EP0282380A1 - Compositions destinées au traitement du bois et procédés de traitement du bois - Google Patents

Compositions destinées au traitement du bois et procédés de traitement du bois Download PDF

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EP0282380A1
EP0282380A1 EP88400352A EP88400352A EP0282380A1 EP 0282380 A1 EP0282380 A1 EP 0282380A1 EP 88400352 A EP88400352 A EP 88400352A EP 88400352 A EP88400352 A EP 88400352A EP 0282380 A1 EP0282380 A1 EP 0282380A1
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EP
European Patent Office
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wood
lanthanide
composition
treatment
pressure
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EP88400352A
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Peter S. Gradeff
John F. Davison
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Rhodia Chimie SAS
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Rhone Poulenc Chimie SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
    • B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
    • B27K3/16—Inorganic impregnating agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
    • B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
    • B27K3/34—Organic impregnating agents
    • B27K3/36—Aliphatic compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
    • B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
    • B27K3/34—Organic impregnating agents
    • B27K3/38—Aromatic compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27K—PROCESSES, APPARATUS OR SELECTION OF SUBSTANCES FOR IMPREGNATING, STAINING, DYEING, BLEACHING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS, OR TREATING OF WOOD OR SIMILAR MATERIALS WITH PERMEANT LIQUIDS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CHEMICAL OR PHYSICAL TREATMENT OF CORK, CANE, REED, STRAW OR SIMILAR MATERIALS
    • B27K3/00—Impregnating wood, e.g. impregnation pretreatment, for example puncturing; Wood impregnation aids not directly involved in the impregnation process
    • B27K3/02—Processes; Apparatus
    • B27K3/08—Impregnating by pressure, e.g. vacuum impregnation

Definitions

  • the present invention relates to a composition intended for the treatment of wood.
  • the invention also relates to the methods of treating wood with said composition.
  • organic preservatives are exude wood and can then be leached from the surface or evaporated. In order to compensate for the losses of said protective agents, high initial retentions are required. In tropical areas and in regions with high rainfall, the use of organic protective agents has proven uneconomical. Another disadvantage of some organic protective agents is that they can be considered as skin irritants and can cause burns. In addition, organic agents such as creosote cannot be painted and have an unsightly appearance. In addition, said agents often have toxic side effects.
  • Aqueous protective agents are those which contain chemical protective agents in the form of aqueous solutions. These agents react inside the wood to form compounds whose solubility can be increased by adjusting the pH. When chemical changes occur inside the wood leading to compounds with very low solubility, these compounds are said to be resistant to leaching. Those which form soluble compounds are said to be “leachable”.
  • CCA copper chromate solution acid
  • CCA arsenate and copper chromate solution
  • ACA cuprous ammonium arsenate solution
  • Leachable aqueous protective agents include mixtures of zinc chloride and chromate, phenol, arsenate and chromium fluoride and boron compounds. Leachable aqueous protective agents may only be used for the treatment of wood used indoors or which is not exposed to severe leaching conditions.
  • aqueous protective agents has many advantages: cleanliness, possibility of painting treated wood, absence of odor and, when applied correctly, more durable protection of the wood.
  • US Pat. No. 2,565,175 to Häger describes a wood treatment process using specific protective agents in combination with specific methods and conditions for penetration and distribution of these protective agents inside the wood.
  • One of the protective agents is CCA, to which ammonia is added to make the treatment solution alkaline. The addition of ammonia prevents the rapid fixation of the protective agent in the wood.
  • the protective agent is introduced into the wood and it is ensured that it does not dry during a period during which there is no fixing of the protective agent which diffuses then through the cell walls. Then we dry the wood.
  • US Patent 4,325,993 to Schroder describes a process for protecting wood against attack by living organisms, for example fungi and insects.
  • the process can include one or two steps.
  • there is a fungicidal stage which consists in introducing a copper solution into the wood and an insecticidal stage which consists in introducing a chromium-arsenic solution.
  • Lanthanide derivatives are used in the manufacture of glass, ceramics, paints, plastics and rubber.
  • Compositions based on cerium compounds are known to have bactericidal effects, for example compositions comprising cerium nitrate and silver sulfadiazine (Boeckx et al., Burns vol. 11, no. 5 (1985) pp 337-342; Monafo, 3rd International Congress on Pharmacological Treatment of Burns , Milan, Italy, May 12-15, 1980, Panmainerva Med. , vol 25, n ° 3 (1983) pp. 151-154; Bowser et al., J. Trauma . flight. 21, n ° 7 (1981) pp.
  • Cerium derivatives are also used as additives in plastics for food packaging.
  • One of the objectives of the present invention is to provide a new composition intended for the treatment of wood.
  • Another object of the present invention is to provide a new, safe process for treating wood with water-soluble compositions.
  • Another objective of the invention is to achieve a permanent bond of the lanthanide ions with the fibers of the wood.
  • Another object of the present invention is to delay combustion and to prevent degradation of the wood due to bacteria, insects, fungi and weather conditions.
  • the present invention meets the aforementioned objectives as well as others set out later in the description.
  • the subject of the present invention is a composition intended for treating wood, characterized in that it comprises at least one lanthanide derivative in aqueous solution.
  • the invention also relates to a method of treating wood by impregnation using a composition comprising an aqueous solution of one or more lanthanide derivatives or of one or more derivatives of different lanthanides.
  • the wood is impregnated by one or a combination of several known techniques, chosen so that the desired degree of penetration is obtained according to the intended use. This includes pressure treatments, vacuum treatments, surface treatments such as immersion, spraying and brushing, so-called "full cell” treatments, including both a preliminary treatment under vacuum and impregnation under pressure leading to a more or less complete filling of the cell cavities, as well as all the other known treatment methods.
