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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/21299 |
| Date | 16 April 2018 |
| Creators | Sow, Caroline |
| Contributors | Riedl, Bernard, Blanchet, Pierre |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | xvi, 214 p., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
Page generated in 0.0031 seconds