Une méthode de calcul de la concentration de PEG à utiliser pour la llyuphilisation d'en bois gorgé d'eau

Information archivée dans le Web

Information identifiée comme étant archivée dans le Web à des fins de consultation, de recherche ou de tenue de documents. Elle n’a pas été modifiée ni mise à jour depuis la date de son archivage. Les pages Web qui sont archivées dans le Web ne sont pas assujetties aux normes applicables au Web du gouvernement du Canada. Conformément à la Politique de communication du gouvernement du Canada, vous pouvez la demander sous d’autres formes. Ses coordonnées figurent à la page « Contactez-nous »

Une méthode de calcul de la concentration de PEG à utiliser pour la llyuphilisation d'en bois gorgé d'eau

Résumé

Il a été prouvé que la lyophilisation après un traitement initial avecune solution de PEG constitue une procédure adéquate de traitement du bois gorgé d'eau. Dans certaines circonstances, elle permet d'éviter le retrait. Dernièrement, la démarche a étéperfectionnée et fait désormais intervenir deux types de PEG de poids moléculaires différents. Un type liquide, comme le PEG 200, est employé pour minimiser le retrait de la membrane cellulaire tandis que le PEG 3350, solide et cireux, est employé pour solidifier un bois affaibli. Cette procédure est axée sur un aspect clé du traitement : le désir d'employer la moindre quantité possible de PEG de la façon la plus efficace possible, et celui d'adapter le traitement selon le bois qui doit en faire l'objet.

Idéalement, tout traitement devrait être adapté à chaque objet en bois. Les artefacts en bois se distinguent notamment par la densité du bois, leurs caractéristiques anatomiques, les effets du milieu, l'avancement de la dégradation, etc., et ce sont ces facteurs qui devraient régir le type de PEG à utiliser pour le traitement ainsi que les conditions du traitement. Pour procéder ainsi, il faut toutefois effectuer une analyse afin d'établir :

(1) de quelle essence de bois il s'agit et
(2) la densité réelle de ce bois.

De plus, il est important de connaître :

(3) la densité normale du bois en question et
(4) le taux d'humidité au point de saturation des fibres du bois normal (c'est-à-dire non détérioré).

Des méthodes simples permettant d'obtenir cette information ont été mises au point et les données résultantes ont été intégrées à un logiciel appelé «; PEGcon » qui calcule les concentrations de PEG qu'il convient d'employer. Le logiciel calcule également les poids et les volumes servant à préparer les solutions de PEG aux fins de traitement ainsi que les concentrations de PEG exigées pour entreprendre certains autres régimes de traitement.

Introduction

Cette démarche est fondée sur les observations pratiques accumulées au fil des années; pour en expliquer l'utilisation, il vaut d'en relater l'historique.

L'effet anti-retrait du PEG 400

En 1981, alors qu'il se penchait sur la méthode de lyophilisation mise au point par Ambrose (1), Grattan (2) a démontré avec certains échantillons de bois gorgé d'eau non détériorés que le retrait dépendait de la concentration de PEG présente dans le bain d'imprégnation. En l'occurrence, le bois exposé à une concentration plus élevée présentait un moindre retrait. Le volume de PEG nécessaire se situait entre 1,2 et 2 fois l'espace du deuxième ordre au point de saturation des fibres. Cette réaction s'expliquait par le fait que le PEG se substituait à l'eau dans les membranes cellulaires. Grattan conclut donc que si tout l'espace du deuxième ordre était remplacé par une substance dont les propriétés chimiques étaient semblables à celles de l'eau et qui ne s'évaporerait pas dans la chambre à vide d'un lyophilisateur, il n'y aurait alors plus aucune raison pour que la membrane cellulaire rétrécisse à mesure que le bois sèche.

Une deuxième série d'expériences (3) portant sur l'incidence de la détérioration a également révélé que le retrait (exprimé sous forme d'efficacité anti-retrait) diminuait avec l'augmentation de la concentration de PEG. On nota également que plus un bois était détérioré, plus il fallait de PEG par poids unitaire de matière cellulaire sèche devant être stabilisée. (Le volume de PEG nécessaire s'élevait à plus de 1,8 fois la quantité qui remplirait l'espace du deuxième ordre d'un bois présentant une détérioration plus avancée.) Pour expliquer cette observation, on posa que les membranes cellulaires d'un bois détérioré sont plus poreuses que celles d'un bois intact et qu'il faut donc relativement plus de PEG pour les grossir.

En revanche, lorsqu'il s'agit de calculer la quantité de PEG nécessaire pour grossir un échantillon de bois donné, il ne suffit pas de calculer simplement le volume de l'espace du deuxième ordre et de partir du principe que si cette exacte valeur de PEG s'imprègne dans le bois, elle aboutira entièrement et forcément à l'emplacement voulu. Autrement dit, plusieurs autres facteurs qui influent sur la répartition finale du PEG entrent en jeu et doivent être pris en considération.