  • a first variant of the invention lies in a treatment of wood which consists: - bringing the wood into contact with a composition comprising an aqueous solution of at least one lanthanide derivative to impregnate the wood with said derivatives, - allow the wood-solution complex to air dry, - aging the wood-solution complex for a sufficient time to obtain a bond between the lanthanide element and the wood.
  • Another variant of the process of the invention consists: - subject the wood to vacuum treatment, - Introducing a composition comprising an aqueous solution of at least one lanthanide derivative and bringing the wood and said composition into contact for a sufficient time to obtain a bond between the lanthanide element and the wood.
  • Another variant of the process of the invention resides in a process for treating pressure wood characterized in that it consists: - immersing the wood in a composition comprising an aqueous solution of at least one lanthanide derivative, - to maintain a high pressure for a sufficient time to obtain a connection between the lanthanide element and the wood.
  • the invention also relates to a composition comprising wood or wood derivatives and lanthanides or lanthanide derivatives.
  • the lanthanide or the lanthanide derivative expressed as lanthanide oxide, represent between approximately 0.10% and approximately 5.0% and, preferably, between approximately 0.10% and approximately 2.0% by weight of the composition.
  • This composition resists the degradation which occurs on woods, free from lathanides, exposed to wood destroying organisms such as bacteria, insects and fungi as well as to environmental pollution.
  • the wood is treated with an aqueous solution comprising one or more lanthanide derivatives.
  • the wood protection treatment can be applied to any form or type of wood: felling wood, construction wood, piles, cable-bearing posts, fence posts, plywood, joists and floors, wood for residential construction or commercial, shipbuilding wood, lumber, fibers for laminated materials, pulp, cooling towers, wood for storing crops and transporting food.
  • the term "wood”, as used herein, is not limited to the above list.
  • the lanthanide derivatives which are suitable are the lanthanides: lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutetium or their mixtures.
  • the preferred lanthanides are cerium, lanthanum, praseodymium and neodymium. Cerium can be trivalent or tretavalent.
  • the lanthanide cation can be linked to an inorganic anion such as nitrate, chloride, sulfate, perchlorate, phosphate or phosphonate.
  • the lanthanide cation can also be linked to an organic ligand, such as low carbon condensation alkyl carboxylate, for example acetate, propionate, acrylate, methacrylate, gluconate, lactate, alkyl sulfonate or alkyl phosphonate. Derivatives with both organic and inorganic ligands are also suitable for the present invention.
  • Lanthanide derivatives can be used alone or in admixture with other wood treatment agents, such as flame retardants, coloring agents, anti-cracking agents, anti-static agents, dimensional stabilizers, film-forming agents, wood softening agents and other biocidal agents, such as fungicides, bactericides, herbicides, insecticides, algicides.
  • other wood treatment agents such as flame retardants, coloring agents, anti-cracking agents, anti-static agents, dimensional stabilizers, film-forming agents, wood softening agents and other biocidal agents, such as fungicides, bactericides, herbicides, insecticides, algicides.
  • the lanthanide derivatives must be soluble in water, preferably in an amount of at least about 0.1% by weight.
  • concentrations lower than 0.1% by weight is not economical. Concentrations between about 0.1 and about 10% are preferred although larger concentrations can be used. The concentrations chosen between approximately 0.5 and approximately 2.5% are particularly preferred.
  • the interaction between the lanthanide ion and the wood according to the process of the invention is a crosslinking of the cellulose fibers with the lanthanide ion.
  • the lanthanide ion is also believed to bind with other wood compounds, such as lignin and rosin, which provide active sites for chemical bonds.
  • the bond could involve one or more valences of the lanthanide element.
  • Crosslinking occurs in a range of relatively neutral pHs or acidic pHs (less than about 7). The interaction is faster during treatment under hydrostatic pressure or under vacuum and slower during surface treatment.
  • the compositions are applied so that the lanthanide cation penetrates into the wood fibers and reacts with the hydroxy sites or other active sites in the wood.
  • the time required to achieve a sufficient number of permanent bonds between the lanthanide and the wood depends on several factors, for example, the type of treatment, the type of wood to be treated as well as the conditions in which the material is found before treatment.
  • the lanthanide derivatives can be applied to wood according to any known method, in particular those described in the above-mentioned "Book of Standards”.
  • wood conditioning methods comprising preliminary steps intended to increase the penetration of the lanthanide compositions into the wood. Mention may be made of the stages of drying in air, in an oven, under vacuum, in steam or a combination thereof.
  • composition of the invention can be applied according to a surface treatment, for example, immersion, spraying or brush application.
  • the treatment can be single or repeated in combination with other agents or alternately with different concentrations of the treating solutions depending on the degree of penetration sought.
  • the treatment can be carried out around room temperature or at higher temperatures.
  • composition of the invention in a vacuum treatment which can be broken down into two stages.
  • Pre-conditioned wood requires less time and vacuum than wet wood. The duration and the vacuum depend on the size or shape of the material to be treated and the desired depth of penetration. The same is true for temperature.
  • the purpose of the vacuum step is to empty the wood cells of the moisture and air they contain so that the lanthanide-based treatment solution can penetrate with less resistance into the empty cell. The effect is similar to that of treating wood under pressure. The same is true of the results.
  • composition of the invention can also be applied according to a pressure process which can be used to treat wood that has been conditioned or not.
  • the process involves applying hydrostatic pressure to the wood immersed in the lanthanide-based treatment solution.
  • the contact time can vary widely depending on the condition, type and thickness of the wood.
  • the contact time varies between about 30 minutes and about 10 hours. Of course, longer durations can be used.
