EN | FR

Consolidation Patrimoine



Des rayonnements ionisants pour consolider le patrimoine par des résines radiodurcissables

Traitement de consolidation par irradiation gamma
Irradiation pour consolidation, d’une statue préalablement imprégnée de résine styrène-polyester radiodurcissable. Cette statue représentant une Vierge à l’Enfant (bois décapé, Méaudre, Isère, XVIIIe s.) était particulièrement altérée et ne pouvait supporter son propre poids en position verticale.
Arc-NUCLEART
Les résines durcissables sous rayonnement ionisants sont utilisées dans de nombreux procédés, par exemple dans les encres, les revêtements, et même en dentisterie (comblement dentaire par des résines solidifiant sous UV). Après ionisation, les électrons de différentes molécules peuvent s’associer, créant de nouvelles liaisons qui modifient les propriétés des résines, jusqu’à provoquer leur polymérisation et leur solidification.

Ces « radiopolymérisations » sont aussi utilisées pour consolider des objets du patrimoine que l’on aura préalablement imprégnés par ces résines.

Les imprégnations dans les matériaux poreux sont généralement réalisées en autoclave, suivant les techniques d’imprégnation sous « vide / pression » classiques utilisées dans l’industrie du bois. La résine styrène polyester est imprégnée jusqu’à cœur et est retenue dans la porosité par la capillarité du matériau. L'objet imprégné peut maintenant être irradié : la résine se polymérise et durcit, apportant la consolidation recherchée. Il faut une dose de l’ordre de 30 kGy pour obtenir une réticulation complète.

Principe de la réticulation du polyester styrène sous irradiation gamma
Un mélange de styrène et polyester insaturé est utilisé. Le styrène agit comme un solvant du polyester ce qui donne à la résine son comportement liquide et permet d’ajuster la viscosité. Sous irradiation, les électrons dépareillés apparaissant au niveau des doubles liaisons du polyester d’une part et du styrène d’autre part pourront se lier. Le styrène vient ainsi « ponter » les molécules de polyester, créant un réseau spatial extrêmement stable et solide. On appelle réticulation ce cas particulier de polymérisation. Le produit obtenu est un plastique thermo-durcissable qui renforcera la structure poreuse dans laquelle il a pénétré.
Arc-NUCLEART
Cette méthode qui est une spécialité d'ARC-Nucléart à Grenoble est connue sous le nom de «méthode Nucléart ».

Elle se distingue des techniques classiquement mises en œuvre par les restaurateurs qui, pour effectuer une consolidation, utilisent des polymères solides qu’ils dissolvent pour obtenir un liquide et qu’ils font diffuser dans le volume à consolider. Le solvant leur sert donc dans ce cas de vecteur pour l’imprégnation et la solidification est ensuite simplement obtenue par l'évaporation de ce solvant, produisant un film mince solide sur la porosité. L’alternative proposée par la méthode Nucléart est d’initier une réaction après imprégnation, solidifiant ainsi toute la matière imprégnée, sans faire appel à l’évaporation de solvant. Il s’agit donc d’une technique de consolidation par densification : toute la résine retenue dans la porosité passe de l’état liquide à solide, conférant une solidification bien supérieure.

L’intérêt du rayonnement ionisant plutôt qu’un moyen chimique pour initier la polymérisation est qu’il permet le contrôle complet de la cinétique. Le durcissement n’est déclenché qu’une fois les objets correctement imprégnés et nettoyés des excès de résine en surface. Par l’utilisation d’une intensité de rayonnement adaptée (le débit de dose), il est possible de maitriser la légère élévation de température accompagnant cette réaction. Il est possible aussi d’arrêter la polymérisation au cours du procédé, par exemple pour un ultime contrôle et le cas échéant d’intervenir sur d’éventuelles brillances alors que la résine commence « à prendre » sous forme de gel, avant que la polymérisation ne devienne irréversible.

Ce traitement, tout pertinent et efficace qu’il soit, est néanmoins quelque peu invasif. Au-delà de la tenue mécanique – l’effet recherché – les propriétés physico-chimiques du matériau consolidé sont bien différentes de celles d’origine. Le matériau « bois-plastique » ainsi obtenu est beaucoup plus lourd que le matériau d'origine. Bien que cela ne soit pas propre à ce procédé, l'apparence des éléments traités peut être plus ou moins modifiée en raison de l’effet de « mouillage » de la surface par la résine, comme pour toute imprégnation. Le styrène peut aussi se révéler être un solvant de certains liants, et dans le cas de pièces polychromées, il est nécessaire de tester la résistance des couches de peinture au styrène.

