La relaxation correspond au retour à l'équilibre de l'aimantation tissulaire. Elle s'accompagne d'une émission d'énergie sous la forme d'ondes RF qui constituent le signal enregistré en RMN. Le phénomène de relaxation, obéit à deux mécanismes différents: la relaxation longitudinale et la transversale. La relaxation longitudinale correspond à la repousse de la composante longitudinale due au transfert d’énergie des spins, laquelle suit une courbe exponentielle croissante caractérisée par le temps T1 (figure 1.14). La relaxation transversale correspond à la chute de l'aimantation transversale laquelle suit une courbe exponentielle décroissante caractérisée par le temps T2 (figure 1.15) (Hoa 2007). Ce sont ces composantes de relaxation longitudinale et transversale qui vont permettre de caractériser la structure du bois à différentes teneurs en humidité.
Shaw et Elsken (1950) ont été parmi les premiers chercheurs à utiliser le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour la détermination de la teneur en humidité à l’intérieur de matériaux hygroscopiques comme le bois. Ils ont établi une relation significative entre l’intensité de l’absorption nucléaire et la teneur en humidité du bois (figure 1.23).
Hsi et al. (1977) ont observé la présence de deux niveaux de temps de relaxation T2 dans le bois de thuya occidental. Cela s’interprète comme un comportement multi exponentiel de la relaxation transversale T2. En effet, la figure 1.24 montre un T2 rapide qui est présente tout au long des teneurs en humidité du bois, et un T2 lent, qui apparaît seulement à partir du PSF (38% H). L’apparition d’un T2 rapide nécessite la présence d’une distribution significative des sites de sorption dans le bois, laquelle influencerait la dynamique des molécules d’eau à des teneurs en humidité différentes. Riggin et al. (1979) ont également étudié le comportement de la relaxation transversale T2 de l’eau dans le bois d’épinette blanche. À des teneurs en humidité près du PSF (33% Héq), deux temps de relaxation T2 étaient présents, soit un plus long possiblement associé aux molécules d’eau plus mobiles dans les cavités cellulaires et un autre plus court relié aux molécules d’eau localisées dans les parois cellulaires.
Figure 1.23 Relation entre l’intensité d’absorption nucléaire (Ip) et la teneur en
humidité du bois d’érable à sucre (d’après Shaw et Elsken 1950).
Figure 1.24 Temps de relaxation transversale T2 de l’eau dans des copeaux du thuya
occidental à température ambiante en fonction de la teneur en humidité. ○, composante de relaxation transversale lente, T2s; ●, fraction de toute la population des protons qui relaxent avec le temps de relaxation transversale lent; □, composante de relaxation transversale rapide, T2f (d’après Hsi et al. 1977).
Brownstein et Tarr (1979) ont attribué ce comportement multi exponentiel du temps T2 à la géométrie des cellules. Il serait ainsi possible d’estimer la forme et la taille des cellules à partir des données du RMN. Plus tard, Brownstein (1980) a proposé un modèle simple basé sur l’équation de diffusion pour expliquer la présence de deux temps T2 dans le bois du thuya occidental, lesquels dépendent principalement de la teneur en humidité du bois.
L’efficacité de la méthode de RMN pour la détermination de la teneur en humidité a été évaluée par Menon et al. (1987). L’humidité du bois de thuya géant et de sapin Douglas fut mesurée à l’aide de la RMN et par la méthode conventionnelle de séchage à l’étuve. Les résultats se sont avérés très similaires. Par ailleurs, les temps de relaxation longitudinale (T1) furent significativement différents entre les deux essences. Les valeurs des composantes de relaxation sont donc reliées à l’espèce. De plus, à différence des études antérieures, l’eau dans le bois a présenté trois grandeurs de T2 : lent, moyen et rapide. Chacune de ces grandeurs représenterait une concentration d’eau dans le bois à une teneur en humidité donnée et le tout serait alors égal à la quantité totale d’eau dans l’échantillon.
