L’objectif principal de cette recherche consistait à étudier l’influence de nanoparticules d’alumine et de silice sur les propriétés de revêtements nanocomposites UV-aqueux de type vernis pour les produits du bois. Les propriétés mécaniques (résistance à l’abrasion, dureté, résistance aux égratignures, résistance à l’impact et adhésion), optiques (brillance et couleur) et thermiques (stabilité thermique et température de transition vitreuse) ont été analysées et comparées à celles du vernis de référence ne contenant pas de nanoparticules. L’ajout de nanoparticules d’alumine et de silice a permis d’améliorer non seulement la résistance aux égratignures mais également l’adhésion des vernis nanocomposites. Cependant, la présence d’agrégats de nanoparticules, comme l’a démontré l’imagerie par microscopie électronique en transmission (MET), a entraîné une diminution des propriétés de résistance à l’abrasion, de dureté et de résistance à l’impact. Comme on pouvait s’y attendre, la présence des agrégats de nanoparticules, qui augmentent la rugosité de surface des vernis nanocomposites, a réduit la brillance des vernis bien que les propriétés de couleur n’aient pas changées en termes de clarté et de jaunissement. L’étude de la méthode de dispersions aux ultrasons a permis de mettre en évidence l’efficacité de cette technique de dispersion. En effet, la dispersion des nanoparticules d’alumine et de silice dans la matrice polyuréthanne-acrylate (PUA) au moyen des ultrasons a permis de réduire non seulement la taille des agrégats mais également leur quantité. De plus, l’amélioration de la dispersion des nanoparticules a permis d’améliorer les propriétés de dureté et de résistance à l’impact des vernis nanocomposites comparativement aux vernis à base de nanoparticules dispersées au mélangeur à haute vitesse. Les ultrasons ne présentent pas que des avantages puisque l’analyse des propriétés thermiques a démontré que cette méthode de dispersion pouvait altérer la résine PUA. L’étude de la cinétique de cuisson au moyen de la photocalorimétrie différentielle à balayage (photo-DSC) a permis de mettre en évidence deux avantages remarquables des revêtements UV-aqueux : la cuisson UV est très rapide, en 18s la réaction est complète et contrairement aux revêtements UV 100% solides, la photopolymérisation est insensible à la présence d’oxygène dans l’air malgré la formation de radicaux libres au cours de la réaction. L’analyse des courbes exothermes, obtenues par photo-DSC, a démontré que la présence des nanoparticules diminuait l’efficacité de la photopolymérisation des vernis nanocomposites. Enfin, il a été démontré que le profil cinétique des vernis nanocomposites UV-aqueux étudiés pouvait être décrit à l’aide d’un modèle autocatalytique. L’étude du comportement des nanoparticules de silice a permis de souligner l’importance de la modification de surface. En effet, le greffage de groupements méthacryloxypropyltriméthoxysilane (MEMO) à la surface des nanoparticules de silice a permis non seulement de réduire la taille et la quantité des agrégats de nanosilice mais également d’augmenter le nombre de fonctions acrylates réactifs pouvant participer à la réaction de polymérisation radicalaire. En conséquence, la dispersion des nanoparticules de silice était meilleure que celle des nanoparticules d’alumine et les vernis à base de nanosilice présentaient globalement de meilleures propriétés que les vernis à base de nanoalumine. / This research aimed to study the effect of alumina and silica nanoparticles on the properties of varnishes type UV-waterborne nanocomposite coatings for wood products. Mechanical (abrasion resistance, hardness, scratch resistance, impact resistance and adhesion), optical (gloss and color) and thermal (thermal stability and glass transition temperature) properties were analyzed and compared to those of the neat varnish containing no nanoparticles. Not only was the scratch resistance improved following the addition of nanoparticles but also the adhesion of nanocomposite varnishes. However, the presence of nanoparticle aggregates as suggested by transmission electron microscopy (TEM) led to a decrease of the abrasion resistance, the hardness and the impact resistance. As expected, the gloss of varnishes was reduced because of the presence of aggregates which increase the surface roughness of nanocomposite varnishes, although color properties remained unchanged in terms of lighting and yellowing. Ultrasonication was shown to be an efficient dispersion method. Not only did the size of aggregates decrease following the dispersion of nanoalumina and nanosilica in polyurethane-acrylate (PUA) by means of ultrasounds but also their number. Moreover, the improvement of nanoparticle dispersion led to improve the hardness and the impact resistance of nanocomposite varnishes in comparison to varnishes based on nanoparticles dispersed with high speed mixer. Also, ultrasonication presents some disadvantage as thermal properties have demonstrated that ultrasounds could affect PUA resin. Curing kinetic study by means of photodifferential scanning calorimetry (photo-DSC) demonstrated two interesting advantages of UV-waterborne coatings: UV-curing is very fast as the reaction is achieved after 18s and contrary to high solid content UV-coatings, photopolymerization is insensitive to oxygen in spite of free-radical formation during the reaction. The decrease of exothermic curves, obtained from photo-DSC, revealed that the addition of nanoparticles reduced the photopolymerization efficiency of nanocomposite varnishes. Finally, it has been demonstrated that the kinetic profile of nanocomposite varnishes could be described using an autocatalytic model. The importance of surface modification was demonstrated with the study of nanosilica behavior. Not only did the amount and the size of nanosilica aggregates decrease following grafting methacryloxypropyltrimethoxysilane (MEMO) groups on the surface of silica nanoparticles but also the number of reactive acrylates functions which can take part in the free-radical polymerization. As a result, the dispersion of silica nanoparticles was better than the one of alumina nanoparticles and nanocomposite varnishes containing nanosilica presented better properties in comparison to nanocomposite varnishes containing nanoalumina dispersed with high speed mixer.

