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Influence de traitements physico-chimiques des renforts
sur le comportement mecanique des composites a base
de co-produits de bois
Florence Saulnier
To cite this version:
Florence Saulnier. Influence de traitements physico-chimiques des renforts sur le comportementmecanique des composites a base de co-produits de bois. Autre. Universite Blaise Pascal -Clermont-Ferrand II, 2013. Francais. .
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N d'ordre : 2411
EDSPIC : 631
UNIVERSITE BLAISE PASCALCLERMONT IIECOLE DOCTORALE
SCIENCES POUR L'INGENIEUR DE CLERMONT-FERRAND
THESE
Prsente par
Florence SAULNIER
pour obtenir le grade de
DOCTEUR D'UNIVERSITE
Spcialit : GENIE MECANIQUE
Influence de traitements physico-chimiques des renforts surle comportement mcanique des composites base de
co-produits de bois
Soutenue publiquement le 12 dcembre 2013 devant le jury :
M. Marc Dubois Prsident
Mme Dominique DEROME Rapporteure
M. Laurent GUILLAUMAT Rapporteur
Mme Christine DELISEE Examinatrice
Mme Karine CHARLET Encadrante
M. Alexis BEAKOU Directeur de thse
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A mon cousin
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Remerciements
Mmoire de Thse, F. Saulnier 1
Remerciements
Je souhaite tout d'abord remercier mon co-directeur de thse, M. Alexis BEAKOU,
professeur des universits et directeur de la recherche lIFMA (Institut Franais de
Mcanique Avance) pour m'avoir accord sa confiance en me laissant une autonomie
d'actions et de dcisions, pour ses conseils et pour les heures quil a consacr la direction
de cette recherche.
J'adresse galement mes remerciements ma co-encadrante de thse, Mme Karine
CHARLET, matre de confrences lIFMA, pour mavoir confi ce travail de recherche, ainsi
que pour son implication tout au long du projet. En outre, sa relecture mticuleuse de cemmoire m'a, sans aucun doute, permis de prciser mon propos.
Je remercie par ailleurs M. Marc DUBOIS, professeur des universits l'UBP
(Universit Blaise Pascal, Clermont-Ferrand), pour sa contribution essentielle ce projet.
Ses avis motivs et son point de vue scientifique m'auront permis d'avancer.
J'aimerais aussi adresser mes remerciements aux rapporteurs, Mme Dominique
DEROME, professeur de l'EMPA(laboratoire fdral d'essai des matriaux et de recherche)
de Dbendorf (Suisse), et M. Laurent GUILLAUMAT, professeur des universits l'ENSAM(cole Nationale Suprieure des Arts et Mtiers) d'Angers, qui ont accept d'examiner ce
mmoire.
Mes remerciements vont galement M. Lawrence FREZET, ingnieur d'tude
CNRS, et Mme Elodie PETIT, assistante-ingnieur CNRS, de l'ICCF (Institut de Chimie de
Clermont-Ferrand), pour leur aide prcieuse dans l'accomplissement de la partie
exprimentale de cette thse. Leurs connaissances et leur savoir-faire ont t
indispensables la bonne conduite de ces essais.
Ma reconnaissance sadresse tout autant M. Oscar AWITOR, professeur des
universits, et M. Vincent RASPAL, doctorant, du laboratoire C-Biosenss, pour leur
disponibilit, leur participation au projet et les suggestions apportes.
Je voudrais aussi remercier M. Yves SIBAUD et Mme MASSON, techniciens de l' IUT
de Clermont-Ferrand, pour leur assistance dans la ralisation des analyses physico-
chimiques effectues sur le bois et les polymres.
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Remerciements
2 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Jexprime aussi ma gratitude aux personnels et enseignants de l'IFMA qui ont
particip la bonne conduite de ce projet de recherche, tout particulirement M. Michel
DREAN, M. Nicolas BLANCHARD et M. Hugues PERRIN.
Merci Timoth CHAVEL, Damien REMUSAT, Claire ALBERT et douard
SALOMEZ, tudiants de l'IFMA, qui, au travers de leur projet de 5mesemestre, ont contribu
la mise en uvre et la caractrisation des composites bois-polyester.
Je tiens galement remercier Mme Michela GUIZZARDI, doctorante de l'EMPAde
Dbendorf (Suisse), pour avoir consacr de son temps l'apport de donnes essentielles
ce projet.
Je remercie cordialement l'ICCF qui a gnreusement prt une partie de son
matriel, ainsi que les membres, professeurs, matres de confrences ou doctorants, qui
mont fait profiter de leur exprience, notamment M. Vincent VERNEY, charg de recherches
CNRS, pour ses suggestions.
Ce travail n'aurait pu tre men bien sans le financement de la Rgion Auvergne,
l'appui de l'InstitutPascalet de l'IFMA, ainsi que la collaboration de lICCFet de lUniversit
dAuvergnequi ont mis disposition une partie de leur matriel.
Mes remerciements vont, par ailleurs, ma famille et mes amis qui m'ont soutenue et
encourage durant ces trois annes, ainsi qu mes collgues doctorants de l'Institut Pascal,
particulirement ceux qui ont partag le bureau 501 pendant ces froides journes dhiver.
Enfin, je remercie mon compagnon pour sa patience, sa comprhension, son soutien,
et pour avoir pris le temps de relire et corriger les nombreuses pages de ce mmoire.
Je ne pourrais conclure ce paragraphe sans rendre hommage mes parents qui
m'ont appris ne jamais renoncer.
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Rsum
Mmoire de Thse, F. Saulnier 3
Rsum
Cette thse porte sur le traitement de la farine de bois et son utilisation comme
renforts de composites matrice polymre. En effet, lincompatibilit entre le bois,
hydrophile, et les polymres, gnralement hydrophobes, est la principale difficult de mise
en uvre des composites bois-polymre. Un traitement des renforts bois est alors
ncessaire pour amliorer les proprits mcaniques et hygroscopiques des composites.
Un traitement par fluoration directe est ici propos pour diminuer le caractre
hydrophile du bois et augmenter son adhsion avec la matrice polymre. Aprs une phase
de dveloppement et de rglage du traitement, une caractrisation physico-chimique de lafarine de bois non-traite ou fluore a t ralise afin dobserver leffet de la fluoration. Le
greffage de fluor sur les constituants du bois a t valid, et une diminution du nombre des
sites de sorption de leau dans le bois a t constate. Cette rduction a conduit une
diminution de la teneur en eau du bois aprs fluoration. En outre, la structure physique des
particules et le comportement thermique du bois nont pas t modifis par le tra itement.
Des composites bois-polyester ont t fabriqus par moulage par compression
chaud, avec des renforts non-traits et fluors. Ceux-ci ont t tests en traction, en flexion,
et en fluage afin dobserver linfluence du traitement sur les proprits mcaniques des
composites. Par ailleurs, une caractrisation hygroscopique a galement t conduite. Les
rsultats montrent que la fluoration directe des renforts permet damliorer les proprits
mcaniques et hygroscopiques des composites bois-polyester.
Mots cls : composites, bois, polyester, fluoration directe, caractrisation physico-
chimique, flexion, traction, fluage
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Abstract
4 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Abstract
Influence of physico-chemical treatments of the reinforcements on the mechanical
behaviour of wood-polymer composites
This thesis focuses on the treatment of wood flour used as reinforcement for polymer
matrix composites. Indeed, the lack of compatibility between the hydrophilic wood and the
hydrophobic polymers is the major difficulty encountered when processing wood-polymer
composites. The treatment of the wood reinforcements is necessary to improve the
mechanical and hygroscopic properties of the composites.
Here, we proposed to apply direct fluorination to wood flour in order to reduce its
hydrophilic character and then improve its compatibility with polymer matrix. Physicochemical
characterization of the non-treated and fluorinated wood flours was carried out to observe the
fluorination effects. The success of the fluorine grafting onto the wood components was
confirmed by chemical analyses. Moreover, significant decrease in the number of moisture
adsorption sites in wood was observed. This reduction led to a decrease in the equilibrium
moisture content of wood after direct fluorination. In addition, the physical structure of the
particles and the thermal behaviour of the wood were not modified by the treatment.
Wood-polyester composites were processed by hot compression moulding with non-
treated and fluorinated reinforcements. These composites were characterized by tensile,
flexural and creep tests. Furthermore, a hygroscopic characterisation was also carried out.
The results showed an improvement of the mechanical and hygroscopic properties of the
composites with the reinforcements fluorination.
