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-2009- N° d’ordre : 3833 THÈSE Présentée à L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1 ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES Par Mohamed JEBRANE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR SPECIALITÉ : CHIMIE ORGANIQUE FONCTIONNALISATION CHIMIQUE DU BOIS PAR TRANSESTERIFICATION DES ESTERS D’ENOL Soutenue le 25 Septembre 2009 Après avis de : MM. N. Belgacem, Professeur, EFPG, Grenoble Rapporteur C. Vaca-Garcia, Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur Devant la commission d’examen formée de : MM. B. De Jéso, Professeur, Université Bordeaux 1 Président N. Belgacem, Professeur, EFPG, Grenoble Rapporteur C. Vaca-Garcia, Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur E. Papon, Professeur, ENSCPB, Bordeaux Examinateur S. Grelier, Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur G. Sèbe, Maître de conférences-HDR, Université Bordeaux 1 Examinateur

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-2009-

N° d’ordre : 3833

THÈSE

Présentée à

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHIMIQUES

Par

Mohamed JEBRANE

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR

SPECIALITÉ : CHIMIE ORGANIQUE

FONCTIONNALISATION CHIMIQUE DU BOIS PAR

TRANSESTERIFICATION DES ESTERS D’ENOL

Soutenue le 25 Septembre 2009

Après avis de :

MM. N. Belgacem, Professeur, EFPG, Grenoble Rapporteur C. Vaca-Garcia, Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur

Devant la commission d’examen formée de :

MM. B. De Jéso, Professeur, Université Bordeaux 1 Président N. Belgacem, Professeur, EFPG, Grenoble Rapporteur C. Vaca-Garcia, Professeur, ENSIACET, Toulouse Rapporteur E. Papon, Professeur, ENSCPB, Bordeaux Examinateur S. Grelier , Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur G. Sèbe, Maître de conférences-HDR, Université Bordeaux 1 Examinateur

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Dédicace

A mes très chers parents Fadma et Lhoussine

A mes adorables frères Abdeladim et Youssef

A mes chers sœurs Fatima, Hafida, Habiba et Zahra

A mon épouse Sana

A ma petite fille bien aimée Imane

A toute ma famille

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Remerciements

Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l’Unité Sciences du Bois et des Biopolymères

(USBB) de l'Université Bordeaux 1, dans le cadre du projet "EcoComposites". Je tiens à

remercier l’Agence Nationale de la Recherche pour son soutien financier, ainsi que tous les

partenaires impliqués dans ce projet.

Monsieur le Professeur Naceur Belgacem, Directeur du Laboratoire de Génie des Procédés

Papetiers de Grenoble (LGP2), et Monsieur le Professeur Carlos Vaca-Garcia, du Laboratoire

de Chimie Agro-industrielle (École Nationale Supérieure des Ingénieurs en Arts Chimiques et

Technologiques), ont accepté d’être les rapporteurs de ce travail de thèse. Je les remercie pour

leurs remarques et leurs critiques constructives qui ont permis d’apporter des améliorations à

la qualité du contenu définitif de ce mémoire.

Je remercie Monsieur le Professeur Bernard Dé Jéso, de m’avoir fait l’honneur de présider

mon jury de thèse, et de m’avoir fait part de ses remarques et conseils avisés.

Je tiens à remercier également Monsieur le Professeur Stéphane Grelier, d’avoir accepté

d’examiner ce travail et pour ses conseils et ses remarques pertinentes lors de la discussion.

J’ai été très sensible à la présence dans ce jury de Monsieur le Professeur Eric Papon,

Directeur de l’Institut Carnot MIB, Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (École

Nationale Supérieure de Chimie et de Physique de Bordeaux). Je souhaite le remercier

chaleureusement pour sa participation à mon jury de thèse.

Je voudrais remercier tout particulièrement le Docteur Gilles Sèbe, Maître de Conférences à

l’USBB, qui a assuré la direction de ce travail de thèse pendant ces trois années. Je lui suis

extrêmement reconnaissant de m’avoir permis de réaliser ce travail, de m’avoir fait partager

sa rigueur et son affection pour la recherche, pour la confiance qu’il m’a attribuée dans la

réalisation de ce projet, pour la qualité de son encadrement, ses conseils et ses critiques

avisés.

Je souhaite remercier Monsieur Patrick Castera, Directeur de l’USBB, qui a mis à ma

disposition les moyens matériels et administratifs nécessaires à la réalisation de ce travail.

Qu’il reçoive ici toute ma gratitude.

J’adresse ensuite toute ma reconnaissance au Professeur Philip Evans pour les tests de

photostabilité du bois et pour la contribution scientifique qu’il a apportée à ce travail.

Je souhaite également adresser toute ma gratitude au Professeur Timothy G. Rials, au Docteur

Nicole Labbé et au Docteur David Harper pour m’avoir chaleureusement accueilli au sein du

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Remerciements

Tennessee Forest Product Center (TFPC) de Knoxville-USA durant trois mois pour un stage

doctoral. Je remercie également Monsieur Nicolas André et tous les membres du TFPC pour

toute l’aide qu’ils m’ont apportée.

Je remercie le personnel du Césamo, en particuliers Monsieur Michel Pétraud et Monsieur

Jean-Claude Lartigue pour les analyses RMN CP-MAS à l’état solide.

Mes remerciements vont également à tous les membres de l’USBB avec qui j’ai passé ces

trois années de thèse. Je pense notamment à Monsieur le Professeur Alain Castellan, à

Monsieur Christian GARDRAT et à Madame Véronique COMA, tous les deux Maîtres de

Conférences à l’USBB, je remercie également Dominique GOUZERT, Fréderic

PICHAVANT, Patricia GRANDINOT, Mélanie BOUSQUET, Monique CAMPAGNOLE,

Michèle DUPIRE, Aziz NOURMAMODE, Jean Michel LASNIER, Eric VIROL, Jean Marc

SIBAUD, Gérard DIMIER, Michel RICARRERE pour toute l’aide qu’ils m’ont apporté,

chacun à sa manière.

Je remercie également vivement l’ensemble des doctorants et postdoctorants que j’ai côtoyé

durant ces trois années, pour leur soutien, leur aide et tout simplement pour la bonne humeur

qu’ils m’ont apportée. Merci à Rodrigue SAFOU, Marcel MEDZEGUE, Philippe TINGAUT

Rachid BELALIA, Emmanuel CAZEILS, Nicolas BORDENAVE, Elise PORTES, Arnaud

CHEUMANI, Théoneste MUHIZI, Thibaud SURINI, Ryki BETOKO et Chantal Lydia

AKISSI KOFFI. Je remercie particulièrement Philippe TINGAUT pour l’accueil qu’il m’a

réservé et l’aide précieuse qu’il m’a apportée lors de mon séjour à Knoxville aux USA.

Je remercie du fond du cœur toute ma famille : mes parents qui m’ont permis de faire des

études et qui m’ont donné grâce à leur éducation et leur amour les outils pour cet

accomplissement personnel. Merci de trimer sans relâche, malgré les péripéties de l’âge, de la

santé, de la vie, au bien-être de vos enfants. Je leur dédie ce travail de thèse. Mes frères et

sœurs qui m’ont toujours soutenu et encouragé durant toutes ces années d’études. Merci

également à toute ma famille et mes amis pour leurs soutiens et leurs encouragements.

J’adresse un grand merci à toute ma belle famille, pour leurs encouragements, leur soutien

ainsi que l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail.

Je saisi aussi cette occasion pour remercier mes cousins Saâd et Fatiha pour l’accueil cordial

et l’aide qui m’ont apportée à mon arrivé en France. Merci également à Nabila et Souad pour

leurs soutiens et leurs encouragements.

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Remerciements

Enfin, un grand merci à mon épouse Sana, qui m’a soutenu et encouragé durant toutes ces

trois années de thèse. Merci aussi à mon adorable petite fille Imane, qui a rempli ma vie de

joie et de bonheur.

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Sommaire

SOMMAIRE

INTRODUCTION GÉNÉRALE ............................................................................................ 1

CHAPITRE I - Généralités ..................................................................................................... 5

Α.Α.Α.Α. LE BOIS : STRUCTURE, COMPOSITION CHIMIQUE ET PROPRI ÉTÉS VISCOÉLASTIQUES.............................................................................................................. 7

I. Structure du bois .......................................................................................................... 7

I.1 Structure macroscopique du bois .......................................................................7

I.1.1 Le cambium, le liber et l’aubier......................................................................7 I.1.2 La croissance annuelle : bois d’été et bois de printemps.............................. 8 I.1.3 Aubier et duramen ........................................................................................... 8

I.2 Microstructure du bois ........................................................................................ 9

I.2.1 Les plans de référence du bois ........................................................................9 I.2.2 Le plan ligneux des résineux et feuillus........................................................ 10

I.3 Ultrastructure du bois........................................................................................ 11

I.3.1 La couche intercellulaire ............................................................................... 12 I.3.2 La paroi primaire ........................................................................................... 12 I.3.3 La paroi secondaire........................................................................................ 12

II. Composition chimique du bois.................................................................................. 13

II.1 La cellulose.......................................................................................................... 14

II.2 Les hémicelluloses .............................................................................................. 15

II.3 La lignine............................................................................................................. 15

II.4 Les extractibles ................................................................................................... 17

II.5 Les cendres.......................................................................................................... 17

II.6 Association entre lignine et polysaccharides à l’intérieur de la paroi cellulaire .......................................................................................................................... 17

III. Propriétés viscoélastiques du bois............................................................................. 18

III.1 Transition vitreuse des polymères .................................................................... 18

III.2 Transition vitreuse des polymères lignocellulosiques ..................................... 20

III.3 Comportement viscoélastique du bois .............................................................. 21

IV. Inconvénients du matériau bois ................................................................................ 22

IV.1 Instabilité dimensionnelle .................................................................................. 22

IV.2 Dégradation fongique......................................................................................... 23

IV.3 Dégradation photochimique.............................................................................. 23

B. MODIFICATION CHIMIQUE DU BOIS...................... ............................................ 24

I. Amélioration des propriétés de la matière lignocellulosique par greffage chimique .............................................................................................................................. 24

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Sommaire

II. Amélioration des propriétés interfaciales dans les composites a base de bois...... 25

III. Modification des propriétés viscoélastiques du bois............................................... 26

IV. Réactivité des différents polymères lignocellulosiques à l’intérieur du bois ........ 28

IV.1 Accessibilité et réactivité des fonctions hydroxyles de la cellulose et des hémicelluloses ................................................................................................................. 29

IV.2 Accessibilité et réactivité des fonctions hydroxyles de la lignine ................... 29

V. Revue des principales méthodes de modification chimique du bois...................... 30

V.1 Estérification du bois ......................................................................................... 30

V.1.1 Réaction avec les anhydrides d’acides.......................................................... 30 V.1.2 Réaction avec les chlorures d’acides............................................................. 31 V.1.3 Réaction avec les acides carboxyliques......................................................... 32 V.1.4 Réaction avec les cétènes................................................................................ 32

V.2 Estérification de la cellulose et de la lignine .................................................... 32

V.3 Réaction avec les isocyanates ............................................................................ 33

V.4 Ethérification du bois......................................................................................... 33

V.4.1 Réaction avec les halogénures d’alkyle ........................................................ 33 V.4.2 Réaction avec les époxydes ............................................................................34 V.4.3 Réaction avec la ββββ-propiolactone .................................................................. 34

V.5 Silylation du bois ................................................................................................ 35

VI. Les esters d’énol : des agents d’acylation intéressants pour la fonctionnalisation chimique des substrats hydroxylés ................................................................................... 36

VI.1 Estérification des alcools à partir des esters d’énol ........................................ 36

VI.2 Application à l’estérification des polysaccharides........................................... 37

CHAPITRE II - Étude de la réaction entre le bois et l’acétate de vinyle ......................... 39

I. Étude préliminaire à partir de la sciure de pin maritime ...................................... 41

I.1 Premiers essais.................................................................................................... 41

I.1.1 Gain de masse après réaction........................................................................ 41 I.1.2 Spectroscopie infrarouge (IRTF).................................................................. 42 I.1.3 RMN CP-MAS du 13C.................................................................................... 42

I.2 Impact des conditions de réaction.....................................................................44

I.2.1 Choix du catalyseur et du solvant................................................................. 44 I.2.2 Influence du temps de réaction ..................................................................... 46 I.2.3 Influence de la température de réaction ...................................................... 46 I.2.4 Influence de la concentration en K2CO3 ...................................................... 47

II. Extension de la réaction au bois massif.................................................................... 48

II.1 Cinétique de la réaction et comparaison avec l’acétylation à partir de l’anhydride acétique....................................................................................................... 49

II.1.1 Acétylation à partir de l’acétate de vinyle ................................................... 49 II.1.2 Acétylation à partir de l’anhydride acétique............................................... 51

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Sommaire

II.2 Localisation du greffage..................................................................................... 52

II.2.1 Gonflement radial et tangentiel après réaction ........................................... 52 II.2.2 Distribution du greffage dans la direction longitudinale............................ 53

II.3 Analyse du milieu réactionnel après réaction.................................................. 57

II.3.1 Réaction avec AV ........................................................................................... 58 II.3.2 Réaction avec AA ........................................................................................... 60

II.4 Étude de la réactivité de l’acétate de vinyle vis-à-vis de la cellulose et de la lignine .............................................................................................................................. 62

II.4.1 Acétylation de la cellulose par AV................................................................ 62 II.4.2 Acétylation de la lignine par AV................................................................... 64

III. Conclusion................................................................................................................... 67

CHAPITRE III - Propriétés du bois acétylé par l’acétate de vinyle et comparaison avec l’acétylation à partir de l’anhydride acétique ..................................................................... 69

I. Propriétés viscoélastiques .......................................................................................... 71

I.1 Bois acétylé par AV ............................................................................................ 71

I.2 Bois acétylé par AA (sans catalyseur) .............................................................. 74

II. Stabilité dimensionnelle ............................................................................................. 75

II.1 Variations dimensionnelles en présence d’eau ................................................ 75

II.1.1 Bois acétylé par AV........................................................................................ 76 II.1.2 Bois acétylé par AA (sans catalyseur) .......................................................... 78

II.2 Calcul du coefficient de stabilisation dimensionnelle...................................... 80

III. Résistance aux attaques fongiques............................................................................ 80

CHAPITRE IV - Extension de la réaction à d’autres esters de vinyle.............................. 83

I. Gain de masse après réaction (WPG)....................................................................... 85

II. Spectroscopie infrarouge (IRTF).............................................................................. 87

III. RMN CP-MAS du 13C................................................................................................ 90

IV. Conclusion................................................................................................................... 92

CHAPITRE V - Étude de la photostabilité du bois estérifié à partir des esters de vinyle aromatiques ............................................................................................................................ 93

I. Estérification des éprouvettes et résistance en traction.......................................... 95

II. Évaluation de la photostabilité après modification chimique ................................ 96

II.1 Perte de masse et perte de résistance en traction après le vieillissement ...... 97

II.2 Jaunissement des échantillons après le vieillissement..................................... 99

II.3 Caractérisation infrarouge .............................................................................. 100

II.4 Analyse microscopique (MEB) de la surface des échantillons avant et après le vieillissement ............................................................................................................. 103

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Sommaire

III. Conclusion................................................................................................................. 104

CONCLUSION GÉNÉRALE ............................................................................................. 105

PARTIE EXPÉRIMENTALE ............................................................................................ 111

A. PROCÉDURES GÉNÉRALES............................................................................... 113

I. Produits chimiques................................................................................................... 113

II. Solvants ..................................................................................................................... 113

III. Matières premières................................................................................................... 113

B. ÉCHANTILLONNAGE DE LA MATIÈRE LIGNOCELLULOSIQUE.... ....... 114

C. ÉLIMINATION DES EXTRACTIBLES DU BOIS ............... .............................. 115

D. TECHNIQUES D’ANALYSE................................................................................. 115

I. Spectrométrie.................................................................................................... 115

I.1 Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF) .................. 115 I.2 Spectroscopie Infrarouge en mode ATR.................................................... 115 I.3 Résonance magnétique nucléaire................................................................ 116 I.4 Mesures colorimétriques.............................................................................. 116

II. Chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) ............. 117

III. Analyse dynamique thermomécanique (DMA) ............................................. 117

IV. Microscopie Électronique à Balayage (MEB)................................................ 117

E. TESTS DE LESSIVAGE ET STABILISATION DIMENSIONNELLE EN PRÉSENCE D’EAU......................................................................................................... 118

F. ÉVALUATION DE LA RÉSISTANCE AUX ATTAQUES FONGIQUES . ...... 119

G. ÉVALUATION DE LA PHOTOSTABILITÉ.................... ................................... 119

H. PROCÉDURES STANDARD EMPLOYÉES POUR MODIFIER LE BOIS .... 120

I. Modification chimique de la sciure de pin maritime .................................... 120

II. Modifications chimiques des plaquettes de Pin maritime ............................ 120

I. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AUX CHAPITRES II ET I II ........ 121

I. Étude préliminaire à partir de la sciure de pin maritime ............................ 121

II. Réactions réalisées sur les plaquettes de Pin maritime................................. 121

II.1 Acétylation par l’acétate de vinyle (AV) .................................................... 121 II.2 Acétylation par l’anhydride acétique (AA)................................................ 121

III. Analyse du milieu réactionnel après réactions .............................................. 122

III.1 Récupération du résidu soluble dans le DMF............................................ 122 III.2 Hydrolyse acide du résidu ........................................................................... 122 III.3 Préparation des étalons externes pour HPLC ........................................... 122 III.4 Calcul de la teneur en sucres....................................................................... 122

IV. Acétylation de la cellulose ou de la lignine par AV et AA ............................ 123

V. Phosphorylation de la lignine.......................................................................... 123

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Sommaire

J. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AU CHAPITRE IV ....... ................. 124

K. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AU CHAPITRE V........ .................. 124

BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................... 127

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1

INTRODUCTION GÉNÉRALE

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Introduction générale

3

Le bois est un matériau écologique qui, dans le contexte de développement durable

actuel, suscite un intérêt croissant. Il possède notamment de nombreux avantages techniques

i.e. une bonne résistance mécanique, un module élastique élevé, une faible densité, des

propriétés isolantes, un caractère renouvelable, un faible coût et un esthétisme agréable. Mais

lorsqu’il est utilisé en tant que matériau, il présente certains défauts liés notamment à son

anisotropie, son caractère hydrophile et sa photosensibilité ; ces propriétés ont un impact non

négligeable sur son vieillissement (instabilité dimensionnelle, biodégradation,

photodégradation…). Le caractère hydrophile de la matière lignocellulosique est également

responsable des problèmes de compatibilité entre fibre et matrice, lorsque le bois est utilisé en

tant que charge, dans le domaine des composites à matrice polymère. Tous ces défauts

nécessitent donc l’utilisation de traitements de préservation, ou de méthodes de

fonctionnalisation, destinés à minimiser leurs effets.

Parmi les traitements envisageables, la modification chimique du bois peu permettre

d’éliminer, ou du moins limiter certains défauts, en modifiant la structure des polymères

lignocellulosiques au niveau moléculaire. Ainsi, les recherches dans ce domaine sont

aujourd’hui relativement nombreuses et certains procédés comme l’acétylation à partir de

l’anhydride acétique, sont déjà en phase de commercialisation. Ce traitement a notamment

pour but de diminuer l’hydrophilie du bois et de le stabiliser dimensionnellement, en

substituant les nombreux groupements hydroxyles présents sur ses principaux constituants

(cellulose, hémicelluloses, lignine), par des groupements acétyles, plus volumineux et moins

polaires. Un des inconvénients de cette réaction est qu’elle génère de l’acide acétique, difficile

à éliminer du bois après traitement. L’acide acétique résiduel peut entraîner une dégradation

des propriétés mécaniques, une odeur résiduelle, ou encore la corrosion des systèmes de

fixation métalliques.

C’est dans ce contexte, que nous nous sommes intéressés à la mise au point d’une

nouvelle méthode de modification chimique du bois, basée sur la transestérification des esters

d’énol. Cette méthode de fonctionnalisation, relativement douce, pourrait nous permettre de

greffer des fonctionnalités très variées à l’intérieur du bois ou à sa surface, tout en limitant la

dégradation de la matière lignocellulosique. Dans un premier temps, nous avons donc étudié

la faisabilité de la réaction de transestérification entre le bois et l’acétate de vinyle, pris

comme esters d’énol modèle. Cette méthode d’acétylation a ensuite été appliquée à la

modification du bois massif, afin d’évaluer l’impact du traitement sur certaines propriétés du

bois, comme sa stabilité dimensionnelle, sa résistance aux attaques fongiques ou ses

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Introduction générale

4

propriétés viscoélastiques. Le procédé a ensuite été appliqué à d’autres esters de vinyles

commerciaux, et notamment des esters de vinyle aromatiques, dont l’impact sur la

photodégradation du bois a été évalué. Toutes les modifications chimiques ont été

caractérisées à l’échelle moléculaire, grâce à la spectroscopie infrarouge à transformée de

Fourrier (IRTF) et la spectroscopie magnétique nucléaire en phase solide (RMN CM-

MAS13C).

Ce mémoire est subdivisé en cinq chapitres :

Le chapitre I « Généralités » présente une revue de la littérature sur la

description du matériau bois et une synthèse générale de la littérature sur sa modification

chimique.

Le chapitre II est consacré à l’étude de la faisabilité de la réaction de

transestérification de l’acétate de vinyle par le bois.

Le chapitre III est consacré à l’évaluation d’un certain nombre de paramètres,

comme les propriétés viscoélastiques, la stabilité dimensionnelle et la résistance aux attaques

fongiques du bois traité par l’acétate de vinyle.

Le chapitre IV est consacré à la modification du bois par divers esters de vinyle

saturés et insaturés.

Le chapitre V est consacré à l’étude de la photostabilité de placages du bois

traités par trois esters de vinyle aromatique.

Le matériel et les techniques expérimentales ainsi que les modes opératoires

utilisés pour modifier chimiquement le bois, ont été décrits dans la « Partie expérimentale »

de ce mémoire.

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5

CHAPITRE I

Généralités

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Chapitre I

7

ΑΑΑΑ.... LE BOIS : STRUCTURE, COMPOSITION CHIMIQUE ET

PROPRIÉTÉS VISCOÉLASTIQUES

Le bois est un matériau composite, tant en terme structural qu’au niveau de sa

composition chimique. Sa structure est cellulaire et poreuse. Il est sans doute l’écomatériaux

par excellence. Employé par l’homme depuis longtemps, son usage a influencé l’évolution

des civilisations. Ses nombreuses qualités le rendent incontournable, intemporel et source

d’innovations. Cette partie est consacrée à la description de sa structure et de sa composition

chimique.

I. Structure du bois

I.1 Structure macroscopique du bois

I.1.1 Le cambium, le liber et l’aubier

Le tronc d’un arbre est constitué de bois, d’écorce et d’une couche mince située entre

le bois et l’écorce, appelée cambium (Figure I-1). La fonction de cette couche est de produire

les cellules du bois et de l’écorce. Le cambium est la partie la plus importante de l’arbre. En

effet, les cellules mères qui y sont présentes participent chaque année à son développement

par division cellulaire. Il donne naissance au liber vers l’extérieur et au bois d’aubier vers

l’intérieur du tronc.

Figure I-1 Section transversale d'un tronc d’arbre (Guitard, 1987)

Moelle

Bois d’aubier Écorce externe

Liber

Cambium

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Chapitre I

8

I.1.2 La croissance annuelle : bois d’été et bois de printemps

L’activité du cambium est saisonnière. La croissance commence au début du

printemps, se poursuit en été et s'arrête en automne et en hiver, jusqu'au printemps suivant. La

partie produite au printemps s'appelle bois de printemps ou bois initial et celle d'été, bois d'été

ou bois final. Lors de la saison de croissance, l'arbre forme une nouvelle couche de bois entre

le bois existant et l'écorce, dans le tronc, les branches et les racines. Les anneaux de

croissances annuels, appelés cernes, ainsi que les zones du bois de printemps et d’été, sont en

général visibles sur les sections transversales du bois. Dans le cas du pin maritime (Pinus

pinaster), choisi pour nos expériences, la croissance annuelle du bois est facile à distinguer

grâce à la différence de taille entre les cellules des deux types de bois (Figure I-2).

Figure I-2 Coupe transversale de bois de printemps et bois d’été dans un

accroissement annuel de pin maritime (Stokes, 1999)

I.1.3 Aubier et duramen

Les couches successives de vaisseaux qui se forment sous le cambium constituent

l'aubier qui correspond au bois physiologiquement actif. Ces vaisseaux cessent peu à peu

d'alimenter l'arbre après quelques années. Ils se bouchent et s'imprègnent de différentes

substances : tanins, résines, etc. Cette transformation progressive en duramen (bois parfait) est

appelée duraminisation.

Accroissement annuel (= 1 cerne)

Bois de printemps Bois d’été

Coeur Écorce

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Chapitre I

9

L'aubier est en général plus clair que le duramen. Il est plus ou moins imprégnable et

ne résiste pas aux champignons lignivores et aux larves xylophages. Le duramen, au contraire,

possède une durabilité naturelle qui varie selon les essences; il est en général, peu ou pas

imprégnable.

Figure I-3 Section transversale d’un tronc d’arbre (Navi & Heger, 2005)

I.2 Microstructure du bois

I.2.1 Les plans de référence du bois

Pour une description plus fine du bois, à l’échelle de quelques dizaines de

micromètres, il est d’usage d’effectuer les observations suivant des plans de coupe privilégiés

définis sur la Figure I-4. Ces plans sont : le plan transversal, perpendiculaire à l’axe de la tige

et sur lequel sont observés les cernes annuels ; le plan radial, passant au centre de la tige ; et le

plan tangentiel qui est excentré, parallèle à l’axe de la tige et tangent aux cernes annuels. Les

trois directions, axiale (L) radiale (R) et tangentielle (T), sont les directions d’anisotropie du

bois. L’examen microscopique des trois sections permet de définir l’organisation des cellules

caractéristiques du plan ligneux et ainsi d’identifier un bois.

Moelle

Aubier

Écorce

Duramen

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Chapitre I

10

Figure I-4 Les trois plans de référence du bois (d’après Keller, 1994)

I.2.2 Le plan ligneux des résineux et feuillus

Les arbres sont répartis en deux grandes catégories : les gymnospermes (résineux ou

conifères) et les angiospermes (feuillus). Les résineux ont une structure anatomique simple

composée principalement de cellules longitudinales (Figure I-5) : les trachéides. Les

trachéides du bois de printemps possèdent de nombreuses ponctuations aréolées leur

permettant l’échange de différentes substances. Les trachéides du bois d’été ont une paroi plus

épaisse et remplissent d’avantage une fonction de soutien. Dans la structure des résineux on

retrouve aussi des cellules de parenchyme en orientation axiale et radiale qui permettent le

stockage de substances nutritives. Enfin, chez certains résineux on trouve des canaux

résinifères en direction axiale, radiale ou les deux.

