Brevet FR2931094A1 — publié le 20091120

- 1 - Procédé de séchage rapide de bois humide permettant de limiter les déformations et la fissuration DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de séchage rapide au-dessus de 30°C par trempage d'un substrat en matériau comprenant du bois humide, par exemple du bois humide, dans un bain de résine liquide qui permet de limiter les déformations et la fissuration induites par le phénomène de contraction du bois. Dans la présente description, on entend généralement par "matériau comprenant du bois", un matériau comprenant une proportion majoritaire de bois. Par "proportion majoritaire", on entend généralement que le matériau comprend au moins 50% en 15 poids de bois. De préférence, ce matériau est constitué en totalité de bois. En outre, dans la description, le terme "bois" doit être généralement compris comme signifiant non seulement bois pur, mais aussi matériau comprenant du bois. 20 De même, dans la description, le terme "bois humide" doit être compris comme signifiant du bois comprenant au moins 30% massique d'eau par rapport à la masse de bois anhydre. Ce terme s'applique en particulier au "bois vert", c'est-à-dire au bois n'ayant pas encore subi de séchage après la coupe de l'arbre qui 25 l'a produit. Un "bois vert" avec toute sa sève, contient en moyenne plus de 50% de sa masse en eau. Ce procédé s'applique, en particulier, au traitement des bois difficiles à sécher, comme le chêne, l'eucalyptus ou comme certaines essences de bois exotiques qui présentent 30 l'inconvénient d'être très rigide et très sensibles à la perte d'eau pendant un cycle de séchage. En d'autres termes, le procédé de l'invention vise à réaliser le séchage rapide à température relativement élevée d'un substrat comprenant du bois humide, par exemple d'un 35 substrat en bois humide, permettant un meilleur comportement du substrat comprenant du bois pendant son séchage, avec peu de déformations, peu de gerçures et peu de fissuration. 10 5 15 20 25 30 35 - 2 - Ainsi, dans le domaine du séchage du bois, les industriels utilisent des étuves de séchage qui permettent de contrôler la température et l'humidité de l'air (hygrométrie)[l-3]. Des tables de séchage adaptées à la géométrie des éléments de bois sont disponibles pour les différentes essences de bois considérées. Cette approche est de loin la plus utilisée dans l'industrie de séchage du bois. Néanmoins, certaines essences restent très délicates au séchage, notamment le chêne, l'eucalyptus, les résineux et certaines essences exotiques comme l'ébène. Pour ces essences de bois, pourtant très utilisées dans l'industrie, il est nécessaire d'établir des tables avec des marges de sécurité importantes pour éviter d'endommager des grosses quantités de bois pendant leur séchage après la coupe des arbres. Ces marges de sécurité entraînent des délais supplémentaires significatifs pour le séchage, d'où un surcoût du séchage et une immobilisation du bois plus importante pour l'industriel. Dans le domaine industriel, il existe des procédés qui permettent d'accélérer le séchage. La lyophilisation qui permet de faire le séchage du bois sous vide [4-5], le chauffage du bois par micro-ondes [6-8] ou en surpression de vapeur d'eau [9]. Ces deux procédés permettent d'apporter des gains considérables en durée de séchage tout en limitant les déformations du bois. Néanmoins, ces deux procédés industriels restent très marginaux, car ils ne permettent pas de traiter de grosses quantités de bois et sont excessivement chers et peu accessibles aux industriels traditionnels du bois. Dans la bibliographie, il est aussi fait mention des procédés oléothermiques [10]. Cette technique consiste à immerger le bois dans des bains d'huiles de différentes natures à des températures largement supérieures à 100°C. Cette approche est très intéressante car l'huile permet de garantir une bonne homogénéité en température de toute la masse de bois que l'on désir sécher. La température élevée transforme rapidement l'eau liquide présente dans le bois en bulle de vapeur d'eau qui maintiennent les pores du bois sous pression et limitent leur déformation. Bien que le principe de ce procédé soit simple à mettre en oeuvre