Dans ce projet, nous avons ciblé l’amélioration de la durabilité du bois à usage extérieur (lambris et fenêtres) par l’imprégnation avec des produits qui pénètrent dans la paroi cellulaire du bois puis polymérisent afin de provoquer une densification de la surface du bois. Bien que l’imprégnation du bois soit répandue pour des applications spécialisées, ce procédé reste encore peu répandu dans l’industrie du bois. Le coût important des produits d’imprégnation mais surtout les coûts de procédé élevés freinent son utilisation industrielle. Afin de répondre à cette problématique, un procédé rapide d’imprégnation de l’épinette et du pin sous vide et dans une cabine de pulvérisation (spray booth) ont été pris en considération.
Plusieurs traitements à base de suspensions acryliques et résines acrylates ont été formulés et testés sur le pin blanc et l’épinette blanche. Les avantages des nanoparticules absorbants des rayons UV et ayant des propriétés antibactériennes ont été pris en considération contre la photodégradation du bois et le développement des moisissures. Deux systèmes à base de résines acrylates ont été utilisés afin d’améliorer la stabilité dimensionnelle du bois par la protection contre la pénétration d’eau. Un effet synergique potentiel du système résine-nanoparticules a été recherché.
La densification de la surface et le taux d’imprégnation du pin ont été plus élevés que dans le cas de l’épinette. Toutefois, les produits d’imprégnation ont pénétré plus profondément dans le bois d’épinette.
Les résultats obtenus ont démontré que l’efficacité de l’imprégnation avec des produits chimiques dépend du type de produit ainsi que de l’espèce du bois.
Les différences de croissance fongique dans les essais de résistance aux moisissures ont été plus facilement visibles pour les séries du pin traitées en comparaison avec les séries d’épinette. Des traitements à base d’acrylate (sans et avec des nanoparticules de ZnO et TiO2) ont montré une certaine efficacité.
Une stabilité dimensionnelle élevée et l’absorption d’eau améliorée du bois traité a été obtenue pour des traitements à base du système acrylate. Ces résultats ont joué un rôle important dans l’amélioration de la résistance aux UV des échantillons traités avec du revêtement. Un système à base d’acrylate a montré les plus faibles DL* après le vieillissement accéléré. Une stabilisation du changement de la couleur a été obtenue pour le traitement 0,5 % nano-CuO dans une suspension acrylique et le traitement contenant 1 % de nanoparticules de ZnO dans le système acrylate.
IMPREGNATION
DURABILITY
Outdoor applications
WOOD
Abstract
Dans ce projet, nous avons ciblé l’amélioration de la durabilité du bois à usage extérieur (lambris et fenêtres) par l’imprégnation avec des produits qui pénètrent dans la paroi cellulaire du bois puis polymérisent afin de provoquer une densification de la surface du bois. Bien que l’imprégnation du bois soit répandue pour des applications spécialisées, ce procédé reste encore peu répandu dans l’industrie du bois. Le coût important des produits d’imprégnation mais surtout les coûts de procédé élevés freinent son utilisation industrielle. Afin de répondre à cette problématique, un procédé rapide d’imprégnation de l’épinette et du pin sous vide et dans une cabine de pulvérisation (spray booth) ont été pris en considération.
Plusieurs traitements à base de suspensions acryliques et résines acrylates ont été formulés et testés sur le pin blanc et l’épinette blanche. Les avantages des nanoparticules absorbants des rayons UV et ayant des propriétés antibactériennes ont été pris en considération contre la photodégradation du bois et le développement des moisissures. Deux systèmes à base de résines acrylates ont été utilisés afin d’améliorer la stabilité dimensionnelle du bois par la protection contre la pénétration d’eau. Un effet synergique potentiel du système résine-nanoparticules a été recherché.
La densification de la surface et le taux d’imprégnation du pin ont été plus élevés que dans le cas de l’épinette. Toutefois, les produits d’imprégnation ont pénétré plus profondément dans le bois d’épinette.
Les résultats obtenus ont démontré que l’efficacité de l’imprégnation avec des produits chimiques dépend du type de produit ainsi que de l’espèce du bois.
Les différences de croissance fongique dans les essais de résistance aux moisissures ont été plus facilement visibles pour les séries du pin traitées en comparaison avec les séries d’épinette. Des traitements à base d’acrylate (sans et avec des nanoparticules de ZnO et TiO2) ont montré une certaine efficacité.
Une stabilité dimensionnelle élevée et l’absorption d’eau améliorée du bois traité a été obtenue pour des traitements à base du système acrylate. Ces résultats ont joué un rôle important dans l’amélioration de la résistance aux UV des échantillons traités avec du revêtement. Un système à base d’acrylate a montré les plus faibles DL* après le vieillissement accéléré. Une stabilisation du changement de la couleur a été obtenue pour le traitement 0,5 % nano-CuO dans une suspension acrylique et le traitement contenant 1 % de nanoparticules de ZnO dans le système acrylate.
