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Les matériaux compositesà base de bois

Eric MASSONeric.masson@cribois.net

Rencontres InnovationRencontres Innovation

«« Les matériaux dans l’aménagement de la maison Les matériaux dans l’aménagement de la maison »»

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Les composites à base de bois revêtent des formeset constituants variables qui nécessitent plusieurs

procédés de fabrication

D’après Michaud, 2003

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BOIS

ADJUVANTS

Renforts : fibres, farine Bois divisé Bois massif

Résines

Traitementsde

stabilisation

Bio-polymères

Polymères d’origine fossile

Panneaux defibres

PanneauxlattésLamellé collé

Panneaux departicules

Fibres et bois traités

Bois stabilisé

Profilés extrudésObjets injectés

Bois imprégné

Granulés

Profilés extrudésObjets injectés

Bois imprégné

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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES

� La matrice plastique• Les thermoplastiques (PP, PE, Nylon…)• Les thermodurcissables• Les biopolymères

� Le renfort fibreux• Bois

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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES

• Les procédés de mise en forme– L’ extrusion– L’ injection– Le thermoformage– Le pressage à chaud– Le calandrage– La pultrusion– Le rotomoulage

• Les profilés– Revêtements (et revêtements techniques)– Planchers, plinthes– Terrasses– Portes, montants de fenêtres– Toiture

• L’automobile– Intérieur– Structure

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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES

Élaboration d’un matériau composite innovant à base de bois et de bio-

polymère d’acide lactique

Travaux de recherche de Marion NOËL

Thèse de doctorat soutenue leThèse de doctorat soutenue le

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DÉMARCHE DÉMARCHE

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IMPRÉGNATIONVIDE / PRESSION

BIOBIO--POLYMÈREPOLYMÈRE BOIS MASSIFBOIS MASSIF

CHAUFFAGE

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-- BioBio--polymèrepolymère comme renfort de la structure comme renfort de la structure lignoligno--cellulosiquecellulosique

-- Matériaux constitutifs d’origine renouvelableMatériaux constitutifs d’origine renouvelable

-- Recyclage et/ou Recyclage et/ou biobio--dégradationdégradation en fin de vieen fin de vie

-- Amélioration des propriétés du boisAmélioration des propriétés du bois

LES CONSTITUANTSLES CONSTITUANTS

� Le bio-polymère : PLA (Acide Polylactique)– Obtenu par polycondensation de l’acide lactique

• Approvisionnement peu coûteux• Polymérisation possible en laboratoire

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� Le bois– Essences imprégnables (Hêtre, aubier de Pin sylvestre)

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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ

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� Préparation du produit d’imprégnation– Pré-condensation– Ajout possible d’une faible quantité de catalyseur chimique : deux traitements• Sans catalyseur : T1• Avec catalyseur : T2

Liquide de viscosité moyenneLiquide de viscosité moyenne

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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ

� Préparation du bois– Un séchage préalable facilite l’imprégnation– Matériel : étuve / séchoir

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� Imprégnation– Phases de vide / pression– Remplissage important des cellules de bois– Matériel : autoclave

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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ

� Chauffage– Chauffage du bois imprégné– Matériel : étuve / séchoir

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Bois fortementassoupli

Témoin Traité T1

Bois composite densifié

Traité T2

Bois composite densifié

ÉTAT FINALÉTAT FINAL

Traitement T1

ÉTAT INTERMÉDIAIREÉTAT INTERMÉDIAIRETraitement T2

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ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES

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� Densification par imprégnation– Masse volumique : + 20 à 55%

• Aubier de pin : de 520 à 800 kg.m-3

• Hêtre : de 740 à 900 kg.m-3

� Stabilité dimensionnelle– Efficacité anti-gonflement (ASE) de 70%

� Amélioration de la résistance à l’attaque fongique

ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES

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� Caractérisation mécanique– Comportement en flexion peu influencé : résistance ± 15%

– Comportement en compression axiale : force de rupture +36%

– Dureté (Monnin) augmentée + 20%– Résistance au poinçonnement (Brinnel) améliorée + 15%

� Produit partiellement lessivé par l’eau mais propriétés non modifiées par le lessivage

ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES

15151515

Matériau denseMatériau dense

Matériau stableMatériau stable

Propriétés mécaniques globalement Propriétés mécaniques globalement amélioréesaméliorées