Les feuillus présentent un plan ligneux plus différencié (Figure I-5). L’ensemble du

tissu se compose en grande partie de fibres orientées axialement ayant une fonction de

soutien. Ces fibres ont une paroi plus épaisse que celles des trachéides. L’épaisseur de la paroi

est variable selon les essences leur donnant ainsi chacune une densité spécifique. Les

vaisseaux assurent la fonction de conduction chez les feuillus. Lorsque ces vaisseaux ont

environ la même taille et sont répartis de façon homogène dans le cerne, on parle de bois à

pores diffus ; s’ils sont plus nombreux au bord de la limite de cerne, on parle de bois à zone

initiale poreuse. Ici aussi, les cellules axiales et radiales des parenchymes assurent la fonction

de stockage des substances nutritives.

L

T

R

Section transversale

Section tangentielle Section radiale

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Chapitre I

11

Figure I-5 Plan ligneux typique des résineux (à gauche) et des feuillus (à droite)

(Campredon, 1969)

I.3 Ultrastructure du bois

La paroi cellulaire du bois est multicouche. Elle possède essentiellement une couche

intercellulaire, une paroi primaire et une paroi secondaire (Figure I-6). Chaque couche est un

milieu composite constitué de filaments de cellulose (microfibrilles) scellés dans une matrice

de lignine et d’hémicelluloses.

Figure I-6 Représentation schématique des différentes couches de la paroi cellulaire

(Natterer et al., 2005)

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Chapitre I

12

I.3.1 La couche intercellulaire

La couche intercellulaire apparaît après la division de la cellule mère. Son épaisseur

varie entre 0,5 et 1,5 µm. Cette couche permet de lier les cellules les unes aux autres, elle

possède une importante quantité de lignine. Si certaines microfibrilles isolées traversent cette

couche, son pourcentage en cellulose peut cependant être considéré comme négligeable.

I.3.2 La paroi primaire

Cette paroi très mince mesure environ 0,1 µm d’épaisseur. Comme la couche

intercellulaire, elle contient une grande quantité de lignine. Elle contient également des

microfibrilles de cellulose enchevêtrées, formant un réseau poreux. Il est souvent difficile de

différencier la paroi primaire de la couche intercellulaire.

I.3.3 La paroi secondaire

Cette paroi est essentiellement constituée de microfibrilles de cellulose alignées

parallèlement entre elles et disposées en hélice. Selon l’orientation des microfibrilles, trois

sous-couches sont discernables :

La couche S1 est constituée de microfibrilles croisées, avec un angle compris entre 60°

et 80° par rapport à l'axe de la cellule. Sa structure peut être considérée comme étant

lamellaire (3 à 6 lamelles) et son épaisseur varie entre 0,1 et 0,35 µm.

La couche S2 constitue la partie la plus volumineuse de la paroi. Elle est composée de

microfibrilles en hélice formant un angle de 5° à 50° par rapport à l'axe de la cellule. Cet

angle dans les cellules du bois de printemps varie entre 30° et 50° et dans les cellules du bois

d'été entre 5° et 30°. L'épaisseur de la couche S2 varie entre 1 et 10 µm ; elle représente 15 à

85 % de l'épaisseur totale de la couche.

La couche S3 est relativement mince. Son épaisseur varie entre 0,5 et 1,1 µm. Elle est

constituée de microfibrilles dont l’orientation varie entre 60 et 90° par rapport à l’axe de la

cellule.

Chacune de ces trois couches contient également de la lignine et des hémicelluloses.

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Chapitre I

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II. Composition chimique du bois

Le bois est constitué principalement de cellulose, hémicelluloses et lignine. À ces trois

constituants, viennent s’ajouter des substances extractibles de nature organique et des

substances minérales (cendres). Les extractibles sont déposés dans la paroi de la cellule

pendant la duraminisation. Le tableau I-1 donne la composition chimique du pin maritime,

utilisé lors de notre étude.

Tableau I-1 Composition chimique du pin maritime (Labbé, 2002)

Constituants % (masse sèche)

Cellulose 47,1

Pentosanes 12,3

Hémicelluloses Mannanes 9,9 25,2

Galactanes 3,0

Lignine 25,6

Résine 2 à 4

Tannins et Gommes 1,3

Protéines 1,0

Cendres 0,3

Dans la paroi cellulaire, la proportion relative en cellulose, hémicelluloses et lignine

varie, en fonction de la couche considérée (Figure I-7).

Figure I-7 Proportion relative en cellulose, hémicelluloses et lignine dans la paroi

cellulaire (Navi & Heger, 2005). M = couche intercellulaire ; P = paroi primaire ; S1, S2,

S3 = paroi secondaire.

%

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Chapitre I

14

II.1 La cellulose

La cellulose est le constituant structural principal des parois cellulaires végétales.

C’est un homopolymère, dont l’unité de base est le glucose, ou plus exactement un dimère du

glucose, le cellobiose. Les unités sont liées entre elles par des liaisons β(1−4)−glycosidiques

(Figure I-8). Le degré de polymérisation (en glucose) peut atteindre 15000.

Figure I-8 Formule chimique de la cellulose

Dans le bois, les chaînes moléculaires de la cellulose s’associent entre elles par

liaisons hydrogène intra et intermoléculaires (Figure 1-9), et forment des faisceaux appelés

microfibrilles. Ces microfibrilles présentent des zones cristallines et des zones amorphes

(figure I-10). Le degré de cristallinité de la cellulose du bois est de l’ordre de 60 à 70 %.

Figure I-9 Ponts hydrogènes intramoléculaires et intermoléculaires entre deux

macromolécules adjacentes de cellulose (Navi & Heger, 2005)

Figure I-10 Les régions cristallines et amorphes dans les microfibrilles de

cellulose (Navi & Heger, 2005)

O

HO OO

OO

OO

OH

HO

HOOH

HOHO

HO

OH OH

OHOHOH

n

HO

Région cristalline

Région amorphe

Région cristalline

60 nm

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Chapitre I

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II.2 Les hémicelluloses

Dans le bois, les hémicelluloses sont intimement liées à la cellulose. Les

hémicelluloses sont des polyoses, dont les unités sont des pentoses, hexoses, acides

hexauroniques et désoxyoses. Elles diffèrent de la cellulose par des chaînes moléculaires

beaucoup plus courtes et par des ramifications sur la chaîne principale (Figure I-11). En

général, les hémicelluloses ont une structure amorphe ; leur teneur et leur composition varient

en fonction des essences. On distingue différents types d’hémicelluloses : les xylanes, les

mannanes, les glucanes, les galactanes et les pectines.

(A)

(B)

Figure I-11 Structure chimique partielle de deux hémicelluloses : (A) O-acétyle-4-O-

méthylglucuronoxylane de feuillus et (B) Arabino-4-O-méthylglucuronoxylane de résineux

(Navi & Heger, 2005)

II.3 La lignine

Après la cellulose, la lignine est la substance organique la plus abondante dans les

plantes. Elle est chimiquement très différente de la cellulose et des hémicelluloses. C’est un

polymère tridimensionnel, amorphe et de nature phénolique, qui assure la rigidité de la paroi

cellulaire.

Dans le bois, la lignine est biosynthétisée à partir de trois alcools phénoliques : les

alcools p-coumarylique, coniférylique et sinapylique (Figure I-12). La polymérisation de ces

trois alcools conduit respectivement à trois types d’unités dans la lignine : H pour

parahydroxyphényle, G pour guaïacyle, S pour syringyle. Les lignines des résineux et des

feuillus se différencient alors par leur teneur en unités G, S et H (essentiellement G chez les

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Chapitre I

16

résineux, G-S chez les feuillus). La variabilité de la composition est plus grande chez les

feuillus, la teneur en unités G-S varie entre 20 et 60 %. La Figure I-13 présente la structure

schématisée d’une lignine de résineux.

Figure I-12 Précurseurs de la biosynthèse de la lignine (Fengel & Wegener, 1989)

Figure I-13 Schéma structural d’une lignine d’épicéa (Fengel & Wegener, 1983)

Alcool coniférylique Alcool sinapylique Alcool p-coumarylique

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Chapitre I

17

II.4 Les extractibles

Les extractibles sont des molécules qui peuvent être extraites du bois par des solvants

polaires (acétone, eau, éthanol) ou apolaires (toluène, cyclohexane, dichlorométhane). La

teneur et la composition de ces extractibles varient fortement d’une essence à l’autre, les

résineux en contenant généralement plus que les feuillus. Il existe trois types d’extractibles :

les terpénoides (myrcène, limonène, α-pinène…), les polyphénols (tannins condensés et

hydrolysables, flavonoides, tropolones, stilbènes, quinones…) et les composés aliphatiques

(acides gras saturés et insaturés, triglycérides, alcaloïdes…).

Bien qu’ils ne représentent qu’un faible pourcentage, l’odeur, la couleur et la

résistance aux agents de dégradation biologique, dépendent en grande partie de ces extraits.

II.5 Les cendres

Ce sont les résidus minéraux obtenus après combustion du bois à haute température.

Ils représentent généralement moins de 1 % de la masse sèche du bois en zone tempérée, ce

pourcentage étant souvent supérieur en zone tropicale.

II.6 Association entre lignine et polysaccharides à l’intérieur de la paroi

cellulaire

La Figure I-14 présente un modèle décrivant l’association entre la cellulose, les

hémicelluloses et la lignine à l’intérieur des parois cellulaires (Fengel & Wegener, 1983).

Figure I-14 Association entre lignine et polysaccharides à l’intérieur de la paroi cellulaire

du bois, à l’état anhydre : a) Section transversale, b) Section longitudinale (Fengel &

Wegener, 1983)

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Chapitre I

18

Dans ce modèle, les microfibrilles de cellulose, les chaînes de celluloses moins

ordonnées ainsi que les hémicelluloses s’associent entre elles grâce à de nombreux ponts

hydrogène. Les hémicelluloses sont plus fortement liées à la lignine, par des liaisons

covalentes. Ce modèle servira de base de raisonnement pour émettre quelques idées

concernant la diffusion des réactifs lors de la modification chimique du bois.

III. Propriétés viscoélastiques du bois

Les modifications chimiques envisagées au cours de ce travail de thèse entraînant

également une modification des propriétés viscoélastiques du bois, un rappel sur ces

propriétés est présenté dans ce chapitre.

III.1 Transition vitreuse des polymères

La transition vitreuse d’un polymère est directement liée à la mobilité de certains

groupes ou séquences au sein de la molécule et à des mouvements de reptation des chaînes

polymères (Irvine, 1984 ; Roudaut et al., 2004). La température de transition vitreuse Tg,

marque alors la frontière entre deux états fondamentaux : l’état vitreux et l’état

caoutchoutique (Figure I-15).

Figure I-15 Les domaines d’état des matériaux viscoélastiques (Irvine, 1984)

La mobilité des molécules augmente avec la température, entraînant une dilatation du

matériau (il y a plus d’espaces libres).

Plusieurs paramètres affectent la température de transition vitreuse des polymères. Il

est généralement admis que les paramètres ayant la plus grande influence sont liés à la

Mod

ule

d’él

astic

ité

Température

Zone vitreuse

Température de transition vitreuse Tg

Zone caoutchoutique

Zone d’écoulement

Zone de transition

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Chapitre I

19

flexibilité des chaînes macromoléculaires, à la taille et à la polarité des groupes latéraux, ainsi

qu’à la masse moléculaire (Placet, 2006) :

• Flexibilité des chaînes macromoléculaires :

Elle est déterminée par la rotation autour d’une liaison simple au niveau du squelette

principal et elle dépend de la nature des groupements atomiques qui constituent son squelette.

Lorsque la flexibilité des chaînes diminue, la température de transition vitreuse augmente.

• Taille des groupes latéraux :

On admet classiquement que plus la taille des groupes latéraux est grande, plus la

température de transition vitreuse est élevée. Cette règle n’est néanmoins valable que lorsque

les groupes latéraux sont rigides. En effet, pour des groupes flexibles, la mobilité des

séquences latérales apporte un supplément de volume libre d’autant plus important que la

séquence est plus longue. Ce phénomène s’appelle plastification interne. Dans ce cas, la Tg

diminue avec l’augmentation de taille des groupes latéraux.

• Polarité des groupes latéraux :

Plus la polarité des groupes latéraux est grande, plus la température de transition

vitreuse est élevée. En effet, il existe un lien fort entre l’énergie de cohésion et la Tg. La

température de transition vitreuse est généralement importante dans les polymères où les

liaisons hydrogène jouent un rôle important.

• Masse moléculaire :

En général, la température de transition vitreuse augmente avec la masse moléculaire

moyenne des polymères. Ceci est lié à la concentration en bouts de chaînes. En effet, plus le

nombre de bouts de chaînes est grand (faible masse moléculaire), plus le volume libre est

important, et donc, plus la Tg est basse.

L’état vitreux est caractérisé par un module d’élasticité important. Sa valeur est peu

sensible à la nature chimique du matériau et à la topologie du réseau polymère (les

enchevêtrements), reflétant les forces cohésives entre segments. Les mouvements

moléculaires qui se développent dans cette zone sont de faible amplitude (mouvement de

groupements latéraux ou mouvements coopératifs de quelques unités monomères).

Le module d’élasticité dans l’état caoutchoutique est 3000 à 4000 fois inférieur à celui

de l’état vitreux et les taux d’élongation à la rupture sont très importants (Rossiter et al.,

1991 ; Chatain, 1993). L’augmentation de la température diminue les cohésions inter et

intramoléculaires (force de Van der Waals, liaisons hydrogènes), conduisant à des

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Chapitre I

20

mouvements macromoléculaires de grande amplitude. De plus, l’extension complète des

segments de la chaîne macromoléculaire devient possible, grâce à la rotation autour des

liaisons covalentes du type carbone-carbone et carbone-oxygène (Chatain, 1993 ; Roudaut et

al., 2004).

Le rapport entre l’énergie des forces secondaires (responsables de la cohésion des

molécules à l’état vitreux) et l’énergie thermique (nécessaire pour le déplacement d’un

segment) détermine si un ensemble de macromolécules se trouve dans un état caoutchoutique

ou bien vitreux (amorphe ou semicristallin).

III.2 Transition vitreuse des polymères lignocellulosiques

Le bois est un matériau viscoélastique, dont les propriétés physico-mécaniques

dépendent du comportement de ses trois polymères constitutifs : la cellulose, les

hémicelluloses et la lignine.

Back et Salmén (1982) ont effectué une revue bibliographique sur la Tg des polymères

du bois à l’état anhydre (Figure I-16). Les résultats montrent que les transitions vitreuses des

différents polymères surviennent à des températures relativement élevées.

Figure I-16 Valeur des températures de transition vitreuse (Tg) des polymères constitutifs du

bois à l’état anhydre extraits de différentes essences (Back & Salmén, 1982)

La température de transition vitreuse de la cellulose varie entre 200 et 250°C, en

fonction de l’espèce du bois, probablement en raison de différences au niveau du taux de

cristallinité ou du procédé utilisé pour récupérer la cellulose.

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Chapitre I

21

Les Tg des hémicelluloses se situent entre 150 et 220°C. La variation des températures

est attribuée essentiellement à des différences au niveau de la composition chimique et de la

conformation des hémicelluloses utilisées, plus précisément des groupes latéraux.

En ce qui concerne la lignine, les Tg varient entre 140 et 190°C, la variation de

températures étant attribuée dans ce cas à des différences au niveau de la masse moléculaire

des lignines analysées.

III.3 Comportement viscoélastique du bois

Lorsque des polymères différents sont mélangés, les propriétés du mélange dépendent

des propriétés de chacun des polymères d’origine (Ehrenstein & Montagne, 2000). Le bois, en

tant que matériau composite, présente donc un comportement complexe lié à la combinaison

des comportements individuels de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine.

Les travaux de Kelley et al. (1987), basés sur les techniques DMA et DSC ont mis en

évidence l’existence de plusieurs transitions dans le bois, en fonction de la température

(Figure I-17).

Figure I-17 Evolution du coefficient de perte (Tan δ) pour un Epicéa, en fonction de la

température, à une fréquence de 1 Hz, et pour différentes teneurs en eau (Kelley, 1987)

Les tests de DMA consistent à solliciter l’échantillon par une contrainte périodique à

une certaine fréquence (ici 1 Hz), dans une certaine plage de température (ici entre -150 et

150°C). Les propriétés viscoélastiques des échantillons sont alors évaluées via la mesure du

module de stockage E’, du module de perte E" et du rapport des modules de perte et de

H2O

H2O H2O 10% H2O

5% H2O

20% H2O

30% H2O

α1

β

α2

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Chapitre I

22

stockage tan δ. E’ représente la réponse élastique du matériau (énergie stockée), E" la réponse

visqueuse à une sollicitation dynamique externe (énergie dissipée), et tan δ est une mesure de

la capacité d’amortissement du matériau. Dans la Figure I-17, la transition α1 est attribuée

aux mouvements micro-browniens des polymères lignocellulosiques dans les régions non

cristalline (Sadoh, 1981 ; Hon & Xing, 1992 ; Sugiyama et al., 1998; Sugiyama & Norimoto,

1996 ; Kelley et al., 1987; Jiang et al., 2008), α2 aux mouvements rotatoires de l’eau

résiduelle adsorbée par le bois (Sugiyama et al., 1995 et 1998 ; Sugiyama & Norimoto, 1996 ;

Obataya et al., 1996 et 2001 ; Sun et al., 2007), et β aux mouvements des groupements

CH2OH présents dans le bois (Kimura & Nakano, 1976 ; Hon & Xing, 1992 ; Obataya et al.,

1996; 2001; Sugiyama et al., 1995 et 1998 ; Sun et al., 2007). Lorsque la teneur en eau

augmente, la plastification du bois augmente, ce qui se manifeste par une diminution des

différentes températures de transition.

IV. Inconvénients du matériau bois

Malgré les nombreux avantages techniques du bois en tant que matériau, il présente

plusieurs inconvénients liés à sa structure chimique. Le bois est en effet sensible aux

variations d’humidité, aux attaques de certains organismes vivants (champignons, insectes, et

bactéries) et aux rayons ultraviolets.

IV.1 Instabilité dimensionnelle

Le bois est un matériau hygroscopique sensible au changement d'humidité

atmosphérique ; il peut subir des variations dimensionnelles considérables dans les directions

tangentielle et radiale (Rowell, 1984). Ce phénomène, connu depuis longtemps, s’explique par

la présence de nombreuses fonctions hydroxyles hydrophiles, aussi bien au niveau de la

cellulose et des hémicelluloses, que de la lignine. Lorsque le bois est soumis à une

atmosphère humide, l’eau adsorbée au niveau des sites hydroxyles agit comme un plastifiant :

les molécules d’eau s’intercalent par liaison hydrogène entre les polymères de la paroi

cellulaire et le bois gonfle. Ce gonflement s’accompagne d’une réduction des propriétés

mécaniques du bois. Ce processus étant réversible, un retrait est observé lorsque le bois perd

de l’eau. Lors d’un usage en extérieur, l’alternance répétée de périodes sèches et humides

provoque à la longue l’apparition de microfissures puis de fissures dans le bois ou à sa

surface. Ces fissures entraînent non seulement la rupture des couches protectrices de finition,

mais permettent également une pénétration plus facile de l’eau dans le matériau, ce qui

favorise le développement des champignons.

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Chapitre I

23

IV.2 Dégradation fongique

Le bois est biodégradable par nature, et est donc susceptible d’être attaqué par des

agents biologiques comme les insectes xylophages et les champignons lignivores. En général,

les champignons sont les principaux responsables de la dégradation du bois. Ces derniers se

développent lorsque la teneur massique en eau dans le bois excède 20 % (Dirol & Deglise,

2001). Parmi les champignons qui conduisent à une dégradation importante du bois, on

distingue la pourriture brune, la pourriture blanche et la pourriture molle. Les pourritures

brune et blanche se développent à travers les parois cellulaires et les décomposent de

l'intérieur, tandis que la pourriture molle s'attaque principalement à la couche centrale de la

paroi cellulaire. Les pourritures brune et molle attaquent surtout à la cellulose, alors que la

pourriture blanche dégrade à la fois la cellulose et la lignine. Toutes ces pourritures

provoquent une réduction importante de la résistance mécanique et de la dureté du bois. Il

existe également d’autres champignons, comme les champignons du bleuissement et les

moisissures, mais ces derniers ont une action plus superficielle. Ils sont peu destructeurs, mais

conduisent à des changements esthétiques ou décolorations qui déprécient le bois.

IV.3 Dégradation photochimique

Lorsque le bois est exposé au rayonnement solaire, il se produit des réactions

radicalaires au niveau de la lignine, qui dégradent et décolorent la surface du bois. Ces

altérations résultent d’une séquence complexe de réactions dans lesquelles les radicaux

phénoxyles jouent un rôle important. L’action de la lumière solaire sur le bois est

principalement attribuée à la composante UV, qui, combinée à d’autres facteurs climatiques et

aux agents oxydants comme l’oxygène ou l’ozone, dépolymérise la lignine et la cellulose

(Hon & Feist, 1992). Le processus de photodégradation commence avec l’absorption

d’énergie au niveau des groupements phénoliques de la lignine. En effet, contrairement à la

cellulose et aux hémicelluloses, les lignines contiennent plusieurs chromophores qui

absorbent fortement dans la bande UV. Des radicaux libres sont ensuite formés et décomposés

par photo-oxydation, ce qui entraîne une déploymérisation de la lignine et de la cellulose.

Bien que la profondeur maximale de pénétration de la lumière à la surface du bois ne dépasse

pas 200 µm (75 µm pour la lumière UV et jusqu’à 200 µm pour le visible), les dégradations

photochimiques (réactions en chaîne) peuvent être observées jusqu’à 2500 µm (Arnold et al.,

1991).

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Chapitre I

24

B. MODIFICATION CHIMIQUE DU BOIS

I. Amélioration des propriétés de la matière

lignocellulosique par greffage chimique

Puisque la plupart des inconvénients du bois sont liés à sa structure chimique, il est

possible de les éliminer, ou du moins les limiter, en modifiant directement la structure

moléculaire des polymères lignocellulosiques qui le constituent par un greffage chimique

(Rowell, 1984 ; Hon, 1996 ; Hill, 2006).

La stabilité dimensionnelle du bois peut notamment être améliorée en greffant des

entités capables de maintenir les parois cellulaires dans un état gonflé, limitant ainsi tout

gonflement supplémentaire par l’eau (Hill, 2006). Une telle modification peut également

limiter la formation de liaisons hydrogènes avec l’eau en diminuant le nombre de fonctions

hydroxyles accessibles (après une estérification par exemple), ou en modifiant l’hydrophilie

du bois (greffon hydrophobe).

La modification chimique permet également, dans bien des cas, d’accroître la

résistance du bois aux attaques fongiques (Hill, 2006). En effet la substitution des atomes

d’hydrogènes au niveau des hydroxyles par des groupements hydrophobes permet d’une part

de réduire l’adsorption d’humidité ce qui défavorise le développement des champignons et

d’autre part, le bois modifié n’est plus reconnu par divers enzymes de dégradations.

En ce qui concerne la stabilisation photochimique, plusieurs approches ont été

développées pour contrôler le phénomène de photodégradation (Evans, 2008). Ces approches

consistent en générale à l’utilisation d’aditifs spécifiques tels que les absorbeurs UV ou des

amines encombrées stériquement (Déglise & Merlin, 1994 ; Feist, 1988 ; Hon & Feist, 1992,

Grelier et al., 1997). Toutefois, des concentrations trop élevées en additif s’avèrent nécessaire

pour obtenir une photo-protection adéquate du matériau (Evans, 2008). L’utilisation de l’acide

chromique pour modifier chimiquement la structure de la lignine, a été proposée comme une

solution alternative aux additifs (Evans et al., 1992), cependant la toxicité de celui-ci limite

son application. Le greffage chimique de fonctions qui absorbe dans l’UV à la surface du bois

demeure donc le plus prometteur pour améliorer sa photostabilité. En effet, la modification

chimique conduit à la protection des hydroxyles phénoliques de la lignine et peut empêcher

par conséquent le processus d’oxydation. La modification chimique permet également de

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Chapitre I

25

déplacer le maximum d’absorption de la lignine de 280 nm vers des faibles longueurs d’onde,

ce qui lui confère une certaine stabilité vis-à-vis des UV (Hansmann et al., 2004).

II. Amélioration des propriétés interfaciales dans les

composites a base de bois

Les composites constitués d’une matrice polymère renforcée de fibres végétales

présentent des atouts mécaniques et physiques très attractifs, avec des propriétés qui sont

fonction de celles de leurs constituants de base (renfort et matrice). Ce type de matériau tire

profit de la faible densité du bois ou des fibres végétales, de leur faible coût, de leur bonnes

propriétés spécifiques (c’est-à-dire par rapport à la densité) ainsi que de leur biodégradabilité

(Bledzki & Gassan, 1999 ; Bhattacharyya et al., 2003; Devi et al., 2003; Lundquist et al.,

2003). Toutefois, l’incompatibilité entre les fibres végétales hydrophiles et la plupart des

matrices hydrophobes, limite leurs utilisations. L’hydrophilie des fibres lignocellulosiques et

leur photosensibilité peuvent également engendrer des problèmes de stabilité dimensionnelle,

des attaques fongiques ou des dégradations photochimiques au niveau du composite.

Pour palier ce problème, plusieurs études ont été réalisées afin de réduire l’hydrophilie

des fibres lignocellulosiques en agissant sur la mouillabilité de ces dernières, par greffage

d’entités hydrophobes par exemple (Gauthier et al., 1999 ; Saheb & Jog, 1999 ; Bledzki &

Gassan, 1999). En effet, le greffage de certaines fonctions à la surface des fibres, offre la

possibilité d’améliorer l’adhésion à l’interface (Figure I- 18) :

- i) en agissant sur la mouillabilité des fibres (greffage d’entités hydrophobes par

exemple, pour diminuer l’hydrophilie),

- ii) en créant un couplage covalent entre les fibres et la matrice (utilisation de

molécules bifonctionnelles),

- iii) en créant des interactions de type enchevêtrement entre les greffons et la

matrice (greffage de longues chaînes carbonées).

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Chapitre I

26

Figure I-18 Schéma des différentes approches permettant l’amélioration de l’interface entre

la matière lignocellulosique et une matrice polymère par greffage chimique.

Une amélioration de la stabilité dimensionnelle des fibres lignocellulosiques et de la

résistance aux attaques fongiques et de la photostabilité est également attendue, quel que soit

le type de greffage (cf. Chapitre précédent).