Prenons l'exemple d'un échantillon de bois qui trempe dans une solution aqueuse de PEG à x %. Supposons une pénétration parfaite de la solution dans tous les canaux médullaires ainsi que dans tous les microcapillaires de la membrane cellulaire. Dès lors, à l'étape de l'imprégnation du traitement, la concentration de la solution combinée à l'espace disponible dans le bois régissent la quantité de PEG qui peut le pénétrer. À l'étape du séchage, la pénétration de PEG supplémentaire est impossible. Par contre, le PEG auparavant absorbé par le bois peut être redistribué. Pour que les membranes cellulaires restent entièrement dilatées après la lyophilisation, il faut probablement que le PEG remplace environ 90 % de l'eau engorgée dans le bois. Par conséquent, la simple imprégnation ne suffit pas à introduire suffisamment de PEG dans les membranes cellulaires pour empêcher le retrait du bois. À une étape quelconque du séchage, il faut que d'autre PEB pénètre les membranes cellulaires. Pour ce faire (et certaines données, dont il est question plus bas, révèlent que c'est bel et bien ce qui se produit), le PEG doit migrer de la membrane cellulaire aux canaux médullaires pour remplacer l'eau qui s'en évapore en cours de la lyophilisation. Certains facteurs peuvent faciliter cette migration; l'un d'eux est abordé ci-dessous.

L'incidence du point eutectique

À la température communément employée aux fins de lyophilisation (environ -20 ˚C), les solutions de PEG et d'eau restent partiellement dégelées et ne sont donc pas complètement solides. À environ -20 ˚C, les solutions de PEG gelées consistent en glace intimement mêlée avec une solution visqueuse de PEG à 55 % à base d'eau (le pseudo mélange eutectique) (4). À mesure que la solution se lyophilise, elle devient plus riche en PEG. Ce phénomène est décrit par le diagramme de phases à deux composants simples de la solution d'eau et de PEG (4) dans la mesure où le point de fusion baisse à mesure que la concentration en PEG de la solution augmente jusqu'à devenir le pseudo mélange eutectique, à 55 % de PEG. À ce stade, le point de congélation est inférieur à environ -25 ˚C et est indéfini. À mesure que le séchage progresse, le PEG solide se sépare jusqu'à ce qu'il demeure exclusivement, après évaporation de toute l'humidité. Toute cette activité semble survenir dans une zone plutôt étroite, le PEG solide étant concentré d'un côté de la partie extérieure du bois et le mélange gelé de PEG et d'eau étant de l'autre. On appelle cette zone « front de lyophilisation » (5). À mesure que le bois se lyophilise, le front pénètre lentement le bloc de bois surgelé. Il est possible que le PEG (ou solution à 55 %) soit très mobile; la viscosité de la solution est étonnamment faible, se chiffrant à environ 100 centistokes (4). Comme le séchage est un procédé plutôt lent, le front doit progresser lentement, ce qui laisse éventuellement assez de temps pour que le PEG migre dans la membrane cellulaire et remplace l'eau sublimée. Le phénomène est peut-être attribuable à l'action capillaire plutôt qu'à un échange diffusif.

Confirmation directe de la présence de PEG dans les membranes cellulaires du bois séché

La présence de PEG de poids moléculaire faible dans les membranes cellulaires a été confirmée de deux façons. Young et Wainwright (6) et, plus tard, Young et Sims (7) ont observé directement le PEG au moyen d'un test de coloration au thiocyanate de cobalt. Les PEG de poids moléculaire faible (200, 400 et 600) ont été observés dans la membrane cellulaire de certaines essences, contrairement au PEG ayant un poids moléculaire plus élevé (100, 1450 et 3350). Le « pénétrant » le plus efficace était le PEG 200. Les chercheurs ont aussi relevé des différences marquées selon les essences. Ainsi, le chêne blanc (Quercus alba) de l'Amérique du Nord et le cèdre (Thuja occidentalis et Thuja plicata) se sont avérés très difficiles à pénétrer, même lorsqu'ils sont détériorés. Dans le cas du chêne, aucune pénétration des fibres ligneuses n'a été observée (25 % du volume total du bois). La pénétration (ou non) du PEG dans la membrane cellulaire a également été établie indirectement au cours d'une étude de la réaction de bois gorgés d'eau traités au PEG 400 et au PEG 3350 à des TH variables (humidité relative) (8). Les dimensions des échantillons de bois traités au PEG 400 n'étaient pas affectées par les changements du TH alors que ceux traités au PEG 3350 réagissaient essentiellement de la même manière que le bois non traité.

La méthode des PEG combinés

Ces observations ont donné lieu à l'idée de traiter le bois avec un mélange composé d'une part d'un bon « pénétrant », comme le PEG 200 (ou 400), afin de contrôler le retrait des membranes cellulaires et, d'autre part, de PEG 3350 solide cireux qui se déposerait dans les canaux médullaires afin de contrer l'effondrement du bois détérioré affaibli. Les études sur l'état microscopique du bois gorgé d'eau, celle menée par Barbour (9) par exemple, avaient révélé que la détérioration affaiblit le bois par la destruction de la membrane cellulaire du deuxième ordre. Le cas échéant, le bois est mou et ses cellules ne peuvent supporter la tension capillaire qui s'exerce pendant le séchage (comme Barbour l'a très efficacement démontré). Si la lyophilisation supprime en grande partie ces forces, il demeure que la quantité de bois restant en fin de traitement peut être très minime, d'où le besoin d'ajouter une substance pour consolider les cellules du bois.

Il faut aussi mentionner les études effectuées par Hoffmann (10) sur le retrait du chêne traité avec des solutions de PEG à 50 %. Quoique cette démarche ne se voulait pas un traitement préalable à la lyophilisation, Hoffman a clairement montré que le PEG 200 cause le moindre retrait dans le cas d'un bois non détérioré, mais que le PEG 3350 est le plus efficace dans le cas d'un bois détérioré. Les types intermédiaires de PEG n'étaient jamais aussi efficaces, que le bois soit détérioré ou non. Ces constatations s'accordent avec celles de Young et Sims, évoquées ci-dessus.

