Propriétés thermiques des lamelles de bois traitées par des agents de retardement de feu

Le bois est l’un des plus anciens matériaux utilisés par l’être humain. Il dispose de nombreux atouts qui en font un matériau idéal pour la construction, en plus de ses qualités esthétiques, c’est un matériau résistant, léger, isolant et renouvelable. Actuellement, il est employé comme matériau massif dans la construction et les aménagements extérieurs.

L’utilisation du bois et des produits du bois pour la construction des édifices publiques est assujettie à plusieurs réglementations et normes relativement à leur sécurité à la fois en termes de résistance au feu, de résistance mécanique, de durabilité et d’émission de composés organiques volatiles. Parmi les réglementations, l’utilisation des produits à l’épreuve de f eu est obligatoire dans les codes des bâtiments en Europe et en Amérique du Nord (Wang et Zhang 2008).

Les travaux antérieurs sur le traitement d ‘ignifugation du bois montrent que plusieurs produits chimiques ont été évalués pour leur efficacité comme retardateurs du feu. La majorité des produits ignifuges utilisés aujourd’hui incluent des produits chimiques réduisant la quantité de vapeurs combustibles, diminuant la température d’ initiation de la pyrolyse et augmentant la quantité de charbon (Shafizadeh 1984; Rowell et al. 2005).

Les traitements d’ imprégnations du bois avec des sels inorganiques présentent des meilleures propriétés thermiques, et habituellement le bois traité par ce type de traitement est plus hygroscopique que le bois non traité (FPL 1999). Fort de ce constat, il était question dans le cadre de ce projet de recherche de choisir des produits chimiques à base de sels de sodium et de phosphate.

Anatomie du bois 

Le bois est un matériau vivant, composé d’un ensemble de tissus cellulaires, de consistance plus ou moins dure, formant la masse principale du tronc des arbres. C’est un matériau qui présente des tissus hétérogènes et organisés. Il existe deux classes d’arbres: les résineux et les feuillus. La structure du bois des résineux est relativement simple et uniforme. Les mêmes cellules, les trachéides, orientées verticalement, assurent la conduction de la sève et de support mécanique. La structure du bois des feuillus est beaucoup plus complexe. Le nombre d’éléments constitutifs est plus grand et leur agencement plus variable. Le bois est constitué de vaisseaux, de fibres ligneuses et de cellules parenchymateuses. Il s’agit d’un matériau orthotrope, possédant une structure orientée selon trois directions principales : longitudinale, radiale et tangentielle. Les propriétés mécaniques, physiques, thermiques et hydriques varient selon la direction observée (Milton 1994; H aygreen et Bowyer 1996; Cloutier 2002).

Compositions chimiques

La cellulose
La cellulose étant le principal composé de la plupart des matériaux lignocellulosiques, elle constitue 40 à 45 % de la masse anhydre du bois. C’est un polymère de degré de polymérisation d’environ 15 000 unités (C₆H₁₀O₅ )n, formé par des chaînes d’unités glucopyranoses, liées entre elles par des liaisons glycosuriques. Ces chaînes linéaires ont tendance à faire des liaisons hydrogène inter et intramoléculaires pour créer des fibrilles élémentaires. Ces fibrilles sont à leur tour agrégées en rrùcro-fibrilles, qui présentent à la fois des régions ctistallines et des régions amorphes (Bowyer et al. 2005).

La cellulose est considérée corrnne le constituant du bois le plus stable chirrùquement et thermiquement. Elle joue un rôle primordial dans la tenue mécanique de la paroi cellulaire des fibres du bois.

Les hémicelluloses
Les hémicelluloses sont des polymères de degré de polymétisation d’environ 150. Ils contiennent une grande variété de polysaccharides tels que: le glucose, le galactose, la xylose, l’arabinose, le mannose et l’acide monique. Les hémicelluloses sont également des matériaux de support des parois cellulaires. Leur quantité totale varie de 20 à 30% en masse anhydre suivant les essences (Joseleau 1980).

Les lignines
Les lignines sont des polymères polyphénoliques, de masses moléculaires élevées, de compositions et de structures variables et complexes. Ses principales fonctions dans le bois est d’assurer le lien entre les fibres et de jouer le rôle d’une barrière protectrice contre l’attaque microbienne du végétal. La lignine est de nature aromatique formée de plusieurs composés phénoliques. Sa structure chimique est très complexe, il existe au moins trois types de monomères différents soit l’alcool courmarylique, l’alcool sinapylique et l’alcool coniférylique .

Les extractibles
Les extractibles, des constituants non structuraux de faible masse moléculaire, sont des composés solubles dans l’eau ou dans les solvants organiques. Leur composition et leur quantité varient d’une espèce d’arbre à 1 ‘autre, et également à l’intérieur de l’arbre. Les extractibles se composent principalement de quatre composés chimiques. D’abord on trouve les trapénoïdes et les stéroïdes, qui sont des composés chimiques dérivés de 1 ‘isoprène, possédant des propriétés odoriférantes très importantes. On trouve aussi des sels minéraux à base de calcium, de magnésium et de potassium. Les gommes, les graisses et les cires sont également présentes dans les parenchymes (Kotilainen et Toivanen 2000).

