Mise en forme du bois

Le bois est utilisé dans divers domaines, tels que la construction et l’ameublement. Toutefois, il doit être mis en forme pour assurer les fonctions requises par les industriels.

a. L’unité kilogramme-poids (kp) peut être converti en N par la relation 1 kp ≈ 9.81 N. La contrainte peut donc s’exprimer en Pascal avec la conversion 1000 kp/mm2≈ 9,8 GP a

Afin de répondre à leurs attentes, le bois peut être utilisé directement après sciage (particulièrement dans la construction). Cependant, les propriétés des matériaux obtenus (taille, forme, résistance mécanique...) dépendent directement de celles de l’arbre dont il est issu. C’est pourquoi l’idée d’effectuer des assemblages de bois a donné naissance à de nouveaux types de matériaux (lamellé-collé, contre-plaqué) qui présentent des propriétés constantes et parfois supérieures au bois massif.

Par ailleurs, la découpe et la mise en forme de ces matériaux donnent lieu à de nom-breux déchets. Ces sous-produits de l’industrie du bois (sciures et particules de bois) ont été transformés dès la fin du xixesiècle pour obtenir des panneaux de bois29. Les procédés se sont ensuite améliorés durant le xxe siècle pour donner les panneaux de fibres que l’on connait aujourd’hui.

1.4.1 Matériaux à partir de bois massif

Le bois massif est largement employé dans la construction, mais aussi dans l’ameu-blement. Il présente de nombreux avantages : bonnes propriétés mécaniques, esthétique, variété, résistance au feu, etc. Néanmoins, la taille et la forme des planches sont limitées par l’arbre duquel elles sont issues.

Les assemblages de bois massif permettent de dépasser ces limitations et d’apporter de nouvelles propriétés aux matériaux :

• Lamellé-collé : Il est issu de l’assemblage et du collage (principalement colle

urée-formol) de plusieurs lamelles de bois (Figure I.16a). Son principal avantage par rapport au bois brut est de pouvoir créer des pièces de grandes dimensions ou avec des courbures que ne peut atteindre naturellement le bois (notamment pour les charpentes). De plus, il est possible de sélectionner les morceaux sans défaut ou de varier les essences de bois afin de créer des matériaux mécaniquement plus résistants que le bois massif30.

• Contre-plaqué : Ce panneau est formé à partir de fines couches de bois massif collées

les unes aux autres avec une alternance de 90° (Figure I.16b). Le matériau est bien plus homogène que du bois massif car il est possible de sélectionner des couches sans défaut majeur et de répartir les légers défauts au sein du panneau. De plus, l’alternance des couches à 90° améliore la stabilité dimensionnelle du panneau, car cela réduit l’anisotropie du matériau final31.

(a) (b)

Figure I.16– Types de panneaux de bois : a) lamellé-collé, b) contre-plaqué

1.4.2 Matériaux à partir de sous-produits du bois

Les sous-produits du bois sont utilisés pour former des panneaux de bois et également par l’industrie papetière. Pour ce faire, il est d’abord nécessaire de séparer les fibres de bois, ce qui peut être réalisé par quatre procédés différents32 :

• Mécanique : Les copeaux de bois sont défibrés dans des meules ou raffineurs afin

d’obtenir des fibres de bois plus ou moins longues avec peu de dégradation du bois. Les rendements sont de l’ordre de 90 %.

• Thermomécanique : Il est semblable au procédé mécanique, mais les copeaux sont

préalablement étuvés ce qui augmente la proportion de fibres longues.

• Chimico-thermomécanique : Les copeaux sont mis en présence de soude ou de

bisul-fite avant un traitement thermomécanique. Ceci permet une dépense d’énergie plus faible, car le traitement chimique ramollit les fibres de bois, mais altère légèrement la composition chimique du bois (moins de lignines et d’extractibles).

• Chimique : Le traitement alcalin (procédé Kraft) est majoritairement utilisé et consiste

à mettre les copeaux dans un réacteur avec une “liqueur blanche” (principalement de la soude) à chaud. Ce procédé permet la séparation de la lignine (> 90 %) des hémicelluloses et de la cellulose, car la couche intercellulaire ainsi que la paroi pri-maire (riches en lignines) sont dissoutes, ce qui donne un rendement de matière plus faible (de l’ordre de 50 %).