  • the contact time can be reduced when the pressure is increased.
  • a contact time of between about 3 and about 6 hours is preferred. It has been demonstrated that most of the bonds are formed during the immersion of the wood in the lanthanide solution and that the crosslinking reaction can continue for several days after treatment.
  • the pressure must be higher than atmospheric pressure. At atmospheric pressure, there is no significant permanent bond formation. Although there is some impregnation of the wood, the deposited derivative can be almost completely leached from the wood.
  • the pressure is chosen between approximately 10 psi (6.895. 104 Pa) and approximately 300 psi (2.0684. 106 Pa) and even more preferably between approximately 50 psi (3.4473. 105 Pa) and approximately 280 psi ( 1.9305. 106 Pa).
  • the wood is immersed in a closed reactor containing a composition of the lanthanide derivative, then hydrostatic pressure is applied.
  • the pressure can be applied, for example, by compression of the bath using mechanical means (isostatic pump).
  • the pressure can also be maintained using one or more inert gases, for example nitrogen.
  • the treatment temperature should not exceed approximately 95 ° C.
  • the temperature chosen is room temperature, namely between approximately 20 and approximately 30 ° C.
  • a temperature chosen between around 40 and 60 ° C. is preferred to facilitate penetration and bonding between the lanthanide cation and the wood fibers.
  • the aqueous solution is removed.
  • the amount of lanthanide derivatives can be adjusted and the resulting solution can be used for the treatment of another load of wood.
  • the treated wood is simply left to dry.
  • Treated wood is resistant to degradation caused by bacteria, insects, fungi and weather conditions.
  • the treatment makes it possible to delay the combustion of the wood.
  • One of the main advantages of using lanthanides is their relative safety, which is important during the implementation of the process, the subsequent handling or leaching or when there is sludge formation.
  • the wood is brought into contact with a treating solution and penetration thereof occurs.
  • the present invention provides a permanent attachment of the elements to the wood.
  • permanent fixation also called bond or crosslinking in the present application, is meant that the lanthanide ion is fixed to the fibers so that it is no longer possible for it to be leached by water.
  • the wood treated with the lanthanides under pressure has a greater amount lanthanide ions bound after aging only when tested immediately after treatment.
  • the lanthanides which have penetrated into the wood or impregnated it will gradually settle permanently in the wood, provided that the wood has not been exposed to leaching before its crosslinking.
  • Premature leaching can be prevented by simply protecting the treated material from exposure to excessive runoff or by covering its surface by any suitable means.
  • the amount of lanthanide ions (expressed as a percentage of oxide) permanently bound to the wood should be at least 0.1% of the total weight in order to provide a protective effect. In extreme conditions, it is preferable, of course, to use larger quantities, namely as much as the wood can absorb.
  • a series of pressure treatment tests was carried out in which southern yellow pine (USA) was treated with lanthanide derivatives using a method known in the prior art for treating yellow pine from South with the CCA. Small pieces of oven-dried pine are introduced into a pressure device. Aqueous compositions containing lanthanide derivatives are added to the apparatus in an amount sufficient to immerse the wood. The pressure is maintained using nitrogen. At the end of the treatment, the samples are removed, allowed to drip and air dried.
  • the treated wood sample is washed with running water for 12 hours.
  • the washed wood is then dried, and the percentage of ash measured is determined after combustion of the sample and calcination of the residue at 1000 ° C.
  • the percentage of "ash" before treatment is subtracted from the percentage of "ash" of the treated wood in order to determine the amount of lanthanide permanently bound.
  • test results show that there is more lanthanide derivative permanently attached to wood when pressure is applied rather than when atmospheric pressure is applied.
  • the percentage of ash increases. This indicates that the crosslinking process continues over several days. Table II illustrates the benefits of aging.
  • Southern yellow pine wood is treated with lanthanide derivatives by immersion, spraying or brushing with a composition comprising an aqueous solution of a lanthanide derivative.
  • the treated wood is left to dry and age for several days.
  • Example 1 To determine the content of the lanthanide ion samples bound, the samples are leached under running water as described in Example 1, then reduced to ashes. When the leaching occurs immediately after the treatment, the results show that a certain quantity of lanthanide ions is permanently bonded (cf. Example 1, tests 5, 13, 16, 19, 22.25). When leaching occurs after the aging period of several days or months after treatment, greater amounts of bound lanthanide ions are found.
  • Standardized samples having undergone no preconditioning, are placed in a two-necked reactor, equipped with a dropping funnel containing a 2% aqueous solution of cerium nitrate.
  • a reduced pressure is established (about 2 mm Hg) which is maintained for 10 h.
  • the reactor is filled with the cerium nitrate solution and the samples are kept immersed for about 4 hours.

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Abstract

Composition destinée au traitement du bois caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un dérivé de lanthanide en solution aqueuse et la mise en oeuvre de la composi­tion pour le traitement du bois.

Description

  • La présente invention se rapporte à une composition destinée au traitement du bois. L'invention vise également les procédés de traitement du bois avec ladite composition.
  • Il est connu que, dans l'état de la technique, les agents de protection du bois sont sous forme de formulations soit organiques soit aqueuses. Il existe deux classes principales d'agents de protec­tion organiques, à savoir :
    • 1) la créosote de houille et les solutions de créosote avec des goudrons de houille ou des huiles de pétrole et
    • 2) les solutions d'agents de protection chimiques tels que le pentachlorophénol dissous dans un véhiculeur organique approprié.
