Le bois est un matériau de construction hors du commun; solide, léger et esthétique, il permet la construction de bâtiments sécuritaires et accueillants. De plus, en tant qu’important puit de carbone, il est un excellent outil pour combattre l’accumulation de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Étant de nature biologique et hygroscopique, il est cependant sujet à être dégradé par divers agents biotiques et abiotiques. Parmi ceux-ci, les changements de dimensions, suite à l’adsorption et la désorption d’eau, et la biodégradation limitent beaucoup son usage à l’extérieur des bâtiments. Fort heureusement, la dégradation peut être limitée de plusieurs façons, comme en adoptant des pratiques de construction qui réduisent l’exposition du bois aux sources de dégradation et en utilisant différents traitements. Cette thèse, divisée en trois axes, s’est dédiée au développement d’une barrière pénétrante, un traitement du bois permettant à la fois son imprégnation et son revêtement. Le premier axe s’est concentré sur le développement de la partie pénétrante du traitement et ses performances pratiques. Dans le second axe, la partie pénétrante a été caractérisée de manière plus descriptive pour assurer une protection durable. Finalement, lors du troisième axe, des résines acryliques ont été ajoutées au traitement en guise de partie barrière. Le premier axe a permis de développer une partie pénétrante inspirée du traitement Tru-Core® de la compagnie américaine Kop-Coat et d’évaluer son efficacité sur le pin blanc (Pinus strobus L.) et l’épinette blanche (Piceaglauca (Moench) Voss). Celle-ci utilise des oxydes d’amines tertiaires pour permettre l’imprégnation du bois par diffusion, évitant les procédés classiques nécessitant des cycles de vide et de haute pression. Les oxydes d’amines permettent la solubilisation de fongicides organiques et leur transport dans le bois, améliorant la résistance à la biodégradation du bois traité. Ils réduisent également les changements de dimensions provoqués par les fluctuations d’humidité relative. Le traitement a permis une inhibition presque complète de la dégradation du champignon à pourriture brune Rhodonia placenta, alors que les échantillons témoins ont perdu plus de 22% de leur masse initiale. Des essais de stabilité dimensionnelle ont montré une réduction de 29% des changements de dimensions chez le pin blanc et de 24% dans le cas de l’épinette. Ces résultats se situent loin de ce qui est obtenu par d’autres traitements, comme l’acétylation, qui peuvent atteindre jusqu’à 70%. Ces traitements son tcependant accompagnés de besoins en équipements beaucoup plus sophistiqués, de coûts et de consommations énergiques supérieurs, et d’un gain de masse de plus de 20% du bois traité. Dans le cas de la barrière pénétrante, le gain masse s’est limité à 1-2%. Lors du deuxième axe, des aspects plus techniques et descriptifs du traitement ont été évalués. Bien qu’ils n’affectent pas directement ses performances, ces aspects sont des indicateurs du niveau de protection du traitement. Des essais de profondeur de pénétration, à partir d’une teinture indigo, ont indiqué que les fongicides ne pénètrent que de deux millimètres dans le bois, et seulement longitudinalement. L’indigo a été sélectionnée pour sa structure chimique et sa masse moléculaire, qui sont celles qui se rapprochaient le plus des fongicides utilisés parmi toutes les teintures disponibles. Pour leur part, les oxydes d’amines ont imprégné le bois plus profondément et dans toutes les directions principales. Les fongicides imprégnés ont été quantifiés par chromatographie liquide, indiquant une concentration supérieure à celle suggérée par les normes en matière de protection du bois (minimum 0.040 kg/m3). Même après deux semaines de lessivage par immersion, la concentration des fongicides représentait encore entre 50% et 200% des recommandations des normes, selon l’espèce et le traitement utilisé. Il est donc raisonnable de s’attendre à ce que la protection antifongique reste efficace sur une longue durée. Lors du troisième axe, des résines acryliques commerciales ont été ajoutées à la formulation développée en guise de partie barrière. Plusieurs propriétés des revêtements ont été évaluées, avant et après vieillissement artificiel, en portant une attention particulière sur l’influence de la partie pénétrante sur celles-ci. L’adhérence du revêtement a sensiblement diminué en présence de la partie barrière, tel qu’évalué par des tests d’arrachement. En effet, une rupture à l’interface bois-revêtement était parfois observée à des valeurs inférieures à 2 MPa. La perméabilité à l’eau liquide a environ doublé, mais celle à l’humidité relative n’a pas été affectée. La pénétration de la teinture indigo a légèrement diminué en présence de la résine acrylique, résultat de la viscosité plus élevée des solutions de traitement. / Wood is an outstanding building material; hard, light and aesthetic, it allows the construction of safe and welcoming buildings. Furthermore, as an important carbon sink, it is a great tool to prevent the accumulation of carbon dioxide in the atmosphere. Being biologic and hygroscopic, it is however subject to degradation by diverse biotic and abiotic agents. Amongst those, dimensional changes, following the absorption and desorptionof water, and biodegradation limit its use outdoor. Fortunately, degradation may be limited by adopting building practices which reduce the exposition of wood to the sources of degradation and by using wood treatments. This thesis, divided in three axes, was dedicated to the development of a penetrating barrier, a wood treatment allowing both its impregnation and coating. The first axis was focused on the development of the penetrating part of the treatment and its service performances. During the second axis, the penetrating part was characterized to ensure durable performances. Finally, during the third axis, acrylic resins were added to the treatment as a barrier part. The first axis allowed the development a penetrating part, inspired by the Tru-Core® treatment of the American company Kop-Coat, and the evaluation of its service performances on eastern white pine (Pinus strobus, L.) and white spruce (Picea glauca (Moench) Voss). It used tertiary amine oxides to allow the impregnation of wood through diffusion, avoiding the classic processes relying on vacuum and high