Báo cáo khoa học: "Modification de couleur du bois de chênes exposés à la lumière solaire"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Modification de couleur du bois de chênes exposés à la lumière solaire"

Article original Modification de couleur du bois de chênes européens exposés à la lumière solaire JF Mazet MC Triboulot-Trouy A Merlin G Janin X Deglise 1 Service des brevets de la Communauté européenne, 2280 HV Rijwijk, Pays-Bas; 2 Laboratoire de photochimie appliquée, ESSTIB, Université de Nancy I, BP 239, 54506 Vandoeuvre-lés-Nancy Cedex; 3 Station de recherches sur la qualité des bois, CRF INRA, Champenoux, 54280 Seichamps, France le 12 mai 1992; le 15 octobre (Reçu accepté 1992) Résumé — L’étude du comportement photochimique du bois d’Abies grandis caractérisé par la quasi-absence de substances extractibles colorées, a permis d’établir un modèle mécanistique ca- pable de rendre compte à l’échelle moléculaire des modifications de couleur du bois exposé à une lumière de type solaire. Ce modèle a été étendu au bois de chênes européens (Quercus robur et pe- traea), essences riches en substances extractibles colorées et pour lesquelles les caractéristiques de couleur sont un critère de qualité. En plus du jaunissement observé et analysé sur le bois d’Abies grandis, un éclaircissement correspondant à une diminution de l’absorption sur le domaine spectral 500 à 600 nm a été noté. Cette décoloration a pu être imputée, au moins en partie, à la photodégra- dation des lignines. Quercus robur / Quercus petraea / lignine / photodégradation / couleur / spectroscopie Summary— Wood photodiscoloration of European oak under solar light exposure. A previous study concerning the photochemistry of Abies grandis wood, a species which is characterized by the very low content of colored extractable substances, has made it possible to establish a mechanical model (fig 22) to take into account the discoloration of wood under solar-type light exposure at the molecular level. In this paper, this model was extended to European species of oak (Quercus robur and petraea) with high levels of colored extractable substances and for which the color characteris- tics are a quality criterion. In addition to the observed and analyzed yellowing in Abies grandis wood, a color lightening corre- sponding to a lowered absorption over the spectral range (500-600 nm) (figs 2, 6) has been ob- served. Lignin photodegradation is certainly in part responsible for this decoloration. It has also been shown that oak sapwood and heartwood undergo different kinds of photodecolora- tion (fig 3). For color photostabilization of oak wood under solar light, the results indicate that it is necessary to use UV absorbers to lower the yellowing due to UV light and antioxidants to inhibit col- or lightening due to reactions with oxygen. / photodecoloration / FTIR absorption spectroscopy / Quercus robur / Quercus petraea / lignin UV and visible spectroscopy * et tirés à Correspondance part
INTRODUCTION chêne présente un réel impact économi- que. Notre démarche a consisté à étudier La couleur d’un bois est susceptible de va- globalement la photodégradation du bois rier sous l’action de facteurs externes liés de chêne en cherchant à la comparer aux à l’environnement (lumière, humidité, tem- résultats obtenus sur le bois de sapin de pérature...).Lors de l’utilisation en décora- Vancouver, essence qui constitue un mo- tion intérieure (ameublement, panneaux dèle simple pour l’étude du comportement de revêtements muraux...),les modifica- photochimique du bois et pour laquelle tions de la couleur naturelle des placages nous avons pu proposer un schéma des ont essentiellement pour origine la lumière mécanismes moléculaires de sa photodé- solaire. Cette altération de l’aspect du bois gradation (Dirckx, 1988, Dirckx et al, 1990; est imputable à une réaction de surface : Dirckx et al, 1992). la pénétration du rayonnement ultraviolet ne dépasse pas 75 μm et la lumière visible peut aller jusqu’à 200 μm (Browne et Si- MATÉRIEL ET MÉTHODES monson, 1957; Hon et lfju, 1978). En re- vanche, les modifications de couleur peu- affecter le matériau plus en vent Espèces utilisées profondeur à la suite de réactions secon- daires de transfert d’énergie (Lablache- Combier, 1985). Nous avons travaillé sur des échantillons de bois de chênes européens (Quercus robur L et Cette photodégradation est observée Quercus petraea (Matt) Liebl, sans distinction), aussi bien pour des bois recouverts d’une provenant de différentes grumes des parcs finition transparente (Gaillard, 1984) que d’une part des établissements Ober-France, et pour ceux qui sont exposés à l’état brut d’autre part de la régie de l’Office national des (Dirckx, 1988; Mazet, 1985). forêts de Sarre-Union. L’étude