Au cours de leur recherche sur le traitement du bois avec deux types de PEG, Grattan et Cook (3) ont essayé divers mélanges et formulations, notamment avec du PEG 400 à 15 % et du PEG 3350 à 15 %. Des agents de renforcement autres que le PEG 3350, dont plusieurs résines hydrosolubles, ont aussi été testés. Seul le PEG 3350 a donné des résultats acceptables. Les méthodes fondées sur un mélange de PEG ont donné de très bons résultats, mais présentaient certains problèmes exigeant le perfectionnement de la méthode. Ainsi, la technique ne tenait pas compte des variantes dictées par l'essence du bois ou son état. La réussite totale du traitement d'un bois suivant la formulation standard était donc quelque peu l'effet du hasard. Les problèmes causés par les concentrations inappropriées de PEG se résument ainsi :

Pas assez de PEG 400 ... retrait de la membrane cellulaire provoquant le fissurage et la déformation du bois; bois traité instable, sur le plan dimensionnel, vis-à-vis des changements de l'humidité relative.

Trop de PEG 400 ... susceptible, à l'étape de la lyophilisation, de porter le bois proche du point eutectique, sans raison, entravant dès lors sa congélation, ralentissant le séchage et donnant de piètres résultats. Le bois traité risque d'être excessivement lourd, hygroscopique (formation de gouttelettes d'eau en surface dans un milieu humide), mou et peu résistant, en plus d'avoir une apparence « mouillée » peu attrayante et d'emprisonner la saleté. En présence de composants sensibles à l'humidité - par exemple un métal dans le cas d'un artefact composé - ce problème est d'autant plus grave en raison du risque accru de corrosion. De plus, l'imprégnation serait très longue, sans raison, et le PEG serait gaspillé.

Pas assez de PEG 3350 ... effondrement des cellules pendant le séchage et bois insuffisamment solidifié.

Trop de PEG 3350 ... susceptible, à l'étape de la lyophilisation, de porter le bois proche du point eutectique, sans raison, entravant dès lors sa congélation, ralentissant le séchage et donnant de piètres résultats. Le bois traité risque d'être excessivement lourd. L'imprégnation serait très longue, sans raison, et le PEG serait gaspillé.

À cause de ces problèmes, il semblait très important de cerner avec précision les concentrations de PEG. Pour ce faire, il est important de faire correspondre les conditions de traitement avec le bois devant être imprégné. L'évaluation quantitative de la détérioration devient alors une considération importante.

La détérioration

Dans le domaine de la restauration, deux approches ont principalement été employées pour caractériser la détérioration du bois. En revanche, elles présentent l'une et l'autre des limites. La première approche consiste en l'étude des changements micro-morphologiques afin de cerner comment la détérioration a affecté les cellules du bois. Toute importante que soit cette information, elle ne se prête pas forcément à la généralisation ni à la déduction facile de conséquences utiles au moment du traitement. La seconde approche consiste en une analyse chimique du bois et, plus précisément, le contrôle des changements de sa composition chimique. Elle a été employée à quelques reprises (11). L'analyse chimique exige l'emploi de 20 g de bois, elle est longue ou coûteuse, voire les deux. De plus, il peut être impossible, pour des raisons d'intégrité, de prélever de l'artefact un échantillon de la taille requise. Par conséquent, il est impossible d'effectuer une analyse chimique de chaque artefact devant faire l'objet d'un traitement.

Par contre, la nature semble avoir prévu un moyen de contourner cette difficulté, du moins dans le cas du bois gorgé d'eau, grâce à l'holocellulose (alfacellulose et hémicellulose) plutôt que la lignine qui se détériore en premier. Cette séquence de la détérioration a été relevée dans le cas de nombreuses essences de bois et de toutes les conditions d'enfouissement. Les graphiques comparatifs de l'holocellulose et de la teneur maximale en eau révèlent que la valeur de l'humidité maximale d'une essence donnée permet d'estimer la quantité d'holocellulose restante. Grattan et Mathias ont repris cette observation pour affirmer que le calcul des concentrations de PEG n'exige donc pas d'analyse chimique et qu'il suffit d'estimer l'Umax, ou teneur maximale en eau (12). La teneur maximale en eau est liée à la détérioration, c'est-à-dire à la perte de l'holocellulose, dans la mesure où elle dépend de l'espace disponible dans le bois. La détérioration et la perte subséquente de l'holocellulose entraînent donc l'augmentation de l'espace vide dans la membrane cellulaire et, parallèlement, celle de la teneur maximale en eau. Cette approche comporte toutefois une difficulté : la signification de la teneur maximale en eau dépend de la densité du bois. Ainsi, une forte teneur peut signifier qu'un bois de faible densité (p. ex. baumier ou cèdre) n'est pas détérioré alors que dans le cas d'une essence dense, comme le chêne ou l'acajou, la même valeur est indicatrice d'une détérioration avancée.

Grattan et Mathias (12) posent donc que, lorsque l'essence est connue, il est prudent d'évaluer la perte probable de matériau ligneux due à la détérioration. Pour ce faire, on compare la densité du bois détérioré à celle d'un échantillon normal de bois neuf. On part ensuite du principe que la différence entre les deux valeurs est égale à la perte de l'holocellulose. Cette valeur, c'est-à-dire la perte, est désignée par l'abréviation « Lws » et est exprimée sous forme de pourcentage de la densité normale de départ.