pressure. The amine oxides allow the solubilisation of organic fungicides and their transportation into the wood, improving the treated wood’s resistance to biodegradation. They also reduce the dimensional changes induced by the fluctuating relative humidity. The treatment allowed an almost complete inhibition of the degradation from the brown-rot fungi Rhodonia placenta, while untreated samples lost more than 22% of their initial mass. Dimensional stability tests showed 29% less dimensional changes in white pine and 24% in white spruce. These results do not meet the performances of other treatments, like acetylation, which can attain as much as 70%. These treatments however need more sophisticated equipment, are more expensive and energy consuming, and increase the density of the treated wood by more than 20%. With the penetrating barrier, the mass increase is limited to 1-2%. During the second axis, more descriptive and technical aspects of the treatment were evaluated. While they do not directly affect the performances of the treatment, these aspects indicate the level of protection offered by the treatment. Penetration depth tests, performed with an indigo dye, indicated that the fungicides penetrated 2 mm deeps into the wood, and only longitudinally. The amine oxides impregnated deeper than the dye, and in all the principal axes of the wood. The amount of fungicides impregnated was quantified by liquid chromatography, indicating higher concentrations of fungicides than the 0.040 kg/m3 requested by the wood preservation standards. Even after two weeks of leaching through immersion, the concentration was still higher than the recommendations of the standards. For the third axis, commercial acrylic resins were added to the formulation as the barrier part of the treatment. Many properties of the coatings were evaluated, before and after artificial aging, according a particular attention to the influence of the penetrating part on the former. The adhesion of the coatings were substantially reduced, as evaluated with pull-off tests showing fracture at the wood-coating interface at values below 2 MPa. The permeability to liquid water slightly increased, although the permeability to relative humidity was not affected. The penetration of the indigo blue dye was slightly diminished by the acrylic resins, as a result of the increased viscosity of the treatment solutions.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'utilisation des revêtements photopolymérisables cent pourcent solides est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour protéger les produits finaux du bois des rayures, de l'abrasion et des attaques chimiques, tout en créant également l'apparence souhaitée en matière de brillance. L'une des façons de contrôler la brillance de la surface du revêtement est de créer une rugosité de surface en ajoutant des particules solides à la composition du revêtement. En raison de l'absence de composés organiques volatils (COV) dans la composition du revêtement à durcissement UV 100% solides, la présence d'agents de matage à la surface du revêtement est réduite et, par conséquent, leur effet sur la création de la rugosité diminue. Il est donc essentiel de trouver un type d'agents de matage approprié ainsi qu'une méthode efficace de création de rugosité. Cette étude a examiné les particules magnétiques en tant que nouveau type d'agent de matage dans la formulation du revêtement à durcissement UV et par exposition à un champ magnétique externe. Les particules ont été soumises à des modifications afin de garantir leur bonne dispersion au sein de la formulation. Par conséquent, les particules d'oxyde de fer (Fe₃O₄) enrobées de polymère et les particules de pentacarbonyle de fer (Fe(CO)₅) ont été modifiées avec un l'aminosilane (APTES) avant d'être ajoutées à la formulation du revêtement. Cette recherche a étudié l'effet combiné de l'ajout de particules magnétiques et de l'application d'un champ magnétique pendant la polymérisation UV sur la brillance de la surface du revêtement, en raison de la création de particules magnétiques assemblées sous l'effet du champ magnétique. La brillance de la surface a été caractérisée à l'aide d'un brillancemètre, et la rugosité de la surface a été mesurée à l'aide d'images 3D prises par le microscope numérique Keyence. De plus, dans cette étude, l'impact de la nature des particules, de leur concentration et de leur méthode de modification, ainsi que l'effet des paramètres du champ magnétique, y compris son type et sa puissance, sur la brillance finale de la surface et l'uniformité de la surface finale ont été évalués. / One hundred percent solids ultraviolet-curable coating is one of the most used methods to protect final wood products from scratches, abrasion, and chemical attacks and also to create a desired appearance in terms of gloss. One of the ways to control the coating's surface gloss is to create surface roughness by adding solid particles to the coating composition. Due to the absence of volatile organic compounds (VOC) in 100% solids UV-curable coating composition, the presence of matting agent at the coating surface is reduced and hence, their effect on the creation of roughness diminishes. Therefore, finding a suitable matting agent type and efficient roughness creation method is essential. This study investigated magnetic particles as a new matting agent type in the UV-curable coating formulation to be photo-polymerized under an external magnetic field. The particles required modification to ensure their proper dispersion within the formulation. Therefore, the polymer-coated iron oxide (Fe₃O₄) particles and iron pentacarbonyl (Fe(CO)₅) particles were modified with aminosilane (APTES) before being added to the coating formulation. This research investigated the combined effect of adding magnetic particles and applying magnetic field during UV-curing on the coating's surface gloss due creating self-assembled magnetic particles under magnetic field. The surface gloss was characterized through glossmeter, and the surface roughness was measured by 3D images taken using a Keyence digital microscope. Moreover, in this study, the impact of particles' nature, concentration, modification method, and the effect of magnetic field parameters, including its type and strength, on the final surface gloss and the uniformity of the final surface have been assessed.

