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MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER 2 RECHERCHE

SPECIALITE

CHIMIE INORGANIQUE – GENIE DES PROCEDES

Présenté le 04 juin 2016

Par Santatra Niaina ANDRIMAMPIONONA

Membres du jury :

Président Monsieur Bruno RAZANAMPARANY Professeur à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo

Rapporteur Monsieur Mihasina RABESIAKA Professeur à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo

Examinateurs Madame Harimisa RAVAOMANARIVO Maitre de Conférences à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo

Monsieur Andriamanjato RAJAOARISOA Maitre de Conférences à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo

Année universitaire 2014 – 2015

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

FACULTE DES SCIENCES

DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIES

MENTIONCHIMIE

FABRICATION D’UN VERNIS ACRYLIQUE : AMELIORATION

DES PROPRIETES PAR L’UTILISATION D’UN PLAN

D’EXPERIENCES DU PREMIER DEGRE

« La véritable sagesse ne se trouve que dans l’observance de la loi de Dieu »

Jean-Baptiste Massillon

REMERCIEMENTS

Il est certain qu’après tant d’efforts, c’est agréable de rédiger ces ultimes phrases dans un moment

de relâchement intellectuel. Je tiens à m’excuser auprès des personnes dont j’aurais oubliées

d’énoncer ici les noms et qui mériteraient pourtant d’avoir toute ma sympathie.

Je tiens, tout d’abord, à rendre grâce à Dieu tout Puissant de m’avoir donné la force et le courage

d’achever ce mémoire. Sans Lui, ce mémoire n’aurait même pas été conçu.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Laboratoire de Chimie Minérale

de la Faculté des Sciences à Ampasampito. Je tiens à remercier en premier Monsieur Bruno

RAZANAMPARANY, Professeur à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo,

d’avoir accepté de présider le jury de ce mémoire.

Je remercie vivement Monsieur Mihasina RABESIAKA, Professeur à la Faculté des Sciences de

l’Université d’Antananarivo, Responsable du Parcours Chimie Inorganique-Génie des Procédés,

d’avoir bien voulu m’encadrer dans ce mémoire. Je lui adresse aussi toute ma gratitude pour ses

conseils, ses directives et également sa disponibilité.

J’exprime toute ma reconnaissance à Madame Harimisa RAVAOMANARIVO, Maître de

Conférences à la Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo et à Monsieur

Andriamanjato RAJAOARISOA, Maître de Conférences à la Faculté des Sciences de l’Université

d’Antananarivo, qui ont accepté d’examiner ce mémoire et de siéger parmi les membres du jury.

Je tiens par ailleurs à remercier Madame Lovasoa RABESIAKA, Maître de Conférences à la

Faculté des Sciences de l’Université d’Antananarivo, d’avoir participé à la réalisation de ce

mémoire.

Enfin, toutes mes attentions vont vers mes parents, ma sœur, ma famille et mes amis. C’est grâce à

eux et à leurs soutiens, que j’espère, aujourd’hui, être honoré de ce titre.

i

SOMMAIRE

SOMMAIRE ................................................................................................................................ i

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................... v

LISTE DES FIGURES .............................................................................................................. vi

GLOSSAIRE ............................................................................................................................ vii

INTRODUCTION ...................................................................................................................... 1

PREMIERE PARTIE : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE .......................................................... 3

A. Généralités sur les vernis ................................................................................................. 4

A.1. Définition .......................................................................................................................... 4

A.2. Constituants ...................................................................................................................... 4

A.2.1. Solvants ...................................................................................................................... 4

A.2.2. Liant ........................................................................................................................... 5

A.2.3 Adjuvant et additif ....................................................................................................... 5

A.3. Mode de vernissage ........................................................................................................... 6

A.3.1. Couche préliminaire .................................................................................................... 6

A.3.2. Couche intermédiaire .................................................................................................. 6

A.3.3. Couche de finition ....................................................................................................... 6

A.4. Aspect du vernis ................................................................................................................ 6

A. 4.1.Vernis mat .................................................................................................................. 6

A .4.2. Vernis satiné .............................................................................................................. 6

A.4.3. Vernis brillant ............................................................................................................. 7

A.5. Différents types de vernis selon la résine ........................................................................... 7

A.5.1. Vernis cellulosique...................................................................................................... 7

A.5.2. Vernis à base de résine vinylique ................................................................................ 7

A.5.3. Vernis à base de styrolène ........................................................................................... 7

A.5.4. Vernis à base de résine « bakélite » ............................................................................. 8

A.5.5. Vernis à base de résine de « silicones » ....................................................................... 8

ii

A.5.6. Vernis à base de résines « mélamine-formaldéhyde » .................................................. 8

A.5.7. Vernis à l’essence ....................................................................................................... 8

A.5.8. Vernis acrylique .......................................................................................................... 8

A.6. Autres types de vernis ....................................................................................................... 9

A.6.1. Vernis à solvant .......................................................................................................... 9

A.6.2. Vernis à monomère réactif .......................................................................................... 9

A.6.4. Vernis thixotrope ...................................................................................................... 10

A.6.5. Vernis d’imprégnation .............................................................................................. 10

B. Vernis acrylique ............................................................................................................. 10

B.1. Définition ........................................................................................................................ 10

B.2. Historique ........................................................................................................................ 10

B.3. Constituants ..................................................................................................................... 11

B.3.1. Solvant ...................................................................................................................... 11

B.3.2. Liants ........................................................................................................................ 11

B.3.3. Additifs ..................................................................................................................... 13

B.4. Propriétés ........................................................................................................................ 14

B.5. Identification des résines naturelles pour vernis ............................................................... 14

B.6. Vernissage ....................................................................................................................... 14

B.7. Préparation des supports .................................................................................................. 15

B.8. Application et nettoyage .................................................................................................. 15

B.8.1. Application ............................................................................................................... 15

B.8.2. Nettoyage .................................................................................................................. 17

B.9. Techniques de séchage des vernis acryliques ................................................................... 17

B.9.2. Séchage par IR .......................................................................................................... 18

B.10. Aspect macroscopique de la photo dégradation d’un vernis............................................ 19

B.11. Vieillissement du vernissage .......................................................................................... 19

B.11.1. Facteurs de vieillissement ....................................................................................... 21

iii

B.11.1.1.Lumière UV/visible ........................................................................................... 21

B.11.1.2.Oxygène ............................................................................................................ 21

B.11.1.3.Eau .................................................................................................................... 21

B.12. Risques toxicologiques et environnementaux ................................................................. 22

B.12.1. Risques toxicologiques ............................................................................................ 22

B.12.2. Risques environnementaux ...................................................................................... 23

B.12.2.1. Diminution du taux de COV ............................................................................. 23

B.12.2.2.Déchets .............................................................................................................. 23

B.13. Hygiène et sécurité ........................................................................................................ 24

B.13.1. Prévention collective ............................................................................................... 24

B.13.1.1. Substitution....................................................................................................... 24

B.13.1.2. Ventilation ........................................................................................................ 24

B.13.1.3. Méthode de travail ............................................................................................ 24

B.13.1.4. Isolation ............................................................................................................ 25

B.13.2. Protection personnelle ............................................................................................. 25

DEUXIEMEPARTIE : ETUDES PRELIMINAIRES ............................................................ 26

C. Essais préliminaires ....................................................................................................... 27

C.1. Choix des constituants ..................................................................................................... 27

C.1.1. Solvants .................................................................................................................... 27

C.1.1.1. Eau ..................................................................................................................... 27

C.1.1.2. Ethanol ............................................................................................................... 27

C.1.2. Liants ....................................................................................................................... 28

C.1.2.1. Résine alkyde ..................................................................................................... 28

C.1.2.2. Kamicryl............................................................................................................. 29

C.1.3. Additifs ..................................................................................................................... 30

C.1.3.1. Texanol .............................................................................................................. 30

C.1.3.2. Dibutylphtalate ................................................................................................... 30

iv

C.1.3.3. Octoate de cobalt ................................................................................................ 30

C.2. Matériels et mode opératoire ............................................................................................ 31

C.2.1. Matériels ................................................................................................................... 31

C.2.2. Mode opératoire ........................................................................................................ 31

C.3. Interprétation ................................................................................................................... 33

TROISIEME PARTIE : OPTIMISATION ............................................................................. 35

D. Objectif .............................................................................................................................. 36

D.1. Modélisation mathématique ............................................................................................. 36

D.1.1. Choix des facteurs ..................................................................................................... 36

D.1.1.1. Facteur 1 ............................................................................................................ 36

D.1.1.2. Facteur 2 ............................................................................................................ 36

D.1.1.3. Facteur 3 ............................................................................................................ 37

D.1.2. Choix des réponses ................................................................................................... 37

D.2. Préparation du vernis ....................................................................................................... 38

D.3. Résultats .......................................................................................................................... 40

D.3.1. Mise en équation ....................................................................................................... 40

D.3.1.1. Temps de séchage ............................................................................................... 40

D.3.1.2. Pouvoir couvrant ................................................................................................ 40

D.3.1.3. Résistance à l’eau ............................................................................................... 41

D.3.2. Modélisation ............................................................................................................. 41

D.3.2.2. Pouvoir couvrant ................................................................................................ 43

D.3.2.3. Résistance à l’eau ............................................................................................... 44

D.3.2.4. Optimum ............................................................................................................ 46

CONCLUSION ......................................................................................................................... 49

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................ 50

v

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Solvants les plus utilisés dans la fabrication des vernis ............................................... 5

Tableau 2 : Liants utilisés dans la fabrication des vernis [INRS,2005] .......................................... 5

Tableau 3 : Exemples de liants et ses propriétés .......................................................................... 13

Tableau 4 : Description et exemples des additifs utilisés dans la fabrication du vernis ................ 14

Tableau 5 : Avantages et inconvénients des différentes techniques de séchage ............................ 18

Tableau 6 : Consommation spécifique pour le séchage d’un support en bois .............................. 19

Tableau 7 : Propriétés physiques de l’eau ................................................................................... 27

Tableau 8 : Propriétés de l’éthanol .............................................................................................. 28

Tableau 9 : Propriétés physiques du dibutylphtalate .................................................................... 30

Tableau 10 : Quantité de chaque constituant utilisé pour chaque essai ........................................ 32

Tableau 11 : Observation des essais préliminaires ....................................................................... 33

Tableau 12 : Coordonnées réduites et réelles des facteurs X1, X2 et X3 ........................................ 37

Tableau 13 : Matrice expérimentale en coordonnées réduites ...................................................... 37

Tableau 14 : Matrice expérimentale en coordonnées réelles ........................................................ 37

Tableau 15 : Quantité des constituants utilisés dans la fabrication du vernis ................................ 39

Tableau 16 : Matrices des points expérimentaux et des réponses ................................................. 40

Tableau 17 : Réponses expérimentales et réponses modélisées ................................................... 42

Tableau 18 : Interaction entre deux facteurs ................................................................................ 45

Tableau 19 : Temps de séchage optimaux ................................................................................... 47

Tableau 20 : Pouvoir couvrant optimal ....................................................................................... 48

Tableau 21 : Optimums de Y3 ..................................................................................................... 48

vi

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Différence entre un éclat brillant et un éclat terne ou mat d’un revêtement .................. 19

Figure 2 : Schéma illustrant le processus du vieillissement des systèmes matériaux/finitions ...... 20

Figure 3 : Réacteur parfaitement agité ........................................................................................ 38

Figure 4 : photographie du système d’agitation ........................................................................... 39

Figure 5 : Agitateur à ancre à débit tangentiel ............................................................................. 39

Figure 6 : Courbes d’interaction pour Y1 (X1, X2) avec X3=0 ...................................................... 42

Figure 7 : Courbes d’interaction de Y1 (X1, X3) avec X2= 0 ........................................................ 42

Figure 8 : Courbes d’interaction de Y1 (X2, X3) avec X1= 0 ........................................................ 43

Figure 9 : Courbes d’interaction de Y2 (X1, X2) avec X3= 0 ........................................................ 43

Figure 10 : Courbes d’interaction de Y2 (X1, X3) avec X2= 0 ...................................................... 43

Figure 11 : Courbes d’interaction de Y2 (X2, X3) avec X1= 0 ...................................................... 43

Figure 12 : Courbes d’interaction de Y3 (X1, X2) avec X3= 0 ...................................................... 44

Figure 13 : Courbes d’interaction de Y3 (X1, X3) avec X2=0 ....................................................... 44

Figure 14 : Courbes d’interaction de Y3 (X2, X3) avec X1=0 ....................................................... 44

vii

GLOSSAIRE

Corrosion : altération d'un objet manufacturé par l'environnement. La corrosion a des causes à la

fois physico-chimiques et mécaniques.

Copal :résine semi-fossile ou subfossile que l'on trouve principalement en Afrique et en Inde.

Proche de l'ambre mais généralement plus clair, il est également utilisé comme gomme pour la

confection de bijoux.

Dammar: résine naturelle secrétée par un type d’arbre caractéristique des îles indonésiennes. Elle

est utilisée en peinture pour fabriquer des vernis et des médiums à peindre dits maigres.

Emaux : émail de verre qui recouvre des surfaces métalliques. Sa composante vitreuse confère la

résistance et la profondeur aux produits qu’il protège et décore.

Egrenage : ponçage léger de la première couche de peinture, de vernis ou d'enduit. Cette

technique a pour but de lisser la première couche, et d'améliorer l'adhérence de la seconde couche

et l'aspect de la finition.

Graffiti : inscription ou peinture réalisée sur des murs, des monuments ou des objets situés sur

l'espace public. Les graffitis existent depuis des époques reculées, dont certains exemples

remontent à la Grèce antique ainsi qu'à l'Empire romain et peuvent aller de simples marques de

griffures à des peintures de murs élaborées.

Laque : suc naturel d’un rouge brun exsudé de certains arbres d’Extrême Orient [Encyclopédie

universel, 2012].

Linoléum : revêtement de sol totalement imperméable. Il est composé de matières naturelles telles

que le pin, l'huile de lin ou encore la poudre de liège. Le mélange de ces différentes matières est

appliqué ensuite sur une toile de jute qui, une fois durcie, donne ce que l'on appelle le linoléum.

