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| Chapitre 2 Cadre conceptuel de l’étude | ||
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Table des matières
L’objectif général de ce travail de recherche consiste à optimiser la proportion et la granulométrie des particules d’écorce non extraite et extraite pour la production de panneaux de particules dont les propriétés physiques et mécaniques respectent les exigences des normes en vigueur.
Les principaux objectifs spécifiques poursuivis par cette étude sont :
Déterminer l’influence de la proportion et de la granulométrie des particules d’écorce d’épinette noire et de peuplier faux-tremble sur les propriétés physiques et mécaniques des panneaux d’écorce ;
Évaluer le potentiel des particules d’écorce extraite d’épinette noire et de peuplier faux-tremble pour la fabrication des panneaux ;
Déterminer l’influence des extractibles sur les propriétés physico-mécaniques des panneaux d’écorce.
Pour cette recherche, les hypothèses suivantes ont été formulées :
L’optimisation de la proportion et de la granulométrie des particules d’écorce permet d’améliorer les propriétés physiques et mécaniques des panneaux d’écorce.
Les propriétés physiques et mécaniques des panneaux d’écorce extraite sont moins élevées que celles des panneaux d’écorce non extraite.
L’extraction à l’eau chaude des écorces affecte les caractéristiques physico-chimiques des particules d’écorce utilisées pour la fabrication des panneaux.
La revue de littérature a révélé un très faible nombre d’études réalisées sur l’influence de la géométrie (morphologie, dimensions, distribution) des particules sur les propriétés physiques et mécaniques des panneaux de particules en général et ceux d’écorce en particulier et ce, malgré le rôle crucial reconnu à ce facteur. Le présent travail de recherche vient palier à cette carence. Axé sur la recherche des stratégies pour améliorer les propriétés des panneaux d’écorce, il a été retenu comme principales pistes d’investigation : la proportion d’écorce dans les panneaux, l’optimisation de la granulométrie des particules, l’influence des extractibles de l’écorce de même que les impacts d’un traitement à l’eau chaude des écorces sur les propriétés physiques et mécaniques des panneaux d’écorce.
Une autre originalité de ce travail consiste en l’ajout de façon égale et homogène de particules d’écorce à la fois dans les couches couvrantes et la couche médiane, ce qui est facilement applicable dans un contexte industriel. En effet, les travaux précédents font état très souvent de couches entièrement d’écorce et très peu de couches d’écorce-bois ensemble. Or dans les industries, les coûts de séparation des fractions bois et écorce sont considérables. Un mélange homogène de ces deux fractions tel qu’appliqué dans cette recherche peut à l’avenir favoriser l’utilisation de résidus issus de la transformation primaire de billes nettoyés mais non écorcées.
Enfin, la quasi totalité des travaux consultés limite leurs investigations au niveau de la mise en évidence des potentiels liens chimiques qui ont lieu entre les extractibles et les adhésifs. Ce travail va au-delà et discute de l’influence de ces interactions sur les propriétés physiques et mécaniques des panneaux.
Des résidus frais d’écorce ont été recueillis dans deux industries forestières de la province de Québec (Canada) : la scierie Arbec à l’Ascension pour l’écorce d’épinette noire et l’usine de panneaux à lamelles orientées Louisiana Pacific Canada, division Québec Chambord pour l’écorce du peuplier faux-tremble. Les écorces d’épinette noire (Figure 12) étaient générées par une écorceuse à tambour et celles du peuplier faux-tremble (Figure 13) par des écorceuses à anneaux rotatifs. Les billes d’épinette noire écorcées étaient de moins bonne géométrie (courbures fréquentes) comparativement à celles de peuplier faux-tremble. Au total, dix barils d’écorce ont été collectés et rapportés au centre de recherche sur le bois de l’Université Laval.
Les écorces destinées à l’extraction ont été conservées au congélateur afin d’éviter tout desséchement supplémentaire. Cette précaution visait à maintenir les mêmes conditions d’échantillonnage pour toutes les quantités extraites.