L'industrie de la protection du bois est actuellement en pleine révolution, motivée par de nombreuses pressions visant à protéger l'environnement et la santé publique. Plusieurs pistes sont actuellement explorées dont certaines proposent d'employer des produits issus de la biomasse. La pyrolyse peut répondre à ce problème en fournissant une huile à fort contenu phénolique issue de résidus forestiers, actuellement peu valorisés et pouvant présenter certains risques environnementaux. L'objet de la présente étude est donc de vérifier le potentiel d'une résine à fort contenu d'huile pyrolytique dans un rôle de préservation du bois en évaluant les performances dans trois grands domaines d'importance : la résistance au lessivage, la résistance face à la dégradation fongique et l'impact du traitement sur les propriétés mécaniques. L'étude est complétée par une étude rhéologique de la résine afin d'optimiser les processus d'imprégnation et de cuisson. Il a été observé que le lessivage d'un additif, le chlorure de cuivre, a été grandement diminué par l'imprégnation du bois par les différentes résines, les résultats, en termes de pourcentage de rétention, dépassant même ceux d'un produit actuellement commercialement employé. De même, les résultats en termes de protection contre les divers champignons de pourriture employés ne sont pas significativement différents de ceux obtenus avec les contrôles industriels. Les propriétés mécaniques du bois traité en deux étapes avec le sel de cuivre et la résine phénol-formaldéhyde - huile pyrolytique sont davantage affectées par la concentration en sel inorganique absorbé que par la présence de l'huile, effet davantage visible avec le module de rupture. Sinon, les échantillons sont similaires aux contrôles non traités. L'étude rhéologique a mis en lumière le comportement de type Bingham des mélanges phénol-formaldéhyde - huile de pyrolyse à température d'imprégnation, permettant de fournir des équations prédictives. L'accélération de la cuisson suite à l'ajout de chlorure de cuivre aux résines a également été démontrée par les tests rhéologiques, celui-ci ayant un impact plus important sur les résines contenant de l'huile pyrolytique. / The wood preservation industry is currently in revolution, motivated by strong environmental and public health concerns. Many paths are being explored to find interesting substitutes to the traditional preservatives, with many derived from biomass. Pyrolysis can provide a high phenol content oil obtained from forest residues, currently not valorized and presenting potential environmental impacts. The object of the present study is thus verifying the potential of a high pyrolytic oil content resin for a wood preservation rule by evaluating its performance in three broad areas of importance: leaching reduction, fungal decay resistance and the treatment impact on the treated wood mechanical properties. The study is completed by a rheological study of the resins to optimize the impregnation and curing processes. It has been observed that the leaching of an additive, copper chloride, was significantly reduced after the wood impregnation by the various resin formulations. The results, in terms of retention percentages, even surpassed those of a currently commercialized product. The reduction of weight loss by fungal decay fungi were also found to be similar to the results obtained with industrial controls. The mechanical properties of wood samples treated in a two-step treatment with a copper salt and the phenol-formaldehyde - pyrolytic oil resin are more importantly affected by the concentration in inorganic salt absorbed than by the presence of pyrolytic oil, the effect being more apparent on the rupture modulus. Otherwise, most treated samples were found to be similar to the untreated wood samples. The rheological study shed light on the Bingham nature of the phenol-formaldehyde - pyrolytic oil blends in the range of impregnation temperatures, allowing for predictive equations to be developed. The curing was found to be accelerated by the addition of copper chloride to the resins containing pyrolytic oil was also proven by the rheological tests.

Les produits de bois à des fins de parement subissent une dégradation accélérée face aux conditions atmosphériques comparativement aux autres produits de finition extérieurs. Cette dégradation entraine une perte de la stabilité dimensionnelle. Le bois doit être modifié afin d’ajouter de la valeur au produit et de contrer la dégradation naturelle. L’approche privilégiée consiste en l’imprégnation du bois par un mélange d’acide citrique et de glycérol pouvant réagir à de hautes températures formant un polymère réticulé. L’optimisation de ce traitement, bien que permettant d’augmenter la stabilité dimensionnelle du bois, a pour effet de diminuer de manière significative le temps et la température de la réaction de polymérisation. L’objectif des travaux présenté dans ce mémoire était de rendre viable industriellement ce procédé par l’optimisation des paramètres de polymérisation de la réaction d’estérification. Les formulations d’acide citrique et de glycérol conventionnelles, non optimisées, ont servi de témoins. La composition des formulations, le ratio des réactifs, le choix des catalyseurs, le type d’imprégnation et les espèces de bois compatibles ont permis de déterminer les meilleures conditions de polymérisation. Deux catalyseurs ont été identifiés comme performants et ils ont incorporés dans les formulations optimisées. L’imprégnation de ces formulations dans les échantillons de pin tordu et de pin blanc a permis une réduction considérable de l’énergie et du temps nécessaire à la formation du polymère dans le bois tout en augmentant davantage la stabilité dimensionnelle par rapport aux échantillons témoins. / Wood products used for exterior siding suffer from accelerated degradation due to weathering compared to other finishing products. This degradation leads to a loss of dimensional stability. In order to counter this effect, wood must be modified. The approach selected was to impregnate wood with a mixture of citric acid and glycerol able to react at high temperature to form a cross-linked polymer. The optimization of this treatment has for effect to reduce significantly the time and temperature needed for the polymerization reaction. This project has for objective to render this treatment industrially viable by modifying the reaction’s parameters. Unoptimized citric acid and glycerol mixtures were used as control. The mixture’s composition, ratio of the reactants, choice of catalysts, energy systems, impregnation types and compatibles wood species allowed to determine the best reaction conditions for polymerization. The best and efficient catalysts were added to optimized formulations, then impregnated in white pine and lodgepole pine wood samples. These impregnations allowed reducing considerably the energy and time needed to form the polymer inside the wood cell walls and to increase the dimensional stability over untreated samples.

