Les finitions poudres appliquées sur le bois et matériaux dérivés

490 Pages·2012·30.75 MB·French

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UFR. ENSTIB

Université de Lorraine
Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources Procédés Produits et Environnement
Département de Formation Doctorale Sciences du Bois
Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur le MAtériaux Bois
THESE
Pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université de Lorraine
Spécialité : Sciences du Bois
Présentée par
Julia BESSIERES
Ingénieur de l’Ecole Nationale Supérieure des Technologies et Industries du Bois
Les finitions poudres appliquées sur le bois et matériaux
dérivés : optimisation du procédé industriel, étude des
relations finition/substrat et fonctionnalisation
Soutenue le 02 juillet 2012 devant le jury :
Rapporteurs
Mme. Laurence PODGORSKI (Dr, HDR FCBA, Bordeaux)
M. Bertrand CHARRIER (Pr, IPREM, UPPA, Pau)
Examinateurs
M. Didier RONZE (Pr, LGPC, UCBL), Lyon)
M. André MERLIN (Pr, LERMAB, UL, Nancy)
Mme. Béatrice GEORGE (MC, LERMAB, UL, Nancy)
M. Stéphane MOLINA (MC, LERMAB, UL, Nancy)
Invité
M. Eric MASSON (Dr, CrittBois, Epinal)
RESUME

RESUME
Les finitions poudres, utilisées avec succès dans l’industrie du métal, représentent
aujourd’hui une alternative aux systèmes utilisés actuellement pour les substrats en bois. Cette
technologie permet tout d’abord de répondre aux besoins des industriels de l’ameublement et
de la menuiserie car elle est en parfait accord avec la Directive Européenne 1999/13/CEE sur
la réduction des émissions des COV. De plus, l’arrivée sur le marché de formulations
thermodurcissables à basse température et à polymérisation sous UV a permis d’appliquer
cette technologie à des substrats thermosensibles tels que le bois et ses matériaux dérivés.
Actuellement, la finition poudre donne de très bons résultats en termes de qualité sur les
panneaux de fibres de type MDF. D’autres résultats prometteurs ont aussi été obtenus sur du
contreplaqué ou du bois massif de hêtre. Etudier de près l’ensemble des facteurs influençant
le procédé, en particulier la nature du support bois et sa préparation, les paramètres de
poudrage et de cuisson, est indispensable pour l’optimisation de ce procédé à l’échelle
industrielle.
Par ailleurs, les interactions substrat-finition poudre, outre les caractéristiques chimiques
des résines, semblent définir la qualité finale du système et sa durabilité vis-à-vis du
vieillissement. Un axe supplémentaire de l'étude est de vérifier l'éventuelle fonctionnalisation
des finitions poudres pour leur donner des rôles particuliers, comme par exemple l'apport
d’une propriété antibactérienne ou l’adsorption de COV environnants.
Mots clés : finition poudre, bois, réduction des COV, optimisation de procédé, interactions
substrat-finition, fonctionnalisation

SUMMARY
Powder coatings, successfully used in the metal industry, represent today an alternative to
the systems currently used for wooden substrates. This technology allows first to respond to
the needs of manufacturers of furniture and carpentry as it is in perfect agreement with the
European Directive 1999/13/EEC on the reduction of VOC emissions. In addition, the arrival
on the market of thermosetting formulations at low temperature or UV polymerization allows
to apply this technology to heat-sensitive substrates such as wood and derivates.
Currently, powder coating gives very good results in terms of quality on the studied
fiberboard (MDF). Other promising results have also been obtained on plywood or solid
beech. Studying the factors influencing the process, in particular the nature of the substrate
and its preparation, powdering and baking settings, is essential to optimize this process on an
industrial scale.
Furthermore, interactions substrate-powder coating, in addition to the chemical
characteristics of resins, seem to define the final quality of the system and its durability
against aging. An additional axis of the study is to verify the possible functionalization of
powder coatings to provide particular roles, such as for example the provision of an
antibacterial property or the adsorption of surrounding VOC.
Key words : powder coating, wood, reduction of VOC, process optimization, substrate-coating
interactions, functionalization
REMERCIEMENTS