Keywords: composite, wood, polyester, direct fluorination, physicochemical
characterization, bending, tensile, creep
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Table des matires
Mmoire de Thse, F. Saulnier 5
Table des matires
Remerciements ..................................................................................................................... 1
Rsum ................................................................................................................................. 3
Table des matires ................................................................................................................ 5
Table des illustrations : Figures ............................................................................................. 9
Table des illustrations : Tableaux .........................................................................................15
Liste des abrviations ...........................................................................................................17
Introduction ..........................................................................................................................19
Chapitre I tat de lArt ........................................................................................................23
I.A. Les renforts bois ........................................................................................................ 24
I.A.1. Gnralits sur le bois de rsineux .................................................................... 24
I.A.2. Leau dans le bois .............................................................................................. 30
I.A.3. Le comportement mcanique du bois ................................................................ 38
I.B. Les composites bois-polymre .................................................................................. 43
I.B.1. Les procds de mise en uvre ........................................................................ 43
I.B.2. tude du comportement mcanique ................................................................... 50
I.B.3. Les problmes d'adhsion renforts-matrice ........................................................ 53
I.C. Les traitements actuels du bois ................................................................................. 55
I.C.1. Les traitements chimiques ................................................................................. 55
I.C.2. Les traitements physiques ................................................................................. 60
I.C.3. Comparaison des traitements existants ............................................................. 61
I.D. Les traitements envisags ......................................................................................... 62
I.D.1. Les traitements base de fluor .......................................................................... 63
I.D.2. Lhuile de ricin .................................................................................................... 66
I.E. Conclusions du chapitre ............................................................................................ 68
Chapitre II : Matriaux et mthodes exprimentales .............................................................71
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Table des matires
6 Mmoire de Thse, F. Saulnier
II.A. Matriaux utiliss ...................................................................................................... 72
II.A.1. Matrices polymres ........................................................................................... 72
II.A.2. Farine de bois ................................................................................................... 74
II.B. Mthodes utilises pour caractriser la farine de bois............................................... 75
II.B.1. Mesure de la densit absolue du bois ............................................................... 75
II.B.2. Analyses de la composition chimique ................................................................ 77
II.B.3. Analyses thermiques ......................................................................................... 79
II.B.4. Analyse du comportement hygroscopique ......................................................... 81
II.B.5. Analyses morphologiques ................................................................................. 85
II.C. Outils utiliss pour la mise en uvre ........................................................................ 86
II.C.1. Calculs prliminaires ......................................................................................... 86
II.C.2. Extrusion bivis ................................................................................................... 87
II.C.3. Moulage par compression chaud ................................................................... 90
II.C.4. Vrification du taux de renforts ......................................................................... 94
II.D. Traitement de la farine de bois ................................................................................. 96
II.D.1. Utilisation de lhuile dericin comme agent couplant .......................................... 96
II.D.2. Fluoration directe de la farine de bois ............................................................... 98
II.E. Mthodes utilises pour caractriser les composites .............................................. 101
II.E.1. Analyse du comportement mcanique ............................................................ 101
II.E.2. Analyse du comportement au fluage ............................................................... 104
II.E.3. Analyse du comportement hygroscopique ....................................................... 105
II.F. Conclusions du chapitre .......................................................................................... 107
Chapitre III : Effet de la fluoration sur les proprits physico-chimiques de la farine de bois
........................................................................................................................................... 109
III.A. Analyses prliminaires ........................................................................................... 110
III.A.1. Caractrisation de la farine de bois non-traite .............................................. 110
III.A.2. Premire approche de fluoration directe ......................................................... 116
III.B. Modification de la structure chimique du bois ........................................................ 121
III.B.1. Optimisation du traitement de fluoration ......................................................... 121
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Table des matires
Mmoire de Thse, F. Saulnier 7
III.B.2. Greffage de fluor sur les composants du bois ................................................ 126
III.B.3. Propositions de mcanismes ractionnels ..................................................... 129
III.B.4. Stabilit du traitement dans le temps.............................................................. 133
III.C. Modification du comportement hygroscopique ....................................................... 135
III.C.1. Rsultats exprimentaux................................................................................ 135
III.C.2. Analyse de la diffusion hydrique (Loi de Fick) ................................................ 142
III.C.3. Analyse de ladsorption surfacique (Thorie de Dent) .................................... 148
III.C.4. Corrlation avec l'analyse de la composition chimique ................................... 155
III.D. tude des proprits physiques ............................................................................ 155
III.D.1. Prservation de la structure superficielle du bois ........................................... 155
III.D.2. tude de la taille et de la rpartition des particules ........................................ 156
III.D.3. Analyse du comportement thermique ............................................................. 158
III.E. Conclusions du chapitre ........................................................................................ 160
Chapitre IV : Influence de la fluoration sur les proprits mcaniques des composites ...... 161
IV.A. valuation du taux volumique rel de renforts ....................................................... 162
IV.A.1. Premire estimation ....................................................................................... 162
IV.A.2. Prise en compte de la porosit ....................................................................... 163
IV.B. Comportement en traction et flexion ...................................................................... 169
IV.B.1. Traction ......................................................................................................... 169
IV.B.2. Flexion ........................................................................................................... 175
IV.C. Comportement en fluage ....................................................................................... 178
IV.C.1. Modle de fluage ........................................................................................... 178
IV.C.2. Rsultats exprimentaux ............................................................................... 182
IV.C.3. Influence du traitement des renforts............................................................... 187
IV.D. Comportements hygroscopique et hygromcanique ............................................. 188
IV.D.1. Mesure dangle de contact ............................................................................. 189
IV.D.2. Absorption deau en condition humide ........................................................... 190
IV.D.3. Comportement hygromcanique .................................................................... 192
IV.E. Conclusions du chapitre ........................................................................................ 195
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Table des matires
8 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Conclusion et perspectives ................................................................................................. 197
Bibliographie ...................................................................................................................... 201
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Table des illustrations : Figures
Mmoire de Thse, F. Saulnier 9
Table des illustrations : Figures
Figure I-1chelles dtudes dun bois de rsineux selon Harrington (1996) ......................25
Figure I-2 Structure chimique de la cellulose (gauche) et reprsentation des liaisonshydrogne entre les macromolcules (droite) .......................................................................27
Figure I-3 Diffrents monosaccharides composant les hmicelluloses (Wertz et al., 2010).............................................................................................................................................28
Figure I-4Formule chimique des principaux constituants de la lignine (Navi et Heger, 2005).............................................................................................................................................29
Figure I-5Reprsentation schmatique de la structure de la paroi cellulaire .....................30
Figure I-6 Sites de liaison des molcules d'eau sur les macromolcules de cellulose(gauche) et liaisons des molcules d'eau entre deux macromolcules de cellulose (droite) .31
Figure I-7 Reprsentation des trois tats de l'eau dans le bois au dessus du PSF (a), auPSF (b) et en dessous du PSF (c) (Navi et Heger, 2005) .....................................................32
Figure I-8L'isotherme d'adsorption du bois et son hystrse ............................................33
Figure I-9 - Isothermes dadsorption du bois dpica en fonction de la temprature de 20C 140C d'aprs Krll et Hersfeld (1951) ..............................................................................34
Figure I-11 Reprsentation schmatique des diffrentes couches de molcules (a),rarrange pour dfinir les couches S0, S1, S2et S3(b), daprs Dent (1977) .......................35
Figure I-12 Schmatisation des mcanismes dquilibre dynamique de
et
(Navi et
Heger, 2005) ........................................................................................................................36
Figure I-13 - Schmatisation des trois directions principales (L, R et T) du bois ...................38
Figure I-14Courbe force-dplacement dun copeau de bois en traction, daprs Navi et al.(1995) ...................................................................................................................................40