Ce travail cherche à élaborer une méthode de résolution pour une équation non linéaire de l'écoulement d'un fluide, en milieu poreux, par une technique de calcul hybride ou de calcul numérique. Des résultats fiables sont obtenus pour la perméabilité par une méthode numérique partiellement implicite et conservative, à partir de la théorie des différences finies. Les essais réels consistant à enregistrer la pression par des capteurs mécaniques ont été réalisés sur l'épinette blanche. Les résultats ont été extrapolés pour simuler le développement de la pression interne, durant les phases initiales des procédés Rüping et Bethell, dans un poteau théorique avec des proportions fixes d'aubier et de coeur.

Ce travail de thèse présente trois grands axes. Le premier axe traite de la synthèse de microsphères de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) encapsulant des absorbeurs d’UV organiques (UVA) et des piégeurs de radicaux (HALS) nécessaires à la protection UV des finitions. Le second axe étudie un système d’encapsulation stimuli-sensible pour la libération des stabilisateurs de lumière. Le dernier axe a pour but de comparer l’efficacité des deux systèmes par rapport à leur protection UV dans une application de finition claire acrylique extérieure pour le bois. Dans le premier axe, des microsphères de PMMA contenant des UVA et des HALS ont été synthétisées par la méthode de séparation de phase interne. Les microsphères ont été ajoutées à une résine claire destinée à des applications extérieures, puis appliquées sur du bois d’épinette blanche. Plusieurs formulations ont été réalisées avec des composés libres ou des composés encapsulés. Certaines contiennent des absorbeurs UV et HALS libres, ce qui est comparable aux formulations commerciales disponibles sur le marché présentement, d’autres possèdent plusieurs concentrations différentes en composés encapsulés. La performance des finitions a été évaluée après un vieillissement artificiel. La comparaison permet d’évaluer l’utilité de microsphères avec des stabiliseurs UV dans des finitions claires extérieures pour le bois. Une bonne résistance des finitions contre les UV se traduit par une bonne tenue esthétique de la finition et du bois, un faible changement de couleur du bois ainsi qu’une faible dégradation chimique. Les analyses telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la microscopie électronique à transmission (MET) et la colorimétrie ont permis d’obtenir les résultats. Dans le second axe, le système est amélioré de façon à le rendre sensible à l’intensité lumineuse. L’utilisation d’un polymère changeant de conformation suivant le rayonnement peut permettre d’optimiser la libération des stabiliseurs UV. Le poly(1-(4-(3-carboxy-4-hydroxyphényl-azo)benzènesulfonamido)-1 ,2-éthanediyl) ou (PAZO) est additionné sur des supports en CaCO3 contenant les stabiliseurs UV. L’encapsulation des composés se fait par coprécipitation de carbonate de sodium (Na2CO3) et de chlorure de calcium (CaCl2). L’assemblage couche par couche permet de déposer des polymères chargés sur le support. Le PAZO est déposé après une couche de chlorure de poly(diallyldiméthylammonium) (PDADMAC). Les particules obtenues sont ajoutées à une formulation de finition claire complète. Les échantillons ont été placés en chambre de vieillissement accéléré. L’encapsulation a été démonté par spectrométrie photoélectronique des rayons X (XPS), MET et par analyse thermogravimétrique (TGA). La transition du polymère PAZO a été observée par colorimétrie. Dans le dernier axe, les deux systèmes ont été comparés en utilisation dans des finitions claires. Les films secs ont été placés en chambre de vieillissement artificiel pour tester leur efficacité. Après 1000 h de vieillissement artificiel, les films sont analysés et comparés au film initial. La technique d’imagerie en spectroscopie Raman permet de visualiser la distribution des protecteurs UV libres. L’analyse mécanique dynamique (DMA) a permis de calculer les modules mécaniques ainsi que la température de transition vitreuse (Tg) des films étudiés. Le dernier axe permet de relier la distribution des protecteurs UV et l’efficacité de protection du film. / The work presented in this thesis is divided in three research axis. The first axis regards the poly(methyl methacrylate) (PMMA) microspheres synthesis containing UV absorbers (UVA) and hindered amine light stabilizers (HALS). UVA and HALS work synergistically to prevent UV degradation in coatings. The second axis studies the synthesis of stimuli-sensitive encapsulation system for the tailored release of the UV stabilizers. The last axis compares the system efficiency in the case of UV protection for clear coat for exterior wood. In the first axis, PMMA microspheres with UVA and HALS were synthesized by the internal phase separation method. Microspheres are added to an exterior clear coat binder then applied onto white spruce panels. Some formulations are realized. Some contains free UVA and HALS similar to commercial paint and others have different concentrations in encapsulated compounds. Paint performance is evaluated after accelerated weathering. The comparison of formulations allow the evaluation of the efficiency of encapsulation of UV stabilizers inside the wood clear coat. The performance of coating consists on a good aesthetic resistance, a small color change and low chemical degradation. Obtained results are based on analysis with FTIR, TEM and colorimetry. In the second axis, the release of UVA is improved by the UV sensitive polymer. This polymer is able to change its own molecular conformation under UV rays. The poly(1-(4-(3-carboxy-4-hydroxyphenyl-azo)benzenesulfonamido)-1,2 -ethanediyl) or (PAZO) is deposited onto CaCO3 templates containing UVA encapsulated. The encapsulation is done by coprecipitation of Na2CO3 and CaCl2.The layer by layer allow the deposition of charged polymers. PAZO is adsorbed after a layer of poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC). The obtained particles are added to a complete clear coat formulation. Samples are placed in an accelerated weathering chamber. The encapsulation is proved by analysis techniques of XPS, TEM and TGA. Polymer PAZO transition is observed by colorimetry. In the last axis of this work, the two encapsulation systems are compared using encapsulated UV stabilizers inside a formulation of wood clear coat. Dried films are placed in accelerated weathering chamber in order to test their efficiency. After 1000 h of artificial weathering, films are analyzed and compared to the initial state. The mapping Raman technique allows to visualize the free UV stabilizers distribution inside the dried film. DMA calculate mechanical modulus and Tg of studied films. This last axis allows to connect distribution of UV protectors and efficiency of coating protection.

