Utilisation du plan de Box-Benhken pour l’élaboration de peintures sol de qualité optimale

Peinture en phase aqueuse

              Appelée également « peinture à l’eau », ce type peinture peut être dilué à l’eau. Actuellement, elle est la plus utilisée. En effet, la peinture en phase aqueuse est facile à appliquer et ne cause qu’un moindre risque pour la santé et l’environnement. De plus, l’utilisation d’eau dans la formulation la rend beaucoup moins agressive que la peinture à l’huile. C’est pour cette raison que les peintures en phase aqueuses gagnent de plus en plus de place dans l’industrie et surtout dans les bâtiments par rapport aux peintures en phase organique [WIESLANDER, 1994]. Par ailleurs, la peinture à l’eau présente de nombreux avantages :
– réduction de la consommation de solvants et diluants ;
– simplification du stockage ;
– utilisation de « solvant vert » ;
– réduction du risque d’incendie ;
– etc.
La peinture en phase aqueuse peut être distinguée en deux grandes catégories : les hydrodiluables et les hydrosolubles.
i) Hydrodiluables : Pour les peintures hydrodiluables, les pigments et les charges sont préalablement dispersés sous forte agitation, dans un minimum d’eau en présence d’additifs tels que les agents de dispersion et d’épaississement. Après transfert de la pâte obtenue dans une cuve, le liant en émulsion est incorporé, sous faible agitation, aux autres constituants de la peinture. On les utilise surtout dans le secteur du bâtiment [INRS, 2006].
ii) Hydrosolubles : Quant aux peintures hydrosolubles, le liant est en solution dans le mélange de la peinture. Ils sont composés de 10 à 15 co-solvants (alcool, éther de glycol, etc.). Ces derniers affaiblissent la viscosité de la peinture et lui donnent une meilleure apparence [CROOK, 2006].

Effets des COV sur l’environnement

            L’effet principal des COV sur l’environnement est lié à des réactions photochimiques complexes avec d’autres composés présents dans l’atmosphère. En présence d’oxydes d’azote et du rayonnement solaire, ils contribuent à la formation de composés oxydés et nitrés dont les plus connus sont les peroxy-acyle nitrate (PAN). Ils font également partie des gaz précurseurs de l’ozone (O3) troposphérique (basse atmosphère) en se conjuguant avec les oxydes d’azote. L’ozone est présent de manière naturelle dans l’air. Il est obtenu par combinaison d’un atome de dioxygène et d’un atome d’oxygène provenant de la dissociation d’une molécule de dioxyde d’azote sous l’effet du rayonnement solaire. Cette apparition d’ozone est régulée par la réaction inverse de la réaction précédante. En effet, l’ozone se recombine avec le monoxyde d’azote précédemment créé. Cependant, la présence de COV provoque une modification de ce cycle. De plus, les COV sont également impliqués dans le phénomène des pluies acides à l’origine de graves dégâts principalement dans les zones forestières [AHMED, 2009].

Permanence des couleurs

              La permanence des couleurs est assurée par sa résistance à la lumière. Il existe 3 classes de résistance de la peinture à la lumière : les peintures très solides, les peintures à résistance moyenne et les peintures à permanence minimale. Les peintures très solides sont idéales pour les supports qui sont fréquemment exposés au soleil. Les peintures à résistance moyenne sont applicables sur les surfaces se trouvant à l’ abri des intempéries. En effet, cette classe de peinture ne résiste pas à une forte exposition au rayon ultraviolet. Les peintures à permanence minimale ne possèdent qu’une très faible résistance à la lumière [ARTIST, 2007].