Les procédés mécaniques et thermomécaniques ne modifient pas la composition chi-mique du bois. Ces deux procédés sont majoritairement employés pour former des pan-neaux de bois. Le procédé chimico-thermomécanique donne des fibres avec une teneur en lignine et en extractibles légèrement plus faibles que les procédés précédents. Seul le procédé Kraft permet l’obtention d’une cellulose séparée de la majorité de la lignine et des hémicelluloses (≈ 95 % cellulose).

Les pâtes obtenues peuvent ensuite subir d’autres traitements. Les plus importants sont d’une part le raffinage où les fibres sont mises entre des lames de métal rapprochées et subissent cisaillements et compressions, ce qui permet d’obtenir des pâtes avec de meilleures propriétés mécaniques (contrainte à la rupture). D’un point de vue physique, les fibres sont plus courtes et possèdent une surface spécifique plus élevée.

D’autre part, le procédé de blanchiment est surtout utilisé comme post-traitement chimique (Kraft) dans l’industrie papetière pour obtenir un papier le plus blanc possible. La couleur brune des fibres de bois est principalement due aux chromophores de la li-gnine (mésomérie étendue). Dans le cas de la pâte Kraft, l’étape de blanchiment consiste simplement à retirer les lignines résiduelles (≈ 5 %). La pâte en elle-même n’est que par-tiellement affectée chimiquement par ce procédé. Dans le cas des autres pâtes, la quantité de lignines est toujours élevée. L’étape de blanchiment est réalisée à l’aide d’oxydant fort (par exemple, peroxyde d’hydrogène ou hydrosulfite). La structure et la composition chi-mique de la lignine sont donc impactées. En outre, la cellulose, ainsi que les hémicelluloses présentes peuvent aussi être partiellement dégradées (oxydation des alcools générant des polymères chargés négativement).

On distingue différents types de panneaux de bois30 :

• Panneaux à particules : Ces panneaux peuvent être faits à base de particules

mil-limétriques de bois (Figure I.17a), ou à base de lamelles de bois orientées ou non (Figure I.17b), qui sont ensuite mélangées à une colle (urée-formol ≈ 10%) et pres-sées à chaud. Ces panneaux possèdent une densité moyenne (650-750 kg/m3) du fait de l’utilisation de particules d’assez grandes tailles comparées aux fibres de bois. • Panneaux de fibres : Les fibres de bois sont issues des procédés (thermo-)mécaniques.

Les fibres sont ensuite triées suivant leur taille (quelques centaines de microns de largeur) pour réaliser des panneaux (Figure I.17c) de différentes densités. Les pan-neaux à densité moyenne (MDF, medium density fiberboard) sont les plus communs (ρ = 500-800 kg/m3) en raison de leur large utilisation dans l’ameublement. Il existe également des panneaux à densité faible (ρ = 100-300 kg/m3) et haute (ρ = 800-900 kg/m3 : high density fiberboard HDF). Ces panneaux ont l’avantage d’être ex-trêmement homogènes et d’avoir une résistance mécanique élevée comparativement à leur densité pour un coût limité par rapport au bois massif9.

La variété de panneaux à particules ou de fibres (poids, aspect, propriétés mécaniques, coûts) leur confère un large panel d’utilisations dans le domaine de l’ameublement. Il faut toutefois noter que ces panneaux sont d’autant plus sensibles à l’humidité que leur densité est élevée. En effet, la densité est inversement proportionnelle à la taille des pores

(a) (b) (c)

Figure I.17– Types de panneaux de bois : a) panneaux à particules “simples”, b) panneaux à lamelles, c) panneaux de fibres

des cellules du bois. L’adsorption d’eau entrainera donc un gonflement des fibres d’autant plus fort que la densité du panneau est élevée, ce qui entraine des problèmes de stabilité dimensionnelle du panneau29.

C’est pourquoi la protection de la surface des panneaux de bois est un sujet de re-cherche et développement qui a été étudié afin de limiter au maximum l’adsorption d’eau de ces panneaux dues à l’humidité de leur milieu d’utilisation. Les stratégies développées actuellement consistent majoritairement à revêtir le panneau d’une couche hydrophobe rigide. Ce type de protection présente toutefois des limitations, car le moindre défaut dans cette protection (usure prématurée, angle du panneau plus difficile à protéger) en-traine le gonflement du panneau et, par la suite, le décollement ou le craquellement de la protection.

Afin de créer une protection plus durable, il peut être envisagé de développer une protection possédant une affinité particulière avec le bois et capable d’absorber ses défor-mations. Cela nécessite cependant la compréhension des interactions entre le bois et cette couche de protection.