Figure I-15 - Schmatisation des trois directions principales dans la couche S2 de la paroicellulaire ...............................................................................................................................41
Figure I-16Schma dune machine dextrusion de type monovis......................................44
Figure I-17Gomtrie dune vis dextrusion, selon Nigen (2006) .......................................45
Figure I-18Diffrents systmes bivis, selon Nigen (2006) .................................................46
Figure I-19Principe du moulage par injection ....................................................................49
Figure I-20 Types de composites fibres courtes : (a) orientation 3D, (b) orientation 2Dalatoire, (c) orientation 2D avec un faible alignement, (d) orientation 1D (Manson et al.,2004) ....................................................................................................................................52
Figure I-21 - Estrification des fibres de cellulose par l'anhydride actique (Garcia, 2005) ...56
Figure I-22 - Estrification des fibres de cellulose par une cire base de MAPP (Garcia,2005) ....................................................................................................................................57
Figure I-23 - Traitements des fibres de cellulose par raction avec le silanol (Pickering et al.,2003) ....................................................................................................................................58
Figure I-24 Acide ricinolique ............................................................................................67
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Table des illustrations : Figures
10 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Figure II-1 - Sciure (gauche) et farine (droite) de bois ..........................................................74
Figure II-2Schma du pycnomtre aux diverses tapes de mesure de densit ................75
Figure II-3Principe de la rotation l'angle magique (MAS) en RMN du solide ..................79
Figure II-4 - Schma de lappareil d'analyse thermogravimtrique TGA 4000.......................80
Figure II-5Schma de principe de la DSC .........................................................................81
Figure II-6 - Petites enceintes humidit contrle ..............................................................82
Figure II-7Appareillage pour la mesure dangle de contact ...............................................84
Figure II-8Pastilles de farine de bois non-traite (haut) et fluore (bas) ............................85
Figure II-9Vis corotatives et circuit dextrusion de lextrudeuse MiniLab............................87
Figure II-10Pics de fusion (gauche) et de cristallisation (droite) du PA 11 analys par DSCavant et aprs extrusion .......................................................................................................88
Figure II-11 Moule et plaque de composite polyester-bois au dmoulage avec feuille deTeflon ...................................................................................................................................94
Figure II-12 Courbes de flexion des composites bois-polyester et bois-huile de ricin-polyester ..............................................................................................................................97
Figure II-13Dispositif de fluoration directe .........................................................................99
Figure II-14Gradient de temprature du racteur pour la fluoration directe ..................... 101
Figure II-15 Gomtrie des prouvettes de traction de type 2 selon la norme NF EN ISO527-3 .................................................................................................................................. 102
Figure II-16Dispositif de traction ..................................................................................... 102
Figure II-17 - Dispositif de flexion trois points et prouvette selon la norme NF EN ISO 178........................................................................................................................................... 103
Figure II-18Essai de flexion trois points .......................................................................... 104
Figure II-19Viscoanalyseur Metravib et dispositif de fluage en traction ........................... 105
Figure II-20Calcul de langle de contact .......................................................................... 105
Figure III-1Courbes ATG et DSC de la farine de bois non-traite ................................... 110
Figure III-2Spectre FT-IR normalis de la farine de bois non-traite ............................... 113
Figure III-3 Isotherme de sorption 20C de la farine de bois non-traite (moyenne surcinq chantillons tests) et comparaison avec la littrature (Stamm, 1964) ........................ 115
Figure III-4 Courbes dadsorption de la farine de bois non-traite (moyenne sur cinq
chantillons tests) ............................................................................................................. 116
Figure III-5Farine de bois avant (droite) et aprs (gauche) fluoration .............................. 117
Figure III-6 Spectres FT-IR normaliss des farines de bois non-traite et fluores enatmosphre F2pour diverses dures de traitement ............................................................ 118
Figure III-7Spectres FT-IR normaliss des farines de bois non-traite et traite par agentfluorant XeF2 ...................................................................................................................... 119
Figure III-8 Courbes dadsorption de la farine de bois non-traite et de lchantillon sousatmosphre F2pendant 20 min, pour diverses humidits relatives (HR) ............................. 120
Figure III-9 Spectres FT-IR normaliss de la farine de bois non-traite et de la farine de
bois fluore prleve divers emplacements sur le plateau, avant optimisation du traitement........................................................................................................................................... 122
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Table des illustrations : Figures
Mmoire de Thse, F. Saulnier 11
Figure III-10 Spectres RMN 19F normaliss de la farine de bois fluore prise diversemplacements sur le plateau, avant optimisation du traitement (vitesse de rotation 32 kHz)........................................................................................................................................... 124
Figure III-11 Synthse de l'tat de la farine aprs fluoration, avant optimisation dutraitement ........................................................................................................................... 125
Figure III-12 Spectres FT-IR normaliss de la farine de bois non-traite et de la farine debois fluore prise divers emplacements sur le plateau, aprs optimisation du traitement 126
Figure III-13 Spectres FT-IR normaliss des farines de bois non-traite et fluore aprsoptimisation du traitement .................................................................................................. 128
Figure III-14Spectre 19F RMN normalis de la farine de bois fluore aprs optimisation dutraitement ........................................................................................................................... 129
Figure III-15Proposition de mcanismes ractionnels du greffage de fluor sur les groupeshydroxyles de la cellulose et des hmicelluloses ................................................................ 130
Figure III-16Proposition de mcanismes ractionnels du greffage de fluor sur les groupesmthylol de la cellulose et des hmicelluloses .................................................................... 131
Figure III-17Proposition de mcanisme ractionnel du greffage de fluor sur les liaisons C-H de la cellulose et des hmicelluloses .............................................................................. 131
Figure III-18 Proposition de mcanisme ractionnel de la fluoration sur les cyclesaromatiques de la lignine .................................................................................................... 133
Figure III-19 Spectres FT-IR normaliss de la farine de bois fluore au moment dutraitement et 363 jours plus tard ......................................................................................... 134
Figure III-20Courbes dadsorption des farines de bois non-traite et fluore sous diverseshumidits relatives (HR) 20C ......................................................................................... 135
Figure III-21Courbes dadsorption des farines de bois non-traite et fluore sous diverses
humidits relatives (HR) 20C, zoom sur les premires heures ....................................... 136
Figure III-22 Isothermes de sorption de la farine de bois non-traite mesures par lamthode des sels et lanalyse DVS .................................................................................... 138
Figure III-23 Isothermes de sorption des farines de bois non-traite et fluore pour deuxcycles de sorption, 25C .................................................................................................. 139
Figure III-24Photographie dune microgoutte la surface des pastilles de bois non-trait etfluor pour diffrentes valeurs de temps ............................................................................. 141
Figure III-25 - Modlisation de l'chantillon rel (gauche) et sans fond (droite) ................... 142
Figure III-26 Courbe
en fonction du temps pour le bois non-trait aux
diverses humidit relatives ................................................................................................. 146
Figure III-27 Courbe en fonction du temps pour le bois fluor aux diverseshumidit relatives ............................................................................................................... 146
Figure III-28 volution du coefficient de diffusion dans les bois non-trait et fluor enfonction de l'humidit relative ............................................................................................. 148
Figure III-29 Courbes pour la farine de bois non-traite et fluore, pour lesvaleurs recueillies par la mthode des sels ........................................................................ 149
Figure III-30 Courbes pour la farine de bois non-traite et fluore, pour lesvaleurs recueillies par analyse DVS ................................................................................... 150
Figure III-31 Courbes
pour la farine de bois non-traite et fluore, pour les
valeurs recueillies par analyse DVS ................................................................................... 151
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Table des illustrations : Figures
12 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Figure III-32 Reprsentation schmatique des diffrentes couches de molcules dans lesfarines de bois non-traite et fluore (pour un mme nombre de molcules d'eau) ............ 153
Figure III-33Isothermes des farines de bois non-traite et fluore, rsultats obtenus par lamthode des sels ............................................................................................................... 154
Figure III-34 Isothermes des farines de bois non-traite et fluore, rsultats de l'analyseDVS .................................................................................................................................... 154
Figure III-35 Image MEB des particules de bois non-traite (gauche) et fluore (droite)(Grandissement : 1350x) .................................................................................................... 156
Figure III-36 Image au microscope optique des particules de bois non-traite (gauche) etfluore (droite) (Grandissement : 4 x) ................................................................................. 156
Figure III-37 Rpartition de la taille des particules dans les farines de bois non-traite etfluore ................................................................................................................................ 158
Figure III-38Courbes ATG des farines de bois non-traite et fluore .............................. 159
Figure III-39Courbes DSC des farines de bois non-traite et f luore .............................. 159
Figure IV-1 Reprsentation 3D des chantillons de composite polyester-bois non-trait(gauche) et polyester-bois fluor (droite) aprs scan par tomographie par rayons X .......... 164
Figure IV-2 Schmatisation des coupes ralises par le tomographe sur la reconstruction3D ...................................................................................................................................... 165
