DU BOIS

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un procédé de consolidation et de stabilisation d'un substrat en un matériau comprenant du bois, afin d'obtenir 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, on 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, gonfle moins, voire pas du tout en reprenant de l'humidité, ou subit moins, voire plus du tout de retrait lors d'un séchage, une meilleure dureté, une meilleure résistance à l'abrasion, une meilleure tenue mécanique et 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 .

Le procédé selon l'invention vise aussi à améliorer sensiblement les propriétés mécaniques des matériaux comportant du bois.

Il est connu qu'il est possible, pour consolider le bois, de procéder à une densification du bois en utilisant des méthodes physiques pour polymériser in-situ des matières organiques dans le bois [1-2]. Ces traitements sont réalisés en deux étapes : une première étape d'imprégnation d'une résine liquide d'un monomère précurseur du polymère final suivie par la polymérisation proprement dite qui peut se faire selon deux approches.

A l'aide de ces procédés de densification, on introduit dans la porosité naturelle du bois de la matière plastique hydrophobe . Il est ainsi possible grâce à de tels "bois composites" d'améliorer sensiblement les propriétés mécaniques du bois naturel, en revanche, de tels traitements sont complètement inefficaces pour modifier la sensibilité du bois vis-à-vis de l'humidité, car les résines hydrophobes sont incapables de pénétrer au sein de la paroi cellulaire. En effet, une telle densification ralentit certes la pénétration de l'eau dans le bois, mais ne l'empêche pas et le bois densifié conserve son instabilité initiale et il reste très sensible à la fissuration lors d'un cycle d'humidification/séchage. Un procédé qui tient à la fois des techniques d'imprégnation et de greffage est décrit dans le document ([3]) . 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 fonctions hydroxyles (OH) tels que les polyéthers mono et polyols tels que les produits de polymérisation d'oxydes cycliques comme les oxiranes, oxétanes, oxolanes et leurs dérivés

substitués tels que l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de propylène et le tétrahydrofuranne .

Au cours de l'étape de réticulation on fait réagir, éventuellement en présence d'un catalyseur, la substance d'imprégnation 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. 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, polyisocyanates 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, ce procédé est lourd à réaliser car il fait appel à des systèmes réactifs qui sont potentiellement dangereux à mettre en œuvre comme les di-isocyanates .

En outre, ce procédé est délicat à maîtriser car l'agent réticulant doit se polymériser avec la résine hydrophile et avec les éléments constitutifs du bois ; c'est la raison pour laquelle il est préconisé de mettre un excès d'agent réticulant par rapport aux fonctions réactives de la résine

hydrophile. Comme, on ne connaît pas le nombre exact de moles de fonctions réactives du bois disponibles, il est pratiquement impossible de maîtriser la stoechiométrie de l'ensemble des réactions qui vont se dérouler dans le bois. Il en découle qu'il y aura probablement un excès d'agents réticulants au sein du bois à l'issue du traitement. Cet excès de réactif isocyanate « libre » dans le bois n'ayant pas été utilisé lors des réactions de polymérisation doit faire l'objet de traitements complémentaires onéreux de nettoyage et/ou de neutralisation soit pour le retirer du bois, soit pour le fixer de manière plus sûre dans la structure du bois. Le taux de polymérisation des réactifs n'est lui non plus pas garanti ; par conséquent, la qualité du polymère de synthèse final obtenue dans le bois est médiocre et n'apporte pas significativement d' amélioration des propriétés mécaniques intrinsèques du bois.

Il est aussi connu des documents [4] et [5] que les polyéthylènes-glycol ou PEG 2000, 4000 ([4]), 300 et 600 ([5]) sont des molécules qui ont un pouvoir de stabilisation important du bois. En revanche, comme ces molécules sont solubles dans l'eau, l'efficacité du traitement n'est pas pérenne, le PEG est lessivé si le bois est à nouveau en contact avec une source d'humidité. Par ailleurs, les traitements au PEG ne confère aucune propriété mécanique supplémentaire au bois ; la résine par elle-même n'ayant aucune tenue mécanique intrinsèque. II existe donc un besoin non satisfait pour un procédé qui permette notamment de stabiliser le bois

vis-à-vis de l'imprégnation/séchage, tout en améliorant les propriétés mécaniques du bois et en lui en conférant de nouvelles.

Il existe en outre un besoin non encore satisfait pour un procédé qui permette un traitement dans l'ensemble du bois, aussi bien au coeur de celui- ci, qu'en surface, il doit aussi mettre en oeuvre des réactifs facilement disponibles d'un faible coût, et de toxicité nulle ou très réduite. Le but de l'invention est de fournir un procédé de traitement 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 ci-dessous et qui réponde entre autres aux critères et exigences, indiqués plus haut pour un tel procédé .

