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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire


THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Sciences des Agroressources Présentée et soutenue par M. Olivier PIGNOLET Le 25 novembre 2008 Optimisation de la durabilité de bois d'œuvre (classe d'emploi 4) à l'aide d'anhydrides alkényles succiniques d'origine végétale JURY M. Alessandro GANDINI………………………………………………………………………………. Professeur à l'Université d'Aveiro, Portugal Président Mlle. Élisabeth BORREDON……………………………………………………………………………… Professeur à l'Institut National Polytechnique de Toulouse Directrice de thèse M. André MERLIN…………………………………………………………………………………………. Professeur à l'Université de Nancy Rapporteur M. Bertrand CHARRIER………………………………………………………………………………… Maître de conférences à l'IUT des Pays de l'Adour Rapporteur M. Stéphane GRELIER…………………………………………………………………………………. Professeur à l'université de Bordeaux Membre M. Eric ANDRIEU…………………………………………………………………………………………… Professeur à l'Institut National Polytechnique de Toulouse Membre M. Carlos VACA-GARCIA………………………………………………………………………………. Professeur à l'Institut National Polytechnique de Toulouse Membre M. Gilles LABAT……………………………………………………………………………………………. Responsable R&D au FCBA Institut Technologique Invité Ecole doctorale : Sciences de la Matière Unité de recherche : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle - UMR 1010 INRA/INP- ENSIACET, 118 route de Narbonne - 31077 TOULOUSE CEDEX 4

  • nouvelles alternatives aux traitements traditionnels

  • traitement de préservation du bois sain pour l'environnement

  • temps au temps

  • travail de thèse

  • traitement du bois par les anhydrides mixtes

  • classes de risque biologique

  • carlos vaca-garcia………………………………………………………………………………


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 novembre 2008
Nombre de lectures 178
Langue Français
Poids de l'ouvrage 4 Mo

Exrait




THÈSE


En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Sciences des Agroressources



Présentée et soutenue par M. Olivier PIGNOLET
Le 25 novembre 2008

Optimisation de la durabilité de bois d'œuvre (classe
d'emploi 4) à l'aide d'anhydrides alkényles succiniques
d'origine végétale


JURY

M. Alessandro GANDINI………………………………………………………………………………. Président
Professeur à l’Université d’Aveiro, Portugal
Mlle. Directrice de thèse Élisabeth BORREDON………………………………………………………………………………
Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse
M. Rapporteur André MERLIN………………………………………………………………………………………….
Professeur à l’Université de Nancy
M. Rapporteur Bertrand CHARRIER…………………………………………………………………………………
Maître de conférences à l’IUT des Pays de l’Adour
M. Stéphane GRELIER…………………………………………………………………………………. Membre
Professeur à l’université de Bordeaux
M. Membre Eric ANDRIEU……………………………………………………………………………………………
Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse
M. Carlos VACA-GARCIA………………………………………………………………………………. Membre
Professeur à l’Institut National Polytechnique de Toulouse
M. Invité Gilles LABAT…………………………………………………………………………………………….
Responsable R&D au FCBA Institut Technologique



Ecole doctorale : Sciences de la Matière
Unité de recherche : Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle - UMR 1010 INRA/INP-
ENSIACET, 118 route de Narbonne - 31077 TOULOUSE CEDEX 4 Remerciements

Remerciements


Le projet SURFASAM a été sélectionné et financé par l’Europe. Ce vaste et ambitieux projet visait à
développer un traitement de préservation du bois sain pour l’environnement permettant d’atteindre la
classe d’emploi 4, au bénéfice d’associations d’entreprise ou de PME. Il a donc impliqué un grand
nombre d’acteurs qui seront rappelés dans ces remerciements et a été brillamment coordonné par le
Professeur Carlos Vaca-Garcia (INP Toulouse) et le consultant de longue date du Laboratoire de
Chimie Agro-Industrielle, Monsieur Julio Valles (Impulsion).

* * *

Je commencerais tout d’abord par remercier Mademoiselle Elisabeth BORREDON : merci de m’avoir
accueilli au sein du laboratoire de Chimie Agro-Industrielle. Ces trois ans ont été pour moi une
expérience scientifique et humaine tout à fait unique et valorisante. Je vous remercie aussi d’avoir
accepté d’encadrer mes travaux de thèse : vos conseils m’ont été très précieux, plus particulièrement
pendant la correction de mon mémoire et la préparation de l’oral.

