Étude fondamentale du traitement du bois dans les plasmas N2-O2

Abstract

Le traitement du bois par plasma a été étudié au moyen d’une décharge à barrière diélectrique (DBD). Des échantillons d’érable à sucre (Acer saccharum) et d’épinette noire (Picea mariana) ont été exposés à la post-décharge en flux d’une DBD à la pression atmosphérique produite dans les gaz N2 et O2. La caractérisation des surfaces par mesure d’angles de contact nous a permis de montrer qu’il est possible de rendre la surface d’érable à sucre plus hydrophile dans une décharge de N2 ou plus hydrophobe dans une décharge de N2-O2. Les changements chimiques et anatomiques des surfaces traitées ont été détectés par spectroscopie infrarouge (FTIR), par spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) et par microscopie électronique à balayage (MEB). Afin de relier les modifications de surface aux espèces actives de la décharge, une caractérisation de celle-ci a été effectuée par des diagnostics électriques et par spectroscopie d’émission optique. Les résultats de la caractérisation ont ensuite été utilisés comme paramètres d’entrée dans un modèle collisionnel-radiatif couplé à l’équation de Boltzmann pour les électrons, permettant d’estimer les densités des différentes espèces générées dans la DBD de N2. Une comparaison a été effectuée avec des traitements dans la post-décharge en flux d’un plasma micro-ondes de N2-O2 à pression réduite optimisée pour l’émission de rayonnement UV et dans une enceinte sous ozone. Nous avons pu déterminer que, dans la post-décharge en flux, la dissociation de O2 par les UV et les métastables N2(A) mène à la génération d’oxygène atomique et d’ozone. Ces dernières espèces sont responsables du caractère plus hydrophile des surfaces traitées dans N2 par la gravure des parois cellulaires et la formation de précipités de lignine. L’obtention de surfaces plus hydrophobes après un traitement dans N2-O2 est due à une augmentation de la température du gaz à 350 K lors de la transition d’une décharge homogène dans N2 à une décharge filamentaire dans N2-O2, causant ainsi une déacétylation suivie d’une dépolymérisation des hémicelluloses menant à la formation de composés furfural et hydroxymethylfurfural suivie d’une réticulation entre ceux-ci et la lignine.

Plasma treatment of wood has been investigated by means of a dielectric barrier discharge (DBD). Sugar maple (Acer saccharum) and black spruce (Picea mariana) samples were exposed to the flowing afterglow of a dielectric barrier discharge produced in N2 and O2. Surface caracterization by contact angle measurements showed it was possible to obtain a more hydrophilic sugar maple surface in N2 and a more hydrophobic surface in N2-O2. Further chemical and anatomical modifications were detected by FTIR, XPS and SEM. In order to explain the surface changes, a caracterization of the DBD was performed by electrical diagnostics and optical emission spectroscopy. The results were then used in a collisional-radiative model coupled to the Boltzmann equation for electrons in order to estimate number density of the different plasma species in N2 DBD. To isolate the role of certain species, a comparison with treatments occuring in a reduced-pressure N2-O2 flowing afterglow optimized for UV emission and in an ozone generator was performed. We have determined that ozone and atomic oxygen generated by UV photons and N2(A) metastables were responsibles for the N2-treated surface hydrophilization and lead to an etching of the cell walls and the foramation of lignin precipitates. The hydrophobization of N2-O2-treated surfaces was due to an increase of the gas temperature to 350 K following a transition from a homogeneous discharge in N2 to a filamentary discharge in N2-O2, causing a deacytylation followed by a depolymerization of hemicelluloses leading to the formation of furfural and hydroxymethylfurfural compounds and subsequent cross-linking between those compounds and lignin.