Les caractéristiques de l’écorce susceptibles d’influencer ultérieurement les propriétés des panneaux ont été déterminées. Il s’agit de : la proportion de bois contenu dans les chargements d’écorce, la teneur en humidité, la masse volumique et la composition chimique. Quant à la structure anatomique de l’écorce, cet aspect a fait l’objet d’une revue de littérature détaillée, présentée dans le chapitre 1.
La proportion de bois se trouvant dans les chargements de résidus d’écorce a été estimée par échantillonnage. Les particules de bois contenues dans des échantillons prélevés aléatoirement de différents chargements ont été triées manuellement et les quantités obtenues, séchées à l’étuve et pesées afin d’établir leurs proportions massiques par rapport à l’ensemble du chargement (Figure 14).
Les résultats obtenus ont été de 18,0% pour le chargement de résidus d’écorce d’épinette noire et 11,9% pour celui de peuplier faux-tremble. La proportion de bois contenu dans les chargements a permis de déterminer le ratio effectif d’écorce dans les panneaux.
La masse volumique est l’un des principaux facteurs qui influencent les propriétés physiques et mécaniques des panneaux de particules. Un matériau (bois, écorce) de masse volumique faible permet d’obtenir un ratio de compression élevé ce qui favorise de meilleures propriétés mécaniques. La masse volumique anhydre des écorces utilisées a été mesurée avant et après l’extraction par la méthode du voluménomètre à mercure. Les valeurs obtenues sont présentées dans le Tableau 13.
L’humidité de l’ébauche est un facteur important dans la fabrication des panneaux de particules. Il est donc utile de contrôler la teneur en humidité des différentes composantes de l’ébauche (écorce, bois et adhésif) tout au long du processus. Pour ce qui est des écorces utilisées dans ce projet, leur teneur en humidité a été mesurée dès leur arrivée au laboratoire, ensuite à la sortie du congélateur pour celles destinées à l’extraction, et enfin après le séchage (Tableau 14).
Les écorces ont été mises dans un baril d’eau chaude (55°C), pour une concentration massique moyenne de 35 et 28 g/l (masse anhydre d’écorce par litre d’eau chaude) respectivement pour l’épinette noire et le peuplier faux-tremble. L’ensemble est ensuite porté à ébullition (100°C) et maintenu à cette température pendant 3 heures à l’aide d’un système de vapeur d’eau chaude (Figure 15). L’eau a été choisie comme solvant d’extraction à cause de son faible coût et de sa non-toxicité pour l’environnement. À la fin de l’opération, on a procédé à une phase d’égouttage et de rinçage à l’eau chaude des écorces extraites sur un tamis de 0,07 mm (Figure 16). La perte de masse a été calculée avec l’équation 7 :
[7]
Ce pourcentage comprend aussi bien les extractibles de l’écorce que les impuretés (terre, sable, pierres etc.) éliminées au cours de l’extraction. Le nombre total d’extractions effectuées était de 17 pour l’épinette noire et 22 pour le peuplier faux-tremble. Le Tableau 15 présente les principaux résultats obtenus.
Dans cette étude, deux types de séchage sont appliqués pour réduire la teneur en humidité des écorces. Les écorces ne devant pas subir d’extraction sont étalées sur de larges tamis séparés par des baguettes (Figure 17) et séchées dans un séchoir conventionnel à air chaud climatisé selon les paramètres de séchage suivants : température sèche : 60°C, humidité relative : 30%, vitesse de l’air : 3 m/s, durée moyenne de séchage : 72 heures.
En revanche, les écorces extraites sont étalées à même le sol dans le laboratoire, sur de larges papiers en plastique et séchée à l’air libre (Figure 18).
Les écorces extraites et non extraites, préalablement séchées sont broyées à l’aide d’un moulin à marteau Jeffrey. Ces particules sont ensuite tamisées et séparées en quatre classes de granulométrie (Tableau 16).