des modifications moléculaires Par ailleurs, nous avons mené en parallèle des essais avec des échantillons de bois lors d’une irradiation de type qui s’opèrent d’Abies grandis L pour pouvoir comparer le com- solaire au sein de la structure du bois de portement du bois de chêne exposé à la lumière sapin de Vancouver (Abies grandis L) solaire à celui de l’essence modèle du compor- nous a montré les rôles essentiels joués tement photochimique du bois. par le rayonnement ultraviolet, la lignine et l’oxygène de l’air dans le jaunissement in- tense observé sur cette essence (Dirckx, Préparation des échantillons 1988, op cit; Dirckx et al, 1922). Nous avons poursuivi ce travail en nous Deux types d’échantillons ont été réalisés en intéressant au comportement photochimi- fonction de la technique spectroscopique qui que du bois de chêne, essence de tran- doit leur être appliquée pour suivre la photodé- gradation : change dont les caractéristiques de cou- leur sont un critère de qualité. Le but cette échantillons sous forme de coupes minces de - étude fondamentale est d’établir les méca- 20 x 10 mm et dont l’épaisseur peut varier de 50 à 80 μm : ces coupes de bois de chêne ont été nismes de la photodégradation de ce préparées sur un microtome Reichert type OME matériau afin d’envisager des remèdes dans le plan LT (longitudinal - tangentiel) et adaptés à sa protection à la lumière; en dans le bois final, afin d’éviter autant que pos- effet, l’amélioration de la durabilité de sible des fissures dues à la présence de gros l’aspect naturel des placages de bois de vaisseaux; du fait de la structure du bois d’Abies
les coupes pour cette ont été grandis, Spectroscopie d’absorption infrarouge essence réalisées dans le bois initial celui-ci est car beaucoup plus tendre; Nous avons suivi l’absorption des coupes de bois grâce à un spectromètre à transformée de échantillons massifs d’environ 20 x 10 x 3 mm - Fourier (FTIR 1750, Perkin-Elmer) qui permet selon les directions LTR : la face LT a été apla- des analyses quantitatives correctes jusqu’à une nie préalablement au microtome; des échan- densité optique de 3. tillons de placage industriel de bois de chêne (épaisseur 0,6 mm) ont également été utilisés lors de certains essais. Spectroscopie d’absorption et de réflexion ultraviolet-visible Dispositif d’irradiation Pour deux modes d’utilisation, ces nous avons adjoint à un spectromètre Perkin-Elmer Lambda 3 une sphère d’intégration enduite de sulfate de Les modifcations de la couleur d’un bois mis en baryum permettant de collecter la lumière dis- décoration intérieure ont le plus sou- &oelig;uvre en persée dans toutes les directions, et ainsi de tra- vent pour origine la lumière du jour. Les radia- vailler avec des échantillons diffusant la lu- tions solaires atteignant la surface de la terre mière. Avec les coupes minces, l’échantillon est s’étendent de l’ultraviolet (290 nm) à l’infrarouge placé à l’entrée de la sphère (fig 1A); nous obte- (2 300 nm) (Bird et al, 1982). La région ultra- nons alors un spectre d’absorption diffuse. Les violette (290 à 400 nm) ne représente en fait échantillons massifs sont en revanche placés à que 6% de l’énergie totale du rayonnement so- l’arrière du dispositif (fig 1 B). Deux traitements laire. La répartition spectrale dans le domaine sont alors possibles : analyse de la réflexion dif- ultraviolet et visible est soumise à de nombreux fuse et mesure de couleur avec le calcul des va- paramètres, comme la région du globe terrestre leurs tristimulaires X Y et Z sous l’illuminant D65 considérée, les saisons, les variations climati- avec un angle d’ouverture de 2°. ques... Aussi, pour standardiser les irradiations Cette sphère d’intégration permet l’analyse et accélérer la photodégradation, nous avons si- du domaine spectral de 250 à 700 nm. mulé la lumière du jour à l’aide d’une lampe à vapeur de mercure haute pression du type spectromètres ultraviolet-visible et FTIR Ces Hanau TQ 150. Ce brûleur est équipé d’une ja- couplés à des stations de données qui faci- sont quette en pyrex qui élimine les radiations de lon- gueur d’onde supérieure à 310 nm. Le flux lumineux moyen émis par cette à la distance utilisée pour l’exposition source des échantillons mesuré à 360 nm à l’aide d’un radiomètre est de 5 mW/cm Notons qu’à cette . 2 longueur d’onde, le flux émis par le soleil à la surface de la terre est d’environ 0,1 mW/cm 2 (Lablache-Combier, 1985). Pour séparer les effets du rayonnement de la lumière visible, nous ultraviolet et ceux filtre passe-haut coupant à avons utilisé un 400 nm. Analyse spectroscopique Suivant la nature des échantillons, nous avons mis en &oelig;uvre deux techniques d’analyse spec- troscopique : absorption pour les coupes et ré- flexion pour les échantillons massifs.