Pour personnaliser ce revêtement et lui attribuer une couleur particulière ou un motif spécifique,

des pigments minéraux colorés sont employés.

Pré-polymère : oligomère ou polymère présentant des groupes réactifs qui lui permettent de

participer à une polymérisation ultérieure et d’incorporer ainsi plusieurs unités de monomères

dans au moins une chaîne de la macromolécule finale. Ils peuvent être di-fonctionnels ou

plurifonctionnels. Dans ce dernier cas, ils sont utilisés pour la fabrication de polymères

thermodurcissables par réticulation.

Polymorphe : élément qui peut prendre des formes diverses, capable de se transformer

physiquement en modifiant son apparence.

Psychotrope : substance qui agit principalement sur l'état du système nerveux central en y

modifiant certains processus biochimiques et physiologiques cérébraux, sans préjuger de sa

capacité à induire des phénomènes de dépendance, ni de son éventuelle toxicité. En altérant de la

sorte les fonctions du cerveau, un psychotrope induit des modifications de la perception, des

sensations, de l'humeur, de la conscience (états modifiés de conscience) ou d'autres fonctions

psychologiques et comportementales.

viii

Réticulation : en chimie des polymères, la réticulation correspond à la formation d'un ou de

plusieurs réseaux tridimensionnels, par voie chimique ou physique. Des liaisons entre les chaînes

macromoléculaires sont créées. Les structures réticulées sont généralement préparées à partir de

pré-polymères linéaires ou ramifiés de faible masse molaire (issus d'une polymérisation partielle),

réticulées sous l'action de la chaleur en présence d'un catalyseur/durcisseur (agent réticulant).

Respirateur : dispositif destiné à protéger les voies respiratoires des substances nocives.

Siccativation : phénomène complexe très lent d'oxydation des insaturations des acides gras,

contenus dans des liants, tels que certaines huiles (huile de lin, huile de soja), les résines alkydes

ou les esters époxydiques. En présence du dioxygène de l'air, des hydroperoxydes sont formés et

des liaisons covalentes s'établissent entre les chaînes d'acide gras (réticulation).

Toxicité indolore : la toxine générée par un produit chimique ne présente aucun effet négatif

pour l’utilisateur.

Thixotropie : propriété physique que l'on retrouve dans certains gels, fluides ou mélanges de

fluides renfermant des inclusions solides (béton, sable + eau…) et qui ont la particularité de voir

leurs propriétés d'écoulement varier avec le temps.

Ubiquitaire : élément qui est toujours omniprésent.

Vernis thermocellable : vernis qui peut résister à la chaleur, c'est-à-dire que les couches fines ou

épaisses obtenues du vernis sont très résistantes à une certaine température.

1

INTRODUCTION

Depuis le XIXe siècle, la fabrication des vernis apparaît après la naissance des peintures. Le

vernissage des peintures était presque universel. Ce dernier est une application d’une couche

finale transparente. La plupart des vernis traditionnels sont à base d’huile ; ils étaient

préparés à partir d’une bouillie de résine naturelle avec de l’huile siccative. Les vernis à base

d’alcool sont issus des solutions de résines naturelles dissoutes.

Le vernis peut nuire à la santé de l’homme et de l’environnement. Face aux dangers qu’il

présente, les chercheurs ont pu trouver une méthode très attractive pour sa fabrication : « la

technique de polymérisation sous irradiation lumineuse ». Aujourd’hui, cette technique

combine des avantages économiques et écologiques : durcissement, absence de solvant

organique et séchage rapide de résines liquides. De nombreuses applications sont issues de

cette technologie telles que le revêtement, les applications médicales et dentaires, les arts

graphiques et la microélectronique.

A Madagascar, les vernis sont très répandus et indispensables dans la vie quotidienne des

Malgaches. La plupart des Malgaches profitent du bien matériel apporté par le vernis tels que

le vernis à ongle, le vernis pour les carrosseries et le vernis pour bois. L’eau est très

abondante. Elle remplace donc les fonctions des solvants organiques. Les produits fabriqués

en phase aqueuse répondent à la demande imposée par les directives internationales. Par

ailleurs, ces produits ne génèrent que très peu d’émission de solvant. Ils offrent des qualités

importantes comme l’ininflammabilité, la bonne résistance à la lumière. Les chercheurs ont

donc approfondi leur recherche et c’est ainsi qu’apparurent les vernis acryliques qui ne sont

pas toxiques pour l’environnement.

Pour répondre aux exigences des consommateurs, ce travail a pour objectif principal

d’élaborer un vernis acrylique qui sèche rapidement, qui résiste à l’agression de l’eau et qui

possède un pouvoir couvrant élevé. Le choix d’un vernis repose sur ces trois critères. Pour

atteindre ces objectifs, un plan du premier degré à deux niveaux à trois facteurs a été choisi.

En effet, ce plan permet d’optimiser les conditions opératoires pour obtenir des vernis de

qualité optimale.

Cette étude se divise en trois grandes parties. Dans la première partie, une étude

bibliographique sera développée. La deuxième partie porte sur les essais préliminaires suivis

2

d’une interprétation de ces derniers. Enfin, la troisième partie est consacrée à la réalisation du

plan du premier degré à deux niveaux à trois facteurs pour optimiser le procédé.

Cette étude se terminera par une conclusion générale.

3

PREMIERE PARTIE :

REVUE BIBLIOGRAPHIQUE

4

A. Généralités sur les vernis

Dans la vie quotidienne, le vernis est utilisé pour décorer. Par ailleurs, il protège les pièces

décorées contre l’humidité et l’abrasion [Etienne, 2008].

A.1. Définition

Un vernis est un liquide de viscosité variable à base de résine naturelle (vernis traditionnel) ou

de résine synthétique (vernis moderne). Après application, il donne un film garnissant,

parfaitement tendu, dur, translucide, indélébile et souple. Il se trouve en solution et se disperse

dans une essence végétale ou minérale [Huneault, 1988] ; [Bertrand, 2001].

A.2. Constituants

Les vernis sont principalement constitués d’un ou de plusieurs solvants, d’un ou de plusieurs

liants et d’un ou de plusieurs additifs [Serge, 2008].

A.2.1. Solvants

Les solvants sont des produits chimiques à l’état liquide, plus ou moins volatils. Ils sont

utilisés dans la fabrication des vernis. A l’exception de l’eau, ce sont des composés

organiques volatils(COV). Dans le domaine industriel, les solvants sont généralement utilisés

sous forme de mélange. Les solvants doivent avoir une température d’ébullition faible pour

qu’ils puissent s’évaporer facilement et doivent être inertes dans le milieu réactionnel pour

éviter le problème de polymérisation.

Le solvant dissout les liants. Il permet en outre d’obtenir une viscosité adéquate pour avoir

une stabilité optimale du vernis pendant le stockage. Dès le moindre changement de ses

propriétés physicochimiques et de son taux d’incorporation, la durabilité du revêtement

diminue [Levaditi, 1977] ; [Gérin, 1995]. Le tableau 1 montre les solvants les plus utilisés

dans la fabrication des vernis.

5

Tableau 1 : Solvants les plus utilisés dans la fabrication des vernis

Classes Nom du produit Tension de vapeur (bar)

Hydrocarbures

aliphatiques et aromatiques

Toluène

2-nitropropane

22

12, 9

Alcools Méthanol

Ethanol

Isopropanol

97

40

33

Esters acétate d'éthyle

acétate d'isopropyle

76

45,7

Ether Butylglycol 0,88

A.2.2. Liant

Le liant, appelé également résine, est l’élément de base du vernis. Ce sont des polymères issus

d’une substance naturelle ou synthétique, se présentant sous forme visqueuse, liquide ou

solide. Une formulation peut contenir un ou plusieurs liants [Nicolas, 2010] ; [Raphael, 2014].

Les liants assurent la cohésion entre les composants du vernis. Ils améliorent la durabilité du

film et constituent l’armature de la touche. Ils assurent également l’adhérence au substrat ainsi

que les caractéristiques physiques et chimiques du revêtement. De plus, ils améliorent l’aspect

du vernis.

Par ailleurs, ils peuvent jouer le rôle de durcisseur et permettent la réticulation lors du

séchage. Le tableau 2 présente quelques résines naturelles et synthétiques utilisées dans la

fabrication des vernis.

Tableau 2 : Liants utilisés dans la fabrication des vernis [INRS, 2005]

Nature des liants

Compatibilité avec les

solvants organiques

Compatibilité avec les

solvants aqueux

Hydrodiluable Hydrosoluble

Acryliques Oui oui oui

Alkydes Oui oui oui

Butyratedecellulose Oui oui non

Époxydiques Oui oui oui

Étherscellulosiques Oui non non

Formophénoliques Oui oui oui

Mélamine-formol Oui non oui

Nitrocellulose Oui oui non

Polyesters Oui oui oui

Vinyliques Non oui oui

A.2.3 Adjuvant et additif

Les adjuvants font parties des composants du vernis. En les y ajoutant, ils renforcent quelques

propriétés du vernis telles que l’amélioration de la force tensioactive, la résistance aux rayons

ultraviolet (UV), la résistance aux corrosions, la couleur, la brillance, etc. Ils modifient

6

également le comportement des vernis liquides. Par ailleurs, ils améliorent la viscosité du

produit et accélèrent le séchage. Notons que le mélange final du vernis de revêtement ne

contient qu’un faible pourcentage d’additif [Levaditi, 1977] ; [Vissault, 2006].

A.3. Mode de vernissage

Le vernissage est une action de vernir. Il met en valeur les arts architecturaux. Pour vernir une

pièce, il suffit juste d’appliquer trois couches de vernis : une couche préliminaire, une couche

intermédiaire et une couche de finition.

A.3.1. Couche préliminaire

Cette première couche assure l’adhérence de la couche de finition sur le support. Elle

empêche également le bullage pendant l’application de la couche de finition en bouchant les

pores [Brugnot, 2001] ; [Bertrand, 2001].

A.3.2. Couche intermédiaire

Cette couche renforce la protection. En outre, elle assure l’étanchéité et diminue les

irrégularités de la couche préliminaire.

A.3.3. Couche de finition

Pour les vernis brillants, la couche de finition offre un aspect visuel brillant. Elle résiste à tous

les agents perturbateurs comme la lumière, la température, le choc. Elle est réservée à

l’esthétique de l’art [Bertrand, 2001].

A.4.Aspect du vernis

Le vernis peut se présenter sous 3 aspects : mat, satiné et brillant.

A. 4.1.Vernis mat

Un vernis mat est utilisé pour gommer certaines imperfections sur des pièces destinées au

vernissage. Plus il possède un aspect mat, plus l’intensité du reflet de la lumière diminue. Il

est perméable au rayon ultraviolet ; ce qui signifie qu’il est poreux. Il résiste au lavage et à

l’abrasion humide. Il protège les pièces (carreaux, bassins, meubles) contre les taches.

A .4.2. Vernis satiné

Le vernis satiné rehausse l’intensité, la luminosité et la transparence des couleurs. Il est

généralement utilisé pour décorer les pièces de passages intensives (cuisine, chambre

d’enfants, couloir, etc.).

7

Comme le vernis mat, il résiste aux taches et aux lessivages et protège la peinture et les

œuvres architecturales. Il améliore généralement la fluidité d’une peinture. Par ailleurs, plus il

est satiné, plus il reflète la lumière [Deserres, 1999].

A.4.3. Vernis brillant

Le vernis brillant donne un feuil dur, résistant et lisse. Il est à appliquer sur une couche de

finition ayant l’aspect d’une laque. En effet, il possède un rôle de miroir réflecteur. Comme

les vernis mat et satiné, il résiste aux taches [Anne, 1996].

A.5. Différents types de vernis selon la résine

On peut distinguer plusieurs types de vernis selon la résine utilisée : les vernis cellulosiques,

les vernis à base de résine vinylique, les vernis à base de styrolène, les vernis à base de

résine « bakélite », les vernis à base de résine de « silicones », le vernis à base de

résines « mélamine-formaldéhyde », les vernis à l’essence, les vernis acryliques, les vernis à

solvant, les vernis à monomère réactif, les vernis sans solvant, les vernis thixotropes et les

vernis d’imprégnation.

A.5.1. Vernis cellulosique

Les éthers cellulosiques, et en particulier, les acétates assurent un rôle de premier plan

important dans le procédé de fabrication du vernis pour métaux, bois, linoléum, cuir et verre.

En effet, ces composés permettent d’obtenir des pellicules unies, solides et souples résistant à

l’air, aux lumières ainsi qu’aux produits à base de nitrocellulose qui jaunissent [Baud, 1966].

A.5.2. Vernis à base de résine vinylique

L’acétate de vinyle est généralement préparé en phase vapeur, en faisant réagir un grand excès

d'acétylène sur de l'acide acétique à 200 °C, en présence de zinc et de cadmium, utilisés

comme catalyseurs. Sa formule semi-développée est CH3COO–CH=CH2. Quelques-uns des

polymères d’acétate de vinyle peuvent se trouver dans certains solvants légers, en particulier,

l’acétone et le benzène. Ces solvants se combinent avec des solvants lourds tels que les éthers

acétylacétiques, le lactate d’éthyle et les « plastifiants ». Ce type de vernis est

particulièrement réservé pour le revêtement des ouvrages de tôles et de ciment [Baud, 1966].

A.5.3. Vernis à base de styrolène

Le styrolène est un composé organique aromatique dont la formule brute est C8H8. C'est un

liquide à la température ambiante et à la pression atmosphérique. Les hauts polymères du

styrolène, miscibles dans les acétates d’amyle, de butyle et de l’essence de térébenthine, sont

8

utilisés pour fabriquer des vernis très stables, résistants à la lumière, à la chaleur, à l’humidité

et perméables aux rayons ultraviolets.

A.5.4. Vernis à base de résine « bakélite »

Ce type de vernis est à base de résines « bakélite » dont la nomenclature chimique officielle

est l’anhydrure de polyoxybenzylméthylèneglycol. Ils sont utilisés pour les revêtements de

citernes, de fûts destinés au stockage et au transport d’alcools et de vins. Ils protègent

également certains appareils contre les agents atmosphériques tels que l’air, la pluie, la

température.