Figure IV-3 Images en coupe des chantillons de composite polyester-bois non-trait(gauche) et polyester-bois fluor (droite) aprs scan par tomographie par rayons X .......... 165
Figure IV-4 Images en coupe des chantillons de composite polyester-bois non-trait(gauche) et polyester-bois fluor (droite) avant et aprs seuillage ...................................... 166
Figure IV-5Rpartition des pores dans les composites avec renforts non-trait et fluor en
fonction de leur diamtre .................................................................................................... 168
Figure IV-6 Courbes contrainte-dformation en traction du polyester seul et renforc defarine de bois non-traite, 20C ....................................................................................... 169
Figure IV-7Courbes contrainte-dformation en traction des composites avec renforts non-traits et fluors .................................................................................................................. 173
Figure IV-8 Courbes contrainte-dformation en flexion du polyester seul et renforc defarine de bois non-traite, 20C ....................................................................................... 175
Figure IV-9 Courbes contrainte-dformation en flexion des composites avec renforts non-traits et fluors .................................................................................................................. 177
Figure IV-10Modle de Kelvin-Voigt gnralis .............................................................. 178
Figure IV-11Modle de fluage de Burgers ...................................................................... 179
Figure IV-12Modle de fluage quivalent aux temps courts ............................................ 180
Figure IV-13Modle de fluage quivalent aux temps longs ............................................. 181
Figure IV-14Calcul des caractristiques du modle de Burgers et dfinition des droites et , exemple du polyester 45C ................................................................................. 182Figure IV-15Courbes de fluage du polyester 20C, 45C et 60C ................................ 183
Figure IV-16Correspondance du modle thorique avec les donnes exprimentales pourle fluage du polyester ......................................................................................................... 183
Figure IV-17Courbes de fluage des composites avec renforts non-traits 20C, 45C et60C ................................................................................................................................... 185
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Table des illustrations : Figures
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Figure IV-18Courbes de fluage des composites avec renforts fluors 20C, 45C et 60C........................................................................................................................................... 186
Figure IV-19 Comportement asymptotique en fluage aux temps courts des compositesavec renforts non-traits et fluors ..................................................................................... 187
Figure IV-20Comportement asymptotique en fluage aux temps longs des composites avecrenforts non-traits et fluors .............................................................................................. 188
Figure IV-21Images dangles de contact obtenus pour le polyester, le composite avec 40%de farine de bois non-traite et le composite avec la farine fluore .................................... 189
Figure IV-22volution de la teneur en eau du polyester et des composites avec farine debois non-traite sous un conditionnement 80% d'humidit relative et 20C ..................... 190
Figure IV-23volution de la teneur en eau des composites avec farine de bois non-traiteet fluore sous un conditionnement 80% d'humidit relative et 20C ............................... 191
Figure IV-24 Courbes contrainte-dformation en flexion du polyester seul et renforc defarine de bois non-traite, aprs conditionnement 80% d'humidit relative, 20C ......... 192
Figure IV-25 Courbes contrainte-dformation des composites avec renforts non-traits etfluors, aprs conditionnement 80% d'humidit relative, 20C...................................... 194
Figure IV-26 Bilan de lvolution des proprits des composites bois-polyester avec lafluoration des renforts ......................................................................................................... 196
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Table des illustrations : Tableaux
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Table des illustrations : Tableaux
Tableau I-1 - Orientation des micro-fibrilles de cellulose dans les diffrentes couches de laparoi cellulaire chez les rsineux (Dinwoodie et Metals, 1989 ; Sahlberg et al., 1997) .........26
Tableau I-2 - Caractristiques lastiques de l'pica et du pin de Douglas (Guitard, 1987) ..39
Tableau I-3 - Proprits mcaniques des constituants du bois, 12% dhumidit relative et20C .....................................................................................................................................42
Tableau I-4 - Proprits mcaniques de composites bois-polymre en traction et flexion enfonction du polymre utilis ..................................................................................................53
Tableau I-5 - Proprits mcaniques en traction de composites bois-polymre avec et sansagent couplant (Dnydi et al., 2010 ; Lu et al., 2005) ..........................................................57
Tableau II-1 - Caractristiques fournisseurs des polymres utiliss .....................................73
Tableau II-2Incertitudes sur la mesure des masses et le calcul des densits pour les deuxsolvants utiliss ....................................................................................................................77
Tableau II-3 - Humidit relative (HR) de l'air au-dessus de solutions salines aqueusessatures 20C et solubilits des sels utiliss .....................................................................82
Tableau II-4 - Enthalpies de fusion et de recristallisation du PA 11 avant et aprs extrusion 89
Tableau II-5 - Proprits en traction et en flexion des composites bois-polyester avec et sanshuile de ricin .........................................................................................................................97
Tableau III-1 - Analyse de la composition chimique de la farine de bois par ATG-DSC et
analyse biochimique, et comparaison avec la littrature (Ct, 1968 ; Godin, 2010 ; Sjstrm,1993) .................................................................................................................................. 112
Tableau III-2 - Pics d'absorption du spectre infrarouge de la farine de bois non-traite etliaisons correspondantes .................................................................................................... 114
Tableau III-3 - nergie des principales liaisons prsentes dans le bois (Rabasso, 2006) ... 127
Tableau III-4 - Teneurs en eau l'quilibre des farines de bois non-traite et fluore enfonction de l'humidit relative, 20C ................................................................................. 137
Tableau III-5 - Teneurs en eau l'quilibre des farines de bois non-traite et fluore enfonction de l'humidit relative, 25C, analyse DVS .......................................................... 138
Tableau III-6 Coefficients de diffusion hydrique dans les farines de bois non-traite etfluore pour les diffrentes conditions dhumidit relative ................................................... 147
Tableau III-7Constantes des courbes hygroscopiques pour le bois non-trait et fluor... 152
Tableau III-8tude statistique de la taille des particules dans les farines de bois non-traiteet fluore ............................................................................................................................ 157
Tableau IV-1Taux de bulles d'air piges dans les diffrents matriaux tudis ............ 167
Tableau IV-2 - Proprits mcaniques en traction du polyester seul et renforc de farine debois non-traite, 20C ...................................................................................................... 171
Tableau IV-3 - Comparaison des modules d'lasticit thoriques et exprimentaux (GPa) 172
Tableau IV-4 - Proprits mcaniques en traction des composites avec renforts non-traits etfluors, 20C ................................................................................................................... 174
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Table des illustrations : Tableaux
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Tableau IV-5 - Proprits mcaniques en flexion du polyester seul et renforc de farine debois non-traite, 20C ...................................................................................................... 176
Tableau IV-6 - Proprits mcaniques en flexion des composites avec renforts non-traits etfluors, 20C ................................................................................................................... 177
Tableau IV-7- Caractristiques du modle de Burgers pour le fluage du polyester ............. 184
Tableau IV-8- Caractristiques du modle de fluage pour le composite avec farine de boisnon-traite suivant le modle de Burgers ........................................................................... 185
Tableau IV-9- Caractristiques du modle de fluage pour le composite avec farine de boisfluore ................................................................................................................................ 186
Tableau IV-10 - Angles de contact moyens () avec l'eau mesurs la surface du polyesteret des composites comportant de la farine de bois non-traite ou fluore .......................... 189
Tableau IV-11 - Proprits mcaniques en flexion du polyester seul et renforc de farine debois non-traite, aprs conditionnement 80% d'humidit relative, 20C ........................ 193
Tableau IV-12 - Proprits mcaniques en flexion des composites avec renforts non-traits
et fluors, aprs conditionnement 80% d'humidit relative, 20C .................................. 194
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Liste des abrviations
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Liste des abrviations
dformation
coefficient de Poisson
contrainte
ADF : Acid Detergent Fibre, en franais fibre au dtergent acide
ATG : Analyse Thermo-Gravimtrique
DP : Degr de Polymrisation
DSC : Differential Scanning Calorimetry, en franais calorimtrie diffrentielle balayage
DVS : Dynamic Vapour Sorption, en franais sorption dynamique de vapeur
E module dlasticit
EMC : Equilibrium Moisture Content, en franais teneur en eau dquilibre
G : module de cisaillement
HDF : High Density Fibre Board, en franais panneau de fibres de haute densit
HDPE : polythylne haute densit
iPP : polypropylne isotactique
MAPE : polythylne malat
MAPP : polypropylne malat
MDF : Medium Density Fibreboard, en franais panneau de fibres de densit moyenne
MEB : Microscopie Electronique Balayage
NDF : Neutral Detergent Fibre, en franais fibre au dtergent neutre
OSB : Oriented Strand Board, en franais panneau lamelles minces orientes
PA : polyamide
PE : polythylne
PET : polytrphtalate d'thylne
PP : polypropylne
PS : polystyrne
PSF : Point de Saturation des Fibres
PVC : polychlorure de vinyle
RMN : Rsonance Magntique Nuclaire
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Introduction
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Introduction
La France possde le plus grand patrimoine forestier europen avec 16 millions
dhectares de forts et 2,4 milliards de m3de bois sur pied. Toutefois, elle nest que le 4me
producteur en Europe avec 30 millions de m3de bois rcolts chaque anne, et 5mesur la
production de sciages (10 millions m3/an). LAuvergne est la 5mergion productrice de bois
de sciages en France, avec prs de 630 000 m3produits chaque anne. Selon la Direction
Rgionale de lAlimentation, de lAgriculture et de la Fort dAuvergne (DRAAF Auvergne,
2013), prs de 1,8 millions de m3de bois taient rcolts dans la rgion en 2009, dont 84%
de rsineux. Quatre essences sont majoritairement reprsentes dans la rgion : le sapin etlpica (57%), le Douglas (19%) et le pin (12%). Le volume de produits connexes (sciure,
corce, et plaquettes) croit avec laugmentation de la quantit de sciages. Les scieries
dAuvergne gnrent chaque anne prs de 700 000 tonnes de produits connexes. Ils
reprsentent plus du tiers de la production de bois en Auvergne, raison de 1,11 t de
produits connexes / m3de sciage produit ; une valeur proche de la moyenne nationale (0,99 t
de produits connexes / m3de sciage produit).