III. Modification des propriétés viscoélastiques du bois

La modification chimique du bois s’accompagne généralement d’une modification de

ses propriétés viscoélastiques (Hill, 2006). Par exemple, la substitution des groupements

hydroxyles du bois dans les régions amorphes, par des groupements hydrophobes de taille

imposante, conduit à une augmentation de la distance entre les chaînes des hydrates de

carbone et/ou une destruction du réseau tridimensionnel de la lignine (Nakano, 1994). Ainsi,

le volume libre augmente avec la taille du greffon et favorise la mobilité des polymères

modifiés sous l’effet de la température (Nakano & Nakamura, 1986 ; Nakano, 1994 ; Hon,

1996). La plastification engendrée se manifeste alors par l’apparition de nouvelles transitions

dans la courbe du comportement dynamique du matériau en fonction de la température. Après

acétylation par exemple, on observe trois nouvelles transitions (notées α, β et γ) associées aux

groupements acétyles introduits dans le bois (Figure I-19).

Boi

s

Réactif hydrophobe

Mat

rice

Diminution de l’énergie interfaciale

Boi

s

Réactif bifonctionnel

Mat

rice

Couplage chimique

Boi

s Réactif à longues chaînes

Mat

rice

Enchevêtrement

a)

b)

c)

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Chapitre I

27

Figure I-19 Évolution du coefficient de perte (Tan δ) pour un Épicéa avant (a) et après

acétylation (b), en fonction de la température et à une fréquence de 11 Hz (Sugiyama et al.,

1998)

La transition α entre 100°C et 200°C, a été attribuée aux mouvements microbrowniens

des polymères lignocellulosiques acétylés. La transition β vers 40°C a été attribuée aux

mouvements des chaînes de celluloses acétyles (Morroka et al., 1983 ; Sugiyama et al., 1996

et 1998). La transition γ vers –90°C a été attribuée aux groupes méthylols des polymères

amorphes (cellulose non cristalline, hémicelluloses ou lignine) qui apparaissent lorsque la

teneur en eau dans le bois est inférieure à 7 %, la transition β de l’eau n’étant alors plus

observable (Obataya et al., 1996 ; Kimura & Nakano, 1976 ; Sugiyama et al., 1996 et 1998).

Les réarrangements des molécules induites par l’acétylation ont également un effet sur le

module d’élasticité du matériau qui diminue après acétylation, ce qui est caractéristique d’une

plastification du bois (Sugiyama et al., 1998). Des résultats similaires ont été obtenus après

estérification à partir des anhydrides cycliques comme l’anhydride maléique et succinique

(Hon and Xing, 1992). Par contre, lorsque le bois est éthérifié à partir de l’oxyde de

propylène, la plastification est beaucoup plus importante (Nakano & Nakamura, 1986,

Björkman & Salmén, 2000).

(a)

(b)

α

β γ

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Chapitre I

28

La sorption d’eau par le matériel lignocellulosique a également une grande influence sur les

propriétés viscoélastiques du bois (Salmén, 1990). L’adsorption se fait en grande partie au

niveau des groupes hydroxyles des hydrates de carbone et de la lignine. De nombreuses

équipes se sont intéressées aux interactions entre l’eau et le bois et ont montré que le rôle

plastifiant de l’eau est à nuancer en fonction de la teneur en eau dans le bois (Salmén, 1990 ;

Akitsu et al., 1991 et 1993 ; Korai & Suzuki, 1995 ; Chang et al., 2000).

Les expériences d’Obataya et al. (1998), menées sur des échantillons d’Épicéa

contenant de 0 à 30 % d’eau, montrent que la valeur maximale du module d’Young est

obtenue lorsque la teneur en eau est de 8 %. Le réarrangement des molécules induit par

l’adsorption de l’eau entraîne une augmentation de la valeur du module d’Young jusqu’à une

teneur en eau de 8 %, puis le module décroît (plastification).

IV. Réactivité des différents polymères lignocellulosiques à

l’intérieur du bois

Les sites réactifs les plus abondants à l’intérieur du bois sont les groupements

hydroxyles, que l’on trouve à la fois au niveau de la cellulose, des hémicelluloses et de la

lignine. Par conséquent, la plupart des modifications chimiques du bois envisagées dans la

littérature font appel à la chimie des alcools et des phénols (Rowell, 1984 ; Hon, 1996 ; Hill,

2006). Les réactions chimiques mises en jeu sont généralement effectuées dans des conditions

relativement douces, afin de limiter la dégradation du bois (Rowell, 1991). Des solvants

permettant un gonflement optimal du bois comme le diméthylformamide (DMF) ou la

pyridine sont souvent utilisés, pour faciliter l’accès aux sites réactionnels (Ashton, 1973 ;

Rowell, 1984 ; Mantanis, 1994). Néanmoins, l’accessibilité des différents groupements

hydroxyles aux réactifs est fonction de plusieurs paramètres comme la surface spécifique de

l’échantillon, sa morphologie et les conditions de la réaction (Hon, 1996). La diffusion des

réactifs dans le matériau est contrôlée principalement par la viscosité du milieu (qui dépend

de la température, de la masse molaire des réactifs et de leur concentration), la nature du

milieu dispersif (solvants gonflants ou non) et le type de bois (Hon, 1996 ; Ramsden et al.,

1997).

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Chapitre I

29

IV.1 Accessibilité et réactivité des fonctions hydroxyles de la cellulose et

des hémicelluloses

Les unités constitutives de la cellulose et les hémicelluloses, à l’exception des unités

en bout de chaîne, comportent un groupe hydroxyle primaire en C6 pour chaque anhydro-

hexose (cellulose) et deux groupes hydroxyles secondaires (C2 et C3) pour chaque anhydro-

hexose et –pentose (cellulose et hémicelluloses) (cf. Figures I-8 et I-11). La réactivité de ces

groupes hydroxyles dépend fortement de leur accessibilité, qui elle-même dépend de sa

localisation à l’intérieur du matériau (région accessible ou non) et de son implication ou non

dans des ponts hydrogène. Par conséquent, la cellulose cristalline, est nettement moins

réactive que les hémicelluloses ou la cellulose amorphe, les fonctions hydroxyles étant

impliquées dans le réseau cristallin (Tasker et al., 1994 ; Hon, 1996). La surface des

cristallites de cellulose, plus accessible, peu cependant être modifiée (Hon, 1996).

En ce qui concerne la réactivité relative des différents groupements hydroxyles dans la

cellulose, le -OH en C6 est généralement plus réactif que les -OH en C2 et en C3 (Hon, 1996 ;

Patterson et al., 1985). La réactivité relative des hydroxyles secondaires C2 et C3, elle,

dépend fortement du réactif utilisé, des conditions de la réaction et du degré de substitution

(Clark et al., 1981 ; Hon, 1996).

En ce qui concerne les hémicelluloses, elles sont généralement plus réactives que la

cellulose (Hon, 1996), mais la réactivité relative des différents types d’hémicelluloses et des

différents hydroxyles, a été peu étudiée.

IV.2 Accessibilité et réactivité des fonctions hydroxyles de la lignine

La lignine comporte de nombreuses fonctions hydroxyles phénoliques et aliphatiques.

Toutefois, leur accessibilité est limitée par la conformation tridimensionnelle du réseau

moléculaire, ainsi que par la distribution de ce polymère parmi les autres constituants de la

paroi cellulaire du bois (Hon, 1996 ; Navi & Heger, 2005). Comme dans le cas des

polysaccharides, les groupements hydroxyles de la lignine ont tendance à former des liaisons

hydrogènes (Michell, 1982).

Les hydroxyles phénoliques sont généralement plus réactifs que les hydroxyles

aliphatiques, en raison de leur caractère acide (Mansson, 1983 ; klashorst et al., 1983).

Cependant, la réactivité relative des différents hydroxyles de la lignine dépend

également de la masse molaire du réactif, les hydroxyles benzyliques pouvant être plus réactif

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Chapitre I

30

que les phénoliques dans certains cas, lorsque le réactif est encombrant (Pizzi & Walton,

1992 ; Zhuang & Steiner, 1993).

À noter que l’hydroxyle aliphatique en position α est facilement transformé en

carbocation benzylique actif, qui peut donner lieu à une diversité de réactions d’additions ou

de substitutions en milieu acide (Hon, 1996).

V. Revue des principales méthodes de modification chimique

du bois

Les réactions présentées dans ce chapitre faisant intervenir les groupements

hydroxyles du bois, ce dernier sera représenté sous la forme « Bois-OH » dans les schémas

réactionnels. Toutes les réactions présentées ci-dessous nécessitent des conditions anhydres.

V.1 Estérification du bois

V.1.1 Réaction avec les anhydrides d’acides

Ce sont les réactions les plus étudiées dans le domaine de la modification chimique du

bois, en particulier la réaction d’estérification à partir d’anhydrides d’acides symétriques

(Figure I-20) (Rowell, 1984; Hon, 1996 ; Hill, 2006).

Figure I-20 Schéma de la réaction entre le bois et un anhydride d’acide

Par ailleurs, l’acétylation à partir de l’anhydride acétique (AA) est dans ce domaine,

l’une des réactions qui a reçu le plus d’attention ; elle est actuellement en cours de

commercialisation (Kattenbroek, 2005). Cette réaction est catalysée par les bases (Stamm &

Tarkow, 1947 ; Tarkow, 1959 ; Rowell & Gutzmer, 1975 ; Rowell, 2005) ou bien les acides

(Arni et al., 1961a et 1961b ; Risi & Arseneau, 1957 ; Rowell & Gutzmer, 1975 ; Rowell,

2005), mais elle peut également être effectuée sans catalyseur (Rowell, 1984 ; Rowell et al.,

1986 ; Hill et al., 1998). L’acétylation du bois est souvent effectuée en présence d’un solvant

gonflant comme la pyridine ou le DMF (Stamm & Tarkow, 1947 ; Clermont & Bender, 1957 ;

Risi & Arseneau, 1957 ; Baird, 1969), mais pour les applications industrielles elle est plutôt

Bois OH +R O R

D

Catalyseur

Solvant

O O

Bois O R R OH

OO

+

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Chapitre I

31

réalisée en l’absence de tout solvant (Rowell, 2006). L’un des principaux inconvénients de

cette réaction est qu’elle libère de l’acide acétique comme produit secondaire, qui est difficile

à éliminer du bois après réaction (Larson, 2002). Cela engendre une odeur résiduelle après

traitement, ainsi que la corrosion des attaches métalliques lors de la fixation du bois acétylé

(Simonson & Rowell, 2000 ; Li et al., 2000). La dégradation du bois peut également être

accélérée. Parmi les effets les plus remarquables obtenus après acétylation du bois par

l’anhydride acétique, on note l’augmentation de la stabilité dimensionnelle, ainsi que

l’amélioration de la résistance aux attaques fongiques et de la photostabilité (Hill & Jones,

1996 ; Evans et al., 2000 ; Larsson et al., 2000 ; Chang & Chang, 2001 ; Papadopoulos &

Hill, 2002).

Des résultats similaires ont été obtenus à partir des homologues de l’anhydride

acétique, tels que les anhydrides propionique, butyrique, hexanoique, heptanoique et valérique

(Hill & Jones, 1996 ; Çetin & Özmen, 2001 ; Chang & Chang, 2002). D’autres anhydrides

comme l’anhydride crotonique ou l’anhydride méthacrylique ont permis de greffer des motifs

vinylènes dans le bois, qui peuvent par la suite amorcer une réaction de polymérisation

(Özmen & Çetin, 2002), ou bien améliorer la photostabilité du bois (Hill et al., 2001). Des

anhydrides cycliques ont également été utilisés, ces réactifs permettant d’éviter la formation

de produits secondaires acides. Cependant, la réaction à partir de l’anhydride succinique par

exemple s’accompagne de la formation de diesters qui peuvent conduire à une réticulation à

l’intérieur des parois cellulaires du bois (Matsuada, 1987 ; Hill, 2006).

V.1.2 Réaction avec les chlorures d’acides

Les chlorures d’acides peuvent être également utilisés pour estérifier le bois (Figure I-

21) (Suida, 1930 ; Rowell, 1984 ; Hon, 1996 ; Hill, 2006). Cependant, l'acide chlorhydrique

qui se forme au fur et à mesure de la réaction peut sévèrement dégrader le bois. Afin de

limiter cette dégradation, l’acétate de plomb ou la pyridine sont en général utilisés pour piéger

l’acide chlorhydrique formé (Shiraishi et al., 1979).

Figure I-21 Schéma de la réaction entre le bois et un chlorure d’acide

Bois OH + R Cl

O

SolvantCatalyseur

Bois O R

O

+ HCl

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Chapitre I

32

V.1.3 Réaction avec les acides carboxyliques

L’estérification du bois peut également être effectuée à partir des acides carboxyliques

selon un mécanisme similaire à celui impliquant les anhydrides (substitution nucléophile sur

le carbone acyle). Cependant, la réaction est réversible et très lente en raison de la faible

charge partielle sur le carbone acyle (Bender, 1960). Pour l’accélérer, un catalyseur acide est

souvent utilisé (Figure I-22), notamment l’anhydride trifluoroacétique (TFAA) (Arni et al.,

1961a et 1961b ; Nakagami et al., 1974, 1975 et 1978 ; Hill, 2006).

Figure I-22 Schéma de la réaction entre le bois et un acide carboxylique

V.1.4 Réaction avec les cétènes

Le bois peut également être acétylé à partir du cétène gazeux, sans formation de

produits secondaires (Figure I-23) (Rowell et al., 1986 ; Rowell, 2005 ; Hill, 2006).

Cependant, la diffusion du cétène dans les parois cellulaires du bois est faible, ce qui limite

l’importance de cette réaction par rapport à l’acétylation à partir de l’anhydride acétique.

Figure I-23 Schéma de la réaction entre le bois et le cétène

V.2 Estérification de la cellulose et de la lignine

De nombreuses études ont également été effectuées sur la modification chimique de la

cellulose et de la lignine, notamment l’estérification, qui nous concerne plus particulièrement

ici.

En ce qui concerne la cellulose, on peut citer notamment les travaux de Sassi &

chanzy, 1995 ; Sassi et al., 2000, Frisoni et al., 2001 ; Yuan et al., 2006 ; Castellano et al.,

2004 ; Pasquini et al., 2006 ; Pasquini et al., 2008 ; Peydecasting et al., 2009. Pour ce qui est

Bois-OH Bois+ O CH3H2C C O

O

Bois-OH Bois

O

OH

+ O R +

O

R H2OH

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Chapitre I

33

de la lignine, on citera les travaux de Sarkanene & Ludwig, 1971 ; Jain & Glasser, 1993 ;

Ghosh & Glasser, 1999 ; Meister, 2002 ; Thielmans & Wool, 2004 et 2005.

V.3 Réaction avec les isocyanates

La réaction entre le bois et les isocyanates est très rapide et conduit à la formation de

liaisons carbamates sans produits secondaires (Figure I-24). Les conditions de réaction

doivent être strictement anhydres pour éviter la formation du motif urée ou de son

homopolymère (Wendler & Frazier, 1996). Divers types d’isocyanates, tels que les

isocyanates d’éthyle, d’allyle, de butyle et de t-butyle ont été greffés sur le bois dans le

diméthylformamide (DMF) (Baird, 1969 ; Rowell, 2005). Les meilleurs résultats ont été

obtenus en phase gazeuse avec l’isocyanate de butyle dans le DMF (Clermont & Bender,

1957 ; Rowell, 2005).

Figure I-24 Schéma de la réaction entre le bois et un isocyanate

Cette réaction conduit à une amélioration de la stabilité dimensionnelle du bois et dans

certains cas à une amélioration de la résistance aux attaques fongiques (Rowell, 1984 ;

Williams & Hale, 1999 et 2003). Cette résistance est encore meilleure lorsque des isocyanates

bifonctionnels sont utilisés (Lutomski, 1975).

V.4 Ethérification du bois

V.4.1 Réaction avec les halogénures d’alkyle

Le bois peut être éthérifié par les halogénures d’alkyles (Kenaga & Sproull, 1951 ;

Risi & Arseneau, 1957a et 1957b ; Rowell, 2005 ; Hill, 2006) (Figure I-25).

Figure I-25 Schéma de la réaction entre le bois et les halogénures d’alkyle

Bois-OH Bois+ OR X R

Bois OH + R N C O Bois O NH RSolvant

Catalyseur

O

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Chapitre I

34

Les réactions impliquent en général un prétraitement alcalin. La méthylation du bois

par exemple, peut se faire soit par l’action du sulfate de diméthyle en présence de soude, soit

par l’action de l’iodure de méthyle en présence d’oxyde d’argent (Rowell, 1984).

V.4.2 Réaction avec les époxydes

La réaction d’éthérification entre les époxydes et les fonctions hydroxyles du bois peut

être effectuée en milieu acide ou basique (Figure I-26) (McMillin, 1963 ; Liu & McMillin,

1965 ; Barnes et al., 1969 ; Rowell & Ellis, 1984 ; Rowell, 1975 ; Rowell et al., 1976).

Cependant, la plupart des réactions sur le bois ont été réalisées en milieu basique (Rowell,

1991).

Figure I-26 Schéma de la réaction d’éthérification entre le bois et un époxyde

En raison de la formation d’un nouveau groupement hydroxyle au cours de la réaction,

une homopolymérisation des époxydes au sein des parois cellulaires du bois est possible. La

présence d’eau peut être également à l’origine de la formation d’homopolymères (Rowell,

1984), ce qui explique les forts gains de masse généralement obtenus pour ces réactions. Ces

forts gains de masse s’accompagnent généralement d’une dégradation des parois cellulaires

(Rowell, 1991).

Au niveau des propriétés, on peut noter que l’oxyde de butène permet d’améliorer la

résistance aux champignons, et l’oxyde d’éthylène et de propylène confèrent au bois une

bonne stabilité dimensionnelle (Rowell, 1984 ; Rowell, 1991).

V.4.3 Réaction avec la ββββ-propiolactone

La β-propiolactone réagit également avec le bois pour donner, à pH acide, une liaison

éther et une fonction acide carboxylique libre ; et en milieu basique, une liaison ester et une

fonction alcool primaire (Figure I-27) (Goldstein et al, 1959 ; Rowell, 2005).

Bois OH +

O

RCatalyseur Bois O

OH

R

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Chapitre I

35

Figure I-27 Schéma de la réaction entre le bois et la β-propiolactone

Aucun produit secondaire n'est formé, mais il peut y avoir une polymérisation de la β-

propiolactone.

V.5 Silylation du bois

Plus récemment, différentes réactions de silylation du bois ont été envisagées, dans le

but de diminuer l’hydrophilie du bois, d’améliorer sa stabilité dimensionnelle et/ou sa

résistance aux attaques fongiques.

La réaction entre le bois et les chlorosilanes permet par exemple de diminuer

l’hydrophilie du bois et d’améliorer sa résistance vis-à-vis de certaines pourritures brunes et

blanches (Mohammed-Zeigler, 2003). Cette réaction s’accompagne de la libération d’acide

chlorhydrique qui en général est piégé par la pyridine ou la triéthylamine.

Une autre méthode consiste à utiliser les alcoxysilanes comme agents silylants.

Différentes réactions ont ainsi été testées à partir du tétraméthoxysilane, tétraéthoxysilane,

tétrapropoxysilane, méthyltriméthoxysilane et méthyltriéthoxysilane, seuls ou en présence

d’autres réactifs (Tshabalala et al., 2003 ; Donath et al., 2004 ; Donath et al., 2006). Des

alcoxysilanes possédant une fonction organique ont également été testés. Parmi ceux-ci, nous

pouvons citer le 3-aminopropyltriéthoxysilane (Matuana et al., 1999 ; Tshabalala et al., 2003 ;

Abdelmouleh et al., 2003), le 3-méthacryloxypropyltriméthoxysilane (Brebner & Schneider,

1985 ; Schneider & Brebner, 1985) et le 3-isocyanatopropyltriéthoxysilane (Saka & Yakake,

1993 ; Ogiso & Saka, 1994 ; Sèbe et al. 2004 ; Tingaut et al. 2005, Tingaut et al. 2006 ).

Parmi les autres méthodes, on notera l’estérification du bois à partir des anhydrides

siliciés tels que l’anhydride de l’acide 3-triméthylsilylpropanoique ou l’anhydride de l’acide

2-triméthylsilylméthylglutarique (Sèbe & De Jéso, 2000), ou la méthode d’hydrosilylation

(Sèbe & Brook, 2001).

Bois OH +

Bois O CH2

H2C

O

CH2

O

CH2 COOH

Bois O C CH2 CH2 OH

O

pH acide

pH basique

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Chapitre I

36

En résumé, nous constatons à l’issue de cette étude, que les méthodes de modification

chimique du bois sont nombreuses. Elles ont souvent pour but de rendre le bois moins polaire

en substituant les nombreux groupements hydroxyles présents sur ses principaux constituants

(cellulose, hémicelluloses, lignine) par des groupements apolaires plus ou moins volumineux,

de façon à limiter son aptitude à absorber l’eau qui est à l’origine de nombreux préjudices.

Ces traitements permettent également, dans certains cas, de modifier les propriétés

viscoélastiques du bois et donc, d’élargir son champ d’application. Toutefois, tous ces

procédés présentent au moins un inconvénient limitant ainsi son application, soit le réactif mis

en jeu est très coûteux, soit la réaction s’accompagne de la libération d’un produit secondaire

acide difficile à éliminer du bois après traitement, soit le réactif a tendance à former un

homopolymère ou bien la liaison formée est très hydrolysable.

Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la mise au point d’une nouvelle

méthode de modification chimique du bois impliquant l’utilisation des esters d’énol, aux

fonctionnalités très variées.

VI. Les esters d’énol : des agents d’acylation intéressants pour la fonctionnalisation chimique des substrats hydroxylés

VI.1 Estérification des alcools à partir des esters d’énol

Les esters d’énol appartiennent à une autre famille de molécules capables de réagir

avec les alcools pour donner de nouveaux esters par transestérification. La particularité de ce

procédé réside dans l'énol libéré au cours de la réaction, qui n'est pas stable et se tautomérise

rapidement pour former de l’acétone ou de l’acétaldéhyde, selon que l’on utilise un ester

d’isopropényle ou de vinyle (Figure I-28). L'équilibre de la réaction est donc déplacé vers la

formation du nouvel ester.

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Chapitre I

37

Figure I-28 Schéma générale de la réaction de transestérification entre un alcool et les

esters d’énol. R2 = CH3 ou H

Ce type de réaction est généralement réalisé en présence de traces d’acide et est très

efficace pour acyler les alcools encombrés (Carey & Sundberg, 1984 ; March, 1985 ;

Hagemeyer et al., 1949 ; Johnson et al., 1956 ; Otera, 1993 ; Orita et al., 1998 et 1999).

Parmi les autres catalyseurs testés, les enzymes ont été largement utilisées en milieu

organique, notamment pour acyler les alcools de manière stéréosélective. Des lipases,

estérases et protéases, qui présentent une stabilité relativement importante dans les solvants

organiques, ont ainsi été utilisées (Degueil-Castaing et al., 1987 ; Wang et al., 1988 ; Uyama

& Kobayashi, 1994 ; Plou et al., 1999 ; Yang et al., 1999 ; Yan et al., 1999 ; Park et al.,

2000 ; Altreuter et al., 2002 ; Ferreira et al., 2002 ; Ghanem & Schurig, 2003 ; Ganske &

Bornscheuer, 2005a et 2005b ; Liu et al., 2005).

Plus récemment, l’iode a été évoqué comme un catalyseur très efficace pour

l’acétylation des alcools et des phénols en absence de solvant (Ahmed & Lier, 2006 ; Bosco et

al., 2006). Quelques études reportent également l’utilisation de catalyseurs métalliques et

organométalliques (Henry, 1971 ; Ishii et al., 1996 ; Tashiron et al., 1997 ;Ilankumaran &

Verkade , 1999 ; Lin & RajanBabu, 2000; Grasa et al., 2002).

VI.2 Application à l’estérification des polysaccharides

Dans un petit nombre d’études, la méthode d’estérification à partir des esters d’énol a

été utilisée pour estérifier des polysaccharides, notamment l’amidon et la cellulose. La

réaction à partir de l’acétate de vinyle a été surtout étudiée. En plus de ses nombreuses

applications industrielles en tant que produit de base pour la fabrication des polymères et

copolymères, l’acétate de vinyle est un excellent agent d’acylation des alcools.

L’acétylation de l’amidon par l’acétate de vinyle a été surtout réalisée en phase

hétérogène, en milieu aqueux et en présence d’un catalyseur basique (Tuschhoff & Smith,

R OH + R1 O

O R2catalyseur

solvent+

HO

R2

R2

O

substrat ester d'énol tautomérie

R O R1

O

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Chapitre I

38

1962 ; Joosten et al., 1982 ; Tessler & Billmers, 1996, Mormann & Al-Higari, 2004). De

faibles degrés de substitution ont été obtenus dans la plupart des cas. Des degrés de

substitution plus importants ont été obtenus dans le DMSO, en présence de différents

catalyseurs, notamment le carbonate de potassium (Einfeldt et al., 2000; Dicke, 2004 ). Les

auteurs ont montré que le OH sur le carbone en C2 était sélectivement acétylé dans la plupart

des cas.

En ce qui concerne la réaction entre la cellulose et les esters d’énol, elle a été surtout

étudiée en phase hétérogène, dans des solvants organiques et en présence de catalyseurs

enzymatiques (Akkara et al., 2000 ; Xie & Hsieh, 2001a, 2001b et 2001c ; Xie & Hsieh,

2003). Ces réactions sont régiosélectives, mais nécessitent des temps de réaction très longs (5

jours).

Au cours de ce travail, nous avons donc envisagé de fonctionnaliser le bois à partir de

différents esters de vinyle. La transestérification de ces derniers par les groupements

hydroxyles du bois devrait nous permettre d’introduire des fonctionnalités inédites à

l’intérieur des parois cellulaires ou à la surface du matériau, qui pourront être exploitées pour

différentes applications (Figure I-29) :

Figure I-29 Fonctionnalisation chimique du bois à partir des esters de vinyle

BoisBois OH + R O

O

O C R

O

Aromatique :

� Photostabilisation

Hydrophobe :

� Stabilisation dimensionnelle

� Résistance aux attaques fongiques

� Modification de l’énergie interfaciale dans les composites bois/polymères

Insaturé :

� Couplage chimique avec les matrices insaturées (application composite)

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39

CHAPITRE II

Étude de la réaction entre le bois et l’acétate de vinyle

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Chapitre II

41

Comme nous l’avons déjà mentionné, les rares travaux décrits dans la littérature visant

à acyler la matière végétale par transestérification des esters d’énol, concernent les

polysaccharides comme l’amidon ou la cellulose ; rien n’a été fait sur le bois. Au cours de ce

travail, nous avons donc envisagé des réactions de transestérification entre différents esters de

vinyle et le bois. Dans un premier temps, l’acétate de vinyle (AV) a été choisi comme ester de

vinyle modèle, afin d’étudier la faisabilité d’une telle réaction.