Vieillissement chimique

             Il correspond à tout phénomène impliquant une modification chimique du matériau sous l’influence de son environnement d’usage. Dans la pratique, ce vieillissement se superpose, le plus souvent, au vieillissement physique et par la suite les deux phénomènes interfèrent. Le vieillissement chimique comprend le vieillissement thermochimique, le vieillissement photochimique, le vieillissement hydrolytique, les réactions de dépolymérisation [VERDU, 2002].
– Le vieillissement thermochimique correspond aux vieillissements chimiques en atmosphère inerte (thermolyse) ou dans l’air (thermooxydation) dont la cinétique dépend essentiellement de la température. Pour le cas particulier de la dégradation à hautes températures, on parle de pyrolyse.
– Le vieillissement photochimique est le vieillissement résultant de l’exposition directe au rayonnement solaire.
– Le vieillissement hydrolytique, s’accompagnant d’une hydrolyse, entraîne des coupures statistiques des chaînes macromoléculaires du polymère de la peinture, d’où une altération, à terme, des propriétés mécaniques. La réaction est généralement très lente à température ambiante, la vitesse de l’acte chimique élémentaire étant ellemême faible et le processus étant le plus souvent contrôlée par la diffusion (également lente) de l’eau dans le matériau.
– La réaction de dépolymérisation : comme son nom l’indique, cette réaction est l’inverse de la polymérisation. Elle fait donc intervenir une élimination séquentielle de molécules de monomère à partir d’un site particulièrement instable préexistant (par exemple extrémité de chaîne), ou résultant d’une coupure statistique.

CONCLUSION

                Cette étude avait pour objectif d’obtenir une peinture sol à base d’eau mais possédant les caractéristiques des peintures à base de solvant organique, c’est-à-dire résistante et supportant l’eau. Une étude bibliographique sur les paramètres spécifiques des peintures a tout d’abord été réalisée. Celle-ci a été faite pour avoir les savoirs nécessaires pour l’élaboration d’une peinture de bonne qualité. Quelques notions sur les plans d’expériences ont par la suite été développées. L’utilisation d’un plan d’expériences est en effet nécessaire pour la modélisation des réponses et l’optimisation de la qualité des peintures. Facile à construire et ne nécessitant que très peu d’essais, le plan de Box -Benhken a été choisi.La deuxième partie concerne la partie expérimentale. Des essais préliminaires ont tout d’abord été effectués pour étudier la compatibilité des différents constituants qui sont l’eau(solvant), la dolomie (charge), le carbonate de calcium (charge), le kamicryl (liant), l’alkyde (liant), le gloosperse (dispersant) et l’oxyde de fer vert (pigment). Les résultats ont montré l’incompatibilité du carbonate de calcium (CaCO3) avec les autres produits. En effet, en présence de CaCO3, la solution n’est pas homogène. Ces essais permettent également la détermination de la formulation la plus adaptée ainsi que le domaine d’étude utilisé pour le plan d’expériences. Ainsi, les intervalles d’étude des différents constituants sont de 45% à 55% pour l’eau, de 0,1% à 1% pour le gloosperse et de 100%/0% à 70%/30% pour le liant (kamycril/alkyde). Une fois le domaine connu, plusieurs expériences ont été réalisées et ont montré que la masse volumique des peintures obtenues varie de 1,1 à 1,15 kg.L-1, le pouvoir couvrant, de 4 à 13,9 m2.Kg-1 , le temps de séchage, de 8 à 28 min et la résistance à l’eau est comprise entre 42 à 85 jours. Ces résultats ont été modélisés par le plan de Box-Benken. Les modèles obtenus permettent de déterminer les réponses optimales. Il a été observé que tous les facteurs ont une influence propre pour chaque réponse considérée. La superposition des isoréponses a montré qu’il n’est pas possible d’obtenir simultanément les meilleurs pouvoir couvrant, temps de séchage, masse volumique et résistance à l’eau. Cependant, il est possible d’obtenir simultanément trois réponses optimales. Ainsi, un pouvoir couvrant élevé, un temps de séchage assez court et une masse volumique assez importante est observée quand la quantité d’eau est comprise entre 49 et 53%, le liant contient 83,5 à 88 % de kamicryl et la quantité de gloosperse devrait être à 1%. En outre, une excellente résistance à l’eau, un pouvoir couvrant élevé et une masse volumique assez élevée sont obtenus si les titres massiques en eau, en kamicryl (dans le liant) et en gloosperse sont respectivement de 54 à 55%, de 80,5 à 86,5 et de 1%. Par ailleurs, une excellente résistance à l’eau, un meilleur temps de séchage et une masse volumique optimale sont obtenus si le mélange contient 45,25 à 46,5% d’eau ; 70,75 à 73 % de kamicryl (dans le liant) et 1% de gloosperse. Les peintures obtenues dans ce travail comparées aux références possèdent des caractéristiques très satisfaisantes. Mais qu’en est-il de la résistante de la peinture quant aux UV ?