Les comportements des trois T2 montrés à la figure 1.25 semblent indépendants, ce qui permet d’affirmer que chacun représenterait une zone distincte dans le bois. De plus, Menon et al. (1987) à l’aide de l’anatomie quantitative ont relié les valeurs de T2 à des caractéristiques anatomiques (proportion de bois initial et de bois final, diamètre des cellules, épaisseur des parois cellulaires, diamètre de lumen pour chaque type de tissu). Selon ces auteurs le T2 rapide correspondrait à l’eau dans les parois cellulaires, le T2 moyen serait l’eau dans le lumen des rayons et trachéides du bois final et finalement le T2 lent représenterait l’eau dans le lumina des trachéides du bois initial. Le temps de relaxation T2 serait aussi relié au diamètre des lumina, car il est plus petit dans le bois final que dans le bois initial.
Menon et al. (1989) ont appliqué la technique de RMN pour produire des courbes de chacune des composantes de T2 de l’eau dans le bois vert de thuya géant. En comparant les courbes obtenues avec une image obtenue à l’aide d’un microscope électronique de balayage (MEB) (figure 1.26), on voit clairement trois composantes distinctes de l’eau.
On observe que le T2 moyen est relié aux trachéides de bois final, que le T2 long correspond aux trachéides de bois initial et que le T2 rapide correspond bien à la densité des parois cellulaires (figure 1.26). La valeur du T2 rapide a alors été associée à l’eau liée. La RMN pourrait servir à déterminer le PSF puisqu’elle permet de faire une mesure directe de l’eau dans les parois cellulaires. La figure 1.27 superpose la courbe de T2 rapide avec celle de la masse volumique du bois anhydre obtenue pour le même échantillon avec un densitomètre à rayons X. La correspondance entre les deux courbes est bien claire.
La RMN a été aussi utilisée pour différencier les divers types de bois d’une même espèce. L’eau dans le bois d’aubier, de duramen, le bois juvénile et le bois juvénile avec pourriture des billes de thuya géant, a ainsi été étudiée par Flibotte et al. (1990). Ils ont différencié le signal du bois solide de celui de l’eau. Chez le duramen et le bois juvénile, le T2 fut en général plus court et la quantité d’eau fut inférieure à celle du bois d’aubier. Le bois juvénile pourri présente une quantité d’eau supérieure, ce qui le rendrait facilement identifiable par rapport au bois de duramen ou au bois juvénile normal. Les auteurs ont fait aussi un premier essai d’imagerie par résonance magnétique de l’eau dans le bois. Il fut possible de faire une image de la distribution de l’eau dans le bois vert avec des temps d’écho courts. Cependant, les images ont principalement montré l’eau des lumina du bois initial, soit seulement 60% de l’eau dans le bois. Étant donné que la quantité d’eau réelle qui contribue à la formation de l’image dépend de plusieurs facteurs, il est nécessaire de faire une caractérisation complète du signal de RMN H+ avec un seul spectromètre responsable de tous les protons dans le bois, avant de faire une interprétation significative de l’image.
Araujo et al. (1992) ont montré un spectre continu de temps de relaxation spin-spin (T2) en appliquant la technique d’interprétation de données du RMN développée par Whittall et MacKay (1989). La figure 1.28 montre le spectre pour le bois juvénile et le bois de duramen d’épinette blanche à 29 et 30% de teneur en humidité, respectivement. L’aire au-dessous de chaque sommet équivaudrait à la quantité d’humidité dans un site particulier et la valeur du T2 correspond à la nature de ce lieu. Chaque spectre montre deux sommets qui correspondraient à l’eau localisée dans des endroits distincts de la structure anatomique du bois. Le sommet le plus haut représente l’eau liée qui se trouve
Figure 1.25 Comportement des concentrations d’eau en T2 en fonction de la teneur
en humidité (x – T2 lent, ▲- T2 moyen et ■ – T2 rapide) (d’après Menon et al. 1987).
Figure 1.26 Courbes séparées de l’eau des lumina des trachéides du bois initial (Bi),
de l’eau des lumina des trachéides et des rayons du bois final (Bf) et du bois des parois cellulaires (Pc) exprimés en g d’eau par cm3 de bois, en comparaison avec une image MEB de l’échantillon (d’après Menon et al. 1989).
Figure 1.27 Superposition du profil de distribution de l’eau liée en direction radiale
mesurée par RMN avec le profil de la masse volumique du bois anhydre obtenu par densitométrie aux rayons X (d’après Menon et al. 1989).