il présente l'inconvénient majeur de rendre le 10 15 20 25 30 35 - 3 - les bois très gras à l'issue du séchage, ce qui les rend impropres à de nombreuses applications. Par ailleurs, des essences très sensibles à l'effondrement cellulaire comme le chêne ou l'eucalyptus peuvent se déformer violemment avec éclatement du bois pendant un tel cycle de séchage à haute température qui favorise les chocs osmotiques. Enfin, l'emploi de températures de traitement supérieures à 100°C présente l'inconvénient de transformer chimiquement le bois par des réactions de thermocondensation des hémicelluloses. Ce phénomène entraîne à la fois un brunissement et une perte irréversible d'une partie des propriétés mécaniques initiales du bois. Il existe donc un besoin non encore satisfait pour un procédé qui permette de sécher rapidement des essences sensibles au séchage, avec un minimum de stabilisation dimensionnelle du bois, à faible coût avec un nombre limité d'étapes utilisant des équipements simples et permettant de traiter d'importants volumes (plusieurs mètres cube). Enfin, le procédé ne doit pas porter atteinte aux autres propriétés du substrat comprenant du bois, tel que le bois. Le but de l'invention est de fournir un procédé de séchage rapide au-dessus de 30°C d'un substrat en un matériau comprenant du bois humide, tel qu'un substrat en bois humide, qui satisfasse entre autres à l'ensemble des besoins mentionnés ci-dessus. Ce but et d'autres encore sont atteints, conformément à l'invention, par un procédé de séchage d'un substrat par immersion dans un bain de résine liquide à une température comprise entre 50 et 100°C. Le procédé selon l'invention est d'une très grande simplicité, et il ne met en oeuvre que des produits non toxiques pouvant être préparés à partir de composés d'un faible coût et déjà disponibles commercialement en très grande quantité. Il s'agit en fait d'un simple procédé d'immersion qui met en oeuvre des molécules extrêmement spécifiques et qui ne présente pas les inconvénients des procédés d'imprégnation de l'art antérieur mettant en oeuvre d'autres substances. Les résines liquides mentionnées ci-dessus sont choisies parmi les polyalkylènes glycol comme les polyéthylènes glycol de formule HO-[(CH2)2-O]n-H (où n est un nombre entier), ou les - 4 - polytétraméthylènes de glycol de formule HO-[(CH2)4-O]m,-H (où m est un nombre entier). Les formulations de résine de ces familles de produits sont choisies de telle manière à ce que leur point de fusion soit compris entre 30 et 100°C. Le bain de résine utilisé pour le séchage peut contenir soit une seule formulation de polyalkylène glycol, soit un mélange de plusieurs formulations différentes de polyalkylènes glycol. Il a été constaté de manière surprenante que le séchage du bois humide dans un bain de résines liquide à base de polyalkylènes glycol présentait l'avantage de maîtriser de manière satisfaisante le flux d'eau sortant et le flux de résine entrant dans la porosité naturelle du bois. Pour une raison inexpliquée les phénomènes d'osmose sont négligeables, et le départ de l'eau du bois reste moins rapide que son remplacement au sein de la structure du bois. La résine à base de polyalkylène glycol semble agir comme un "modérateur" hors du bois qui empêche l'eau de partir trop rapidement du bois. Néanmoins, contrairement à l'emploi de l'huile pour les procédés oléothermiques, les résines à base de polyalkylènes glycols sont suffisamment hydrophiles pour permettre le départ de l'eau sans nécessiter des températures supérieures à 100°C, c'est-à-dire sans atteindre le point d'ébullition de l'eau. L'invention va maintenant être décrite plus en détail dans ce qui suit. Le substrat comprenant du bois, séché selon l'invention, est un matériau comprenant du bois humide, de préférence, le substrat est constitué en totalité de bois humide (compte tenu des impuretés naturellement présentes dans le bois). Par substrat humide, on entend généralement un substrat dont la teneur en eau est supérieure ou égale à 30% massique par rapport à la masse de bois anhydre. Selon l'invention, le substrat comprenant du bois humide, est immergé totalement dans un bain de résines liquide à base d'une seule formulation