Carlos, je ne saurais comment te remercier pour tout ce que tu as fait pour moi et pour toute l’énergie
que tu as dépensé pendant ces trois ans quelques mois de thèse. Tu m’a toujours soutenu et tu m’as fait
confiance jusqu’au bout. Ce fut un plaisir pour moi que de travailler avec une personne de qualité telle
que tu es, qui aborde le travail avec sérieux et efficacité tout en restant « humain ».

Je tiens à présent remercier l’ensemble des membres de mon jury de thèse : Monsieur Alessandro
Gandini (Université d’Aveiro), président, Messieurs André Merlin (Université de Nancy - LERMAB)
et Bertrand Charrier (IUT des Pays de L’Adour), rapporteurs, Messieurs Stéphane Grellier (Université
de Bordeaux), Gilles Labat (FCBA) et Eric Andrieu (INPT-ENSIACET), membres, ainsi que
Messieurs Jacques Gorses et Julio Valles, invités.

Bien évidemment, il m’est impossible de remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou de
loin au projet SURFASAM. Veuillez m’excuser d’avance si j’en oublie quelques unes. Je voudrais
tout d’abord adresser des remerciements particuliers à Jacques Gorses, qui a consacré beaucoup de son
temps au projet. Je remercie aussi Christian Hubert et Patrick Corbat, qui nous ont donné les moyens
matériels et techniques de commencer le transfert industriel du procédé SURFASAM. Olivier et Remi,
je vous remercie pour vos conseils, votre apport dans le projet, votre enthousiasme, mais aussi votre
humour détonnant. Je remercie aussi les autres partenaires industriels que j’ai eu l’occasion de
rencontrer pendant les réunions, un peu partout en Europe, Ion Toader, Mart Ristop, Montsé Castrello,
Jan Lagerström, Pierre Maisonnabe, Benoît Jobe-Duval, Yann Raoul,…ainsi que nos partenaires R&D
de CIDEMCO, Oriol Munné, Izaskun Garmendia et Iona Rekarte.

Au cours de mon doctorat, j’ai eu l’occasion de côtoyer un certains nombre de personne au LCA.
Toutes ont rendu mon séjour au laboratoire extrêmement agréable. Il ne m’est pas possible de toutes
les nommer. Je retiendrai donc quatre personnes qui ont été très présents dans mon entourage
quotidien. Tout d’abord, Jérôme, avec qui j’ai partagé plus que des échantillons de bois. Puis, Laure
qui s’est rendue disponible et qui s’est toujours pliée en quatre lorsque je lui demande un conseil ou de
l’aide. Enfin, et je les mets dans le même panier, les deux trublions du couloir, j’entends par là Mike et
Tessa, qui constituaient une étape incontournable lors de mes allers et retours du petit labo à la halle.

Je tiens aussi à remercier tout particulièrement les Docteurs Alain Jauneau et Cécile Pouzet, de la plate
forme RIO d’Auzeville (IFR 40), qui ont largement contribué à la mise en place des observations
microscopiques des échantillons de bois traités, ainsi que pour l’accueil qu’ils m’ont réservé et leurs
conseils.


3 Remerciements

Cette thèse a aussi été de moments de joie et bonne humeur en compagnie des doctorants, assimilés et
stagiaires du laboratoire : Matthieu, Delphine, Julien, Abraham, les Philippes, Ana, Laurent, Florina,
Aurélie, Mathieu, Fabien, Lupita, Azzedine, Sylvain, Laure, Marie-Pierre,… et tous les autres que je
n’ai pas cité.

De nombreux stagiaires ont aussi apporté leur petite pierre à l’édifice. Je leur en suis extrêmement
reconnaissant.

Je souhaite aussi remercier mes amis de Toulousains et Palois depuis plus ou moins quelques années
maintenant : Mika et Julie, Marina (404!!!) et Fred, Yann et Mumu, Bobo et Elsa, Elisa, Loïc et
Karine, Nico, Amélie et Pyrnousse (Assimilé Toulousain… Sixeuuu…), Julien, et enfin Chedeu et sa
« petite fugue » Amélie.

Rachel et Eric, un grand merci pour cette répétition/apéro (oups!) de ma soutenance de thèse. Une
mention particulière pour Rachel qui a pris un peu de son temps pour relire mon résumé et me
confirmer que mon londonien écrit n’est pas si mauvais que ça.

Bouzigue et Patrak, les compères, parce que Bouzigue ne va pas sans Patrak (bien évidemment)!!!
Bouzigue, je te remercie pour toutes ces soirées passées ensemble, pour les conseils donnés de thésard
à thésard, et, je ne pouvais pas taire cela, pour le « passpat » que tu as mis dans tes remerciements.
C’est un ustensile très utile d’abord (pour ceux qui liront ces remerciements, à vous de deviner ce que
c’est, ce n’est pas trop difficile)! Patrak, je ne sais pas, mais je te remercie quand même (Je n’ajouterai
rien de plus, tu ne l’as pas volé!).