I. Étude préliminaire à partir de la sciure de pin maritime

I.1 Premiers essais

I.1.1 Gain de masse après réaction

Les premières expériences ont été effectuées sur la sciure du pin maritime dans des

conditions inspirées des modifications de l’amidon et la cellulose décrites dans la littérature,

(mais légèrement modifiées) : réaction dans le DMF, à 110°C, pendant 24 heures et catalysée

par le carbonate de potassium (K2CO3). Le DMF a été choisi car c’est un solvant permettant

un bon gonflement du bois (Rowell, 1984). Dans ces conditions, l’acétate de vinyle est

susceptible de réagir avec les nombreux groupements hydroxyles présents dans le bois, selon

le schéma réactionnel présenté à la Figure II-1.

Figure II-1 Réaction de transestérification entre le bois et l’acétate de vinyle

Après réaction et extraction des produits non liés au bois (extraction à l’eau et au

mélange toluène/éthanol/acétone), un gain de masse de 21 % a été obtenu, indiquant qu’une

quantité non négligeable de produits organiques a bien été fixée à l’intérieur du bois.

Bois OH + O

O110°C/24h

K2CO3/DMF

Bois O HO+

O

O

B- AV

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Chapitre II

42

I.1.2 Spectroscopie infrarouge (IRTF)

La sciure modifiée a ensuite été caractérisée par la spectroscopie infrarouge (IRTF) et

la RMN CP-MAS du 13C, et les spectres obtenus comparés à ceux du bois soumis au même

traitement mais sans acétate de vinyle. La Figure II-2 présente les spectres infrarouges de la

sciure non modifiée (B) et traitée par l’acétate de vinyle (B-AV). De nouvelles bandes

caractéristiques du groupement acétyle greffé ont été identifiées après réaction avec AV. La

liaison ester formée a été identifiée à 1754 cm-1 (νC=O) et entre 1298 et 1196 cm-1 (νC-O). La

bande à 2942 cm-1 a été associée à la vibration d’élongation νC-H des groupes méthyles

greffés. Les bandes de déformation dans le plan (δC-H) et hors plan (γC-H) de ces mêmes

groupes ont été observées à 1375 et 900 cm-1, respectivement (Silverstein et al, 1991). Bien

que la vibration de la bande localisée à 600 cm-1 n’ai pas été identifiée, elle résulte du

greffage des groupements acétyles.

Figure II-2 Spectres d’absorbance IRTF du bois, avant (B) et après modification par

l’acétate de vinyle (B-AV)

I.1.3 RMN CP-MAS du 13C

Les spectres RMN CP-MAS du 13C, obtenus avant et après modification, sont

présentés sur la Figure II-3. Sur le spectre du bois non modifié, les signaux dominants

correspondent à la résonance des six carbones de l’unité glucose de la cellulose : C1 (108

ppm), C4 de la phase cristalline (92 ppm), C4 de la phase amorphe (86 ppm), C2/C3/C5 (75 et

78 ppm), C6 de la phase cristalline (68 ppm) et C6 de la phase amorphe (65 ppm) (Attala et

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400

Nombre d’onde (cm-1)

600

900

1298-1196

1375 1754 2942 (B)

(B-AV)

Abs

orba

nce

νC-H

νC=O

δC-H νC-O

γC-H

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Chapitre II

43

δ(ppm)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

B-AV

B

C4

crys

talli

ne

C6

crys

talli

ne

C1

C4

amor

phe

C2/

C3/

C5

C6

amor

phe

Lign

ine

Ce ll u l o s e

O

C H 2 O H

O

O H OH

* O * n 1

2 3 4

5

6

b

a

al., 1980 ; Attala & VanderHart, 1999 ; Gilardi et al., 1995 ; Kim & Newman, 1995 ; Sterk et

al., 1987). Les carbones des hémicelluloses sont attendus dans cette même zone, mais

puisqu’ils résonnent sous forme d'un large signal de fond, ils sont cachés par les signaux

intenses de la cellulose (Gilardi et al., 1995 ; Kim & Newman., 1995 ; Sterk et al.,1987). Le

pic situé autour de 59 ppm correspond au carbone des groupes méthoxy de la lignine, alors

que le large pic situé entre 145 et 160 ppm provient de la résonance des carbones du noyau

aromatique de la lignine.

Les signaux caractéristiques des groupes acétyles greffés ont été attribués directement

sur le spectre (carbones a et b à 173 et 23 ppm, respectivement).

Figure II-3 Spectres RMN CP-MAS du 13C du bois, avant (B) et après modification par

l’acétate de vinyle (B-AV)

On note, comparativement au spectre du bois non modifié, la disparition de

l’épaulement à 65 ppm, après acétylation par AV, ce qui semble indiquer que le OH en C6 de

la cellulose amorphe (et/ou des hémicelluloses) a été acétylé. En effet, lors de l’acylation des

sucres, un déblindage du carbone O-acétylé (ici C6) et un blindage du carbone adjacent (C5)

O

O

b a Bois

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Chapitre II

44

sont généralement observés après réaction (Yoshimoto et al., 1980 ; Park et al., 2000). Les

nouveaux signaux du C6 étant attendus dans une zone où d’autres carbones du bois résonnent,

ils sont difficilement identifiables.

Une diminution de l’intensité du signal à 78 ppm a également été observée, suggérant

un greffage également au niveau des OH du C2 et/ou C3 et/ou C5 de la cellulose et/ou des

hémicelluloses. Le signal qui apparaît vers 102 ppm après acétylation pourrait correspondre à

un blindage du carbone C1 après acétylation du C2. Dicke (2004) a montré que lors de

l’acétylation de l’amidon par AV, l’attaque du OH en C2 étant généralement favorisée (Dicke,

2004).

I.2 Impact des conditions de réaction

Afin de rechercher les conditions opératoires les plus favorables, nous avons étudié

l’impact de différents paramètres expérimentaux sur le rendement de la réaction :

• le type de solvant et la quantité de catalyseur ;

• le temps de réaction ;

• la température de la réaction.

I.2.1 Choix du catalyseur et du solvant

Deux types de solvants ont été testés, le DMF et le DMSO, tous deux considérés

comme des solvants permettant un bon gonflement du bois (Rowell 1984, Matanis et al.,

1994). Les réactions ont été réalisées pendant 24 heures, en présence ou non de catalyseur i.e.

du carbonate de potassium (K2CO3) ou de l’iode (I2). L’iode permet d’effectuer des réactions

d’estérifications sans solvant (Ahmed & van Lier, 2006 ; Biswas et al., 2005) et le carbonate

de potassium présente l’avantage de catalyser les réactions aussi bien en solution qu’en phase

hétérogène (Dicke, 2004 ; Mormann & Al-higari, 2004).

Des expériences ont également été réalisées sans solvant, mais dans ce cas, la

température a été fixée à 70°C car l’acétate de vinyle à un point d’ébullition de 72-73°C à

pression atmosphérique. Toutes les autres réactions ont été effectuées à 110°C, comme lors

des premiers essais. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le Tableau II-1.

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Chapitre II

45

Tableau II-1 Influence du solvant et du catalyseur sur la réaction de transestérification

entre le bois et l’acétate de vinyle

Solvant DMF DMSO Non

Température 110°C 70°C

Catalyseur - I2 K2CO3 - I2 K2CO3 K2CO3 I2

WPG (%) 0,3 -7,5 21,5 3,6 -9,2 15,9 0,0 19

Les réactions dans le DMF et le DMSO conduisent à des résultats similaires : la

réaction fonctionne bien avec K2CO3, mais avec l’iode, les pertes de masse mesurées tendent

à indiquer qu’il y a eu une dégradation importante de la matière lignocellulosique (aucun

greffage n’a été observé en IRTF). Cette dégradation ne se produit pas sans solvant (à 70°C).

Dans ce cas, au contraire, on obtient un gain de masse significatif de 19 %. Dans le DMF, le

WPG obtenu est plus important que dans le DMSO, peut-être parce que la réactivité est

meilleure, ou bien parce que la matière lignocellulosique est dégradée dans le DMSO (à

110°C). Il est également possible qu’une solubilisation partielle des acétates de cellulose et/ou

d’hémicelluloses et/ou de lignine se produise au cours de la réaction, comme cela a été

observé par certains auteurs (Malm et al., 1951 ; Krassig, 1985 ; Theibaud., 1995). D’ailleurs,

la réaction dans le DMF pendant 24 heures conduit à une dégradation partielle du bois,

puisque des WPG supérieurs à 21,5 % ont été mesurés en diminuant le temps de réaction

(Figure II-4). Sans catalyseur, seul le DMSO conduit à une acétylation partielle (WPG = 3.6

%). Enfin, on peut noter que la réaction sans solvant ne marche pas en présence de K2CO3 et

que l’iode n’est pas un bon catalyseur en présence de solvant. Tous les greffages dans les

échantillons à WPG supérieur à 1 % ont été confirmés par spectroscopie IRTF. À noter que

chaque gain de masse représenté dans le tableau correspond à la moyenne des résultats de

trois expériences.

À la vue de ces résultats, le système DMF/K2CO3 a été choisi pour la suite de notre

étude, notamment en raison du fort WPG obtenu dans ce cas. De plus, il est anticipé que la

modification du bois massif sera plus facile avec ce système, le DMF permettant un

gonflement optimal du bois (Rowell, 1984). Le gain de masse obtenu avec ce système est du

même ordre de grandeur que celui reporté dans la littérature à partir l’anhydride acétique,

lorsque la réaction est effectuée dans le DMF (Mantanis, 1994 ; Hill, 2006 ; Rowell, 2005).

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Chapitre II

46

I.2.2 Influence du temps de réaction

L’influence du temps de réaction sur le rendement, dans le système DMF/K2CO3, a

d’abord été évaluée. La température a été fixée à 90°C afin de limiter la dégradation de la

matière lignocellulosique. Les résultats obtenus sont rapportés dans la Figure II-4.

Figure II-4 Évolution du WPG en fonction du temps de réaction (réaction à 90°C avec

1,1 mmol K2CO3/g de bois sec)

La réaction est très rapide au cours de la première heure (un WPG de 22,3 % est

obtenu après 60 min), puis la réaction ralentit et un WPG de 26,7 % est mesuré après 6

heures. Au-delà, on observe une diminution progressive du WPG, qui indique que la matière

lignocellulosique se dégrade progressivement et/ou qu’une partie des acétates de

biopolymères formés se solubilise dans le DMF. Un gain de masse significatif de 24,6 %

ayant été obtenu après seulement 3 heures, ce temps de réaction a été choisi pour la suite de

notre étude, de manière à limiter toute dégradation.

I.2.3 Influence de la température de réaction

L’effet de la température sur le rendement de la réaction a également été étudié, pour

un temps de réaction de 3 heures. L’évolution du gain de masse mesuré après réaction est

représentée dans la Figure II-5.

On observe une augmentation linéaire du gain de masse lorsque la température

augmente, jusqu’à une température d’environ 90°C. Au-delà, le WPG évolue beaucoup plus

0

5

10

15

20

25

30

0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620

Durée de la réaction (min)

WP

G (

%)

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Chapitre II

47

lentement avec la température. Par conséquent, et toujours avec le souci de limiter la

dégradation de la matière lignocellulosique, une température de 90°C a été choisie pour la

suite de notre étude.

Figure II-5 Évolution du WPG en fonction de la température (réaction pendant 3 heures

avec 1,1 mmol K2CO3/g de bois sec)

I.2.4 Influence de la concentration en K2CO3

Enfin, afin de déterminer la quantité optimale en catalyseur, la réaction entre le bois et

l’acétate de vinyle a été effectuée en variant la concentration en K2CO3. Le temps de réaction

et la température ont été fixés à 3 heures et 90°C, respectivement. L’évolution du gain de

masse en fonction de la concentration en catalyseur est représentée dans la Figure II-6.

On observe une augmentation rapide du WPG lorsque la concentration en K2CO3

augmente, pour atteindre un seuil lorsque la concentration en K2CO3 atteint environ 1,1

mmol/g de bois sec. Cette valeur correspond en fait à la concentration qui avait été choisie

lors dès premières expériences et qui avait été recommandée par Mormann et Al-Higari

(2004) lors de la modification de l’amidon. La valeur de la concentration optimale en K2CO3

ne semble donc pas dépendre du substrat. Il est important de noter à ce stade de l’étude, que

K2CO3 n’est que partiellement solubilisé dans le système DMF/AV à 90°C, puisque de

nombreuses particules non dissoutes sont observables au fond du ballon lors de la réaction.

Ces particules de K2CO3 tendent à s’agglomérer au cours du temps pour former un gros

agrégat en fin de réaction. De plus, une coloration apparaît après 3 heures, lorsque K2CO3 est

agité en présence de DMF et AV à 90°C (sans le bois).

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200

Température (°C)

WP

G (

%)

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Chapitre II

48

Figure II-6 Évolution du WPG en fonction de la concentration en K2CO3 dans le milieu

réactionnel (réaction à 90°C pendant 3 heures)

Ce phénomène n’a pas été expliqué à ce stade de l’étude. À noter qu’aucune réaction

n’a été notée en l’absence de catalyseur, ce qui confirme l’importance de ce dernier.

En résumé, les conditions suivantes ont été sélectionnées pour la suite de notre étude :

réaction dans le DMF, à 90°C, pendant 3 heures, en présence de 1,1 mmol K2CO3/g de bois

sec. La quantité d’ester d’énol introduite dans le milieu réactionnel pour chaque expérience a

été choisie après avoir estimé le nombre de groupes hydroxyles présents dans le pin maritime,

à partir d’une formule décrite dans la littérature (Hill & Jones, 1996) : cette valeur correspond

à 14 mmol d’ester d’énol/g de bois sec. Dans ces conditions opératoires, l’acétylation du bois

à partir de AV conduit à un gain de masse de 24,6 %. Cette valeur est plus élevée que celle

que nous avons obtenu lors d’une acétylation classique de la sciure, réalisée à partir de

l’anhydride acétique pendant 6 heures à 100°C et en présence de pyridine (WPG = 20,5 %).

La modification à partir des esters d’énol semble donc très compétitive pour estérifier la

sciure de bois.

II. Extension de la réaction au bois massif

Dans un deuxième temps, l’acétylation à partir des esters d’énol a été appliquée à des

plaquettes de pin maritime découpées selon les trois directions d’anisotropie du bois et de

dimensions 20 x 20 x 5 mm3 (R x T x L). Les variations des dimensions radiales et

tangentielles des éprouvettes après l’estérification ont notamment été mesurées et la

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

Quantité de K2CO3 (mmol)/g de bois sec

WP

G (

%)

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Chapitre II

49

spectroscopie IRTF en mode ATR (FTIR-ATR) a été utilisée pour évaluer la distribution du

greffage dans la direction longitudinale des échantillons. Les échantillons ainsi modifiés ont

été comparés au bois acétylé par la méthode classique à partir de l’anhydride acétique (AA).

II.1 Cinétique de la réaction et comparaison avec l’acétylation à partir de l’anhydride acétique

II.1.1 Acétylation à partir de l’acétate de vinyle

Des essais préliminaires, effectués dans les conditions de réaction optimisées dans le

chapitre précédent (DMF/90°C/3h/1,1 mmol K2CO3/g bois sec), ont montré que les WPG

obtenus avec le bois massif étaient très inférieurs à ceux obtenus avec la sciure. Or, il s’est

avéré qu’une augmentation de la température de 10°C entraînait une amélioration importante

du rendement. Par conséquent, une température de 100°C a été choisie pour la modification

des plaquettes de bois. Différents gains de masse ont été obtenus en variant le temps de

réaction (Figure II-7).

Figure II-7 Évolution des gains de masse (WPG) obtenus après estérification des

plaquettes de bois avec AV et AA en fonction du temps de réaction, à 100°C

Le rendement de la réaction avec AV augmente avec le temps de réaction, jusqu’à

atteindre un plateau correspondant à un WPG de 21,0 % à partir de 36 heures de réaction.

Tous les groupes hydroxyles accessibles au réactif ont donc été estérifiés, à priori, en 36

0

5

10

15

20

25

30

0 12 24 36 48 60 72 84

Durée de la réaction (h)

WP

G (

%)

B-AV Plaquettes

B-AA Plaquettes *

B-AV Sciure

* Réaction sans catalyseur

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Chapitre II

50

heures. Comparé au traitement de la sciure, des temps de réactions plus longs et une légère

augmentation de la température (réactions à 100°C) se sont avérés nécessaires pour obtenir

des gains de masse similaires. Ce résultat peut facilement s’expliquer par la diffusion plus

lente du réactif et/ou du catalyseur à l’intérieur des plaquettes de bois, et par la plus faible

surface spécifique de ces dernières.

Les greffages ont été confirmés au moyen de la spectroscopie infrarouge, par la

méthode KBr (Figure II-8). Les vibrations identifiées au chapitre précédent ont été à nouveau

détectées, avec une intensité en proportion avec le gain de masse.

Figure II-8 Spectres d’absorbance IRTF des plaquettes, avant (B) et après modification par

AV (B-AV) à différents temps de réaction

Abs

orba

nce

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600

Nombre d’onde (cm-1)

1750 2942

νC-H

νC=O

1298-1196

νC-O

γC-H

δC-H

1375 900

600

B

B-AV, 1 h (WPG = 4,2 %)

B-AV, 6 h (WPG = 7,8 %)

B-AV, 24 h (WPG = 15,0 %)

B-AV, 36 h (WPG = 21,3 %)

B-AV, 72 h (WPG = 22,0 %)

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Chapitre II

51

II.1.2 Acétylation à partir de l’anhydride acétique

La réaction d’acétylation à partir de l’anhydride acétique (AA), très étudiée dans la

littérature, peut être réalisée dans le DMF sans catalyseur (Clermont & Bender, 1957 ; Risi &

Arseneau, 1957 ; Baird, 1969 ; Rowell, 2005). Des plaquettes de pin maritime ont donc été

estérifiées dans ces conditions (Figure II-9 et II-10) et le bois ainsi modifié a été comparé au

bois acétylé à partir de AV (Figures II-7).

Figure II-9 Réaction d’estérification entre le bois et l’anhydride acétique

L’acétylation avec AA est plus rapide qu’avec AV au cours des premières heures,

puisque l’obtention d’un WPG d’environ 8 % nécessite 1 heure avec AA et 6 heures avec AV.

Après 6 heures, la réaction avec AA devient plus lente, alors que la vitesse est peu modifiée

avec AV. Après 72 heures, le niveau de modification est le même, quel que soit le traitement.

Cette différence de cinétique pourrait s’expliquer par des réactivités différentes lorsque AV et

AA accèdent aux différents sites hydroxyles (aliphatiques ou phénoliques) à l’intérieur du

bois. Elle pourrait également s’expliquer par des différences au niveau de la cinétique de

diffusion des réactifs, ou par une diffusion plus lente du catalyseur K2CO3 qui est peu soluble

dans le système DMF/AV.

Les greffages sur les plaquettes à partir de AA ont été confirmés par la spectroscopie

infrarouge (Figure II-10). Aucune différence notable n’a été observée entre ces spectres et

ceux de la Figure II-8, pour un gain de masse donné.

Bois +100°C

DMFBois +

OO HO

OOO O

OH

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Chapitre II

52

Figure II-10 Spectres d’absorbance IRTF des plaquettes, avant (B) et après modification par

AA (B-AA) à différents temps de réaction

II.2 Localisation du greffage

II.2.1 Gonflement radial et tangentiel après réaction

Les gonflements chimiques engendrés par le greffage, dans les directions radiales et

tangentielles des plaquettes précédemment modifiées (SR/greffage et ST/greffage, respectivement)

ont été mesurés et rassemblés dans le tableau II-2. Cinq plaquettes ont été mesurées et

moyennisées pour chaque traitement.

3600 2800 2000 1600 1200 800 400

Nombre d’onde (cm-1)

1745 2938

νC-H

νC=O

1298-1196

νC-O

γC-H

1375 900 B

B-AA, 6 h (WPG = 12,5 %)

B-AA, 24 h (WPG = 16,5 %)

B-AA, 36 h (WPG = 19,3 %)

600 Abs

orba

nce

B-AA, 1 h (WPG = 7,5 %)

B-AA, 72 h (WPG = 21,7 %)

δC-H

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Chapitre II

53

Tableau II-2 Gains de masse (WPG) et gonflements chimiques (SR/greffage et

ST/greffage) des éprouvettes acétylées par AV et AA.

Réactif AV AA Temps de

réaction (h) 1 6 24 36 72 1 6 24 36 72

WPG (%) 4,2 7,8 15,0 21,3 22,2 7,5 12,5 16,5 19,3 21,7 SR/greffage (%) 1,1 1,75 2,1 2,2 3,2 1,5 2,3 3,0 3,4 4,0 ST/greffage (%) 2,6 2,7 3,6 4,7 5,9 3,8 4,6 5,2 5,8 6,3

Après réaction, les deux méthodes d’acétylation conduisent à des gonflements dans les

directions radiales et surtout tangentielles des échantillons, indiquant que les réactions se

produisent dans les parois cellulaires. Ces gonflements augmentent avec le taux de greffage,

mais sont systématiquement moins importants dans le cas de l’acétylation avec AV, à WPG

comparable. Les zones modifiées par AV pourraient donc être sensiblement différentes de

celles modifiées par AA à l’intérieur du bois. Il est également possible que la solubilisation

d’une partie des esters de cellulose dans le DMF au cours de la réaction avec AV, conduise à

un gonflement moins important (Cf. Chapitre II-B-3).

II.2.2 Distribution du greffage dans la direction longitudinale

Afin de mieux comprendre les différences observées entre les deux méthodes

d’acétylation, la distribution des greffages dans la direction longitudinale des plaquettes a été

évaluée. Les taux de modification à différentes profondeurs à l’intérieur du bois ont été

mesurés dans le sens longitudinal, à l’aide de la spectroscopie IRTF en mode ATR

(Attenuated Total Reflectance).

L’expérience consiste à collecter des spectres IR sur un gradient d’épaisseur, de la

surface vers le centre des plaquettes. Pour cela, des plaquettes de bois modifiées ont été

microtomées à différentes profondeurs, dans la direction longitudinale, et les spectres IR de

chaque nouvelle surface ont été collectés (Figure II-11).

Le taux d’acétylation aux différentes profondeurs a alors été estimé en calculant le

rapport d’intensité des bandes à 1735 cm-1 (νC=O du groupe acétyle greffé) et 1510 cm-1

(vibration associée au cycle aromatique de la lignine, prise comme référence interne) (Schultz

& Glasser, 1986; Glasser & Jain, 1993). Ce rapport, noté I1735/I1510, est représenté à différentes

profondeurs par rapport à la surface, sur les Figures II-12 et II-13.

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Chapitre II

54

Figure II-11 Évaluation du taux d’acétylation à différentes profondeurs à l’intérieur

du bois, par spectroscopie IRTF-ATR

Avec AV, quel que soit le gain de masse, le taux de greffage à la surface est toujours

très supérieur à celui mesuré au cœur des plaquettes (Figure II-12).

Figure II-12 Rapport des intensités I1735/I1510 à différentes profondeurs par rapport à la

surface dans la direction longitudinale des plaquettes acétylées par AV

Après 6 heures de réaction (WPG ∼ 8 %), le cœur des plaquettes n’est pratiquement

pas modifié ; il commence à être réellement acétylé après 24 heures de réaction. Ce résultat

semble corroborer l’hypothèse d’une diffusion difficile de VA ou, plus certainement, du

catalyseur K2CO3 (peu soluble dans le système DMF/AV) à l’intérieur des plaquettes de bois.

0

5

10

15

20

25

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

I 173

5/I15

10

6,7 % (6 h)

7,8 % (6 h)

13,2 % (24 h)

14% (24 h)

16,8 % (24 h)

19% (72 h)

20% (72 h)

22,8 % (72 h)

7,6 % (6 h)

Profondeur dans la direction longitudinale (mm)

WPG (temps de réaction)

L

T

Centre (Profondeur ~ 2,5 mm)

Profondeur

Surface (Profondeur = 0 mm)

R

IR

Bois

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Chapitre II

55

Avec AA, le greffage est plus uniforme à l’intérieur du bois, la différence de greffage

entre la surface et le cœur des plaquettes étant plus faible (Figure II-13). Mais le taux de

greffage à la surface est toujours supérieur à celui mesuré au cœur des plaquettes.

Figure II-13 Rapport des intensités I1735/I1510 à différentes profondeurs par rapport à la

surface, pour les plaquettes acétylées par AA, sans catalyseur

Au dessus de 13 % de gain de masse, à WPG comparable, les surfaces traitées par AA

sont toujours moins acétylées que celles traitées par AV, alors que le cœur des échantillons a

un niveau de modification à peu près similaire. Les meilleurs rendements obtenus avec AV en

surface, peuvent s’expliquer par une plus grande réactivité du système AV/K2CO3/DMF vis-

à-vis de certains groupements hydroxyles du bois. La présence de K2CO3 pourrait par

exemple favoriser la déprotonation des sites phénoliques et conduire à une acétylation plus

importante de la lignine. Un système AA/DMF moins réactif pourrait conduire à un greffage

moins important en surface mais plus homogène, puisque AA dispose de plus de temps pour

diffuser à l’intérieur du bois (notamment lorsque le temps de réaction est court).

Afin d’étudier l’impact de K2CO3 sur la distribution du greffage à l’intérieur du bois,

de nouvelles plaquettes ont été acétylées par AA, en présence de K2CO3. La Figure II-14

représente l’évolution des gains de masse obtenus en faisant varier le temps de réaction. À

noter que K2CO3 s’est avéré beaucoup plus soluble dans le système DMF/AA que dans le

système DMF/AV.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Profondeur dans la direction longitudinale (mm)

I 173

5/I15

10

6,7 % (1 h)

7,9 % (1 h)

7,7 % (1 h)

16,3 % (24 h)

16,6 % (24 h)

17 % (24 h)

20,4 % (72 h)

21,8 % (72 h)

22,1 % (72 h)

WPG (temps de réaction)

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Chapitre II

56

Figure II-14 Évolution du gain de masse (WPG) en fonction du temps de réaction des

éprouvettes acétylées par AA, sans catalyseur ou en présence de K2CO3 (1,1 mmol/g de bois

sec)

Le K2CO3 a une action catalytique sur l’acétylation à partir de AA, puisque la

cinétique est beaucoup plus rapide : un WPG de 7 % est obtenu après seulement 10 minutes

alors qu’il nécessite 1 heure en absence du catalyseur. La présence de K2CO3 permet d’obtenir

un gain de masse significatif de l’ordre de 21 % en seulement 3 heures. Un plateau

correspondant à un gain de masse de 25 % est atteint en 24 heures. Par rapport à la réaction

réalisée avec le système DMF/AV/K2CO3, la cinétique est beaucoup plus rapide et conduit à

un greffage plus important (cf. Figure II-8). À notre connaissance, c’est la première fois que

l’effet catalytique de K2CO3 lors de l’acétylation du bois par l’anhydride acétique a été

démontré.