litentl’analyse des spectres en particulier en passer au bout d’une centaine d’heures permettant l’obtention des courbes de différence d’irradiation la valeur initiale de la lumi- de 2 spectres. Elles ont aussi rendu possible la nance, le duramen continue à s’assombrir normation de spectres d’absorption infrarouge et ce n’est qu’après 200 h d’exposition que ont ramenés à une valeur identique de la densi- le processus s’inverse lentement. Les optique à 1 800 cm longueur d’onde où , -1 té changements de tonalité exprimés dans le aucun des constituants du bois n’absorbe. Au- plan (a,b) (fig 2b) montrent que ces échan- cune normation n’a été nécessaire pour les spectres d’absorption et de réflexion ultraviolet- tillons jaunissent lors de l’irradiation, b aug- visible. mentant fortement. Les variations sont Pour apprécier le rôle de l’oxygène dans les plus accentuées sur l’aubier que sur le du- phenomènes de photocoloration du bois, nous ramen. avons conçu des cellules permettant l’irradiation Dans l’espace CIE Lab de représenta- et l’enregistrement des spectres d’absorption in- tion des couleurs, la différence totale de frarouge et ultraviolet dans différentes atmos- couleur ΔE entre 2 échantillons est donnée phères gazeuses. Ces dispositifs ont été décrits dans un travail précédent (Dirckx et al, 1992). par la relation : Pour tenir compte de la variabilité de la cou- leur des échantillons liée à leur nature et à leur état de surface, nous avons pris en compte les modifications de l’absorption UV-visible et infra- Δa et Δb sont les différences res- où ΔL, rouge au cours d’une même irradiation de 5 pectives en luminance et coordonnées échantillons différents. chromatiques entre les 2 échantillons. Sur la figure 3, nous avons porté l’évolution avec le temps d’irradiation de la différence RÉSULTATS totale de couleur ΔE entre l’aubier le dura- men de bois de chêne. Cette différence, Les modifications de couleur qui intervien- déjà élevée au départ (ΔE 6,5) ne fait= nent lors de l’exposition du bois de chêne que s’accentuer pour atteindre un palier rayonnement solaire peuvent être au (ΔE 14 après 2 000 h d’irradiation). Ce = quantifiées dans le système CIE. Lab résultat montre la nécessité d’éliminer l’au- (Janin, 1986; Decarreau, 1988; Flot, 1988; bier de la fabrication des panneaux déco- Dordet, 1990) en suivant, en fonction du ratifs, des meubles, des parquets... En temps d’irradiation, les variations de la lu- effet, au lieu d’atténuer le contraste, la lu- minance L et des coordonnées et b qui mière du jour ne fera que la renforcer. a correspondent respectivement aux 2 Nous avons également soumis à une couples de couleurs complémentaires exposition prolongée dans les mêmes rouge-vert et bleu-jaune. conditions 7 échantillons de placage de Des échantillons massifs de bois de bois de chêne provenant d’arbres distincts chêne (aubier et duramen) ont été expo- présentant des caractéristiques de cou- et sés plus de 300 h sous un flux moyen de 5 leur bien distinctes, aussi bien en ce qui 2 mW/cm à 360 nm. La variation de lumi- concerne la luminance L que les coordon- nance (fig 2a) permet de distinguer 2 phé- nées chromatiques a et b. Après 940 h nomènes. Durant les 10 premières heures (fig 4), nous constatons que les 7 échan- d’exposition, il se produit une baisse im- tillons ont conservé leur différence de cou- portante et rapide de la luminance pour leur. Là encore, l’effet de l’irradiation conti- l’aubier et le duramen. Les évolutions de nue n’a pas été de gommer les écarts ces bois diffèrent ensuite : tandis que l’au- existant au départ. Ce résultat justifie le bier s’éclaircit très rapidement jusqu’à dé- fait d’utiliser des placages présentant des
caractéristiquesde couleur voisines pour Les mesures dans le système CIE Lab réaliser un ensemble décoratif d’intérieur. représentant la modification globale de Ainsi, même si la couleur se modifie au l’aspect coloré des échantillons par inté- cours du temps, l’uniformité devrait être gration sur tout le domaine de sensibilité conservée. de l’&oelig;il ne permettent pas une interpréta- tion des phénomènes à l’échelle molécu- laire. Une analyse spectrale des évolutions de l’absorption avec le temps d’irradiation dans les domaines ultraviolet et infrarouge est nécessaire. Suivi de la photodégradation du bois de chêne par spectroscopie d’absorption ultraviolet-visible La spectroscopie d’absorption ultraviolet- visible a été souvent utilisée pour suivre la photodégradation du bois (Kalnins, 1966;
Musha et Goring, 1975; Dirckx et al, 1992). Tous ces auteurs ont noté l’aspect similaire du spectre du bois avec celui de la lignine isolée, ce qui conduit à conclure que l’absorption de la lumière ultraviolette par le bois est principalement due à l’ab- sorption des lignines. Les échantillons utilisés pour cette au spectre de la spectre après irradiation étude sont des coupes minces, dont irradiée. Cette courbe de diffé- non l’épaisseur varie de 40 à 60 μm. Les coupe rence (fig 5c) fait ressortir dans le domaine spectres d’absorption ultraviolet-visible visible une large bande de décoloration d’une coupe de duramen de bois de chêne centrée à 580 nm (variation négative) et non irradié (fig 5a) et irradiée 1 400 h (fig une bande de coloration vers 415 nm (va- 5b) présentent une structure continue et riation positive); et dans le domaine ultra- peu résolue, rendant leur exploitation diffi- violet, plusieurs bandes : à 360 nm (varia- cile. Pour mieux révéler les zones spec- tion négative), à 330 nm (variation trales qui évoluent durant l’irradiation, positive), à 280 nm (variation négative) à nous pouvons construire les courbes de différence obtenues par la soustraction du 260 nm (variation positive).