Ce travail de thèse présente deux grands axes. Le premier axe, touche les traitements du bois dans le but principal de réduire les variations dimensionnelles et d’améliorer la résistance à l’attaque des champignons lignivores. Le second axe quant à lui, touche l’aspect environnemental du traitement acide citrique-glycérol. Ce dernier a pour but principal de démontrer que le prolongement de la durée de vie en service du produit lambris traité, compense les impacts environnementaux causés par ce traitement. Dans le premier axe, deux traitements ont été réalisés sur deux essences de pin (Pinus strobus L. et Pinus contorta D.). Un traitement à l’anhydride maléique et un autre traitement avec une solution d’acide citrique – glycérol brute (AC-G). Dans le premier cas, les effets de deux paramètres (la durée de séchage et la température d’estérification) sur les résultats des essais de stabilité dimensionnelle, de résistance à la dégradation fongique et de vieillissement accéléré ont été évalués. Trois niveaux de durée de séchage après imprégnation (12 h, 18 h et 24 h) et trois niveaux de température d’estérification (140 °C, 160 °C et 180 °C) ont été considérés. Dans le second cas, après identification du meilleur catalyseur (HCl) et du meilleur ratio acide citrique – glycérol (3/1) pendant les essais préliminaires, les performances de ce traitement sur la stabilité dimensionnelle, la résistance à la pourriture fongique, la dureté de surface et l’adhérence des couches de revêtement de peinture sur la surface du substrat bois ont été analysées. Les résultats obtenus ont été appuyés par une suite d’analyses qualitatives et quantitatives pour mieux comprendre et expliquer. Les analyses qualitatives sont : (i) la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et (ii) la microscopie électronique à balayage (MEB) tandis que la quantitative, l’analyse par perte de masse a été faite par pesée. Dans le second axe, une analyse des impacts environnementaux du traitement AC-G a été effectuée par le biais du logiciel SimaPro v8. La base de données Ecoinvent v3 et la méthode d’analyse d’impact Impact 2002+ ont été utilisées dans cette partie du travail de thèse. Sur la base des résultats du second traitement (AC-G) et des travaux disponibles dans la littérature, nous avons estimé, une durée de vie en service des lambris traités. Les différents scénarios de la durée de vie du lambris traité mis sur pied par rapport à celle offerte aujourd’hui par l’industrie, nous permettent de modéliser les impacts environnementaux du traitement. A cette fin, l’analyse de cycle de vie (ACV) a été utilisée comme outil de conception. En conclusion, les paramètres, durée de séchage et température d’estérification influencent les résultats obtenus dans le cas du traitement du bois à l’anhydride maléique. La combinaison 24 h de séchage et 180 °C, température d’estérification, représente les paramètres qui offrent les meilleurs résultats de stabilité dimensionnelle, de résistance à la dégradation fongique et de vieillissement accéléré. Le traitement AC-G améliore la stabilité dimensionnelle, la résistance à la dégradation fongique et la dureté de surface des échantillons. Cependant, le traitement réduit l’adhérence des couches de peinture. Les impacts environnementaux produits par le traitement AC-G sont majoritairement liés à la consommation de la ressource énergie (électricité). Le traitement prolonge la durée de vie en service du lambris traité et il a été mis en évidence que le scénario de durée de vie qui permettrait que le lambris traité puisse se présenter comme un produit à faible impact environnemental par rapport au lambris non traité est celui d’une durée de vie de 55 ans. / The work presented in this thesis is divided in two research tracks. The first axis regards the wood treatment. The aim of that work, was to reduce dimensional variation and to improve the resistance to fungal decay. The work of the second track presents the environmental impact of the citric acid-glycerol treatment. The purpose was to demonstrate that, enhancement of the service life expectancy of the siding product compensates the environmental impacts of this treatment. In the first axis, two treatments were considered, one with maleic anhydride and the second with citric acid and glycerol mixture. For the first treatment, the effects of two parameters, drying time and esterification temperature were analysed and different performance tests were performed. These tests were: dimensional stability, decay and accelerate aging. Three drying times (12 h, 18 h and 24 h) and three levels of esterification temperature (140 °C, 160 °C and 180 °C) were examined. For the second treatment, after identification, during the preliminary test, of the best catalyst, hydrochloric acid (HCl), the best ratio treatment was identified (3/1). Dimensional stability, decay, hardness and pull-off tests were performed. For a better understanding of the obtained results, qualitative analyses were performed. These were Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electronic microscopy (SEM) analysis. Weight loss analysis was also performed as a quantitative analysis. In the second axis, the environment impact of citric acid and glycerol mixture treatment was evaluated by SimaPro software v8. Ecoinvent data base and Impact2002+ impact method were also used in this part of the study. Based on the results of the second treatment (citric acid and glycerol mixture) and the literature research, service life expectancy of siding wood treated was estimated. Different scenarios defined on the basis of the service life expectancy estimated. For this aim, life cycle assessment (LCA) was used as design tool. The drying time and esterification temperature parameters affect the results obtained in the case of the first treatment. Better results in terms of dimensional stability and accelerated aging, were obtained for the samples dried for 24 h and esterified at 180 °C. The citric acid and glycerol mixture treatment improves wood dimensional stability. Decay and hardness were improved compared to untreated samples. For the pull-off test, the treatment was found to reduce coating adhesion on the wood surface. The environmental impacts of the treatment process were mainly linked to the energy consumption (electricity). Citric acid and glycerol mixture treatment improves the service life expectancy of siding and the scenario of life service that presents treated lodgepole pine wood siding as more ecofriendly than the untreated one corresponds to 55 years.