La géniale équipe N3 des « Chiens Fous » de Colomiers, qui, comme le dit si bien mon Titi « ne brille
pas forcement sur le terrain, mais au moins, réunit une belle bande de potes ». Merci, à tous les boys
pour ces grands moments de sportivité tant défoulants que détendants. Je cite nos incroyable
talents : Titi (non, Clermont ne gagnera pas le championnat cet année, ni l’année prochaine d’ailleurs),
Tib (la hyène), Max (quand il n’est pas blessé), JC (quand il est là), Mat et Pikachou (les
intermittents), Nico (râle pas grand!!), Ch’bib, Jé, Eric, Ced (Captain’ Crochet), les nouveaux, David
(intoxiqué ?), Medhi et Nathan, sans oublier les pièces maîtresses de l’équipe, nos combatifs portiers,
Bob (le latino!!), Grosquick et Lionel et ceux qui nous ont quitté ou viennent nous voir de temps en
temps, Jeffounet, Choune (vendu!!), Ludo, Oups et Tigrou.

Je tiens aussi à remercier ma famille : tout d’abord mes parents, qui m’ont soutenu tout au long de ces
années de thèse, mon frère, ainsi que ma sœur, qui m’a fait profiter de sont expérience de doctorante.

Et enfin, je garde la meilleure pour la fin!!! Je voudrais adresser un immense merci à Sandrine, qui a
toujours été présente au quotidien et qui m’a aussi supporté pendant ces longs moments difficiles,
alors qu’elle-même avait son propre travail de thèse à finir. Merci pour tous ces instants partagés où
nous nous sommes tenus les coudes. Je ne t’en serai jamais assez reconnaissant.


* * *












4 Table des matières

TABLE DES MATIERES


Normes citées dans ce mémoire ............................................................................................. 11

Introduction ............................................................ 13

Chapitre I. La préservation du bois et ses enjeux environnementaux .............................. 17
I.1. Le bois : structure hiérarchique et anatomique...................................................................... 21
I.1.1. De l’arbre à la cellule ......................................................................................................................... 21
I.1.2. L’ultrastructure de la cellule unitaire du bois ................................................. 26
I.1.3. Les molécules constitutives du bois ................................................................................................... 27
I.1.3.1. La cellulose ...................................................................................................................... 28
I.1.3.2. Les lignines ................................ 29
I.1.3.3. Les hémicelluloses ........................................................................................................................................... 30
I.1.3.4. Les autres composés du bois ............................................................................................ 31
I.2. L’altération du bois par les agents biologiques ....................................... 33
I.2.1. Les champignons ................................................................ 34
I.2.2. Les insectes .......................................................................... 38
I.2.2.1. Les coléoptères ................................................................................. 38
I.2.2.2. Les termites ...................................................... 39
I.2.3. Les térébrants marins ........................................................................................................................ 40
I.2.4. Les classes de risque biologique (classes d’emploi).......................................................................... 40
I.3. La durabilité naturelle du bois ................................. 43
I.4. La durabilité conférée au bois .. 45
I.4.1. Les procédés d’imprégnation ............................................................................ 46
I.4.2. Les produits biocides de première génération ................................................. 50
I.4.3. Contexte réglementaire ...................................................................................................................... 53
I.4.3.1. Réglementation concernant l’utilisation des produits contenant de l’arsenic ................................................... 53
I.4.3.2. La directive « biocide » .................................................................................................... 53
I.4.3.3. Le cas particulier des créosotes et l’évolution de la réglementation ................................. 44
I.4.4. Les produits biocides de deuxième génération ................................................................................. 55
I.4.5. Méthodologie proposée pour le choix d’un procédé et d’un produit biocide ................................ 57
I.5. Les nouvelles alternatives aux traitements traditionnels ....................................................... 59
I.5.1. Les nouvelles formulations biocides (troisième génération) ........................... 59
I.5.2. L’acétylation ....................................................................................................... 60
I.5.3. Le traitement du bois par les anhydrides mixtes ............................................................................. 61
I.5.4. La furfurylation .. 62
I.5.5. Les silanes, les silicones et les silicates ............................................................................................. 63