Cette longue irradiation donne la ten- créés. Sur les figures 7a et b, nous avons dance finale de la modification de la cou- tracé respectivement l’évolution des ab- leur du duramen de bois de chêne. sorptions à 470 nm et à 350 nm d’une coupe de duramen de bois de chêne en Pour décrire la des diffé- chronologie début d’irradiation. La forte pente à l’ori- interviennent dans la étapes qui rentes gine de la figure 7b montre que la pre- modification de l’absorption ultraviolet- mière phase semble être la photodégrada- visible des échantillons, nous avons suivi tion des produits absorbant à 350 nm. l’évolution de ces courbes de différence L’apparition progressive et continue de avec le temps d’irradiation (fig 6). chromophores absorbant dans le visible Dès le début de l’irradiation (fig 6a : 4 h (470 nm) constitue la deuxième étape du d’exposition), on note une augmentation processus. Le maximum à 410 nm appa- générale de l’absorption dans le domaine raît pour des durées d’irradiation plus lon- visible avec un maximum vers 470 nm, gues (fig 8). Après 21 h d’exposition, les 2 tandis que dans l’ultraviolet, la baisse de maxima sont bien differentiés et celui à l’absorption à 350 nm indique la disparition 410 nm devient alors prépondérant. de chromophores absorbant à cette lon- gueur d’onde. Après 268 h (fig 6c), une bande positive apparaît à 260 nm. Dans la région visible, Après 47 h (fig 6b), l’absorption dans le outre l’apparition de produits colorés ab- visible ne cesse d’augmenter, avec un sorbant vers 410 nm, il se produit une di- maximum vers 410 nm. La diminution de la minution générale de la différence de den- bande à 350 nm se poursuit et des chro- sité optique sur l’ensemble de la zone mophores absorbant vers 305 nm sont
centuées. La diminution de l’absorption à 280 nm est très intense et entraîne la chute des bandes positives voisines. L’allure de cette courbe de différence analogue à celle que l’on avait obtenue est après 1 400 heures d’irradiation (fig 5c)/ Ces résultats peuvent être reliés aux modi- fications de couleur que nous avons quan- tifiées dans le système CIE Lab : l’augmentation initiale de l’absorption cor- - respond à la chute brutale de la luminance en début d’irradiation (assombrissement de l’échantillon); la baisse générale de l’absorption dans - la 500 à 700 est directement liée zone nm à l’augmentation progressive de la lumi- bout d’une centaine d’heures d’ir- nance au radiation (éclaircissement de l’échantillon); la création de produits absorbant à 470 - nm puis vers 410 nm est en relation avec le jaunissement des coupes (augmentation de b). Des observations similaires ont été no- tées lors de l’irradiation à la lumière solaire d’échantillons de bois d’Abies grandis En début d’irradiation, il a (Dirckx, 1988). été constaté une croissance de l’absorp- tion à 430 nm; ensuite, ce maximum d’ab- sorption croît en se déplaçant jusqu’à 410 nm. Dans le cas du bois de chêne, le pre- mier maximum se situant vers 470 nm et le deuxième à 410 nm, il ne peut s’agir d’un effet bathochrome (déplacement de la bande d’absorption vers les courtes lon- allant de 450 nm à 700 nm, qui révèle la gueurs d’onde) mais bien de 2 bandes dis- dégradation d’autres produits colorés. Les tinctes. Ce sont probablement 2 produits chromophores absorbant vers 305 nm différents également dans le cas du bois continuent d’être générés. Par contre, la de sapin de Vancouver, mais du fait de la diminution de l’absorption à 350 nm proximité de leurs maxima, la résultante se semble ralentie; on peut penser qu’elle est présente sous forme d’une bande unique. contrariée par la croissance importante L’absorption à 430 nm a été attribuée à des 2 bandes qui l’entourent. des radicaux libres du type phenoxy dans Après 888 h (fig 6d), les évolutions de le cas du bois d’Abies grandis (Dirckx et al, l’absorption dans le domaine visible 1992). Lors de l’irradiation du bois de (bande de décoloration de 500 à 700 nm penser que les radicaux chêne, peut on et coloration à 410 nm) se sont encore ac- libres générés ont une structure chimique
délocalisation des sité optique à cette longueur d’onde a été différente, avec une électrons plus importante responsable de suivie en microscopie ultraviolette de l’absorption à 470 mn. coupes minces de bois (Scott et Goring, 1970). Après 2 h seulement, ces auteurs En revanche, aucune bande de décolo- observent une chute de l’absorption à ration dans le visible n’a été observée lors 280 nm de 25% par rapport à sa valeur ini- de l’irradiation du bois d’Abies grandis. Ce tiale. photoéclaircissement a été constaté lors de l’irradiation du bois de hêtre (Schmitt, 1984) et de duramen des bois de cèdre Suivi de la photodégradation L) et de noyer rouge (Juniperus virginiana du bois de chêne par spectroscopie noir américain (Juglans nigra L) (Mc d’absorption infrarouge Ginnes, 1975). La nette décroissance de l’absorption à figure 9, nous avons comparé les 280 nm traduit une dégradation de la li- Sur la spectres d’absorption infrarouge des gnine. Cette diminution continue de la den-