Figure 1.28 Profil continu du T2 de l’eau dans le bois juvénile (―) et le bois de
duramen (---) de l’épinette blanche (d’après Araujo et al. 1992).
dans les parois cellulaires. Le second sommet montre l’eau liquide placée dans les lumina. De plus, Araujo et al. (1993) ont démontré que la valeur du temps de relaxation T2 est reliée à la taille, à la proportion et à la distribution des lumens du bois.
La figure 1.29 montre la distribution de l’eau dans les lumina à quatre teneurs en humidité. On observe que l’eau (g H2O / cm3 de bois) est plus importante dans le bois initial de chaque cerne et que la perte d’eau des lumina se fait à un taux plus élevé que dans le bois final. Le cercle rouge dans le profil d’humidité plus faible (17%), indique la présence d’une petite quantité d’eau dans les lumina, c’est-à-dire qu’ils ont repéré une faible teneur d’eau liquide à des teneurs en humidité de loin inférieures au PSF.
Le phénomène d’hystérèse de la sorption d’humidité a été également observé par la méthode de RMN. Hartley et al. (1994) ont déterminé avec succès la teneur en humidité absolue du bois de peuplier faux-tremble au dessous du PSF en adsorption et en désorption. Cependant, la précision des résultats dépendait du sens de la sorption. En adsorption, les valeurs de teneur en humidité obtenues par RMN étaient supérieures à celles obtenues par la méthode gravimétrique. Les causes possibles de cet écart sont un échange des protons entre l’eau et le bois ainsi que des changements dynamiques et structuraux des parois cellulaires pendant l’humidification, ce que pourrait biaiser le signal du RMN.
La séquence de Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) est basée sur la séquence de base d’écho de spin. Elle permet de mesurer le temps de relaxation transversale T2 de n’importe quel noyau. Labbé et al. (2006) ont proposé une nouvelle méthode de cette séquence pour mesurer la quantité et la distribution de l’eau liquide dans le bois d’aubier du pin maritime ainsi que la localisation de ses composantes organiques. Du bois vert fut extrait successivement avec de l’acétone, de l’éthanol et de l’eau, puis séché ensuite jusqu'à l’état anhydre. Ils ont ensuite équilibré les échantillons à des teneurs en humidité inférieures au PSF à l’aide des solutions salines saturées. De plus, un groupe a été amené à la saturation intégrale. Pour les échantillons à des Héq sous le PSF, la distribution continue du temps T2 montre un seul sommet qui correspondrait à l’eau liée située dans les parois cellulaires (figure 1.30). Par ailleurs, les échantillons à saturation maximale ont montré quatre sommets : un qui serait relié à l’eau liée et les trois autres correspondraient à l’eau liquide (figure 1.30). Les études antérieures avaient montré deux composantes d’eau liquide seulement. Labbé et al. (2006) ont rapporté une troisième composante qui pourrait être associée à la structure poreuse des fibrilles de la paroi cellulaire du pin maritime.
Figure 1.29 Profil radial de la distribution d’eau dans les lumina d’un échantillon de
bois d’aubier d’épinette blanche à quatre teneurs en humidité, vis-à-vis d’une image MEB du même échantillon (Araujo et al. 1992).
Les études citées précédemment ont été faites sur des bois de résineux. Almeida et al. (2007) ont étudié plutôt trois bois de feuillus à porosité diffuse, présentant des structures anatomiques différentes (deux bois tempérés, l’érable à sucre et le hêtre à grandes feuilles et un bois tropical, le huayruro). L’analyse des temps de relaxation spin-spin T2 a permis de décomposer l’eau dans le bois en trois parties également (tableaux 1, 2 et 3). D’abord, ils ont trouvé un temps T2 lent qui représente l’eau liquide qui serait logée dans les lumina des vaisseaux. Un seul temps T2 lent a été trouvé à une HR près de 100% pour les trois bois étant donné qu’ils présentent une structure homogène, c’est-à- dire sans transition de bois initial à bois final. Cependant, les différences de taille et de proportion des vaisseaux de chaque espèce font varier la valeur et la proportion du temps T2 lent pour chacune d’entre elles. La quantité d’eau liquide dans les lumina des vaisseaux variera donc également. À une HR de 96%, le temps T2 lent a disparu pour les trois essences, ce qui indiquerait que les vaisseaux seraient complètement vides à ce degré d’humidité relative.