REMERCIEMENTS

Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme PRECODD financé par l’Agence
Nationale de la Recherche. Ce projet n’aurait pu être effectué sans l’appui technique et
financier de l’ANR, l’ADEME et le Pôle Fibres, que je remercie.
Je remercie Eric Masson, coordinateur du projet Poudrabois, ainsi que tous les
partenaires, le CRITTBois, le LPIM (ex DPG), AkzoNobel, Ecofia, Ober et Frachon, sans
oublier Vanessa Maurin qui a effectué sa thèse en parallèle à mes travaux.
Je souhaite remercier vivement Laurence Podgorski et Bertrand Charlier d’avoir
accepté de faire partie du jury et d’être rapporteurs de ce manuscrit. Je remercie également
sincèrement Xavier Allonas d’être le président de ce jury.
Je tiens à exprimer ma gratitude aux personnes qui m’ont aidée au cours de ce projet et
en particulier à Eric Masson qui m’a accueillie et encadrée tout au long de ces trois années au
CrittBois. Ma reconnaissance va également à André Merlin et Béatrice George qui ont dirigé
mon travail au LERMAB. Chacun de vous a été présent à des moments différents mais clefs de
ma thèse pour fournir conseils, écoute et soutien tout en me laissant suffisamment
d’autonomie pour gérer ces recherches.
Par ailleurs j’associe à mes remerciements toute l’équipe du LERMAB, chercheurs,
étudiants et personnels pour leur disponibilité et leur gentillesse au cours de mes travaux en
laboratoire. Je pense notamment à Stéphane Molina, Caroline Rogaume, Mohamed Ragoubi
ainsi que les étudiants et stagiaires, Maxime, Aurélien, Johanne, François et Julien pour leur
aide précieuse dans diverses manipulations.
J’exprime toute ma gratitude également à Nicolas Mailly, directeur de l’entreprise
Ecofia pour m’avoir accueilli dans ses locaux et pour avoir fait en sorte que mes travaux
s’insèrent dans sa production. Je tiens à lui exprimer ma reconnaissance pour l’intérêt qu’il a
porté à mon travail ainsi que pour son aide.
Ce travail à l’interface de plusieurs disciplines m’a amené à rencontrer des gens de tous
horizons et spécialités, chaque rencontre a été extrêmement enrichissante. Un grand merci
REMERCIEMENTS
notamment à Aurélie Godan, Carole Verdier et Denis Fauché de la société AkzoNobel pour
leur collaboration et leurs conseils concernant la formulation des poudres. Dominique Firinga
et Gilles Vedel de l’entreprise Ober comptent également parmi les personnes que je remercie
pour leur sympathie et leur aide dans mes réflexions.
Les expériences réalisées au LPIM n’auraient jamais pu se faire sans l’implication et
l’aide précieuse de Céline Crouxté-Barghorn ainsi que Xavier Allonas qui ont gentiment
accepté de me prêter leur matériel. Je tiens également à remercier à nouveau ma collègue
thésarde Vanessa Maurin pour ses conseils avisés sur le matériel d’analyse en photochimie
donnés avec gentillesse et bonne humeur.
Je témoigne toute ma reconnaissance en particulier à Coralie Pelletier et Christophe
Vaucourt du CRITTBois pour leur soutien technique durant ces années de travail. Que
l’ensemble des membres du service technique de l’ENSTIB, Marie-Laure, Jean-Jacques,
Cédric, Cyril, John, Stéphane, Eric, Tristan et Bruno veuillent bien trouver ici l’expression de
ma profonde gratitude pour leurs interventions techniques et leurs conseils précieux sur le
matériel utilisé. Un grand merci également à Julien Lallemand et Rémi Pannequin pour le
temps qu’ils ont passé sur l’analyse de mes échantillons.
Je n’oublie pas mes amis et collègues Hélisoa et Xavier avec qui j’ai partagé le même
bureau pendant ces quelques années. Ces moments passés à vos côtés auront été très agréables
et intéressants.
PRINCIPALES NOTATIONS