La présente recherche a eu pour but principal d’évaluer l’effet de l’usinage de finition du bois d’épinette noire en fonction de la qualité de surface et la performance d’une colle d’acétate de polyvinyle et d’un revêtement de finition aqueux, deux types de produits typiquemment utilisés dans la fabrication de produits d’apparence à usage intérieur. Dans un premier volet, on a évalué la qualité de surface et la résistance au cisaillement à la ligne de colle d’échantillons poncés, rabotés en coupe oblique et en coupe périphérique droite et fraisés. Les quatre procédés ont généré des surfaces ayant des rugosités et des résistances au cisaillement semblables avant et après un vieillissement accéléré. Il en ressortit que le bois d’épinette noire est relativement facile à coller. Seule la pénétration de la colle d’acétate de polyvinyle et la fibrillation des surfaces ont été quand même affectées par les types d’usinage. Dans un second volet, on a optimisé certains paramètres de cinq procédés d’usinage, soit le ponçage, la coupe oblique, le fraisage et les coupes périphériques droite et hélicoïdale en fonction de la qualité de surface et de l’adhésion d’un vernis en phase aqueuse. L’étude des quatre procédés de rabotage avait également pour objectif d’évaluer leur potentiel quant au remplacement du ponçage. Le ponçage fait suivant un programme P100-150-grain, à une vitesse d’avance de 17 m/min a permis d’obtenir une faible rugosité ainsi qu’une mouillabilité et une adhésion élevées suite au traitement de vieillissement accéléré. Le fraisage a induit une rugosité et une mouillabilité supérieures à celles des autres procédés d’usinage. Cependant, la pénétration plus importante du vernis et le plus grand niveau de fibrillation ont réduit l’épaisseur de la couche de vernis sur la surfaces. L’effet protecteur du vernis a donc été réduit durant le vieillissement accéléré, ce qui a diminué son adhésion. De leur côté, la coupe oblique avec un angle oblique de 35°, la coupe hélicoïdale avec une onde d’usinage de 1,43 mm et la coupe périphérique droite avec un angle d’attaque de 10 ou 20° ont généré des surfaces ayant une rugosité et une mouillabilité intermédiaires, mais une adhésion du vernis similaire à celle des échantillons poncés. Ces trois procédés ont donc montré être de bonnes alternatives pour faire face aux aspects nuisibles de l’utilisation du ponçage. / The main objective of this research project was to evaluate the effect of surfacing processes in black spruce wood in relation to surface quality and performance of poly (vynil acetate) glue and water-based coating. First, oblique cutting, peripheral planing, face milling and sanding were used prior to gluing with two-component poly (vinyl acetate) glue. The four machining processes produced surfaces having similar surface roughness and glue line shear strength before and after an accelerated aging treatment. Thus, black spruce wood is relatively easy to glue. Only glue penetration, as well as the level of fibrillation, was affected by the machining processes. In the second part of the project, the objective was to optimize cutting parameters of sanding, oblique cutting, helical planing, peripheral planing and face milling for surface quality and coating performance. In addition, the four planing processes were evaluated in order to evaluate their potential to be used as alternatives to sanding. Sanding with a two-stage program (P100-150-grit) at a feed speed of 17 m/min generated low surface roughness and high wettability and pull-off strength after the accelerated aging treatment. On one hand, face milling induced superior surface roughness and wettability when compared with other studied surfacing processes. These samples were also characterized by the most important coating penetration and level of fibrillation. This contributed to reduce the coating layer protecting the samples during the aging treatment. As a consequence, face-milled samples had a significant lower pull-off strength compared with those prepared by the other four machining processes. On the other hand, oblique cutting with an oblique angle fo 35°, helical planing with a wavelength of 1.43 mm and peripheral planing with a 10 or 20° rake angle all produced surfaces with intermediate surface roughness and wetting properties, but coating performance statistically similar to that of sanded samples. As a result, these three planing processes are to be considered as alternatives to the sanding process.