Ce projet de maîtrise est réalisé sous la direction d’André Bégin-Drolet et Pierre Blanchet dans le cadre de la Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). L’objectif principal est de fournir des connaissances permettant de guider les processus de densification et d’augmentation de la dureté des lames de plancher d’ingénierie pour une production à l’échelle industrielle afin de rendre les planchers plus durables et résistants. La revue de littérature a, dans un premier temps, permis de conclure que l’imprégnation sous vide est la méthode de densification de surface la plus rapide et efficace dans le cas du bois. Les modèles discutés, dont celui de Fito et al.[1], ainsi que des modèles de mécanique des fluides, ont révélé les paramètres d’imprégnation optimaux. Parmi ceux-ci, il y a la viscosité de la formulation d’imprégnation qui doit être la plus faible possible afin de maximiser la pénétration dans les pores du bois. Le liquide s’imprègne en venant combler les pores du bois puis il se fige grâce à la polymérisation, rendant ainsi le bois plus durable. Dans un deuxième temps, il est proposé de faire de l’imprégnation sous vide en continu et de façon automatisée. Deux prototypes réels ont été conçus afin de confirmer les paramètres d’imprégnation choisis ainsi que de trouver une séquence d’opération. Finalement, un prototype automatisé permettant de faire l’imprégnation de planches de plancher d’ingénierie est présenté. Celui-ci est évalué à 125000$ pour les coûts totaux de fabrication et confère une cadence de production de 0.7 m²/s. / This master's project is carried out under the direction ofAndré Bégin-Drolet and Pierre Blanchet as part of the CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). The main objective is to provide knowledge to guide the densification and hardness increase of engineered floorboards of industrial scale production in order to make floors more durable and resistant. The literature review initially concluded that vacuum impregnation is the fastest and most effective method of surface densification for wood. The models discussed, including that of Fito et al.[1], as well as fluid mechanics models, revealed the optimal impregnation parameters. These include the viscosity of the impregnation formulation, which should be as low as possible in order to maximize penetration into the wood pores. The liquid impregnates by filling the pores of the wood and then sets through polymerization, making the wood more durable. In a second step, it is proposed to carry out vacuum impregnation continuously and automatically. Two real prototypes have been designed in order to confirm the chosen impregnation parameters as well as to find a sequence of operation. Finally, an automated prototype allowing the impregnation of engineering floor boards is presented. It is evaluated at $125,000 for total manufacturing costs and gives a production rate of 0.7 m²/sec.

Quatre axes de recherche ont été étudiés dans ce doctorat afin de répondre à un objectif global: avoir une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation de lambris d'un bâtiment en bois. Le premier axe a été imaginé dans le but d'élaborer de bonnes pratiques d'utilisation des méthodes de vieillissement. Les dégradations issues de quatre expositions ont été caractérisées par des analyses de spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier (IR-FT) et colorimétrie. Une interprétation originale des modifications de couleur observées sur les échantillons a permis de formuler des recommandations sur les bonnes pratiques d’utilisation de ces méthodes. De plus, ces connaissances ont permis de choisir les expositions les plus adaptées pour répondre aux questions scientifiques élaborées dans cette thèse. Le deuxième axe de ce doctorat s'est porté sur l'étude fondamentale de la photodégradation d'un bois par l'utilisation de la spectroscopie Raman. L’étude des contributions obtenues suite à l'analyse Raman des échantillons n’a pas permis d’obtenir de nouvelles informations sur les modifications chimiques que subit le bois suite à la photodégradation. Cette technique n’a pas été retenue pour étudier la dégradation du bois. Cependant, la sensibilité de l'appareil à la fluorescence a permis d'identifier un nouveau mécanisme de dégradation de la lignine. La sensibilité des carbones α et β à la photodégradation a pu être mise en évidence ainsi que la résistance de la liaison carbone-carbone 5-5’. Le troisième axe de ce projet s'est intéressé au développement d'une méthode prenant en compte les interactions pouvant exister entre photodégradation et dégradation biologique. Une échelle visuelle a été créée afin de suivre la colonisation d’échantillons de bois protégés avec un fini semi-translucide par deux fungi. Il est apparu que la photodégradation favorise la colonisation de deux fungi à tâches noires : Aureobasidium pullulans et Epicoccum nigrum. Les analyses par spectroscopie Infrarouge n’ont pas permis de mettre en évidence les mécanismes par lesquels les fungi prennent avantage de la photodégradation pour coloniser les échantillons. La présence de bulles dans le feuil de peinture a pu être mise en évidence à l’aide d’observations microscopiques. Après photodégradation ces bulles forment des zones de faible résistance entrainant la colonisation des fungi notamment par l’utilisation de structures fongiques telles qu’un transpressorium. La photodégradation et la dégradation biologique entrainent une diminution de l’adhérence du fini. Le dernier axe de ce projet de doctorat s'est intéressé à identifier le rôle de l’agent de coalescence, de la méthode d’application et d’une étape de sablage sur les propriétés du revêtement et sur la qualité et la morphologie du film. La capacité de la peinture à dégazer, le temps de séchage et la température minimale de formation de film (TMFF) ont été reliée aux propriétés de l’agent de coalescence. La brillance