motifs syringles que gaïacyles, l’intensité de la bande à 1 235 cm est la plus forte. -1 En confrontant le spectre d’absorption du bois de chêne à ceux infrarouge d’autres essences et des constituants prin- cipaux du bois (Marchessault, 1962; Bol- ker et Sommerville, 1963; Michell et al, 1969; Chow, 1971; Nagaty et al, 1982; Pe- cina, 1982; Dirckx, 1988), nous avons pu attribuer la totalité des bandes d’absorption et déterminer le ou les constituants concer- nés (tableau I). Les modifications qui interviennent dans le spectre d’absorption infrarouge d’une coupe de duramen de bois de chêne lors d’une irradiation de type solaire (fig 10) sont principalement localisées dans la ré- gion spectrale 1 800-1 500 cm -1 : forte augmentation du pic à 1 735 cm -1 - (fig 11 a); augmentation du massif situé vers 1 640 - ; -1 cm à 1 600 et 1 504 cm -1 diminution des pics - (fig 11b). On a également constaté la disparition de la bande à 1 460 cm et une baisse -1 générale de l’absorption sur tout le reste du spectre. La croissance de l’absorption à 1 735 -1 cm et parallèlement la diminution à 1 265 et 1 504 cm ont également été obser- -1 vées sur du pin (Pinus spp) exposé aux rayonnements ultraviolets supérieurs à coupes de duramen et d’aubier de bois de 220 nm (Hon, 1983; Hon et Chang, 1984). chêne et d’Abies grandis. Si l’aspect géné- Ces auteurs interprètent ces variations ral des 3 spectres est comparable, les in- résultant respectivement d’une comme tensités oxydation de la cellulose et de la lignine relatives de certaines bandes (augmentation des groupements carbo- des différences d’absorption présentent nyls) et d’une altération des structures aro- notables d’une essence à l’autre. Dans le matiques de la lignine par le rayonnement cas du bois de sapin de Vancouver qui ultraviolet. contient essentiellement de la lignine riche en unités gaïacyles, la bande à 1 265 cm -1 L’évolution des spectres d’absorption in- est nettement plus intense que celle à du bois d’Abies grandis au cours frarouge 1 235 cm En revanche pour le bois de . -1 de l’irradiation (Dirckx, 1988; Dirckx et al, chêne dont la lignine contient autant de 1992) est comparable à celle observée
(fig 12). Pour le bois de sapin de Vancou- dans le du bois de chêne. Toutefois, cas quelques différences entre les 2 essences, l’augmentation d’absorption corres- ver, pond à une seule bande centrée à 1 720 sont observables : . -1 cm alors que dans le cas du bois de chêne, - il se produit une baisse générale de l’ab- sorption sur l’ensemble de la région spec- Influence des substances extractibles trale 1 300 à 1 450 cm elle a plutôt ten- , -1 dance à augmenter lors de l’irradiation du bois desapin de Vancouver; La comparaison des comportements des pour le bois de chêne, l’augmentation à coupes de duramen et d’aubier permet une - étude indirecte de l’influence des extraits. 1 735 cm semble résulter de l’apparition -1 Des modifications importantes des quanti- de 2 pics différents (1 735 et 1 720 cm ) -1
tivement, les évolutions de L, a et B vont dans le même sens pour les 2 types d’échantillons. L’aubier et le duramen pré- sentent des évolutions comparables des spectres d’absorption UV-visible au cours tés de polyphénols extractibles produi- de l’irradiation. En début d’exposition, nous se sent lors du processus de duraminisation. avons constaté que l’augmentation de l’ab- Ainsi, pour le bois de chêne pédonculé, le sorption sur le domaine visible et particu- contenu passe de 0,74% pour l’aubier à lièrement à 470 nm s’effectue aussi bien 6,7% pour le duramen (Scalbert et al, dans le cas de l’aubier que dans le cas du 1986; Scalbert et Monties, 1987). Ces duramen. La diminution de la bande d’ab- mêmes auteurs ont également montré que sorption vers 340 nm est plus intense pour ces teneurs ne diffèrent pas de manière si- l’aubier. De même, en spectroscopie infra- gnificative entre les 2 espèces de bois de rouge, l’irradiation affecte les mêmes chêne (Quercus petraea (Matt) Liebl et bandes d’absorption pour les 2 types Quercus robur L) que nous avons étu- d’échantillons. L’étude cinétique de l’évolu- diées. tion pour les 2 types d’échantillons. L’étude cinétique de l’évolution de ces bandes per- Nous avons déjà noté (fig 2a et b) que met de les différencier; ainsi, par exemple, l’aubier s’éclaircit plus rapidement et jaunit plus intensément que le duramen. Qualita- nous avons constaté une plus forte aug-
