, le séchage consiste à sécher le bois pendant 16 heures à 60 ⁰ C.

Les résultats mesurés après un et deux cycles d'humidification-séchage sont reportés dans les deux tableaux suivants :

Echantillon A

Echantillon B

Les résultats en terme d'ASE sont reportés comme suit:

Nous obtenons donc des ASE supérieurs à 50%, c'est-à-dire que nous avons au moins divisé par deux, l'instabilité initiale du bois vis-à-vis de l'humidité.

REPERBNCES

[1] Goland V.A., Khinskaya O.V., Mikhailova I.A., Porcedure for treating and preserving wood to harden surface layer includes coating surface of wood with impregnating composition base on polymers, brevet GB-A62100288.

[2] Matsushita Electric Works, Ltd., Préparation of inorganic board having finished surface by laying wooden plate or core of urethane resin and binder, thenshaped and cold pressing, brevet JP 59088383, 1984, Japon.'

[3] Park S. B., Development of surface improvementy technique of Japanese larch flooring board, Journal of the Korean Wood Science and Technology, 1999, 27(3), 31-38.

[4] Weiland J. J. Thèse "Etude physico-chimique du traitement thermique du bois: optimisation de paramètres du procédé de ratification", 26 janvier 2000, pp. 49-47.

[5] Persenaire 0., Dubois P., Procédé de traitement d'un élément en bois, Brevet EP-Al-I 447 189.

[6] Chaumat G. Albino C, Procédé de traitement chimique d'un substrat notamment en bois. Brevet N° FR 02 10976.

[7] Chaumat G., Procédé de stabilisation d'un substrat en un matériau comprenant du bois. Brevet N° FR 05 51380.