Associations tanins-bore pour des produits de protection du bois à faible impact environnemental

par Jinbo Hu

Thèse de doctorat en Mécanique et génie civil

Sous la direction de Marie-France Thévenon.


  • Résumé

    Étant donné son origine, le bois reste biodégradable et a besoin d'être protégé contre les agents abiotiques et biotiques afin d'avoir une longue durée de service. Les associations entre les tanins et l'acide borique peuvent être considérés comme un traitement innovant et respectueux de l'environnement. Ces formulations aqueuses de tannins et d'acide borique augmentent la rémanence du bore dans le bois traité. De plus, le bore est partiellement fixé au réseau polymère de tannins autocondensés dans le bois et garde suffisamment de mobilité pour garder son efficacité biologique. Ces associations ont été testées pour une application en extérieur, au-dessus et dans le sol, et pour leurs propriétés ignifugeantes. Une première formulation de tannin-hexamine et acide borique a montré une efficacité certaine face aux dégradations biologiques et au feu. Le comportement au vieillissement naturel et artificiel, au lessivage à l'échelle du laboratoire, ainsi que l'efficacité biologique résultante, de bois traité par ces associations a été étudié. Les résultats montent que ces trois vieillissements mènent à des performances biologiques différentes, toutes liées à la teneur en bore résiduelle. Une formulation tannin-bore dite améliorée, contenant du ɛ-caprolactame pour rendre le réseau polymère plus flexible (et éviter les craquelures comme dans la première formulation) a été étudiée pour les mécanismes chimiques mis en jeu, la résistance biologique au-dessus et dans le sol, et la résistance au feu. Le polymère à base de tannin acquiert une structure plus élastique après incorporation de ɛ-caprolactame, comme démontré par des analyses FT-IR. La résistance biologique du bois traité procure une résistance à long terme en extérieur, même dans le sol. L'effet de protection au feu est moins intéressant que pour la première formulation, mais reste toute de même plus important que pour le témoin. Afin d'améliorer l'efficacité des associations entre bore et tannins, l'élaboration de bois contenant un polymère nano-composite (Wood Tannin NanoComposite, WTNC) utilisant tannins, acide borique et montmorillonite a été étudiée. Des analyses FT-IR et XRD on permit d’identifier des nanoparticules d'argiles dans le WTNC. Par ailleurs, des traces de montmorillonite dans les parois du bois ont été observées en microscopie électronique à balayage. Par comparaison avec des témoins, la résistance à la compression du WTNC est plus importante, l'absorption d'eau et l'aptitude au collage du WTNC dépend de l'essence utilisée (pin sylvestre vs. Hêtre), la stabilité dimensionnelle du WTNC est légèrement abaissée et sa mouillabilité significativement réduite. La résistance à l'attaque de champignons et termites est améliorée dans des proportions variables selon que l'on utilise du pin sylvestre ou du hêtre. Les performances anti-feu des WTNC sont affectées différemment en fonction de l'essence de bois utilisée et des paramètres considérés. Cette étude analyse aussi les impacts environnementaux de la production de produit de préservation tannin-bore (pour la première formulation) et compare aussi les impacts du berceau à la tombe dans le cadre d'une analyse de cycle de vie de bois traité par cette formulation, en comparaison avec 2 formulations industrielles et du béton. Il apparaît que même si ces associations tannin-bore peuvent être encore étudiées plus avant et plus finement du point de vue chimique, pour leurs performances biologiques (vis-à-vis d'insectes coléoptères, essais de champ avec des termites, moisissures…), ainsi que pour leur profil éco-toxicologique, elles ont montré de réelles améliorations du bois dans les domaines de la résistance biologique et de la résistance au feu.

  • Titre traduit

    Tannins-boron networks for long-term and low-environmental impact wood preservatives


  • Résumé

    Due to its origins, wood remains biodegradable and needs to be protected against abiotic and biotic agents for a long service life. Tannin-boron associations can be considered as an innovative preservative formulation and environmentally-friendly treatment. These waterborne associations of tannins and boric acid increase the permanence of boron in the wood. Furthermore, boric acid is partly fixed to the network of autocondensed tannin in the wood and keeps sufficient mobility to maintain its biological action. These associations have been investigated for their outdoor applications, both above and in-ground, as well as for their ability for fire protection. An original formulation of tannin-hexamine and boric acid, has shown efficiency against biological attack and fire degradation. The natural and artificial weathering behaviour, and laboratory scale leaching, of such treated wood have been investigated, and followed by biological tests. The results showed that the weatherings led to different performances, always linked with the amount of remaining boron. An advanced tannin-boron formulation including ɛ-caprolactam to make the polymer network more flexible (and avoiding cracks as noticed for the original formulation) was studied for the chemical mechanisms, biological resistance above and in-ground, fire retardancy. The tannin polymer acquires a more elastic structure after adding ɛ-caprolactam, as seen with FT-IR analyses. The biological resistance of the treated wood provided a long lasting protection against degradation in outdoor exposures, and even in ground contact. However, fire retardant effect of this advanced tannin-boron preservative was negatively influenced with comparison to the original tannin-boron formulation, but still better than control. In order to improve the associations between boron and tannin for wood protection, the conception of wood polymer nanocomposite using tannin, boric acid and montmorillonite tentatively carried out. The analyses of FT-IR and XRD have investigated to identify nanoclay in Wood Tannin Nanocomposite (WTNC). Meanwhile, the trace of montmorillonite in wood cell is also captured by SEM. By comparison with control, compression strengths of WTNC samples increase; water absorption and gluing ability of WTNC depend on the wood species used (Scot Pine vs. Beech); dimensional stability of WTNC is slightly decreased, and wettability was significantly decreased. Fungal and termite resistance of WTNC are improved to different extends if Scots pine or beech samples are used. Fire performances of WTNC is affected differently depending on the wood species used and the parameters considered. This study also analyses the environmental impacts of producing tannin-boron (TB) preservative (the original formulation) and comparatively introduces the cradle-to-grave life cycle environmental impacts (LCA) of TB-treated timber as landscaping materials, compared with 2 industrial formulations and concrete.Even if all these tannin-boron association systems developed still need to be improved for some point of their chemistry, biological performances (coleoptera insects, field tests with termites, molds…), as well as for their eco-toxicological profile, they have shown to improve the biological and fire resistance of the wood.


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