L’objectif principal de ce projet était de caractériser la dégradation des revêtements acryliques pour le bois. Les objectifs spécifiques ont été comme suit:
1. Étudier la photodégradation/durabilité de différents types de revêtements acryliques par différents types de vieillissement;
2. Déterminer l’impact de l’épaisseur du film acrylique sur l’amélioration de la protection du bois extérieur.
Le but de ce projet était de formuler des revêtements autonettoyants et faciles à nettoyer pour le bois. Des revêtements anti-saleté ont été développés en utilisant une formulation à base d’eau, une formulation à base de solvant organique et une formulation à cuisson UV à haute teneur en solides. La performance de revêtements formulés avec des additifs de type siloxane et fluorosurfactant et des nanoparticules de dioxyde de titanium (TiO2) et d’oxyde de zinc (ZnO) a été étudiée par goniométrie (angle de contact), résistance aux produits chimiques et domestiques et résistance anti-saleté. Le pouvoir catalytique de nanopoudres de TiO2 utilisées a été obtenu par la décomposition de bleu de méthylène à l’exposition aux lampes UV. Le meilleur degré d’hydrophobicité a été atteint grâce aux additifs fluorosurfactants et polysiloxanes dans les revêtements à base d’eau. Le revêtement préparé avec un fluorosurfactant a mené à une meilleure résistance aux taches que le revêtement de référence. L’addition de nanoparticules de TiO2, avec un rapport rutile/anatase, a permis d’améliorer légèrement la résistance aux taches du revêtement à base d’eau. L’addition de nanoparticules de TiO2 anatase a produit une surface hydrophile qui a favorisé une pénétration profonde des produits placés à la surface, donc une plus faible résistance aux taches que le revêtement sans nanoparticules. L’exposition aux UV a amélioré la résistance aux taches des revêtements réalisés avec nanoparticules de TiO2. Une meilleure performance anti-saleté de revêtements a été obtenue pour les revêtements développés avec les additifs siloxane (dans le cas du revêtement à base du solvant organique) et fluorosurfactants (dans le cas du revêtement à base d’eau). L’addition de nanoparticules de TiO2 (P25) dans le revêtement à base d’eau et de TiO2 anatase dans les revêtements à haute teneur en solides a amélioré la performance anti-saleté des revêtements. L’utilisation des additifs permet d’augmenter l’hydrophobicité de la surface du revêtement pour le bois et, par conséquent, la performance anti-taches des revêtements reste une approche plus abordable pour l’industrie. Toutefois, les nanoparticules photocatalytiques TiO2 et ZnO montrent un grand potentiel dans le développement de finitions autonettoyantes pour le bois.
Les principales méthodes utilisées pour fabriquer des couches minces sous vide font appel à la technique de dépôt en phase vapeur chimique (CVD : Chemical Vapor Deposition) et de dépôt en phase vapeur physique (PVD : Physical Vapor Deposition). L’industrie du bois peut utiliser avec succès ces méthodes pour obtenir des produits à grande valeur ajoutée. Le présent projet a eu pour objectif principal l’étude de faisabilité des systèmes multicouches pour la protection du bois (érable à sucre - Acer saccharum) déposés par plasma.
Les absorbeurs des UV comme ZnO et TiO2 ont été choisis pour fabriquer des couches minces résistantes à la photodégradation. Al2O3 a été choisi pour ses excellentes propriétés mécaniques.
Les systèmes multicouches de TiO2, ZnO et Al2O3 pour le bois ont été réalisés par la pulvérisation cathodique magnétron. La couche mince polymère a été obtenue par la polymérisation en plasma d’argon de l’éthane à l’aide d’une source ICP (Inductivly Coupled Plasma). La spectroscopie à photoélectrons X a été utilisée pour caractériser les couches minces. L’épaisseur des couches minces a été mesurée par la profilométrie optique. Les couches minces avec TiO2 et ZnO ont montré leur transparence simultanément avec une absorption efficace dans le domaine UVB et UVA et UVB respectivement.
Afin de simuler l’exposition extérieure, les systèmes monocouches et multicouches ont été soumis au vieillissement accéléré pendant 400 heures. Le système multicouche TiO2/ZnO/polymère et les monocouches de TiO2 et polymère (réalisé avec C2H6) ont stabilisé le changement de la couleur de l’érable. Le système multicouches Al2O3/polymère (C2H6) a amélioré la dureté de la surface de l’érable simultanément avec une augmentation du module d’élasticité (donc de la rigidité).
Les résultats obtenus ont démontré la faisabilité des systèmes multicouches pour le bois réalisés par la déposition en plasma d’argon. L’ingénierie de systèmes multicouches ouvre de multiples possibilités dans la conception de revêtements pour la protection du bois en fonction de propriétés à améliorer ciblées (résistance mécanique, résistance aux UV, hydrophobicité, effet barrière au feu, antimicrobien, etc.).
IMPREGNATION
PLASMA
WOOD
Abstract
Les principales méthodes utilisées pour fabriquer des couches minces sous vide font appel à la technique de dépôt en phase vapeur chimique (CVD : Chemical Vapor Deposition) et de dépôt en phase vapeur physique (PVD : Physical Vapor Deposition). L’industrie du bois peut utiliser avec succès ces méthodes pour obtenir des produits à grande valeur ajoutée. Le présent projet a eu pour objectif principal l’étude de faisabilité des systèmes multicouches pour la protection du bois (érable à sucre - Acer saccharum) déposés par plasma.