mentation de la bande à 1 735 cm dans -1 le duramen (fig 13). Cette étude de l’influence des extraits peut également être envisagée en suivant le comportement d’échantillons de bois de pondants. Nous pouvons noter en particu- chêne extrait à l’eau froide. Après avoir lier la rapidité avec laquelle l’aubier extrait plongé des échantillons massifs d’aubier et gagne des points en luminance. L’évolu- de duramen de bois de chêne pendant 4 j tion des coordonnées chromatiques a et b dans l’eau à température ambiante, nous ne permet pas de dégager l’influence de les avons soumis à une succession de l’extraction, mais elle indique que tous les mises à vide et de remises à l’atmosphère. échantillons extraits ou non jaunissent au La figure 14 présente les évolutions de la de l’irradiation. cours luminance de ces échantillons au cours de Ces résultats montrent que le bois de l’irradiation. L’aubier et le duramen ayant subi l’extraction s’éclaircissent plus rapide- chêne libéré de certaines substances ex- tractibles à l’eau s’éclaircit plus vite que le ment que les échantillons témons corres-
l’espèce de bois considérée et rents selon le solvant utilisé pour l’extraction. Il faut donc rester prudent quant à la comparai- son des résultats obtenus dans toutes ces études. Influence de la lumière visible Des échantillons de duramen et d’aubier de bois de chêne ont été soumis à des ir- radiations en lumière visible obtenue à l’aide d’un filtre passe-haut coupant à 400 nm. Des échantillons témoins de même nature ont été exposés à la totalité du rayonnement émis par la lampe. La figure 15 montre les évolutions des points de couleur dans le système CIE. Lab des échantillons exposés à un rayonnement fil- bois brut. La même observation a été faite tré ou non. Nous notons que le rayonne- différentes espèces extraites successi- sur ment ultraviolet compris entre 300 et 400 vement avec du pétrole, de l’acétone et du nm influence considérablement le jaunis- méthanol (Morgan et Orsler, 1968). Une sement des échantillons, ainsi que l’as- étude comparative de l’évolution à l’irradia- sombrissement en début d’irradiation. En tion de l’aubier et du duramen de mélèze revanche, les vitesses d’éclaircissement (Larix decidua Mill) (Minemura et Umeha- après environ 100 h d’exposition sont du ra, 1979) a montré d’une part une bande même ordre. Il apparaît donc que le photo- de décoloration plus intense pour les éclaircissement doit être imputé à la lu- échantillons d’aubier et d’autre part des va- mière visible. L’analyse des spectres de ré- leurs de ΔE moins élevées lors de l’irradia- ultraviolet-visible de flexion ces tion d’échantillons de bois de mélèze ex- échantillons a complété ces observations : trait au méthanol. la bande de jaunissement nécessite le Sandermann et Schlumbom (1962) indi- rayonnement ultraviolet, tandis que la quent que les substances extractibles sont large bande de décoloration centrée à 580 impliquées dans les phénomènes de pho- nm se produit aussi bien avec les échan- toéclaircissement des bois. De même, Kal- tillons témoins qu’avec ceux irradiés en lu- nins (1966), par une analyse chromatogra- mière visible. phique, mesure, au cours de l’irradiation En suivant les évolutions des spectres du bois de sapin de Douglas, des quanti- d’absorption infrarouge de coupes d’aubier tés de monoxyde de carbone et de gaz et de duramen de bois de chêne irradiées carbonique plus importantes pour les par un rayonnement visible (fig 16), nous échantillons extraits; il en conclut que les avons noté que les bandes à 1 735 cm -1 substances extractibles ont un effet pro- et à 1 510 cm attribuées respectivement , -1 tecteur et pourraient fonctionner comme des antioxydants. Il est certain que les groupes carbonyls et aux noyaux aro- aux matiques de la lignine, ne sont pas affec- termes «extraits» ou «substances extrac- tés par ce type de rayonnement : tibles» s’appliquent à des produits diffé-