Le but de l'invention est, en outre, de fournir un procédé de traitement d'un substrat en un matériau comprenant du bois tel qu'un substrat en bois qui ne présente pas les inconvénients, limitations, défauts et désavantages des procédés de l'art antérieur et qui apporte une solution aux problèmes des procédés de l'art antérieur.

Ce but, et d'autres encore sont atteints, conformément à l'invention par un procédé de traitement d'un substrat en un matériau comprenant du bois dans lequel on associe les étapes a) et b) suivantes : a) - on met en contact ledit substrat avec une solution aqueuse d'au moins un composé organique hydrophile soluble dans l'eau, moyennant quoi ledit

composé hydrophile pénétre dans la paroi cellulaire du bois ; b) - on réalise successivement les trois étapes suivantes : bl) , b2) et b3) bl) - on sèche éventuellement ledit substrat ; b2) - on met en contact ledit substrat avec au moins un composé organique hydrophobe polymérisable et/ou réticulable, moyennant quoi ledit composé pénétre dans la porosité du bois ; b3) - on polymérise et/ou réticule ledit composé hydrophobe polymérisable et/ou réticulable dans la porosité du bois.

Avantageusement, l'étape b) est réalisée après l'étape a), mais l'inverse est également possible, c'est-à-dire que l'on commence par effectuer l'imprégnation, polymérisation par le composé hydrophobe, puis on effectue en tant qu'étape finale l'imprégnation par le composé hydrophile. Avantageusement, ledit composé organique hydrophile, soluble dans l'eau, est solide à la température ambiante (généralement 10 à 3O ⁰ C, par exemple 20 à 25 ⁰ C) .

Avantageusement, ledit composé hydrophile soluble dans l'eau est choisi parmi les composés comprenant au moins une fonction polaire.

Avantageusement, la ou lesdites fonction (s) polaire (s) est (sont) choisie (s) parmi les fonctions hydroxyles et aminés.

Avantageusement, le composé hydrophile est choisi parmi les composés polyfonctionnels comprenant plusieurs fonctions polaires tels que les polyols.

Parmi les polyols, on préfère les poly (alkylène) glycols où le groupe alkylène a de 2 à 3 C tels que les polyéthylène glycols (PEG) , comme le PEG 4000 solide à l'ambiante, le PEG 2000, le PEG 1500.

Selon l'invention, le substrat est mis en contact avec une solution aqueuse du composé hydrophile, car, en particulier dans le cas où le composé hydrophile est solide à la température ambiante, cela permet d'éviter le phénomène de ressuage du composé.

Avantageusement, la mise en contact est réalisée par immersion du substrat dans la solution du composé organique hydrophile.

Avantageusement ledit composé hydrophobe doit être solide à la température ambiante, après polymérisation et/ou réticulation . Avant polymérisation et/ou réticulation, le composé hydrophobe doit être généralement liquide à la température ambiante pour permettre l'imprégnation du bois. En revanche, après polymérisation, le composé hydrophobe, la résine durcit . Avantageusement, le au moins un composé hydrophobe polymérisable est choisi parmi les styrène- polyesters ; les composés (méth) acryliques hydrophobes comme les (méth) acrylates ; et les autres composés éthyléniquement insaturés comme l'éthylène, le propylène ; les résines époxydes ; les résines

polyuréthanes ; les résines acrylonitriles ; et leurs mélanges .

Le procédé selon l'invention met en œuvre une association d'étapes spécifiques, à savoir une étape de mise en contact, plus précisément d'imprégnation, du substrat avec un composé hydrophile, en solution dans l'eau (a), et une étape (b) comprenant le séchage éventuel dudit substrat (bl) , puis la mise en contact (b2), plus précisément l'imprégnation, du substrat avec un composé hydrophobe polymérisable et/ou réticulable, suivie de la polymérisation et/ou réticulation (b3) dudit composé hydrophobe polymérisable et/ou polymérisable.

L'ordre des étapes a) et b) peut être quelconque mais, de préférence, les étapes spécifiques a) et b) sont réalisées dans un ordre spécifique : à savoir l'étape a) est réalisée avant l'étape b) .

Toutefois, les deux étapes a) et b) peuvent aussi être inversées par rapport à cet ordre préférée, l'étape b) précédant alors l'étape a).

Une telle association spécifique d'étapes spécifiques n'est ni décrite, ni suggérée dans l'art antérieur. Il en est de même de la succession spécifique préférée dans laquelle l'étape b) suit 1 ' étape a) .