Déduction des équations servant à calculer la concentration de peg

Les concentrations de PEG sont calculées en partant du principe que le PEG présent dans le bois à la fin de la période de trempage restera dans le bois pendant la lyophilisation. Par conséquent, l'espace dans le bois que peut pénétrer la solution de PEG ainsi que la quantité de membrane cellulaire présente jouent beaucoup sur le calcul des concentrations de PEG à utiliser.

N.B. Les dérivations qui suivent sont fondées sur 1 cm³ de bois.

Concentration de PEG 200

Au PSF (point de saturation des fibres), l'eau que contient le bois (Mf) remplit exactement l'espace du deuxième ordre tandis que les canaux médullaires restent vides. Mf correspond donc à la mesure de l'espace du deuxième ordre ou de la membrane cellulaire libre du volume de membrane cellulaire résiduelle non détériorée. Le volume de PEG 200 à ajouter devrait, à la première approximation, suffire à remplir exactement cet espace. Par conséquent, le volume de PEG dans le bois est exprimé par Mf.

Mf = 100 * Wwat / Wwood %

Où :

Wwat = poids de l'eau que contient le bois (g) au PSF du bois non détérioré

et

Wwood = poids anhydre du bois (g)

Par conséquent,

Wwat = Mf * Wwood / 100 g

Comme la densité de l'eau avoisine l'unité, le poids de l'eau (Wwat) égale approximativement Vwat, c'est-à-dire le volume de l'eau que contient le bois au PSF. De plus, le Vwat (au PSF) est égal au Vsos, ou le volume de l'espace du deuxième ordre au PSF.

Donc,

Vsos = Vwat = Wwat = Mf * Wwood / 100 cm³

Comme on l'a signalé plus haut, le volume de PEG 200 (Vp200) nécessaire (et non le volume de PEG dans la solution d'imprégnation, mais bien le volume de PEG non dilué) devrait remplir exactement l'espace du deuxième ordre.

Par conséquent,

Vp200 = Vsos = Mf * Wwood / 100 cm³ équation 1

La densité réelle (c'est-à-dire celle du bois non détérioré) est obtenue par Rg, qui correspond au poids anhydre du bois divisé par le Vwood, volume occupé par le bois lorsqu'il est entièrement gorgé d'eau :

Rg = Wwood / Vwood g/cm³

Toutefois, comme le volume du bois est l'unité, on peut remplacer Wwood par Rg dans l'équation 1 :

Vp200 = Mf * Rg / 100 cm³ équation 2

Il a été constaté que la densité du tissu de la membrane cellulaire (c'est-à-dire cellulose, hémicellulose et lignine) est une quantité plutôt invariante égale à environ 1,5 g/cm³ dans le cas de bien des essences (13). Même en présence de dégradation importante (c'est-à-dire perte de tissu de la membrane cellulaire), on a observé que la densité du tissu restant demeure proche de cette valeur (9). Cette observation permet donc de calculer le volume intérieur ou Vint (c'est-à-dire le volume des canaux médullaires plus l'espace du deuxième ordre).

Dans une unité de volume de bois (1 cm³), le volume occupé par le tissu de la membrane cellulaire (Vwall) est égal à :

Vwall = Rg / 1,5 g/cm³

Dès lors, le volume non occupé par le tissu de la membrane cellulaire, soit le volume intérieur ou Vint (qui sera, on le suppose, entièrement rempli par la solution de PEG), est égal à :

Vint = (1,5 - Rg) / 1,5 cm³

La concentration de la solution de PEG 200 (c 200) nécessaire pour introduire exactement le volume voulu de PEG 200 dans la membrane cellulaire est :

c 200 = Vp200 / Vint cm³ PEG 200 / cm³ solution

Mf * Rg * 1,5 / (100(1,5 - Rg)) cm³ PEG 200 / cm³ solution

La densité de PEG 200 = 1,127 g/cm³ (4), ce qui signifie que la concentration de PEG (c 200), exprimée en pourcentage de poids, est :

c 200 = 1,127 * Mf * Rg * 1,5 / (1,5 - Rg) % PEG w/v équation 3A

ou en pourcentage de volume :

c 200 = Mf * Rg * 1,5 / (1,5 - Rg) % PEG v/v équation 3B

Les équations 3A et 3B peuvent être utilisées pour calculer la concentration de la solution de PEG 200 pour le traitement de bois détérioré et de bois non détérioré.

(Si, pour les raisons évoquées ailleurs dans cet article, on considère que le PEG 200 et le Mf devraient être en rapport, c'est-à-dire quand on obtient un coefficient de PEG supérieur à l'unité, alors ce rapport est multiplié par les concentrations données par les équations 3A et 3B pour augmenter la concentration de la solution d'imprégnation.)

Concentration de PEG 3350

La prochaine étape est le calcul de la quantité de PEG 3350 requise pour traiter un bois détérioré. On a posé, comme hypothèse pratique, que le volume de PEG 3350 nécessaire devrait égaler le volume de bois disparu à cause de la détérioration. Manifestement, on ne suppose pas que le PEG remplace exactement le volume manquant; en revanche, on pense que le PEG plus solide se dépose sur les surfaces des cavités plus vastes que renferme le bois. Comme le volume du canal médullaire augmente avec la destruction de la membrane cellulaire, les membranes cellulaires d'une cellule détériorée devraient recevoir davantage de PEG 3350 que celles d'une cellule intacte. (Dans le cas d'une cellule tubulaire, le rapport entre la superficie et le volume est égal à environ 2/r, r correspond au rayon de la cellule. Donc, à mesure que r augmente, le volume augmente par rapport à la superficie, ce qui signifie que les cellules de plus grande taille contiennent davantage de solution de PEG par unité de surface que les cellules de moindre taille.)