ainsi que la topographie de la surface de l’échantillon ont été ramenées à la qualité du fini. L’utilisation d’un agent de coalescence hydrophobe a mené aux meilleurs résultats. Globalement, les résultats obtenus ont permis d'identifier des fragilités et la résistance d’un fini acrylique en fonction : (i) de sa formulation, (ii) de la qualité du feuil sec, (iii) et de son exposition au vieillissement. Il a été possible de répondre aux objectifs spécifiques déterminés dans ce doctorat par la réalisation des quatre axes de recherche. L'ensemble des informations obtenues a permis de mieux comprendre les mécanismes et les causes impliqués dans la perte de performance d'une protection d’un lambris de bâtiments en bois. / Four lines of research have been studied in this manuscript in order to answer at the goal of this PhD: having a better understanding of the degradation mechanisms of wood siding building. The first line was designed to provide recommendations regarding good practice for effective use of the different weathering methods. Sample degradation was characterised with FTIR and colorimetric analysis. An original interpretation of color modifications observed on samples allowed recommendations to be provided. In addition, suitable exposures were chosen for each line of research. The second line of this PhD was about a fundamental study of wood photodegradation by using a Raman spectrophotometer. Interpretation of Raman contribution did not provide new relevant information on chemical modification underwent by the wood due to the photodegradation. Thus, this technique was not used to further study the degradation of wood. However, the sensitivity of this device to fluorescence has led to the identification of a new mechanism of lignin degradation. The sensitivity of α and β carbons to photodegradation has been demonstrated as well as the strength of the 5-5 carbon-carbon bond. The third line of this project was concerned with the development of a method taking into account the interactions that may exist between photodegradation and biological degradation. A visual scale was created in order to monitor the colonisation of samples coated with a clear protection. It was found that the photodegradation promotes the colonisation by two black stain fungi: Aureobasidium pullulans and Epicoccum nigrum. Infrared analyses did not reveal the mechanisms by which fungi take advantage of photodegradation to colonize the samples. The presence of bubbles in the paint finish was demonstrated by microscopic observations. After photodegradation, these bubbles form weak points for colonization by fungi through the protective layer. The use of structures such as a transpressorium has been highlighted. Photodegradation and biological degradation leads to a decrease of coating adhesion. The last line of this doctoral project was to identify the influence of the coalescing agent, the application method and a sanding step onto the paint properties and the quality and morphology of the film. The ability of the paint to degas, the curing time and the minimal film formation temperature (MFFT) were linked with the properties of the coalescing agent. Gloss as well as topography of the coating surface were characterized in order to qualify the coating quality. The use of a hydrophobic agent showed the best results concerning the parameters studied. Overall, the results obtained throughout the PhD allowed the identification of fragilities and weaknesses of an acrylic finish based on (i) its formulation, (ii) the quality of the dry finish, (iii) and its exposure to weathering. Specific goals determined in this PhD have been addressed. The whole of the information obtained helps to better understand of the mechanisms and causes involved in the loss of performance of a wood protection of a wood siding building.

Le développement de produits en bois transformés et ayant de la valeur ajoutée présente une occasion importante de bénéficier des ressources naturelles canadiennes pour l'industrie des produits en bois. Optimiser l’emploi de la ressource de la forêt par l'amélioration des traitements est une bonne manière d’ajouter une valeur ajoutée aux produits en bois. Nos objectifs ont visé le marché des produits d'application de plancher par un procédé approprié de modification du bois de mauvaise qualité. La combinaison de l'imprégnation, de la nanotechnologie et de l’utilisation de produits chimiques est une approche prometteuse pour améliorer les propriétés du bois telles que la dureté, la résistance à l'abrasion et la stabilité dimensionnelle. L'application de la nanotechnologie dans ce projet a fourni une nouvelle méthodologie pour développer des produits à valeur ajoutée pour l'industrie des produits en bois. Les nanocomposites en bois et polymère ont été préparés à partir du bois massif de peuplier (Populus tremuloides), de la résine hydrosoluble de type mélamine-urée-formaldéhyde (MUF), et de nanoargiles de silicates d'aluminium, appelées ‘montmorillonites’. Des nanoargiles hydrophiles et hydrophobes de montmorillonite ont été ajoutés aux MUF. La dispersion des nanoargiles est d’importance cruciale pour maximiser l'avantage de cet ajout de nanoparticules. À cette fin, les nanoargiles de montmorillonite ont été broyées et rectifiés avec un moulin à billes avant d'être mélangés à de la résine MUF et imprégnées dans le bois. Le bois a été imprégné de résine MUF, qui a polymérisé in situ dans certaines conditions. L'influence des nanoparticules de montmorillonite sur le comportement du bois suite au traitement avec de la résine MUF et les propriétés de visco-élasticité ont été étudiées par la calorimétrie à balayage différentiel (DSC) et l'analyse de DMTA (analyse thermique mécanique dynamique). Des améliorations significatives des propriétés physiques et mécaniques, telles que la dureté, la résistance à l'abrasion et le module d'élasticité (MOE) ont été obtenues pour