Dans un contexte industriel o lcologie prend chaque jour un peu plus dimportance,
le recyclage, voire la valorisation, des dchets industriels nest plus le fait de quelques avant-
gardistes mais le souci de tous. Lindustrie de premire transformation du bois nest pas en
reste devant cet engouement gnral et sapplique dj donner une utilit ses produits
connexes. Les sciures et plaquettes sont ainsi employes dans des domaines en pleine
expansion du bois nergie et des panneaux tels que le MDF (Medium Density Fibre Board
ou panneau de fibres de densit moyenne), le HDF (High Density Fibre Board ou panneau
de fibres de haute densit) et lOSB (Oriented Strand Board, ou panneau lamelles mincesorientes). Toutefois, ces applications trouvent leurs limites. En effet, le bois nergie, bien
quattractif de par son faible prix en comparaison des autres combustibles actuellement
utiliss, demande un investissement consquent et ne devient rentable qu trs grande
chelle. Les panneaux OSB nutilisent que les plaquettes de grande taille et contiennent du
formol, substance cancrigne dont lutilisation est limite par des rglementations de plus
en plus strictes. Les panneaux MDF et HDF, plus coteux, contiennent eux-aussi une colle
nocive. De plus, ces trois types de panneaux nutilisent quune partie des produits connexes,
dlaissant les plus petits copeaux. Leurs applications sont galement limites des objetsde formes simples. Les produits connexes sont par ailleurs employs dans la fabrication de
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Introduction
20 Mmoire de Thse, F. Saulnier
papiers et cartons. Ils reprsentent environ 20% du bois destin la papeterie, le reste tant
compos de bois massif. Comme les panneautiers, lindustrie papetire nutilise que les
plaquettes et chutes, dlaissant les copeaux.
Aussi, de nouvelles ides ont vu le jour, tendant dvelopper d'autres types
dapplications en utilisant les coproduits de bois comme renforts de polymres classiques.
Ces projets sinscrivent galement dans la volont de remplacer les habituels renforts en
polymre, carbone ou verre par des fibres vgtales, ainsi que de diminuer la quantit de
carbone fossile dans les produits de la vie courante.
Les composites bois-polymre trouvent leurs principales applications dans les
domaines du btiment (lames de terrasse, portes, fentres, etc.) et de lindustrie automobile
(panneaux de porte, planchers intrieurs, etc.). Ils sont galement employs pour
lemballage de produits divers, la fabrication de diffrents objets usage domestique et
fournitures de bureau (pot crayon, etc.), ainsi que le petit mobilier (chaise, etc.). Toutefois,
leur utilisation reste restreinte dans les applications structurales en raison des problmes de
compatibilit qui existent entre les renforts bois, hydrophiles et fortement polarises, et les
matrices polymres classiques, hydrophobes et non-polarises. En effet, le manque de
compatibilit entre les deux matriaux engendre des dfauts de transfert de charge linterface et gnre de mauvaises proprits mcaniques lchelle des composites. En
consquence, un traitement pralable des renforts bois est souvent ncessaire dans la
fabrication des composites bois-polymre. De nombreuses tudes ont t menes sur le
sujet. Les traitements dvelopps ont permis une amlioration des caractristiques des
composites, mais leur cot, leur nature nocive pour lenvironnement, ou encore leur
caractre nergivore sont souvent rdhibitoires.
Lobjectif initial de ce projet tait dutiliser des ressources naturelles locales (les
produits connexes de scierie), disponibles en grande quantit et moindre cot dans la
rgion Auvergne, comme renforts efficaces de composites matrice polymre. Trs vite les
difficults de mise en uvre et lamlioration de linterface entre les renforts bois et les
polymres se sont imposes comme les principaux dfis de ltude. La recherche sest alors
articule autour de deux axes principaux dune part ladaptation des procds de mise en
uvre disponibles aux composites bois-polymre, et dautre part le dveloppement dun
traitement des renforts pour amliorer les proprits mcaniques et physiques de ces
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Introduction
Mmoire de Thse, F. SAULNIER 21
composites. Diffrents traitements ont t envisags, toutefois un seul a pu tre men
terme : la fluoration directe.
Un tat de lart sur le matriau bois, la mise en uvre de composites renforcs pardes fibres vgtales et les diffrents traitements actuellement appliqus au bois est expos
dans le premier chapitre. Les mthodes et procds exprimentaux utiliss tout au long de
cette tude sont dtaills au deuxime chapitre. Les chapitres trois et quatre sont ddis la
prsentation et lanalyse des rsultats obtenus: le troisime chapitre met en vidence les
modifications des proprits du bois suite la fluoration directe alors que le quatrime
chapitre prsente limpact du traitement sur les proprits mcaniques et physiques des
composites bois-polyester en concluant sur les apports de la fluoration.
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tat de lArt
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Chapitre I : tat de lArt
Sommaire
I.A. Les renforts bois ........................................................................................................ 24
I.A.1. Gnralits sur le bois de rsineux .................................................................... 24
I.A.2. Leau dans le bois .............................................................................................. 30
I.A.3. Le comportement mcanique du bois ................................................................ 38
I.B. Les composites bois-polymre .................................................................................. 43
I.B.1. Les procds de mise en uvre ........................................................................ 43
I.B.2. tude du comportement mcanique ................................................................... 50
I.B.3. Les problmes d'adhsion renforts-matrice ........................................................ 53
I.C. Les traitements actuels du bois ................................................................................. 55
I.C.1. Les traitements chimiques ................................................................................. 55
I.C.2. Les traitements physiques ................................................................................. 60
I.C.3. Comparaison des traitements existants ............................................................. 61
I.D. Les traitements envisags ......................................................................................... 62
I.D.1. Les traitements base de fluor .......................................................................... 63
I.D.2. Lhuile de ricin .................................................................................................... 66
I.E. Conclusions du chapitre ............................................................................................ 68
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tat de lArt
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I.A. Les renforts bois
Ce passage en revue des diffrentes connaissances accumules dans le domaine de
ltude du bois et son application dans le renforcement des matrices polymres sera limit la catgorie des gymnospermes (ou rsineux), laquelle appartiennent les deux essences
utilises lors de cette tude (pin de Douglas et pica).
I.A.1. Gnralits sur le bois de rsineux
I.A.1.a. Structure, microstructure et ultra-structure
Le bois est un matriau composite complexe form dun ensemble de tissuscellulaires htrognes et organiss. Trois principaux niveaux dtude peuvent tre dfinis :
la structure prsentant lagencement du tronc, la microstructure sintressant lorganisation
cellulaire et lultra-structure tudiant la structure molculaire.
Structure
La Figure I-1 met en vidence les diffrentes chelles dobservation du bois de
rsineux de larbre jusquaux molcules chimiques (Rousset, 2004). On y retrouve le tronc
(1) qui se dcompose en 5 couches lcorce, le liber (ou corce interne), le cambium (2),laubier (3) et le bois de cur (4). Lors de la croissance du bois, les cellules sont formes
dans le cambium. L'aubier assure la circulation de la sve brute (eau et sels minraux) des
racines aux feuilles, alors que le liber conduit la sve labore venant des feuilles vers le
cambium et les racines. Le cur, autrement appel moelle, est constitu de cellules mortes
nassurant plus leur fonction.
Microstructure
Les gymnospermes possdent une organisation microstructurale simple compose 95% de trachides, cellules orientes dans la longueur du tronc et assurant la fois le
support mcanique et la conduction de la sve (Fengel et Wegener, 1983). Ces cellules sont
relies entre elles par des ponctuations aroles. Des canaux rsinifres horizontaux,
constitus de cellules de parenchyme, ponctuent galement la structure du bois, permettant
une meilleure circulation de la sve. La Figure I-1 donne un aperu de lagencement
microstructural dun rsineux. On retrouve les trachides (6), alignes verticalement, et les
canaux rsinifres (5), horizontaux comme verticaux.
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tat de lArt
Mmoire de Thse, F. SAULNIER 25
Figure I-1chelles dtudes dun bois de rsineux selon Harrington (1996)
Cette reprsentation schmatique met aussi en vidence la variation de lpaisseur
de la paroi cellulaire entre le bois de printemps et le bois dt. Les trachides du bois de
printemps possdent une paroi cellulaire fine et de nombreuses ponctuations aroles de
faon favoriser la conduction de la sve. Au contraire, dans le bois dt, la fonction de
soutien prdomine, aussi la paroi cellulaire sera plus paisse et les ponctuations moins
nombreuses. Les trachides se composent de deux parois principales (Figure I-1): la paroi
primaire (8) et la paroi secondaire (9), elle-mme constitue de trois sous-couches,
nommes S1, S2 et S3 (Brndstrm, 2002 ; Harrington et al., 1998). Les cellules sont relies
entre elles par une lamelle mitoyenne (7). Chaque partie de la paroi cellulaire est forme de
micro-fibrilles (10) de cellulose (11), et de molcules dhmicelluloses (12) et de lignine (13).
