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Traitement des surfaces en bois à l’aide de photo-initiateurs

 

Les surfaces en bois massif et en particules de bois ont été modifiées pour produire de nouveaux matériaux composites. C’est aux nouveaux photo­initiateurs, fixés à la surface du bois selon divers procédés, que l’on doit la modification des surfaces.

Description du projet (projet de recherche terminé)

Le projet visait à mettre au point deux procédés de production photochimique de matériaux composites à partir de composants en cellulose et de polymères organiques. L’un des deux procédés consiste à modifier d’abord la surface en cellulose de manière à la rendre réactive à la lumière et à produire une macromolécule organique – un polymère – à la surface par le biais d’une réaction chimique. Le second procédé réside quant à lui dans la production initiale d’un polymère photoactif qui est ensuite ancré à la surface du bois.

Contexte

Revêtir le bois massif et les particules de bois ou les coller à d’autres matériaux requièrent une réactivité chimique élevée des surfaces impliquées. Dans ce projet, les chercheuses et les chercheurs ont développé à cet effet des méthodes inédites. Elles consistent à lier de nouveaux groupes fonctionnels aux surfaces en lignocellulose, l’armature structurelle des plantes arborescentes, pour rendre les surfaces plus réactives et leur conférer de nouvelles propriétés. A cet effet, les chercheurs ont mis en œuvre des photo­initiateurs à base de phosphore, qui se transforment en produits intermédiaires réactifs (radicaux) sous l’effet de l’énergie lumineuse. Ces radicaux entraînent ensuite des réactions chimiques grâce auxquelles la cellulose peut être intégrée durablement dans un matériau polymère.

Objectif

Les travaux de recherche de ce projet se sont concentrés sur les traitements de surfaces de deux matériaux ligneux distincts : les nanofibres de cellulose (CNF), composantes structurelles du bois de type fibreux, et les surfaces de bois massif à l’état naturel. Les différents types de surfaces ainsi que les divers champs d’application des deux matériaux permettent aux chercheuses et aux chercheurs d’étudier différentes stratégies de modification. Le traitement des CNF vise à mieux coordonner les propriétés des surfaces entre elles, par ex. pour renforcer l’adhérence ou mieux intégrer les particules de bois dans les matrices polymères des matériaux composites. Pour sa part, le traitement des surfaces en bois massif a pour objectif de rendre les surfaces hydrofuges ou insensibles à la lumière. Les exemples élaborés dans le cadre de ce projet démontrent que ces procédés peuvent être appliqués avec succès.

Importance

Les enseignements tirés du projet pourraient permettre d’adapter à la demande la réactivité ou la fonctionnalité des surfaces en bois. Les modifications de surfaces de ce type présentent un fort potentiel d’innovation (par ex. par l’intégration des nanotechnologies) et sont particulièrement importantes pour les applications haut de gamme faisant intervenir le bois, telles que les revêtements extérieurs, les matériaux à base de bois utilisés dans les constructions en bois ou encore les matériaux composites bois-polymères.

Application

Pour l’heure, les résultats du projet ne connaissent encore ni application directe ni exploitation commerciale.

Résultats

Deux procédés de production photochimique de matériaux composites à partir de composants de cellulose et de polymères organiques ont été développés avec succès. Le premier procédé consiste à lier de manière covalente une molécule de photo-initiateur à la surface en cellulose par le biais d’une réaction chimique. Après exposition à la lumière en présence de monomères polymérisables, un polymère organique se forme à la surface du bois. Ce procédé en deux étapes peut être décrit de manière simplifiée à l’aide de la formule suivante: (i) C + PI*  C-PI*; (ii) (C-PI*) + n M  (C-PI-(M)n), sachant que: C = cellulose; PI* = photo-initiateur activé, PI = molécule initiatrice après exposition à la lumière, M = monomère polymérisable et n = nombre de molécules de monomères contenues dans le polymère (M)n à l’issue de la réaction. Le second procédé consiste à produire d’abord un polymère photoactif PI*-(M)n qui est ensuite lié à la cellulose sous l’effet de la lumière, de manière à ce que (Z-PI-(M)n) se forme. Ces deux procédés ont donné d’excellents résultats et permis une augmentation de 400% de la masse de la cellulose. Ils ouvrent à présent la voie à la fabrication et à l’étude de manière ciblée d’autres matériaux composites.

Titre original

Wood surface functionalisation using photoinitiators

Responsables du projet

  • Prof. Hansjörg Grützmacher, Laboratoire de chimie inorganique, Ecole polytechnique fédérale de Zurich
  • Martin Arnold, recherche appliquée sur le bois, Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (EMPA), Dübendorf
  • Dr Tanja Zimmermann, recherche appliquée sur le bois, Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (EMPA), Dübendorf

 

 

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 Contact

Prof. Hansjörg Grützmacher Laboratory of Inorganic Chemistry D-CHAB
ETH Zurich
Vladimir-Prelog-Weg 1 8093 Zürich +41 44 632 28 55 hansjoerg.gruetzmacher@inorg.chem.ethz.ch