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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Study on the degradation mechanism of heat-treated wood by UV light

Huang Xianai. (2012). Study on the degradation mechanism of heat-treated wood by UV light. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Heat-treated wood is a wood product thermally treated at high temperatures in the range of 180°C and 240°C for its preservation without using any additional chemicals. Heat treatment modifies wood both chemically and physically. Amorphous polysaccharide content (hemicelluloses) decreases, condensation and demethoxylation of lignin take place, and certain extractives are removed. Consequently, heat-treated wood possesses new physical properties such as reduced hygroscopy, improved dimensional stability, better resistance to degradation by insects and micro-organisms, and attractive darker color. These new beneficial and attractive properties make heat-treated wood popular for indoor as well as outdoor applications.

However, similar to untreated wood, heat-treated wood is also susceptible to degradation due to environmental conditions. Weathering results in poor aesthetics for heat-treated wood because of the discoloration and surface checking when exposed to UV radiation. However, investigations on the wettability changes, chemical changes, and microscopic changes of heat-treated wood after exposure to artificial weathering are very limited; and there is no publication available in the literature on the degradation taking place due to the weathering of heat-treated North American jack pine, aspen, and birch used in this study.

This work was undertaken to study the weathering degradation mechanisms of the three North American regional species (jack pine (Pinus banksiana), aspen (Populus tremuloides\ and birch (Betula papyrifera)) heat-treated under different conditions to understand the chemical and physical changes taking place and to compare these changes with those of untreated controlled samples when they are exposed to artificial weathering with and without water spray for various periods. Several techniques and tools were used such as color measurement, contact angle test for wettability analysis, Fourier transforms infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for chemical analysis, florescence microscopy (FM), and scanning electron spectroscopy (SEM) for microscopic structural analysis. These provide a great deal of insight into the degradation process.

The results show that color changes occurring during weathering of heat-treated woods are due to the increasing lignin condensation and decreasing extractives content on wood surfaces caused by heat treatment. Changes in wettability during weathering of heattreated wood are induced by the combination of surface structural and chemical modifications. Lignin in heat-treated woods is more sensitive to weathering than other components. It is proposed that the weathering mechanism of heat-treated woods consists of the degradation of lignin matrix and extractives, which lightens the wood color. As a result, the color difference between the color of heat-treated wood before weathering and the color of the same wood during weathering increases with exposure time. Then, the leaching of other polymers present on wood surface takes place, consequently, the color returns back to its initial state and the color difference declines.

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Le traitement thermique du bois est une méthode qui consiste à chauffer le bois aux hautes températures entre 180°C et 240°C sans l'utilisation de produits chimiques additionnels, conduisant aux modifications physique et chimique des composés du bois. La teneur des polysaccharides amorphes diminue (hémicelluloses), les réactions de condensation et de déméthoxylation de la lignine ont lieu et certains extractibles du bois sont dégradés. Ceci confère au bois traité thermiquement de nouvelles propriétés physiques telles que la réduction de l'hygroscopicité, l'amélioration de la stabilité dimensionnelle, une meilleure résistance à la dégradation par les micro-organismes et les insectes ainsi qu'une couleur du bois plus foncée. Ces nouvelles propriétés avantageuses et attrayantes rendent le bois traité thermiquement populaire pour des applications extérieures et intérieures.

Toutefois, le bois traité thermiquement, tout comme le bois non traité, est susceptible à la dégradation due aux facteurs environnementaux. L'exposition du bois traité thermiquement au rayonnement UV provoque une décoloration à la surface du bois. Cependant, les études sur la mouillabilité, les changements chimiques et microscopiques du bois thermiquement modifié après exposition au vieillissement accéléré sont très limitées. De plus, il n'y a aucune publication disponible dans la littérature sur l'altération du pin, du peuplier faux tremble et du bouleau blanc nord-américain traités thermiquement qui sont utilisés dans cette étude.

Ce projet a pour but d'étudier les mécanismes de dégradation suite à l'altération de trois espèces de bois traité thermiquement des régions nord-américaines sous différentes conditions, pour comprendre les changements physiques et chimiques qui surviennent en comparaison aux échantillons témoins, non traités quand ils sont exposés au vieillissement accéléré avec et sans d'eau pour différentes périodes. Plusieurs techniques et outils ont été utilisés tels que la colorimétrie, la mesure de l'angle de contact pour l'analyse de la mouillabilité, la spectroscopie infrarouge (FTIR) et la spectroscopie photoélectron (XPS) pour l'analyse chimique, et la spectroscopie électronique à balayage (MEB) pour l'analyse structurelle et microscopique. Ces analyses et tests permettent de fournir les éléments pour une meilleure compréhension du processus de dégradation.

Les résultats obtenus montrent que les changements de couleurs survenus pendant les tests de vieillissement accélérés du bois traité thermiquement étaient dus à l'augmentation de la condensation de la lignine et à la diminution de la teneur des extractibles à la surface du bois causées par le traitement thermique. Les changements de mouillabilité pendant la dégradation du bois traité thermiquement sont induits par la combinaison des changements structurels à la surface du bois et des modifications chimiques. La lignine du bois traité thermiquement est plus sensible aux tests de vieillissement que les autres composés. Le mécanisme de dégradation du bois traité thermiquement pourrait être dû à l'altération de la lignine et des extractibles, ce qui éclaircit la couleur du bois.

La différence entre la couleur du bois traité thermiquement avant les tests de vieillissement et la couleur de la même essence de bois pendant le vieillissement augmente. Puis, le lessivage des autres polymères présents à la surface du bois prend place, par conséquent, la couleur reprend son état initial induisant ainsi une baisse dans la différence de couleur.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2012
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:243
ISBN:9781412319034
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Sciences naturelles et génie > Génie > Génie physique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Kocaefe, Duygu
Kocaefe, Yasar S.
Mots-clés:Bois--Traitement thermique--Détérioration, Pin--Amérique du Nord, Peuplier faux-tremble--Amérique du Nord, Bouleau à papier--Amérique du Nord, Wood--Heat treatment--Deterioration, Pine--North America, Populus tremuloides--North America, Paper birch--North America
Déposé le:17 avr. 2014 14:07
Dernière modification:20 mai 2016 12:26
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