La Figure II-15 présente l’évolution du taux de greffage dans le système

DMF/AA/K 2CO3, à différentes profondeurs par rapport à la surface des plaquettes.

0

5

10

15

20

25

30

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78

Durée de la réaction (h)

WP

G (

%°)

Avec catalyseur Sans catalyseur

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Chapitre II

57

Figure II-15 Rapport des intensités I1735/I1510 à différentes profondeurs par rapport à la

surface, pour les plaquettes acétylées par AA en présence de K2CO3 comme catalyseur

La présence de K2CO3 conduit à un greffage plus important en surface, alors que le

taux de greffage à l’intérieur des plaquettes est peu modifié. La modification plus forte en

surface peut s’expliquer par une réactivité plus importante du système DMF/AA/K2CO3 par

rapport au système DMF/AA (vis-à-vis des sites phénoliques notamment). Cependant, le taux

de greffage à l’intérieur des plaquettes n’est pas amélioré par la présence de K2CO3, ce qui

tend à confirmer que la diffusion de K2CO3 à l’intérieur des plaquettes est limitée, même si sa

solubilité dans le mélange AA/DMF est à priori meilleure que dans le mélange AV/DMF.

II.3 Analyse du milieu réactionnel après réaction

Lors de l’acétylation du bois, il est possible qu’une partie des acétates de biopolymères

formés se solubilisent dans le solvant de réaction (Malm et al., 1951 ; Krassig, 1985 ;

Theibaud, 1995), conduisant à une sous-estimation du WPG. Pour le vérifier, nous avons

donc analysé la phase liquide restant après récupération du bois acétylé par AV ou par AA. Le

DMF, les réactifs en excès et les produits secondaires formés ont été préalablement éliminés

par évaporation sous pression réduite. Le K2CO3 a été éliminé par rinçage à l’eau.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 Profondeur dans la direction longitudinale (mm)

I 173

5/I15

10

6,7 % (10 min)

7,1 % (10 min)

7,4 % (10 min)

11,7 % (30 min)

12,5 % (30 min)

12,7 % (30 min)

26,5 % (72 h)

26,6 % (72 h)

27,1 % (72 h)

WPG (temps de réaction)

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Chapitre II

58

II.3.1 Réaction avec AV

Ainsi, après modification de 10 g de bois sec par AV (à 90°C et pendant 6 h), 300 mg

de résidu sec ont été récupérés et analysés par la spectroscopie IRTF. Dans ces conditions, un

WPG de 26,4 % avait été mesuré initialement. Le WPG recalculé en tenant compte de cette

perte de masse est de 29, 3%. Le spectre obtenu a été comparé à celui de l’acétate de cellulose

commercial (DS = 2,4) (Figures II-16).

Figure II-16 Spectres d’absorbance IRTF : (a) de l’acétate de cellulose commercial (DS =

2,4) ; (b) du résidu soluble dans le DMF après estérification du bois par AV

L’allure des deux spectres est très similaire. Il semble donc que des acétates de

cellulose se soient formés et solubilisés dans le milieu réactionnel lors de la réaction avec AV.

Mais la présence d’acétates d’hémicelluloses et de lignine n’est pas non plus exclue. Sur les

spectres, nous retrouvons toutes les bandes caractéristiques du groupement acétyle greffé,

notamment les bandes à 1750, 1377 et 1235 cm-1.

Le résidu a également été analysé par RMN du solide (CP-MAS du 13C). Le spectre

obtenu a été comparé à celui de l’acétate de cellulose, réalisé par Samios et al. (DS = 1,5)

(Figure II-17).

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600

Nombre d’onde (cm-1)

(a)

(b)

νC=O

δC-H

νC-O

γC-H

600

1750 1377

1305-1182

900

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Chapitre II

59

Figure II-17 Spectres RMN 13C : (a) de l’acétate de cellulose (DS = 1,5) (Samios et al.,

1997) ; (b) du résidu soluble dans le DMF après estérification du bois par AV (RMN en phase

solide)

L’allure du spectre du résidu est encore une fois très proche de celle du spectre de

l’acétate de cellulose. Des acétates de cellulose se sont donc bien solubilisés dans le milieu

réactionnel lors de la réaction avec AV.

Les signaux caractéristiques du groupement acétyle greffé sont facilement

identifiables sur les deux spectres : carbone du carbonyle à 178 ppm et carbone du méthyle à

26 ppm. Les deux pics situés symétriquement de part et d’autre du pic à 178 ppm (à 120 et

220 ppm dans le spectre (a) ; à 91 et 250 ppm dans le spectre (b)) sont dus à des facteurs

instrumentaux (pics de rotation). La présence de signaux de faible intensité vers 62 et 158

ppm sur le spectre (b), indique que le résidu contient également des traces de lignine.

Finalement, le résidu soluble dans le DMF après réaction avec AV a été hydrolysé en

milieu acide et analysé par chromatographique HPLC (Tableau II-3). Le chromatogramme a

confirmé la présence d’environ 79 % de sucre dans le résidu (pourcentages massiques). Le

δ(ppm) 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250

(a)

(b)

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Chapitre II

60

résidu non soluble dans l’eau après l’hydrolyse, correspond à de la lignine ; sa quantité a été

évaluée à 17,2 %. Les 3,8 % restant incluent notamment l’acide acétique libéré après

hydrolyse des esters de polysaccharides et de lignine.

Tableau II-3 Pourcentages relatifs en sucres et lignine dans le résidu soluble dans le DMF

après estérification du bois par AV (le temps de rétention des sucres analysés par HPLC est

également reporté)

Sucres

Cellobiose Glucose Xylose Galactose Arabinose Mannose Lignine Autres

% (m/m) 0,3 31,7 2,4 1,1 1,5 42 17,2 3,8

Temps de

rétention

(min)

10,3 12,6 13,3 14,4 15,5 16,6 - -

Les sucres sont composés majoritairement de glucose (31,7 %) et de mannose (42 %),

principaux monomères de la cellulose et des hémicelluloses, respectivement. Ce résultat

confirme que, d’une part, la cellulose et les hémicelluloses du bois ont bien été acétylés par

AV, et d’autre part, qu’une partie de ces biopolymères acétylés se sont solubilisés dans le

DMF au cours de la réaction. On retrouve des proportions en hydrates de carbone et lignine,

très voisines des proportions rencontrées à l’intérieur du bois (Tableau I-1, Chapitre I), ce qui

semble indiquer que ces deux types de substrats ont une réactivité similaire vis-à-vis de

l’acétate de vinyle.

II.3.2 Réaction avec AA

Le résidu soluble dans le DMF après acétylation du bois par AA a également été

analysé. Après modification de 10 g de bois sec par AA (sans catalyseur, à 90°C et pendant 6

h), 250 mg de résidu sec ont été récupérés (environ 20 % de moins que dans le cas de la

réaction avec AV). Dans ces conditions, un WPG de 23,9 % avait été mesuré initialement. Le

WPG recalculé en tenant compte de cette perte de masse est de 26,4 %. Le spectre IRTF

obtenu a été comparé à celui de la lignine récupérée à partir de la pâte de pin maritime, par

extraction au mélange dioxane/acide chlorhydrique (Figures II-18).

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Chapitre II

61

Figure II-18 Spectres d’absorbance IRTF de la lignine de pin maritime (a) et du résidu

soluble dans le DMF après estérification du bois par AA (b) du résidu soluble dans le DMF

après estérification du bois par AV (b)

Le spectre du résidu ressemble fortement à celui de la lignine, avec des vibrations

supplémentaires que l’on peut facilement attribuer aux groupements acétyles greffés (à 1745,

1230, 950 et 614 cm-1). Il semble donc qu’avec AA, que ce soit plutôt les acétates de lignine

qui se solubilisent dans le milieu réactionnel. Ce résultat suggère que la cellulose est moins

modifiée avec AA, et que peut-être la lignine l’est beaucoup plus. À noter que par manque de

temps, le résidu n’a pas pu être analysé par RMN CP-MAS du 13C.

L’analyse chromatographique HPLC indique que très peu d’esters d’holocellulose ont

été solubilisés (Tableau II-4). Le résidu est constitué de 88,5 % de lignine et seulement 10,5

% de polysaccharides, ce qui confirme les résultats de la spectroscopie infrarouge. Les sucres

détectés correspondent en grande majorité à des sucres issus des hémicelluloses.

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600

Nombre d’onde (cm-1)

Abs

orba

nce

(a)

(b)

νC=O νC-O

γC-H

614

1745

1230

950

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Chapitre II

62

Tableau II-4 Pourcentages relatifs en sucres et lignine dans le résidu soluble dans le DMF

après estérification du bois par AA (le temps de rétention des sucres analysés par HPLC est

également reporté)

sucres

Cellobiose Glucose Xylose Galactose Arabinose Mannose Lignine Autres

% (m/m) 1,4 0,2 2,5 3,5 0,5 2,4 88,5 1

Temps de

rétention

(min)

10,4 12,6 13,6 14,4 15,5 16,6 - -

Donc, contrairement à ce qui a été observé dans le cas de la réaction avec AV, on ne

retrouve pas les proportions en hydrates de carbone et lignine rencontrés dans le bois (Tableau

I-1, Chapitre I). Le fort taux de lignine acétylée dans le DMF, semble indiquer que la lignine à

l’intérieur du bois est beaucoup plus réactive que l’holocellulose vis-à-vis de l’anhydride

acétique. AV et AA n’ont donc pas la même réactivité relative vis-à-vis de l’holocellulose et

de la lignine à l’intérieur du bois : l’acétate de vinyle réagit à priori de la même manière avec

l’holocellulose et la lignine, alors que l’anhydride acétique semble préférer attaquer la lignine.

Par manque de temps, nous n’avons pas pu analyser le milieu réactionnel après acétylation du

bois par AA, en présence de K2CO3.

II.4 Étude de la réactivité de l’acétate de vinyle vis-à-vis de la

cellulose et de la lignine

Pour compléter notre étude, l’acétylation de la cellulose et de lignine par l’acétate de

vinyle, a été envisagée, dans les conditions optimisées à partir de la sciure (i.e. réaction dans

le DMF, à 90°C, pendant 3 heures, en présence de 1,1 mmol K2CO3/g de bois sec).

II.4.1 Acétylation de la cellulose par AV

La cellulose qui a été modifiée est une poudre commerciale vendue par la société

WHATMAN (CF11), et utilisée essentiellement pour les colonnes chromatographiques.

Après réaction, la phase solide a été filtrée, et une perte de masse de l’ordre de 10,4 % a été

mesurée. Une dégradation de la cellulose, ou plus vraisemblablement, une dissolution d’une

partie des acétates de cellulose formés, s’est donc parallèlement produite. La phase solide a

ensuite été analysée par spectroscopie IRTF et le spectre comparé à celui de la cellulose avant

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Chapitre II

63

réaction (Figure II-19). Les bandes caractéristiques du groupement acétyle greffé ont ainsi été

identifiées et attribuées directement sur le spectre.

Figure II-19 Spectres d’absorbance IRTF de la cellulose avant (a) et après

modification par l’acétate de vinyle (b)

Le greffage a été confirmé par RMN CP-MAS du 13C (Figure II-20). Les signaux

caractéristiques des groupes acétyles greffés ont en effet été facilement identifiés vers 178 et

27 ppm (carbones a et b, respectivement). Ces résultats confirment que l’acétate de vinyle

réagit bien avec la cellulose pour former des esters.

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600

Nombres d’onde (cm-1)

Abs

orba

nce

(a)

(b)

νC-H νC=O

δC-H νC-O

2940

1745

1373 1270-1220

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Chapitre II

64

Figure II-20 Spectres RMN CP-MAS du 13C de la cellulose avant et après

modification par l’acétate de vinyle

II.4.2 Acétylation de la lignine par AV

Dans un deuxième temps, l’acétylation de la lignine récupérée à partir de la pâte de pin

maritime (par extraction au mélange dioxane/acide chlorhydrique), a été envisagée.

Après réaction, la phase solide a été filtrée, et une perte de masse de l’ordre de 17,2 %

a été mesurée. Encore une fois, une dégradation de la lignine, ou plus vraisemblablement, une

dissolution d’une partie des acétates de lignine formés, s’est parallèlement produite. La phase

solide a ensuite été analysée par spectroscopie IRTF et le spectre comparé à celui de la lignine

avant réaction (Figure II-21). Les bandes caractéristiques du groupement acétyle greffé ont

ainsi été identifiées et attribuées directement sur le spectre.

δ(ppm)

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

C4

crys

talli

ne

C6

crys

talli

ne

C1

C4

amor

phe

C2/C3/C5

Ce ll u l o s e

O

C H 2 O H

O

O H OH

* O * n 1

2 3 4

5

6

Cell O CH3

O

a b a

b

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Chapitre II

65

Figure II-21 Spectres d’absorbance IRTF de la lignine, avant (a) et après

modification par l’acétate de vinyle (b)

Afin d’identifier précisément le type de fonctions hydroxyles ayant réagi à l’intérieur

de la lignine, une caractérisation supplémentaire, par spectroscopie RMN du 31P, a été

effectuée. Cette technique, très utilisée pour caractériser les lignines (Argyropoulos, 1994 ;

Granata & Argyropoulos, 1995), consiste à dérivatiser l’échantillon à l’aide d’un agent de

phosphorylation, ici le 2-chloro-4,4,5,5-tétraméthyl-1,3,2-dioxophospholane (Figure II-22),

puis à l’analyser par RMN du 31P. Le cholestérol a été utilisé comme référence interne. La

Figure II-23 représente les spectres RMN du 31P de la lignine avant et après estérification par

AV. Les différents signaux, directement attribués sur le spectre, sont caractéristiques des

différents groupements hydroxyles rencontrés dans la lignine.

Figure II-22 Dérivatisation de la lignine par le 2-chloro-4,4,5,5-tétraméhyl-1,3,2-

dioxophospholane

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600

Nombre d’onde (cm-1)

Abs

orba

nce

νC-H

νC=O

1373

νC-O

γC-H

(a)

(b)

νC=C

2940 1745

1670

1307-1175

900

δC-H

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Chapitre II

66

Figure II-23 Spectres RMN du 31P de la lignine phosphorylée, avant acétylation (a) et

après modification par l’acétate de vinyle (b).

Après réaction avec AV, on observe une forte diminution de l’intensité de tous les pics

des hydroxyles de la lignine, indiquant que ces groupements ont été substitués par des

groupements acétyles. Pratiquement tous les OH phénoliques ont été substitués (à l’exception

de quelques OH p-hydroxyphénoliques), mais pas tous les OH aliphatiques. Les OH des

acides carboxyliques ont également été peu modifiés. La présence de K2CO3 favorise

probablement la réaction au niveau des sites phénoliques, en les déprotonant. Il est également

possible que les OH aliphatiques soient moins accessibles. Ces résultats sont en accord avec

ceux concernant l’acétylation à partir de l’anhydride acétique, pour lequel l’ordre de réactivité

est : OH phénolique >> OH de la chaîne latérale γ > OH de la chaîne latérale α (Mansson,

1983 ; Klashorst et al., 1983).

Ces résultats confirment donc que l’acétate de vinyle réagit également avec la lignine

pour former des esters.

δ(ppm) 133 135 137 139 141 143 145 147 149 151

OH aliphatiques

Référence interne (Cholestérol)

Acides carboxyliques

Unités phénoliques condensées

Unités phénoliques de type syringyle

Unités phénoliques de type guaiacyle

p-hy

drox

yphé

nols

(a)

(b) é

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Chapitre II

67

III. Conclusion

L’efficacité de la méthode d’estérification du bois par l’acétate de vinyle a été

confirmée au cours de cette étude. Les modifications chimiques à l’intérieur du bois ont été

confirmées par le calcul du gain de masse après réaction et par les spectroscopies IRTF et

RMN CP-MAS en phase solide. Le carbonate de potassium (K2CO3) a été choisi comme

catalyseur doux. Les conditions optimales déterminées pour la modification de la sciure ont

engendré un gain de masse significatif de l’ordre de 25 %.

La réaction a ensuite été appliquée à la modification du bois massif. Des temps de

réactions plus longs et une légère augmentation de la température se sont avérés nécessaires

pour obtenir des gains de masse similaires à ceux obtenus lors de la modification de la sciure.

Une étude comparative de la distribution du greffage à l’intérieur des plaquettes modifiées à

partir de l’acétate de vinyle et de l’anhydride acétique a également été réalisée. Celle-ci a mis

en évidence l’inhomogénéité du greffage au sein des plaquettes traitées avec ces deux réactifs,

un greffage plus important en surface étant obtenu lorsque le carbonate de potassium est

utilisé comme catalyseur. L’analyse de la phase liquide issue de la réaction d’estérification du

bois par l’acétate de vinyle et l’anhydride acétique a montré que des esters de biopolymères se

solubilisaient dans le milieu réactionnel au cours de la réaction. Différents esters ont été

identifiés dans le milieu, en fonction du traitement : la réaction à partir de l’acétate de vinyle a

conduit à une solubilisation partielle des polysaccharides et de la lignine dans des proportions

voisines de celles rencontrées à l’intérieur du bois ; l’anhydride acétique a surtout conduit à

une solubilisation de la lignine. Ce résultat semble suggérer que l’acétate de vinyle est plus

réactif vis-à-vis de la cellulose à l’intérieur du bois. Les expériences réalisées à partir de

cellulose et de lignine ont confirmé que l’acétate de vinyle réagissait avec les deux types de

biopolymères.

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69

CHAPITRE III

Propriétés du bois acétylé par l’acétate de vinyle et

comparaison avec l’acétylation à partir de

l’anhydride acétique

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Chapitre III

71

Il est bien connu que l’acétylation du bois permet d’améliorer certaines de ses propriétés

comme la stabilité dimensionnelle, la résistance biologique, ou de modifier ses propriétés

viscoélastiques. Ces propriétés ont donc été évaluées dans le cas du bois acétylé par l’acétate

de vinyle, et comparées à celles du bois acétylé par l’anhydride acétique. L’étude des

propriétés viscoélastiques a été réalisée en collaboration avec le Forest Products Center de

l’Université de Tennessee, au cours d’un stage de trois mois.

I. Propriétés viscoélastiques

Comme nous l’avons déjà mentionné dans la première partie de ce mémoire, la

modification chimique du bois peut engendrer une plastification de ce dernier (Shiraishi et al.,

1979 ; Shiraishi & Yoshioka, 1986 ; Nakano, 1994). Cette propriété se manifeste alors par une

diminution des températures de transition vitreuse des constituants du bois, qui fluent sous

l’action de la température. Ce phénomène devrait avoir un impact non négligeable sur les

propriétés du bois lors de ses applications. À cause de leur nature amorphe, les hémicelluloses

et la lignine sont généralement les principaux constituants impliqués dans ce processus. Au

cours de ce travail, nous avons cherché à évaluer le comportement viscoélastique du bois

acétylé par l’acétate de vinyle (AV) et par l’anhydride acétique (AA), au moyen de la

l’analyse dynamique mécanique (DMA).

Cette étude consiste à solliciter l’échantillon par une contrainte périodique (0,1 %) à

différentes fréquences (1, 2, 4, 10 et 20 Hz) dans une plage de température s’étendant de -150

à 200°C, avec une montée en température de 3°C.min-1. Des plaquettes de pin maritime de

dimensions 30 x 10 x 2 mm3 (T x R x L) ont été utilisées pour ces tests. Les propriétés

viscoélastiques des échantillons (E’, E", tan δ) ont alors été mesurées pour chaque fréquence.

Pour chaque traitement, les courbes présentées sont représentatives des résultats obtenus pour

un minimum de trois éprouvettes.

I.1 Bois acétylé par AV

La Figure III-1 décrit l’évolution du module de perte du bois (Log E") en fonction de

la température, avant et après modification par AV, pour une fréquence de sollicitation de 1

Hz.

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Chapitre III

72

Figure III-1 Évolution du module de perte du bois en fonction de la température, avant et

après estérification du bois par AV (fréquence de sollicitation = 1 Hz)

Le module de perte du bois non modifié présente trois transitions α, δ et γ, attribuées

respectivement aux mouvements micro-browniens des polymères lignocellulosiques dans les

régions non cristallines, aux mouvements rotatoires de l’eau résiduelle adsorbée par le bois et

aux mouvements des groupements CH2OH présents dans le bois (Cf. Chapitre I-III-3-1).

Après l’acétylation par AV, une amplification de la transition α est observée, indiquant que la

mobilité des polymères lignocellulosiques à l’intérieur du bois a augmentée. En effet, la

substitution des groupements hydroxyles par des groupements acétyles induit une

augmentation de la distance entre les polymères lignocellulosiques, ce qui favorise les

mouvements de ces derniers. L’acétylation entraîne également l’apparition d’une nouvelle

transition notée β et attribuée aux mouvements micro-browniens de la cellulose acétylée dans

la région amorphe (Morooka, 1983; Nakano & Nakamura, 1986 ; Sugiyama et al., 1998).

Après le greffage, on observe également un déplacement de la transition γ vers les basses

températures et une légère augmentation de son intensité. Ce résultat a été attribué aux

mouvements des groupements acétyles introduits, qui se superposent à ceux des CH2OH non

acétylés (Obataya et al., 2001). L’acétylation de ces derniers entraîne une diminution de leur

contribution lorsque le WPG augmente (Sugiyama et al., 1998).

-200 -100 0 100 200 300

T(°C)

Log

E"

Bois non modifié

9,3 % WPG

19,6 % WPG

δ

α

γ

β

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Chapitre III

73

L’impact de l’acétylation par AV sur le module de conservation du bois (E’) a été

également étudié, en fonction de la température, pour une fréquence de sollicitation de 1Hz

(Figure III-2).

Figure III-2 Évolution du module de stockage du bois en fonction de la température, avant et

après estérification du bois par AV (fréquence de sollicitation = 1 Hz)

Le module de stockage du bois non modifié diminue avec l’augmentation de la

température à cause du ramollissement du matériau. On distingue ainsi trois domaines de

température : le premier domaine, localisé entre -130 et 70°C, est associée à la relaxation des

groupements CH2OH (transition γ) ; le second domaine, localisé entre -100 et 40°C, est

attribué aux mouvements rotatoires de l’eau résiduelle adsorbée par le bois (transition δ) ; le

troisième domaine localisé entre 120 et 200°C, est du aux mouvements micro-browniens des

polymères lignocellulosiques (Cf. Chapitre I- B-III).

Après acétylation par AV, une chute très importante du module de stockage est

observée lorsque le WPG est d’environ 9 %, signe d’une plastification du bois. Du point de

vue rhéologique, l’introduction des groupements acétyles provoque une réduction des forces

cohésives entre les polymères et donc une augmentation du volume libre à l’intérieur du bois,

ce qui favorise les mouvements des chaînes. En revanche, le bois fortement modifié (WPG =

19,6 %) conduit à une augmentation de E’ dans le domaine de température [-90°C ; 145°C],

c’est à dire à une rigidification du bois. La cristallisation de certains triacétates de cellulose à

l’intérieur du bois pourrait être à l’origine de ce phénomène (Shiraishi, 1991) : la

0

5

10

15

20

25

30

35

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250

T(°C)

E'(G

Pa)

Bois non modifié

9,3 % WPG

19,6 % WPG

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Chapitre III

74

rigidification induite par cette cristallisation l’emporterait alors sur la plastification, entre -93

et 145 °C. Au-delà de 145°C, le fluage de tous les biopolymères serait favorisé (y compris

celui des acétates de cellulose), ce qui conduirait à la forte baisse du module E’ observée.

Cette hypothèse implique que la cellulose soit fortement modifiée lorsque le taux de greffage

est important, ce qui est en accord avec les résultats du chapitre II.B-3.

I.2 Bois acétylé par AA (sans catalyseur)

L’évolution du module de perte du bois (Log E") en fonction de la température, avant

et après modification par AA, est présentée à la Figure III-3 (fréquence de sollicitation de 1

Hz).

Figure III-3 Évolution du module de perte du bois en fonction de la température, avant et

après estérification du bois par AA (fréquence de sollicitation = 1 Hz).

Après acétylation par AA, on retrouve les mêmes transitions observées lors de

l’analyse des échantillons modifiés avec AV, avec des différences importantes au niveau de

l’intensité de la transition β. En effet, cette dernière est beaucoup moins intense lorsque

l’acétylation est effectuée à partir de AA, quel que soit le WPG considéré. La transition β

étant associée aux mouvements micro-browniens de la cellulose acétylée dans la région

amorphe, ce résultat sembler confirmer que la cellulose est moins acétylée dans ce cas. La

courbe d’évolution du module de stockage E’ (Figure III-4) semble corroborer ce résultat

puisque la rigidification observée avec AA, lorsque le WPG augmente, est beaucoup moins

-200 -100 0 100 200 300

T(°C)

ln

E"

Bois non modifié

17,5 % WPG

8,1 %WPG

α

δ

γ

β

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Chapitre III

75

importante qu’avec AV (Cf. Figure III-2). Ce résultat est encore une fois en accord avec les

résultats du chapitre II.B-3, et tant à confirmer que l’acétate de vinyle est plus réactif que

l’anhydride acétique vis-à-vis de la cellulose.

Figure III-4 Évolution du module de stockage du bois en fonction de la température, avant et

après estérification du bois par AA (fréquence de sollicitation = 1 Hz)

II. Stabilité dimensionnelle

Pour ces expériences, des plaquettes de pin maritime extraites de dimension 20 x 20 x

2 mm3 (radial x tangentiel x longitudinale) ont été utilisées.

II.1 Variations dimensionnelles en présence d’eau

Les variations dimensionnelles en présence d’eau, des plaquettes traitées à partir de

AV ou AA (sans catalyseur), ont été évaluées au cours de trois cycles immersion/séchage.

Chaque cycle est constitué d’une période d’immersion dans l’eau de quatre jours, suivie d’une

nuit de séchage. Le gonflement radial (SR) et tangentiel (ST) des plaquettes de bois, traitées et

non traitées, a alors été évalué à l’état sec ou bien humide, par rapport au bois sec avant

réaction (%). Le WPG, a également été recalculé après chaque période de séchage et toujours

par rapport au bois sec avant réaction. Trois plaquettes ont été mesurées et moyennisées pour

chaque traitement.