Le procédé selon l'invention se distingue fondamentalement des procédés de l'art antérieur et notamment du procédé décrit par le document [3] EP-A- 1 447 189 non seulement par la combinaison et éventuellement la suite des étapes qu'il comprend mais également par les conditions et les réactifs

spécifiques qui sont mis en œuvre dans chacune des étapes .

Le procédé selon l'invention peut être défini comme étant un procédé qui associe un traitement chimique du bois qui consiste à imprégner le matériau comprenant du bois, tel que le bois avec un composé hydrophile, plus précisément une résine hydrophile, susceptible de stabiliser dimensionnellement le bois vis-à-vis de l'humidité en pénétrant sa structure, plus précisément en pénétrant au sein de la paroi cellulaire du bois, avec un second traitement qui consiste à imprégner le matériau comprenant du bois, tel que le bois, avec un composé hydrophobe, plus précisément une résine hydrophobe, susceptible de polymériser et/ou réticuler à l'intérieur des pores du bois pour améliorer sensiblement les propriétés mécaniques du matériau composite ainsi obtenu. On pourrait dénommer ce matériau composite un composite « bois-plastique ».

Comme on l'a indiqué plus haut, de préférence, on réalise dans un premier temps l'imprégnation du matériau comprenant du bois, tel que le bois, avec un composé, résine hydrophile, puis dans un second temps, on réalise l'imprégnation du matériau comprenant du bois, avec un composé, résine, hydrophobe.

Le composé, la résine hydrophile utilisée, pour l'imprégnation de l'étape a) qui est, de préférence la première imprégnation, est hydrophile, soluble dans l'eau, ce qui permet de manière très commode d'utiliser l'eau pour transporter cette résine au sein de la paroi cellulaire qui est un milieu très

hydrophile. En effet, les éléments constitutifs de la paroi cellulaire du bois tels que la cellulose, les hémicelluloses, la lignine, sont des molécules riches en fonctions polaires hydroxyles (-0H) . Cette opération se fait très facilement au cours d'une des deux étapes du procédé selon l'invention (étape a)), par exemple par une simple imprégnation du bois par une solution aqueuse .

Lorsque l'étape b) suit l'étape a), après le séchage éventuel de l'étape bl) , les molécules de la résine hydrophile restent dans la paroi cellulaire et maintiennent celle-ci gonflée ; ce qui permet de diminuer l'instabilité dimensionnelle du bois vis-à-vis de cycles d'humidification et de séchage. De manière importante, le matériau tel que le bois, stabilisé par le composé hydrophile lors de l'étape a) conserve une structure poreuse qui peut permettre lors de l'étape b) lorsque celle-ci suit l'étape a), la pénétration du composé hydrophobe au sein de cette porosité : « à cœur ».

Selon l'invention, le composé, résine, utilisé dans l'étape de mise en contact, imprégnation b) est, au contraire du composé, résine utilisé au cours de la première étape a), un composé hydrophobe. En outre, lorsque l'étape b) est consécutive à l'étape a), cette succession particulière de traitements, d'abord par un composé spécifique hydrophile, puis par un composé spécifique hydrophobe, constitue une des caractéristiques essentielles du procédé de l'invention et permet d'obtenir, de manière plus importante, les avantages et effets du procédé de

l'invention. En particulier, l'efficacité du procédé en termes notamment de stabilisation est nettement plus importante lorsque l'étape a) précède l'étape b) .

Du fait que le composé, résine, utilisé dans cette étape b) est hydrophobe, il ne peut donc pas pénétrer dans la paroi cellulaire du bois, qui est, comme on l'a expliqué plus haut un milieu hydrophile. La résine hydrophobe pénètre donc seulement dans la porosité, dans les pores du bois, et demeure dans ces pores, elle ne pénètre pas au sein même de la paroi cellulaire du bois.

Cette pénétration du composé hydrophobe dans la porosité, « à cœur », est en particulier possible, lorsque, de préférence, l'étape a) est réalisée en premier, car alors à l'issue de l'étape a), la porosité est conservée. De nouveau, à l'instar de l'étape a), l'étape b) comprend une simple étape d'imprégnation b2) qui peut être très facilement réalisée, par exemple par immersion dans le composé hydrophobe liquide tel que la résine hydrophobe. Il n'y a généralement pas de solvant, le composé hydrophobe, tel qu'une résine est utilisé pur.

La résine hydrophobe est choisie parmi les composés polymérisables et/ou réticulables . Cette polymérisation et/ou réticulation est réalisée au cours de l'étape b3) du procédé selon l'invention.