Le pourcentage de perte de substance du bois, exprimé par Lws (c'est-à-dire le poids anhydre du bois disparu à cause de la détérioration), est estimé être égal à la différence entre la densité normale de l'essence et sa densité réelle:

Lws (w/v) = 100 (Rgn - Rg) / Rgn %poids/volume

Exprimé en volume par unité de volume du bois, et partant du principe que le tissu de la membrane cellulaire pèse environ 1,5 g/cm³, le volume disparu à cause de la détérioration est égal à :

Vlws = (Rgn - Rg) / 1,5 cm³

Vlws est donc égal au volume de PEG 3350 nécessaire pour remplacer le tissu de la membrane cellulaire manquant par unité de volume du bois.

Cependant, le volume que peut pénétrer la solution de PEG 3350 est uniquement celui du canal médullaire. L'espace du deuxième ordre est exclu puisque les recherches menées par Young et Sim (évoquées ci-dessus) ont montré que le PEG 3350 ne peut le pénétrer.

Calcul du volume du canal médullaire

Le volume de l'espace du deuxième ordre par unité de volume du bois est obtenu par l'équation 1.

Vsos = Mf * Rg / 100 cm³

Le volume du canal médullaire, Vlum, est égal à :

Vlum = Vint - Vsos

La concentration de PEG 3350 qui doit être obtenue au niveau du bois est donc la suivante :

c3350 = (Rgn - Rg) / (1,5 (Vint - Vsos)) cm³/ cm³

13.5pt;font-family:TIMES;mso-ansi-language:= (Rgn - Rg) / (1,5 * (1,5 - Rg) / 1,5 - Mf * Rg / 100)) cm³/ cm³

= (Rgn - Rg) / (1,5 - Rg * (1 + 1,5 Mf / 100)) cm³/ cm³ équation 4A

Exprimée en pourcentage du pois, la concentration idéale de PEG 3350 est donc :

c3350 = 100 * 1,072 * (Rgn - Rg)/(1,5 - Rg(1 + 1,5Mf / 100)) %w/v équation 4B

Les équations 3 et 4 peuvent servir à calculer la concentration la plus appropriée de PEG aux fins de lyophilisation d'un bois gorgé d'eau. Cependant, pour les transformer en outils réellement utiles, il faut disposer de données supplémentaires.

Densité normale (Rgn)

Une foule de sources documentaires précise la densité normale des essences de bois. Dans le cas présent, les principales compilations nord-américaines ont été recensées. Comme les données réunies par Summitt et Sliker étaient les plus complètes, elles ont été retenues (14).

On reconnaît que la notion de densité « normale » est plutôt aléatoire dans la mesure où l'on a constaté d'importantes variations de densité au sein d'un même arbre, et non seulement entre les différents types de tissus (racines, branches, bois de compression, bois juvénile, etc.), mais aussi dans le tronc même selon l'âge de l'arbre et autres considérations. De surcroît, il peut exister des variations extrêmes d'arbre en arbre selon l'endroit où ils ont respectivement poussé. Dans les faits, les conséquences de cette incertitude concernant la densité originale d'un objet sont sans importance. La valeur Rgn régit la quantité de PEG 3350 et n'a aucune incidence sur la concentration de PEG 200. Comme on l'a signalé plus haut, le but de la démarche est simplement de remplacer la perte estimée de substance en bois par un volume égal de PEG 3350 à titre de première approximation. Une erreur au niveau de Rgn n'a donc pas de très graves conséquences. Il peut aussi arriver que le Rg d'un artefact soit supérieur au Rgn simplement parce que la densité originale du bois était nettement supérieure à la normale. Là encore, les conséquences sont sans gravité. Dans ce cas, la valeur de PEG 3350 calculée par l'ordinateur est égale à zéro, ce qui constitue probablement une suggestion logique dans la mesure où un Rg élevé signifie quasi certainement que le bois est intact (non détérioré). Le cas échéant, il peut être avisé d'analyser la teneur en cendre du bois pour éliminer l'éventualité qu'une minéralisation avancée soit la cause du Rg élevé.

Densité réelle (Rg)

Cette valeur est obtenue le plus simplement en effectuant deux pesées. Le poids à l'air d'un échantillon de bois gorgé d'eau (Wair) est égal au poids anhydre du bois (Wwood) additionné au poids de l'eau engorgée (Wwat).

Poids à l'air :

Wair = Wwood + Wwat g

Le poids d'un échantillon de bois entièrement submergé dans l'eau (Wsub), en supposant qu'il n'y a pas de bulles d'air dans l'eau, est obtenu en appliquant le principe d'Archimède et est donc considéré comme égal au poids anhydre du bois moins le poids du volume d'eau égal (Weqvol).