A.5.5. Vernis à base de résine de « silicones »

Les silicones sont des composés inorganiques formés d'une chaîne silicium-oxygène (-Si-O-

Si-O-) sur laquelle, des groupes se fixent sur les atomes de silicium. Les vernis à base de

résine de « silicones » sont stables de 70°C à 300°C. D’une part, les résines de silicones sont

utilisées comme élément de base de peintures et de liants et d’autre part, elles engendrent des

émaux pour la finition de quelques appareils électroménagers (aspirateurs, radiateurs,

réchauds, etc.).

A.5.6. Vernis à base de résines « mélamine-formaldéhyde »

Les résines « mélamine-formaldéhyde» sont appelées cyanuramide. Son nom chimique est la

1,3,5-triazine-2,4,6-triamine.

Le plus souvent, les vernis à base de résines « mélamine-formaldéhyde »sont utilisés en

solution dans l’alcool butylique pour la préparation des vernis « combinés », des vernis

transparents et des vernis d’intérieur ou d’extérieur. Ils peuvent être mélangés à des résines

alkydes [Baud, 1966].

A.5.7. Vernis à l’essence

Les vernis à l’essence sont destinés à des travaux d’intérieur. C’est le vernis utilisé pour la

fabrication des gommes dures des vernis gras (vernis composés d’huile avec ou sans essence)

comme les élémis, le mastic et la gomme Dammar par exemple.

A.5.8. Vernis acrylique

Le vernis acrylique est un produit liquide. C’est un type de peinture sans ajout de pigment. Ce

vernis est destiné à substituer les vernis gras dans le cas où la protection est indispensable. Il

est constitué de polymères acryliques en solution ou en émulsion dans des solvants ayant une

faible proportion d’alcool et un excès d’eau. Des produits basiques comme la soude, la

9

potasse, les amines et bien d’autres, sont généralement ajoutés afin de neutraliser la résine

acrylique. En effet, ce procédé tient l’ensemble en harmonie. A cause de sa grande souplesse

de formulation, le vernis acrylique est actuellement le plus répandu. Parmi cela, on peut citer

les vernis thermoscellables, les vernis odorants. Ils ne présentent aucun problème spécifique

de collage et possède une capacité d’adaptation élevée à cause de sa gamme de viscosité.

Il peut être appliqué sur une surface en formant un feuil dur et transparent.

Le vernis acrylique est un produit majoritairement constitué de liants organiques, de solvant

qui est l’eau et d’additifs de concentration inférieure à 5 %. Il donne un film adhérant et

protecteur. Il rend le support pratiquement imperméable à l’eau. Il ne présente pas de risque

pour l’environnement [MCC-DAP, 2002].

A.6. Autres types de vernis

A.6.1. Vernis à solvant

C’est un pré-polymère dilué dans une formulation de solvant ayant une viscosité assez élevée.

Dans la plupart des cas, l’eau est le solvant le plus répandu. Cependant, des solvants

organiques, contenant une partie aqueuse, peuvent également être utilisés. Néanmoins, des

traitements d’émission sont nécessaires pour les solvants organiques ayant une teneur

importante en COV.

Pour le cas des vernis intégrant une part d’eau ou totalement hydrosolubles, il faut distinguer

trois cas : les vernis hydrodiluables, les vernis hydrosolubles et les émulsions aqueuses.

- Vernis hydrodiluables : ils comportent généralement une quantité de solvant

organique, parfois toxique dont le polymère est soluble. L’introduction d’une petite

quantité d’eau est possible, à raison de la compatibilité de ce co-solvant avec l’eau.

- Vernis hydrosolubles : l’eau et le polymère hydrophobe sont compatibles, suite à une

modification structurale des groupements hydrophiles du polymère.

- Les émulsions aqueuses : par des procédés mécaniques, les polymères sont réduits en

des fines particules dispersées dans l’eau. L’émulsion se stabilise à l’aide d’un

tensioactif [Rapport de veille, 2008].

A.6.2. Vernis à monomère réactif

C’est un pré-polymère dissous dans un réactif, se combinant avec lui-même durant la

polymérisation. Au cours de la polymérisation, le monomère se combine avec le polymère en

10

solution. En général, il s’agit de polyester en solution dans un monomère, tel que le styrène,

le vinyle, le toluène par exemple.

A.6.3. Vernis sans solvant

C’est un pré-polymère à faible poids moléculaire, souvent combiné à des diluants réactifs,

afin que la contrainte de viscosité du procédé d’imprégnation soit respectée.

A.6.4. Vernis thixotrope

Les vernis thixotropes ont des propriétés très spécifiques. En effet, leur vitesse d’écoulement

varie avec le temps. Plus le liquide est bien agité, plus la viscosité du liquide thixotrope

diminue. Ce vernis est dur et résistant mais il jaunit avec le temps [Fabrice, 2008].

A.6.5. Vernis d’imprégnation

Le vernis d’imprégnation a pour rôle d’augmenter la tenue mécanique du bobinage. Il

améliore la dissipation calorifique. Ils sont adaptés aux appareils électriques et mécaniques

comme les moteurs ou les bobines.

A. Vernis acrylique

Notre étude est focalisée sur l’étude des vernis acryliques. Ses propriétés seront alors

développées dans cette partie.

B.1. Définition

Obtenu par réaction chimique, le vernis acrylique est une préparation liquide conduisant à un

film dur et translucide. Ce sont alors des substances pulvérulentes ou liquides ayant une

variance de viscosité selon le type de vernis désiré. La couche la plus externe protège la pièce

contre les agressions extérieures [Bertrand, 2001].

B.2. Historique

Vers la fin du 19ème

siècle, les vernis sont essentiellement composés d’une solution de

gommes naturelles et d’huiles dans un mélange de solvants. Ces gommes sont des résines, des

baumes et des oléorésines. Ils font parties des copals. Les gommes diffèrent par leur point de

fusion, leur origine, leur indice d’acide et leur ancienneté. Ce sont des produits issus de la

sécrétion des arbres qui se sont souvent plus ou moins fossilisés. Ils peuvent avoir des

caractéristiques très diverses. Les succins sont des gommes d’origine fossile. Ils sont

également d’origine animale comme le cas des gommes laques, secrétées par la femelle d’un

insecte. Le procédé de fabrication des vernis consiste à mélanger ces résines et à les tremper

11

dans un mélange de solvants. En revanche, l’ajout de nitrocellulose dans la formulation ne

donne pas une qualité satisfaisante au vernis. Le développement de la chimie organique a aidé

les fabricants à obtenir des propriétés lisses pour les produits.

Au XXème

siècle, les vernis acryliques sont d’usage récent, par rapport aux autres types de

vernis à base d’autres solvants. Au début, ils étaient destinés à la protection des œuvres d’arts.

En 1930, des essais de dispersions acryliques ont été réalisés pour la première fois. En 1936,

les américains ont pu fabriquer des vernis aqueux, utilisant une très faible quantité de solvants

organiques. Aux alentours des années 80 jusqu’à nos jours, les vernis à eau sont devenus très

populaires, à raison de leur plus grande application sur les supports comme les bois, les cuirs

et les métaux.

Actuellement, grâce à l’accroissement et au développement de la chimie, des modifications

peuvent être apportées à la propriété du vernis suivant les objectifs à atteindre [Rancillac,

1987] ; [Masselon, 1910].

La fabrication des vernis dépend des constituants principaux qui les composent.

B.3. Constituants

Les vernis acryliques sont généralement constitués de liant(s), de solvant(s) et d’additif(s).

B.3.1. Solvant

L’eau est le solvant utilisé pour la fabrication des vernis acryliques. C’est un agent de

transport des constituants solides des résines. De plus, l’eau dissout les liants. Elle permet

également d’avoir la viscosité désirée pour une meilleure tension du film en maintenant

l’aspect liquide du vernis [Nicolas, 2010].

Le solvant empêche l’agglomération des molécules des liants. En effet, un agglomérat solide

ou liquide se forme par assemblage de molécules de même nature. Le solvant les tient en

solution et modifie la viscosité des liants [Irmouli, 2007].

Dans ce travail, l’eau est le solvant de dispersion et d’émulsion. L’eau est très écologique

puisqu’il réduit le risque d’émission des composés organiques volatils. Elle présente

néanmoins quelques problèmes surtout pour le cas du bois. En effet, les fibres du film du bois

gonflent lors de l’application et rend le séchage difficile.

B.3.2. Liants

Sous forme liquide, ce sont des produits macromoléculaires. Les liants acryliques ont des

caractéristiques filmogènes. Ils possèdent un grand pouvoir d’étalement. Ils résistent

également au jaunissement. Leur séchage est dû au passage de l’état liquide à l’état d’un film

12

dur et résistant. Le liant acrylique est à base de copolymères acryliques. Il constitue le film du

vernis. En effet, les copolymères lient entre eux les constituants du vernis et augmentent leur

durabilité sur les produits décoratifs [Irmouli, 2007].

Le liant subit une transformation chimique et physique lors de l’application. Il assure la

solidification du vernis. Il ne subit pas de cohésion et offre un aspect souple et élastique au

vernis acrylique [Vissault, 2006].

Les liants peuvent être classés en quatre catégories :

- les anciens liants ;

- les liants de synthèse usuels ;

- les liants de synthèse à usage moins fréquent ;

- et les composants minéraux.

Un mélange de liants peut être utilisé, car ceci peut améliorer les qualités du vernis, dont la

souplesse et la dureté. Le tableau 3 donne quelques exemples de liants fréquemment utilisés.

13

Tableau 3 : Exemples de liants et ses propriétés

Liants Propriétés du film sec Utilisation Mise en œuvre

Vinylique

Grande souplesse,

insaponifiable par les

fonds alcalins,

perméabilité à la vapeur

d’eau et film sans

tension superficielle

Tous travaux de

peinture en intérieur en

finition mate, emploi

possible en extérieur

suivant la richesse du

liant et enduits intérieurs

et décoratifs

Facilité d’application,

dilution à l’eau,

ininflammable et sensible

au gel.

Acrylique

Très grande souplesse,

incolore, absence de

jaunissement,

insaponifiable, film

sans

tension superficielle et

excellente

tenue extérieure

Travaux de traitement

de façade, peinture et

décoration

intérieure, collage de

revêtement à dossier

synthétique, mastics et

enduits pour extérieur

Facilité d’application,

dilution à l’eau,

Ininflammable et

sensible

au gel.

Polyuréthane

Très dur et très brillant,

résistant aux

intempéries, à l’air

marin et aux

nettoyages, excellente

résistance aux acides et

imperméabilité totale

Vernis pour

laboratoires ou locaux

demandant une

désinfection, vernis

des surfaces devant

supporter des

frottements et vernis anti-

graffiti

Présence de solvants

toxiques, bi-composant

demandant un dosage

précis, séchage très

rapide et difficultés pour

le

recouvrement

B.3.3. Additifs

Appelés également adjuvants, les additifs sont généralement des poudres minérales. Ils

modifient les caractéristiques mécaniques propres du film. Ils augmentent le pouvoir couvrant

du vernis. Ils sont ajoutés en faible quantité, environ 5% du poids total du vernis. Chaque

additif a sa propre fonction et peut améliorer ou modifier les propriétés du produit et sa

qualité : fluidité, épaisseur, brillance, mouillabilité, durée de conservation.

Les additifs les plus souvent rencontrés sont les agents de mouillage et de dispersion, les

inhibiteurs de corrosion, les anti-mousses, les siccatifs et les agents anti-peau [Bertrand,

2001].

Le tableau 4 montre les différents additifs pouvant se retrouver dans les produits de finition.

14

Tableau 4 : Description et exemples des additifs utilisés dans la fabrication du vernis

Additifs Rôles Exemples

Agents de matité

Permet de

déterminer l’aspect

mat ou satiné du film

Polyphosphate de sodium,

phosphates organiques...

Catalyseurs de séchage

¨Permet d’accélérer

la réaction de

réticulation du film

Principalement des biocides comme

les composés organo-stanniques ou

le chloracétamide

Agents dispersants

Permet de faciliter la

dispersion des

charges et des

pigments

Dérivés de benzophénone,

nanoparticules inorganiques…

Agents de conservation

Permet de prévenir

les attaques

bactériennes

Dérivés phénoliques bloqués,

amine, mercaptans et disulfides

organiques

Agents anti-mousses

Permet d’éviter la

formation des

mousses

Huiles minérales, solvant naphta,

huiles et silicones

B.4. Propriétés

Imperméables à l’eau, les vernis acryliques assurent une protection antitache aux enduits

décoratifs et donnent un aspect brillant ou une finition mat /velours aux œuvres décorées. En

outre, ils rendent les produits décoratifs résistant à l’eau et présentent une grande résistance à

la lumière et à l’abrasion.

B.5. Identification des résines naturelles pour vernis

Actuellement, il existe de nouvelles méthodes pour examiner les vernis à l’échelle

moléculaire. La chromatographie en phase gazeuse (CPG) couplée à une spectroscopie de

masse (SM) à haute température (CPG-SM), la SM par bombardement d’atomes et la SM par

désorption laser, sont très utilisées pour étudier les liants organiques. La méthode par SM est

une technique très sensible au moindre changement de la structure de la molécule.

La pyrolyse analytique couplée avec une résolution thermique avec la SM à haute résolution,

donne des informations concernant les fractions volatiles absorbées, comme les cires et les

huiles, les produits de polymérisation des lipides, les vernis et les gommes.

B.6. Vernissage

Le vernissage permet de modifier l’aspect visuel d’une œuvre quelconque. Grâce à lui, la

lumière peut traverser les couches picturales. Il met également en valeur les nuances de la

peinture. Le vernis de finition protège l’œuvre contre des facteurs néfastes comme la

poussière, l’oxygène, le rayonnement solaire ou l’eau. Par ailleurs, le vernissage limite les

15

variations dimensionnelles en diminuant les échanges entre l’atmosphère et le matériau

[Tsesmeloglou, 2010].

B.7. Préparation des supports

Avant de vernir, les supports doivent être propres et secs. Les rouleaux à poils ras, les

rouleaux mousses, les brosses et les pulvérisateurs sont les plus adaptés pour vernir. Même si

le vernis acrylique ne dégage pas de composé organique volatil (COV), pour des raisons de

sécurité, il faut bien aérer la pièce à vernir durant les travaux. Il faut bien mélanger le vernis

pendant l’application, en faisant des mouvements croisés jusqu’à avoir une pénétration

complète du vernis. Enfin, pour que le vernissage soit uniforme, il faut éviter les mouvements

droits.