PRINCIPALES NOTATIONS
ACV Analyse du Cycle de Vie
ADPPO oxyde allyldiphényl phosphine
AFNOR Agence Française de NORmalisation
AIBN 2,2-azobis(2-isobutyronitrile)
AMM Autorisation de Mise sur le Marché
APTMS 3-aminopropyltrimethoxysilane
Aref aire de la bande de référence de l’échantillon t
t
Aref0 aire de la bande de référence de l’échantillon brut
A aire de la bande caractéristique de l’échantillon t
t
A aire de la bande caractéristique de l’échantillon brut
0
BaSO sulfate de baryum
4
BP 2-hydroxy-benzophénone
BTEX Benzène, Toluène, Ethylbenzène, Xylènes
BTZ 2-(2-hydroxyphényl)-benzotriazole
CaCO carbonate de calcium
3
CdS sulfures de cadmium
CdS, CdSe rouges de cadmium
CIE Commission Internationale de l’Eclairage
(CoO) (Al O ) bleu de cobalt
m 2 3 n
COV composé organique volatil
CP contreplaqué
CPK Corey, Pauling et Koltun
Cr O , CrO(OH) oxydes de chromes
2 3
DAPPO oxyde 4,4-bis(allyloxyphényl) phényl phosphine
Ddl degré de liberté
DGEBA diglycidyl éther de bisphénol A
DMF N,N-diméthylformamide
DMSO diméthylsulfoxyde
DRX Diffraction par Rayons X
DPPH 2-2 diphényl-1-picryl-hydrazyl
D distance interfoliaire
001
d taille moyenne des particules
50
EBC Electron Beam Curing
EDX-EDAX Détecteur de micro-analyse X pour analyse Elémentaire
EPI Equipement de Protection Individuelle
FAS fluoroalkyl silanes
FeNH Fe(CN) ferrocyanure ferrique
4 6
FeO(OH) oxydes de fer
FID Détecteur à Ionisation de Flamme
FIPEC Fédération des Industries des Peintures, Encres, Couleurs, Colles et
adhésifs
Ftest quotient des variances résiduelles de chaque série (i et j) 2 à 2
PRINCIPALES NOTATIONS
G conductivité électrique
GC-MS Chromatographie en phase Gazeuse couplée à la Spectroscopie de
Masse
GPTMS γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane
G x… grossissement
HALS Hindered Amine Light Stabilizer
HDF High Density Fiberbaord
h taille finale d’une particule dans le bain de fluidisation
f
h taille initiale d’une particule
i
HPLC Chromatographie en phase Liquide de haute Performance
HPT hydroxyphényl-triazine
HR Humidité Relative de l’air
HSP paramètre de Solubilité de Hansen
HZSM-5 zéolithe avec SiO /Al O =30
2 2 3
H S dihydroxyde de soufre
2
INERIS Institut National de l’Environnement Industriel et des RISques
INRS Institut National pour la Recherche et la Sécurité
IPTMS 3-isocyanatopropyltrimethoxysilane
IR Infrarouge
ISBP Institut des Sciences Biologiques et Pharmaceutiques
IS2M Institut des Sciences des Matériaux de Mulhouse
LB, ULB Low Bake, Ultra Low Bake : cuisson à (très) faible température)
LE Limite d’Explosion
L1,2,3,4,5 différents niveaux de facteur
MAPTMS méthacryloxypropyl triméthoxysilane
MDF Medium Density Fiberboard
MDF M1 ancienne classe de traitement ignifuge
MEB Microscope Electronique à Balayage
MET Microscope Electronique à Transmission
MF Mélamine-Formaldéhyde (résine)
NEC National Emission Ceilings
NIR Near InfraRed
OMS Organisation Mondiale de la Santé
OSB Oriented Strand Board
Ox oxalanilide
PACA (poly(alkylcyanoacrylate)
PAM polyacrylamide
Pb(Cr,Mo,S)O orange de molybdènes
4
PbCrO4 chromate de plomb
PCL poly(e-caprolactone)
PDMS polydiméthylsiloxane
PECA poly(éthylcyanoacrylate)
PEO oxyde de polyéthylène
PI-PF point initial-point final (test d’abrasion)
PLA acide poly(lactique)
PLGA acide poly(lactique-co-glycolique)
PMMA poly(méthylméthacrylate)
PRINCIPALES NOTATIONS
PNSE Plan National Santé- Environnement
POOP, POOH peroxydes, hydroperoxydes
Ppm partie par million
PRSE Plan Régional Santé- Environnement
PS polystyrène
PSF Point de Saturation des Fibres
PTFE polytétrafluoroéthylène
PU polyuréthane (résine)
Pv Pression de vapeur d’eau en équilibre avec une solution saline
PVM/MA polyvinyle éther-co-maléique anhydride
Pvs Pression de vapeur saturante
R Constante des gaz parfaits
R² coefficient de corrélation au carré d’une régression linéaire
Ra rugosité moyenne
Rc hauteur moyenne des éléments du profil, à l’intérieur d’une longueur de
base
Re résistivité électrique (électricité)
REACH enRegistrement, Evaluation et Autorisation des substances Chimiques
RMN Résonance Magnétique Nucléaire
Rp hauteur maximale des pics du profil, à l’intérieur d’une longueur de base
Rsk facteur d’asymétrie
RSm largeur moyenne des éléments du profil, à l’intérieur d’une longueur de
base
Rt hauteur totale du profil sur la longueur d’évaluation
RT-FTIR spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier résolue dans le
temps
Rv profondeur maximale des creux du profil, à l’intérieur d’une longueur
de base
Rz hauteur maximale du profil, à l’intérieur d’une longueur de base
Sa moyenne arithmétique des écarts à la moyenne
SCEy somme des écarts à la moyenne des valeurs expérimentale
SiO silice
2
Sp hauteur de la plus haute saillie de la surface
SPC système à plaques catalytiques (appareil de cuisson IR du CrittBois)
Sr² variance résiduelle
St hauteur totale de la surface
Sv profondeur de la plus profonde vallée de la surface
Sz hauteur des 10 points de la surface (distance moyenne entre les 5 plus
hauts points et les 5 plus bas points de la surface)
TEOS tétraéthoxysilane
Tg température de transition vitreuse
TGIC triglycidylisocyanurates
TiHAP hydroxyapatite dont les sites de Ca2+ sont partiellement substitués par
des ions Ti2+
TiO dioxyde de titane
2
Ti(OiPr) isopropoxyde de titanium
4
TMS tétraméthylsilane
TMSHU triméthoxysilane avec des terminaisons d’uréthanes
PRINCIPALES NOTATIONS
Ttest valeur de test
UF urée-formaldéhyde (résine)
UV Ultraviolet
VLE valeur limite d’exposition
VME valeur moyenne d’exposition
XPS Spectroscopie de Photoélectrons X
X1,2,3,4,5 différents facteurs
Y1,2,3,4,5,6,7,8,9 différentes réponses
ZnS sulfure de zinc
αFe O oxyde de fer
2 3
α-HAP α-hydroxyacétophénone
β-CD β-cyclodextrine
Λ longueur d’onde
λM longeur d’onde focalisée au point
σ écart-type géométrique de la distribution des particules
g
Θ angle d’incidence du rayon X
∆E caractéristique du changement de couleur total dans le repère
CIEL*a*b*
2B à 5H valeurs de dureté croissante
SOMMAIRE GENERAL