Mais surtout, ces changements sont irréversibles, ce qui est contraire à la déontologie appliquée en conservation du patrimoine. Ce procédé ne sera donc appliqué que dans les cas où les techniques classiques (consolidation avec évaporation de solvant) ne seraient pas suffisamment efficaces pour renforcer les propriétés mécaniques au niveau nécessaire pour préserver soit la fonction d’un objet, soit l’intégrité d’un objet trop dégradé. On parle de traitement « de la dernière chance » dans ce dernier cas. Quoiqu’il en soit, c’est l’enjeu de conservation qui devra prévaloir à toute décision avant d’utiliser cette technique.

La première consolidation par irradiation gamma fut en 1970 celle d’un parquet marqueté de salles des mariages de l’Hôtel de Ville de Grenoble, autrefois hôtel du connétable de Lesdiguières. Particulièrement altérée, la marquèterie ne pouvait plus supporter le passage des visiteurs, et encore moins les talons à aiguille en vogue à l’époque. Louis de Nadaillac, fraichement recruté au CEA, proposa de durcir ce parquet par irradiation gamma à l’aide d’une résine de méthacrylate de méthyle. Cette opération réalisée dans la toute nouvelle installation d’irradiation du CEA Grenoble y donna naissance à l’activité de conservation du patrimoine sous le nom de programme Nucléart, puis à l’atelier ARC-Nucléart.

Consolidation par irradiation gamma d’un parquet marqueté historique attribué aux ébénistes Hache
Ce parquet de 155 m2 dont la marquèterie était particulièrement altérée, fût démonté, imprégné, puis durci sous rayonnement gamma. Il fût dès lors remis en place dans ce lieu devenu ensuite Musée Stendhal, puis aujourd’hui Maison de l’International de la ville de Grenoble. Le parquet continue d’y tenir sa fonction, recevant les pieds et les chaussures des nombreux visiteurs qui se déplacent pour les expositions organisées dans ce lieu.
ARC-Nucléart

Traitements des bois archéologiques

Ce traitement est aussi utilisé pour traiter des bois archéologiques.

Quand les archéologies découvrent du bois, c’est le plus souvent qu’il a été conservé directement sous eau ou en milieu saturé en humidité, donc en l’absence d’oxygène. Le bois aura été ainsi protégé des principales biodégradations, mais ce séjour prolongé dans l’eau aura provoqué la perte de cellulose par hydrolyse, aidée en cela par l’action de certaines bactéries anaérobie. Ces bois ne supporteront donc plus un séchage normal à l’air libre qui entrainerait leur effondrement irréversible sous la tension des forces de capillarité accompagnant le retrait de l’eau liquide.

Les traitements classiques pour ces objets utilisent des imprégnations par diffusion de polymères solides mais solubles en milieu aqueux, le polyéthylène glycol (PEG), suivi d’un séchage contrôlé ou mieux par lyophilisation, ce qui évite les forces de tensions liquides et donc l’effondrement. L’utilisation alternative des résines polyester styrène radiodurcissables présentent des avantages, non seulement du fait de la très bonne consolidation, mais surtout de la stabilité du polymère ainsi radiopolymérisé. Elle est par exemple particulièrement adaptée pour minimiser les risques de corrosion sur des parties métalliques qui seraient associées au bois, risque que le caractère hydrophile des polymères solubles dans l’eau comme le PEG rendrait critique. Mais, pour l’imprégnation, pas plus qu’un simple échange entre l’eau et la résine qui ne sont pas miscibles l’un avec l’autre, la méthode par vide pression ne peut être utilisée directement sous peine d’obtenir le même effondrement que le séchage à l’air libre lors de l’évaporation de l’eau liquide.

A ARC-Nucléart, pendant plusieurs décennies, l’imprégnation fut réalisée par double échanges osmotiques, c’est-à-dire par bains successifs de solutions d’acétone servant de solvant intermédiaire avant de recommencer avec le styrène polyester, jusqu’à imprégnation complète par cette dernière. On préfère maintenant utiliser une méthode combinant une lyophilisation après imprégnation avec une solution très peu concentrée de PEG, ce qui permet d’en conserver correctement les volumes tout en ménageant une très forte porosité dans le bois. L’objet encore très fragile mais sec peut être alors imprégné de résine comme un objet poreux classique. La suite du traitement se fait par irradiation exactement comme la méthode Nucléart pour le bois sec.

Laurent Cortella, Responsable des installations et opérations d’irradiation à ARC-Nucléart