Poids submergé dans l'eau :

Wsub = Wwood - Weqvol g

Comme on l'a expliqué ci-dessus, on peut poser que la densité de la membrane cellulaire est de 1,5 :

Weqvol = Wwood / 1,5 g

Ce qui permet d'établir un rapport entre le poids submergé et le poids anhydre du bois :

Wsub = Wwood - Wwood / 1,5 = Wwood / 3

Le poids anhydre du bois est donc égal à :

Wwood = 3 * Wsub

Tandis que le poids de l'eau que contient le bois est égal à :

Wwat = Wair - 3.Wsub

Pour calculer la densité réelle (Rg), on divise le poids anhydre par le volume du bois entièrement gorgé d'eau en reprenant les résultats précédents, c'est-à-dire :

Rg = 3 * Wsub (Wwat + 3 * Wsub / 1,5)

= 3 * Wsub (Wair - Wsub)

Les chiffres nécessaires pour calculer le Rg sont donc aisément obtenus en pesant des échantillons de bois submergés dans l'eau et à l'air. Wsub peut être obtenu en suspendant les échantillons à un crochet sous le plateau d'une balance. Pour supprimer les bulles d'air, les échantillons sont entièrement submergés dans l'eau, sous vide, avant d'être pesés. Une chambre de lyophilisation est très utile à cette étape. On répète l'évacuation de l'air et les pesées jusqu'à ce que la valeur obtenue soit constante.

Certains facteurs peuvent fausser l'évaluation de la détérioration, dont la présence de substances minérales emprisonnées dans le bois ou le cas où la densité originale du bois était très différente de la densité normale de la même essence. Ces facteurs sont abordés ci-dessus, à la rubrique consacrée au calcul de la densité normale.

Point de saturation des fibres

Les sources documentaires contiennent peu d'information sur le point de saturation des fibres d'essences spécifiques. De plus, Vorreiter (15) a signalé que même si l'on croit généralement que le taux d'humidité au point de saturation des fibres est identique pour toutes les essences, ce n'est pas le cas. Il a constaté que le taux d'humidité au point de saturation des fibres diminue avec l'augmentation de la densité du bois jusqu'à 16 %, lorsque la densité est de 1,51 g/cm³ (densité du tissu de la membrane cellulaire). Vorreiter a montré que la représentation de Mf sur une courbe est très approximativement proportionnelle à la courbe de la densité Rg du bois. Plusieurs études ont porté sur la dépendance du point de saturation des fibres sur la densité depuis les résultats rapportés par Vorreiter, et il a été montré que la méthode Vorreiter sous-estime le point de saturation des fibres des bois plus denses en raison de la présence de matières extractives. Ainsi, le bois gorgé d'eau présente généralement de moindres quantités de ces matières, ce qui signifie que les données avancées par Feist et Tarkow (16), obtenues par la méthode d'exclusion au PEG appliquée au bois libre de matières extractives, constituent probablement une indication plus juste du Mf réel des bois plus denses (17). Les données compilées par Feist et Tarkow ont été représentées sur une courbe logarithmique comme celle de Vorreiter, ce qui a révélé le rapport linéaire suivant (qui est intégré au logiciel PEGcon) :

Mf (Feist/Tarkow) = 10^(1,454 - 0,384 * log10 Rgn)

Kollmann et Côté ont aussi étudié le point de saturation des fibres de diverses catégories de bois (18); l'information résultante est également intégrée à PEGcon à des fins de comparaisons. À l'heure actuelle, les auteurs recommandent les données de Feist/Tarkow, les considérant comme étant probablement les plus utiles.

Le Logiciel PEGcon

PEGcon utilise les équations présentées ci-dessus et reprend toutes les données publiées sur la densité des essences de bois nord-américaines. En présence de bois très détérioré, le logiciel suggère que la solution de traitement devrait être composée pratiquement exclusivement de PEG 3350, avec très peu de PEG 200, alors qu'en présence de bois solide, il suggère l'inverse.

Pour exploiter le programme, il suffit uniquement de connaître l'essence du bois et sa densité réelle (ou la teneur maximale en eau ou le poids du bois submergé et à l'air, tel qu'indiqué ci-dessus).

Exploitation du logiciel

Les concentrations calculées par le logiciel devraient être interprétées intelligemment. Ainsi, il demeure nécessaire d'effectuer des essais par pénétration à la tige métallique, d'étudier les points très mous et de réunir de l'information sur le milieu dont provient le bois. Il faut aussi étudier étroitement l'éventuelle présence de minéraux. Dans certaines circonstances, il peut être important d'effectuer des analyses plus poussées.

Il faut se souvenir que la concentration de PEG 3350 n'est pas critique et peut être rajustée au besoin. Dès lors, il est important de souligner que la densité du bois non détérioré est extrêmement variable et peut différer nettement de la valeur dite « normale ». Par conséquent, la densité réelle est parfois supérieure à la densité normale, même lorsque le bois semble partiellement détérioré. Lorsque l'utilisateur saisit de telles valeurs dans le logiciel, celui-ci émet une mise en garde et présente la valeur zéro comme concentration de PEG 3350.

Si la concentration totale de PEG se situe à 10 % du point eutectique, le mélange de PEG à 55 % peut ne pas geler, c'est pourquoi ces solutions sont à éviter. Le programme avertit l'utilisateur lorsque les solutions sont proches de cette marge et lui suggère de modifier la quantité de PEG 3350 pour éviter l'emploi d'une solution proche du point eutectique.

Préparation et ajustement des solutions

Le second volet du logiciel comporte une méthode qui permet de préparer les solutions plutôt complexes que fait intervenir cette méthode de conservation.

Un exemple hypothétique suit afin d'expliquer certains problèmes associés à la démarche et la façon dont le logiciel les surmonte.

Imaginons que les concentrations calculées par le premier volet du logiciel sont égales à 7,5 % de PEG 200 et à 18 % de PEG 3350. En supposant une démarche de traitement normale, l'imprégnation, avec ces valeurs, se ferait en au moins trois étapes.

À la première étape, le bois est plongé dans une solution de PEG 200 à 7,5 % (v/v) (N.B. habituellement, l'imprégnation au PEG de faible poids moléculaire est effectuée en une seule étape.)