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26 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Les micro-fibrilles constituent ce que lon nomme lultra-structure des trachides.
Elles ne sont pas, de par leur taille, directement observables au microscope lectronique, ce
qui rend difficile la modlisation de l'ultra structure du bois.
Ultra-structure
Plusieurs modles ultra-structuraux du bois ont t proposs ces dernires annes.
Tous saccordent donner une forme en spirale en Z ou S aux micro-fibrilles, Z et S
dfinissant le sens de rotation denroulement de la spirale. Le point divergeant des diffrents
modles repose sur lorientation des micro-fibrilles, dfinie par langle que fait la spirale avec
laxe des fibres. Cet angle, nomm , varie en fonction de lespce, de larbre, du cerne mais
aussi de la couche de la paroi cellulaire considre. Son importance rside en sa forte
influence sur le comportement mcanique du matriau bois (Persson, 2000). Aussi,
diffrentes mthodes de mesure de cet angle ont t dveloppes au cours des dernires
annes, utilisant la spectroscopie Raman (Pleasants et al., 1998), la spectroscopie par rayon
X (Cave, 1997), la microscopie confocale (Batchelor et al., 1997 ; Jang, 1998), ou encore la
microscopie balayage mission de champ (Abe et Funada, 2005). Des tudes de
comparaison des diffrentes techniques ont galement t menes (Batchelor et al., 1999 ;
Donaldson, 2008 ; Long et al., 2000). Il en est ressorti des intervalles des angles des micro-
fibrilles pour chaque couche secondaire de la paroi cellulaire des rsineux (Tableau I-1).
Tableau I-1 - Orientation des micro-fibrilles de cellulose dans les diffrentes couches de laparoi cellulaire chez les rsineux (Dinwoodie et Metals, 1989 ; Sahlberg et al., 1997)
Couche Angle des Micro-fibrilles
S1 50 - 70
S2 0 - 40
S3 60 - 90
I.A.1.b. Composition chimique
Le bois est principalement constitu de trois composs organiques : la cellulose, les
hmicelluloses et la lignine.
La cellulose
La cellulose reprsente entre 40% et 50% de la masse de matire sche dun
rsineux (Ct, 1968 Sjstrm, 1993), selon l'espce de bois considre. Cest un
polysaccharide, en dautres termes un glucide complexe, compos de plusieurs milliers de
monosaccharides D-Glucose relis entre eux par des liaisons -glycosidiques-1,4. Une
liaison glycosidique (C-O-C) est une liaison forme entre les groupements hydroxyles
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tat de lArt
Mmoire de Thse, F. SAULNIER 27
(OH) de deux monosaccharides par limination dune molcule deau (H2O). Elle est
nomme 1,4 dans le cas de la cellulose car elle relie le carbone C1 dun monosaccharide au
carbone C4 dun autre (McMurry et Simanek, 2007). La Figure I-2 prsente la formule
chimique dune macromolcule de cellulose forme de n monosaccharides D-glucose. Ces
macromolcules sagrgent entre elles par des liaisons hydrogne pour former des fibrilles.
Lnergie de ces liaisons demeure faible, elle est comprise entre 20 et 40 kJ.mol-1(contre
400 420 kJ.mol-1pour une liaison O-H covalente) (McMurry et Simanek, 2007).
Figure I-2Structure chimique de la cellulose (gauche) et reprsentation des liaisonshydrogne entre les macromolcules (droite)
Les fibrilles se forment lors de la cristallisation de la cellulose. La cellulose tant un
polymre semi-cristallin, elle possde une partie cristalline et une partie amorphe. Son taux
de cristallinit est compris entre 40% et 50%, dans le cas du bois, selon l'espce considre.
Au moment de la cristallisation, 19 36 chaines de cellulose s'assemblent pour former une
fibrille de 1,2 4,8 nm de diamtre. Les fibrilles de cellulose sagrgent pour former des
micro-fibrilles dune longueur moyenne de 2 500 5 000 nm et de diamtre 10 25 nm
(Fengel et Wegener, 1983).
Les zones amorphes s'intercalent alors entre les zones cristallines. Une fois lacristallisation termine, seules les zones amorphes possdent encore des groupementsOH
accessibles pouvant former des ponts hydrogne avec des molcules deau (H2O). Ce
processus dadsorption est dcrit au chapitreI.A.2.a.
Le degr de polymrisation (DP) de la cellulose est de lordre de 5 000 dans le cas du
bois. Pour rappel, le DP dun polymre dfinit la longueur de ses chanes, cest --dire le
nombre dunits de monomres constituant une chane.
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tat de lArt
28 Mmoire de Thse, F. Saulnier
Les hmicelluloses
Les hmicelluloses, qui reprsentent entre 10% et 30% de la masse de matire
sche du bois (Ct, 1968 ; Sjstrm, 1993), sont des polysaccharides. Elles sont classes
en cinq types : xylane, glucuronoxylane, arabinoxylane, glucomannane et xyloglucane
(Wertz et al., 2010). Ces polysaccharides sont composs de diffrents monosaccharides,
rpartis eux-mmes en quatre groupes : les pentoses, les hexoses, les acides hexuroniques
et les deoxy-hexoses (Figure I-3). Dans le cas du bois, les hmicelluloses de types xylane et
glucomannane sont majoritairement reprsentes (Sjstrm, 1993). Le glucomannane est
constitu dunits D-mannose et D-glucose, appartenant au groupe des hexoses. Le xylane
est fait de D-xylose, appartenant au groupe des pentoses (Wertz et al., 2010). Dans le cas
du bois, le degr de polymrisation des hmicelluloses varie entre 150 et 200.
Figure I-3Diffrents monosaccharides composant les hmicelluloses (Wertz et al., 2010)
La lignine
Le nom gnrique "lignine" dsigne un ensemble de polymres issus de la
polymrisation oxydative de trois alcools phnoliques : l'alcool coumarylique, l'alcool
sinapylique et l'alcool conifrylique. Leur composition et leur structure varient entre les
diffrentes essences de bois. Toutefois, la lignine des rsineux (reprsentant entre 23% et
33% de la masse de matire sche du bois (Ct, 1968 ; Sjstrm, 1993)) rsulte
exclusivement de la polymrisation de l'alcool conifrylique (Figure I-4).
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Figure I-4Formule chimique des principaux constituants de la lignine (Navi et Heger, 2005)
Les extractifs
Le pourcentage de matire restant, entre 1% et 5% selon les espces, est constitu
des composs chimiques nomms extractifs de par leur facile dissolution par des solvants
naturels. Ils comprennent diffrentes substances chimiques, dont certains alcools, graisses,
composs aromatiques, huiles volatiles et acides gras (Trouy-Triboulot et Triboulot, 2001).
Ils ne participent en rien au comportement mcanique du bois mais lui apportent d'autres
proprits, telles qu'une pigmentation, un parfum ou encore une rsistance accrue aux
champignons et insectes. La nature des extractifs diffre d'une essence de bois l'autre.
Lassociation molculaire au sein de la paroi cellulaire
La paroi cellulaire du bois peut tre considre comme un composite o les micro-
fibrilles de cellulose remplissent le rle de renforts dans une matrice compose par la lignine
et les hmicelluloses (Fengel et Wegener, 1983). L'arrangement des polymres du bois dans
la paroi secondaire des trachides peut alors tre illustr comme la Figure I-5 (Salmn,
2004). Les fibrilles de cellulose constituent des agrgats, enrobs d'hmicelluloses et insrs
dans une matrice ligneuse (Salmn et Burgert, 2009). La cellulose et les hmicelluloses sont
lies par des ponts hydrogne. La lignine n'est pas directement lie la cellulose mais elle
forme des liaisons covalentes avec les hmicelluloses. Les hmicelluloses jouent ainsi unrle essentiel dans le maintien de l'ensemble de la paroi cellulaire.
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Figure I-5Arrangement des polymres dans la paroi cellulaire du bois (Salmn, 2004), lexylane et le glucomannane tant des hmicelluloses
I.A.2. Leau dans le bois
Comme tout matriau organique, le bois est trs sensible son environnement,
notamment lhumidit et la temprature. Dans ce chapitre, seront prsentes les
gnralits sur le comportement hygroscopique du bois, suivies des diffrentes mthodes et
outils danalyse de ce comportement.