La deuxième composante, le temps T2 moyen, correspondrait à l’eau liquide localisée dans les lumina des fibres et du parenchyme. Les différences anatomiques entre les essences commencent à être plus évidentes à partir d’ici. Aussi à l’état de saturation intégrale, les deux espèces tempérées montrent une seule valeur de T2 moyen. Par contre le huayruro montre deux valeurs de temps T2 moyen, soit un premier qui correspondrait à la grande proportion de parenchyme axial de ce bois et un deuxième qui serait lié à l’eau liquide localisée dans les lumina des fibres et du parenchyme radial comme dans le cas des deux autres espèces. Entre 96% et 76% HR, l’érable à sucre et le hêtre à grandes feuilles ont encore des valeurs de T2 moyen, c’est-à-dire qu’il resterait de l’eau liquide jusqu’à des teneurs en humidité autour de 16% Héq (tableaux 1 et 2).À 58% HR il n’y a plus de T2 moyen, la perte de l’eau liquide serait alors totale. Dans le cas du huayruro, le temps T2 moyen apparaît seulement jusqu’à 96% HR, et sa valeur est quatre fois supérieure à celle des deux autres espèces (tableau 3). Cela pourrait être expliqué aussi par sa grande proportion de parenchyme axial. Par contre, son Héq est inférieure à celle des autres bois, ce qui se reflète aussi par une proportion d’eau liquide plus basse. Alors, à 90% HR l’eau liquide serait complètement drainée pour cette espèce, ce qui pourrait être le fruit d’une perméabilité accrue du parenchyme des rayons par rapport aux autres essences. La dernière composante, le temps de relaxation T2 rapide, représenterait l’eau dans les parois cellulaires. Ces résultats montrent que la région où la perte d’eau liée débute en présence d’eau liquide dépend de la taille et de la distribution des capillaires dans le bois, alors elle sera différente entre les espèces.
Le suivi du procédé de séchage a été aussi étudié par RMN. Thygesen et Elder (2008) ont séché du bois d’aubier d’épinette de Norvège selon quatre traitements différents : du bois vert, du bois séché et rehumidifié, du bois acétylé et du bois furfurilé. Les mesures ont été faites au début du séchage et à 4 intervalles de temps de séchage à 40°C. Les résultats du temps T2 montrent 3 populations d’eau différentes. Un premier groupe, qui diminue en taille systématiquement à mesure que le séchage avance, correspondrait à l’eau liquide dans les lumina des trachéides du bois initial (T2 lent). Un deuxième groupe, qui ne semble pas être affecté par le séchage, serait attribué à l’eau liquide dans les petits lumina du bois final ou des lumina du parenchyme des rayons (T2 moyen). Finalement, un troisième groupe semble relié à l’eau liée aux parois cellulaires (T2 rapide).
Figure 1.30 Profil continu de relaxation transversale spin-spin (temps T2) du bois
d’aubier (a) à des Héq sous le PSF et (b) à des Héq au-dessus du PSF (d’après Labbé et al. 2006).
Tableau 1.1 Teneur en humidité d’équilibre (Héq) et temps de relaxation T2 en
fonction de l’humidité relative (HR) à 25°C du bois d’érable à sucre (d’après Almeida et al. 2007).
Tableau 1.2 Teneur en humidité d’équilibre (Héq) et temps de relaxation T2 en fonction de l’humidité relative (HR) à 25°C du bois de hêtre à grandes feuilles ( d’après Almeida et al. 2007).
Tableau 1.3 Teneur en humidité d’équilibre (Héq) et temps de relaxation T2 en fonction de l’humidité relative (HR) à 25°C du bois de huayruro (d’après Almeida et al. 2007).
Récemment, Merela et al. (2009) ont développé une méthode de RMN qui permettrait la détermination directe de la teneur en humidité du bois, en se basant seulement sur la masse et l’amplitude FID du signal de l’échantillon testé. Pour faire cela, ils ont supposé que l’eau est le seul liquide dans le bois et que la relation entre la masse de l’eau et l’amplitude FID est linéaire. Ils ont vérifié la méthode avec succès pour différentes essences à des teneurs en humidité distinctes en comparant les résultats avec la méthode
gravimétrique. La méthode serait fiable et pourrait alors être utilisée pour des applications requérant une mesure d’humidité immédiate et précise.