Pour le cas du bois, les produits aqueux font remonter plus ou moins les fibres du bois. Le

type de bois et le type du produit aqueux, peuvent ainsi modifier ce paramètre. Par

conséquent, il vaut mieux couper la fibre dans les deux sens, en effectuant un ponçage bi et/ou

multidirectionnel. Il est préférable d’utiliser des papiers abrasifs à grain fin pour enlever les

poussières.

Le séchage du fond de la première couche nécessite l’égrenage de cette couche. Il se peut

qu’il existe un manque de séchage ; ceci est constaté par la présence d’encrassement de

l’abrasif. Ce phénomène est dû à l’effet du gommage lors de l’égrenage. Le support a besoin

d’être préchauffé pour avoir des résultats fiables [Henry, 2004].

B.8. Application et nettoyage

B.8.1. Application

Les produits à base de solvants pulvérisables (comparables à des systèmes cellulosiques) ont

un extrait sec compris entre 20 et 25%, tandis que les produits à base d’eau prêts à l’emploi,

ont un extrait sec variant de 30 à 35%. Les vernis à base de solvant organique ont une

viscosité plus élevée que les vernis aqueux. Grâce au système de brassage par circulation, il

est possible de pulvériser les produits à viscosité élevée. Lors de la dilution, la viscosité des

vernis aqueux chute facilement par rapport aux vernis à base de solvant organique. Il est

conseillé de bien vérifier l’homogénéisation des constituants. Il faut également, pour certains

produis, utiliser des eaux déminéralisées, pour éviter le phénomène de précipitation. En outre,

la formation d’algues est possible lors du vernissage. Cela peut provenir de l’eau du robinet

lors de la dilution. Les vernis à eau sont des produits très sensibles à la température et à

l’humidité [Henry, 2004].

16

A l’échelle industrielle, le système de pulvérisation standard, le système de pulvérisation sans

air ou à haute pression, le système à air assisté ou pulvérisation mixte, le système de

pulvérisation électrostatique sont les systèmes d’application les plus utilisés.

i) Système de pulvérisation standard

Cette technique consiste à utiliser un système pneumatique. Ce système fonctionne soit par

succion, soit par pression pour appliquer un vernis. Le pistolet a pour rôle de fractionner le jet

de vernis en très fines gouttelettes. L’avantage de l’utilisation de ce système d’application est

d’avoir un bon contrôle, une bonne finition et une bonne productivité.

ii) Système de pulvérisation sans air ou à haute pression

Le système à haute pression, utilise de la pression hydraulique pour pulvériser le revêtement.

Cette pression peut atteindre 31000 kPa. Ce système réduit les projections. Son efficacité est

aux alentours de 20 à 40 %. Il est parfois plus dispendieux que le système à air assisté. Il

présente également un risque dangereux. En effet, le jet à proximité de la buse du pistolet

risque de pénétrer dans la peau.

iii) Système à air assisté

Le système de pulvérisation mixte, associe les éléments du système sans air et du système de

pulvérisation standard. 85% de la pulvérisation sont effectuées par le biais d'une pression

hydraulique, et le reste est complété à l'aide d'air comprimé ajouté au niveau du pistolet

vaporisateur. La pression hydraulique utilisée est de l’ordre de 2000 à 7000 kPa. Cette

pression est très faible par rapport à celle du système à haute pression. Son efficacité de

transfert se situe entre 20 et 60 %. Ce système offre également une bonne finition, un bon

contrôle de pulvérisation et une bonne productivité. Cependant, il est coûteux [Gérin, 1995].

iv) Système de pulvérisation électrostatique

Ce système consiste à charger négativement les particules à l’aide d’un générateur. Notons

que celles du matériau à couvrir sont chargées positivement. Un pistolet comporte une ou

plusieurs électrodes alimentées sous haute tension (50 000 à 90 000 volts). Les électrodes

alimentées chargent les particules pulvérisées.

La charge des particules permet donc le contournement des matériaux. Très économique, il est

beaucoup plus efficace que les systèmes traditionnels, car il réduit les émissions de COV et

procure une meilleure productivité.

17

B.8.2. Nettoyage

Lors du nettoyage des matériels, l’eau polluée est récupérée à la fin de l’application. Le

nettoyage dépend de la nature des solvants utilisés. En général, les vernis aqueux sont plus

difficiles à nettoyer que les vernis solvantés. En effet, ils sont plus collants et ont tendance à

encrasser les matériels. Les solutions de nettoyage souvent suggérées sont l’eau, l’eau avec un

faible pourcentage de solvant, l’eau avec un agent de type décapant non solvanté et l’eau

suivie par rinçage à l’acétone [Henry, 2004].

Dans la pratique, le séchage des vernis acryliques est très difficile. Il faut utiliser des matériels

et des techniques bien appropriés pour le séchage rapide de ce type de vernis.

B.9. Techniques de séchage des vernis acryliques

Il existe plusieurs techniques de séchage de vernis acrylique tels que le séchage sous

ultraviolet (UV), le séchage par infrarouge (IR).

B.9.1. Séchage sous UV

La chaleur est utile pour le séchage des vernis à base d’eau. Elle engendre la formation de

film. A la température ambiante, le film ainsi formé devient tendre après application. Dans un

intervalle de température assez élevée entre 50 et 60°C, il y a diminution de la teneur en

solvants résiduels fin du séchage due aux coalescences du liant et des additifs. L’effet

thermoplastique des vernis est limité par un refroidissement après le séchage. L’état de

durcissement du vernis aqueux requiert plusieurs jours. En général, il existe deux catégories

de vernis acrylique, le vernis acrylique non UV et le vernis acrylique UV.

Les vernis acryliques non UV passent par une phase de séchage ; cela consiste à l’évaporation

de l’eau. Cette technique peut être utilisée pour tout équipement pouvant donner de l’air

chaud. Le film de finition arrête de se former lorsque l’eau incorporée dans le produit est

totalement évaporée.

Dans le cas des vernis acryliques UV, il y a d’abord polymérisation sous UV après

évaporation de l’eau. Cette étape préliminaire est très importante, car elle augmente le pouvoir

durcisseur du vernis de finition, appelé également photo-polymérisable. Tous les avantages et

les inconvénients à l’issu de l’emploi de ce vernis sont ainsi liés à l’utilisation du solvant

aqueux.

18

La technique de séchage du vernis acrylique est adaptée en fonction du besoin du fabricant,

afin de répondre aux profits suivants :

- le sec au toucher ;

- l’aspect extérieur du vernis ;

- et la facilité d’égrenage pour un fond ou une première couche [Henry, 2004].

B.9.2. Séchage par IR

Les nouvelles normes environnementales recommandent de limiter le rejet des composés

organiques volatils dans l’atmosphère. Les produits à base d’eau ont pris la place des produits

solvantés. L’inhibition de l’eau demande plus d’énergie. Cette élimination offre donc une

meilleure qualité de produit fini et minimise le coût de la fabrication [Blanc, 1997].

Cette technique nécessite un apport assez élevé d’énergie qui doit être bien maitrisé. La

quantification de l’éclairement infrarouge sur la vitesse de séchage repose donc sur l’étude

cinétique de séchage et de l’évolution de la température. Cette technique doit d’abord

commencer par un faible éclairement pour mieux connaître le comportement thermique et

hydrique des vernis aqueux. Le temps de séchage diminue alors lorsque l’éclairement de

l’infrarouge augmente [Glouannec, 2001].

Cette technique est facile à employer. En effet, elle transmet de l’énergie et de la forte densité

de puissance sans mouvement d’air.

L’air chaud et les micro-ondes sont tous des moyens utilisés pour sécher un vernis. Ces deux

moyens représentent chacun des avantages et des inconvénients, qui seront résumés dans le

tableau 5.

Tableau 5 : Avantages et inconvénients des différentes techniques de séchage

Technique de

séchage Avantages

Inconvénients

Air chaud

Excellent séchage,

Faible consommation d’énergie

Gros volume d’air brassé,

Installation volumineuse, volume

d’air utilisé très important

Microondes

Adaptée à l’évaporation rapide d’eau,

Séchage à basse température et

Système autorégulant

Consommation énergétique élevée

mais ponctuelle,

Puissances disponibles limitées et

Séchage additionnel à l’air chaud

Pour le séchage d’un support en bois, la consommation d’énergie nécessaire est résumée dans

le tableau 6.

19

Tableau 6 : Consommation spécifique pour le séchage d’un support en bois

B.10. Aspect macroscopique de la photo dégradation d’un vernis

Contrairement à la couleur, la brillance est un aspect propre du film. Elle décrit l’aptitude du

vernis à réfléchir la lumière incidente. La lumière incidente, dans le cas de la surface d’un

miroir, est réfléchie dans la direction de la réflexion totale. Dans le cas d’une surface

rugueuse, la lumière est réfléchie dans toutes les directions. Plus la lumière diffusée est

homogène, plus la surface est mate (figure 1). L’intensité de brillance est mesurée par le

rapport de l’intensité de la lumière incidente sur celle de la lumière réfléchie par le support

à un angle donné.

Eclat brillant Eclat terne

Lumière réfléchie Lumière diffuse

Figure 1: Différence entre un éclat brillant et un éclat terne ou mat d’un revêtement

L’exposition des pigments à la surface du film cause, au cours du temps, la diminution de la

brillance du vernis. L’eau est un agent atmosphérique qui peut causer cette diminution de

brillance. En outre, elle cause l’érosion de la surface/revêtement.

B.11. Vieillissement du vernissage

Les vernis présentent une grande transparence et une bonne adhérence aux supports. Le

vieillissement est généralement dû à l’enchaînement complexe de réactions comportant

plusieurs processus élémentaires souvent liées à d’autres interactions. C’est la dégradation

Méthodes de séchage

Densité de

puissance

(kWm-2

)

Durée de

séchage (s)

Température

de séchage

(°C)

Consommation

spécifique

(kWhm-2

)

Air chaud laminaire avec un

taux de recyclage d’air à 0%

2

200

25

0,2

Air chaud percussion

avec un taux de recyclage

d’air à 0 %

3

90

25

0,1

Microonde_ 2450MHz

avec un taux de remplissage

à 50 %

11

75

30

0,3

20

lente et définitive d’une ou de plusieurs propriétés d’un matériau. Ce vieillissement est

provoqué par des contraintes physico-chimiques de l’environnement comme l’eau, l’oxygène,

la température et par d’autres facteurs tels que la photoirradiation, la radiation thermique.

L’amélioration de la durée de vie d’un revêtement nécessite la compréhension et la

connaissance des facteurs qui sont à l’origine de leur dégradation et de leur altération.

Le processus de vieillissement du système matériau/finition est représenté à la figure 2.

Figure 2: Schéma illustrant le processus du vieillissement des systèmes matériaux/finitions

Ces facteurs entraînent une diminution de la durabilité du matériau, un état de surface qui

s’éloigne de l’état initial comme la formation de craquelage, d’écaille et la décoloration.

Par ailleurs, le temps, les conditions d’exposition, les propriétés du matériau sont également

des facteurs du vieillissement.

FACTEURS MENAÇANTS

Conditions sur la durée d’exposition

Temps

Propriétés du bois

Qualité de conception

Application et propriétés du vernis

Maintenance

PHOTO

IRRADIATION

RADIATION

THERMIQUE

CHANGEMENT

DU MOISTURE

PLUIE, POUSSIERE, VENT,

POLLUTION

MICRO

ORGANISMES

VERNIS DE FINITION/ BOIS

dégradation

photochimique

chaleur hydrolyse

déformation

érosion décoloration

FA

CT

EU

RS

IN

FL

UE

NÇ

AN

TS

21

B.11.1. Facteurs de vieillissement

En 1998, Zweifel a consacré son étude sur les mécanismes de photostabilisation, de

vieillissement du matériau et du système matériau/ revêtement. Pour cela, l’auteur a conclu

que la lumière UV/visible, l’oxygène et l’eau sont les principaux facteurs qui provoquent le

vieillissement du matériau/revêtement.

B.11.1.1.Lumière UV/visible

Le rayonnement solaire influence la coloration des matériaux comme le bois, le métal, etc. Le

soleil envoie un rayonnement, qui par la suite, est reçu par la surface terrestre. L’ozone

absorbe et réfléchit les longueurs d’ondes en-dessous de 290 nm. Au-dessus de 1400 nm, les

nuages empêchent le passage de la lumière. Cependant, une infime quantité de rayon UV

suffit à lancer le processus photochimique conduisant à la photodégradation des matériaux.

La lumière visible se situe dans le domaine spectral entre 380 et 800 nm. Il n’y a pas de

phénomène de diffusion de lumière dans le cas du miroir. Quand la lumière visible est

quasiment réfléchie et diffusée, la lumière est dite lumière blanche. En revanche, une surface

complètement sombre est observée lorsque la lumière visible est totalement absorbée sur

toutes ses longueurs d’ondes.

Il existe trois classes de rayons UV : les UV-A situés entre 400 nm et 315 nm, les UV-B

situés entre 315 nm et 280 nm et les UV-C situés entre 280 nm et 100 nm.

La naissance du processus de photodégradation provient de l’absorption des photons dans le

domaine compris entre 290 nm et 400nm. Le rayon UV entraîne la formation des radicaux

libres et provoque la réaction de dégradation [Nicolas, 2010].

B.11.1.2.Oxygène

Un vernis est un polymère. Une des caractéristiques importantes des polymères est leur

imperméabilité à l’oxygène.

L’action de l’oxygène intervient dans la réaction de dégradation. Suite à l’oxydation, les

polymères subissent des modifications de structure. Pour le cas du bois recouvert de vernis, il

ne subit pas de photooxydation suite au rayonnement UV, mais seulement à une photolyse.