  • L'un des inconvénients des agents de protection organiques est qu'ils exsudent du bois et qu'ils peuvent ensuite être lixiviés de la surface ou évaporés. Afin de compenser les pertes desdits agents de protection, il faut des rétentions initiales élevées. Dans les zones tropicales et dans les régions à fortes précipitations, l'usage des agents de protection organiques s'est révélé peu économique. Un autre inconvénient de certains agents de protection organiques est qu'ils peuvent être considérés comme agents irritants de la peau et peuvent provoquer des brûlures. En outre, les agents organiques tels que la créosote ne peuvent pas être peints et ont un aspect inesthétique. De plus, lesdits agents présentent souvent des effets secondaires toxiques.
  • Les agents de protection aqueux sont ceux qui contiennent les agents de protection chimiques sous forme de solutions aqueuses. Ces agents réagissent à l'intérieur du bois pour former des composés dont la solubilité peut être accrue par ajustement du pH. Lorsqu'il se produit à l'intérieur du bois des modifications chimiques conduisant à des composés de très faible solubilité, ces composés sont dits résistants à la lixiviation. Ceux qui forment des composés solubles sont dits "lixiviables".
  • Comme agents de protection aqueux résistant à la lixiviation et commercialisés, on peut citer : la solution de chromate de cuivre acide (ACC), la solution d'arséniate et de chromate de cuivre (CCA) et la solution d'arséniate cuivreux ammoniacal (ACA). On utilise couramment les solutions CCA. Elles forment dans le bois des composés qui sont toxiques à la fois vis-à-vis des champignons et des in­sectes.
  • Les agents de protection aqueux lixiviables comprennent les mélanges de chlorure et de chromate de zinc, de phénol, arséniate et fluorure de chrome et des composés du bore. Les agents de protection aqueux lixiviables ne peuvent être employés que pour le traitement des bois utilisés à l'intérieur ou que ne sont pas exposés à des conditions de lixiviation sévères.
  • L'utilisation d'agents de protection aqueux présente de nombreux avantages : propreté, possibilité de peindre le bois traité, absence d'odeur et, lorsqu'ils sont appliqués correctement, protection plus durable du bois.
  • L'ouvrage "Book of Standards" (1986) de l'Association "American Wood Preserver's Association" définit et décrit aux pages 1978 et 1979 les techniques, bien connues, d'application des compositions traitantes pour le bois. Parmi les techniques courantes, on peut citer le traitement sous pression, le traitement sous vide et les traitements de surface tels que immersion, pulvérisation ou appli­cation à la brosse.
  • Ces méthodes conduisent au résultat désiré en appliquant sur le bois des compositions ayant des propriétés de protection du bois. La description des méthodes de traitement du bois décrites dans ces pages et tout au long du livre "Book of Standards" est incorporée par référence dans la présente demande.
  • Les caractéristiques essentielles du traitement sous pression sont :
    • 1. le bois est entouré d'une solution de l'agent de protection dans un réacteur fermé ;
    • 2. une pression hydrostatiques est appliquée par des moyens mécaniques pour faire pénétrer de force la solution dans les fibres du bois remplaçant l'air ou l'eau présents dans le bois ou pénétrant dans tous les espaces vides. Il est habituel d'abaisser la pression à 26 mm de mercure pour éliminer l'air contenu dans les cellules du bois. Lorsqu'on utilise une solution de CCA pour imprégner le bois, le CCA réagit à l'intérieur du bois en réduisant les sucres pour former un mélange de sels insolubles.
  • Le brevet US 2 565 175 de Häger décrit un procédé de traitement du bois utilisant des agents de protection spécifiques en combinaison avec des méthodes spécifiques et des conditions de pénétration et de répartition de ces agents de protection à l'intérieur du bois. L'un des agents de protection est le CCA, auquel on ajoute de l'ammoniaque pour rendre alcaline la solution traitante. L'addition de l'ammonia­que empêche la fixation rapide de l'agent de protection dans le bois. Selon la méthode décrite par Häger, on introduit l'agent de protec­tion dans le bois et l'on veille à ce qu'il ne sèche pas durant une période pendant laquelle il ne se produit pas de fixation de l'agent de protection qui diffuse alors à travers les parois cellulaires. Ensuite, on sèche le bois.
  • Le brevet US 4 325 993 de Schroder décrit un procédé pour protéger le bois contre l'attaque des organismes vivants, par exemple champignons et insectes. Le procédé peut comprendre une ou deux étapes. Dans le procédé à deux étapes, il y a une étape fongicide qui consiste à introduire une solution de cuivre dans le bois et une étape insecticide qui consiste à y introduire une solution chrome-­arsenic.
  • L'un des inconvénients d'utiliser le CCA est qu'il ne se fixe pas complètement dans le bois. Il peut se former dans la solution mise en oeuvre de la boue provenant du bois, de la corrosion ou des impuretés contenues dans les produits chimiques utilisés pour prépa­rer la solution. Cette boue est la cause d'un dépôt solide à la surface du bois. Ces dépôts contiennent des pourcentages variables d'arsenic et ainsi se posent des problèmes d'environnement. Ceci a été pris en considération par les normes récentes concernant le traitement du bois (AWPA 1982) (cf. Hartford, W. "The Practical Chemistry of CCA in Service", American Wood Preservers'Association Annual Meeting, 28, 29 et 30 avril 1986, pages 1-16).