À la deuxième étape, la concentration de PEG 200 est maintenue au même niveau et on ajoute du PEG 3350 à 9 % (w/v) à la solution (c'est-à-dire que la solution est composée à 7 % (v/v) de PEG 200 et à 9 % (w/v) de PEG 3350).

À la troisième et dernière étape, le bois est exposé à une solution à 7,5 % (v/v) de PEG 200 et à 18 % (w/v) de PEG 3350.

L'ajustement précis de la concentration, sans gaspillage et sans variation de volume, n'est pas chose facile, c'est pourquoi le second volet du logiciel effectue les calculs nécessaires. Le logiciel se base sur le principe qu'une première solution de PEG 200, au volume connu, a été préparée et qu'il reste donc à ajouter le PEG 3350. Le logiciel demande à l'utilisateur de préciser la concentration de PEG 3350 requise, puis lui indique de jeter une partie de la solution de PEG 200 et d'ajouter un poids de PEG 3350 (en kilogrammes) et un volume de PEG 200 (en litres) pour que la concentration de PEG 200 ne change pas. Le logiciel demande ensuite à l'utilisateur s'il souhaite d'autres augmentations de la concentration de PEG 3350. La concentration de PEG 3350 peut être rajustée en autant d'augmentations que le souhaite l'utilisateur. On remarquera que le logiciel demande à l'utilisateur de préciser la concentration totale de PEG 3350 plutôt que la valeur des augmentations.

Les Concentrations SÉRÉES SONT-ELLES CORRECTES?

Comme on l'a signalé plus haut, certaines données indiquent qu'il peut être nécessaire d'ajouter plus de PEG 200 que la quantité requise pour combler l'espace du deuxième ordre et ce, pour plusieurs raisons. Une concentration supérieure de PEG dans le canal médullaire peut être nécessaire pour forcer le passage du PEG dans la membrane cellulaire. L'imprégnation de la membrane cellulaire est inégale et, pour limiter le retrait, il peut être nécessaire de provoquer le gonflement de certaines cellules pour compenser celles qui ne sont pas imprégnées et qui rétrécissent. Grattan et Cook ont constaté que le PEG devant être ajouté est de 1,2 à 2 fois le taux d'humidité au point de saturation des fibres d'un bois relativement non détérioré et de plus de 1,8 fois dans le cas d'un bois détérioré (3). Ce facteur, dérivé d'expériences pratiques, est appelé « coefficient de PEG » et est facilement introduit dans les calculs, tel qu'indiqué ci-dessus. Le logiciel demande à l'utilisateur de fournir la valeur de ce coefficient en fin de démarche.

À l'heure actuelle, la prudence est de rigueur et on conseille donc aux utilisateurs, à moins qu'ils ne disposent de données autres, de s'en tenir à un coefficient de PEG égal à 1. L'EAR demeurera toujours à 85 +/- 10%, mais le risque de nécrose osmotique du bois et autres problèmes sera dès lors écarté.

Il est intéressant de comparer les valeurs optimales de PEG isolées par Hoffmann en employant ces données. Le PEG optimal est égal à la moindre quantité de PEG nécessaire pour provoquer le moindre retrait; il est exprimé par le pourcentage du poids anhydre du tissu de la membrane cellulaire. Hoffmann (10) a noté que le PEGopt est proportionnel à la teneur maximale en eau, et l'équation empirique suivante a été formulée.

PEGopt = A * Umax + B

Umax étant la teneur maximale en eau et A et B, les termes constants.

La modification des équations 3 et 4, qui donnent la concentration totale de PEG, aboutit à une équation de forme identique à celle de Hoffmann. (N.B. ce qui est possible puisque la teneur maximale en eau [Umax] est fonction de Rg). Dès lors, l'interprétation théorique du rapport observé par Hoffmann devient possible :

PEG200 + PEG3350 = Rgn * 0,667 * Umax + Mf + 44.44 * Rgn - 100

En reprenant les valeurs de A et B employées par Hoffmann (10), il est possible de calculer Rgn et Mf. Pour un objet en chêne blanc européen ancien traité au PEG 200, les données avancées par Hoffmann donnent Rgn = 0,75 et Mf = 52; le même bois traité au PEG 3000, avec le même calcul, donne Rgn = 0,6 et Mf = 56. Ces valeurs calculées de Rgn sont très proches des valeurs normales pour le chêne blanc, soit 0,6 g/cm³. Ce qui est intéressant, c'est que les valeurs calculées de Mf sont environ le double de celles obtenues pour le chêne normal. Par conséquent, les données de Hoffmann révèlent que pour obtenir un retrait minimal et remplir la membrane cellulaire de PEG, il faut employer une quantité de PEG qui est égale à entre 52/28 et 56/28 fois le Mf (c'est-à-dire un coefficient de PEG de 1,85 pour le PEG 200 et de 2,0 pour le PEG 3000). Les données de Hoffmann, en plus de confirmer la méthode de calcul de la concentration de PEG, concordent aussi, quantitativement, avec les données antérieurement obtenues par Grattan et Cook.