les spécimens imprégnés de mélanges de résine MUF et de résines nanoargile-MUF. Des améliorations significatives de résistance à l'eau et de stabilité dimensionnelle ont été obtenues pour le bois traité par nanorenfort/MUF. L'efficacité antigonflante (ASE) a été améliorée de 63.3% à 125.6% pour le bois traité par nanorenfort/MUF. L'interactions à l’interface et la morphologie entre les nanorenforts, le MUF et le bois sur les propriétés physiques et mécaniques des nanocomposites en bois ont été étudiées en utilisant la spectroscopie des électrons de rayon-X, la microscopie électronique à balayage (SEM), la microscopie électronique de transmission (TEM), la microscopie à force atomique (AFM) et les méthodes de microanalyse de sonde électronique (EPMA). Les propriétés améliorées des bois ont pu être attribuées aux propriétés inhérentes aussi bien qu’à au meilleures interactions à l’interface du bois, de la MUF et des nanoparticules. Le traitement de moulin à billes a favorisé la dispersion des nanorenforts dans le bois, mais a décomposé les groupes fonctionnels sur la surface des nanoargiles hydrophobes, ce qui a été nuisible pour la liaison entre le nanorenfort et la matrice de MUF. Suite à l’acquisition d’images de la microsonde de fluorescence de rayons-X, les images de la distribution d’aluminium, élément uniquement présent dans l’argile, ont été analysées à l’aide du logiciel Wincell. En comparant ces images et les micrographies de microscopie conventionnelle à rayons-X, il a été constaté que les renforts de montmorillonite sont distribués de façon non-homogène dans la lamelle moyenne, la lamelle moyenne composée, la paroi primaire et le mur secondaire. Ces éléments fonctionnent comme des filtres qui ont capturé les nanoparticules de montmorillonite dans les régions amorphes c’est-à-dire non – cristallines de la paroi cellulaire. On a aussi observé l'adhérence entre la montmorillonite et la résine MUF par microscopie AFM. On a constaté que les groupes fonctionnels à la surface des montmorillonites hydrophobes jouent un rôle important de comptabilisation entre la montmorillonite nanoargile et la résine MUF, ce qui exerce une influence forte sur les propriétés physique et mécaniques des nanocomposites en bois/ nanoargile/MUF. / The development of value-added wood products from low-quality resource through innovative technology presents an excellent opportunity to maximize the value from the forest resource and thus contributes to the global competitiveness of the wood industry in Canada. To combine nanotechnology with chemical impregnation technique becomes particularly appealing to improve some value-added wood attributes such as wood surface hardness, abrasion resistance and dimensional stability. The combination of nanotechnology with the traditional impregnation technique has provided a new approach to improve the wood quality attributes of critical importance to value-added applications. In this study, wood polymer nanocomposites were prepared from solid aspen (Populus tremuloides) wood, water-soluble melamine-urea-formaldehyde (MUF) resin, and montmorillonite aluminium silicate nanoclays. Both hydrophilic and hydrophobic montmorillonite nanoclays were introduced to the system. The dispersion of nanoclay is crucial for completely utilizing the concept of nanoparticles. To do so, the montmorillonite nanoclays were ground with a ball-mill before being mixed with MUF resin and impregnated into the aspen wood. The wood samples were impregnated with resin, which polymerized in situ under specific conditions. The influence of the montmorillonite nanoparticles on the curing behaviour of MUF resin and visco-elasticity properties were investigated using differential scanning calorimetry (DSC) and dynamical mechanical thermal analysis (DMTA). Significant improvements in wood physical and mechanical properties, such as surface hardness, abrasion resistance, modulus of elasticity (MOE) were observed for the specimens impregnated with MUF resin and nanoclay-MUF resin mixtures. Significant improvements in water repellence and dimensional stabilities were also found for the nanofiller/MUF treated wood. The antiswelling efficiency (ASE) was improved from 63.3% to 125.6% for the nanofiller/MUF treated wood. This study also examined the influence of the interphase interactions and morphology between the nanofillers, MUF and wood on the physical and mechanical properties of the resulting wood-polymer nanocomposites using X-ray electron spectroscopy, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), atomic force microscope (AFM) and electron probe micro-analysis (EPMA). The improved wood properties could be ascribed to inherent properties as well as better interphase interactions between the wood, MUF and nanofillers. Ball-mill treatment favoured the dispersion of the nanofillers into the wood, but broke down functional groups on the hydrophobic nanoclay surface, which was detrimental for the bonding between the nanofiller and MUF matrix. The montmorillonite nanoclay coverage rate on the nanofiller/MUF wood nanocomposite surface was further investigated using the Wincell software analysis of the images of aluminium distribution. By duplicatine the image of aluminium distribution to the part was observed, it was found that the distribution of montmorillonite nanoclay looks like a network along the layer of ML (middle lamella), M (compound middle lamella), P (primary wall), S1 (secondary wall 1). These parts function like a sieve which captured the montmorillonite nanoparticles in the amorphous substance. The adhesion between montmorillonite and MUF resin was observed with AFM. It was confirmed that the functional groups of the organophilic montmorillonites play an important role on the compatibility between montmorillonite nanoclay and MUF resin, have strong influence on the physical/mechanical properties of the nanoclay/MUF wood nanocomposites.