La performance d’un produit de finition sur le bois est influencée par la manière dont la surface est préparée. Le ponçage est très utilisé pour préparer les surfaces lors de la finition. Toutefois, ce procédé génère une grande quantité de poussières. Ainsi, les effets des procédés d’usinage sur les propriétés de surface, la performance d’un vernis et l’émission de poussières ont été étudiés dans le but de déterminer les modes de préparation des surfaces les plus adéquats pour le bois de chêne rouge. Dans un premier volet, les propriétés de surface et la performance d’un vernis ont été évaluées sur les surfaces préparées à l’aide du procédé traditionnel de ponçage et de trois procédés alternatifs de rabotage soit la coupe périphérique droite, la coupe hélicoïdale et la coupe oblique. La qualité de surface a été évaluée au moyen des caractéristiques de rugosité, d’endommagement cellulaire et de mouillabilité. Des essais de résistance à l’adhésion d’un vernis d’usage intérieur ont été effectués avant et après un traitement de vieillissement accéléré. Les résultats ont montré que le ponçage a induit une rugosité et un niveau de fibrillation supérieurs à ceux des autres procédés, ainsi qu’une mouillabilité et une adhésion du vernis après vieillissement accéléré élevées. Les surfaces rabotées avec la coupe périphérique droite ont présenté un certain niveau de fibrillation, une rugosité et une mouillabilité intermédiaires. Néanmoins, l’adhésion du vernis après vieillissement a été également inférieure par rapport aux autres procédés. La coupe hélicoïdale a produit une rugosité intermédiaire. D’autre part, la coupe oblique a été le procédé qui a présenté une perte d’adhésion après vieillissement similaire au ponçage. Ce procédé a généré des surfaces lisses avec rugosité et mouillabilité intermédiaires. Sur la base des résultats obtenus, le ponçage à l’aide d’un programme P100-grain et une vitesse d’avance de 7 m/min, la coupe périphérique droite avec un angle d’attaque de 25° et une onde d’usinage de 1,0 mm, la coupe hélicoïdale avec une onde d’usinage de 1,0 mm et la coupe oblique realisé avec un angle oblique de 15° ont permis d’obtenir les meilleures conditions d’usinage pour chaque procédé. Dans un deuxième volet, l’effet de différents paramètres de coupe sur l’émission de poussières et la rugosité de la surface a été étudié lors de la coupe hélicoïdale. Les émissions de poussières ont diminué avec la diminution de laprofondeur de coupe et l’augmentation de l’épaisseur moyenne du copeau. Cependant, les surfaces obtenues avec l’épaisseur moyenne du copeau plus élevée ont présenté une rugosité supérieure. Par contre, si une surface plus lisse est requise, une vitesse d'avance intermédiaire doit être utilisée afin de diminuer la rugosité des surfaces sans exposer les travailleurs à des niveaux élevés de poussière de bois. Par ailleurs, l’émission de poussières pour chaque fraction de particules peut être estimée à travers les modèles développés. / Coating performance on wood could be affected for different aspects including the manner in which the surface is prepared. Sanding is often used to prepare wood surfaces prior to finishing. However, this process can generate large amount of wood dust. Thus, the effects of machining processes on surface properties, coating performance and dust emission were investigated in an attempt to determine the most appropriate methods for surface preparation of red oak wood. In a first part of this project, surface properties and coating performance were evaluated on machined surfaces obtained by sanding, peripheral and helical planing as well as oblique cutting. Surface quality was assessed through roughness, scanning electron micrographs and wettability analyses. The performance of a solvent-borne coating was measured by adhesion strength before and after an accelerated aging. The results showed that sanding induced high surface roughness and fibrillation level as well as high wettability and pull-off strength after aging than other processes. Peripheral planing samples showed a certain cell-wall fibrillation, and intermediate surface roughness and wetting properties. Helical planing samples presented intermediate surface roughness. On the other hand, oblique cutting showed similar loss in adhesion to sanding. This process generated smooth surfaces with intermediate roughness and wettability. Based on the results, sanding with a single stage program P100-grit at 7 m/min feed speed, peripheral planing with a rake angle of 25° and a wavelength of 1.0 mm, helical planing with a wavelength of 1.0 mm, and oblique cutting with an oblique angle of 15° were the best machining conditions for each process. In a second part of the study, the effect of cutting parameters on dust emission and surface roughness was studied during the helical planing of red oak wood. Results showed that dust emission decreased significantly when lower cutting depth and higher average chip thickness was used. However, samples cut at the highest average chip thickness showed higher values of surface roughness. This implies that if a smoother surface is required, an intermediate feed speed should be used in order to decrease surface roughness without exposing woodworker to high levels of wood dust. Moreover, dust emission for each particle size fraction can be estimate through the models developed as a function of average chip thickness and cutting depth.