Il est à noter que cette polymérisation et/ou réticulation du composé, résine hydrophobe, se produit dans la porosité du bois et que, contrairement, par exemple au procédé décrit dans le document [3] EP-A- 1 447 189, cette polymérisation et/ou réticulation ne

fait pas appel aux constituants du bois, par l'intermédiaire en particulier des fonctions -OH, ni au composé hydrophile. On peut dire que le composé hydrophobe, polymérise, réticule, avec lui-même, pour se polymériser, se réticuler ou qu'il « s ' autopolymérise » et/ou « s ' autoréticule ».

La stoechiométrie de cette étape est au contraire du procédé du document [3] parfaitement maîtrisée puisqu'elle ne dépend pas de paramètres incertains comme la quantité de résine hydrophobe présente et/ou la quantité de groupements hydrophiles. La stoechiométrie correspond simplement à la stoechiométrie initiale, précisément connue, du composé hydrophobe qui est injecté dans le matériau comprenant du bois tel que le bois.

En outre, étonnamment, la présence de la résine hydrophile dans le bois n'inhibe pas la polymérisation de la résine hydrophobe, et en revanche la polymérisation de la résine hydrophobe freine considérablement la pénétration de la résine hydrophile dans le bois, mais ne la rend pas impossible.

C'est la raison pour laquelle, entre autres, il est préférable de réaliser l'étape a) avant 1 ' étape b) . II n'existe aucune interaction entre la résine hydrophobe et la résine hydrophile, qui opèrent de manière indépendante, mais dont l'association des effets conduit à des résultats particulièrement avantageux . Autrement dit, le « découplage » qui existe entre le composé, résine hydrophile et le composé,

résine hydrophobe, permet de choisir indépendamment les deux résines afin d'optimiser les performances que l'on attend d'elles, à savoir la résine hydrophile doit rentrer aisément dans la paroi cellulaire du bois en tant qu'agent gonflant, tandis que la composition de la résine hydrophobe doit permettre une polymérisation/réticulation aisée ainsi que l'obtention de très bonnes propriétés mécaniques lorsque le polymère sera constitué dans les pores du bois. Le choix de chacun des composés hydrophile et hydrophobe n'étant pas limité par le choix de l'autre composé, la gamme de choix possible pour le composé hydrophile et le composé hydrophobe se trouve ainsi élargie. De manière étonnante, il a été constaté que la densification par polymérisation du composé, de la résine hydrophobe, permet de bloquer pratiquement le composé, la résine hydrophile dans la paroi cellulaire du bois, même si la résine hydrophile est toujours libre puisqu'elle n'a pas participé à la polymérisation. De ce fait, de manière surprenante et tout à fait avantageuse, la résine hydrophile, pourtant soluble dans l'eau est difficilement lessivable par l'eau comme c'est le cas par exemple dans les documents [4] et [5] où cette résine est mise en œuvre seule. Le blocage de la résine hydrophile est réalisée avec bien plus d'efficacité lorsque l'étape a) précède l'étape b) .

Il est donc préférable et avantageux de respecter l'ordre préféré spécifique des traitements spécifiques du procédé selon l'invention, à savoir la

stabilisation du bois (étape a) ) avant la densification du bois (étape b) ) .

A l'issue du traitement selon l'invention, le substrat en un matériau comprenant du bois a sa masse augmentée d'au moins 50% par rapport à sa masse initiale. Grâce au gonflement-stabilisation, on obtient une imprégnation massive du matériau par le composé résine hydrophobe qui conduit à une amélioration sensible des propriétés mécaniques du matériau. Le taux d'imprégnation par le composé hydrophobe est généralement de 40 à 70% en masse du matériau .

Contrairement à du bois seul, le matériau obtenu par le procédé selon l'invention peut être défini comme un matériau composite bois/plastique qui possède des caractéristiques qui le rendent aptes à de nombreuses utilisations en extérieur où il est demandé une bonne résistance notamment à l'humidification/séchage, à la contamination biologique par exemple par les champignons, insectes, bactéries, aux sollicitations mécaniques, aux ultraviolets, et à la fatigue thermique.

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, tel 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

C C

ASE bois non traité bois traité xlOO

(%) ^D bois non traité

avec la définition suivante de S :

^ _b ois non traité ou traité volume bois humide - volume bois sec xlOO

(%) volume 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 suivante :

C C

Pbois non traité Pbois traité

ASE _p (%) = C x 100

Pbois non traité

avec la définition suivante de S _E

1 arg eur bois humide- 1 arg eur bois sec

S Tp,bois non ₄ t-rai ₄ t-e- ou ₄ t-rai ₄ t_e,(%) = _{λ arg eur bolΞ Ξec} x 100

Le bois est généralement séché en étuve à 105 ⁰ C pendant 24 heures et le bois est généralement

humidifié par immersion dans l'eau à 6O ⁰ C pendant 24 heures .