  • Les dérivés du lanthanide sont utilisés dans la fabrication du verre, des céramiques, des peintures, des matières plastiques et du caoutchouc. Les compositions à base de composés de cérium sont connues pour posséder des effets bactéricides, par exemple les compositions comprenant du nitrate de cérium et de la sulfadiazine d'argent (Boeckx et al., Burns vol. 11, n° 5 (1985) pp. 337-342 ; Monafo, 3rd International Congress on Pharmacological Treatment of Burns, Milan, Italy, May 12-15, 1980, Panmainerva Med., vol 25, n° 3 (1983) pp. 151-154 ; Bowser et al., J. Trauma. vol. 21, n° 7 (1981) pp. 558-563 ; Monafo et al., Arch. Surg. vol 113, n° 4 (1978) pp. 397-401 ; Monafo et al. Surgery (St Louis) vol. 80, n° 4 (1976) pp. 465-473, et les compositions comprenant de l'argent activé électriquement et du stéarate de cérium (Colmano et al., 23rd Annual Meeting of the Biophysical Society (New York), Atlanta Ga., Feb. 26-28, 1979, Biophys. J. vol. 25, n° 2, part 2 (1979) p. 217A).
  • Les dérivés du cérium sont utilisés également comme additifs dans les matières plastiques pour emballages alimentaires.
  • L'un des objectifs de la présente invention est de fournir une nouvelle composition destinée au traitement du bois.
  • Un autre objectif de la présente invention est de fournir un nouveau procédé sans danger pour le traitement des bois avec des compositions hydrosolubles.
  • Un autre objectif de l'invention est de réaliser une liaison permanente des ions lanthanide avec les fibres du bois.
  • Un autre objectif de la présente invention est de retarder la combustion et d'empêcher la dégradation du bois due aux bactéries, aux insectes, aux champignons et aux conditions atmosphériques.
  • La présente invention répond aux objectifs précités ainsi qu'à d'autres exposés plus loin dans la description.
  • La présente invention a pour objet une composition destinée au traitement du bois caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un dérivé de lanthanide en solution aqueuse.
  • L'invention concerne également un procédé de traitement du bois par imprégnation à l'aide d'une composition comprenant une solution aqueuse d'un ou plusieurs dérivés de lanthanide ou d'un ou plusieurs dérivés de différentes lanthanides. On imprègne le bois par une ou une combinaison de plusieurs techniques connues, choisies de telle sorte que l'on obtienne le degré de pénétration souhaité selon l'utili­sation envisagée. C'est ainsi que l'on inclut les traitements sous pression, sous vide, les traitements de surface, tels que immersion, pulvérisation et application à la brosse, les traitements dits "en cellule pleine", comprenant à la fois un traitement préliminaire sous vide et une imprégnation sous pression conduisant à un remplissage plus ou moins complet des cavités cellulaires, ainsi que tous les autres modes de traitement connus.
  • Une première variante de l'invention réside dans un traitement du bois qui consiste :
    - à mettre en contact le bois avec une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide pour imprégner le bois avec lesdits dérivés,
    - à laisser sécher à l'air le complexe bois-solution,
    - à faire vieillir le complexe bois-solution pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
  • Une autre variante du procédé de l'invention consiste :
    - à soumettre le bois à un traitement sous vide,
    - à introduire une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide et à mettre en contact le bois et ladite composition pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
  • Une autre variante du procédé de l'invention réside dans un procédé de traitement du bois sous pression caractérisé par le fait qu'il consiste :
    - à immerger le bois dans une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide,
    - à maintenir une pression élevée pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
  • L'invention concerne également une composition comprenant le bois ou les dérivés du bois et les lanthanides ou les dérivés de lanthanides.
  • Dans ladite composition, le lanthanide ou le dérivé de lantha­nide, exprimé en oxyde de lanthanide, représentent entre environ 0,10 % et environ 5,0 % et, de préférence, entre environ 0,10 % et environ 2,0 % du poids de la composition.
  • Cette composition résiste à la dégradation qui se produit sur les bois, exempts de lathanides, exposés aux organismes destructeurs du bois tels que bactéries, insectes et champignons aussi bien qu'à une pollution de l'environnement.
  • Selon les procédé de la présente invention, on traite le bois avec une solution aqueuse comprenant un ou plusieurs dérivés de lanthanide. On peut appliquer le traitement de protection du bois sur n'importe quelle forme ou type de bois : bois d'abattage, bois de construciton, pilotis, poteaux porteurs de câbles, poteaux de clô­tures, contreplaqués, lambourdes et planchers, bois pour construc­tions résidentielles ou commerciales, bois de construction navale, bois de charpente, fibres pour matériaux laminés, pâte à papier, tours de refroidissement, bois pour le stockage des récoltes et le transport des denrées alimentaires. Le terme "bois", tel qu'utilisé ici, n'est pas limité à la liste ci-dessus.
  • Les dérivés de lanthanide qui conviennent sont les lanthanides : lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, samarium, europium, gadoli­nium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, lutétium ou leurs mélanges. Les lanthanides préférés sont le cérium, le lanthane, le praséodyme et le néodyme. Le cérium peut être à l'état trivalent ou trétavalent.
  • Le cation lanthanide peut être lié à un anion inorganique tel que nitrate, chlorure, sulfate, perchlorate, phosphate ou phospho­nate. Le cation lanthanide peut être lié aussi à un ligand organique, tel que carboxylate d'alkyle à faible condensation en carbone, par exemple acétate, propionate, acrylate, méthacrylate, gluconate, lactate, sulfonate d'alkyle ou phosphonate d'alkyle. Les dérivés à ligands à la fois organique et inorganique conviennent aussi à la présente invention.
  • Les dérivés de lanthanide peuvent être utilisés seuls ou en mélange avec d'autres agents de traitement du bois, tels que agents ignifugeants, agents colorants, agents anti-craquelures, agents anti-statiques, stabilisateurs dimensionnels, agents filmogènes, agents amollissants du bois et d'autres agents biocides, tels que fongicides, bactéricides, herbicides, insecticides, algicides.