0

5

10

15

20

25

30

35

-200 -100 0 100 200 300

T (°C)

E'

(GP

a)

Bois non modifié

17,5 % WPG

8,1 % WPG

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Chapitre III

76

Afin de simplifier la discussion, chaque étape d’un cycle a été indexée par l’état des

plaquettes, sec (« Sec ») ou humide (« Hum »), et le nombre de jours passés au contact de

l’eau (0, 4, 8 ou 12). Ainsi, Sec/0 correspond à l’état sec après traitement, Hum/4 à l’état

humide après quatre jours dans l’eau, Sec/4 à l’état sec après quatre jours dans l’eau, etc …

II.1.1 Bois acétylé par AV

L’évolution au cours des cycles, des gonflements et WPG des plaquettes non traitées

(contrôle) et acétylées avec AV, est présentée dans la Figure III-5. Différents gains de masse

ont été étudiés : 5,8 %, 13,4 % et 21,4 %.

À l’état sec, l’acétylation par AV se traduit par un gonflement radial et tangentiel

d’autant plus important que le WPG est grand. Ce gonflement, induit par le greffage, reste

stable tout au long des cycles d’immersion/séchage, indiquant que les groupements acétyles

greffés ne sont pas sensibles à l’hydrolyse dans les conditions de l’expérience (pH neutre et

température ambiante). La perte de masse mesurée après le 1er cycle, quel que soit le WPG

(Figure III-5-C), est peut-être due à la présence de K2CO3 résiduel dans les échantillons,

lequel se solubiliserait lors de la première immersion dans l’eau.

À l’état humide, le gonflement engendré par l’eau est d’autant plus faible que le WPG

est important, les zones hydrophiles capables de former des liaisons hydrogènes avec l’eau

étant de moins en moins nombreuses. L’acétylation à partir de AV engendre donc une

stabilisation dimensionnelle du bois vis-à-vis de l’eau, qui augmente avec le WPG. Aux

faibles WPG (∼7 %), cette stabilisation reste cependant très faible, ce qui s’explique par le

faible taux de greffage mesuré au coeur des plaquettes dans ce cas (Cf. Chapitre II-B-2b). On

constate également que, lorsque le greffage est important, l’échantillon tend à être moins

gonflé que le contrôle une fois humide (par rapport au bois sec avant réaction), probablement

parce qu’il est plus hydrophobe (certaines zones ne sont probablement plus accessibles à

l’eau).

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Chapitre III

77

Figure III-5 Évolution au cours des cycles : (A) du gonflement tangentiel, ST ; (B) du

gonflement radial, SR ; (C) du WPG des plaquettes avant (contrôle) et après estérification par

AV

(A)

(B)

(C)

-202468

1012141618202224

WP

G (

%)

Sec/0 Sec/4 Sec/8 Sec/12

Cycles

Contrôle

5,8 % WPG

13,4 % WPG

21,4 % WPG

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Sec

/0

Hum

/4

Sec

/4

Hum

/8

Sec

/8

Hum

/12

Sec

/12

SR

(%

)

0

2

4

6

8

10

12

Sec

/0

Hum

/4

Sec

/4

Hum

/8

Sec

/8

Hum

/12

Sec

/12

ST

(%

)

Contrôle

5,8 % WPG

13,4 % WPG

21,4 % WPG

Contrôle

5,8 % WPG

13,4 % WPG

21,4 % WPG

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Chapitre III

78

II.1.2 Bois acétylé par AA (sans catalyseur)

Les mêmes phénomènes sont observés lorsque les plaquettes de bois sont modifiées

par AA (Figure III-6). Mais dans ce cas, la stabilisation dimensionnelle apportée par le

greffage est plus importante aux faibles taux de modification (lorsque WPG ∼ 6-8 %). Ce

résultat est en accord avec le taux de greffage plus important mesuré au cœur des échantillons

dans ce cas (Cf. Chapitre II-B-2b). À noter qu’une perte de masse est également mesurée

après le 1er cycle (quel que soit le WPG) lorsque le bois est acétylé par AA, mais elle est plus

faible que dans le cas de l’acétylation avec AV (Figure III-6-C). Le K2CO3 n’ayant pas été

utilisé, la perte de masse pourrait être due cette fois à la solubilisation d’acide acétique

résiduel lors de la première immersion dans l’eau.

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Chapitre III

79

Figure III-6 Évolution au cours des cycles : (A) du gonflement tangentiel, ST ; (B) du

gonflement radial, SR ; (C) du gain de masse, WPG, des plaquettes avant (contrôle) et après

estérification par AA

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

WP

G (

%)

Sec/0 Sec/4 Sec/8 Sec/12Cycles

Contrôle

7,7 % WPG

13,1 % WPG

16,5 % WPG

0

2

4

6

8

10

12

Sec

/0

Hum

/4

Sec

/4

Hum

/8

Sec

/8

Hum

/12

Sec

/12

ST

(%

)

16,5 % WPG

Contrôle

7,7 % WPG

13,1 % WPG

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Sec

/0

Hum

/4

Sec

/4

Hum

/8

Sec

/8

Hum

/12

Sec

/12

SR

(%

)

Contrôle

7,7 % WPG

13,1 % WPG

16,5 % WPG

(A)

(B)

(C)

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Chapitre III

80

II.2 Calcul du coefficient de stabilisation dimensionnelle

L’efficacité des traitements du bois, en ce qui concerne la stabilisation dimensionnelle,

est généralement évaluée par le calcul du coefficient de stabilisation dimensionnelle, ASE

(Anti-Swelling-Efficiency). Dans ce calcul, le gonflement à l’eau du bois non modifié est

comparé à celui du bois traité. Les ASE obtenus après les trois cycles d’immersion/séchage

pour les échantillons acétylés par AA et AV sont reportés dans le Tableau III-1.

Tableau III-1 Gains de masses (WPG) et ASE des éprouvettes acétylées par

AV et AA

Réactif AV AA

Temps de réaction (h) 3 12 72 3 6 24

WPG (%) 5,8 13,4 21,4 7,7 13,1 16,5

ASE1 (1er cycle) 18,0 45,9 66,1 41,7 50,2 63,3

ASE2 (2ème cycle) 13,9 41,2 63,7 40,7 48,2 61,5

ASE3 (3ème cycle) 10,4 43,4 62,5 38,6 50,9 61,7

On retrouve la plupart des tendances discutées au paragraphe précédent, à partir des

Figures III-5 et III-6. La diminution de l’ASE observée avec AV après le 2ème et 3ème cycle

(WPG = 5,8 %) n’est pas due au traitement, mais à une modification du gonflement du

contrôle au cours des cycles. Les Figures III-5 et III-6 permettent donc d’avoir une idée plus

précise des phénomènes mis en jeu lors des études de gonflement. À noter également, que les

temps de réactions sont généralement plus longs dans le cas de la réaction avec AV, ce qui

pourrait avoir un impact sur l’ASE, en favorisant notamment la dégradation de la matière

lignocellulosique (cela pourrait expliquer pourquoi on obtient un ASE plus faible avec AV

lorsque WPG ∼ 13 %).

III. Résistance aux attaques fongiques

Pour évaluer l’effet d’un traitement chimique sur le développement des champignons,

il suffit de réaliser des essais biologiques en boîte de Pétri. Ces tests consistent à répartir

symétriquement trois éprouvettes de bois modifié et trois éprouvettes de bois non modifié

(témoin) dans une boîte de Pétri et de l’inoculer avec un champignon. L’efficacité du

traitement est alors évaluée par le calcul de la perte de masse engendrée après 9 semaines

d’incubation.

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Chapitre III

81

La souche fongique utilisée dans cette étude est une pourriture brune (Poria placenta )

qui attaque essentiellement la cellulose et les hémicelluloses. Ces tests ont été effectués sur les

plaquettes ayant déjà subies les tests de stabilité dimensionnelle, c’est-à-dire après les trois

cycles d’immersion dans l’eau + séchage (trois plaquettes ont été testées et moyennisées pour

chaque traitement). Les résultats obtenus sont présentés sur la Figure III-7. L’acétylation à

partir de AV ou AA offre une bonne protection contre Poria placenta, à partir du moment où

le taux de greffage est suffisant (WPG > 20 % dans le cas de la réaction avec AV et > 16 %

dans le cas de la réaction avec AA). La perte de masse des échantillons fortement acétylés est

en effet quasiment nulle après 9 semaines d’incubation. En revanche, les plaquettes

faiblement acétylées par AV (WPG = 5,8 %) ont été fortement dégradées par le champignon.

Ce résultat peut aisément s'expliquer par le faible taux de greffage mesuré à cœur pour ce type

d’échantillons (paragraphe B-2-b, chapitre II). D’ailleurs, le WPG des éprouvettes, recalculé à

partir de la masse sèche mesurée après le 3ème cycle d’immersion/séchage, est d’environ 2,6

%. L’hydrolyse des groupements acétyles étant peu probable (Cf. Chapitre II B-1-a), le taux

de greffage de 5,8 % semble donc largement surestimé dans ce cas. Cela pourrait s'expliquer

par la présence de K2CO3 résiduel à l’intérieur des échantillons, comme cela été suggéré au

chapitre précédent.

Figure III-7 Perte de masse des plaquettes acétylées et non modifiées (contrôle) après 9

semaines d’incubation avec Poria placenta

Par manque de temps, nous n’avons pas pu réaliser les expériences à partir des

champignons destructeurs de lignine.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Per

te d

e m

asse

(%

)

Contrôles Bois acétylé par AV

Bois acétylé par AA

5,8 % WPG

Éprouvettes après exposition au Poria placenta

13,4 % WPG 21,4 % WPG

7,7 % WPG 13,1 % WPG 16,5 % WPG

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83

CHAPITRE IV

Extension de la réaction à d’autres esters de vinyle

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Chapitre IV

85

Dans les chapitres précédents, nous avons montré qu’il était possible de greffer des

groupements acétyles dans le bois, par transestérification à partir de l’acétate de vinyle, et que

ce greffage avait un impact sur certaines propriétés du bois. Dans ce chapitre, la réaction a été

appliquée à d’autres esters de vinyle commerciaux, saturés ou insaturés. Les réactions ont été

réalisées sur de la sciure de pin maritime, à partir des conditions optimisées au Chapitre II, i.e.

dans le DMF, pendant 3 h à 90 °C et en présence de 1,1 mmol K2CO3/g de bois sec (Figure

IV-1). Au cours de cette étude de faisabilité, les réactions ont été réalisées une seule fois.

Figure IV-1 Schéma de la réaction de transestérification entre le bois et différents esters de

vinyle : R = propyle ; butyle ; pivalyle ; décanoyle ; stéaryle; cinnamyle ; crotonyle ;

méthacryle ; benzoyle ; 4-tert-butylbenzoyle

I. Gain de masse après réaction (WPG)

Les gains de masse obtenus après réaction avec les différents esters de vinyle sont

rassemblés dans le Tableau IV-1. Le nombre de fonction hydroxyles substitués après

estérification est également reporté. Il a été estimé à partir du WPG et de la masse molaire des

greffons, en admettant que la réaction entre l’ester de vinyle et les hydroxyles du bois est

équimolaire.

Dans tous les cas, des gains de masse relativement importants ont été obtenus après

réaction et élimination des produits non liés par extraction, indiquant qu’une quantité non

négligeable de produit organique a bien été fixée à l’intérieur du bois. Toutefois, des

différences au niveau du taux de greffage ont été notées, en fonction des esters de vinyle

utilisés. En effet, on constate que le nombre de groupements hydroxyles substitués est moins

important lorsque le réactif est très encombrant (B-Piv, B-Déc, B-Sté, B-Cin, B-tBen). Ce

résultat peut s’expliquer par des différences au niveau de la cinétique de diffusion des

différents réactifs, qui est probablement plus difficile lorsque la masse molaire du réactif est

importante et lorsqu’il est très ramifié (cas de B-Piv). Des études réalisées à partir de

B o i s O H + R O

O

B o i s O + R

O

H O

O

90 °C

DMF/K2CO3 Ester de vinyle

Acétaldéhyde

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Chapitre IV

86

l’anhydride acétique ont en effet montré que la cinétique de réaction entre le bois et le réactif

était contrôlée par l’aptitude de ce dernier à diffuser à l’intérieur des parois cellulaires (Hill et

al., 1998 ; Minato, 2004; Minato & Ito, 2004). Néanmoins, la nature du groupement R de

l’ester de vinyle peut également avoir une influence sur la réactivité de ce dernier vis-à-vis du

bois.

Tableau IV-1 Gain de masse (WPG), taux de fonctions hydroxyles substitués et nomenclature

des échantillons après estérification du bois par différents esters de vinyle

Esters de vinyle

CH2 CH O CO R

R Nomenclature WPG

(%)

OH substitués

(mmol/g)

Propionate de vinyle CH2 CH3 B-Pr 23,6 4,2

Butyrate de vinyle CH2 CH2 CH3 B-Bu 30,0 4,3

Pivalate de vinyle CCH3

CH3

CH3

B-Piv 15,2 1,8

Décanoate de vinyle CH2 CH2 CH37 B-Déc 49,6 3,2

Stéarate de vinyle CH2 CH2 CH315 B-Sté 52,2 2,0

Crotonate de vinyle C

H

C CH3H

B-Cr 16,8 2,5

Méthacrylate de vinyle C CH2CH3

B-Mét 24,8 3,6

Benzoate de vinyle

B-Ben 46,5 4,5

Cinnamate de vinyle C

H

CH

B-Cin 46,3 3,6

4-tert-butylbenzoate de

vinyle CCH3

CH3

CH3

B-tBen 31,8 2,0

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Chapitre IV

87

II. Spectroscopie infrarouge (IRTF)

Les sciures modifiées ont d’abord été caractérisées par spectroscopie infrarouge

(IRTF). Les vibrations infrarouges caractéristiques des groupements greffés ont été

directement identifiées sur les spectres, par des numéros (Figure IV-2). Les attributions ont

été effectuées en s’appuyant sur les données de la littérature (Silverstein et al., 1991) et en

comparant les différents spectres (Tableau IV-2).

Le greffage à l’intérieur du bois a été confirmé dans tous les cas par la vibration

d’élongation du carbonyle de forte intensité, entre 1720 et 1750 cm-1. Cette bande est

déplacée vers les courts nombres d’onde dans le cas des esters insaturés, du fait de la

conjugaison avec le groupe vinylène (B-Cro et B-Mét et B-Cin) ou avec le noyau aromatique

(B-Ben et B-tBen). Dans ces spectres, les vibrations d’élongation C=C sont identifiées dans la

région entre 1600 et 1650 cm-1 et vers 1450 cm-1. La vibration est particulièrement intense sur

le spectre du bois traité avec le cinnamate de vinyle à cause de la conjugaison de la double

liaison avec le noyau aromatique (Silverstein et al., 1991).

En ce qui concerne les vibrations d’élongation des groupes méthylène, leur intensité

augmente logiquement avec le nombre de –CH2- présents dans la chaîne greffée. Elles sont

particulièrement intenses dans le cas du décanoate et du stéarate, ce qui nous a permis

d’identifier avec précision les vibrations symétriques et asymétriques. Les élongations des

CH3 ont été attribuées grâce aux spectres de B-Piv et –B-tBen, et celles des =C-H sont

particulièrement visibles sur les spectres de B-Ben, B-Cin et B-tBen. La bande vers 1460 cm-1

est observée uniquement dans les spectres des esters contenant des groupes méthyle et

méthylène ; elle a été attribuée à la fois aux balancements (δas) des CH3 et cisaillements (δs)

des CH2. Les cisaillements des CH3 (vers 1360 cm-1) n’ont été identifiés que dans les spectres

des esters à chaîne courte (B-Pr et B-Bu). Cette bande émerge vers 1375 cm-1 dans le spectre

du bois acétylé (Cf. Chapitre II-A.1b). Tous les spectres des esters insaturés possèdent une

bande vers 1315 cm-1, qui a été associée aux déformations dans le plan des =C-H. Pour les

déformations hors plan (γ [=C-H]), différentes fréquences ont été identifiées entre 700 et 1000

cm-1, en fonction de la substitution du groupe aryle (mono substitué ou para disubstitué) et/ou

de la configuration des substituants autour de la liaison C=C (géminal ou trans).

La formation des liaisons esters se manifeste également par l’apparition des vibrations

d’élongation de la liaison C-O, qui consistent généralement en deux vibrations asymétriques

couplées : C(=O)-O vers 1150-1300 cm-1 et (C=O)O-C vers 1000-1150 cm-1 (Silverstein et

al., 1991). La première étant de plus forte intensité, c’est la seule qui a été identifiée sur la

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Chapitre IV

88

plupart des spectres : vers 1270 cm-1 pour les esters des acides aromatiques et vers 1160 cm-1

pour autres. La vibration observée vers 1110 cm-1 dans le cas de B-Ben et B-cin, a été

attribuée à la seconde élongation de la liaison C-O (bandes 55 et 81).

Enfin, les bandes observées vers 720 cm-1 sur le spectre des esters à longues chaînes

(B-Déc et B-Sté) ont été attribuées aux balancements des groupes méthylènes (δas [CH2]). Les

vibrations n’ayant pas été attribuées à ce stade de l'étude sont reportées dans le tableau IV-2.

Certaines d'entre elles pourraient être associées à la torsion du cycle aromatique (bandes 67,

83 et 84).

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Chapitre IV

89

B-Pr 1: 2980; 2: 2945; 3: 2887; 4: 1749; 5: 1463; 6: 1360; 7: 1174; 8: 805. B-Bu 9: 2967; 10: 2940; 11: 2879; 12: 1748; 13: 1463; 14: 1375; 15: 1172; 16: 750. B-Piv 17: 2972; 18: 2879; 19: 1739; 20: 1479; 21: 1160; 22:767. B-Déc 23: 2927; 24: 2856; 25: 1748; 26: 1463; 27: 1162; 28: 720. B-Sté 29: 2925; 30: 2853; 31: 1747; 32:1463; 33: 1163; 34: 720. B-Cro 35: 1726; 36: 1654; 37: 1444; 38: 1314; 39: 1168; 40: 970; 41: 836. B-Met 42: 1727; 43: 1636; 44: 1457; 45: 1314; 46: 1161; 47: 944; 48: 810. B-Ben 49: 3066; 50: 1726; 51: 1601; 52: 1455; 53: 1315; 54: 1272; 55: 1108; 56: 708. B-Cin 57: 3046; 58: 1718; 59: 1634; 60 : 1452; 61: 1321; 62: 1266; 63: 1201; 64: 1160; 65: 980; 66: 860; 67: 765; 68: 706; 69: 681; 70: 481. B-tBen 71: 3068; 72: 2962; 73: 2873; 74: 1727; 75: 1610; 76: 1463; 77: 1314; 78: 1312; 79: 1273; 80: 1189; 81: 1113; 82: 853; 83: 772; 84: 705; 85: 548.

Figure IV-2 Spectres d’absorbance IRTF du bois, avant (B) et après modification par

différents esters de vinyle

4000 3200 2400 1800 1400 1000 600 Nombre d’ondes (cm-1)

B

B-Pr

7

1 2 4

8 3 5 6 B-Bu

9 10 12 14

16 11

13 15 B-Piv

17 19 22 18

20 21

B-Dec 25 28

24 26 23 27

B-Ste

29

31

33

34

30 32

54

49 52

51 50

56 53 55

B-Ben

B-Cin 57

61

60 59

58 65 62

66 67

69

63

70 68

46

43 42 48

45 47 44

B-Met 39

B-Cr

38

35 41

37 36 40

Abs

orba

nce

64

81

B-tBen

72 77 75

79

80 74 84 82 83

71 85 73

76

78

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Chapitre IV

90

Tableau IV-2 Attribution des bandes de vibration infrarouge associées aux motifs greffés par

estérification à partir des différents esters de vinyle

Bandes de vibration Domaine

d’absorption (cm-1) Attributions

49, 57, 71 3068-3046 ν (=C-H)

1, 9, 17, 72 2980-2962 νas (CH3)

2, 10, 23, 29 2945-2925 νas (CH2)

3, 11, 18, 73 2887-2873 νs (CH3)

24, 30 2853-2856 νs (CH2)

4, 12, 19, 25, 31, 35, 42, 50, 58, 74 1749-1718 ν (C=O)

36, 43, 51, 52, 59, 60, 75, 77 1654-1414 ν (C=C)

5, 13, 20, 26, 32, 37, 44, 76 1479-1452 δas (CH3) et δs (CH2)

6, 14 1375-1360 δs (CH3)

38, 45, 53, 61, 78 1312-1321 δ (=CH)

7, 15, 21, 27, 33, 39, 46, 54, 55, 64, 79, 81 1272-1108 ν (C-O)

40, 47, 56, 65, 68, 69, 82 706-970 γ (=C-H)

28, 34 720 δas (CH2)

8, 16, 22, 41, 48, 62, 63, 66, 67, 70, 80, 83, 84, 85

- Signaux non

attribués

ν : Vibration d’élongation ; δ: déformation angulaire dans le plan ; γ : déformation angulaire hors du plan ; as : asymétrique ; s : symétrique.

III. RMN CP-MAS du 13C

Les différents groupements acyles greffés apparaissent également nettement sur les

spectres RMN CP-MAS du 13C de la Figure IV-3. Les signaux ont été attribués directement

sur les spectres, à partir des données issues de la caractérisation des esters de vinyle en RMN

liquide, et en accord avec la nomenclature donnée à gauche de chaque spectre (les carbones

sont représentés par des lettres).

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Chapitre IV

91

Figure IV-3 Spectres RMN CP-MAS 13C du bois, avant (B) et après modification par

différents esters de vinyle

δ(ppm)

20 40 60 80 100 120 140 160 180 0

a b c

a b p

d-o

c q r

a b c d

a b

c d

B-Bu

a b c B-Pr

B-Piv

a b

h d-g

c i

j B-Déc

B-Sté

B-Cro

a b c

d B-Mét

a

b-e

B-Ben

a c d

b

e-g

B-Cin

B

B O

O

ab

c

B O

O

ab

cd

B O

O

a b c

B O

O

a

d-g

j

4 i

h

b

c

B O

O

a

d-o

r

12 q

p

b

c

B O

O

ab

cd

O

B O ab c

d

O

B O ab

cd

e

a e

b-d f

g

B-tBen

O

B O ab

cd

ef g

O

B O ab

c de

f

g

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Chapitre IV

92

Après estérification, tous les carbones des motifs greffés ont été identifiés sur les

différents spectres, confirmant le succès de la réaction. À noter que les carbonyles des esters

insaturés sont légèrement blindés par rapport à ceux des esters insaturés, en raison de la

conjugaison. Le faible signal observé vers 23-42 ppm sur la plupart des spectres a été attribué

au carbone de méthyle des acétyles naturellement présents dans les hémicelluloses (Gilardi et

al., 1995; Kim et al., 1995). Le carbonyle de ces acétyles est d’ailleurs observé dans le spectre

du bois traité par le crotonate de vinyle, vers 175 ppm, sous la forme d’un épaulement (il est

déblindé par rapport au carbonyle conjugué du crotonate). Une diminution de l’intensité du

signal situé à 65 ppm a été observée sur la majorité des spectres, indiquant que la cellulose

et/ou des hémicelluloses ont été modifiées dans une certaine mesure. Cette diminution semble

plus importante dans le cas des esters de vinyle de plus faible masse moléculaire (cas de B-

Pro et B-But).

IV. Conclusion

Des groupes acyles de taille et de fonctionnalités variées ont ainsi pu être greffés à

l’intérieur du bois, grâce à la réaction de transestérification entre différents esters de vinyle et

les groupes hydroxyles des polymères lignocellulosiques. Des rendements acceptables ont été

obtenus dans tous les cas et dans des conditions relativement douces. Des taux de greffage

différents ont été obtenus en fonction de la taille du réactif, la substitution des groupements

hydroxyles étant plus difficile dans le cas des esters de vinyle de forte masse molaire ou bien

très ramifiés. Cependant, même dans ce cas, les rendements se sont avérés très satisfaisants.

Tous les greffages ont été confirmés grâce aux spectroscopies infrarouge (IRTF) et

RMN du 13C en phase solide (CP-MAS du 13C).

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93

CHAPITRE V

Étude de la photostabilité du bois estérifié à partir des

esters de vinyle aromatiques

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Chapitre V

95

Comme cela a été signalé au chapitre I, le bois, en tant matériau lignocellulosique,

peut subir une photodégradation et photo-oxydation au contact des rayons UV, ce qui altère sa

surface. Le greffage chimique à la surface du bois, de fonctions qui absorbent dans l’UV,

pourrait donc permettre d’améliorer sa photostabilité.

Au cours de ce chapitre, des placages de cèdre jaune ont été fonctionnalisés à partir de

trois esters de vinyle aromatiques et l’impact de ces greffages sur la photostabilité du matériau

a été étudié. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Centre for Advanced Wood

Processing de l’Université de British Columbia (Canada).

I. Estérification des éprouvettes et résistance en traction

Les réactions ont été réalisées sur des plaquages de cèdre jaune de 85 µm d’épaisseur.

Ces placages ont été microtomés à partir de la face radiale d’un lot de cinq blocs saturés d’eau

distillée (Evans & Shmalzl, 1989). Le cèdre jaune a été choisi pour cette étude parce qu'il est

facile à microtomer et il est très employé comme bois d’oeuvres (bardage, fenêtres, portes

extérieures, bateaux, etc). Les placages ont été traités par le benzoate de vinyle, le cinnamate

de vinyle et le 4-tert-butylbenzoate de vinyle, selon la procédure optimisée au Chapitre II

(réaction dans le DMF, pendant 3 h à 90°C et en présence de 1,1 mmol K2CO3/g de bois sec)

(Figure IV-1).

Figure V-1 Estérification du bois par le benzoate de vinyle, le cinnamate de vinyle et le 4-

tert-butylbenzoate de vinyle

50 placages provenant de 5 blocs de bois différents ont été utilisés pour chaque

traitement envisagé (10 réplicats par bloc ; cf. Partie expérimentale). Différents gains de

masse (WPG) ont été obtenus en variant la concentration en ester de vinyle dans la solution

réactive (Tableau V-1). Les gains de masse reportés dans le tableau V-1 correspondent à la

moyenne des 50 échantillons modifiés. Ces gains de masse ont ensuite été convertis en taux

de OH substitués (en mmol/g de bois sec), à partir des masses molaires des greffons (Tableau

Bois OH + R O

O

Bois O R

O

R = R = R =

Benzoate de vinyle Cinnamate de vinyle 4-tert-butylbenzoate de vinyle

DMF/K2CO3

3h; 90°C

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Chapitre V

96

V-1). Pour chaque traitement, 5 échantillons parmi les 10 traités de chaque bloc ont également

été testés en traction et le gain de résistance moyen apporté par le traitement a été évalué

(moyenne de 25 échantillons ; Tableau V-1).