I.A.2.a. tats de leau dans le bois
Les diffrents tats de leau dans le bois
Leau est prsente dans le bois sous trois formes (Stamm, 1964) :
libre (eau dabsorption),
lie (eau dadsorption),
vapeur.
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Leau dabsorption se trouve sous tat liquide et remplit entirement ou partiellement
la fibre cellulaire. Elle a ainsi une faible influence sur le comportement et les proprits
mcaniques du bois. Au contraire, leau dadsorption cre des liens chimiques de nature
polaire avec la paroi cellulaire et influence grandement les caractristiques mcaniques. La
vapeur deau, prsente dans les lumens et micropores de la paroi cellulaire, demeure en
quilibre avec leau lie et leau libre.
Le phnomne dadsorption
Chaque unit de glucose de la cellulose possde trois groupements hydroxyles
(OH) pouvant former un pont hydrogne avec l'eau (H2O) (Figure I-6). Chaque
macromolcule de cellulose est donc thoriquement capable de lier plusieurs milliers de
molcules d'eau. Toutefois, ce nombre est rduit par les liaisons hydrogne dj existantes
entre les macromolcules de cellulose et avec les hmicelluloses. De plus, ce constat est
restreint aux parties amorphes de la cellulose, l'eau ne pouvant pntrer dans la cellulose
cristalline.
Figure I-6Sites de liaison des molcules d'eau sur les macromolcules de cellulose (gauche)et liaisons des molcules d'eau entre deux macromolcules de cellulose (droite)
Les hmicelluloses et la lignine possdent galement des groupements OH
accessibles aux liaisons hydrogne (formules chimiques enFigure I-3 etFigure I-4). Leau
adsorbe se lie ainsi sur la cellulose amorphe, les hmicelluloses et la lignine.
I.A.2.b. Hygroscopie du bois
Teneur en eau
La teneur en eau du bois est dfinie en fonction de son tat anhydre (bois sec) et
calcule comme suit :
I-1
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O est la masse dun chantillon de bois la teneur en eau et sa masse ltat anhydre. Cette teneur en eau dpend de deux principaux facteurs lhumidit relative et
la temprature de lambiance (Collectif CTBA, 1999). Plus lair est humide, plus le bois le
sera l'quilibre, alors quune augmentation de la temprature diminue la teneur en eau du
bois. Ces deux effets sont coupls et leur tude a donn naissance des courbes dquilibre
hygroscopique du bois qui seront dtailles au paragrapheI.A.2.c.
Point de saturation des fibres
On dfinit le point de saturation des fibres (PSF) tel que lorsque le bois necontient plus deau libre et que toute leau dadsorption est entirement lie la paroi
cellulaire (Figure I-7). Cette valeur de lhumidit dpend de nombreux facteurs, dont lespce
de bois tudie. Gnralement, elle varie de 25% 40% et on la considre gale 30% en
moyenne (Chassagne, 2006).
Figure I-7Reprsentation des trois tats de l'eau dans le bois au dessus du PSF (a), au PSF(b) et en dessous du PSF (c) (Navi et Heger, 2005)
Le champ hygroscopique est dfini comme lintervalle des valeurs dhumidit
possibles dune pice de bois dans un milieu ambiant. Il est compris entre ltat anhydre
( ) et le point de saturation des fibres ( ). A lintrieur de ce champ, le bois peutrcuprer ou librer de leau par sorption (adsorption ou dsorption), c'est --dire gagner ouperdre de leau lie. Il connait ainsi des variations gomtriques (retrait ou gonflement) et
mcaniques (variation de la rsistance, de la rigidit, etc.). Lorsque lhumidit du bois sort de
ce champ, c'est--dire lorsque la valeur dhumidit du bois dpasse son PSF ( ), lebois ne rcupre plus que de leau par absorption (contact direct avec leau sous forme
liquide).
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I.A.2.c. Ltude du comportement hygroscopique du bois
Lisotherme de sorption
Lisotherme de sorption reprsente lvolution de la teneur en eau dqui libre (EMC,
equilibrium moisture content en anglais) dun matriau en fonction de lhumidit relativeambiante pour une temprature constante. Elle est compose de deux courbes dcrivant
ladsorption et ladsorption du matriau tudi.
Lallure de ces courbes varie dun matriau lautre. Lisotherme de sorption du bois
a une allure gnrale de type sigmode (Figure I-8), reprsentant une sorption multicouche
(Skaar, 1988) ou polymolculaire. On distingue trois zones sur l'isotherme de sorption
(Jannot, 2003) :
pour les faibles valeurs d'humidit relative (zone 1), une premire couche demolcules d'eau se fixe sur les sites de sorption des membranes cellulaires du
bois. L'nergie de liaison est importante et les molcules sont peu mobiles.
pour les valeurs intermdiaires d'humidit relative, les molcules d'eau se lient
sur la premire couche forme. L'nergie de liaison diminue avec le nombre
de couche.
pour des valeurs trs leves d'humidit relative (proche de 100%), les
molcules d'eau adsorbes peuvent interagir et former, par condensation
capillaire, des ponts liquides venant recouvrir la surface des pores.
Figure I-8L'isotherme d'adsorption du bois et son hystrse
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La teneur en eau du bois est influence par deux facteurs : les contraintes
mcaniques et lhistorique de schage. Lors dun cycle de sorption, le phnomne de
gonflement-retrait du bois va gnrer des contraintes compressives au sein du matriau.
Ces contraintes vont leur tour modifier le comportement hygroscopique du bois qui pourra
adsorber moins deau lors du cycle de sorption suivant. On parle de rhydratation incomplte
des sites OH pendant ladsorption. Une hystrsis apparait dans lisotherme de sorption
mettant en vidence des EMC diffrentes entre ladsorption et la dsorption pour une mme
humidit relative (Navi et Heger, 2005). De plus, un bois qui na jamais t sch aura des
EMC plus leves lors de la dsorption quun bois qui a dj subi un cycle de sorption
(Figure I-8).
Comme mentionn au paragraphe I.A.2.b, le comportement hygroscopique du boisest aussi fortement li son comportement thermique. Lisotherme dadsorption du bois va
donc varier en fonction de la temprature dtude. La Figure I-9 montre l'influence de la
temprature sur l'isotherme dadsorption dun bois dpica entre 20C et 140C et met en
vidence une diminution des EMC avec laugmentation de la temprature.
Figure I-9 - Isothermes dadsorption du bois dpica en fonction de la temprature de 20C 140C d'aprs Krll et Hersfeld (1951)
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La thorie d'adsorption surfacique de Dent
Le modle de sorption de Dent (1977) prsente une thorie d'adsorption surfacique
des molcules d'eau formant plusieurs couches d'adsorbat la surface des micro-fibrilles de
bois (Figure I-10). La premire couche de molcule d'eau adsorbe, dite "primaire", vient se
lier directement sur les sites de sorption du bois et possde une forte nergie de liaison, due
aux groupementsOH du bois. La seconde couche se lie sur la premire crant galement
des ponts hydrogne, mais avec une nergie de liaison moindre. Les couches suivantes sont
supposes possder la mme nergie de liaison que la seconde couche. On dfinit ainsi
deux types de molcules adsorbes : les molcules primaires, lies directement au bois, et
les molcules secondaires, lies aux molcules primaires ou entre elles.
Figure I-10Reprsentation schmatique des diffrentes couches de molcules (a),rarrange pour dfinir les couches S0, S1, S2et S3(b), daprs Dent (1977)
On nomme l'aire totale des sites accessibles sur un chantillon de bois, l'airecorrespondant aux sites vides, l'aire des sites comprenant une seule couche de molculesd'eau lie, l'aire des sites comprenant deux couches de molcules d'eau lie, et plusgnralement l'aire des sites comprenant couches de molcules d'eau lie. Lorsque lesystme est en quilibre avec latmosphre ambiante (lhumidit relative et la temprature
tant considres constantes), les proportions sont considres constantes, pour tout. Il stablit alors un quilibre dynamique entre les diffrentes couches de molcules.Lquation I-2 dcrit lquilibre de la portion du substrat reprsentant les sitesde sorption
vides (). Deux types de mouvements molculaires participent cet quilibre (Figure I-11):le dtachement des molcules primaires de la surface (a) et lattachement des molculesprimaires sur la surface (b).
I-2
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O est la vitesse d'attachement des molcules par unit de pression, est lapression de vapeur, et la vitesse de dtachement des molcules primaires. La vitesse est suppose gale pour toutes les couches d'adsorption.
Figure I-11Schmatisation des mcanismes dquilibre dynamique de et (Navi etHeger, 2005)
Lquilibre de la couche de molcules primaires () est plus complexe (quationI-3).Quatre mcanismes y contribuent (Figure I-11) lattachement (a) et le dtachement (b) desmolcules primaires sur le bois, mais galement lattachement des molcules secondaires
sur la surface (c) et le dtachement des molcules secondaires de la surface (d). I-3
O est la vitesse de dtachement des molcules secondaires.