de résine de polyalkylène glycol ou d'un mélange de plusieurs formulations différentes de polyalkylènes glycol. Le bain de résines contient avantageusement au moins 30% massique de polyalkylène glycol. Les formulations de ces résines sont choisies avec un point de fusion compris entre 30 et 100°C. - 5 - Parmi les résines de polyéthylènes glycols, il est possible de choisir le polyéthylène glycol 4000 (PEG 4000) de formulation HO-[(CH2)2-O]93-H et parmi les polytetraméthylène glycol, il est préférable d'utiliser le polytétraméthylène glycol 650 (PTMEG 650) de formulation HO-[(CH2)4-0]9-H qui ont respectivement un point de fusion de 60°C et 30°C. L'immersion peut être réalisée dans n'importe quel contenant calorifugé permettant de maintenir liquide le bain chauffé à base de résines de polyalkylènes glycol. L'immersion peut être mise en œuvre aisément dans des cuves munies d'éléments chauffants électriques. Il est souhaitable de maintenir ouvert à l'air libre la surface du bain liquide de résine afin d'éliminer l'eau de séchage. Afin de favoriser l'extraction de la vapeur d'eau, il est avantageusement possible de disposer d'une ventilation aspirante juste au-dessus de la cuve de séchage. Il est souhaitable de chauffer le bain de séchage à base de résine de polyalkylènes glycols à des températures supérieures à 50°C pour faciliter la cinétique d'extraction de l'eau du bois. Il est conseillé d'éviter de dépasser 100°C pour limiter les réactions de pyrolyse du bois à haute température. De préférence, il est donc préconisé de maintenir la température de chauffage du bain de séchage entre 50°C à 100°C. La mise en contact est généralement réalisée pendant une 25 durée d'une heure à 7 jours. Cette durée traitement n'est pas limitative, elle est très variable car elle dépendra fortement de la géométrie des substrats comprenant du bois, du taux de remplissage de la cuve de séchage, de la température du bain de séchage et de la quantité d'humidité initiale comprise dans le 30 bois. Par conséquent, les durées précédentes ne sont données qu'à titre indicatif et ne sont pas limitatives. Les multiples avantages et effets surprenants de l'invention peuvent être énumérés comme suit, sans que cette 35 énumération soit considérée comme limitative: -Le procédé mis en œuvre selon l'invention permet de garantir un bon comportement du bois lors de son séchage avec un 10 15 20 - 6 - taux de déformation négligeable et la disparition quasi complète des phénomènes de fissuration du bois. Les composés mis en oeuvre selon l'invention sont peu, voire pas nocifs, et sont donc faciles à utiliser dans un processus industriel. -Le coût du procédé permet son utilisation aisée dans l'industrie. -Le procédé selon l'invention permet de traiter aisément de gros volume de bois de manière homogène. -Le procédé de l'invention permet de sécher avec une relative sécurité des essences de bois particulièrement nerveuses, rigides et sensibles au séchage tel que le chêne, l'eucalyptus, des résineux ou certains essences exotiques comme l'ébène. La température de séchage choisie supérieure à 50°C permet 15 une rapidité de séchage acceptable dans le domaine du séchage industriel du bois. La température de séchage choisie inférieure à 100°C évite le brunissement du bois, ainsi que la perte irréversible d'une partie de ses propriétés mécaniques. 20 Il est possible d'associer le traitement de séchage avec d'autres traitements de finition du bois tel que le collage, le vernissage, le sciage, la peinture, Le procédé selon l'invention s'applique particulièrement au 25 domaine du séchage industriel du bois en particulier au séchage réalisé à partir de bois "vert" avec toute sa sève, c'est-à-dire juste après la coupe de l'arbre dont est issu le bois. Ainsi, le procédé selon l'invention est particulièrement destiné aux bois sensibles au séchage comme le chêne, 30 l'eucalyptus et certaines essences résineuses ou exotiques. Le procédé selon l'invention trouve aussi des applications dans le bâtiment, où le bois fait partie des charpentes, de mobiliers intérieurs), escaliers, parquets, etc ... Le procédé selon l'invention peut être appliqué au bois 35 utilisé pour les ouvrages d'art tel que