Traitement biosourcé du Hêtre par la formation in situ de polyesters à base d’Acide Malique - Étude du procédé et des propriétés physiques conférées, du petit échantillon à l’échelle de la planche

Résumé

Le bois est un matériau hygroscopique dont les dimensions varient avec les conditions
hygrothermiques de l’environnement qui l’entoure. Une des essences les plus nerveuses en
France est le hêtre. Il est très abondant en Europe, peu durable, et nécessite donc une
protection additionnelle pour améliorer sa durabilité et étendre son utilisation. Ce travail de
thèse a étudié plusieurs traitements biosourcés par la formation in situ de polyesters à base
d’acide malique. Deux types d’alcool ont été utilisés, l’un ramifié, le glycérol, l’autre linéaire,
le 1,4-butanediol, afin d’observer si une plus faible réticulation du polymère pouvait limiter la
baisse de la résistance mécanique. Ce type de traitement est imprégné dans le bois en solution
aqueuse et la cuisson (150°C-24h, dans la première approche) permet la polymérisation.
Tous les traitements développés ont montré qu’ils apportaient au bois de hêtre des
améliorations importantes. Au niveau des indicateurs de gains et de stabilité, un gain de masse
d’environ 40%, un bulking supérieur à 20% pour du bois sec à l’air, une plus grande stabilité
dimensionnelle, l’ASE, supérieure à 60%, et un retrait-gonflement total divisé par 3 ont été
observés. Concernant les propriétés mécaniques, celles-ci ont aussi vu des modifications
importantes, telles que la rigidité augmentée de 30 à 60% (MOE) et la dureté Brinell jusqu’à
65%. Cependant, le bois modifié a perdu de sa ductilité et présente un mode de rupture fragile
avec un module de rupture (MOR) réduit de près de 30%. De plus, la mesure du profil de
densité par atténuation de rayons-X a montré une distribution hétérogène du traitement, plus
concentré au niveau des surfaces de l’échantillon plus qu’à cœur.
Pour réduire la sévérité du traitement, le couple durée-température de la cuisson du bois
imprégné a été étudié en suivant l’avancement de la réaction à différentes températures au
moyen d’une ATG. Ainsi qu’en utilisant des catalyseurs et un mélange pré-polymérisé,
MaGNW. Les résultats ont montré qu’une diminution de la durée de cuisson pourrait être
réduite d’un facteur 3, de 24h à 8h, et ainsi être possible à 150°C avec catalyseurs, bien qu’un
lessivage plus élevé soit alors observé pour ces traitements dans le bois. Une baisse de la
température de cuisson pourrait être envisageable selon l’usage prévu du hêtre.
Nous avons ensuite regardé la possibilité d’appliquer ce traitement à l’échelle d’une planche
(up-scaling). Pour limiter l’hétérogénéité du traitement dans les planches, plusieurs pistes ont
été étudiées. Celles-ci sont, la réduction de l’épaisseur de la planche, l’ajout d’une phase de
séchage basse température avant la phase de cuisson, mais encore par l’utilisation du mélange
pré-polymérisé, sans eau de solution, pour tenter de fixer le produit dans le bois au plus tôt
de la cuisson. Les deux premières options ont montré les résultats les plus intéressants en
améliorant l’homogénéité du traitement dans la planche. La troisième option conduit quant à
une densification du matériau.

Abstract

Wood is a hygroscopic material whose dimensions will vary with the hygrothermal conditions
of the surrounding environment. One of the wood species the most susceptible to dimensions
variations in France is beech wood. It is very abundant in Europe, and has a low durability,
requiring additional protection to improve it and extend its use. This thesis work studied
several bio-based treatments by the in situ formation of malic acid-based polyesters. Two
types of alcohols were used, one is ramified, the glycerol, and the other one is linear, the 1,4-
butanediol, to observe if a lower crosslinking of the polymer could limit the decrease in
mechanical strength. This type of treatment is impregnated in the wood in an aqueous
solution and the curing (150°C-24h, in the first approach) enables the polymerization.
All the treatments developed showed that they brought significant improvements to beech
wood. In terms of gain and stability indicators, a mass gain of about 40%, a bulking greater
than 20% for air-dried wood, as well as a greater dimensional stability, the ASE, over 60%, and
a total shrinkage-swelling divided by 3 was observed. Regarding the mechanical properties,
they also saw significant changes, such as the stiffness increased by 30% to 60% (MOE) and
the Brinell hardness up to 65%. However, the modified wood has lost its ductility and showed
a brittle mode of failure with a modulus of rupture (MOR) reduced by almost 30%. In addition,
measurement of the density profile by X-rays attenuation showed a heterogeneous
distribution of the treatment in the board thickness, more concentrated at the surfaces of the
sample than at the core.
To reduce the severity of the treatment, the time-temperature relationship of the wood curing
was studied by monitoring the reaction progress at different temperatures using TGA analysis
as well as using catalysts and a pre-polymerized mixture, MaGNW. The results showed that a
lowering of the curing time could be possible by a factor 3, from 24h to 8h, and thus be
possible at 150°C with catalysts, although higher leaching is then observed from these
treatments into the wood. A lowering of the curing temperature could be considered
depending on the intended use of the beech.
We then looked at the possibility of applying this treatment at the board scale (up-scaling).
Several avenues have been studied to limit the heterogeneity of the treatment in the boards.
These are the reduction of the board thickness, the addition of a low temperature drying
phase before the curing phase, as well as the use of the pre-polymer mixture, removing the
aqueous phase of the solution, aiming to fix the product in the wood as soon as possible during
curing. The first two options demonstrated the most interesting results in improving the
homogeneity of the treatment in the board thickness. As for the third option, it led to a
densified material.