Selon l'invention, l'ASE est généralement d'au moins 50%, de préférence d'au moins 60%, et mieux d'au moins 70%.

Il est ainsi possible d'utiliser le substrat en un matériau comprenant du bois, tel que le substrat en bois, traité, à l'extérieur, car il se voit conférer par le procédé de l'invention une meilleure résistance au vieillissement dû aux intempéries.

Cette stabilisation du bois est conservée même après lessivage par une solution aqueuse car comme on l'a vu plus haut le composé hydrophile est pratiquement bloqué dans le bois par le composé hydrophobe .

- Les composés mis en oeuvre selon l'invention sont peu, voire pas toxiques, et sont donc faciles à utiliser dans le cadre d'un processus industriel . - Le procédé de l'invention que l'on peut qualifier pour les étapes a) et b) de traitement d'imprégnation ne nécessite pas obligatoirement de catalyseurs chimiques, de solvants, d'adjuvants ou d'agents gonflants très nocifs ou dangereux, du type tétrahydrofuranne (THF) , dichlorométhane, pyridine, diméthylformamide (DMF) , triéthylamine, que ce soit pour transporter les composés, résines, mises 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 en un matériau

comprenant du bois, tel que le substrat en bois. En particulier, l'imprégnation de l'étape a) est réalisée simplement en solution aqueuse.

- Le coût du procédé, ainsi que l'accessibilité de la technologie nécessaire à la mise en oeuvre du procédé permettent son utilisation dans 1 ' industrie .

- 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 autre, en outre, l'efficacité du traitement est assurée même si la surface est altérée. - Contrairement à un matériau composite à base de particules de bois, le matériau composite bois/plastique obtenu par le procédé selon l'invention conserve l'aspect esthétique naturel du bois massif avec son veinage. - Le procédé selon l'invention n'endommage pas le matériau comprenant du bois du substrat, tel que le bois, notamment l'aspect extérieur du substrat n'est pas altéré, et les propriétés mécaniques du matériau comprenant du bois tel que le bois sont sensiblement améliorées, il s'agit en particulier de la dureté et des tenues à la compression et à la flexion. Le matériau composite obtenu par le procédé selon l'invention n'est pas toxique et ne libère pas de substances toxiques durant toute sa durée de vie. - Les composés, résines, mis en œuvre selon l'invention qu'il s'agisse du composé hydrophile ou du

composé hydrophobe sont disponibles industriellement en grandes quantités et à des coûts modérés, ce qui rend viable la mise en œuvre du traitement.

L'invention a également trait à un substrat en un matériau comprenant du bois, ledit substrat comprenant dans la porosité du bois au moins 40%, de préférence, plus de 50%, mieux plus de 60%, en masse d'un composé polymérisé et/ou réticulé, et 1 à 30% en masse d'un composé hydrophile tel qu'un PEG dans la paroi cellulaire du bois et la porosité du bois.

L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans ce qui suit.

Le substrat, traité selon l'invention, est en un matériau comprenant du bois, on a vu plus haut que par matériau comprenant du bois on entendait généralement un matériau comprenant une proportion majoritaire de bois (en poids) , à savoir un matériau comprenant au moins 50% en poids, de préférence au moins 70% en poids, de préférence encore 90% en poids de bois.

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) . Le bois comprend des fonctions polaires qui sont les fonctions hydroxyles de la cellulose, de 1' hémicellulose et de la lignine. Le bois est un matériau poreux comprenant une porosité ouverte définie par des parois cellulaires. 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 l'étape a) du 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, par exemple est de 20 à 50%.

Si le substrat comprenant du bois par exemple le substrat en bois est déjà humide, il peut, contrairement aux procédés de l'art antérieur être traité directement par l'étape a) du procédé de l'invention, ce qui évite de procéder préalablement à un séchage poussé, consommateur de temps et d'énergie. Ainsi dans le cas du bois, il sera possible d'utiliser un bois vert, c'est-à-dire un bois sans séchage après la coupe de l'arbre, ce qui est extrêmement avantageux. Conformément à l'étape a) du procédé selon l'invention, le substrat est mis en contact avec au moins un composé organique hydrophile. Cette étape a) est de préférence réalisée avant l'étape b) .

Cette étape a) peut être définie comme un traitement de stabilisation du bois en l'imprégnant par des substances organiques hydrophiles susceptibles de pénétrer dans l'intimité des parois cellulaires du bois .

Le substrat peut être mis en contact avec un seul composé organique hydrophile ou plusieurs composés organiques hydrophiles.

Ce composé organique hydrophile peut être généralement défini, du fait de sa consistance comme étant une résine. Le composé organique hydrophile, soluble dans l'eau, est généralement choisi parmi les composés

hydrophiles comportant au moins une fonction polaire choisie par exemple parmi les fonctions hydroxyles et aminé .