Table des matières

INTRODUCTION
Première partie : Revue bibliographique
A. Généralités sur les peintures
A.1. Définition
A.2. Constituants principaux des peintures
A.2.1. Liants
A.2.2. Solvants
A.2.3. Pigments
A.2.4. Charges
A.2.5. Additifs
A.3. Types de peintures
A.3.1. Selon le solvant utilisé
A.3.2. Suivant le mode de formation de film
A.3.3. Réactions chimiques diverses
A.4. Peinture et physique macromoléculaire
A.4.1. Actions polaire
A.4.2. Emulsion
A.4.3. Polymérisation
A.4.4. Siccativité, formation des film
A.4.5. Adhésivité
A.5. Qualification et identifications
A.6. Composés organiques volatils (COV)
A.6.1. Définition
A.6.2. Effets et impacts des COV
A.6.3. Mesures de réduction des émissions de COV
A.7. Préparation de surface
A.8. Système ordonné de la couleur
A.8.1. Cercle chromatique
A.8.2. Transparence, translucidité et opacité
A.8.3. Teinte
A.8.4. Luminosité
A.8.5. Permanence des couleurs
A.8.6. Sursaturation
B. Peinture acrylique au sol
B.1. Peindre au sol
B.1.1. Préparation des sols
B.1.2. Mise en peinture
B.2. Type de sols
B.2.1. Sols à base de ciment
B.2.2. Sol à base d’asphalte et de bitume
B.2.3. Sol céramiques
B.3. Vieillissement d’une peinture
B.3.1. Vieillissement physique
B.3.2. Vieillissement chimique
B.4. Problèmes, causes et préventions
B.4.1. Bouillonnement ou microbullage
B.4.2. Cloquage ou boursoufflures
B.4.3. Coulures
B.4.4. Craquelures
B.4.5. Délamination
B.4.6. Eclatement (écaillage)
B.4.7. Plissage (frisage)
C. Hygiène et sécurité
C.1. Etiquetages
C.2. Micropolluants
C.2.1. Définition
C.2.2. Métaux et métalloïdes
C.3. Sécurités pour les travaux de peinturage
D. Plan d’expériences
D.1. Définition
D.2. Principes généraux de construction d’un plan d’expériences
D.3. Modélisation mathématique
D.4. Plans d’expériences les plus utilisés
D.4.1. Comparaison des plans du second degré
D.4.2. Plan de Box-Behnken
Deuxième Partie : Partie expérimentale
A. Matériels et méthodes
A.1. Choix des matières premières
A.1.1. Solvant
A.1.2. Charges
A.1.3. Pigment
A.1.4. Liants
A.1.5. Additifs
A.2. Choix de la formulation
A.3. Mode opératoire
B. Optimisation par un plan de Box-Benhken
B.1. Choix des facteurs
B.1.1. Facteur X1
B.1.2. Facteur X2
B.1.3. Facteur X3
B.2. Choix des réponses
B.3. Détermination du domaine d’étude
B.3.1. Niveaux des variables
B.3.2. Matrice expérimentale
C. Résultats et discussions
C.1. Réponses du plan de Box-Behnken
C.1.1. Masse volumique
C.1.2. Pouvoir couvrant
C.1.3. Temps de séchage
C.1.4. Résistance à l’eau
C.2. Modélisation des résultats
C.2.1. Masse volumique
C.2.2. Pouvoir couvrant
C.2.3. Temps de séchage
C.2.4. Résistance à l’eau
C.3. Recherche des conditions optimales
C.3.1. Optimum de Y1
C.3.2. Optimum de Y2
C.3.3. Optimum de Y3
C.3.4. Optimum de Y4
C.4. Optimum multiréponse
CONCLUSION
Références bibliographiques

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