passerelles, ponts, structures, charpentes et de manière générale aux objets contenant du bois. 5 10 20 25 - 7 - L'invention va maintenant être décrite en référence à trois exemples, donnés à titre illustratif et non limitatif. Exemple 1 Trois lames de chêne non préalablement séchées de dimensions 360 x 203 x 18mm sont considérées. L'humidité initiale des lames de chêne est comprise entre 50 et 70%. Sur chaque lame, une tranche est découpée, puis séchée normalement pour servir de référence. Un bac métallique dépourvu de couvercle est placé dans une étuve thermo régulée à la température de 65°C. Le bac est rempli de paillettes de polyéthylène glycol 4000 pur qui sont fondues progressivement. Lorsque la solution de polyéthylène glycol 4000 est liquide et qu'il ne reste plus de trace de paillettes, les lames sont introduites dans le bac métallique et sont immergées complètement dans le bain de résine. Elles doivent être lestées pour rester immergées pendant la durée totale du traitement. Des séparations entre les lames doivent être prévues pour permettre la libre circulation des liquides et faciliter les échanges entre le bois et le polyéthylène glycol. Ce séchage du bois en voie liquide va se poursuivre pendant une semaine. Les lames sont ensuite sorties et la surface du bois est rapidement rincée par trempage dans un bac d'eau chaude. Les lames sont ensuite pesées et mises à refroidir ; à ce stade les lames sont pratiquement sèches, le séchage va se poursuivre à l'air libre sans nécessiter de conditions particulières. Les résultats expérimentaux sont donnés dans le tableau ci-dessous: Masse Masse Variation Largeur Largeur Variation avant après de masse séchage séchage en % (g) (g) avant après de largeur en % séchage séchage (mm) (mm) Z 1208 1012 -16 204.1 198.1 -2.9 F 1117 918 -18 203.9 200.7 -1.6 C 1282 1003 -22 203.5 199.3 -2.1 Ref Z 58.9 34.2 -41.9 204.1 190.2 -6.8 Ref F 56.5 37.6 -33.4 203.9 193.7 -5.0 Ref C 69.4 43.3 -37.6 203.5 194.8 -4.2 - 8 - Les lames séchées dans le bain de résine sont exemptes de fissures, contrairement aux lames de référence. Exemple 2 Trois lames de chêne non préalablement séchées de dimensions 610 x 203 x 18mm sont traitées suivant la présente invention. L'humidité initiale des lames de chêne est comprise entre 50 et 70%. Sur chaque lame une tranche est découpée puis séchée normalement pour servir de référence. Un bac métallique est placé dans une étuve thermo régulée à la température de 65°C. Le bac est rempli d'un mélange eau/polyéthylène glycol 4000 avec une concentration de 33% en masse de polyéthylène glycol. Les lames sont introduites dans le bac métallique et sont immergées dans la solution. Elles doivent être lestées pour rester immergées pendant la durée totale du traitement. Des séparations entre les lames doivent être prévues pour permettre la libre circulation des liquides et faciliter les échanges entre le bois et le polyéthylène glycol Ce traitement du bois en voie liquide va se poursuivre pendant une semaine. Les lames sont ensuite sorties et la surface du bois est rapidement rincée par trempage dans un bac d'eau chaude. Ces lames sont ensuite pesées et mises à refroidir. Le séchage va se poursuivre à l'air libre sans nécessiter de conditions particulières. Les résultats expérimentaux sont donnés dans le tableau ci-dessous: Masse Masse Largeur Largeur Variation Avant Après Variation Avant Après de séchage séchage de Masse séchage séchage largeur (g) (g) en % (mm) (mm) en % M 2342 1550 -33.8 204.2 200.6 -1.76 0 2267 1540 -32.0 203.5 199.4 -2.01 P 2266 1626 -28.2 204.0 200.9 -1.52 Ref M 60.4 39.8 -34.1 204.2 196.2 -3.92 Ref 0 54.8 35.9 -34.5 203.5 194.1 -4.62 Ref P 56.6 36.2 -36.0 204.0 194.4 -4.70 Les lames séchées dans le bain de résine sont exemptes de fissures, contrairement aux lames de référence. - 9 - Exemple 3 Un morceau de lame de chêne non préalablement séché de dimensions 17 x 204 x 18 mm est traité suivant la présente invention. L'humidité initiale de la lame de chêne est comprise entre 50 et 70%. Un second morceau issu de la même lame et de mêmes dimensions est séché normalement, il servira de référence. Un bac métallique est disposé dans une étuve thermo régulée à la température de 65°C. Le bac est rempli