Revêtements UV-aqueux pour le bois renforcés par la Cellulose Nano-Cristalline

Revue de littérature, matériaux et méthodes Note

Dans le présent chapitre nous avons présenté la revue de littérature et donné des détails sur les matériaux et méthodes en alternance, pour faciliter la compréhension et éviter les répetitions. Ainsi, par exemple, lorsqu’il est question des méthodes existant pour caractériser la dispersion des nanoparticules, nous avons aussi discuté notre choix d’appareils. Chaque chapitre sous forme de publication (chapitres 2-6, plus les annexes) comporte sa propre revue de littérature et ces revues ne seront pas répétées ici.

La plupart des objets autour de nous sont couverts d’un revêtement. Bien qu’une des propriétés principales des revêtements consiste à décorer les objets, les peintures ont également pour fonction de protéger les objets des dégradations causées par l’humidité, l’oxydation ou bien encore les radiations ultraviolettes (UV). Les peintures et vernis sont des substances liquides ou pulvérulentes qui, une fois appliquées sur un substrat (métal, bois, verre, matériaux plastiques), donnent après diverses transformations physiques et/ou chimiques un revêtement pelliculaire. Ce revêtement, aussi appelé film, a pour fonction de protéger et/ou d’embellir les substrats. Une peinture est un produit de revêtement pigmenté opaque tandis qu’un vernis est un produit de revêtement non-pigmenté transparent. L’industrie des peintures et des vernis consomme d’importantes quantités de produits de finition qui sont le plus souvent à base de solvant généralement un composé organique hydrocarboné, dérivé du pétrole, en raison de leur grande versatilité [11].

L’usage de revêtements en phase solvant s’accompagne donc d’une émission importante de composés organiques volatils (COV), néfaste pour l’environnement. L’importance grandissante de «l’écodesign» et des produits «verts» pousse les gouvernements à modifier les lois relatives aux émissions de COV (États-Unis et Canada), à l’instar de l’Europe. De tels changements ont amené l’industrie des produits du bois à développer de nouveaux revêtements plus en accord avec l’environnement tels que les revêtements aqueux, à cuisson ultraviolette (UV) ou en poudre.

Les peintures en phase aqueuse présentent de très faibles teneurs en solvant organique et permettent donc de réduire les émissions de COV. Ainsi, la technologie aqueuse permet donc de réduire les risques toxicologiques et d’inflammabilités liés à l’emploi de solvants organiques [11]. Les peintures en phase aqueuse ont été initialement développées dans les années 1950 mais ont connu un essor majeur dans les années 1970 lorsque les réglementations environnementales sont devenues beaucoup plus sévères.

Selon Hosker [12], les revêtements utilisés pour des applications extérieures (meubles de jardin, bardage, terrasse etc.) doivent être formulés pour obtenir une bonne résistance aux rayons UV, changements de température et d’humidité, les insectes ainsi que la pourriture et la moisissure. En revanche, les revêtements de sol doivent résister aux contraintes mécaniques car ils sont constamment sollicités. En fait, les finitions utilisées pour des applications intérieures tels que les meubles, armoires de cuisine et les planchers doivent avoir une bonne résistance mécanique (abrasion, égratignures, l’impact et la dureté), thermique (incendie et flamme, la stabilité thermique) et une résistance aux produits chimiques (détergents, alimentaire etc.) [12]. La sélection de la peinture/vernis doit également être faite en fonction du substrat à revêtir. Les matières plastiques sont connues en tant que matériaux à faible énergie de surface et pour cette raison, le revêtement d’adhérence est une des préoccupations majeures associées aux plastiques. D’un autre côté, les revêtements appliqués sur les métaux doivent être résistants à la corrosion lorsqu’ils sont destinés à des applications extérieures. Les revêtements de bois ne font pas exception; ces revêtements doivent être adaptés à ses particularités nombreuses.

L’importance de revêtements dans l’industrie du bois

Le bois est un matériau naturellement durable, reconnu depuis longtemps pour sa polyvalence ainsi que ses propriétés structurelles exceptionnelles [3, 4, 13]. Toutefois, afin de conserver son aspect et ses propriétés mécaniques, il doit être maintenu dans des conditions favorables. Selon Feist [13], comme n’importe quel matériau biologique, le bois est soumis à la dégradation causée par l’humidité, la lumière et de l’oxydation. Pour cette raison, les produits fabriqués à partir de bois devraient généralement être traités afin de préserver leurs propriétés.