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ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI

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� Se traduit par une perte générale des propriétés mécaniques :– Résistance en flexion divisée par 4– Résistance au cisaillement divisée par 2– Résistance en compression axiale non mesurable– Dureté divisée par 5

ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI

17171717

� Provient de la dégradation de la lignine constituant la lamelle mitoyenne

Autorise une forte déformationAutorise une forte déformation

� Permet un glissement entre les fibres de bois

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� L’assouplissement est suivi d’un durcissement si le cycle de chauffage se poursuit– Résistance au cisaillement divisée par 2– Dureté Monnin +40 à 50%– Résistance au poinçonnement +30%

ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI_DURCI

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Possibilité de mise en forme fixée par chauffagePossibilité de mise en forme fixée par chauffage

Possibilité d’un durcissement sous charge Possibilité d’un durcissement sous charge accentuant la densificationaccentuant la densification

ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI

19191919

Forte déformation possibleForte déformation possible

Forme figée par chauffageForme figée par chauffage

Dureté très élevée dans l’état finalDureté très élevée dans l’état final

Coloration noireColoration noire

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SYNTHÈSE SYNTHÈSE

20202020

Vide / pression classiqueVide / pression classique

Conditions doucesConditions douces

ParqueterieParqueterieCintrageCintrage MatriçageMatriçage DensificationDensification

Mise en forme, possible à froid

Chauffage prolongé du matériau sous contrainte induisant la

polymérisation et le durcissement

Matériau figé en forme, stable

Densification mécanique

Chauffage prolongé du matériau sous charge induisant la

polymérisation et le durcissement

Matériau densifié par

imprégnation-polymérisation et

compression, stable, très bonne

dureté de surface

Imprégnation du bois par le pré-polymère d'acide lactique (T2)

Chauffage court induisant le ramollissement

Imprégnation du bois par le pré-polymère d'acide lactique (T1)

Chauffage prolongé induisant la polymérisation et le durcissement

Matériau densifié par

imprégnation et polymérisation,

stable, de bonne dureté de

surface

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PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENTPERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT

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� Contrôle de la toxicité en usage

� Étude sur l’usinabilité du matériau

� Validation de la viabilité économique

Développement de procédés d’assemblage du bois par thermosoudage

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DEUX TECHNOLOGIESDEUX TECHNOLOGIES

Effort

appliqué

Friction linéaire alternée

Rotation du tourillon

Support avec trou percé.

SOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRESOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRE SOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVESOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVE

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SOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRESOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRE

� Fréquence de la vibration

� Durée de la friction

� Temps de maintien

� Pression lors de la friction

� Pression de maintien

� Amplitude de la vibration

Paramètres du procédé :

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SOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVESOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVE

� Angle d’implantation

� Vitesse d’avance

� Forme du tourillon

� Pression sur le tourillon

� Diamètre de perçage

� Vitesse de rotation

Paramètres du procédé :

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LE THERMOSOUDAGE DU BOISLE THERMOSOUDAGE DU BOIS

� Feuillus : hêtre, érable, chêne, frêne …

� Résineux : épicéa, pin …

� Panneau de particules

� OSB

� Panneau de fibres

� Contreplaqué

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LE THERMOSOUDAGE DU BOISLE THERMOSOUDAGE DU BOIS

� Le temps nécessaire à l’assemblage des pièces de bois est extrêmement rapide

� La résistance au cisaillement du joint est suffisante pour envisager des applications en emballage, ameublement, aménagement, menuiserie et construction

� Avec ces procédés d’assemblage, il est possible d’envisager la suppression de colles au profit de l’utilisation exclusive de bois

� Le procédé est limité, pour l’instant, à des usages excluant les milieux humides

� Le soudage des bois résineux est délicat

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� Thèse de Ludovic Resch (ENSTIB/LERMAB – CRITT Bois) : Développement d’éléments de construction en bois de pays lamellé assemblé par thermosoudage

� SOUDABOIS : Développement de procédés d’assemblage du bois par thermosoudage (ANR Programme matériaux et procédés 2006)

• Partenaires : CRITT Bois, ENSTIB/LERMAB, ENSCMu/LMPC et 3 industriels (+ HSB + LERFoB)

• Durée : 36 mois

ETUDES EN COURSETUDES EN COURS