5 Table des matières

I.5.5.1. Les silanes ........................................................................................................................................................ 63
I.5.5.2. Les micro-émulsions ........................................................................................................................................ 64
I.5.5.3. Les silicates inorganiques . 65
I.5.6. Les résines ........................................................................... 66
I.5.7. Les traitements thermiques du bois .................................. 68
I.5.8. L’oléothermie ...................................................................... 70
I.5.9. Autres alternatives non industrialisées ............................................................................................. 70
I.5.9.1. Les chitosanes .................................................................................. 70
I.5.9.2. Les anhydrides à longue chaîne aliphatique ..................................... 71
I.5.9.3. Autres réactions possibles sur le bois ............................................................................... 71
I.5.9.4. Les métabolites secondaires ............................. 74
I.5.10. Les anhydrides alkényles succiniques (ASAs) .................................. 74
I.6. Références bibliographiques ..................................................................... 78

Chapitre II. Etude de la synthèse d’anhydrides alkényles succiniques pour la protection
du bois...................................................................................................................................... 85
II.1. Synthèse des ASAx ................................................................................... 89
II.1.1. Généralités sur les anhydrides alkényles succiniques .................................... 89
II.1.2. Préparation des esters d’alkyle d’huiles de colza et de tournesol par transestérification .......... 93
II.1.3. Maléinisation des esters d’alkyles : synthèse des ASAx ................................. 96
II.1.4. Caractérisation des ASAx ................................................................................................................ 98
II.2. Sélection de l’ASAx présentant le meilleur potentiel pour le traitement du bois............. 102
II.2.1. Les critères de sélection du meilleur ASAx ................................................... 102
II.2.2. Mesure du gonflement du bois après traitement à l’ASAx ......................................................... 103
II.2.3. Réactivité chimique des différents ASAx ...................................................................................... 104
II.2.4. Détermination de la reprise en eau et de la stabilité dimensionnelle après immersion dans l’eau
..................................................................................................................................................................... 108
II.2.5. Test de lessivage (lixiviation) .......................................................................... 112
II.2.6. Bilan des premiers essais ................................................................................ 113
II.2.7. Tests biologiques accélérés (méthode CIDEMCO) ...................................... 116
II.2.7.1. Test accéléré pour la pourriture molle ........................................................................... 117
II.2.7.2. Résultats du test accéléré pour la pourriture molle en termes de perte de masse .......... 118
II.2.7.3. Test accéléré de résistance contre les termites .............................................................................................. 119
II.3. Conclusion ................................................................................................ 121
II.4. Références bibliographiques ................................. 122

Chapitre III. Etude d’un procédé de traitement du bois en vue de l’amélioration de la
pénétration de l’ASA dans la paroi cellulaire .................................................................... 125
III.1. Traitements impliquant des émulsions ............................................... 130
III.1.1. Mise en émulsion de l’ASABu ...................................................................... 130

6 Table des matières

III.1.2. Traitement des éprouvettes de bois en présence d’émulsions d’ASABu .................................. 132
III.1.3. Evaluation de la pénétration dans la paroi cellulaire (PPC) ..................................................... 134
III.1.3.1. Détermination qualitative de la PPC par fluorescence/CLSM ..... 134
III.1.3.2. Taux de greffage de l’ASABu ..................................................................................................................... 138
III.1.3.3. Propriétés mécaniques ................................................................................................. 140
III.1.3.4. Stabilité dimensionnelle............................................................... 142
III.2. Traitements sans agent de gonflement ......................................................................... 143
III.2.1. Présentation des procédés testés ................................................................... 143
III.2.2. Evaluation de la pénétration dans la paroi cellulaire (PPC) ..................................................... 145
III.2.2.1. Détermination qualitative de la PPC par fluorescence/CLSM ..... 145
III.2.2.2. Taux de greffage de l’ASABu ..................................................................................................................... 148
III.2.2.3. Propriétés mécaniques ................................................................................................. 149
III.2.2.4. Stabilité dimensionnelle............................................................... 150
III.3. Premières conclusions .......................................................................... 152
III.4. Références bibliographiques................................................................ 155

Chapitre IV. Optimisation des paramètres opératoires de traitement du bois .............. 157
IV.1. Etude du greffage sur la cellulose et sur les sciures de bois .............................................. 161
IV.1.1. Préparation de la cellulose et des sciures ..................................................................................... 161
IV.1.2. Détermination des meilleures conditions de greffage sur la cellulose ....................................... 162
IV.1.3. Détermination des nditions de greffage sur les sciures de bois ............................ 163
IV.1.3.1. Etude de l'influence de la température, de la durée de la réaction et du taux d'humidité ............................. 163
IV.1.3.2. Etude de l'influence de la pression au sein de l’autoclave ........................................................................... 166
IV.2. Etude des propriétés du bois en fonction des conditions de traitement ........................... 170
IV.2.1. Influence de la température et du taux d’humidité des échantillons sur la stabilité
dimensionnelle et la résistance mécanique ............................................................................................... 170
IV.2.1.1. Stabilité dimensionnelle .............................................................................................................................. 170
IV.2.1.2. Propriétés mécaniques ................................. 174
IV.2.2. Etude de l’influence d’un traitement en autoclave ..................................... 178
IV.2.2.1. Stabilité dimensionnelle .............................................................. 179
IV.2.2.2. Propriétés mécaniques ................................. 181
IV.2.2.3. Aspect de la surface ..................................................................... 183
IV.3. Conclusion ............................................................................................................................. 185
IV.4. Références bibliographiques ............................................ 186