B.11.1.3.Eau

L’eau a une grande influence sur la dégradation des polymères. L’action de l’eau sur les

polymères est plus complexe que celle des rayons UV. La nature de la dégradation peut être

physique ou chimique suivant la variabilité de la fréquence d’exposition à l’humidité [Searle,

1984]. L’eau interagit avec le matériau sous diverses formes : soit en immersion, soit par

22

condensation en surface (formation de rosée). La formation de rosée occasionne la réaction

d’oxydation. Le ruissellement de la pluie détériore le système matériau/revêtement car il ôte

les fibres et décolore le matériau. L’eau sous ses états, du point de vue chimique, favorise la

réaction d’hydrolyse avec le revêtement [Nicolas, 2010].

La réaction d’hydrolyse est la suivante :

-X- Y+H 2 0 -X-O H+HY – réaction 1

Le groupement –X-Y implique un changement de propriétés mécaniques.

Il existe d’autres facteurs de vieillissement tels que la pollution, le facteur éolien, la

précipitation.

Lors de la fabrication des vernis, plusieurs risques peuvent surgir. Les fabricants et les

consommateurs devraient porter attention lors de l’utilisation du produit. En effet, les

constituants du vernis présentent souvent des risques toxicologiques et environnementaux.

B.12. Risques toxicologiques et environnementaux

B.12.1. Risques toxicologiques

Pendant la mise en œuvre du produit, le contact cutané est probable. Les risques

toxicologiques des vernis sont dûs au contact cutané et à l’inhalation. Les composants du

vernis sont les sources de ce problème. Le respect de l’hygiène peut minimiser le risque

d’ingestion de vernis

Liant : la plupart des liants sont toxiques. Ceci peut être l’origine des réactions allergiques

telles que la sensibilisation de la peau, des yeux ou l’irritation des voies respiratoires.

L’utilisation de polyuréthanne comme liant peut provoquer des troubles respiratoires. La

sensibilisation et l’irritation proviennent de l’emploi de l’isocyanate organique.

Solvant : l’eau ne présente pas de risque pour les opérants. Notons que les solvants volatils

présentent des risques communs à l’organisme humain, à savoir l’atteinte du système nerveux

central et l’action irritante sur la peau et les muqueuses.

L’atteinte du système nerveux central concerne, d’une part, l’altération du comportement

comme la dépression, l’irritabilité, les troubles de la mémoire et de l’attention, la

dégénérescence cérébrale, et d’autre part, l’association suggérée entre la maladie d’Alzheimer

et l’exposition passée.

L’action irritante sur la peau et les muqueuses est due aux hydrocarbures aromatiques

[Delphine, 2009].

23

Additif : ils sont introduits à faible concentration dans la composition du vernis. Leur risque

toxicologique est donc réduit. Cependant, leur risque ne doit pas être négligé. En effet, les

agents antisalissures présentent des risques élevés pour les cas des marins. Des risques avérés

chez l’homme sont dûs à l’utilisation des siccatifs à base de plomb [INRS, 2005].

B.12.2. Risques environnementaux

Pour diminuer les risques environnementaux, il faut diminuer le taux de COV et tenir compte

des effets apportés par les déchets.

B.12.2.1. Diminution du taux de COV

Les vernis à solvant (polyuréthanes, cellulosiques) contiennent environ 30 à 80% de COV,

tandis que les vernis acryliques ne contiennent que 4 à 5 % de COV. Que ce soit un rinçage à

l’acétone ou à des solutions hydroalcooliques, il est nécessaire d’introduire des solvants à

l’issu des produits de nettoyage. La diminution du taux de COV sera donc compensée par

l’ajout de solvants assez puissants. Ces solvants sont parfois nocifs à l’environnement. Notons

que cette neutralisation n’élimine pas entièrement le risque environnemental. L’utilisation des

vernis aqueux réduit considérablement l’émission des COV, composés qui représentent un

énorme danger pour les opérateurs et l’environnement [Henry, 2004]. C’est pour ces raisons

que l’emploi des vernis aqueux est fortement recommandé.

B.12.2.2.Déchets

Les différentes applications du vernis aqueux procureront de nombreux déchets tels que les

résidus des produits d’emballage souillé, des boues de vernis, d’eau souillée, etc.

Dans les procédés de finition, le traitement des effluents reste encore une partie négligée par

les industries de production. Les eaux souillées font partie des déchets spéciaux de l’industrie.

Ces eaux devront être traitées dans des conditions de traitement spécifique. La mission des

industries vise alors à traiter les eaux, à affaiblir sa turbidité et à récupérer les composants

solides en suspension qui existent.

Les techniques utilisées sont la captation après sédimentation ou flottation, les traitements

physicochimiques par coagulation-floculation, la filtration membranaire et le traitement

électrochimique [Henry, 2004].

Le traitement des vernis de finition hydrodiluable est beaucoup plus complexe que celui des

vernis solvantés. En effet, les vernis de finition hydrodiluables ont un pH basique alors que la

technique de coagulation-floculation demande la neutralité de l’effluent.

24

Pour le traitement des effluents liquides incorporés dans le vernis de finition aqueux, il faut

que l’eau récupérée après la coagulation doive être réutilisée et le système de traitement des

eaux souillées doit être choisi en fonction du type de vernis de finition utilisé. Il faut

également que le traitement des eaux doit être pris en compte dès le début de l’élaboration de

la ligne de finition et des postes d’application.

B.13. Hygiène et sécurité

Les préoccupations environnementales et sanitaires consolident les efforts technologiques. La

règlementation tient compte de l’avis publique dans des domaines très diverses : condition de

travail, contact alimentaire, étiquetage, résidus de production et revêtement des jouets. La

contrainte la plus indéniable est la limitation des émissions des composés organiques volatils.

Elle impose aux fabricants et à l’utilisateur de modifier ou de baisser l’utilisation de solvants

organiques. C’est donc un enjeu technique et commercial pour les fabricants de vernis

[Béguin, 2000].

B.13.1. Prévention collective

Compte tenu de la diversité des procédés, il est difficile de fournir des informations

spécifiques sur les moyens de protection.

La substitution d’un composé, la ventilation, la méthode de travail et l’isolation sont les

méthodes à suivre pour diminuer les risques d’intoxication.

B.13.1.1. Substitution

Pour réduire les risques d’intoxication, le remplacement des produits toxiques est préférable.

B.13.1.2. Ventilation

Les systèmes de ventilation se présentent sous deux types : "général ou local". Un système de

ventilation général sert à recycler un grand volume d'air. Il permet également de diluer les

contaminants contenus dans l'air. Il faut cependant porter attention aux recoins où l'air peut

être stagnant. La ventilation générale exige une très grande quantité d’air afin de protéger les

utilisateurs.

B.13.1.3. Méthode de travail

La production industrielle de vernis est influencée par les méthodes de travail

inadéquates, comme le gaspillage de vernis ou la finition imparfaite par exemple. En outre,

elle intensifie l’exposition des travailleurs aux contaminants. Lorsque le vernissage est

effectué par pulvérisation, l’objectif principal est de diminuer la perte de produit et d’avoir le

25

moindre brouillard possible au cours de l’application du revêtement. Dans les lieux de travail,

les manipulateurs se trouvent généralement autour des objets à vernir, ce qui est une méthode

de travail déplaisante.

B.13.1.4. Isolation

L’isolation est une technique réalisée pour éloigner l’utilisateur du risque par l’utilisation des

barrières physiques.

L’automatisation est la meilleure façon d’écarter le travailleur du risque. On distingue deux

méthodes : la première est l’utilisation d’un pistolet fixe devant lequel, les pièces à vernir

passent devant le pistolet. La deuxième utilise des robots programmés qui reproduisent les

mouvements d’un vernissage. Dans ce cas, les pièces doivent être de dimension semblable

[Huneault, 1988].

L’emploi de vernis à base d’eau, allège les mesures de prévention collective. L’utilisation

d’une cabine de vernis n’est pas obligatoire, si le vernis est aqueux et si l’application se fait

par pulvérisation. Par ailleurs, la pulvérisation de vernis, ne doit s’appliquer, que si les

produits utilisés renferment des traces de substances inflammables ou toxiques.

L’utilisation de vernis ininflammable est recommandée pour minimiser le risque d’incendie et

d’explosion [Adrian, 2006].

B.13.2. Protection personnelle

Comme il a été dit précédemment, l’emploi des barrières physiques isole les utilisateurs, du

risque. L’utilisation des équipements de protection tels que les gants, les tabliers, les lunettes,

évite les contacts avec la peau. Le choix de matériaux dépend particulièrement de la résistance

aux contaminants, en particulier aux solvants. Les respirateurs sont également un autre type

de barrière. Il existe deux catégories d’aspirateurs : les respirateurs avec apport d’air et les

respirateurs qui purifient l’air en retenant les contaminants de l’air avant qu’il soit inhalé

[Huneault, 1988].

La substitution du solvant organique par l’eau est également un meilleur moyen de diminuer

les risques toxiques, voire supprimer l’émission de vapeur. Dans ces conditions, il est

recommandé de porter des équipements de protection respiratoire individuels, surtout lors de

l’application par pulvérisation [Adrian, 2006].

26

DEUXIEMEPARTIE :

ETUDES PRELIMINAIRES

27

B. Essais préliminaires

Les essais préliminaires ont pour but de déterminer la quantité d’eau, de liant et d’éthanol

dans le mélange, afin d’obtenir une viscosité adéquate.

C.1.Choix des constituants

C.1.1. Solvants

Rappelons que les solvants servent à dissoudre les liants et à modifier la viscosité du vernis.

C.1.1.1. Eau

L’eau est un corps chimique composé d’oxygène et d’hydrogène. De formule chimique H2O,

elle est très stable et souvent considérée comme ubiquitaire sur la Terre et dans l'air humide

qui peut l'environner. Constituant biologique important, elle est indispensable pour tous les

organismes vivants.

L'eau est un puissant solvant. Elle peut se trouver sous trois états physiques : gazeux, liquide

ou solide.

Le tableau 7 montre quelques propriétés physiques de l’eau.

Tableau 7 : Propriétés physiques de l’eau

Température de fusion (°C) 0(sous 1,01325 bar)

Température d’ébullition (°C) 100 (sous1,01325 bar)

Masse volumique (kg.m-3

)

1 000,00 (à 4 °C)

998,30(à 20 °C)

958,13 (liquide à 100 °C)

726,69 (à 300 °C)

L’eau fait partie des constituants majeurs du vernis. Elle dissout les liants et modifie la

viscosité du mélange. C’est le solvant le plus vert, le plus abondant et le moins coûteux. En

effet, elle ne présente aucun risque toxicologique pour la santé. Par ailleurs, elle est

ininflammable.

Dans ces études préliminaires, la quantité d’eau utilisée varie de 17,5 à 45 % du poids total du

produit.

C.1.1.2. Ethanol

Appelé également alcool éthylique, l’éthanol est un alcool de formule semi-développée

CH3-CH2-OH. C'est un liquide incolore, volatil, inflammable et miscible à l'eau en toutes

proportions. C'est un psychotrope et l'une des plus anciennes drogues récréatives, sous forme

28

de boissons alcoolisées nuisant à la santé en cas de consommation excessive. Cependant,

l'éthanol est utilisé comme solvant et comme carburant. En outre, il est utilisé dans les

thermomètres.

L’éthanol est l’un des éléments qui entre dans la formulation du vernis. Il est considéré

comme vert. Il dissout les liants et accélère le séchage du vernis. Le tableau 8 présente

quelques propriétés de l’éthanol.

Tableau 8 : Propriétés de l’éthanol

Température de fusion (°C) −114

Température d’ébullition (°C) 78

Miscibilité

dans l'eau : complètement miscible

dans les solvants polaires et apolaires

comme l’acétone, l’éther diéthylique

Paramètre de solubilité δ (MPa) 26,0 (à 25 °C);

11,2 cal.cm

-3

Masse volumique (g.m-3

) 0,789 (à 25 °C)

C.1.2. Liants

Notons que les différents constituants du vernis sont liés grâce aux liants. Ces liants sont des

macromolécules qui assurent l’adhérence du vernis sur les supports. L’attaque de l’eau sur les

acryliques forme une émulsion de polymère acrylique. Le film du vernis se forme lors de

l’évaporation de l’eau.

Les liants les plus répandus pour la fabrication du vernis acrylique sont l’acrylique, l’alkyde et

le vinylique.

C.1.2.1. Résine alkyde

Le terme « alkyde » provient de la contraction des mots alcohol et acid. Sous forme liquide,

les alkydes sont des esters macromoléculaires obtenus à partir d’une réaction entre un

polyacide organique, comportant plusieurs groupements –COOH et un alcool polyhydroxylé

contenant plusieurs groupements –OH et d’autres ingrédients tels que la colophane. Ces

derniers permettent d’augmenter la flexibilité et les résines aminoplastes. Appelés également

glycéro-phtaliques, les alkydes sont des résines thermodurcissables utilisées comme liants

dans le domaine des peintures et des vernis.

Il est à la fois utilisé pour le vernis aqueux et pour le vernis à l’huile. Les vernis acryliques à

base de résine alkyde sont très résistants et non toxiques. En effet, il est très pauvre en COV.

29

C.1.2.2. Kamicryl

Le kamicryl est un styrène acrylique très visqueux et possède un aspect laiteux. C’est une

résine synthétique thermoplastique. Il est obtenu par polymérisation de l’acide métacrylique et

de l’ester de l’acide acrylique. Le kamicryl est imperméable et résiste à l’humidité. D’une

part, il résiste aux intermédiaires atmosphériques et d’autre part, il est éclatant. En outre, il

n’est pas dispendieux.

i) Définition

Les polymères sont des macromolécules. Ils sont obtenus par la combinaison de monomères.

Les monomères sont des molécules de petites tailles à partir desquelles se forment les

macromolécules [Nguyen, 2004].

Les polymères possèdent un aspect visqueux et souple. Par ailleurs, ils peuvent être obtenus

soit à partir d’un seul type de monomères (homopolymères) tels que les polystyrènes, les

polyéthylènes, le polychlorure de vinyle, soit à partir de deux types de monomères

(copolymères) comme les styrènes- butadiènes [Palmer, 2001].

ii) Polymérisation

La polymérisation est une réaction chimique qui permet l’obtention des polymères. Cette

formation est due à l’assemblage de monomères [Deterre, 1997].

Il existe deux types de polymérisation : la polyaddition et la polycondensation.

Réaction de polyaddition

Cette réaction consiste en l’addition des monomères pour former des polymères. Au cours de

cette réaction, la formation des polymères découle des monomères ayant des fonctions alcène.