Tous les échantillons estérifiés se sont avérés plus résistants que les contrôles avant

modification, probablement en raison d’une diminution de leur hygroscopicité après le

greffage (la résistance en traction augmente généralement lorsque la teneur en eau à l’intérieur

du bois diminue).

Tableau V-1 Gains de masse, taux de OH substitués et gain au niveau de la résistance en

traction, après estérification du bois par les esters de vinyle aromatiques

Esters de vinyle et leurs concentrations (mol/l)

Benzoate de vinyle Cinnamate de

vinyle

4-tert-butylbenzoate

de vinyle

0,12 0,78 1,52 0,07 0,18 0,9 0,32 0,88 1,13

WPG (%)a 14,8 24,1 29,8 10,1 17,6 29,1 11,4 16,1 15,9

Taux de OH substitués

(mmol/g bois sec) 1,42 2,32 2,87 0,78 1,35 2,24 0,71 1,01 0,99

Gain au niveau de la

résistance en traction (%)b 7,2 8,1 4,5 5,0 5,8 2,8 2,8 4,1 9,6

a Moyenne de 50 échantillons ; b Moyenne de 25 échantillons

Dans le cas de la réaction à partir du 4-tert-butylbenzoate de vinyle, il n’a pas été

possible d’obtenir un gain de masse supérieur à 16 %, même en concentrant fortement la

solution en réactif. Il est très probable que l’encombrement engendré par le groupement

tertiobutyle limite la diffusion de ce réactif à l’intérieur du bois lors du traitement.

II. Évaluation de la photostabilité après modification

chimique

La photostabilité du bois après modification chimique a été évaluée au cours d’un test

de vieillissement naturel. Les placages de bois traités et non traités (témoins) ont été exposés

aux aléas climatiques du ciel de Vancouver pendant 25 jours, en Août 2007. Pour un

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Chapitre V

97

traitement donné, 25 placages ont été conditionnés à 25°C et 65 % HR (contrôles) et 25

placages ont été exposés aux intempéries.

L’impact de l’exposition climatique sur les éprouvettes a alors été évalué par différents

paramètres, en comparant les contrôles avec les échantillons vieillis :

• la mesure de la perte de masse et de la perte de résistance en traction après les 25

jours d’exposition ;

• des mesures colorimétriques (jaunissement) ;

• des caractérisations infrarouge (FTIR en mode ATR) ;

• l’analyse microscopique (MEB) de la surface.

II.1 Perte de masse et perte de résistance en traction après le

vieillissement

La Figure V-2 représente les pertes de masse et de résistance en traction en fonction

du gain de masse, après les 25 jours d’exposition climatique. Chaque point sur les courbes

correspond à la moyenne de 5 échantillons (Cf. Partie expérimentale). La perte de masse est

engendrée par la dégradation et le lessivage de la matière lignocellulosique à la surface du

bois. La perte de résistance en traction, elle, est due à une dépolymérisation photochimique de

la cellulose (Derbyshire & Miller, 1981).

Le vieillissement climatique conduit à une perte de masse de l’ordre de 20 % et une

perte de résistance en traction de l’ordre de 5 kg/mm2 lorsque le bois n’est pas traité. Après

estérification, la perte de masse diminue et est inversement proportionnelle au gain de masse,

quel que soit le traitement. La même tendance est observée en ce qui concerne la perte de

résistance en traction, mais uniquement lorsque le bois est traité par le benzoate de vinyle,

aucune relation entre perte de résistance et WPG n’ayant été démontrée dans les autres cas.

Les pertes de masse et de résistance en traction sont très fortement réduites lorsque le bois est

estérifié par le benzoate de vinyle avec des gains de masse supérieurs à 30 %. La lignine et la

cellulose semblent donc protégées de la photodégradation dans ces conditions. Avec le

cinnamate de vinyle, seule la perte de masse est fortement atténuée lorsque le greffage est

important. Ce traitement ne permet donc pas de protéger la cellulose. L’atténuation de la perte

de masse mesurée malgré tout, pourrait être due à une augmentation de l’hydrophobie du bois

après le traitement, qui limiterait le lessivage par la pluie des fragments photodégradés.

L’accumulation de ces fragments à la surface du bois serait alors responsable du fort

jaunissement mesuré aux forts gains de masse dans ce cas (Cf. Chapitre V-II.2).

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Chapitre V

98

Figure V-2 Relation entre le gain de masse des échantillons estérifiés et leur perte de masse

(a) et perte de résistance en traction (b), après 25 jours d’exposition climatique

Dans le cas du bois traité avec le 4-tert-butylbenzoate de vinyle, il n’y a pas protection

de la cellulose et l’atténuation de la perte de masse est modérée, mais dans ce cas, le greffage

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Gain de masse après estérification (%)

8,0

Per

te d

e ré

sist

ance

en

tra

ctio

n (K

g/m

m2 )

Benzoate de vinyle Cinnamate de vinyle 4-T-butylbenzoate de vinyle Non traité

(b)

Per

te d

e m

asse

apr

ès v

ieill

isse

men

t (%

)

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

Gain de masse après estérification (%)

Benzoate de vinyle (BV) Cinnamate de vinyle (CV) 4-tert-butylbenzoate de vinyle (TBBV) Non traité

(a)

BV CV

TBBV

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Chapitre V

99

est probablement insuffisant pour protéger efficacement le bois (il n’a pas été possible

d’obtenir des WPG supérieurs à 16 % avec le 4-tert-butylbenzoate de vinyle).

II.2 Jaunissement des échantillons après le vieillissement

La Figure V-3 présente l’indice de jaunissement b* des échantillons estérifiés et des

contrôles, avant et après le vieillissement climatique. Chaque point du graphe représente la

moyenne de 5 mesures colorimétriques effectuées sur 5 réplicats (Cf. Partie expérimentale).

Figure V-3 Relation entre le gain de masse des échantillons estérifiés et leur indice de

jaunissement b*, avant (a) et après 25 jours d’exposition climatique (b)

Indi

ce d

e ja

unis

sem

ent (

b*)

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 20,0

25,0

30,0

40,0

45,0

Gain de masse après estérification (%)

Benzoate de vinyle Cinnamate de vinyle 4-T-butylbenzoate de vinyle Non traité

(a)

35,0

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 20,0

25,0

30,0

40,0

Gain de masse après estérification (%)

35,0

45,0 (b)

Indi

ce d

e ja

unis

sem

ent (

b*)

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Chapitre V

100

L’action du vieillissement climatique sur le bois non traité induit une augmentation de

l’indice de jaunissement, comme attendu. L’estérification du bois entraîne également un

jaunissement du matériau, quel que soit le traitement. Dans le cas des échantillons traités par

le benzoate de vinyle ou le 4-tert-butylbenzoate de vinyle, ce jaunissement s’atténue après les

25 jours d’exposition climatique, quel que soit le WPG. Un effet différent est observé avec le

cinnamate de vinyle pour lequel b* semble dépendre du WPG : il diminue aux faibles WPG et

augmente aux forts WPG.

II.3 Caractérisation infrarouge

Les changements chimiques se produisant à l’intérieur du bois, lors du vieillissement

climatique, ont été examinés par la spectroscopie infrarouge en mode ATR. La Figure V-4

présente les spectres infrarouge de la surface des échantillons estérifiés et non traités après le

vieillissement (Après V.), ainsi que ceux des contrôles qui n’ont pas été exposés (Avant V.).

Trois spectres ont été collectés et moyennisés pour chaque placage ; seulement deux taux de

greffages sont présentés (un fort et un plus faible).

L’exposition climatique du bois non traité engendre une diminution de l’intensité de la

vibration d’élongation à 1509 cm-1, associée aux cycles aromatiques de la lignine. Cette

diminution est une conséquence de la délignification engendrée par l’exposition du bois aux

UV et à l’humidité. La diminution de l’intensité des bandes à 1450 cm-1 (déformations

associées aux CH3 de la lignine et CH2 des xylanes) et 1269 cm-1 (absorption des unités

guaiacyle de la lignine), indique également que la lignine et les hémicelluloses ont été

dégradés (Evans et al., 1992; Evans et al., 2002). Ces deux dernières bandes étant cachées par

les vibrations des fonctions esters greffées, leur évolution lors du vieillissement des

échantillons traités ne sera pas discutée.

Après estérification avec les esters de vinyle, les vibrations caractéristiques des

groupements acyles greffés ont été identifiées directement sur les spectres, par des numéros

(Figure V-4). L’attribution de ces bandes a également été reportée dans le Tableau V-2.

En ce qui concerne le bois estérifié par le benzoate de vinyle, aucune modification

notable du spectre n’est constatée après le vieillissement climatique des éprouvettes à fort

gain de masse (> 30 %), confirmant que le bois ainsi traité a été photostabilisé. Dans tous les

autres cas, une délignification est observée après le vieillissement, l’intensité de la vibration à

1509 cm-1 diminuant après l’exposition climatique.

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Chapitre V

101

Benzoate de vinyle 1: 1720; 2: 1602; 3: 1450; 4: 1315; 5: 1268; 6: 1106; 7: 709. Cinnamate de vinyle: 8: 1712; 9: 1633; 10: 1451; 11: 1328; 12: 1311; 13: 1261; 14: 1204; 15: 1158; 16: 986: 17: 863; 18: 766; 19: 707; 20: 683. 4-tert-butylbenzoate de vinyle: 21: 1720; 22: 1610; 23: 1459; 24: 1411; 25: 1315; 26: 1271; 27: 1190; 28: 1105; 29: 853; 30: 774; 31: 705.

Figure V-4 Spectres IRTF-ATR du bois non traité et du bois estérifié par le benzoate de

vinyle, le cinnamate de vinyle et le 4-tert-butylbenzoate de vinyle, avant et après le

vieillissement climatique (Avant V. = avant vieillissement ; Après V. = après vieillissement)

650 900 1150 1400 1650 1900 Nombre d’onde (cm-1)

Après V.

Avant V.

Ben

zoa

te d

e v

inyl

e

Cin

na

ma

te d

e v

inyl

e

4-t

ert

-bu

tylb

en

zoa

te d

e v

inyl

e

1

2 3

4 5

6

7

8

9 10

11 12 14

15

16 17

18 19 20

21

22 23 24 25

26

29 30

31 27

28

Ref

lect

ance

13

No

n t

raité

Après V.

Avant V.

Après V.

Avant V.

Après V.

Avant V.

Après V.

Avant V.

Après V.

Avant V.

Après V.

Avant V.

20,6 %

17,3 %

34,9 %

33,2 %

8,4 %

7,9 % 32,4 %

32,0 %

9,9 %

12,2 %

17,0 %

16,6 %

WPG du bois estérifié

1509 (lignine)

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Chapitre V

102

Cette délignification s’accompagne d’une diminution de l’intensité des vibrations

associées aux groupements acyles greffés, suggérant une perte de matière acétylée et/ou une

hydrolyse partielle des greffons après l’exposition climatique. Cette perte ou hydrolyse

semble être moins importante dans le cas des échantillons traités par le 4-tert-butylbenzoate

de vinyle.

Un élargissement important des bandes d’absorption est observé dans le cas du bois

traité par le cinnamate de vinyle. Ce phénomène n’a pas été clarifié à ce stade de l’étude, mais

il pourrait être lié à la photoréactivité inhérente aux groupements cinnamates greffés. En effet,

lorsque ces fonctions sont soumises aux irradiations UV, le groupe vinylène conjugué avec le

cycle aromatique peut subir une isomérisation cis/trans et/ou une photodimérisation par

cycloaddition (Hu et al. 2002, Gupta et al. 2004). D’autres réactions radicalaires entre les

groupes cinnamates et la lignine ne sont pas non plus exclues. La diminution après le

vieillissement, de l’intensité de la bande associée au groupe vinylène à 986 cm-1 (bande 16),

tend à confirmer cette hypothèse. Ces phénomènes pourraient être à l’origine du fort

jaunissement observé après le vieillissement des échantillons traités par le cinnamate de

vinyle, aux forts WPG (Cf. Chapitre IV)

À noter qu’une hydrolyse des fonctions cinnamates en acide cinnamique n’est pas non

plus exclue, puisque une diminution des vibrations associées à cette fonction est observée

après vieillissement. Cet acide pourrait également contribuer à l’élargissement des bandes

d’absorption évoqué ci-dessus.

Tableau IV-2 Attribution des bandes de vibration infrarouge associées aux motifs greffés

dans les placages, après estérification du bois à partir des esters de vinyle aromatiques

Bandes de vibration Domaine d’absorption (cm-1)

Attributions

1, 8, 21 1720-1712 ν [C=O]

2, 3, 9, 10, 22, 24 1633-1411 ν [C=C]

23 1459 δas [CH3]

4, 11, 12, 25 1328-1311 δ [=C-H]

5, 6, 15, 26, 28 1271-1105 ν [C-O]

7, 16, 19, 20, 29 683-986 γ (=C-H)

13, 14, 17, 18, 27, 30, 31 - Signaux non attribués

ν : Vibration d’élongation ; δ: déformation angulaire dans le plan ; γ : déformation angulaire hors du plan ; as : asymétrique

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Chapitre V

103

II.4 Analyse microscopique (MEB) de la surface des

échantillons avant et après le vieillissement

La microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée pour analyser l’état de

surface des échantillons avant et après le vieillissement climatique. Cette analyse a montré

que l’estérification n’altérait pas la microstructure des échantillons traités.

La Figure V-5 présente les images de la surface des échantillons non traité et

estérifiés, après le vieillissement climatique.

Figure V-5. Clichés MEB de la surface du bois non traité (a) et du bois estérifié par le

benzoate de vinyle (b : WPG = 31,0 %), le cinnamate de vinyle (c : WPG = 32,0 %) et le 4-

tert-butylbenzoate de vinyle (d : WPG = 16,6 %), après le vieillissement climatique

Des changements importants à la surface des placages de bois non traité ont été

observés après vieillissement. Ces changements se manifestent par des micro-fissures

développées à la surface des échantillons, au niveau des ponctuations aréolées. Des

délaminations des parois cellulaires sont également observées (voir flèches, Figure V-5a). Ces

délaminations apparaissent également à la surface des différents échantillons estérifiés,

lorsque le WPG est important.

a

c d

Délamination

Micro-fissures

b

200µµµµm

200µµµµm

200µµµµm

200µµµµm

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Chapitre V

104

Le nombre de micro-fissures à la surface des échantillons traités par le benzoate de

vinyle à fort WPG est beaucoup plus faible que dans le cas du bois non modifié (Figure V-

5b), indiquant une fois encore que ce traitement conduit à une certaine photoprotection du

bois. Par contre, la surface du bois traitée par le cinnamate de vinyle est beaucoup plus

dégradée que celle du bois non modifié. Les micro-fissures dans les ponctuations aréolées

tendent à se rejoindre pour former de plus larges fissures (flèches Figure V-5c). Ce résultat

confirme que le cinnamate de vinyle n’a pas d’effet photoprotecteur vis-à-vis du bois, bien au

contraire. Ce type de greffage semble favoriser la photodégradation, probablement en raison

de la photoréactivité inhérente aux groupements cinnamates greffés (Cf. Chapitre IV). La

surface du bois traité par le 4-tert-butylbenzoate de vinyle est assez similaire à celle du bois

non traité (Figure V-5d). On observe encore une fois des micro-fissures, indiquant que le bois

n’est pas spécialement protégé par le traitement (Figure V-5b). Mais il faut rappeler que dans

ce cas, le WPG est beaucoup plus faible (16,6 %) que dans le cas de la réaction avec le

benzoate de vinyle (31,0 %).

III. Conclusion

Parmi les traitements envisagés au cours de cette étude, seule la réaction à partir du

benzoate de vinyle a permis une photoprotection efficace du bois, et uniquement lorsque le

bois était suffisamment modifié (WPG > 30 %). Ce traitement n’a pas d’effet négatif sur la

résistance mécanique du bois et protège à la fois la lignine et la cellulose de la

photodegradation. Bien qu’il limite la perte de masse au cours du vieillissement climatique, le

traitement à partir du cinnamate de vinyle ne permet pas de limiter la photodgradation ni le

jaunissement. Si la perte de masse est malgré tout diminuée, c’est probablement parce que le

bois est plus hydrophobe après ce traitement et que les fragments de lignine photodégradés ne

sont pas facilement lessivés par la pluie. L’accumulation de ces fragments à la surface du bois

serait alors responsable du fort jaunissement mesuré aux forts gains de masse. L’absence de

photoprotection avec le cinnamate de vinyle s’explique probablement par la photoréactivité

inhérente aux groupements cinnamates greffés, qui semble favoriser la photodégradation.

L’estérification à partir du 4-tert-butylbenzoate de vinyle conduit à une faible

photoprotection, probablement en raison de la faible substitution des OH dans ce cas du fait

de l’encombrement du groupement tertiobutyle en para.

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105

CONCLUSION GÉNÉRALE

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Conclusion générale

107

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’Agence National de la

Recherche ( projet « Eco-composites »), qui avait pour but la mise au point et validation d’une

méthodologie inverse d’éco-conception de polymères à renforts lignocellulosiques en vue

d’optimiser leurs performances techniques et environnementales. Notre implication dans le

projet concernait la mise au point d’une méthode de modification chimique des fibres pour

améliorer l’adhésion à l’interface fibre/matrice.

Dans un premier chapitre, la faisabilité de la réaction de transestérification entre

l’acétate de vinyle et les groupements hydroxyles du bois a été étudiée. Les modifications

chimiques à l’intérieur du bois ont été confirmées par le calcul du gain de masse après

réaction et par les spectroscopies IRTF et RMN CP-MAS en phase solide. Le carbonate de

potassium (K2CO3) a été choisi comme catalyseur doux. Des rendements convenables ont été

obtenus et dans des conditions relativement douces.

La réaction a ensuite été appliquée à la modification du bois massif. Des temps de

réactions plus longs et une légère augmentation de la température se sont avérés nécessaires

pour obtenir des gains de masse similaires à ceux obtenus lors de la modification de la sciure.

Une étude comparative de la distribution du greffage à l’intérieur des plaquettes modifiées à

partir de l’acétate de vinyle et de l’anhydride acétique a également été réalisée. Des

inhomogénéités du greffage au sein des plaquettes traitées avec l’acétate de vinyle et

l’anhydride acétique ont été constatées. Une solubilisation partielle des polysaccharides

acétylés dans le milieu réactionnel au cours de la réaction a également été mise en évidence.

Différents esters ont été identifiés dans le milieu, en fonction du traitement : la réaction à

partir de l’acétate de vinyle a conduit à une solubilisation partielle des polysaccharides et de la

lignine dans des proportions voisines de celles rencontrées à l’intérieur du bois ; l’anhydride

acétique a surtout conduit à une solubilisation de la lignine. Ce résultat semble suggérer que

l’acétate de vinyle est plus réactif vis-à-vis de la cellulose à l’intérieur du bois.

Dans un troisième chapitre, des caractérisations macroscopiques effectuées à partir de

bois massif modifié, ont montré que l’acétylation du bois par l’acétate de vinyle permettait

d’améliorer grandement sa stabilité dimensionnelle et sa résistance au Poria placenta. Une

étude thermomécanique a également été réalisée. Elle a permis de confirmer que l’acétate de

vinyle était plus réactif vis-à-vis des groupements hydroxyles de la cellulose dans le bois.

La méthode a ensuite été appliquée à d’autres esters de vinyle commerciaux, saturés

ou insaturés. Des groupes acyles de taille et de fonctionnalité variées ont ainsi été greffés à

l’intérieur du bois avec des rendements relativement importants. L’étude de la photostabilité

du bois traité par des esters de vinyle aromatiques a montré que l’estérification du bois à partir

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Conclusion générale

108

du benzoate de vinyle permettait d’obtenir une photoprotection efficace du bois, sans altérer

ses propriétés mécaniques (pour des gains de masse supérieurs à 30 %).

Pour conclure, la réaction de transestérification des esters d’énol étudiée au cours de

ce travail de thèse est une méthode efficace et relativement douce, qui permet d’introduire des

fonctionnalités très variées à l’intérieur du bois ou à sa surface. La fonctionnalisation

chimique de la cellulose et de la lignine est également possible, grâce à ce procédé. L’un des

points forts de la méthode est que le produit secondaire formé lors de la réaction n’est pas

acide et peut facilement être éliminé du bois après réaction. De plus, contrairement à la

réaction d’estérification à partir des anhydrides d’acides symétriques, ce produit secondaire

est toujours le même, quel que soit le groupement acyle greffé (acétone ou acétaldéhyde). Les

études de faisabilité réalisées au cours de cette thèse ont été effectuées dans des conditions de

laboratoires qui n’ont pas été optimisées pour une application industrielle, mais les recherches

futures devraient nous permettre de minimiser son impact environnemental. Des réactions

sans solvant ou en milieux aqueux seront notamment envisagées, et la synthèse de nouveaux

esters d’énols sera réalisée.

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Communications scientifiques

109

Ce travail de thèse à fait l’objet de :

� 3 publications dans des journaux internationaux à comité de lecture :

o Jebrane, M.; Sèbe, G.; Cullis, L.; Evans*, P. 2009. « Photostabilization of wood using aromatic vinyl esters». Polymer degradation and stability, 94 (2): 151-157.

o Jebrane, M., Sèbe*, G. 2008. «A new process for the esterification of wood by reaction with vinyl esters». Carbohydrate Polymers, 72:657-663.

o Jebrane, M., Sèbe*, G. 2007. «A novel simple route to wood acetylation by transesterification with vinyl acetate». Holzforschung, 61:143-147.

� 3 actes de colloques :

o Jebrane, M., Sèbe*, G. 2007. “A novel route to wood modification by transesterification with vinyl esters”. Dans: Proceeding of the 3rd SCWM3, Cardif (Wales).

o Jebrane, M., Sèbe*, G. 2008. “Vers une nouvelle voie de fonctionnalisation chimique du bois à partir des esters d’énols ”. Dans : Proceeding of the 9th colloque sciences & industrie du bois, Bordeaux (France).

o Gilles Sèbe*, Mohamed Jebrane, Ian Cullis, Philip D. Evans 2009. “Weathering and photostability of wood modified by aromatic vinyl esters”. Dans: Proceeding of the 4rd European Conference on Wood Modification, 245-252, Stockholm (Suède).

� 4 communications orales :

o 2ème Edition de la journée des thèses de bois, Bordeaux (France), Janvier 2007. “Modification chimique du bois en vue d’améliorer l’interface fibre/matrice des composites bois/plastiques : Transestérification des esters d’énol par le bois”.

o The 3rd European Conference on Wood Modification (SCWM), Cardif (Wales), Octobre 2007. “A novel route to wood modification by transesterification with vinyl esters”.

o 9ème colloque sciences & industrie du bois, Bordeaux (France), Novembre 2008, Vers une nouvelle voie de fonctionnalisation chimique du bois à partir des esters d’énols ”.

o The 4rd European Conference on Wood Modification (SCWM), Stockholm (Suède), Avril 2009. “Weathering and photostability of wood modified by aromatic vinyl esters”.

� 1 communication par affiche :

o Journée annuelle de l’Ecole Doctorale des Sciences Chimiques, Bordeaux (France), April 2008. “Chemical modification of wood by reaction with vinyl esters”.

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111

PARTIE EXPÉRIMENTALE

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Partie expérimentale

113

A. PROCÉDURES GÉNÉRALES

I. Produits chimiques

- Les esters de vinyle : Acétate de vinyle 99 % (Aldrich), Propionate de vinyle 98 %

(Aldrich), Butyrate de vinyle > 99 % (Aldrich), Pivalate de vinyle 99 % (Aldrich); Décanoate

de vinyle 95 % (Aldrich); Stéarate de vinyle (Aldrich); Cinnamate de vinyle 95 % (Aldrich);

Crotonate de vinyle 98 % (Aldrich); Méthacrylate de vinyle 98 % (Aldrich); benzoate de

vinyle 99 % (Aldrich); 4-tert-butylbenzoyle de vinyle 99 % (Aldrich).

- Catalyseurs : Carbonate de potassium 98 % (Prolabo), Iode 99,8 % (Sigma).

- Autres réactifs Anhydride acétique 95 % (Sigma-Aldrich), Pyridine 99 %

(Aldrich). 2-chloro-4,4,5,5-tétraméthyl-1,3,2-dioxophospholane 95 % (Aldrich), Pentoxyde

de phosphore 98 % (Acros-organics).

Tous ces produits ont été utilisés sans purification supplémentaire.

II. Solvants

N,N-Diméthylformamide (DMF) 99 % (Aldrich), Diméthyl sulfoxide (DMSO) 99,5 %

(Prolabo), Acétone 99 % (Prolabo), Éthanol 95 % (prolabo), Toluène 99,9 % (prolabo), Eau

déionisée (système de purification d’eau Millipore®, SWRE Milli-Q). Seuls le DMF et le

DMSO ont été séchés sur tamis moléculaire (4Å). Tous les autres solvants ont été employés

sans autre purification.

III. Matières premières

Deux types de bois ont été utilisés au cours de ce travail de thèse. Le pin maritime

(pinus pinaster) qui nous a été fourni par l’entreprise Clédard & fils localisée à Villefranche

du Périgord (Dordogne) et le cèdre Jaune (Chamaecyparis nootkatensis (D. Don) Spach) qui

nous a été fourni par le Centre for Advanced Wood Processing de l’Université de British

Columbia (Canada).

La cellulose utilisée est une poudre commerciale (CF11) utilisée généralement pour les

colonnes chromatographiques, elle a été achetée à la société WHATMAN.

La lignine utilisée a été obtenue à partir des pâtes thermomécaniques TMP de pin

maritime. Ces pâtes servant à fabriquer des panneaux MDF ont été fournies par la société

ISOROY. La méthode d’extraction de la lignine à partir de ces pâtes a été adaptée à celle

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Partie expérimentale

114

décrite par Gellerstedt et al. (1984). Les pâtes ont été d’abord extraites au Soxhlet, pendant 48

h avec le mélange toluène/éthanol (2 : 1 / v : v), puis 24 h avec de l’eau. Les fibres extraites

ont été séchées à 60°C jusqu’à poids constants. Les fibres séchées (50 g en poudre) sont

mélangées avec 0,5 litre d’une solution de dioxane et d’acide chlorhydrique (0,1 N) (8,5 : 1,5

/ v : v) puis ce mélange est chauffé à 100°C pendant 2 h sous atmosphère d’azote. Les fibres

sont séparées sur un filtre Buchner et rincées avec une solution dioxane/eau (3 x 250 mL ;

8,5 : 1,5 / v : v). Les filtrats sont mélangés et évaporés sous vide tout en ajoutant de l’eau

distillée pour maintenir le pH supérieur à 1 et éviter la dépolymérisation de la lignine extraite.