De préférence, ces composés solubles dans l'eau sont des molécules polyfonctionnelles comprenant plusieurs fonctions polaires en d' autres termes riches en fonctions polaires de type hydroxyle ou aminé.

En outre, le composé organique hydrophile est de préférence un solide à la température ambiante. De nombreuses molécules peuvent être envisagées pour le composé organique hydrophile soluble dans l'eau.

De manière non exhaustive, on peut citer par exemple les polyols tels que les poly (alkylène) glycols dans lesquels le groupe alkylène a généralement de 2 à 3 C .

Ces poly (alkylène glycol) ont généralement une masse moléculaire de 1000 à 10000.

Les poly (alkylène glycol) préférés sont les poly (éthylène glycols) d'une masse moléculaire, par exemple de 1500, 4000 tels que le PEG 1500, le PEG

4000, mais il serait possible d'utiliser aussi des poly (propylène glycol) de même masse molaire.

La mise en contact, à savoir l'imprégnation du substrat par le composé organique hydrophile peut être réalisée à l'aide d'une solution de ce dernier dans l'eau, ce qui permet à la résine hydrophile de diffuser au sein des parois cellulaires, dans tout le volume du substrat, de l'objet considéré, traité.

Généralement, cette mise en contact consiste en une immersion du substrat comprenant du bois, par exemple

du substrat en bois, dans une solution aqueuse du composé organique hydrophile.

La solution contient en général de 20 à 40% en masse du composé organique hydrophile.

La mise en contact peut par exemple être réalisée de la manière suivante : on introduit le substrat en un matériau comprenant du bois, par exemple le substrat en bois, dans un réacteur étanche et on introduit de même le composé organique hydrophile sous forme de solution aqueuse dans ledit réacteur.

Pour favoriser la cinétique d'imprégnation, pour faciliter la diffusion du composé organique hydrophile dans le substrat, on chauffe généralement le substrat et le composé organique hydrophile à l'état liquide sous la forme d'une solution aqueuse (le substrat se trouve immergé dans un bain de solution du composé organique hydrophile) à une température généralement de 20 à 100 ⁰ C, de préférence de 30 à 8O ⁰ C, de préférence encore de 40 à 6O ⁰ C.

En effet, au-dessus de 100 ⁰ C, il y un risque de modification irréversible du bois qui peut subir par exemple une pyrolyse ou une combustion, tandis qu'en dessous de 2O ⁰ C, la cinétique de pénétration est généralement trop faible.

La durée de la mise en contact peut être comprise entre 5 heures à plusieurs jours, par exemple 5 jours.

Cette durée sera choisie selon le cahier des charges préalablement défini, relatif en particulier à la profondeur de l'imprégnation souhaitée au sein du volume du substrat en un matériau comprenant

du bois, par exemple du substrat en bois, aux quantités et à la géométrie des pièces de substrat en un matériau comprenant du bois, par exemple des pièces de bois dans l'enceinte de traitement, etc. Plus les pièces, objets à traiter, sont massifs plus la durée de la mise en contact, par exemple de l'immersion, devra être importante pour s'assurer que la résine pénètre correctement jusqu'au cœur du bois.

La mise en contact avec la solution de composé organique hydrophile est généralement réalisée à pression atmosphérique.

Afin de faciliter et d' accélérer l'imprégnation du substrat par exemple en bois, il est possible, avec ou sans chauffage dans les conditions décrites plus haut, de mettre en œuvre un procédé dit "procédé vide-pression" . Ce procédé consiste à placer le substrat 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 à réaliser la mise en contact proprement dite avec le composé organique hydrophile sous pression, c'est-à-dire par exemple en établissant une pression sur le bain de la solution aqueuse dans laquelle se trouve immergé le substrat, par exemple une pression de 5 à 10 bars, pour forcer le liquide à rentrer dans la porosité ouverte du substrat en un matériau comprenant du bois, par exemple du substrat en bois.

A l'issue du traitement chimique de l'étape a) selon l'invention, de l'imprégnation, de la mise en contact quelle qu'elle soit, le substrat en un matériau comprenant du bois, par exemple le substrat en bois

peut être séché, afin d'enlever l'eau du bois, généralement par exemple à une température de 3O ⁰ C à 100 ⁰ C pendant une durée généralement de 5 à 120 heures, (il s'agit là de l'étape bl) . L'étape bl) éventuelle est réalisée à l'issue de l'étape a) si celle-ci, comme ci-dessus, précède l'étape b) mais si l'on commence le procédé par l'étape b) , il faut aussi sécher le bois en mettant en œuvre l'étape bl) . Le substrat peut être notamment séché en étuve .