  • Les dérivés de lanthanide doivent être solubles dans l'eau, préférentiellement en une quantité d'au moins environ 0,1 % en poids. L'usage de concentrations inférieures à 0,1 % en poids n'est pas économique. Les concentrations comprises entre environ 0,1 et environ 10 % sont préférées bien que des concentrations plus grandes puissent être utilisées. Les concentrations choisies entre environ 0,5 et environ 2,5 % sont particulièrement préférées.
  • On pense que l'interaction entre l'ion lanthanide et le bois selon le procédé de l'invention est une réticulation des fibres de cellulose avec l'ion lanthanide. On pense également que l'ion lantha­nide se lie avec d'autres composés du bois, tels que la lignine et la colophane qui offrent des sites actifs pour les liaisons chimiques. La liaison pourrait faire intervenir une ou plusieurs valences de l'élément lanthanide. La réticulation intervient dans une gamme de pH relativement neutres ou de pH acides (inférieurs à environ 7). L'in­teraction est plus rapide lors d'un traitement sous pression hydro­statique ou sous vide et plus lente lors d'un traitement de surface. On applique les compositions de sorte que le cation lanthanide pénétre dans les fibres des bois et réagisse avec les sites hydroxy ou d'autres sites actifs du bois.
  • La durée nécessaire pour réaliser un nombre suffisant de liai­sons permanentes entre le lanthanide et le bois dépend de plusieurs facteurs, par exemple, le type de traitement, le type de bois à traiter ainsi que les conditions dans lesquelles se trouve le maté­riau avant le traitement.
  • Conformément à l'invention, on peut appliquer les dérivés de lanthanides sur le bois selon n'importe quelle méthode connue, en particulier celles décrites dans le "Book of Standards" précité.
  • Font également partie de l'invention les procédés de condi­tionnement du bois comportant des étapes préliminaires destinées à augmenter la pénétration des compositions de lanthanide dans le bois. On peut citer les étapes de séchage à l'air, en étuve, sous vide, à la vapeur ou une combinaison de celles-ci.
  • On peut appliquer la composition de l'invention selon un trai­tement de surface, par exemple, immersion, pulvérisation ou appli­cation à la brosse. Le traitement peut être unique ou répété en combinaison avec d'autres agents ou en alternance avec différentes concentrations des solutions traitantes selon le degré de pénétration recherché. On peut conduire le traitement aux environs de la tempé­rature ambiante ou à des températures plus élevées.
  • Il est également possible de mettre en oeuvre la composition de l'invention dans un traitement sous vide qui peut être décomposé en deux étapes. Dans un premier temps, on soumet le bois à un traitement sous vide, puis on introduit la solution traitante sans réintroduc­ tion d'air. Il est évident que les paramètres de ce procédé peuvent varier dans de larges limites. Le bois pré-conditionné nécessite moins de temps et de vide que le bois humide. La durée ainsi que le vide dépendent de la taille ou de la forme du matériau à traiter et de la profondeur de pénétration désirée. Il en est de même en ce qui concerne la température. L'étape sous vide a pour but de vider les cellules du bois de l'humidité et de l'air qu'elles contiennent de sorte que la solution traitante à base de lanthanide puisse pénétrer avec une résistance moindre dans la cellule vide. L'effet est simi­laire à celui du traitement du bois sous pression. Il en est de même des résultats.
  • Bien que le traitement sous pression soit plus courant que le traitement sous vide, l'Association "American Wood Preserver's Association" a adopté le traitement sous vide comme méthode d'appli­cation normalisée des agents de protection du bois.
  • On peut également appliquer la composition de l'invention selon un procédé sous pression qui peut être utilisé pour traiter du bois préalablement conditionné ou pas. Le procédé consiste à appliquer une pression hydrostatique au bois immergé dans la solution traitante à base de lanthanide. Le temps de contact peut varier largement selon l'état, le type et l'épaisseur du bois.
  • De préférence, le temps de contact varie entre environ 30 minu­tes et environ 10 heures. Bien sûr, des durées plus longues peuvent être utilisées. Le temps de contact peut être diminué lorsque l'on augmente la pression. Un temps de contact compris entre environ 3 et environ 6 heures est préféré. Il a été mis en évidence que la plupart des liaisons se forment durant l'immersion du bois dans la solution de lanthanide et que la réaction de réticulation peut se poursuivre pendant plusieurs jours après le traitement.
  • La pression doit être supérieure à la pression atmosphérique. A la pression atmosphérique, il n'y a pas de formation de liaisons permanentes de façon significative. Bien qu'il y ait une certaine imprégnation du bois, le dérivé déposé peut être presque totalement lixivié du bois. De préférence, la pression est choisie entre environ 10 psi (6,895. 10⁴ Pa) et environ 300 psi (2,0684. 10⁶ Pa) et encore plus préférentiellement entre environ 50 psi (3,4473. 10⁵ Pa) et environ 280 psi (1,9305. 10⁶ Pa).
  • Selon un mode de réalisation pratique de l'invention, le bois est immergé dans un réacteur fermé contenant une composition du dérivé de lanthanide, puis on applique une pression hydrostatique. La pression peut être appliquée, par exemple, par compression du bain à l'aide de moyens mécaniques (pompe isostatique). La pression peut être également maintenue en utilisant un ou plusieurs gaz inertes, par exemple l'azote.
  • La température du traitement ne doit pas excéder environ 95°C. De préférence, la température choisie est la température ambiante, à savoir entre environ 20 et environ 30°C. Pour certains traitements, une température choisie entre environ 40 et 60°C est préférée pour faciliter la pénétration et la liaison entre le cation lanthanide et les fibres du bois.