La lignine précipitée est centrifugée et séchée sous vide en présence de P2O5.

B. ÉCHANTILLONNAGE DE LA MATIÈRE

LIGNOCELLULOSIQUE

Quatre types de supports ont été utilisés au cours de ce travail de thèse :

- la sciure a été obtenue après broyage au Wiley (Tamis de 35 mesh, 0,5 mm)

de l’aubier de pin maritime ;

- des plaquettes de dimension 20 x 20 x 5 mm3 (R x T x L) et des plaquettes de

dimensions 10 x 30 x 2 mm3 (R x T x L) ont également été prélevées dans des planches

d’aubier de pin maritime. Ces éprouvettes ont été découpées de telle sorte que les cernes de

croissance soient strictement parallèles à la direction tangentielle ;

- des placages ont été prélevés dans cinq blocs de cèdre jaune saturées d’eau

distillée. À partir de chaque bloc, 100 placages d’une épaisseur d’environ 85 µm, ont été

découpés au microtome, dans la direction radiale. Ils ont ensuite été fixés sur des lamelles de

verre et séchés à l’air libre pendant 4 h. Les placages ont été retirés des lamelles et regroupés

en lots de 10 dans des enveloppes (chaque enveloppe contient 50 placages regroupés en lots

de 10 placages). Tous les placages ont ensuite été conditionnés dans une enceinte climatique à

20 ± 1°C et 65 ± 5 % d’humidité relative, pendant deux semaines. Chaque placage est alors

pesé et son épaisseur mesurée à l’aide d’un micromètre numérique. L’échantillon est ensuite

séché à 105°C pendant 45 min, puis pesé à nouveau. Chaque traitement a été réalisé sur un lot

de 10 placages (Cf. Partie expérimentale ; tableau VI-1).

Le bois fonctionnel (aubier) a essentiellement été employé quel que soit le type de

support réactionnel utilisé.

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Partie expérimentale

115

C. ÉLIMINATION DES EXTRACTIBLES DU BOIS

Quel que soit le type d’échantillon, les extractibles ont été préalablement éliminés au

Soxhlet, d’abord avec un mélange toluène : éthanol (2 : 1 / v : v) pendant 8 h, puis avec de

l'eau pendant 8 h. Après extraction, le matériel lignocellulosique (sciure, plaquettes et

placages) est séché à l'air pendant une nuit sous une hotte aspirante de laboratoire, puis stocké

dans un conteneur adapté.

Avant chaque réaction, le bois (sciure, plaquettes ou placages) a été séché à l'étuve

pendant 16 h à 105°C, puis conditionné pendant 30 minutes dans un dessiccateur contenant du

pentoxyde de phosphore (P2O5). La masse sèche, et les dimensions sèches dans le cas des

plaquettes, ont ensuite été déterminées.

D. TECHNIQUES D’ANALYSE

I. Spectrométrie

I.1 Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier

(IRTF)

Les spectres IRTF des échantillons de bois modifié et non modifié ont été enregistrés

sur un spectromètre Perkin-Elmer Paragon 1000 PC FT-IR, avec une résolution de 4 cm-1 (50

scans). Dans le cas des plaquettes, elles ont été préalablement broyées avec une granulométrie

35 mesh. Des pastilles de KBr contenant la sciure à analyser ont été préparées en pressant

(sous vide et pendant 10 min) un mélange de 3 mg de bois sec dans 300 mg de KBr (environ 1

% massique).

I.2 Spectroscopie Infrarouge en mode ATR

Les spectres IRTF des plaquettes utilisées pour l’étude de la distribution du greffage et

ceux des placages ont été enregistrés sur un spectromètre OMNIC en mode ATR.

L’échantillon est placé sur la plateforme mobile du spectromètre sous le cristal silicium, puis

mis en contact avec ce dernier. Les spectres sont alors collectés entre 4000 et 650 cm-1, avec

une résolution de 8 (SSP 3.857 cm-1) (64 scans). Pour les placages, trois spectres ont été

collectés pour chaque échantillon et les spectres ont été transférés sur le logiciel Unscambler

(version 9.6; CAMO) pour être normalisés et moyennisés. Dans le cas des plaquettes, huit

spectres ont été collectés pour chaque nouvelle surface microtomée. Ensuite, les hauteurs des

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Partie expérimentale

116

pics du carbonyle à 1735 cm-1 et de la lignine à 1510 cm-1 ont été directement mesurées sur les

spectres des échantillons grâce au logiciel Omnic, à partir d’une ligne de base construite en

extrapolant une ligne entre les vallées du spectre à 1905 et 1554 cm-1. La bande à 1510 cm-1,

caractéristique des vibrations du cycle aromatique de la lignine, a été prise comme référence

interne. Le rapport des hauteurs (I1735/I1510) de ces bandes a alors été calculé pour trois

différentes locations de la surface, et moyennisés.

I.3 Résonance magnétique nucléaire

a) RMN du 13C en phase solide

Les spectres RMN CP-MAS du 13C (Cross Polarisation-Magic Angle Spinning) ont

été enregistrés à température ambiante, sur un appareil Bruker DPX 400 fonctionnant à une

fréquence de 100.61 MHz. Les échantillons ont été introduits dans un rotor MAS en

zirconium de 4 mm de diamètre, tournant à une vitesse de 4 à 8 kHz. Le temps d’acquisition

de chaque spectre est de 16 h (25000 accumulations).

a) RMN du phosphore 31P

Les spectres de RMN du 31P de la lignine (estérifiée ou non) ont été réalisés sur un

spectrophotomètre Bruker DPX-200 opérant à 81,03 MHz, après que celle-ci fut phosphorylée

à partir du 2-chloro-4,4,5,5-tetraméthyl-1,3,2-dioxophospholane (voir Chapitre II pour le

mode opératoire). Les déplacements chimiques des spectres ont été calibrés sur le signal du 31P du cholesterol phosphorylé, à 144.9 ppm. Les conditions d’acquisition sont celles

d’Argyropoulos (1994).

I.4 Mesures colorimétriques

Le jaunissement des placages, avant et après exposition aux intempéries, a été mesuré

en utilisant un spectrophotomètre Minolta CM-2600d. Il a été évalué grâce au système des

couleurs coordonnées CIELab b* (-60 [bleue] à +60 [jaune]). Une augmentation de b*

indique un jaunissement du bois. Pour un traitement donné, 25 échantillons ont été analysés.

Une seule mesure a été effectuée par échantillon.

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Partie expérimentale

117

II. Chromatographie en phase liquide à haute

performance (HPLC)

La distribution des sucres issus de l’hydrolyse acide du résidu soluble dans le DMF,

après réaction du bois avec AV ou AA, a été obtenue à l’aide d’un appareil HPLC

ThermoFinnigan. Ce dernier était équipé d’une pompe TSP P100, d’un injecteur automatique

AS3000, d’un réfractomètre WATERS R 410 et d’une colonne Aminex HPX-87 P (300 x 7,8

mm) (BIO-RAD réf 125-0098). Cette colonne, de phase stationnaire polystyrène-

divinylbenzène, était munie d’une colonne de garde, constituée de 2 cartouches (Carbo-Prifil

30 x 4,6 mm ; BIO-RAD Ref 125-0119). Cette colonne de garde permet de protéger la

colonne d’analyse et le système HPLC. La boucle d’injection était de 100 µL et le débit de 0,6

mL/min à 85°C. L’acquisition des données ainsi que l’intégration des pics ont été réalisés en

utilisant le logiciel Chromquest.

III. Analyse dynamique thermomécanique (DMA)

Les tests dynamiques ont été réalisés sur un rhéomètre Pyris diamond Dynamic

Mechanical Analyzer (Perkin-Elmer Diamond). Des plaquettes de pin maritime de dimensions

30 x 10 x 2 mm3 (T x R x L) ont été utilisées pour ces tests. Les échantillons ont été testés en

mode dynamique : une extrémité de l’éprouvette est encastrée au niveau d’un mors fixe,

tandis que l’autre est sollicitée par un mors mobile. Les tests consistent à solliciter

l’échantillon par une contrainte périodique (0,1 %) à différentes fréquences (1, 2, 4, 10 et 20

Hz) dans une plage de température s’étendant de -150 à 200°C, avec une vitesse de chauffage

de 3°C.min-1. Avant chaque analyse, les éprouvettes ont été chauffées pendant 15 minutes à

150°C, puis conditionnées dans un dessiccateur contenant du P2O5. Cinq éprouvettes ont été

testées pour chaque traitement. Les propriétés viscoélastiques des échantillons (E’, E", tan δ)

ont alors été mesurées pour chaque fréquence. Un seul échantillon représentatif, avec une

seule fréquence de sollicitation, est présenté pour chaque traitement.

IV. Microscopie Électronique à Balayage (MEB)

Les études de microscopie électronique à balayage ont été réalisées sur un appareil

Hitachi S-4700, avec une tension d’accélération des électrons au filament de 1kV.

Des lamelles mesurant 10 x 10 mm ont été découpées à l’aide d’un ciseau, à partir des

placages vieillis ou non. Ces lamelles ont été directement collées sur un support en

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Partie expérimentale

118

aluminium, à l’aide d’un autocollant double face. L’échantillon a ensuite été recouvert d’une

couche en or de 10 nm, au moyen d’une enrobeuse (Nanotech SEM-Prep II).

E. TESTS DE LESSIVAGE ET STABILISATION

DIMENSIONNELLE EN PRÉSENCE D’EAU

Les plaquettes, chimiquement modifiées ou non, ont été soumises à des cycles

immersion/séchage, constitués chacun d’une période d’immersion dans l’eau de quatre jours

suivie d’une nuit de séchage à 105°C. Pour chaque étape d’immersion dans l’eau, les

éprouvettes sont préalablement saturées d’eau par vide/pression (trompe à eau/pression

atmosphérique), puis immergées dans l’eau. Les gonflements radial (SR) et tangentiel (ST) de

chaque échantillon ont été évalués à partir de la mesure des dimensions radiales et

tangentielles des éprouvettes :

Et

R0, T0 : dimensions des plaquettes de bois à l’état sec ; R1, T1 : dimensions des plaquettes de

bois après immersion dans l’eau distillée pendant 4 jours. Trois éprouvettes ont été utilisées

pour chaque traitement.

Ces mêmes formules ont été utilisées pour estimer le gonflement engendré par le

greffage chimique dans les directions radiales et tangentielles (SR/greffage et ST/greffage,

respectivement). Dans ce cas, R0, T0 = dimensions des plaquettes de bois sèches avant

traitement et R1, T1 = dimensions des plaquettes de bois sèches après traitement.

Le gonflement des éprouvettes après immersion dans l’eau est donné par le coefficient de

gonflement S (le gonflement longitudinal est négligé ; Norimoto et al., 1992) :

Le coefficient ASE est ensuite calculé à partir de la formule suivante :

ASE = x 100S1-S2

S1

S1, S2, : coefficients de gonflement du bois avant et après traitement, respectivement.

Ainsi, pour un traitement donné, un ASE faible traduira une faible stabilisation

dimensionnelle et un ASE fort, une forte stabilisation.

SR =R1 - R0

R0

x 100 =T1 - T0

T0

x 100ST

S = SR + ST

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Partie expérimentale

119

F. ÉVALUATION DE LA RÉSISTANCE AUX ATTAQUES

FONGIQUES

Des milieux malt-agar ont été inoculés avec un fragment de culture de souche

fongique de Poria placenta. Les boîtes de Pétri ont été incubées à 25 °C et 75 % d’humidité

relative dans une enceinte climatique, jusqu’à ce que le mycélium ait recouvert toute la

surface de la boîte de Pétri (2 semaines). Les éprouvettes de bois, préalablement séchées et

pesées, ont été traitées sous UV pendant 1 h, afin de réduire toute contamination. Elles ont

ensuite été introduites dans les boîtes de Pétri, directement sur le mycélium. Trois éprouvettes

ont été placées dans chaque boîte de Pétri, de manière symétrique. L’incubation des

éprouvettes a été réalisée à 25°C et 75 % d’humidité relative, pendant 9 semaines.

L’efficacité du traitement a alors été évalué par le calcul de la perte de masse

engendrée après les 9 semaines d’incubation. Les éprouvettes ont été retirées des boites de

Pétri et débarrassées des mycélium adhérent en surface. Elles ont ensuite été séchées pendant

16 h à 105°C et pesées. L’efficacité du traitement est estimée par le calcul de la perte de

masse engendrée par le champignon :

Perte de masse (%) =m0 - m1

m0

x 100

m0 et m1 : masses respectives des plaquettes sèches avant et après incubation.

G. ÉVALUATION DE LA PHOTOSTABILITÉ

La photostabilité du bois après modification chimique a été évaluée au cours d’un test

de vieillissement naturel. Les placages de bois traités et non traités (témoins) ont été exposés

aux aléas climatiques du ciel de Vancouver pendant 25 jours, en Août 2007. Pour chaque

traitement, cinq placages de chaque lot de 10 placages traités, ont été sélectionnés au hasard et

fixés par leurs extrémités sur des plaques de verre. Les cinq placages restants de chaque

traitement ont été placés dans une chambre climatique à 20 ± 1 °C et 65 ± 5 % d'humidité

relative pendant toute la durée de l'exposition. Ces derniers ont été utilisés comme références.

Les échantillons ont été orientés horizontalement et face au sud, de manière à avoir une

exposition maximale aux rayonnements UV. Après 25 jours d’expositions aux intempéries,

les échantillons ont été séchés à l’étuve (105 °C), puis pesés. La photostabilité a alors estimée

par l’évaluation de la perte de masse engendrée par les intempéries, par la perte de résistance

en traction, le jaunissement et l’analyse microscopique de la surface.

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Partie expérimentale

120

Les tests de résistance en traction ont été réalisés sur une machine de traction Pulmac

zero-span, avec une pression de serrage de 550 KPa. La résistance a été calculée à partir de la

force à la rupture (Kg) divisée par la section radiale du placage (mm2).

H. PROCÉDURES STANDARD EMPLOYÉES POUR

MODIFIER LE BOIS

I. Modification chimique de la sciure de pin maritime

Toutes les réactions ont été effectuées sous agitation magnétique, dans un ballon

monocol surmonté d’un réfrigérant à eau connecté à une colonne desséchante (CaCl2) et à un

bulleur de Cloetz. Pour chaque réaction, 14 mmol de réactif/g de bois sec ont été utilisés. Ce

rapport a été choisi après avoir estimé le nombre de groupes hydroxyles présents dans le pin

maritime (environ 14 mmol/g bois sec) à partir d’une formule décrite dans la littérature (Hill

et Jones, 1996). Les produits ont été introduits dans l’ordre suivant : d’abord la sciure, le

solvant, le catalyseur et enfin les réactifs. Les réactions ont été conduites à des températures

comprises entre 25 et 150°C, pendant des temps variant entre 10 minutes et 24 h.

Après réaction, la sciure a été transférée dans une cartouche de cellulose puis extraite

au Soxhlet : d’abord à l’eau distillée pendant 2 h (élimination du catalyseur K2CO3), ensuite

au mélange toluène : éthanol : acétone (4 :1 : 1 / v : v : v) pendant 8 h (élimination des réactifs

en excès, ainsi que des produits secondaires formés). La sciure modifiée a finalement été

séchée à 105 °C pendant 16 h, refroidie dans un dessiccateur, pesée, puis le gain de masse

calculé:

M0 et M1 : masses sèches du bois avant et après réaction respectivement.

II. Modifications chimiques des plaquettes de Pin maritime

Les modifications chimiques réalisées sur les plaquettes de pin maritime ont été

conduites suivant une procédure standard. Dans un premier temps, les plaquettes ont été

imprégnées du mélange réactionnel au moyen d’un vide/pression (trompe à eau/pression

atmosphérique). Le mélange a ensuite été chauffé à 100°C, pendant des temps variant entre 10

mininutes et 72 h. Après réaction, les plaquettes modifiés ont été extraites au Soxhlet, d’abord

100xM

)MM(WPG

0

01 −=

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Partie expérimentale

121

à l’eau distillée pendant 2 h (élimination du catalyseur K2CO3), puis au mélange toluène :

éthanol : acétone (4 :1 : 1 / v : v : v) pendant 8 h (élimination des réactifs en excès, ainsi que

des produits secondaires formés). Les éprouvettes ont ensuite été séchées à 105°C pendant 16

h, pesées (évaluation du gain de masse) et mesurées. Cinq plaquettes ont été modifiées pour

chaque réaction.

I. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AUX

CHAPITRES II ET III

I. Étude préliminaire à partir de la sciure de pin maritime

Dans un ballon monocol de 100 mL, on introduit : 20 mL de DMF ou DMSO ; 14

mmol de AV /g de bois sec ; et 1,1mmol de K2CO3/g de bois sec ou 0,34 g de I2/g de bois sec.

Les réactions sans catalyseur ont été réalisées dans les mêmes conditions.

Pour les réactions sans solvant, 10 ml de AV ont été introduits dans le ballon en

présence ou non de catalyseur.

Pour l’étude sur l’influence de la concentration en K2CO3, différentes quantités de

K2CO3 ont été introduites : 0,05 ; 0,1 ; 1,1 ; 10,7 ; ou 21 mmol de K2CO3/g de bois sec.

II. Réactions réalisées sur les plaquettes de Pin maritime

II.1 Acétylation par l’acétate de vinyle (AV)

Dans un ballon de 250 mL, on introduit : 20 mL de DMF ; 14 mmol de VA /g de bois

sec ; 1,1 mmol de K2CO3/g de bois sec. Les réactions ont été réalisées à 100°C. Après

extractions et séchage, des gains de masse croissants ont été obtenus en augmentant le temps

de réaction.

II.2 Acétylation par l’anhydride acétique (AA)

Dans un ballon de 250 mL, on introduit : 20 mL de DMF ; 14 mmol de AA /g de bois

sec ; 1,1 mmol de K2CO3/g de bois sec. Les réactions sans catalyseurs ont été effectuées dans

les mêmes conditions. Toutes les réactions ont été réalisées à 100°C. Après extractions et

séchage, des gains de masse croissants sont obtenus en augmentant le temps de réaction.

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Partie expérimentale

122

III. Analyse du milieu réactionnel après réactions

III.1 Récupération du résidu soluble dans le DMF

La phase liquide obtenue après filtration du bois acétylé par AV ou AA, a subit une

évaporation sous pression réduite pour éliminer le DMF, les réactifs en excès et les produits

secondaires formés. Le K2CO3 a été éliminé par rinçage à l’eau sur verre fritté. Le résidu

solide obtenu a été séché à 105°C pendant 16 h, puis pesé. On obtient 0,300 g de résidu dans

le cas de réaction avec AV et 0,250 g dans le cas de la réaction avec AA.

III.2 Hydrolyse acide du résidu

Le résidu obtenu est introduit dans un bêcher de 100 mL. On rajoute alors de l’acide

sulfurique à 72 % : 9 mL dans le cas des 0,300 g de résidu obtenus avec AV ; 7,5 mL dans le

cas des 0,250 g de résidu obtenus avec AA. Le mélange est agité toutes les heures à

température ambiante, à l’aide d’une tige en verre, et ce pendant 4 h. La solution contenant les

sucres hydrolysés est versée dans un ballon de 1 L, puis 300 mL d’eau distillée sont ajoutés.

Le ballon est porté au reflux pendant 4 h. La solution est ensuite filtrée sur papier filtre pour

éliminer l’insoluble sulfurique. Ce dernier est rincé 3 fois à l’eau distillée puis le volume de la

solution est ajusté à 500 mL dans une fiole jaugée. 150 mL de cette solution sont alors

prélevés; celle-ci est neutralisée avec de la baryte jusqu’à pH = 7 (solution laiteuse). La

solution neutre obtenue est centrifugée à 300 tr/min, à 10°C pendant 20 minutes. La partie

liquide est récupérée dans un ballon puis passée à l’évaporateur rotatif à 60°C, de manière à

avoir un volume final de 50 mL. Cette solution est concentrée par évaporation jusqu'à 5 mL et

l’analyse est effectuée sur cette solution (100 µL).

III.3 Préparation des étalons externes pour HPLC

On dissout 10 mg de Cellobiose, 20 mg de D-glucose, 10 mg de D-galactose, 70 mg

de D-mannose, 15 mg de D-arabinose et 10 mg de D-xylose dans une fiole de 25 mL. La

dissolution des sucres est facilitée par une légère agitation manuelle, puis le volume est

complété jusqu’à 25 mL. Cette solution étalon (100 µL) sert à l’étalonnage de l’appareil.

III.4 Calcul de la teneur en sucres

Après dosage des sucres simples par HPLC, les résultats sont exprimés en pourcentage

par rapport à la masse sèche du résidu initial. Ainsi, pour une masse sèche de a mg/l d’un

sucre donné, on détermine la teneur en sucre de résidu (prise d’essais) par le calcul ci-après :

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Partie expérimentale

123

% sucre =

a x 50150

x 500

x 100

Msec résidu

Msec étant la masse sèche initial du résidu.

IV. Acétylation de la cellulose ou de la lignine par AV et AA

Dans un ballon monocol de 100 mL, on introduit : 1 g de cellulose ou 1 g de lignine ;

20 mL de DMF, 14 mmol de AV ou AA/g de cellulose ou lignine sèche ; 1,1 mmol de

K2CO3/g cellulose sèche (uniquement dans le cas de la réaction avec AV ; la réaction avec

AA est effectuée sans catalyseur). Les réactions ont été réalisées à 90 °C pendant 3 h. Après

réaction, l’échantillon est filtré sur verre fritté, ensuite rincé avec de l’eau, puis de l’éthanol.

V. Phosphorylation de la lignine

Afin de pouvoir caractériser la lignine par RMN du 13P, cette dernière a été

préalablement phosphorylée à partir du 2-chloro-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2- dioxophospholane,

suivant la méthode d’Argyropoulos (1994). Un mélange de solvants, composé de pyridine et

de deutérocholoforme (1 : 1,6 / v : v) séché sur tamis moléculaire (4Å) est préparé. Une

solution d’acétylacétonate de chrome (III) dans le mélange pyridine/CDCl3 (5,28 mg/mL) est

utilisée pour la relaxation. L’agent de phosphorylation est le 2-chloro-4,4,5,5-tetramethyl-

1,3,2- dioxophospholane. Le cholestérol (43 mg/mL dans le mélange pyridine/CDCl3) est

utilisé comme référence interne. L’échantillon de lignine à analyser (30 mg) est pesé très

précisément et dissout dans 0,5 mL de DMF, dans un « réactivial » de 2 mL fermé avec un

septum à surface de Téflon. Après dissolution, 0,3 mL du mélange pyridine/CDCl3, puis 0,1

mL de solution de référence interne et 0,1 mL d’agent de relaxation sont ajoutés. On

additionne alors 0,1 mL de 2-chloro-4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2- dioxophospholane. Après 30

minutes de réaction à température ambiante le mélange est transféré dans un tube RMN de

diamètre 5 mm pour l’analyse.

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Partie expérimentale

124

J. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AU

CHAPITRE IV

Dans un ballon monocol de 100 mL, on introduit : 20 mL de DMF, 14 mmol d’ester

de vinyle /g de bois sec et 1,1 mmol de K2CO3/g. Les réactions ont été réalisées à 90°C

pendant 3 h.

Le nombre de fonction hydroxyles substitués après estérification a été calculé selon la

formule ci-après, en admettant que la réaction entre l’ester de vinyle et les hydroxyles du bois,

est équimolaire.

( ) ( ) 10001

01,0sec/ x

greffondumolairemasse

WPGxboisdegmmolsubstituésOHdeNombre

−=

Cette formule tient compte de l’atome d’hydrogène transféré du bois vers l’alcool

vinylique (-1 dans la formule)

K. PARTIE EXPÉRIMENTALE RELATIVE AU

CHAPITRE V

I. Echantillonnage

Les placages prélevés dans les 5 blocs de bois de cèdre jaune et regroupés dans les

enveloppes ont été traités par trois esters aromatiques, selon la procédure optimisée au

chapitre II. Trois niveaux de modification ont été réalisés pour chaque traitement en modifiant

la concentration en ester de vinyle (Tableau VI-1).

Tableau VI-1 Les différents traitements réalisés sur les placages de cèdre jaune

Esters de vinyle et leurs concentrations (mol/l) Contrôle

Benzoate de vinyle Cinnamate de vinyle 4-tert-butylbenzoate

de vinyle -

0,12 0,78 1,52 0,07 0,18 0,9 0,32 0,88 1,13 -

Traitement T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Les différents traitements ont été attribués aux différents placages au hasard, comme illustrés

par le tableau VI-2.

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Partie expérimentale

125

Tableau VI-2 Répartition des traitements sur l’ensemble des lots de placages de bois

Enveloppe (En) Bloc1 Bloc2 Bloc3 Bloc4 Bloc5 En1 T4 T8 T1 T5 T9 En2 T8 T1 T3 T4 T6 En3 T9 T4 T9 T2 T3 En4 T5 T2 T4 T1 T2 En5 T7 T9 T2 T9 T4 En6 T2 T5 T5 T10 T10 En7 T6 T6 T6 T3 T8 En8 T10 T7 T7 T7 T7 En9 T3 T10 T8 T8 T5 En10 T1 T3 T10 T6 T1

50 placages provenant des 5 blocs de bois différents (10 réplicats par bloc) ont donc été

estérifiés pour un traitement donné et le gain de masse moyen calculé.

II. Traitement des placages

Les réactions ont été conduites dans des tubes rodés de 30 ml, munis d’un agitateur

magnétique et surmontés d’un réfrigérant à eau et d’une colonne desséchante de CaCl2. Dans

chaque tube on introduit : 20 mL de DMF, 1,1 mmol de K2CO3/g de bois sec et une

concentration en ester de vinyle aromatique variant de 0,12 à 1,56 mol/L. Les réactions ont

été réalisées à 90°C pendant 3 h. Des gains de masse croissants sont obtenus en augmentant la

concentration en réactif.

III. Tests de vieillissement

La photostabilité du bois après modification chimique a été évaluée au cours d’un test

de vieillissement naturel. Les placages de bois traités et non traités (témoins) ont été exposés

aux aléas climatiques du ciel de Vancouver pendant 25 jours, en Août 2007. Pour un

traitement donné, 25 placages ont été conditionnés à 25°C et 65 % HR (contrôles) et 25

placages ont été exposés aux intempéries.

L’impact de l’exposition climatique sur les éprouvettes a alors été évalué en

comparant les contrôles avec les échantillons vieillis.

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BIBLIOGRAPHIE

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