SOMMAIRE GENERAL
INTRODUCTION GENERALE. ......................................................................... !
REVUE BffiLIOGRAPIDOUE ............................................................................ 3
I. INTRODUCTION ............................................................................................................... 4
1.1. Le contexte sanitaire, environnemental! et législatif. .............................................•................ 4
1.2. Les solutions de finition acruelles qui réduisent les émissions de COV. .................•................ 5
1.3. Cas des fmitions poudre.s. ...................................................................................•................ 7
II. LES FINITIONS POUDRES UTILISEES DANS L'INDUSTRIE. ................................ 8
II.!. Historique des fmitions poudre.s ......................................................................................... 8
11.2. Les formulateurs de fmitions poudre.s ................................................................................. 9
II.3. Les produits de finitions utilisés et le.s améliorations apportée.s ........................................... 10
m. LES ETAPES D'UNE LIGNE DE FINITION POUDRE. ........................................... Il
III.!. Le préchauffage Infrarouge ............................................................................................. 13
III.2. L'application de la poudre par voie é-lectrostatique ........................................................... 14
m.2.1.Le procédé par chargement sous effet corona (charge par ionisation) ................................................. 14
m 2.2. Le procédé par effet triboélectrique ............................................................................................................. 15
III.3.La fusion et la polymérisation par rayonnement IR ou UV. ................................................ 16

m3.1. FusiOJl et polymérisatiOJl par COJillectiOJl de chaleur ou rayoJVle»leJlt IR ............................................. 16
Il13.2.Polyrnérisa.tionpar rayonnernen.t UV. .......................................................................................................... lB
m3.3.Le refro.idissement de la finition. .................................................................................................................. 20
IV.ADAPTATIONAUPOUDRAGEDESMATERIAUXPOREUXET/OU
THERl\IIOSENSffiLES .......................................................................................................... 20
IV.!. Le.s avantage.s technique.s de la polymérisation UV. .......................................................... 21
IV.2. Le.s avantage.s esthétiques et de ré.sistance de la polymérisation UV. .................................. 22
V. LES PROBLEMES TECHNIQUES ET DE QUALITE DES FINITIONS LIES A CE
PROCEDE ............................................................................................................................... 23
V.l. Re.striction.s économique.s ................................................................................................ 23
V.2. Re.striction.s dans le.s matériaux ........................................................................................ 23
V.3. Re.striction.s de qualité ..................................................................................................... 24
V.4. Re.striction.s de la cuisson UV. .......................................................................................... 25
V. S. Conclusions et améliorations à apporter.. .......................................................................... 25
VI. L'ELARGISSEMENT DES FONCTIONNALITES INNOVANTES DES
FINITIONS POUDRES ......................................................................................................... 26
VI.!. Le.s attentes de la clientèle et le.s exigences ...................................................................... 26
VI2. Le.s avanc-ée.s technologique-S sur la fonctionnalisation de.s revêtements et de.s polymère.s .... 26

VII. LES METHODES DE CARACTERISATION DES PROPRIETES DES
FINITIONS A TRAVERS DES ESSAIS NORl\IIALISES. ................................................. 28
CES BffiLIOGRAPHIQUES ............................................................................. 31
REFERE!~

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