Chapitre V. Etude des propriétés de résistance biologique du bois traité ...................... 188
V.1. Etude de la résistance à l’encontre de la pourriture molle ................................................. 194
V.1.1. Rappel de la norme ENV 807 ......................................................................... 194
V.1.2. Résultats du test normalisé ............................................. 195
V.2. Etude de la résistance à l’encontre des champignons basidiomycètes ............................... 199

7 Table des matières

V.2.1. Rappel de la norme EN 113 ............................................................................................................ 199
V.2.2. Résultats du test normalisé ............................................. 200
V.3. Etude de la résistance à l’encontre des termites .................................. 203
V.3.1. Rappel de la norme EN 117 ................................................................ 203
V.3.2. Résultats du test normalisé 204
V.4. Etude de la résistance à l’encontre des capricornes des maisons ....................................... 205
V.4.1. Rappel de la norme EN 47 .............................................................................................................. 205
V.4.2. Résultats du test normalisé ............................................. 206
V.5. Effet de la température et de la pression sur les propriétés biologiques. .......................... 207
V.6. Conclusion ............................................................................................................................... 209
V.7. Références bibliographiques ................................. 211

Chapitre VI. Etude en vue de la compréhension des phénomènes .. 213
VI.1. Essais complémentaires de stabilité dimensionnelle .......................................................... 217
VI.2. Observations microscopiques .............................................................. 222
VI.3. Etude des modifications chimiques des constituants du bois traité ................................. 225
VI.3.1. Analyse infrarouge du bois traité ................................. 225
VI.3.2. Analyse par RMN CP-MAS 13C du bois traité .......................................... 230
VI.3.3. Analyses qualitatives des composés organiques volatiles ........................... 236
VI.3. Conclusion ............................................................................................................................. 238
VI.4. Références bibliographiques ................................ 239

Conclusion générale ............................................................................................................. 241

VII. Partie Expérimentale ................................................................................................... 247
VII.1. Produits, réactifs et matières premières ............................................ 251
VII.2. Synthèse des ASAx .............................................. 252
VII.2.1. Protocole opératoire pour la préparation des esters d’alkyle .................................................. 252
VII.2.2. Maléinisation des esters d’alkyle ................................................................................................ 254
VII.2.3. Analyse des ASAx ........................................................................................................................ 255
VII.3. Formulation des ASAx ........................................................................ 257
VII.4. Traitement de la cellulose ................................... 258
VII.4.1. Préparation de la cellulose par échange de solvant ................................... 258
VII.4.2. Traitement de la cellulose ............................................ 259
VII.5. Obtention et caractérisation des poudres de bois ............................. 260
VII.6. Traitement des sciures ........................................................................................................ 263
VII.6.1. Traitement dans des mini-réacteurs ............................................... 263
VII.6.2. Traitement dans un autoclave ......................................................................................... 263

8 Table des matières

VII.7. Analyses de la cellulose et des sciures ................................................................................ 264
VII.7.1. Détermination du greffage .......................................................................... 264
VII.7.2. Analyse des modifications chimiques ......................................................................................... 265
VII.8. Détermination des caractéristiques des échantillons traités............................................ 268
VII.8.1. Rétention, gonflement, reprise en eau et stabilité dimensionnelle ........................................... 268
VII.8.2. Tests mécaniques en flexion trois points .................................................................................... 270
VII.8.3. Caractérisation de l’état de la surface et du relargage d’ASABu 271
VII.9. Observations et analyses microscopiques ......................................... 272
VII.9.1. Observations et analyses par spectroscopie de fluorescence couplée à la microscopie confocale
..................................................................................................................................................................... 272
VII.9.2. Observations par microscopie électronique à balayage ............................ 273
VII.10. Analyse des émissions de COV par le bois traité 274
VII.11. Tests biologiques ............................................................................................................... 275
VII.11.1. Tests accélérés ............................................................................................ 275
VII.11.2. Tests normalisés ......................... 277
VII.12. Références bibliographiques ............................................................................................ 281


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