Dans la ralit, varie d'une couche l'autre. Toutefois, cette variation estngligeable devant la valeur de , ainsi pour simplifier le modle l'hypothse est pose. Lquilibre des couches suivantes est dfini par une quation similaire I-3 :
, I-4Des quationsI-2,I-3 etI-4 , on dduit les relations suivantes :
I-5 (pour ) I-6
O est l'humidit relative, et sont desconstantes de la proportionnalit, et est la pression de vapeur saturante. L'aire totale estgale la somme des
(Figure I-10).
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Le volume deau adsorbe comme monocouche par laire totale est : I-7
O t0est l'paisseur de la couche. Le volume total deau adsorbe sur la zone d'aire
pour couches d'adsorbat est alors dfini par la formule suivante : I-8
En utilisant les formules I-5 et I-6, et en dveloppant les quations au moyen du
thorme binomial gnralis, le rapport peut s'crire :
I-9Soit la masse deau adsorbe lquilibre et la masse deau adsorbe par lairetotale , le rapport est gal au rapport . En rarrangeant l'quationI-9,on obtient
la relation suivante :
I-10O est lhumidit relative ambiante, et (pour
) sont des constantes.
Cela peut scrire sous forme dquation dune parabole (Skaar, 1988):
I-11Avec :
, et
I-12
Dans la pratique, les donnes exprimentales permettent le trac de puis lecalcul des constantes , , et par une rgression polynomiale. Il est alors possible dedterminer les valeurs de la masse et des vitesses , , et , et ainsi de diffrencierlapport des molcules primaires et secondaires lisotherme de sorption du bois.
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I.A.3. Le comportement mcanique du boisLe bois est un matriau poreux et hydrophile dont le comportement mcanique est
influenc tant par le taux et la dure du chargement que par des facteurs environnementaux,
comme l'humidit relative et la temprature. Dans ce chapitre, les paramtres
environnementaux seront considrs comme fixes et seul laspect mcanique sera abord.
Trois chelles dtude seront considres : macroscopique (planche), copeau de bois et
microscopique (fibre unitaire).
I.A.3.a. chelle macroscopique
A lchelle macroscopique, le bois est souvent considr comme un matriau
homogne possdant le comportement dun matriau orthotrope lastique linaire (Persson,
2000).
Loi de Hooke
Les particularits structurelles du bois lui confrent une gomtrie cylindrique munie
de trois directions principales : la direction longitudinale (axe ), la direction radiale (axe ) etla direction tangentielle (axe ) (Figure I-12). Ces trois directions dfinissent un repreorthonorm . Sous hypothse de petites dimensions suivant les axes et ,permettant de ngliger la conicit du tronc, le systme de coordonnes R, T, L peut tre
considr comme un systme cartsien orthogonal.
Figure I-12 - Schmatisation des trois directions principales (L, R et T) du bois
La loi de Hooke gnralise pour un matriau orthotrope peut alors tre applique
dans la base orthonorme .
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Le comportement mcanique du matriau bois est ainsi rgi par le systme
d'quations suivant (Guitard, 1987 ; Persson, 2000) :
I-13
Soit en inversant :
I-14Avec :
, , , , , et , formant le vecteur de dformation , , , , , , et , formant le vecteur de contrainte , , , et , modules d'lasticit suivant les directions L, R et T, , , et, modules de cisaillement, et, , , , , , et , coefficients de
Poisson, formant la matrice de raideur .Proprits mcaniques
Il est important de rappeler que les caractristiques mcaniques du bois dpendent
fortement de lessence de lchantillon considr, ainsi que des facteurs environnementaux.
Le Tableau I-2 donne des valeurs indicatives des caractristiques des constantes de
lingnieurpour les bois dpica et de Douglas pour une teneur en eau de 12%.
Tableau I-2 - Caractristiques lastiques de l'pica et du pin de Douglas (Guitard, 1987)
Constantes Units MPa MPa MPa MPa MPa MPa
pica15500 -16700
700 -900
400 -650
620 -720
29 -39
500 -850
0,018 -0,030
0,24 -0,33
0,13 -0,21
Douglas
12314 -
16800
846 -
1010
800 -
840
711 -
900
90 -
114
854 -
900
0,019 -
0,032
0,34 -
0,58
0,45 -
0,81
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I.A.3.b. Comportement en traction dun copeau de bois
Lanalyse du comportement mcanique dune prouvette de faible paisseur (de
lordre de 100 250 m) a fait lobjet de plusieurstudes exprimentales par le pass. La
Figure I-13 montre lallure de la courbe force-dplacement obtenue lors dun essai en
traction longitudinale en force contrle dun copeau de boisd'pica de dimensions 28 x
2,74 x 0,19 mm3par Navi et al.(1995). La courbe est divise en trois segments. Le premier
segment A1A2, linaire, reprsente un comportement lastique qui permet de dterminer le
module dYoung effectif de lprouvette. Le second segment A2A3a une pente plus faible qui
peut tre signe dune dgradation de la microstructure du bois. Au-del du point A3,
laugmentation de la force applique provoque un accroissement considrable de la pente de
la courbe jusqu rupture de lprouvette. Dans ce troisime segment, langle des micro-
fibrilles de la paroi cellulaire du bois est rduit, augmentant la raideur de lchantillon.Les modules dYoung longitudinaux obtenus taient compris entre 1,2 et 1,9 GPa
pour le bois de printemps et entre 3,3 et 4,4 GPa pour le bois dt. Ces valeurs sont
nettement infrieures celle obtenue pour une prouvette normalise (dimensions 160 x 20
x 4 mm) qui est de l'ordre 12 GPa pour le bois d'pica. Cette diminution peut tre
explique par la structure de lchantillon. Le copeau de faible paisseur possde un nombre
restreint de trachides, ce qui le rend plus fragile.
Figure I-13Courbe force-dplacement dun copeau de bois en traction, daprs Navi et al.(1995)
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I.A.3.c. chelle ultra-structurelle (fibre unitaire)
Application de la loi de Hooke
Au sein de la paroi cellulaire, larrangement structurel des constituants du bois peut
tre considr, dun point de vue mcanique, comme un composite o les micro -fibrilles decellulose jouent le rle de renforts dans une matrice compose de la lignine et des
hmicelluloses (Salmn, 2004). Le comportement mcanique dune trachide de bois est
ainsi fortement li celui des micro-fibrilles de cellulose, et particulirement dans le sens
longitudinal de la fibre. De plus, la couche S2, de par son paisseur, contribue de faon
majoritaire aux proprits mcaniques de la fibre unitaire, lapport des couches P, S1 et S3
tant ngligeable. Par consquent, les micro-fibrilles de cellulose de la paroi cellulaire
peuvent tre considres comme unidirectionnelles, orientes selon l'angle des micro-
fibrilles de la couche S2 (El-Hosseiny et Page, 1975). Plus cet angle approche de 0, soit delaxe de traction, plus la rsistance la traction et le module dlasticit des trachides
augmente dans le sens longitudinal.
L'agencement des micro-fibrilles l'intrieur de la couche S2 possde une symtrie
orthotrope dfinie par trois directions principales (Figure I-14): la direction des micro-fibrilles
(2), la direction tangentielle (1) et la direction radiale (3). De mme qu'au paragrapheI.A.3.a,
la loi de Hooke gnralise pour un matriau orthotrope peut donc tre applique dans la
base orthonorme
. On retrouve ainsi l'quationI-14.
Figure I-14 - Schmatisation des trois directions principales dans la couche S2 de la paroicellulaire
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Proprits mcaniques
Les proprits mcaniques des diffrents constituants du bois ont fait lobjet de
diverses tudes par le pass (Cousins, 1976 ; Cousins, 1978 ; Tashiro et Kobayashi, 1991).
LeTableau I-3 donne un ordre de grandeur des proprits mcaniques de la cellulose, des
hmicelluloses et de la lignine pour une teneur en eau de 12%. Pour les modules d'lasticit,
est mesur dans la direction longitudinale de la fibre et dans la direction transversale.
Tableau I-3 - Proprits mcaniques des constituants du bois, 12% de teneur en eau et 20C
Cellulose Lignine Hmicelluloses
(GPa) 120170 3 - 7 8(GPa) 17 - 27 - -(GPa) 4 - 5 12 1 - 2
0,1 0,3 0,2Rfrences
Tashiro et Kobayashi, 1991 Cousins, 1976 Cousins, 1978
Salmn, 2004
A partir de ces donnes, Salmn (2004) a modlis le comportement mcanique de
la paroi cellulaire du bois et mis en vidence linfluence de langle des micro-fibrilles de la
couche S2. Le module dlasticit longitudinal de la paroi cellul