pour les échantillons témoins, l’absorp- - tion à cette longueur d’onde commence par décroître pour ensuite augmenter après 30 h d’exposition; pour les échantillons irradiés uniquement - par la lumière visible, nous avons observé une diminution continue et rapide de l’in- tensité de cette bande. Même après 440 h d’irradiation, aucune augmentation de l’ab- sorption n’a été détectée. La diminution de l’absorption à 1 640 cm observée en -1 début de l’irradiation avec toute la lampe est donc due à l’effet du rayonnement vi- sible, alors que l’apparition des chromo- phores absorbant dans cette même région spectrale nécessite l’action du proche ul- traviolet. Ces résultats montrent que le rayonne- ment visible est capable, dans un matériau comme le bois de chêne, de générer une modification de sa couleur, alors que pour le bois d’Abies grandis, ce type de rayon- nement est sans action (Dirckx, 1988, op cit). Pour cette essence, seule une diminu- tion de l’absorption à 360 nm a été obser- vée en spectroscopie d’absorption UV- visible. Il faut noter que cette diminution est également observée dans le cas du bois de chêne. L’étude des modifications de couleur d’autres essences exposées à un rayon- nement de type solaire a également mon- tré que la bande de décoloration est induite par le rayonnement visible (Nolan et al, 1945; Sinclair et Vincent, 1964; Umehara et al, 1979; Minemura et Umeha- 1979). ra, Launer (1968) et Le Nest et al (1982) ainsi que Schmitt (1984) constatent sur di- vers matériaux lignocellulosiques une dimi- nution de la bande d’absorption centrée la longueur d’onde émise par une sur source monochromatique. Ce phénomène est appelé conformité spectrale. Pour ces auteurs, elle correspond à un véritable blanchiment du matériau si celui-ci est
éclairé par un rayonnement polychromati- Ces résultats montrent que le duramen que comme la lumière du jour. de bois de chêne irradié en atmosphère d’azote jaunit très peu, l’oxygène de l’air étant nécessaire à la création de produits Influence de l’oxygène colorés absorbant vers 410 nm. La même observation a également été faite sur des matériaux lignocellulosiques différents : Pour apprécier le rôle de l’oxygène de l’air Abies grandis (Dirckx, 1988; Dirckx et al, dans les phénomènes de photodégrada- 1992); papier journal et Pinus radiata tion observés sur le bois de chêne, nous (Leary, 1968a et b); molécules modèles de avons réalisé des irradiations dans l’air et lignine (Castellan et al, 1985); pâte à pa- en atmosphère d’azote. Les courbes de pier mécanique (Nolan et al, 1945) et li- différence des spectres d’absorption ultra- gnine (Lin et Kringstadt, 1971).En re- violet-visible des coupes de duramen de influence vanche, l’oxygène semble sans bois de chêne (fig 17) montrent que l’augmentation générale de l’absorption sur l’absorption à 350 nm décroît, que l’irradia- s’étendant de 400 à 700 nm, et en particu- tion soit conduite en présence ou non lier sur la formation de photoproduits ab- d’oxygène. De même, en début d’irradia- sorbant vers 470 nm. L’augmentation ini- tion (fig 17a, b), l’augmentation générale tiale de l’absorption à 430 nm dans le cas de l’absorption sur l’ensemble du domaine du bois de sapin attribuée à l’apparition de visible (400-700 nm) existe dans les produits radicalaires est également indiffé- 2 cas; nous constatons également que la rente à la présence ou l’absence d’oxy- différence de densité optique à 47C nm est al, 1992). Wengert (1966) gène (Dirckx et du même ordre pour les 2 types d’atmos- fait la même observation en irradiant des phère (fig 18a). Ce n’est qu’après une échantillons de bouleau : après l’assom- quinzaine d’heures d’irradiation qu’apparaît brissement de tous les échantillons pen- une bande d’absorption centrée à 410 nm dant les premières heures d’exposition, pour l’échantillon irradié en présence seuls ceux qui sont placés dans l’air et d’oxygène (fig 18b). Ce phénomène est dans l’oxygène pur commencent à s’éclair- bien mis en évidence sur les courbes de cir, tandis que ceux exposés en atmos- différence des spectres (fig 17c, d). Nous phères inertes (argon, azote et vide) conti- notons également que le photoéclaircis- nuent à s’assombrir. sement (fig 17c) ne se manifeste que Notons également que la diminution de pour l’échantillon irradié en présence la densité optique à 350 nm a lieu dans les d’oxygène. 2 atmosphères pour nos échantillons. En Le suivi des modifications des spectres rapprochant les observations faites en montre que seule une diminu- infrarouges spectroscopie infrarouge, nous pouvons tion continue de l’absorption à 1 600 cm -1 penser que les produits dont on suit la dé- est observée sur une coupe de bois de gradation vers 350 nm sont responsables chêne irradiée en atmosphère d’azote. de l’absorption en infrarouge à 1 660 cm . -1 Ainsi, l’apparition des groupes carbonyls (augmentation de l’absorption à 1 740 cm ) -1 et la dégradation de la structure aromati- DISCUSSION que des lignines (diminution de l’absorp- tion à 1 510 cm observées lors d’une ir- ) -1 La similitude des courbes de différence radiation à l’air (fig 11) nécessitent la des spectres d’absorption ultraviolet-visible présence d’oxygène.