Parmi les caractéristiques les plus souhaitables pour les revêtements de bois à l’intérieur, à l’abrasion ou résistance à l’usure sont certainement parmi les premiers [6, 7]. Il se produit généralement lorsque la peinture ou du vernis est exposé à l’érosion mécanique, frottement ou friction, par exemple dans les revêtements de sol. Un revêtement peu résistant à l’abrasion conduira à de nombreux défauts de surface après un court laps de temps. Le bois étant un matériau souple soumis à l’indentation, un système de revêtement doit avoir une bonne performance mécanique.

Revêtements intelligents

Lauzon, une compagnie québécoise, utilise les revêtements intelligents’ (http//plancherslauzon.com/). La technologie ‘Pure Genius’de Lauzon révèle les propriétés purifiantes du bois ainsi traité. Après trente jours, le taux de formaldéhyde présent dans les pièces comportant ce matériau, n’est plus que de cinq parties par milliard (5 ppb), comparativement à 16 à 32,5 ppb dans une maison standard. Selon Santé Canada, un taux de 40 ppb et plus représente un risque pour la santé. Le fonctionnement de cette technologie s’apparente à celui d’un arbre. En plus de générer de l’oxygène (O2) issu de la décomposition du dioxyde de carbone (CO2), un arbre peut éliminer une partie des oxydes d’azote (NOX).

Le plancher ‘Pure Genius’ agit de façon semblable, par photocatalyse, et décompose également d’autres composés organiques volatils (COV) nocifs présents à l’intérieur de maison. Il décompose les COVs et les transforme en molécules d’eau et de dioxyde de carbone inoffensives. Le dioxyde de titane réagit à la lumière naturelle ou artificielle. Dans l’obscurité, les molécules agissent encore un certain temps, puis se «rechargent» au retour de la lumière. Exposé à la lumière, le plancher tout entier fonctionne comme un immense filtre naturel. Au contact des nanoparticules actives, les molécules toxiques (COV) se décomposent et se transforment en molécules d’eau et de dioxyde de carbone, inoffensives et imperceptibles. Ceci est donc un exemple d’injection de technologie avancée dans un domaine où c’est certainement une approche novatrice. Nous 8 pensons que nos présents travaux sont dans cette ligne de pensée. Le chapitre en annexe de cette thèse constitue une introduction à certains aspects généraux des nanorevêtements ‘intelligents’.

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Table des matières

Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Remerciements
Avant-propos
Introduction générale
Chapitre 1. Revue de littérature, matériaux et méthodes
1.1. Généralités
1.2. Revêtements UV-aqueux
1.3. Photopolymérisation des revêtements UV-aqueux
1.4. Formulation des revêtements UV-aqueux
1.5. Hypothèses et objectifs de la recherche
1.6. La cellulose nanocristalline
1.7. Préparation des formulations et les échantillons
1.8. Caractérisation des revêtements UV-aqueux
1.9. Introduction aux cinq articles – chapitres prochains
Chapitre 2. Wear resistance of nanocomposite coatings
2.1. Résumé
2.2. Abstract
2.3. Introduction
2.4. Materials and methods
2.5. Results and discussion
2.6. Conclusions
Chapitre 3. Modification of cellulose nanocrystals as reinforcement derivatives for wood coatings
3.1. Résumé
3.2. Abstract
3.3. Introduction
3.4. Experimental
3.5. Results and discussion
3.6. Conclusions
Chapitre 4. Mechanical properties of UV-waterborne varnishes reinforced by cellulose nanocrystals
4.1. Résumé
4.2. Abstract
4.3. Introduction
4.4. Materials and experimental procedure
4.5. Results and discussion
4.6. Conclusions
Chapitre 5. Characterization of cellulose nanocrystals dispersion in varnishes by back scattering of laser light
5.1. Résumé
5.2. Abstract
5.3. Introduction
5.4. Materials and experimental procedure
5.5. Results and discussion
5.6. Conclusions
Chapitre 6. Effect of addition of cellulose nanocrystals to wood coatings on color changes and surface roughness due to accelerated weathering
6.1. Résumé
6.2. Abstract
6.3. Introduction and literature review
6.4. Experimental section
6.5. Results and discussion
6.6. Conclusions
Conclusions générale
A.1. Introduction
A.2. Coating formulations
A.3. Nanoparticle additives
A.4. Coating characterization
A.5. Bio-based coatings
A.6. Future developments
A.7. Summary
Annexe B. Affiches présentées dans le cadre des conférences et colloques
Bibliographie