LE MOT DE LA FIN

Les auteurs proposent donc à leurs collègues de mettre PEGcon à l'essai et espèrent qu'il s'avérera utile. Si les utilisateurs souhaitent ajouter des essences européennes, asiatiques ou autres à la liste des densités, les auteurs se feront un plaisir de les aider. De surcroît, si un utilisateur souhaite exploiter le logiciel en employant d'autres rapports de PEG et de bois ou d'autres substances d'imprégnation, comme le saccharose, ou encore pour traiter des matériaux autres que le bois, les auteurs l'aideront volontiers. On peut obtenir une copie du logiciel, exploité sous DOS (pour ordinateurs compatibles IBM), en fournissant à l'un ou l'autre des auteurs une disquette (de 8,9 cm [3,5 po] ou de 13,3 cm [5,25 po]). Les auteurs sont d'avis que PEGcon a une utilité dans le domaine et sont intéressés par toute suggestion ou aide susceptible de le perfectionner.

Remerciements

Les auteurs remercient Parcs Canada et l'Institut canadien de conservation de l'appui prêté à ce travail

Références

(1) style='text-transform:uppercase'>AmbroseW.R. « Stabilizing Swamp Degraded Wood by Freeze-Drying », Comité de l'ICOM pour la conservation, 4^e réunion triennale, Venise, 1975.

(2) style='text-transform:uppercase'>Grattan, D.W. « A Practical Comparative Study of Treatments for Waterlogged Wood: Part I », Studies in Conservation, n^o 27 (1982), pp. 126-136.

(3) style='text-transform:uppercase'>GrattanD.W. et COOK C. « A Practical Comparative Study of Treatments for Waterlogged Wood: Part III, Pretreatment Solutions for Freeze-Drying », Waterlogged Wood, Study and Conservation, compte rendu de la deuxième conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Grenoble, 1984, pp. 219-241.

(4) Carbowax Polyethylene Glycols (bulletin technique), Union Carbide Corporation, Old Ridgebury Road, Danbury (CT) 06817, 1986.

(5) style='text-transform:uppercase'>MackenzieA. in « Round Table Discussion on Freeze-drying », Waterlogged Wood, Study and Conservation, compte rendu de la deuxième conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Grenoble, 1984, p. 242.

(6) style='text-transform:uppercase'>YoungG. et style='text-transform:uppercase'>WainwrightI.N.M. « Polyethylene Glycol Treatments for Waterlogged Wood at the Cell Level », compte rendu de la conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Ottawa, 1981, pp. 107-116.

(7) style='text-transform:uppercase'>YoungG.S. et SIMS R. « Microscopical Determination of Polyethylene Glycol in Treated Wood - The Effect of Distribution on Dimensional Stabilizations », in Conservation of Wet Wood and Metal, compte rendu des groupes de travail de l'ICOM sur les matériaux organiques archéologiques mouillés et les métaux, Fremantle, 1987, pp. 109-140.

(8) style='text-transform:uppercase'>Grattan, D.W. « A Practical Comparative Study of Treatments for Waterlogged Wood: Part II, The Effect of Humidity on Treated Wood », compte rendu de la conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Ottawa, 1981, pp. 243-252.

(9) style='text-transform:uppercase'>BarbourR.J. « Shrinkage and Collapse in Waterlogged Archaeological Wood, Contribution III Hoko River Series », compte rendu de la conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Ottawa, 1981, pp. 208-225.

(10) style='text-transform:uppercase'>HoffmannP. « On the Stabilization of Waterlogged Oakwood with PEG - Molecular Size Versus Degree of Degradation », Waterlogged Wood, Study and Conservation, compte rendu de la deuxième conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Grenoble, 1984, pp. 95-116.

(11) style='text-transform:uppercase'>HoffmannP. « Chemical Wood Analysis as a Means of Characterizing Archaeological Wood », compte rendu de la conférence du groupe de travail de l'ICOM sur le bois gorgé, Ottawa, 1981, pp. 73-83.

(12) style='text-transform:uppercase'>GrattanD.W. et style='text-transform:uppercase'>MathiasC. « Analysis of Waterlogged Wood: The Value of Chemical Analysis and Other Simple Methods in Evaluating Condition », Somerset Levels Papers, vol. 12 (1986), pp. 6-12.

(13) style='text-transform:uppercase'>KellogR.M. et style='text-transform:uppercase'>WangaardF.F. « Variation in the Cell-Wall Density of Wood », Wood and Fiber, vol. 1 (1969), pp. 180-204.

(14) style='text-transform:uppercase'>SummittR. et style='text-transform:uppercase'>SlikerA. Handbook of Materials Science Volume IV, Wood, CRC Press, Boca Raton, 1980.

(15) style='text-transform:uppercase'>VorreiterV.L. « Fasers ttigungsfeuchte und h"chste Waseraufnahme der H"lzer », Holzforschung, vol. 17, n^o 5 (1963), pp. 139-146.

(16) style='text-transform:uppercase'>FeistW.C. et style='text-transform:uppercase'>TarkowH. « A New Procedure for Measuring Fiber Saturation Points », Forest Products Journal, vol. 17, n^o 10 (1967), pp. 65-68.

(17) style='text-transform:uppercase'>SkaarC. Wood Water Relations, Springer Verlag, Berlin, 1988, pp. 41-42.

(18) style='text-transform:uppercase'>KollmannF.F.P. et W.A. style='text-transform:uppercase'>Côté, Principles of Wood Science and Technology, Springer Verlag, Berlin, 1968, p. 199.

PEG 200:
Les recherches de Young et Sims (7) de même que celles de Hoffmann (10) montrent clairement que l'imprégnant qui pénètre le plus efficacement la membrane cellulaire est le PEG 200. Les auteurs recommandent donc son emploi, plutôt que le PEG 400, aux fins de lyophilisation. Dans l'argument qui s'ensuit, le PEG 400 peut indifféremment remplacer le PEG 200.