Les revêtements à haute teneur en solide cuits aux ultraviolets sont présentement utilisés par la très grande majorité des industries produisant des couvre-planchers en bois pré-vernis. Leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, de même que leur vitesse de cuisson nettement plus élevée que celle des autres types de revêtements, expliquent leur grande popularité. Or, il est possible d’obtenir des propriétés mécaniques, entre autres, encore plus impressionnantes par l’addition de différents renforts. Dans ce projet, des oxydes métalliques nanométriques (oxyde d’aluminium et oxyde de zirconium) de même que des argiles modifiées avec des groupements organiques ont été ajoutés à une formulation acrylate typique de l’industrie des revêtements de couvre- planchers en bois. Les nanoparticules ont été ajoutées et dispersées dans cette formulation à l’aide de différents appareils de dispersion : mélangeur haute vitesse, moulin à billes (bead mill), moulin à balles (ball mill) et moulin trois rouleaux (three roll mill). Suite à la préparation des revêtements nanocomposites, la taille des particules dans la matrice polymère a été étudiée à l’aide de différents appareils. Pour les oxydes métalliques, la diffusion dynamique de la lumière a été utilisée. Pour ce qui est argiles, la diffraction des rayons X aux petits angles a quant à elle été employée. Dans les deux cas, nous avons eu recours à la microscopie électronique à transmission afin de supporter ces données. Quelques essais supplémentaires tels des mesures de stabilité et de viscosité sont aussi venus supporter les résultats obtenus. L’addition de nanoparticules affecte généralement la cuisson des revêtements UV. La spectroscopie infrarouge en temps réel (RT-FTIR) de même que la photo-calorimétrie (photo-DSC) ont été employées afin d’étudier les changements apportés à la cuisson suite à l’addition de nanoparticules. Finalement, les propriétés optiques (brillance, voile, couleur et clarté optique) et mécaniques (dureté, résistance à l’abrasion, résistance à l’égratignure, résistance à l’impact et à l’impact inverse) des différentes formulations ont été étudiées. Pour les formulations préparées à base d’argile, une analyse de variance (ANOVA) a été réalisée afin de vérifier si la concentration de l’argile de même que la façon dont celle-ci a été ajoutée à la formulation de base affectent les propriétés finales des revêtements. / Radiation curable coatings are presently the standard in the wood flooring industry. Their great properties paired with their fast curing explain why they are now the most used coatings for prefinished wood flooring. Although important improvements can still be brought to these coatings. During the last years, nanoparticles have gained increasing interest in the thermoplastic industry. It could lead to similar results for the thermoset materials. In this project, metal oxides (alumina and zirconia) and clay nanoparticles were added in a typical UV acrylate formulation for wood flooring. This formulation was chosen mostly for its wear resistance, low yellowing and fast curing. Nanoparticles were added in the acrylate formulation by different techniques (high speed mixing, ball milling, bead milling and three roll milling). Then, particle size characterization was performed. Different techniques were employed according to the nanoparticles studied (metal oxides or clay). Microscopic experiments were also performed with an aim of supporting these results. Then, nanoparticles and coupling agents addition effects on curing (speed and percentage of curing) were studied by photo-calorimetry (photo-DSC) and real-time infrared spectroscopy (RT-FTIR). Mechanical properties (hardness, adhesion, scratch resistance, wear resistance, direct and reverse impact resistance) were evaluated. Optical properties (color, gloss, haze and optical clarity) were also assessed. For clay-based coatings, an analysis of variance (ANOVA) was performed in order to determine if clay loading and clay dispersion affect the mechanical and optical properties.