La Figure 19 présente le dispositif de tamisage des particules d’écorce.
Les particules de bois utilisées ont été obtenues de l’usine de fabrication de panneaux de particules Tafisa Canada Ltd. à Lac Mégantic, Québec. Ces particules, produites à partir de résidus d’usines de transformation du bois sont constituées principalement d’un mélange de bois d’érable, chêne, bouleau, pin, sapin, etc. Ces espèces sont choisies par les usines des panneaux en fonction de leur disponibilité sur le marché. La distribution de la granulométrie de ces particules est résumée au Tableau 17. Ces particules sont utilisées sans aucun tamisage pour fabriquer les panneaux écorce-bois et les panneaux témoins (100% bois).
Les principaux constituants chimiques des écorces extraites ou non des deux espèces ont été déterminés et quantifiés à l’aide du dispositif d’extraction présenté par la Figure 20. Les normes Tappi T 222 om-06 et Tappi UM-250 ont permis de quantifier la lignine Klason et la lignine soluble dans l’acide. Les méthodes de l’acide nitrique Kurschner et Hoffer (Browning 1967) et du chlorite de sodium (Wise et al. 1946) ont été utilisées pour déterminer le pourcentage de cellulose et d’holocellulose. Des extractions successives par une série de solvants organiques (hexane, éthanol dénaturé au méthanol) et à l’eau chaude ont été effectuées selon les normes Tappi T 204 cm-07 et T 207 cm-99. Le taux de cendres a été déterminé selon la norme Tappi T 211 om-07. La méthode décrite par Subramanian et al. (1983) a permis de déterminer l’acidité totale des écorces qui représente à la fois les acides solubles et insolubles et est fortement corrélée au temps de gel.
L’angle de contact est utilisé pour déterminer le comportement hydrophobique des particules d’écorce (extraite et non extraite) et de bois. La mouillabilité à l’eau des particules d’écorce et de bois a été déterminée à travers l’angle de contact mesuré à 20°C à l’aide d’un processeur tensiomètre KRÜSS 2570 (KRÜSS, Germany). La méthode décrite par Peršin et al. (2002) et qui est basée sur la mesure du changement de masse due à l’absorption du liquide. L’équation de Washburn (Washburn 1921) a été utilisée à cet effet:
[8]
où 
= angle de contact entre le solide et le liquide (°), 
= masse de l’échantillon (kg), 
= viscosité du liquide (mPa s), 
= temps (s), 
= masse volumique du liquide (g.cm-3), 
= tension de surface du liquide (mN.m-1), 
= constante de capillarité du matériel (cm5). L’hexane a été choisi afin de déterminer la constante de capillarité du matériel utilisé (écorce et bois).
Le nombre Stiasny, qui indique la quantité de polyphénols condensables susceptibles de réagir avec le formaldéhyde a été déterminé selon la méthode de Yazaki et Hillis (1980).
Le temps de gel de la PF en présence de chacun des types de particules utilisés a été mesuré à l’aide du Sunshine Gel Time Meter (Fisher, USA).
Le liant phénol-formaldéhyde a été retenu en raison des résultats assez satisfaisants obtenus avec ce liant par Villeneuve (2004).
La teneur en liant de la couche médiane a été calculée de manière à maintenir la teneur en liant surfacique (LS) constante pour tous les types de panneaux fabriqués. On s’est inspiré de la méthode établie par Dunky (1988). La surface spécifique (SS) représente la surface en mètres carrés par masse anhydre de particules en kilogramme. En assumant que les particules sont de section carrée ou rectangulaire, la courbe de distribution de la granulométrie des particules a été utilisée pour calculer l’épaisseur moyenne de chaque type de particules. On s’est servi de la formule 9 :
[9]
Où xi représente la médiane de la classe de granulométrie i et fi la proportion massique (exprimée en pourcentage) correspondant à cette classe i.