L'étape de séchage bl) généralement réalisée dans les conditions de température et de durée décrites ci-dessus, permet d'éliminer la quasi-totalité de l'eau contenue dans le bois et d'obtenir un bois « sec ». A titre d'exemple, avant le séchage, la teneur en eau du bois est généralement de 20 à 100%, et à l'issue du séchage elle est généralement inférieure ou égale à 20% par exemple de 5 à 20%. En effet, pour que la polymérisation/réticulation (étape b3) ) soit réalisée correctement il faut généralement que le bois soit sec.

A l'issue des étapes a) et bl) , le taux d'imprégnation en composé organique hydrophile, par exemple en PEG, calculé comme étant le rapport (Masse sèche du substrat après imprégnation/densification - Masse sèche du substrat avant imprégnation/densification) sur Masse sèche du substrat avant imprégnation/densification, est généralement de 1 à 30%.

Le composé organique hydrophile tel que le

PEG a pénétré dans la paroi cellulaire du bois. Le bois se trouve dans un état gonflé mais conserve sa structure poreuse tout en ayant perdu l'essentiel de son eau à cause de l'étape de séchage.

L'état gonflé, à structure poreuse conservée, du bois permet la pénétration facile du composé hydrophobe lors de l'étape b) du procédé selon l'invention lorsque l'étape b) succède, de préférence, à 1 ' étape a) .

Dans l'étape b) de consolidation, on met en contact le substrat avec au moins un composé hydrophobe polymérisable et/ou réticulable.

Cette étape b) peut être définie comme un traitement de consolidation du bois en l'imprégnant avec des composés, résines, polymérisables, hydrophobes qui vont remplir les pores du bois.

Ce composé hydrophobe polymérisable et/ou réticulable peut être généralement défini, du fait de sa consistance comme une résine.

Ce composé, résine, peut être tout composé susceptible de polymériser-réticuler quelle que soit la manière dont est réalisée la polymérisation- réticulation . Ainsi, cette polymérisation/réticulation peut elle être réalisée par un rayonnement ionisant, ou bien par thermocatalyse avec des sels d'étain, des peroxydes, etc. Le composé hydrophobe polymérisable peut être choisi parmi les styrène-polyesters, les composés (méth) acryliques hydrophobes comme les

(méth) acrylates, et les autres composés éthyléniquement insaturés comme l'éthylène, le propylène, etc..

Le substrat peut être mis en contact avec un seul composé hydrophobe ou plusieurs composés hydrophobes sans solvant.

Toute la résine hydrophobe, introduite dans le bois participe à la polymérisation, il n'y a pas de solvant .

La mise en contact est généralement réalisée en immergeant le substrat tel que le bois dans le composé organique hydrophobe liquide (à la pression atmosphérique et à la température ambiante) . La mise en contact est généralement réalisée à une température de 20 à 3O ⁰ C pendant une durée de 12 à 48 heures. La mise en contact avec le composé hydrophobe liquide est généralement réalisée à pression atmosphérique .

Il est généralement nécessaire de faciliter et d'accélérer l'imprégnation du substrat, par exemple en bois, en mettant en œuvre un procédé vide-pression analogue à celui décrit plus haut, à une température comprise entre 20 et 3O ⁰ C pour une durée de 12 à 48 heures, la pression étant établie sur le composé hydrophobe liquide. En effet, contrairement à l'étape a), pour l'étape b) (b2)), la technique vide/pression est généralement obligatoire car sinon la résine ne rentrerait pas dans le bois.

A la fin de l'étape b2), on procède à la polymérisation, réticulation, durcissement b3) du

composé, résine, hydrophobe qui se trouve à l'intérieur de la porosité du substrat.

Cette polymérisation, réticulation, durcissement, permet d'améliorer sensiblement les propriétés mécaniques du matériau, notamment sa dureté.

La polymérisation, durcissement, réticulation peut se faire par tout procédé connu, par exemple par irradiation à l'aide d'un rayonnement ionisant tel que des rayons X, gamma, des électrons, des ultraviolets, ou bien par catalyse thermique (thermocatalyse) avec des sels d'étain, des peroxydes, etc .

Dans le cas d'une polymérisation, durcissement, réticulation par irradiation, celle-ci se fait généralement à température et sous atmosphère ambiantes .

