Polyelectrolyte complexes vacuum impregnation in yellow birch fire-protection
Résumé
Rapid expansion of wood construction, especially multi-residential construction, requires high fire performance of wood floorings. Fire retardant treatments need to be environment-friendly and preserve physical and chemical properties of wood material, such as its dimensional stability. Halogenated fire-retardant (FR) compounds were commonly used from the 70’s for their low-cost and high efficiency. When heated, they form radicals, which recombine with high energy radicals of the flame such as H or OH . This disturbs the chain reactions of the combustion and causes reduction of oxidative character of the flame1. However, evidence of the toxicity of some halogenated FR has limited their use in Europe since 20102, in Canada3 and in several states of USA4. Therefore, non-toxic alternatives are developed and among them an increasing interest for phosphate compounds is noticed. In this context, the study of polyelectrolyte complexes (PEC) is at its early stage for wood, but their versatility and eco-friendly character are already appreciated for the fire retardancy of fabrics5. This study compares the efficiency of water-based solutions containing polyelectrolyte complexes (PEC) consisting of polyethylenimine (Mw = 600 g/mol) and sodium hexametaphosphate at different concentrations (10 wt.-% / 20 wt.-%, 15 wt.-% / 30 wt.-% and 22.5 wt.-% / 45 wt.-%) to improve the fire behaviour of yellow birch. The samples were prepared by surface vacuum impregnation, allowing relatively large mass gains in a very short time. The technology is therefore industrially viable from the processing perspective. Mass loss calorimeter experiments were performed to evaluate the efficiency of the treatments and revealed that fire-performance is not conditioned by initial solutions concentrations. PECs allows a 20 % reduction of PHRR and TGA revealed that thermal stability at high temperature is increased. Samples were also observed with Electron Probe Microanalysis to evaluate the penetration of PEC in the sample. Dynamic vapor sorption measurements were performed on treated samples. Wood hygroscopicity is impacted by the presence of PEC. This represents a challenge to insure use of this technique.
L'expansion rapide de la construction en bois, en particulier de la construction multi-résidentielle, exige une haute performance au feu des planchers en bois. Les traitements ignifuges doivent être respectueux de l'environnement et préserver les propriétés physiques et chimiques du bois, telles que sa stabilité dimensionnelle. Les composés ignifuges halogénés ont été couramment utilisés à partir des années 70 en raison de leur faible coût et de leur grande efficacité. Lorsqu'ils sont chauffés, ils forment des radicaux qui se recombinent avec les radicaux à haute énergie de la flamme tels que H ou OH . Cela perturbe les réactions en chaîne de la combustion et réduit le caractère oxydatif de la flamme1. Toutefois, les preuves de la toxicité de certains FR halogénés ont limité leur utilisation en Europe depuis 20102, au Canada3 et dans plusieurs États des États-Unis4. C'est pourquoi des alternatives non toxiques sont développées et parmi elles, les composés phosphatés suscitent un intérêt croissant. Dans ce contexte, l'étude des complexes polyélectrolytes (PEC) n'en est qu'à ses débuts pour le bois, mais leur polyvalence et leur caractère écologique sont déjà appréciés pour l'ignifugation des tissus5. Cette étude compare l'efficacité de solutions à base d'eau contenant des complexes polyélectrolytes (PEC) constitués de polyéthylèneimine (Mw = 600 g/mol) et d'hexamétaphosphate de sodium à différentes concentrations (10 % en poids / 20 % en poids). % / 20 % en poids, 15 % en poids / 30 % en poids et 22,5 % en poids / 45 % en poids) pour améliorer le comportement au feu du bouleau jaune. Les échantillons ont été préparés par imprégnation sous vide en surface, ce qui permet d'obtenir des gains de masse relativement importants en très peu de temps. La technologie est donc industriellement viable du point de vue du traitement. Des expériences de calorimètre à perte de masse ont été réalisées pour évaluer l'efficacité des traitements et ont révélé que la performance du feu n'est pas conditionnée par les concentrations initiales des solutions. Les PEC permettent une réduction de 20 % du PHRR et l'ATG a révélé une augmentation de la stabilité thermique à haute température. Les échantillons ont également été observés par microanalyse à sonde électronique afin d'évaluer la pénétration des PEC dans l'échantillon. Des mesures dynamiques de sorption de vapeur ont été effectuées sur les échantillons traités. L'hygroscopie du bois est affectée par la présence de PEC. Ceci représente un défi pour assurer l'utilisation de cette technique.