de polytétraméthylene éther glycol 650 liquide à cette température. La lame est introduite dans le bac métallique, et immergée dans la solution. La lame doit être lestée pour rester immergée pendant la durée totale du traitement. Ce traitement du bois en voie liquide va se poursuivre pendant une semaine. La lame est ensuite pesée et mise à refroidir. Elle finie de sécher naturellement à l'air libre sans nécessiter de conditions particulières. La lame sèche est ensuite comparée à sa référence sèche. Les résultats expérimentaux sont donnés dans le tableau ci-dessous: Masse Masse Largeur Largeur Variation Avant Après Variation Avant Après de séchage séchage de Masse séchage séchage largeur (g) (g) en % (mm) (mm) en % A 60.1 55.8 -7.1 203.9 199.4 -2.2 Ref A 53.8 36.6 -32 203.9 195.2 -4.27 La lames séchée dans le bain de résine est exempte de fissures, contrairement à la lame de référence. REFERENCES [1] P. Garin et al., Procédé et installation de séchage du bois, Brevet N° FR 2636127 - 1990. [2] V.P. Golitsin et al., Procédé de séchage du bois, Brevet N° WO 2004099692 - 2004. [3] E. Lenglet et al., Procédé et installation de séchage d'un produit humide, Brevet N° FR 2614092 - 1988. [4] D.M. Echarren, Machine pour le séchage du bois, Brevet N° FR 2572170 - 1985. [5] V. Pagnozzi, Séchoir à vide pour bois de sciage, Brevet N° FR 2571833 - 1986. 35 -i0- [6] B. Dedieu, Procédé de séchage de bois de sciage, Brevet N° FR 2781710 - 2000. [7] C. Marzat, Procédé et dispositif de séchage rapide d'un matériau par application de micro-ondes, Brevet N° 2661978 - 5 1991. [8] M. Lamuraille, Dispositif de séchage par micro-ondes de pièces en bois, Brevet N° FR 2651874 - 1991. [9] M. Vanacker, Procédé et installation pour le séchage à grand débit de bois massif humide, Brevet N° FR 2660424 - 1981. 10 [10] J. Pejchert, Procédé de traitement des bois, Brevet N°2870476 - 2005. 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Procédé de séchage rapide d'un substrat en un matériau comprenant du bois humide, à des températures supérieures à 30°C caractérisé en ce que ledit substrat est immergé complètement dans un bain de résines liquide contenant au moins 30% massique de polyalkylènes glycol. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le bain de résines liquide contient une seule formulation de polyalkylène glycol, ou un mélange de plusieurs formulations de polyalkylène glycol 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le bain à base de résines de polyalkylène glycol contient du polyéthylène glycol de formule HO-[(CH2)2-O]ä-H (où n est un nombre entier). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 2, pour lequel le bain à base de résines de polyalkylène glycol contient du polytétraméthylène glycol de formule HO-[(CH2)9-0]n,-H (où m est un nombre entier). 5.Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, pour lequel les formulations de polyalkylène glycol sont choisies parmi le polyéthylène glycol 4000 (PEG 4000) et/ou le polytétraméthylène glycol 650 (PTMEG 650). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel le bain de résine liquide est chauffé à des températures comprises entre 50 et 100°C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bain de résines est disposé dans un 35 contenant calorifugé permettant l'extraction de la vapeur d'eau pendant toute la phase de séchage. 10 15 20- 12 - 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel il est possible d'associer le traitement de séchage avec d'autres traitements de finition du tel que le collage, le vernissage, le sciage, la peinture. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat en un matériau comprenant du bois humide peut être choisi parmi des bois dont le taux d'humidité massique dépasse 30% par rapport à la masse de bois anhydre. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les bois sont choisis à "l'état vert", c'est à dire avant séchage juste après la découpe de l'arbre qui a produit ledit substrat, quand le bois contient encore toute sa sève. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat en un matériau comprenant du bois est choisi parmi le chêne, l'eucalyptus, les résineux ou des essences exotiques comme l'ébène. 25 30 20 35