En négligeant les surfaces des bords et des bouts des particules de même que leur contribution à l’adhésion, la surface spécifique SS a été déterminée en appliquant la formule10 :
[10]
D’après les travaux antérieurs, une teneur en liant de 3% a été retenue pour les particules grossières (5,0-7,0 mm). La teneur en liant surfacique (LS) correspondante a été calculée et utilisée comme référence pour déterminer la teneur en liant des autres classes de granulométrie de la couche médiane. Pour les couches couvrantes, une teneur en liant de 12% a été utilisée conformément aux résultats obtenus par Villeneuve (2004). Pour les panneaux d’écorce-bois, les valeurs moyennes des teneurs en liant calculées pour les particules d’écorce et de bois ont été utilisées.
Un temps de polymérisation du liant de 200 secondes a été retenu conformément aux recommandations de Blanchet (1999) et Villeneuve (2004) et aux essais préliminaires effectués.
Les cires à base de paraffine sont utilisées dans les usines pour améliorer la stabilité dimensionnelle des panneaux. Cependant, la propriété hydrophobe de ces produits étant de courte durée, ils permettent seulement de retarder l’adsorption d’eau pendant un certain temps (Press 1990). Dans les présents travaux de recherche, 1% et 0,5% de cire sont ajoutés respectivement aux particules des couches couvrantes et médianes lors de l’encollage.
Des essais préliminaires ont été effectués afin de déterminer et d’optimiser les principaux paramètres de fabrication des panneaux comme la température et le temps de pressage, le temps d’ouverture et de fermeture de la presse, les proportions des couches couvrantes et médiane, etc. Les principaux paramètres utilisés au cours des essais finaux sont présentés au Tableau 18. Au total, 75 panneaux de masse volumique cible 800 kg/m3, de dimensions 560 x 460 x 8 mm ont été fabriqués à l’aide d’une presse chauffante de dimensions 1000 x 1000 mm, de marque Dieffenbacher, équipée du système de contrôle PressMAN mis sur pied par l’Aberta Research Council. Ces panneaux comprennent 36 panneaux de chacune des deux espèces d’écorce et 3 panneaux 100% bois pour le contrôle. Les étapes de fabrication de ces panneaux sont les mêmes que celles d’un panneau de particules de bois à savoir : la fragmentation, le séchage des particules, le tamisage, l’encollage, le feutrage ou formation de l’ébauche, le pressage et le conditionnement.
Les panneaux fabriqués ont été préalablement conditionnés pendant au moins une semaine dans une salle à climat constant ayant une température de 20 ± 3°C et une humidité relative de 65 ± 1%. Ils ont ensuite été poncés pour d’une part ramener leur épaisseur à 8 mm et d’autre part éliminer la couche superficielle de faible masse volumique que l’on rencontre à la surface des panneaux après le pressage. La Figure 21 indique le plan utilisé pour le découpage des éprouvettes. Les échantillons ont été prélevés chaque fois à 20 mm du bord du panneau afin d’exclure autant que possible cette zone de faible masse volumique et diminuer les effets de bords.
1 : quatre éprouvettes de dimensions 242 x 75 mm pour les essais de flexion; 2 : six éprouvettes de dimensions 50 x 50 mm pour la cohésion interne et le profil de masse volumique; 3 : deux éprouvettes de dimensions 150 x 75 mm pour la dureté Janka; 4 : deux éprouvettes de dimensions 150 x 150 mm pour le gonflement en épaisseur; 5 : deux éprouvettes de dimensions 150 x 75 mm pour la dilatation linéaire; 6 : trace laissée lors du pressage par la sonde de température.
Pour l’ensemble des essais physiques et mécaniques effectués, la teneur en humidité moyenne des échantillons mesurée à la sortie de la chambre de climatisation était de 6,5%.