  • Après le traitement, la solution aqueuse est éliminée. La quantité de dérivés de lanthanide peut être ajustée et la solution résultante peut être utilisée pour le traitement d'une autre charge de bois. Le bois traité est laissé simplement à sécher. Le bois traité est résistant à la dégradation causée par les bactéries, les insectes, les champignons et les conditions atmosphériques. De plus, le traitement permet de retarder la combustion du bois. L'un des principaux avantages de l'utilisation des lanthanides est leur relative inocuité, ce qui est important durant la mise en oeuvre du procédé, la manipulation ou la lixiviation subséquente ou lorsqu'il y a formation de boues.
  • Dans toutes les variantes de mise en oeuvre des compositions de l'invention à base de lanthanides, on met en contact le bois avec une solution traitante et il se produit une pénétration de celle-ci.
  • Sans, toutefois, limiter l'invention à l'interprétation qui en est faite, on pense que le terme "pénétration" n'est pas suffisant pour décrire et expliquer les résultats inattendus et supérieurs du bois traité avec les compositions de l'invention. La présente inven­tion fournit une fixation permanente des éléments au bois. Par fixation permanente, également appelée liaison ou réticulation dans la présente demande, on entend que l'ion lanthanide est fixé aux fibres de telle sorte qu'il n'est plus possible qu'il soit lixivié par l'eau. Comme démontré ci-après dans les exemples, le bois traité avec les lanthanides sous pression présente une plus grande quantité d'ions lanthanide liés après le vieillissement que lorsqu'il est testé juste après le traitement. Le bois bien imprégné à la pression atmosphérique et lixivié juste après, présente des quantités, mais plutôt faibles, d'ions lanthanide liés. On a constaté que si la durée est suffisante, les lanthanides qui ont pénétré dans le bois ou l'ont imprégné vont graduellement se fixer de manière permanente dans le bois, à condition que le bois n'ait pas été exposé à une lixiviation avant sa réticulation. On peut empêcher une lixiviation prématurée en protégeant simplement le matériau traité de toute exposition au ruissellement excessif des eaux ou en recouvrant sa surface par tout moyen approprié. On pense que la quantité d'ions lanthanide (exprimée en pourcentage d'oxyde) liée au bois de manière permanente devrait être d'au moins 0,1 % du poids total dans le but d'assurer un effet protecteur. Dans des conditions extrêmes, il est préférable, bien sûr, de mettre en oeuvre des quantités plus importantes, à savoir autant que le bois peut en absorber.
  • Les mécanismes de protection du bois traité par les lanthanides ne sont pas bien compris. Il semble qu'ils soient différents des mécanismes d'action des agents de protection classiques, les lantha­nides n'étant généralement pas considérés comme toxiques.
  • Les exemples qui suivent décrivent des modes de réalisation particuliers de l'invention. Les exemples ne doivent pas être inter­prétés comme une limitation de la portée de l'invention.
    • Exemples Exemple 1 : traitement sous pression
  • On a effectué une série d'essais de traitement sous pression au cours de laquelle on a traité du pin jaune du Sud (USA) avec des dérivés de lanthanide en utilisant un procédé connu dans l'état de la technique pour traiter le pin jaune du Sud avec le CCA. On introduit dans un appareil sous pression de petits morceaux de pin séché au four. On ajoute des compositions aqueuses contenant des dérivés de lanthanide dans l'appareil en une quantité suffisante pour immerger le bois. On maintient la pression en utilisant de l'azote. A la fin du traitement, on retire les échantillons, on les laisse s'égoutter et on les sèche à l'air.
  • Afin de déterminer la quantité de lanthanide lié de manière permanente au bois, on lave à l'eau courante l'échantillon de bois traité pendant 12 heures. On sèche ensuite le bois lavé, et on détermine le pourcentage de cendres mesuré après combustion de l'échantillon et calcination du résidu à 1000°C. Le pourcentage de "cendres" avant le traitement est soustrait du pourcentage de "cen­dres" du bois traité afin de déterminer la quantité de lanthanide lié de manière permanente.
  • Les études de la détérioration du bois de pin traité avec les dérivés de lanthanide montrent que l'on obtient déjà un effet béné­fique lorsque la quantité de cendres due au lanthanide est de l'ordre de 0,25 %.
  • On met en évidence que l'échantillon est efficacement protégé contre toute décomposition et dégradation dues aux attaques des micro-organismes, des champignons et des insectes.
  • Les résultats sont donnés dans le Tableau 1. Tous les traite­ments, sauf indication contraire, sont effectués à température ambiante. Le pin brut utilisé pour les tests 1-18 contient environ 0,08 % de cendres. Le pin brut utilisé dans les autres tests contient environ 0,12 % de cendres.
  • A titre de référence, on détermine le pourcentage de "cendres" d'un échantillon commercial de pin jaune du Sud traité avec le CCA.
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
  • Les résultats des tests montrent qu'il y a plus de dérivé de lanthanide lié au bois de manière permanente quand on applique une pression plutôt que lorsqu'on procède à la pression atmosphérique. En outre, durant le vieillissement après traitement, le pourcentage de cendres augmente. Ceci indique que le processus de réticulation se poursuit sur plusieurs jours. Le Tableau II illustre les avantages d'un vieillissement.
    Figure imgb0004
    • Exemple 2 : traitement de surface
  • On traite du bois de pin jaune du Sud avec des dérivés de lan­thanide par immersion, pulvérisation ou application à la brosse avec une composition comprenant une solution aqueuse d'un dérivé de lanthanide. On laisse le bois traité sécher et vieillir pendant plusieurs jours.