(fig 19) et des spectres d’absorption infra- Ce phénomène de jaunissement qui est rouge (fig 20) montre que le comportement dû à l’effet des rayonnements ultraviolets a à la lumière solaire d’une feuillue été observé aussi bien sur le bois lui- essence contenant des substances extractibles co- même (Sinclair et Vincent, 1964; Leary, lorées en forte proportion ne s’éloigne pas 1967; Dirckx, 1988) que sur les pâtes à pa- trop de celui du bois d’Abies grandis choisi pier mécanique (Nolan et al, 1945) ou chi- comme modèle du comportement photo- mique (Claesson et al, 1967), sur le papier chimique du bois (Dirckx et al, 1992). Une (Leary, 1968a et b; Lenest et al, 1982) et analyse plus fine permet de dégager 2 dif- surtout sur des modèles de lignine (Lin et férences principales dans l’évolution des 2 Kringstadt, 1970; Brunow et Eriksson, essences : 1971; Brunow et Sivonen, 1975; Geller- stedt et Pettersson, 1975 et 1977; Vanucci d’une part, les amplitudes de change- - et al, 1987; Castellan et al, 1988). L’en- ment de couleur sont plus faibles dans le semble de ces études fait apparaître que, cas du bois de chêne (fig 21 a); des constituants principaux du bois, ce d’autre part, il existe, dans les courbes - sont les lignines qui sont responsables du de différence des spectres d’absorption ul- jaunissement du bois à la lumière solaire. traviolet-visible, une large bande de déco- Il a été observé que la courbe de sensibili- loration dans le domaine visible pour le té du bois à la lumière est tout à fait simi- bois de chêne, alors qu’elle est inexistante laire au spectre d’absorption ultraviolet des dans le cas du bois d’Abies grandis. Le lignines (Nolan et al, 1945; Dirckx, 1988). phénomène apparaît également dans les Par ailleurs, Scott et Goring (1970) rappor- évolutions de la luminance (fig 21b) qui, tent l’intense décroissance de l’absorption dans le cas du duramen de bois de chêne, à 280 nm; attribuée aux lignines et obser- augmente après une centaine d’heures vée par microscopie ultraviolette sur les d’exposition.
430 nm (Neumann et al, 1986a). Par effet bathochrome du substituant, les radicaux de type syringyl absorbent à des longueurs d’onde plus élevées. Ce déplacement peut expliquer l’augmentation progressive de l’absorption à 470 nm observée en début d’irradiation des coupes de bois de chêne aussi bien dans l’air que dans l’azote. Nous avons par ailleurs vérifié par spec- troscopie de résonance paramagnétique électronique la nature radicalaire de la photodégradation du bois de chêne. Un si- gnal de même allure que celui observé lors de l’irradiation du bois d’Abies grandis et de lignine isolée a été détecté. L’étude de la cinétique d’apparition de ces radicaux a montré que l’on obtient un état stationnaire après 1 h d’irradiation avec un flux lumi- neux moyen de 20 mW/cm à 360 nm. La 2 longue durée de vie de ces radicaux après arrêt de l’excitation lumineuse est compa- tible avec une structure phenoxy qui est stabilisée par résonance. En présence d’oxygène, ces radicaux forment des produits à structure quinoni- que absorbant vers 400-420 nm, et partici- pant ainsi au jaunissement. L’étude de l’in- fluence de l’oxygène sur le comportement photochimique des lignines a montré que les composés à structure paraquinonique interviennent dans les processus photochi- miques de dégradation en sensibilisant la formation d’oxygène singulet. Sous cette forme électroniquement exitée, l’oxygène coupes de bois. Ces études ont également peut réagir sur les lignines pour reformer mis en évidence l’importance des groupe- des radicaux phénoxy (Neumann et al, ments α-carbonyles conjugués à un cycle 1986b; Neumann et Machado, 1989). En aromatique et des groupes cinnamiques absence d’oxygène, il y a recombinaison dans les phénomènes de photodégrada- des radicaux pour former des produits non tion des lignines. Les réactions induites colorés (Gellerstedt et Petersson, 1975). par l’absorption de la lumière solaire par Cette désactivation est également obser- ces chromophores conduisent à la forma- vée lors de l’irradiation des molécules mo- tion de radicaux phénoxy de type gaïacyl dèles précurseurs des lignines en solution et syringyl, qui sont générés aussi bien en et al, 1985). Aucune dégazée (Castellan présence qu’en absence d’oxygène coloration survient lors de l’irradiation. ne (Dirckx, 1988; Dirckx et al, 1992). Les radi- intervient Néanmoins, jaunissement un caux gaïacoxy absorbent aux environs de la solution est lorsqu’après exposition,