La réaction de formation de polystyrène à partir d’une répétition de monomère de styrène est

l’un des exemples le plus courant (réaction 2).

Réaction 2

30

Réaction de polycondensation

C’est une réaction entre deux monomères de nature différente pour donner le polymère. Cette

réaction s’accompagne de l’élimination d’une molécule d’eau.

L’exemple le plus usuel est la formation d’un Tergal thermoplastique (réaction 3).

n OH-(CH2)2-OH + nOH-CO-C6H5-COOH 2n H2O + -[O-R-(CH2)2-CO-C6H5-CO]- Réaction3

Ethane-1,2diol Acide paraphtalique Eau Tergal

C.1.3. Additifs

Les additifs sont l’un des constituants du vernis. Ils sont ajoutés dans la formulation à faible

quantité. L’additif modifie les propriétés du vernis. Ils peuvent être des agents anti-mousses,

des siccatifs, etc.

C.1.3.1. Texanol

Le texanol a pour nom chimique l’acide 2, 2, 4- Triméthylpentane-1,3-diol-monoisobutyrate

isobutyrique. Il répartit le film du vernis et accélère le séchage. Il est partiellement soluble à

l’eau. Son taux ne dépasse pas 5 % du mélange.

C.1.3.2. Dibutylphtalate

Le phtalate de dibutyle, nommé couramment DBP, est un composé organique qui consiste en

l'ester n-butylique de l'acide phtalique. Il est parfois utilisé comme plastifiant. Il est également

employé comme additif pour les adhésifs ou les encres d'impression. Il est soluble dans

différents solvants organiques, par exemple dans l'éthanol, l'éther diéthylique et le benzène.

Le tableau 9 donne quelques propriétés physiques du dibutylphtalate.

Tableau 9 : Propriétés physiques du dibutylphtalate

T° fusion (°C) −35

T° ébullition (°C) 340

Solubilité à 25 °C (mg·L-1

) 11,2-11,5

Masse volumique à 25 °C (g·cm-3

) 1,043

C.1.3.3. Octoate de cobalt

Appelé généralement sel de cobalt (II) de l'acide éthyl-2 hexanoïque, l’octoate de cobalt est

un composé métallique soluble dans les solvants organiques. L’octoate de cobalt est une

substance qui joue le rôle de catalyseur. Il accélère le séchage ou la siccativation d'une

peinture à base d’huile. En revanche, dans le cas du vernis aqueux, l’octoate de cobalt n’a que

très peu d’influence sur l’oxydation du film du vernis aqueux. En effet, il n’est pas soluble

dans l’eau.

31

C.2. Matériels et mode opératoire

C.2.1. Matériels

Lors des essais préliminaires, un bécher de 1L a été utilisé pour mélanger les différents

constituants du vernis. Ces différents constituants sont pesés à l’aide d’une balance

électronique. Un mixeur assure l’agitation du mélange. Une bouteille de 1L sert à stocker le

vernis fabriqué. Le vernis est appliqué sur un contreplaqué à l’aide d’un pinceau pour évaluer

sa qualité.

C.2.2. Mode opératoire

Tous les constituants sont préalablement pesés. Les liants, l’eau et les additifs sont, par la

suite, simultanément introduits dans le bécher de 1L. Le mélange se fait à l’aide d’un mixeur.

Une émulsion de polymère acrylique se forme lors du mélange. Après quelques minutes,

l’éthanol est versé dans le mélange réactionnel pour éviter son évaporation.

L’opération est effectuée en discontinu. Lorsqu’un mélange homogène est obtenu, l’agitation

est arrêtée. Les résultats sont résumés dans le tableau 10 et les observations, dans le tableau

11.

32

Tableau 10 : Quantité de chaque constituant utilisé pour chaque essai

Liants Solvants Additifs

Alkyde Kamicryl Eau Ethanol Octoate de Co Texanol DBP

Essai I % 100 0 50 50 50 20 30

PT 30 0 30 30 5 2 3

Essai II % 100 0 25 75 50 30 20

PT 30 0 15 45 5 3 2

Essai III % 0 100 50 50 0 0 100

PT 0 50 22,5 22,5 0 0 5

Essai IV % 25 75 50 50 0 0 100

PT 15 45 17,5 17,5 0 0 5

Essai V % 75 25 50 50 0 0 100

PT 45 15 17,5 17,5 0 0 5

Essai VI % 100 0 70 30 0 0 100

PT 60 0 24,5 10,5 0 0 5

Essai VII % 0 100 100 0 0 0 100

PT 0 35 60 0 0 0 5

Essai VIII % 0 100 100 0 0 0 100

PT 0 65 35 0 0 0 5

Essai IX % 0 100 100 0 40 60 0

PT 0 50 45 0 2 3 0

Essai X % 0 100 100 0 50 10 40

PT 0 50 40 0 5 1 4

PT : poids total

33

Tableau 11 : Observation des essais préliminaires

Brillance

Epaisseur

d’une

couche

Temps

de

séchage

(min)

Homogénéité Viscosité Coloration

Avant

application

Après

application

Essai I excellent épais 30 non

±

visqueux violacé transparent

Essai II excellent épais 35 non

±

visqueux violacé transparent

Essai III meilleur ± épais 55 oui

±

visqueux blanc transparent

Essai IV meilleur ± épais 65 oui

±

visqueux blanc transparent

EssaiV excellent

non

uniforme 80 non

±

visqueux blanc transparent

Essai VI excellent épais 90 oui

très

visqueux blanche transparente

Essai VII mauvaise très fin 70 oui liquide blanche transparente

Essai VIII meilleur très épais 190 oui

très

visqueux blanc transparent

Essai IX meilleur ± épais 140 oui

±

visqueux violacé transparent

Essai X meilleur ± épais 125 oui

±

visqueux violacé

transparent

C.3. Interprétation

Parmi les 10 essais effectués, seul le vernis obtenu avec l’essai n° 7 ne s’étale pas sur le

support. Son aspect est très liquide. Pour ce cas, la quantité d’eau utilisée est très importante.

Le kamicryl est complètement dissout dans l’eau. Le vernis obtenu est de mauvaise qualité.

Pour le cas des essais n° 1 et n° 2, il y a décantation des divers constituants des vernis. En

effet, l’alkyde est faiblement soluble dans l’eau. De ce fait, les vernis devraient tout d’abord

être agités avant application. Cependant, le vernis adhère bien sur le support. Il est transparent

et brillant. Son temps de séchage varie entre 35 et 55 minutes. Pour l’essai n° 6, le mélange

est constitué de 24,5 % d’eau. Notons que l’eau et l’alkyde ne sont plus miscibles si le

pourcentage de l’eau dépasse 24,5 %. Le produit obtenu est très visqueux. Le produit obtenu

adhère très bien au support et offre une brillance remarquable. De plus, le temps de séchage

est assez rapide.

Contrairement au vernis obtenu avec l’essai n°7, le vernis issu de l’essai n° 3 est homogène.

En effet, le kamicryl est totalement miscible à l’eau.

34

Le texanol, qui assure le séchage du film n’est pas miscible à l’eau. Il est alors substitué au

dibutylphtalate. Ce dernier est miscible à l’eau et à l’éthanol. En outre, cet additif donne un

aspect plastifiant et accélère le séchage du vernis. C’est pour ces raisons que le vernis

fabriqué avec l’essai n°3 est très brillant, très collant et sèche rapidement.

Pour le cas des essais n°4 et n°5, l’étude est réalisée avec un mélange de liants. La

formulation de l’essai n°4 contient 45 % de kamicryl et 15 % d’alkyde et celle du n°5 contient

45 % d’alkyde et 15 % de kamicryl. Ces deux expériences offrent un vernis de qualité

différente. L’essai n° 4 donne un mélange homogène, tandis que la solution obtenue avec

l’essai n°5 est hétérogène. Ainsi, la couche de vernis à l’issu de ce dernier n’est pas uniforme.

Pour cet essai, la quantité d’alkyde est trop importante, et l’excès d’alkyde n’est plus dissous

par le solvant. Ces deux essais offrent un vernis brillant et adhérant.

Les essais n° 8, n° 9 et n° 10 donnent un produit qui adhère bien sur le support. Ils offrent

également un vernis brillant. Néanmoins, le temps de séchage est très important.

35

TROISIEME PARTIE :

OPTIMISATION

36

D. Objectif

Afin d’optimiser la qualité du vernis, un plan d’expériences a été utilisé. Dans ce travail, le

but est d’avoir un vernis acrylique possédant un temps de séchage rapide, une forte résistance

à l’eau et un meilleur pouvoir couvrant. En raison des influences sur la formulation, le plan du

premier degré à deux niveaux à trois facteurs a été choisi. Ce plan est le plan factoriel à deux

niveaux (sans niveau central). Il a été choisi pour son utilisation aisée. En effet, le nombre

d’expériences est réduit. Le nombre d’expériences suit la règle mathématique 2k. Il offre

également des renseignements très intéressant des effets des facteurs sur la réponse. Par

ailleurs, il met en évidence l’existence des interactions entre les facteurs.

D.1. Modélisation mathématique

La réponse mathématique attendue est de premier ordre.

Y = a0 + ∑ ai xi + ∑ aijxixj + … + ∑ aij…z xixj…xz équation 1

Où :

- Y est la réponse mesurée,

- a0, ai, aij et aij…z sont les coefficients du modèle mathématique,

- et Xi, les coordonnées des points expérimentaux.

D.1.1. Choix des facteurs

Le plan du premier degré à deux niveaux à trois facteurs est utilisé pour mesurer l’influence

des trois facteurs principaux : la quantité d’éthanol, la quantité d’eau et la quantité de

dibutylphtalate. Ces trois facteurs sont exprimés en pourcentage massique par rapport au

poids total du produit à élaborer.

D.1.1.1. Facteur 1

Exprimé en pourcentage massique, le facteur (X1) est la quantité de dibutylphtalate contenu

dans la formulation. Il peut être utilisé à l’état pur ou mélangé avec d’autres additifs afin

d’obtenir les propriétés voulues. Son taux doit être inférieur à 5 %. De ce fait, l’intervalle

choisi pour le pourcentage massique est de 1 à 5 %.

D.1.1.2. Facteur 2

Le facteur (X2) correspond à la quantité d’éthanol nécessaire pour l’élaboration du vernis

acrylique. L’éthanol est choisi comme facteur puisqu’il modifie la qualité du vernis. Il joue

également le rôle de solvant. Le type de vernis fabriqué se subdivise en deux catégories

suivant le pourcentage en éthanol dans le mélange : le vernis hydrodiluable (taux en éthanol

37

inférieur à 1 %) et le vernis hydrosoluble (taux en éthanol compris entre 1 et 15 %). Dans

notre cas, le taux d’éthanol utilisé varie alors entre 5 et 15 %.

D.1.1.3. Facteur 3

Le facteur 1 (X3), exprimé en pourcentage massique, est la composition du kamicryl contenu

dans le mélange. Le kamicryl est l’un des liants adaptés à la fabrication des vernis acryliques.

Le tableau 12 donne les niveaux des variables en coordonnées réduites et en coordonnées

réelles des facteurs X1, X2 et X3. Les coordonnées réduites et les coordonnées réelles de la

matrice expérimentale sont données respectivement par les tableaux 13 et 14.

Tableau 12 : Coordonnées réduites et réelles des facteurs X1, X2 et X3

Niveau X1 X2 X3

Additif (%)

Dibutylphtalate

Solvant (%)

Ethanol

Liant (%)

Kamicryl

-1 5 35 40

+1 15 40 60

Tableau 13 : Matrice expérimentale en coordonnées réduites

Essais X1 X2 X3

1 +1 +1 +1

2 +1 +1 -1

3 +1 -1 +1

4 +1 -1 -1

5 -1 +1 +1

6 -1 +1 -1

7 -1 -1 +1

8 -1 -1 -1

Tableau 14: Matrice expérimentale en coordonnées réelles Essais Additif (Y1) Solvant (Y2) Liant (Y3)

Dibutylphtalate (%) Ethanol (%) Kamicryl (%)

1 5 15 60

2 5 15 40

3 5 5 60

4 5 5 40

5 1 15 60

6 1 15 40

7 1 5 60

8 1 5 40

D.1.2. Choix des réponses

Les vernis fabriqués sont caractérisés par leur temps de séchage, noté Y1, leur pouvoir

couvrant, noté Y2 et leur résistance à l’eau, noté Y3.

38

i) Temps de séchage (Y1)

La formation du film de vernis dépend de l’évaporation de l’eau ou d’autres solvants. Le

temps de séchage est l’un des paramètres pour qualifier un vernis surtout pour les

professionnels. En effet, un temps de séchage court évite la perte de temps.

Le séchage au toucher et le séchage complet du vernis sont les deux manières permettant de

qualifier le séchage d’un vernis. Dans cette étude, le séchage au toucher a été choisi comme

réponse.

ii) Pouvoir couvrant (Y2)

Le pouvoir couvrant est l’une des qualités exigées par l’utilisateur. Il correspond à la surface

que peut recouvrir une quantité bien définie de vernis. Il est exprimé en m2.L

-1 ou m

2.kg

-1. Le

pouvoir couvrant détermine donc la quantité nécessaire du produit pour vernir un support.

Plus le pouvoir couvrant est élevé, plus l’utilisateur économise son produit. Cependant, la

qualité du pouvoir couvrant dépend de la nature et de l’opacité du support.

iii) Résistance à l’eau (Y3)

Les vernis peuvent être exposés en contact de l’humidité. Il est alors nécessaire d’utiliser un

vernis qui possède une forte résistance à l’eau.

Pour mesurer la résistance à l’eau d’un vernis, il suffit d’appliquer ce dernier sur un support

en bois. Ce support vernissé est ensuite immergé dans l’eau après son séchage.

La résistance à l’eau est qualifiée par la durée où le vernis se décape du support.

D.2. Préparation du vernis

L’élaboration du vernis est réalisée dans un réacteur parfaitement agité (figure 3).

Figure 3 : Réacteur parfaitement agité

39

Pour effectuer les expériences, le kamicryl de masse mk est d’abord introduit dans le réacteur.