Les tests physico-mécaniques suivants ont été effectués selon la norme ANSI A208.1-1999 : le module d’élasticité (MOE) et le module de rupture (MOR) en flexion statique, la cohésion interne (CI), la dureté Janka (DJ), le gonflement en épaisseur (GE) et la dilatation linéaire (DL). De plus, afin de tenir compte de l’influence de la masse volumique sur les propriétés des panneaux, les valeurs mesurées ont été ajustées (Garcia et al. 2005, Xing et al. 2007). Ainsi, de nouvelles variables dépendantes ont été définies et utilisées dans les analyses statistiques. Il s’agit de :
Module d’élasticité spécifique : MOEspec = MOE/masse volumique de l’échantillon ; Module de rupture spécifique : MORspec = MOR/masse volumique de l’échantillon ; Cohésion interne spécifique : CIspec = CI/masse volumique de l’échantillon ; Dureté Janka spécifique : DJspec = DJ/masse volumique de l’échantillon ; Gonflement en épaisseur 24 h spécifique : GEspec = GE 24h /masse volumique de l’échantillon ; Dilatation linéaire spécifique : DLspec = DL/masse volumique de l’échantillon.
Le logiciel Statistical Analysis System (SAS) version 9.1 a été utilisé pour le traitement des données. On a considéré dans tous les cas un plan d’expérience entièrement aléatoire avec trois facteurs à l’étude et trois répétitions.
Pour les articles 1 et 2 présentés aux chapitres 3 et 4, les 3 facteurs à l’étude ont été : l’espèce (épinette noire ou peuplier faux-tremble), la proportion d’écorce dans les panneaux (50 ou 100) et la granulométrie des particules d’écorce en couche médiane (fine : 1,5-2,6 mm ; moyenne : 2,6-5,0 mm ou grossière : 5,0-7,0 mm). Des panneaux témoins (100% de particules de bois) fabriqués dans les mêmes conditions expérimentales que les panneaux d’écorce servaient de référence. On a réalisé une analyse de variance (ANOVA) à treize niveaux soit un niveau pour chaque combinaison de facteurs, plus le témoin. Les contrastes ont permis de tester les effets des facteurs ainsi que leurs interactions. Les comparaisons multiples obtenues avec la méthode de Scott et Knott (1974) qui compare les moyennes des groupes disjoints ont permis d’identifier le ou les meilleurs traitements.
Pour l’article 3 présenté au chapitre 5, les facteurs choisis pour l’analyse statistique ont été : l’état de l’écorce (non traité ou traité), le pourcentage d’écorce dans les panneaux (50 ou 100) et la granulométrie des particules d’écorce en couche médiane (fine : 1,5-2,6 mm ; moyenne : 2,6-5,0 mm ou grossière : 5,0-7,0 mm). Une analyse distincte par espèce a été faite pour chaque variable dépendante. Au cours l’analyse de variance (ANOVA), on s’est intéressé principalement à l’effet du facteur état de l’écorce à travers l’analyse des effets dits tranchés ou effets simples à l’aide de l’option « SLICE » de la procédure « LSMEANS » de SAS. Ainsi, lorsqu’une interaction entre le facteur état de l’écorce et l’un ou les deux autres facteurs était significative, l’option « SLICE » permettait de fixer les valeurs de ces facteurs dans le modèle afin de générer les effets simples du facteur état de l’écorce sur les combinaisons de leurs niveaux (Winer 1971). Cela permettait de tester s’il y a une différence entre les états traité et non traité de l’écorce pour ces combinaisons de niveaux des autres facteurs de l’interaction. Pour toute interaction significative, un graphique des moyennes est présenté.
On a dû appliquer dans certains cas, une transformation à la variable dépendante pour s’assurer du respect des postulats de normalité et d’homogénéité des résidus. Les différentes transformations appliquées sont présentées aux Tableaux 19 et 20.
© Martin Claude Ngueho Yemele, 2008
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