Les absorbeurs des UV comme ZnO et TiO2 ont été choisis pour fabriquer des couches minces résistantes à la photodégradation. Al2O3 a été choisi pour ses excellentes propriétés mécaniques.
Les systèmes multicouches de TiO2, ZnO et Al2O3 pour le bois ont été réalisés par la pulvérisation cathodique magnétron. La couche mince polymère a été obtenue par la polymérisation en plasma d’argon de l’éthane à l’aide d’une source ICP (Inductivly Coupled Plasma). La spectroscopie à photoélectrons X a été utilisée pour caractériser les couches minces. L’épaisseur des couches minces a été mesurée par la profilométrie optique. Les couches minces avec TiO2 et ZnO ont montré leur transparence simultanément avec une absorption efficace dans le domaine UVB et UVA et UVB respectivement.
Afin de simuler l’exposition extérieure, les systèmes monocouches et multicouches ont été soumis au vieillissement accéléré pendant 400 heures. Le système multicouche TiO2/ZnO/polymère et les monocouches de TiO2 et polymère (réalisé avec C2H6) ont stabilisé le changement de la couleur de l’érable. Le système multicouches Al2O3/polymère (C2H6) a amélioré la dureté de la surface de l’érable simultanément avec une augmentation du module d’élasticité (donc de la rigidité).
Les résultats obtenus ont démontré la faisabilité des systèmes multicouches pour le bois réalisés par la déposition en plasma d’argon. L’ingénierie de systèmes multicouches ouvre de multiples possibilités dans la conception de revêtements pour la protection du bois en fonction de propriétés à améliorer ciblées (résistance mécanique, résistance aux UV, hydrophobicité, effet barrière au feu, antimicrobien, etc.).
L’amélioration de la performance des outils de coupe pour le bois est une préoccupation constante de l’industrie du bois. Une solution de prolonger la durée de vie des outils de coupe est la modification superficielle des outils par des revêtements durs fabriqués par les dépôts physiques en phase vapeurs (PVD). Les dépôts PVD de type nitrure, carbure et carbonitrure à base de Ti et de Cr ont déjà été développés pour les outils de coupe. Cependant, il existe très peu d’exemples d’application dans le domaine de l’usinage du bois.
Dans ce projet, des dépôts PVD ont été réalisés avec un système de déposition par pulvérisation cathodique PECVD Modèle SPT-420 (Plasmionique, Montréal, Québec) en utilisant deux cathodes de pulvérisation de type MAGNION : la cathode à l’incidence oblique et la cathode perpendiculaire sur le substrat. La position a été ajustée afin de modifier la distance entre la cible, montée sur la cathode, et le substrat. Le taux de déposition a été significativement amélioré par modification des entrées de gaz.
Les paramètres de dépôts monocouches CrWC, Ti(C, N), (Ti, Si, C), SiC et TiC ont été optimisés afin de réaliser des revêtements multicouches. Les monocouches ont été caractérisées par la spectroscopie de photoélectrons X (XPS).
Quatre revêtements multicouches ont été conçus pour des couteaux en carbure de tungstène avec liant en cobalt : Ti/TiSiC/SiC; Ti/Ti(C,N)/TiN; Ti/Ti(C,N)/TiC; Cr/CrWC/CrN.
La rugosité de la surface des couteaux en carbure (WC) a été étudiée par la profilométrie optique afin de quantifier l’épaisseur minimale de couche à déposer.
Les résultats des essais tribologiques ont permis d’évaluer les nouveaux revêtements par coefficient de friction et taux d’usure. La couche intermédiaire de CrWC n’a pas amélioré la résistance à l’usure des couteaux en carbure en comparaison avec le revêtement monocouche de CrN. Ce comportement est dû à l’inhomogénéité de la monocouche qui a conduit à une mauvaise adhésion entre les couches. Par contre, les couches intermédiaires (Ti,Si,C) et Ti (C,N) montrent un potentiel intéressant dans la conception de systèmes multicouches. Les revêtements Ti/Ti(C,N)/TiC, Ti/TiSiC/SiC se sont montrés les plus performants parmi les systèmes multicouches fabriqués.
Les efforts futurs doivent se focaliser dans la préparation de la surface des outils de coupe avant le traitement PVD afin d’améliorer l’adhésion des couches.
Le présent projet avait pour objectif principal l’étude de la faisabilité de déposer des systèmes multicouches pour le bois (érable à sucre - Acer saccharum) par plasma. Les objectifs spécifiques étaient les suivants:
1. Déposition par pulvérisation magnétron de couches minces d’oxydes métalliques pour améliorer la résistance aux UV et les propriétés mécaniques du bois;
2. Déposition chimique en phase vapeur de couches minces pour améliorer l’hydrophobicité;
3. Bâtir et caractériser des systèmes multicouches pour la protection du bois.