Le dibutylphtalate de masse md est ensuite versé avant l’éthanol de masse mEt. L’eau, de

masse me, permet de dissoudre les constituants et d’ajuster la viscosité du mélange. Le

mélange est agité à 2800 tours par minute à l’aide d’un système d’agitation comportant un

moteur, une courroie et des poulies tournant (figure 4). Le mobile utilisé est de type ancre

(figure 4). Ce mobile d’agitation est classé dans le groupe des mobiles à débit tangentiel,

convenable pour un mélange visqueux. Après 30 minutes, un mélange homogène est obtenu.

Figure 4 : photographie du système d’agitation

Figure 5 : Agitateur à ancre à débit tangentiel

Le tableau 15 donne les quantités d’eau, de dibutylphtalate, d’éthanol et de kamicryl pour

chaque expérience.

Tableau 15 : Quantité des constituants utilisés dans la fabrication du vernis

Essais Eau (g) Additif Solvant Liant

Dibutylphtalate

(g)

Ethanol (g) Kamicryl (g)

1 300 75 225 900

2 600 75 225 600

3 450 75 75 900

4 750 75 75 600

5 360 15 225 900

6 660 15 225 600

7 510 15 75 900

8 810 15 75 600

40

D.3.Résultats

D.3.1. Mise en équation

Huit points expérimentaux ont été réalisés pour améliorer la validité du modèle. Le tableau 16

représente les résultats expérimentaux tels que le temps de séchage (Y1), le pouvoir couvrant

(Y2) et la résistance à l’eau (Y3).

Tableau 16: Matrices des points expérimentaux et des réponses

N° X1

X2

X3

Temps

de séchage

(mn)

Pouvoir

couvrant

(m2.L

-1)

Résistance à

l’eau

(durée)

1 +1 +1 +1 50 12 50

2 +1 +1 -1 20 13,1 30

3 +1 -1 +1 40 12,7 44

4 +1 -1 -1 30 13,4 36

5 -1 +1 +1 50 12,35 43

6 -1 +1 -1 15 13,21 30

7 -1 -1 +1 35 12,98 37

8 -1 -1 -1 25 13,60 30

Lors de la réalisation de ces 8 expériences, il est à souligner que l’effet de chaque facteur sur

les réponses est linéaire. De ce fait, le plan du premier degré a été choisi pour mieux voir et

mieux étudier l’interaction possible entre ces trois facteurs.

D.3.1.1. Temps de séchage

Les résultats montrent que le temps de séchage de chaque expérience diffère l’un de l’autre.

Le temps de séchage varie de 15 à 60 minutes. Cette variation est due à l’influence des

facteurs étudiés sur la qualité des vernis. L’expérience 6 possède le temps de séchage le plus

court qui est de 15 minutes. Ce temps de séchage est analogue à celui des vernis commerciaux

dit séchage « rapide ». Rappelons que le temps de séchage correspond au séchage au toucher.

Pour les vernis acryliques, le temps de séchage ordinaire est d’environ 60 minutes. Les temps

de séchage des vernis fabriqués, dont la moyenne est égale à 33 minutes, sont donc

acceptables.

D.3.1.2. Pouvoir couvrant

Le pouvoir couvrant des vernis varie de 12,10 à 13,90 m2.L

-1 dont la moyenne est de

12,92 m2.L

-1. Les expériences 2, 4, 6 et 8 possèdent le pouvoir couvrant élevé. Leur moyenne

est égale à 13,31 m2.L

-1. Le pouvoir couvrant issu de l’expérience 1 est faible. L’expérience 8

est la seule expérience qui possède un pouvoir couvrant similaire aux vernis commerciaux

avec une erreur relative de 0,40 m2.L

-1. Cette dernière possède un temps de séchage court.

41

D.3.1.3. Résistance à l’eau

La résistance à l’eau des vernis acryliques résulte de la qualité et de la quantité du liant utilisé.

A cause de sa grande solubilité dans l’eau, le kamicryl est choisi comme liant. D’après le

résultat, plus la quantité du liant est importante, plus le vernis résiste à l’eau.

Rappelons que le plancher vernissé une fois sec est immergé dans l’eau. Chaque jour, ce

plancher vernissé est vérifié si la couche de vernis ne se décolle pas du support. Après 50

jours, il a été examiné que tous les vernis peuvent être poncés du support. La résistance à

l’eau de ces vernis est estimée en comptant le nombre de jours où les couches de vernis se

décapent du support.

Parmi les 8 expériences réalisées, les vernis obtenus issus de l’expérience 1, 3 et 5 résistent

beaucoup plus à l’agression de l’eau que dans les autres expériences. Ces derniers possèdent

une qualité similaire au vernis commercial. Pourtant, dans les expériences 2, 6 et 8 les vernis

sont moins résistants.

D.3.2. Modélisation

L’équation 1 peut se résoudre de façon matricielle, ainsi le vecteur des coefficients du modèle

est donné par l’équation 2.

[a] = [tXX]

-1 [

tX] [Y] équation 2

Avec [Y], la matrice de réponses, [a], la matrice des coefficients du modèle et [X], la matrice

d’expériences.

Après la résolution pour chaque réponse, les modèles correspondant sont donnés par les

équations 9, 1à et 11 respectivement pour le temps de séchage, le pouvoir couvrant et la

résistance à l’eau.

Y1 = 33,125 + 1,875 X1 + 0,625 X2 + 10,625 X3 -0,625 X1X2 - 0,625 X1X3 + 5,625 X2X3

- 0,625 X1X2X3 équation 3

Y2 =12,79+ 0,01X1– 0,38X2 – 0,29 X3 + 0,13X1X2– 0,17X1X3+ 0,05X2X3

– 0,15X1X2X3 équation 4

±2 ±0,05 ± 0,14 ±0,5 ±0,04 ±0,01 ±0,05

±0,6

±0,75 ±0,001 ±0,1 ±0,02 ±0,001 ±0,05 ±0,001

± 0,002

2

42

Y3= 37,63 + 2,38X1 + 0,63X2 + 5,88X3– 0,63 X1X2+ 1,13 X1X3 + 2,38X2X3

+ 0,63X1X2X3 équation 5

Le tableau 17 montre que les réponses issues des expériences et les réponses modélisées sont

vérifiées.

Tableau 17 : Réponses expérimentales et réponses modélisées Y1 Y2 Y3

X1 X2 X3 Exp Mod Exp Mod Exp Mod

N°1 0 0,5 0,5 40 40,125 12,40 12,47 40 42

N°2 0,5 0,5 0 35 34,25 12,67 12,7 38 39

D.3.2.1. Temps de séchage

A partir de l’équation 3, les courbes d’interaction de chaque facteur ont montrées aux figures

6, 7 et 8.

Figure 6 : Courbes d’interaction pour Y1 (X1, X2) avec X3=0

Figure 7 : Courbes d’interaction de Y1 (X1, X3) avec X2= 0

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X1= -1 X1= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X2= -1 X2= +1

0102030405060

-1 1

X1= -1 X1= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X3= -1 X3= +1

±2 ±0,15 ±0,04 ±0,15 ±0,05 ±0,04 ±0,05

0,15

±0,04

X1

X2

X3

X1

Y1

(te

mp

s d

e sé

chage)

Y1

(te

mp

s d

e sé

chage)

Y1 (

tem

ps

de

séch

age)

Y1

(te

mp

s d

e sé

chage)

X2

X3

43

Figure 8 : Courbes d’interaction de Y1 (X2, X3) avec X1= 0

D.3.2.2. Pouvoir couvrant

Les courbes d’interaction de chaque facteur sont schématisées aux figures 9, 10 et 11. Pour

chaque figure, l’un des facteurs est fixé à une valeur égale à 0.

Figure 9 : Courbes d’interaction de Y2 (X1, X2) avec X3= 0

Figure 10 : Courbes d’interaction de Y2 (X1, X3) avec X2= 0

Figure 11: Courbes d’interaction de Y2 (X2, X3) avec X1= 0

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X2= -1 X2= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X3= -1 X3= +1

1111,5

1212,5

1313,5

14

-1 1

X1= -1 X1= +1

1111,5

1212,5

1313,5

14

-1 1

X2= -1 X2= +1

1111,5

1212,5

1313,5

14

-1 1

X1= -1 X1= +1

1111,5

1212,5

1313,5

14

-1 1

X3= -1 X3= +1

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

-1 1

X2= -1 X2= +1

11

11,5

12

12,5

13

13,5

14

-1 1

X3= -1 X3= +1

X2

Y1

(te

mp

s d

e sé

chage)

Y1 (

tem

ps

de s

éch

age

Y1

(te

mp

s d

e sé

chage)

X3

Y2 (

Pou

voir

cou

vra

nt)

Y2

(P

ou

voir

cou

vra

nt)

X2

X1 X3 Y

2 (P

ou

voir

cou

vra

nt)

Y2

(P

ou

voir

co

uvra

nt)

Y2 (

Pou

voir

cou

vra

nt)

Y2 (

Pou

voir

cou

vra

nt)

X2 X3

X1

44

D.3.2.3. Résistance à l’eau

Les courbes d’interaction pour chaque facteur correspondantes à l’équation 5 sont montrées

aux figures 12, 13 et 14. Un des facteurs est fixé à zéro pour chaque figure.

Figure 12 : Courbes d’interaction de Y3 (X1, X2) avec X3= 0

Figure 13 : Courbes d’interaction de Y3 (X1, X3) avec X2=0

Figure 14 : Courbes d’interaction de Y3 (X2, X3) avec X1=0

0102030405060

-1 1

X1= -1 X1= +1

0102030405060

-1 1

X2= -1 X2= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X1= -1 X1= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X3= -1 X3= +1

0102030405060

-1 1

X2= -1 X2= +1

0

10

20

30

40

50

60

-1 1

X3= -1 X3= +1

X1 X2

Y

3 (R

ésis

tan

ce à

l’e

au

)

Y3 (

Rés

ista

nce

à l

’eau

)

Y

3 (

Rés

ista

nce

à l

’eau

)

Y3

(R

ésis

tan

ce à

l’e

au

)

X2

X1 X3

X3

Y3 (

Rési

sta

nce

à l

’ea

u)

Y3

(R

ési

sta

nce

à l

’ea

u)

45

Le tableau 18 résume les interactions entre ces facteurs.

Tableau 18: Interaction entre deux facteurs X1X2 X1X3 X2X3

Y1 oui non oui

Y2 oui oui non

Y3 oui non non

Entre X1 et X2, une faible interaction est perçue (figure 6). X1 affecte l’influence de X2 sur le

temps de séchage (Y1). Chimiquement, il y a interaction entre ces deux facteurs. C’est une

réaction entre ester et alcool, dit réaction de transestérification. Cette réaction est lente et

partielle. Il est possible que le produit issu de cette dernière soit un ester insaturé. De ce fait,

l’excès de X1 et de X2 défavorise le temps de séchage. De plus, il y a absence d’interaction

entre X1 et X3 (figure 7). Ceci explique que X3 n’affecte pas l’influence de X1 sur Y1. La

réaction entre X1 et X3 est partielle. Leur produit de réaction peut être accompagné d’un excès

de dibutylphtalate (X1) et de kamicryl (X3). Il est possible que cet excès soit le facteur

principal qui défavorise la réponse Y1. La figure 8 montre que les facteurs X2 et X3

interagissent. X3 affecte l’influence de X2 sur Y1. Le kamicryl (X3) est soluble dans l’éthanol

(X2). Il est à percevoir que, d’une part, quand X2 est maximal et X3 est minimal, le temps de

séchage (Y1) obtenu est court, d’autre part, quand X2 et X3 prennent la valeur +1, le vernis

obtenu possède un temps de séchage (Y1) très long. Par ailleurs, la réaction entre ces deux

facteurs s’accompagne d’un excès de deux produits. Les produits non consommés lors de la

réaction entre X2 et X3 empêchent le séchage rapide du vernis. Y3 varie avec la quantité de

kamicryl (X3) introduite dans la formulation.

En conséquence, pour obtenir Y1 optimal, il faut que X1 et X2 augmentent et X3 diminue.

En observant les figures 9 et 10, il existe une forte interaction entre les facteurs X1 et X2 et X1

et X3. Les facteurs X2 et X3 affectent l’influence de X1 sur Y2. L’influence de X1 et X2 sur Y2

est remarquable. Avec un excès de X2 et X3, Y2 est faible. Contrairement à cela, quand X2 et

X3 diminuent, le pouvoir couvrant (Y2) est élevé. La réaction entre l’excès de X2 et le produit

de réaction entre X1 et X2 défavorise alors la réponse Y2. De même, la réaction entre le reste

de X3 qui n’est pas consommé dans le mélange et celui du produit de réaction, conduit à un

pouvoir couvrant faible.

La figure 11 montre qu’il n’y a aucune interaction entre les facteurs X2 et X3. Ceci explique

que si Y2 est meilleur, il ne dépend exactement ni de X2 ni de X3. Expérimentalement,

46

l’obtention de Y2 élevé repose sur la viscosité du vernis, c'est-à-dire, Y2 meilleur est rattaché

au taux de diluant. Dans notre cas, ce diluant est l’eau.

Pour un pouvoir couvrant optimal, dans la formulation, le taux de dibutylphtalate doit être

élevé, le taux d’éthanol doit être faible et celui de kamicryl doit également être faible.

L’interaction entre X1 et X2 est forte (figure 12). Ces deux facteurs ont une influence

importante sur Y3.Y3 est élevée, quand X1 et X2 sont en excès. Il est donc probable que la

réaction entre le produit de réaction entre ces deux facteurs et l’excès de X1 ou de X2

favorisent ce résultat, malgré l’absence d’interaction entre les facteurs X1 et X3, X2 et X3.

Chaque facteur a une influence sur Y3 (figures 13 et 14). Pour qu’un vernis résiste fortement à

l’eau, il faut donc X1, X2 et X3 augmentent.

D.3.2.4. Optimum

En remarquant les figures 7, 11, 13 et 14, il n’existe aucune interaction entre les facteurs X1 et

X2, X1 et X3 et X2 et X3. Pour chaque équation, chaque terme X1, X2, X3 peut être supposé

négligeable.

