La composition chimique du bois

Le bois contient en majorité de la matière organique et sa composition chimique est assez complexe. Il contient trois polymères de haute masse molaire : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine, représentant à eux trois jusqu’à 95 % de la masse du bois. La composition chimique du bois varie suivant la nature de l’essence. Elle est présentée dans le tableau I-1.

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Tableau I-1. Répartition moyenne en pourcentage massique des différents composés dans les bois de feuillus et de résineux

(Sjöström 1993)

Composition (%) Résineux Feuillus

Cellulose Hémicelluloses Lignine 42 ± 2 27 ± 2 28 ± 3 45 ± 2 30 ± 5 20 ± 4

Ces constituants sont responsables des différentes propriétés physico-chimiques du matériau bois, telles que les propriétés mécaniques pour la cellulose et l’imperméabilité pour la lignine. Les derniers constituants du bois sont des extraits et des minéraux (teneur inférieure à 5%).

I.3.1. La cellulose

C’est le constituant principal du bois. Elle est présente dans des proportions qui varient entre 40 et 45 % selon les végétaux (tableau I-1). La cellulose fait partie de la famille des hydrates de

carbone ou polysaccharides, de formule brute CxH2yOy. C’est un polymère formé de longues

chaînes linéaires de motifs anhydroglucose. Le motif principal de ce polymère est le β-cellobiose. La cellulose possède une extrémité hémiacétal réductrice, la seconde étant inerte et portant une simple fonction alcool.

Figure I-3. Formule chimique de la cellulose

La cellulose constitue la structure principale de la paroi des cellules végétales « squelette ». Elle donne aux fibres leurs propriétés mécaniques et est incolore. Le degré de polymérisation (DP) de la cellulose varie en fonction de la nature du végétal et du procédé d’extraction. Il est de l’ordre de 10 000 dans les fibres de bois. Au cours de la transformation du bois en pâte à papier, la cellulose est fortement dépolymérisée de sorte que le DP des pâtes blanchies n’est plus que de l’ordre de 1 500.

La molécule de cellulose est entièrement rigide et forme des liaisons hydrogène, à la fois intra et intermoléculaires, responsables de la formation des micro-fibrilles. Cette structure ainsi que l’organisation cristalline des chaines de celluloses (peu de zones amorphes) sont à l’origine du caractère infusible de la cellulose (qu’il ne fond pas sous l’effet de la chaleur), peu réactif et peu soluble dans l’eau ou dans d’autres solvants organiques.

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I.3.2. Les hémicelluloses

Les hémicelluloses sont aussi des polymères de type hydrates de carbone ou polysaccharides. Elles représentent 10 à 30 % de la masse des végétaux selon leur nature et elles entourent les micro-fibrilles (figure I-1). Ce sont des hétéro-polysaccharides linéaires avec un degré de polymérisation (DPv) bien inférieur à celui de la cellulose, il ne dépasse pas 200. Les hémicelluloses sont composées d’unités monomères différentes parmi lesquelles le glucose, l’xylose, le mannose, et le galactose. La figure I-4 présente un exemple d’hémicelluloses de bois de feuillus.

Figure I-4. Structure chimique d’hémicelluloses de feuillus : O-acétyle-4-O-méthylglucuronoxylane

Les hémicelluloses ont une réactivité chimique importante car elles sont organisées en zones amorphes et présentent des chaînes moléculaires beaucoup plus courtes que la cellulose. Du fait de leur petite taille, elles sont davantage solubles que la cellulose dans des solvants usuels. Au cours du procédé de cuisson du bois en vue d’isoler des fibres papetières une partie des hémicelluloses part en solution.

I.3.3. La lignine

La lignine est la fraction non saccharidique la plus importante du bois. Elle est présente à hauteur de 20 à 30 % dans les végétaux (tableau I-1). La lignine résulte d’un enchaînement d’unités phénylpropanes (figure I-5) liées sans ordre particulier. Elle est issue de la copolymérisation de trois alcools phénylpropénoïques : l’alcool coumarylique, l’alcool coniférylique et l’alcool synapylique.

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Figure I-5. Précurseurs de la biosynthèse de la lignine (Fengel and Wegener 2003)

La lignine est un polymère complexe qui comporte des motifs aliphatiques et aromatiques. De nombreuses liaisons inter-monomériques existent entre les diverses unités phénylpropanes (figure I-6). Certaines liaisons sont plus abondantes que d’autres, les principales liaisons entre deux unités

phénylpropanes sont de type -O-4 (50%) entre le carbone 4 du noyau aromatique et carbone β de

la chaîne propane latérale.

Figure I-6. Principales liaisons entre unités phénylpropanes de la lignine (Froass et al. 1996)

D’une manière générale, la lignine peut donc être définie comme un réseau polymère phénolique amorphe, tridimensionnel qui présente une structure irrégulière. En raison de son hétérogénéité, il n’est pas possible d’associer une structure définie à la lignine bien que certains modèles aient été proposés à partir d’études sur lignines extraites. La figure I-7 représente un modèle de la lignine Kraft de résineux basé sur le modèle structurel d’Adler (Kun and Pukánszky 2017; Adler 1977).

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Figure I-7. Un modèle de la lignine Kraft de résineux basé sur le modèle structurel d’Adler(Kun and Pukánszky 2017)

La lignine est présente dans la paroi secondaire des cellules végétales ; elle assure le lien entre les fibres donnant au bois sa rigidité. Elle est associée aux hémicelluloses et constitue un ciment inter-fibrillaire au sein de celle-ci.

La lignine est très réactive car elle contient des fonctions phénoliques, hydroxyles, méthoxyles et des électrons non liés. Elle est notamment sensible à la lumière, sa couleur originellement beige clair dans le bois vire au jaune pâle ou brun foncé après extraction. Cette sensibilité est due aux groupements chromophores (groupements colorés dont la couleur provient d’un système conjugué

étendu) qui provoquent une altération de la couleur en présence du rayonnement solaire. La lignine native (issue du bois) est insoluble dans l’eau mais soluble dans les solutions

alcalines fortement concentrées. Au cours de la cuisson alcaline du bois, une partie de la lignine est dépolymérisée et part en solution. La lignine récalcitrante est appelée lignine résiduelle. Elle est modifiée dans sa structure chimique qui se charge en groupements colorés. Cette lignine est très brune du fait de la création de structures de type quinones alors que la lignine native (lignine du bois) est claire.