Development and study of PEC for wood fire-retardancy applications
Résumé
Fire protection has been a major issue in wood construction for many years. The demand for high-performance green treatments that respect the physical and chemical characteristics of the material has been accentuated in recent years with the rapid expansion of wood construction. So far, two major approaches are used in wood fire-protection : bulk impregnation and surface coating. These two have been widely studied but present either cost problems relative to impregnation, or durability issues for the coating. Alternative treatments have been explored, such as layer-by-layer coatings, but its processing time, due to the alternate deposition of positive (polycationic) and negative (polyanionic) layers, on the wood is redhibitory for industrial application. Polyelectrolyte complexes (PEC) are made of polyanion and polycation in water-based solutions and present an interesting alternative to layer-by-layer coating. They have been widely studied in various fields including drug delivery, cosmetic and nutrition, surface treatment. In the flame-retardancy literature, PECs properties are rarely
characterized outside of the material while it is well known that their properties are depending on polyanion/polycation ratio, concentration, pH and salt concentration. In the perspective of determining rapidly the best PEC formulation, this study aims to propose a methodology to evaluate the fire-retardancy of a PEC, comprising polyethylenimine (PEI) and sodium phytate (SPA), outside of the wood. The development of this approach could allow to accelerate research in fire-retardancy while limiting large scale tests. First, PECs at various ratio PEI:SPA
were free-dried and chemically characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). Thermal stability and hygroscopicity were also studied to determine PECs with a potential interest on wood fire retardancy. After these first characterizations, yellow birch wood was treated by vacuum surface impregnation. This technic has been chosen as it allows a concentration of fire-retardant in the surface exposed to the fire while limiting treatment time, weight gain and costs. Then fire-retardancy treated wood was characterized by various techniques including thermogravimetric analysis and cone calorimeter to validate tendency found in the first stage and the study.
La protection contre l'incendie est un problème majeur dans la construction en bois depuis de nombreuses années. La demande de traitements verts de haute performance qui respectent les caractéristiques physiques et chimiques du matériau s'est accentuée ces dernières années avec l'expansion rapide de la construction en bois. Jusqu'à présent, deux approches principales sont utilisées dans la protection du bois contre le feu : l'imprégnation en masse et le revêtement de surface. Ces deux méthodes ont été largement étudiées, mais elles posent des problèmes de coût en ce qui concerne l'imprégnation, ou des problèmes de durabilité en ce qui concerne le revêtement. D'autres traitements ont été explorés, tels que les revêtements couche par couche, mais leur temps de traitement, dû au dépôt alterné de couches positives (polycationiques) et négatives (polyanioniques) sur le bois, est rédhibitoire pour une application industrielle. Les complexes polyélectrolytes (PEC) sont composés de polyanions et de polycations dans des solutions à base d'eau et constituent une alternative intéressante au revêtement couche par couche. Ils ont été largement étudiés dans divers domaines, notamment l'administration de médicaments, la cosmétique et la nutrition, le traitement de surface. Dans la littérature sur l'ignifugation, les propriétés des PEC sont rarement caractérisées à l'extérieur du matériau, alors qu'il s'agit d'un matériau de base.
Dans la littérature sur l'ignifugation, les propriétés des PEC sont rarement caractérisées en dehors du matériau alors qu'il est bien connu que leurs propriétés dépendent du rapport polyanion/polycation, de la concentration, du pH et de la concentration en sel. Dans l'optique de déterminer rapidement la meilleure formulation de PEC, cette étude vise à proposer une méthodologie pour évaluer la résistance au feu d'un PEC, composé de polyéthylèneimine (PEI) et de phytate de sodium (SPA), à l'extérieur du bois. Le développement de cette approche pourrait permettre d'accélérer la recherche en matière d'ignifugation tout en limitant les essais à grande échelle. Tout d'abord, des PECs à différents ratios PEI:SPA ont été séchés à l'air libre et caractérisés chimiquement par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). La stabilité thermique et l'hygroscopicité ont également été étudiées afin de déterminer les PEC présentant un intérêt potentiel pour l'ignifugation du bois. Après ces premières caractérisations, le bois de bouleau jaune a été traité par imprégnation de surface sous vide. Cette technique a été choisie car elle permet de concentrer le produit ignifuge sur la surface exposée au feu tout en limitant le temps de traitement, le gain de poids et les coûts. Ensuite, le bois ignifugé a été caractérisé par différentes techniques dont l'analyse thermogravimétrique et le calorimètre à cône afin de valider les tendances observées lors de la première étape de l'étude.