  • Pour déterminer la teneur des échantillons en ions lanthanide liés, on lixivie les échantillons à l'eau courante comme décrit dans l'Exemple 1, puis on les réduit en cendres. Lorsque la lixiviation intervient juste après le traitement, les résultats montrent qu'une certaine quantité d'ions lanthanide est liée de manière permanente (cf. Exemple 1, tests 5, 13, 16, 19, 22,25). Lorsque la lixiviation intervient après la période de vieillissement de plusieurs jours ou mois après le traitement, on trouve des quantités plus importantes d'ions lanthanide liés.
    • Exemple 3 : traitement sous vide
  • On place des échantillons normalisés, n'ayant subi aucun pré­conditionnement, dans un réacteur à deux cols, équipé d'une ampoule de coulée contenant une solution aqueuse de nitrate de cérium à 2 %. Dans le réacteur, on établit une pression réduite (d'environ 2 mm Hg) qu'on maintient pendant 10 h. On remplit le réacteur avec la solution de nitrate de cérium et les échantillons sont maintenus immergés pendant environ 4 heures.
  • Après égouttage et séchage à l'air pendant 10 heures, on lixivie l'échantillon pendant toute une nuit et on le réduit en cendres.
    Témoin :
        Cendres dans l'échantillon non traité : 0,07 %
        Cendres dans l'échantillon traité après lixiviation : 1,33 %
  • Les résultats montrent que le pourcentage de cérium lié de manière permanente (exprimé en CeO₂) est de 1,24 %.

Claims (25)

1. Composition destinée au traitement du bois caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un dérivé de lanthanide en solution aqueuse.
2. Composition selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le lanthanide est le cérium, le lanthane, le praséodyme, le néodyme.
3. Composition selon l'une des revendications 1 et 2 caractéri­sée par le fait que le dérivé de lanthanide est un nitrate de lantha­nide.
4. Composition selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée par le fait qu'elle comprend un mélange de dérivés de lanthanide ou un mélange de dérivés de différents lanthanides.
5. Composition selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée par le fait qu'elle comprend un ou plusieurs composés du cérium choisis dans le groupe comprenant : Ce(NO₃)₃, Ce(NO₃)₄, CeCl₃, Ce₂(SO₄)₃, Ce(SO₄)₂, Ce(NO₃)₄, 2NH₄NO₃, acétate céreux, méthacrylate céreux, lactate céreux, propionate céreux et toluène sulfonate céreux.
6. Composition selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée par le fait que la solution aqueuse comprend entre environ 0,1 % et environ 10 % en poids d'un ou plusieurs dérivés de lanthanide.
7. Composition selon la revendication 6 caractérisée par le fait que la solution aqueuse comprend entre environ 0,5 % et environ 2,5 % en poids d'un ou plusieurs dérivés de lanthanide.
8. Procédé de traitement du bois caractérisé par le fait qu'il consiste à faire pénétrer dans le bois la composition traitante décrite dans l'une des revendications 1 à 7.
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé par le fait que le bois est soumis au préalable à un traitement de conditionnement qui augmente la pénétration de la composition traitante dans le bois.
10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisé par le fait qu'il consiste :
- à mettre en contact le bois avec une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide décrite dans l'une des revendications 1 à 7,
- à laisser sécher à l'air le complexe bois-solution,
- à faire vieillir le complexe bois-solution pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé par le fait que la mise en contact du bois avec la composition traitante est faite par immersion, pulvérisation ou application à la brosse.
12. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisé par le fait qu'il consiste :
- à soumettre le bois à un traitement sous vide,
- à introduire une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide décrite dans l'une des revendications 1 à 7 et à mettre en contact le bois et ladite composition pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé par le fait que l'on établit et maintient une pression hydrostatique après avoir mis en contact la composition traitante afin d'obtenir un plus haut degré de liaison.
14. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisé par le fait qu'il consiste :
- à immerger le bois dans une composition comprenant une solution aqueuse d'au moins un dérivé de lanthanide et
- à maintenir une pression élevée pendant une durée suffisante pour obtenir une liaison entre l'élément lanthanide et le bois.
15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé par le fait que le bois est mis en contact avec la solution sous pression, ladite pression étant supérieure à la pression atmosphérique.
16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé par le fait que la pression est comprise entre environ 10 psi (6,895. 10⁴ Pa) et environ 300 psi (2,0684. 10⁶ Pa)
17. Procédé selon la revendication 16 caractérisé par le fait que la pression est comprise entre environ 50 psi (3,4473. 10⁵ Pa) et environ 280 psi (1,9305. 10⁶ Pa).
18. Procédé selon la revendication 14 caractérisé par le fait que la durée est comprise entre environ 30 minutes et environ 10 heures.
19. Procédé selon la revendication 18 caractérisé par le fait que la durée est comprise entre environ 3 heures et environ 6 heures.
20. Procédé selon la revendication 14 caractérisé par le fait que l'immersion a lieu à une température inférieure à environ 95°C.
21. Procédé selon la revendication 20 caractérisé par le fait que l'immersion a lieu à la température ambiante.
22. Procédé selon la revendication 21 caractérisé par le fait que l'immersion a lieu entre environ 20°C et environ 30°C.
23. Composition comprenant du bois ou des dérivés du bois et des lanthanides ou des dérivés de lanthanide.
24. Composition selon la revendication 23 caractérisée par le fait que le lanthanide ou le dérivé de lanthanide, exprimé en oxyde de lanthanide, représente entre environ 0,1 % et environ 5,0 % du poids de la composition.
25. Composition selon la revendication 24 caractérisée par le fait que le dérivé de lanthanide représente entre environ 0,10 % et environ 2,0 % du poids de la composition.
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