Les équations 3, 4 et 5 deviennent respectivement :

Y1 = 33,13 + 1,88 X1 + 0,63 X2 + 10,63 X3 - 0,63X1X2 - 0,63 X1X3 + 5,63X2X3 équation 6

Y2 = 12,79 + 0,01 X1– 0,38 X2 – 0,29 X3 + 0,13 X1X2– 0,17 X1X3 + 0,05 X2X3 équation 7

Y3= 37,63 + 2,38 X1 + 0,63 X2 + 5,88 X3 – 0,63 X1X2 + 1,13 X1X3 + 2,38 X2X3 équation 8

En dérivant partiellement les équations 6, 7 et 8 par rapport aux facteurs X1, X2 et X3,

l’optimum pour chaque réponse peut être obtenu.

Pour chaque équation, la dérivation partielle conduit à un système d’équation à trois

inconnues.

L’équation 6 donne :

1,88 – 0,63 X2 – 0,63 X3 = 0

0,63 – 0,63 X1 + 5,63 X3 = 0 équation 9

10,6 – 0,63 X1 + 5,63 X2 = 0

La résolution de ce système d’équation donne X1 = 22,5, X2 = 0,61 et X3 = 2,38. Ces valeurs

correspondent à une valeur de Y1 qui est égale à 61 minutes.

±2 ±0,05 ± 0,14 ±0,5 ±0,04 ±0,01 ±0,05

±0,75 ±0,001 ±0,1 ±0,02 ±0,001 ±0,05 ±0,001

± 0,002

2

±2 ±0,15 ±0,04 ±0,15 ±0,05 ±0,04 ±0,05

0,15

±0,04

47

L’équation 7 devient :

0,01 + 0,13 X2 – 0,17 X3 = 0

-0,38 + 0,13 X1 + 0,05 X3 = 0 équation 10

-0,29 – 0,17 X1 + 0,05 X2 = 0

D’où, X1 = 0,60, X2 = 7,83 et X3 = 6,05. Ces valeurs donnent une valeur de Y2 qui est de 6,21

m2.L

-1. Le pouvoir couvrant obtenu est très faible.

L’équation 8 donne :

2,38 - 0,63 X2 + 1,13 X3 = 0

0,63 – 0,63 X1 + 2,38 X3 = 0 équation 11

5,88 + 1,13 X1 + 2,38 X2 = 0

Ce système d’équation permet de trouver la valeur des inconnues X1, X2 et X3. D’où,

X1 = - 5,86, X2 = 0,52 et X3 = -1,82. Selon ces valeurs, la valeur de Y3 est de 29 jours.

A partir de ces systèmes d’équation, il est à remarquer que l’un des trois facteurs est compris

dans le domaine des facteurs, et les restes n’y sont pas. De ce fait, la valeur de chaque réponse

à étudier est mauvaise. Une méthode graphique a été utilisée pour remédier à ce problème. En

prenant les conditions suivantes :

- la valeur du facteur qui est déjà inclus dans le domaine des facteurs est gardée ;

- et pour le reste, fixer l’un à zéro et varier l’autre.

i) Temps de séchage (Y1)

Les optimums possibles pour Y1 sont résumés dans le tableau 19.

Tableau 19 : Temps de séchage optimaux

Facteurs Réponse

Y1 optimaux (min) Dibutylphtalate Ethanol Kamicryl

X1 X2 X3

0 0,61 -1 19,39

0 0,61 +1 45,61

-1 0,61 0 32,01

+1 0,61 0 35,01

0 0,61 0 33,52

Le temps de séchage optimal le plus court correspond alors au point de coordonnées (X1, X2,

X3) = (0, 0,61, -1), qui est égal à 19,39 minutes.

48

ii) Pouvoir couvrant (Y2)

Le tableau 20 résume les optimums possibles pour Y2.

Tableau 20 : Pouvoir couvrant optimal

Facteurs Réponse

Dibutylphtalate Ethanol Kamicryl Y2 optimaux (m2.L

-1)

X1 X2 X3

0,60 0,52 -1 13,26

0,60 0 +1 12,34

0,60 -1 0 13,05

0,60 +1 0 12,55

0,60 0 0 12,80

D’après ce tableau, pour obtenir un meilleur pouvoir couvrant, il faut fixer la valeur de X2 à

zéro et X3 prend la valeur minimale qui est égale à -1. Ainsi, le meilleur pouvoir couvrant est

de 13,26 m2.L

-1. Ceci signifie qu’il faut introduire 49 g de dibutylphtalate, 109,20 g d’éthanol

et 560 g de kamicryl dans la formulation pour obtenir la meilleure valeur deY2.

iii) Résistance à l’eau (Y3)

A l’aide de cette méthode graphique, Y3 peut avoir plusieurs optimums (tableau 21).

Tableau 21 : Optimums de Y3

Facteurs Réponse

Dibutylphtalate Ethanol Kamicryl Y3 optimaux (jours)

X1 X2 X3

0 0,52 -1 31

0 0,52 +1 45

-1 0,52 0 36

+1 0,52 0 40

0 0,52 0 38

Selon les résultats résumés dans ce tableau, pour élaborer un vernis qui résiste plus à l’eau, il

faut introduire 3% de dibutylphtalate, 7,8% d’éthanol et 50% de kamicryl dans la formulation.

49

CONCLUSION

Ce travail a pour objectif principal d’élaborer un vernis acrylique de qualité. Ce type de vernis

utilise l’eau comme solvant et ne comporte qu’une faible quantité de composés organiques.

L’eau est en effet un solvant écologique. Le but est d’obtenir, à l’aide d’un plan

d’expériences, un vernis résistant, possédant un pouvoir couvrant élevé et une durée de

séchage faible. Ces critères sont en effet les plus exigés par les utilisateurs.

L’étude comporte trois grandes parties. Une étude bibliographique a été tout d’abord menée

afin de connaître les différents constituants du vernis, et les paramètres les plus influents à

l’élaboration des vernis.

Des essais préliminaires ont été par la suite effectués. Ces essais ont permis de choisir les

proportions approximatives des constituants, le meilleur liant, le solvant et l’additif. Parmi les

différents composés testés, le kamicryl a été choisi comme liant, le dibuthylphtalate, comme

additif, l’eau et l’éthanol comme solvants. Les essais préliminaires ont été également faits

pour établir le type de plan d’expériences pour l’optimisation de la qualité du vernis. Il a été

observé que les effets des variables, c’est-à-dire des constituants, sur les réponses sont

linéaires. De ce fait, un plan du premier degré à deux niveaux et à trois variables, est le plus

adapté pour notre étude.

La dernière partie est donc focalisée sur l’optimisation du temps de séchage, de la résistance à

l’eau et du pouvoir couvrant des vernis fabriqués. Il a été observé que l’ajout d’éthanol dans

l’eau permet de minimiser le temps de séchage. En outre, le rapport liant/solvant joue un rôle

important sur le pouvoir couvrant. Par ailleurs, la résistance à l’eau est entièrement liée au

type et à la quantité du liant. Plus le pourcentage du liant est important, plus le vernis est

résistant. Le dibuthylphtalate n’a que très peu d’influence sur ces trois réponses. Cependant,

son pouvoir plastifiant est remarquable.

En jouant sur la proportion des différents constituants, nous avons pu fabriquer un vernis qui

répond aux exigences des utilisateurs, c'est-à-dire un vernis à l’eau qui résiste à l’eau,

possédant un temps de séchage rapide et un pouvoir couvrant élevé. Mais qu’en est-il de sa

durée de conservation ?

50

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[Anne, 1996] : Anne, le métier de peintre, Eco guide professionnel, 1996.

[Adrian, 2006] : Adrian S., les produits toxiques, 2006.

[Alexandra, 2014] : Alexandra, secret de pose, 2010.

[Baud, 1966] : Paul B., traité de chimie industrielle, 1966.

[Bouet, 1977] : Bouet G., role of antigens and adjuvant substance in histological response in

experimental granulomas, 1977.

[Blanc, 1997] : Blanc D., étude théorique et expérimentale du séchage et de la réticulation

sous rayonnement infrarouge d’une peinture de type époxy-amine à base aqueuse sur

support métallique, (1997)

[Béguin, 2000] : Béguin J. M, peintures, vernis et encres, les couleurs de l’industrie, 2000.

[Brugnot, 2001] : Brugnot C., application de résines en espaces confinés dans l’activité BTP,

2001.

[Bertrand, 2001] : Bertrand P., sur les mécanismes de rayure des vernis de finition

automobile, 2001.

[Creighton, 2006] : Creighton L., introduction aux plans d’expériences, 2006.

[CNIDEP, 2011] : Centre National d’Innovation pour le Développement durable et

l’Environnement dans les Petites entreprises, nettoyage des outils de peinture en bâtiment,

2011.

[Deserres, 1999] : Desseres, utilisation du vernis satiné, 1999.

[Deterre, 1997] : Deterre R., introduction aux matériaux et aux polymères, technique et

documentation, Paris, 1997.

[Dunod, 2005] : Dunod, pratiquer les plans d’expériences, 2005.

[Delphine, 2009] : Delphine V.S., décoration et pollutions intérieures, 2009.

[Encyclopédie universel, 2012] : Encyclopédie universel, vernis laqué, 2012.

[Fabrice, 2008] : Fabrice A., contribution à l’étude du comportement des systèmes d’isolation

des machines tournantes à courant alternatif fonctionnant sous très hautes températures (200-

400°C), 2008.

[Gérin, 1995] : Gérin M., substitution des solvants en milieu de travail, 1995.

51

[Glouannec, 2001] : Glouannec Patrick, étude du séchage et de la réticulation de vernis en

base aqueuse sous rayonnement infrarouge, 2001.

[Goupy, 2001] : Goupy J., introduction aux Plans d’expériences, 2001.

[Goupy, 2009] : Goupy J., revue Modulad, 2006.

[Huneault, 1988] : Huneault C., guide environnemental sur l'application des peintures, 1988.

[Henry, 2004] : Henry G., les finitions aqueuses en ameublement, 2004.

[INRS, 2005] : INRS, peinture en solvant, risques toxicologiques, mesure de prévention,

2005.

[Masselon, 1910] : Masselon, le Celluloid Cillard, 1910.

[Mouton, 1976] : Mouton Y. les liants organiques utilisés en génie civil, 1976.

[Mozzo, 1990] : Mozzo G., plan quadratique Gigogne. Revue de statistique appliquée, 1990.

[MCC-DAP, 2002] : Ministère de la Culture et de la Communication Direction de

l'Architecture et du Patrimoine, ouvrages de charpente en bois, 2002.

[Irmouli, 2007] : Irmouli Y., étude de systèmes de finitions pour bois : application de

nouvelles formulations, vieillissement et amélioration des performances, 2007.

[Nguyen, 2004] : Ngyen T. P., étude de la polymérisation radicalaire thermique et UV résines

acrylique, 2004.

[Nicolas, 2010] : Nicolas A., stabilité des couleurs des systèmes bois/vernis améliorée par les

revêtements nanocomposites aqueux à usage extérieur, 2010.

[Palmer, 2001] : Palmer R. J., polyamide, plastics, encyclopedia of polymer science and

Technlogy, 2001.

[René, 1994] : E. René de la Rie, survol de la recherche sur les vernis pour peintures, 1994.

[Roustan, 1999] : Roustan M., agitation et mélange : concept théorique de base, 1999.

[Rapport de veille, 2008] : Rapport de veille, utilisation de produits (peintures et vernis) en

phase aqueuse dans la protection et la décoration du bois et de ses dérivés, 2008.

[Richard, 2005] : Richard L. les plans d’expériences, 2005.

[Sirost, 1996] : SirostJ.C., l’encre de l’imprimerie, 1996.

[Tsesmeloglou, 2010] : Tsesmeloglou K., atelier de conservation-restauration d’œuvres

peintes, 2010.

[Vissault, 2006] : Vissault D., Lot peinture, 2006.

Titre : Fabrication d’un vernis acrylique : amélioration des propriétés par l’utilisation d’un

plan d’expériences du premier degré

Auteur : Santatra Niaina ANDRIAMAMPIONONA

Adresse : IIFLJ Ter B Antsahameva

Contact : 0331820173 / asantatra08@gmail.com

Nombre de pages : 51

Nombre de tableaux : 21

Nombre de figures : 14

Résumé

Ce travail a pour objectif de fabriquer un vernis aqueux de qualité. Pour ce faire, une étude

bibliographique a été d’abord réalisée pour connaître les paramètres et les constituants les

plus importants. Elle a été suivie des essais préliminaires. Ces essais ont permis de déterminer

les proportions des différents constituants et d’élaborer le plan le plus adapté à l’optimisation

de la qualité du vernis. Ainsi, le kamicryl, le dibutylphtalate et le mélange eau/éthanol sont

respectivement le meilleur liant, additif et solvant. Les résultats montrent également qu’un

plan du premier degré, permet la modélisation des influences de chaque paramètre sur les

réponses. Ce plan permet de voir aussi que les interactions entre les facteurs ont tous des

influences sur les réponses qui sont le temps de séchage, le pouvoir couvrant et la résistance à

l’eau. Il a été remarqué que l’ajout d’éthanol dans l’eau favorise le temps de séchage. Par

ailleurs, le pouvoir couvrant et la résistance à l’eau, sont améliorés par l’augmentation du taux

en kamicryl. Le dibutylphtalate, quant à lui, permet de plastifier le vernis.

Mots clés : vernis, acrylique, liant, additif, solvant, plans d’expériences

Abstract

This work aims to produce an aqueous polish quality. To do this, a literature survey was first

carried out for the most important parameters and constituents. It was followed by preliminary

tests. These tests determine the proportions of the different constituents and develop the most

suitable plan for optimizing the quality of the polish. Thus the kamicryl, dibutylphthalate and

water/ethanol mixture are respectively the best binder, additive and solvent. The results also

show that a first degree experimental design allows the modeling of influence of each

parameter on the answers. This design allows also to view that interactions between all factors

have influences on the answers that are drying time, coverage and resistance to water. It has

been noticed that the addition of ethanol in water promotes the drying time. Furthermore, the

coverage and the water resistance are improved by increasing the kamicryl rate. Dibutyl

phthalate, on the other hand, allows plasticizing polish.

Keywords: polish, acrylic, binder, additive, solvent, experimental design

Encadrant: Pr. Mihasina RABESIAKA