Propriétés thermiques du bois 

Pyrolyse et combustion
Le comportement au feu du bois dépend de plusieurs processus chimiques qui interviennent au cours de leur dégradation thermique. La pyrolyse est la dégradation thermique des matériaux carbonés à des températures se situant entre 200 oc et 700 °C pour le bois, en absence complète d’oxygène ou en quantité réduite, ainsi la gazéification n ‘ a pas lieu à un taux important. Par contre, la combustion se produit en présence d’oxygène à une température supérieure à 750 °C. En effet, ce sont les composés volatils combustibles libérés au cours de la décomposition du bois qui vont s’enflammer au contact de l’air lorsque la concentration de ces derniers et la température atteignent le point d’allumage. Pour qu’une combustion prenne naissance, trois conditions doivent être réunies simultanément:

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– Combustible ou matière inflammable (Bois)
– Comburant c’est l’élément qui se combinant avec le combustible permet la combustion (air ou oxygène)
– Source d’énergie nécessaire au démarrage de la combustion (flamme ensuite la chaleur de combustion)

Si l’on modifie l’un ou plusieurs de ces éléments (dilution des gaz combustibles provenant du bois avec des gaz non combustibles, ou la réduction de la chaleur moyenne de la combustion des gaz volatils libérés au cours de la pyrolyse) la combustion est fortement ralentie (Bourbigot et al. 1998).

Au cours de la pyrolyse, l’instabilité moléculaire des constituants augmente, jusqu’à ce que des cassures entre les liaisons inter et intra moléculaires des composés organiques soient obtenues. Les liaisons les plus faibles sont les premières à être brisées pour produire des composés organiques volatils et des gaz combustibles, lorsque la température augmente à 750 oc et plus, on observe une repolymérisation de ces composés organiques. On peut donc résumer la pyrolyse à l’étape de craquage moléculaire précédant une re-polymérisation des composés non volatilisés à température plus élevée.  Par contre, la combustion est une réaction chimique à température élevée en présence de l’oxygène et des combustibles volatils issus de la pyrolyse (Shafizadeh 1981; Mourant 2007).

Le processus de la pyrolyse et de la combustion . L’image (a) présente le chauffage externe et l’augmentation de la température du bois, suivie pas l’image (b) où la pyrolyse commence et la structure chimique du bois est décomposée. En fin l’ étape (c) illustre l’amorcement de la combustion, réaction des produits de pyrolyse avec l’oxygène dégageant la chaleur, provoquant ainsi une réaction en chaîne en forte croissance.

La cellulose a été étudiée plus fréquemment que d’autres composants, car c’est le principal responsable de la production des gaz volatils, tandis que la lignine conduit essentiellement aux goudrons et au charbon (Broido et Weinstein 1970). Le mécanisme de la décomposition de la cellulose a été étudié par (Kilzer et Broido 1965). Dans cette étude, la décomposition thermique de la cellulose a été divisée en trois étapes. D’abord (1) la déshydratation de cellulose a lieu à environ 200 oc à 280°C, ensuite, (2) la dépolymérisation de cellulose à environ 280 oc à 340 °C, les principaux produits de la dépolymérisation sont le CO, le CO₂, l’eau et des résidus de charbon. La troisième étape (3) la décomposition a lieu à environ de 320 °C.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I ÉTAT DES CONNAISSANCES
1.1 ANATOMIE DU BOIS
1.2 COMPOSITIONS CHIMIQUES
1. 2.1 La cellulose
1. 2.2 Les hémicelluloses
1.2.3 Les lignines
1.2.4 Les extractibles
1.3 PROPRIÉTÉS THERMIQUES DU BOIS
1. 3.1 Pyrolyse et combustion
1.3.2 Décomposition thermique du bois
1. 4 MÉTHODES DE CARACTÉRISATION THERMIQUE DU BOIS
1.4.1 L’analyse thermogravimétrique (TGA)
1.4.2 L’analyse thermique différentielle (DTA)
1.4.3 L ‘analyse par calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
1.4.4 Analyse thermique de volatilisation (TVA)
1.4.5 Test de propagation de laflamme
1.4.6 Essai d’indice critique d’oxygène
1.4. 7 Autres méthodes
1.5 TRAITEMENT D’IGNIFUGATION DU BOIS
1.5.1 Généralités sur l’imprégnation du bois
1.5.2 Retardement dufeu
1.5.2.1 Traitement du bois avec des produits chimiques qui favorisent la formation de charbon à des températures plus faibles que le bois non traité
1.5.2.2 Produits chimiques qui agissent comme radicaux libres pour piéger les flammes
1.5.2.3 Composants chimiques utilisés pour former un revêtement à la surface du bois
1.5.2.4 Traitements spéciaux pour augmenter la conductivité thermique du bois
1.5.2.5 Traitements spéciaux pour diluer les gaz combustibles provenant du bois avec des gaz non combustibles
1.5.2.6 Traitements spéciaux pour réduire la teneur des gaz volatils
1. 6 CHIMIE DES RETARDEMENTS DE FEU
1. 6. 1 Le phosphore
1.6.2 Lebore
1.6.3. L ‘A.zote
CHAPITRE II MATÉRIEL ET MÉTHODES
2.1 M ATÉRIEL
2.1.1 Les lamelles du bois
2.1.2 Les produits chimiques utilisés et la procédure de traitement des lamelles
2. 2 M ÉTHODES
2.2.1 L’analyse thermogravimétrique (TGA)
2.2.2 L’analyse de la calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
CHAPITRE III RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
3.1. LE TAUX DE RÉTENTION
3.2 L ES PROPRIÉTÉS THERMIQUES
3.2.1 L’analyse thermogravimétrique (TGA)
3.2.1.1 La dégradation thermique des lamelles
3.2.1.2 La perte de masse à 550 oc
3.2.1.3 La masse du résidu à 550 oc
3.2.1.4 Température de début et de la fin de la dégradation
3.2.2 Analyse par calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
3.2.2.1 Enthalpies de cristallisation et de fusion
3.2.2.2 Température de pic de cristallisation et de fusion
CONCLUSION

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