On obtient à l'issue de l'étape b) qui est généralement l'étape finale du procédé selon l'invention un matériau composite dit composite bois/plastique dont le taux d'imprégnation en résine, composé hydrophobe polymérisé, réticulé, durci est généralement au moins de 40%, par exemple de 40 à 70% en masse, et le taux d'imprégnation en résine, composé, hydrophile est généralement de 1 à 30% en masse. Le procédé selon l'invention s'applique particulièrement au domaine de la conservation du bois, vis-à-vis notamment des agressions induites par les conditions extérieures telles que l'humidité, mais il peut aussi répondre à des besoins à l'intérieur. Ainsi, le procédé selon l'invention est destiné aux bois maintenus à l'extérieur, faisant

partie, par exemple, de bardages, volets, fenêtres, portes, portails, piquets, pancartes, poteaux, mobilier de jardins, et autres éléments de menuiserie extérieure, etc..

Le procédé selon l'invention trouve aussi des applications dans le bâtiment, où le bois fait partie de charpentes, meubles, par exemple de salle de bain ou de cuisine, escaliers, et particulièrement 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, donnés à titre illustratif et non limitatif.

Exemple Dans cet exemple, on réalise le traitement d'échantillons constitués de lames de hêtre de dimensions 300x60x11 mm ³ par le procédé de l'invention en procédant dans une première étape à la stabilisation du bois, puis après séchage à la densification du bois par une résine styrène-polyester, et enfin à la polymérisation de ladite résine.

Stabilisation

Les lames sont immergées dans une solution d' eau et de polyéthylène glycol 4000 à une

concentration de 30% en masse. Cette imprégnation se fait à température et à pression atmosphérique mais une accélération de la pénétration de la résine peut être obtenue en augmentant la température ou en utilisant le procédé Bethell (vide presssion) . La durée d'imprégnation à pression atmosphérique et à une température de 4O ⁰ C a duré 15 jours pour des lames de cette géométrie. A la fin de cette imprégnation, les lames sont placées à l'étuve à 5O ⁰ C pour y être séchées. Un suivi régulier de la perte de masse des lames a permis de déterminer le temps nécessaire pour éliminer l'eau contenue dans le bois et permettre la réalisation de la deuxième phase du traitement, à savoir la densification . A l'issue de cette phase du traitement, nous obtenons un bois qui garde sa structure gonflée ; le bois est donc maintenu artificiellement gonflé par la présence du PEG 4000 tout en ayant perdu l'essentiel de son eau.

TABLEAU I

Densification

II faut noter qu'il est nécessaire de procéder préalablement à la densification à un séchage poussé des lames pour éliminer au maximum l'eau continue dans le bois. Ce séchage doit être fait à une température inférieure à la température de fusion du PEG 4000 pour éviter son extraction.

La densification des lames s'est faite dans un réacteur, elles sont introduites dans le réacteur ou un vide primaire est réalisé ; la dépression faite dans l'autoclave permet de dégazer le bois, et permet également, par aspiration, le remplissage de l'autoclave, par une résine styrène-polyester. La viscosité de la résine est égale à 100 cp . Pendant toute la durée de l'imprégnation les lames sont immergées dans la résine. Une surpression d'azote de 5 bars est appliquée dans le réacteur pour faciliter la bonne pénétration de la résine dans tout le volume du bois. La durée de l'imprégnation est de 16 heures.

A l'issue de l'imprégnation, les lames sont extraites du réacteur pour procéder à la dernière étape du traitement : la polymérisation de la résine.

Polymérisation

La polymérisation permet de durcir la résine qui va bloquer le PEG 4000 dans les parois cellulaires du bois et d' améliorer sensiblement les propriétés mécaniques du matériau, notamment la dureté.

La polymérisation est réalisée par irradiation gamma des lames de bois au moyen de sources de cobalt 60.

La dose nécessaire à une polymérisation complète de la résine est d'environ 20 kGy sous un débit de dose 1 kGy par heure. L'irradiation des lames s'est faite à température et sous atmosphère ambiantes.

TABLEAU II

Conclusions

II ressort de l'exemple ci-dessus qu'il est possible de procéder à une densification d'un bois préalablement stabilisé avec du PEG 4000, le matériau garde une structure poreuse permettant la pénétration d'une résine styrène polyester à cœur.

Le matériau garde une structure artificiellement gonflée liée à la présence du PEG 4000. Les variations dimensionnelles de ce matériau vont être extrêmement atténuées par cet état gonflé permanent si le matériau est soumis à des variations hydroscopiques .

REFERENCES

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[2] C.B. Saunders, A. Singh et al.,

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Society, 1991, pp. 251-261.

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[4] Sanabria, Ernesto 0. ; Pas, José M. ; Judis, Maria A., Faculdad de Agroindustrias - U. N. N. E. "Efecto del PEG 2000 y 4000 en la contraccion radial de Aspidosperma quebracho blanco schlecht" .

[5] Besold, G. ; Moreno G., 1988

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