Relation entre la résistance mécanique et les caractéristiques morphologiques, les densités et la textures poreuse des charbons et des

matières premières

Comme indiqué dans la revue bibliographique, à notre connaissance il existe très peu de travaux publiés à ce jour sur l’existence d’éventuelles relations entre la résistance mécanique des charbons de bois et leurs caractéristiques physico-chimiques, notamment concernant l’arrangement structurel du carbone dans le charbon. L’augmentation de la résistance à la compression du charbon de bois est généralement attribuée aux effets combinés de la diminution de volume observée lors de la carbonisation, aux changements de taille, de forme et de distribution de la porosité du matériau à haute température et au réarrangement structurel possible des composants du charbon, en particulier du carbone, formant ainsi une nouvelle structure plus résistante [3,82,90]. Il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales qui déterminent la résistance mécanique, afin de définir au mieux les paramètres de pyrolyse adaptés à la production d’un charbon à haute résistance. L’analyse des résultats que nous avons obtenus semblent indiquer que les évolutions de la résistance à la compression en lit et de la friabilité du charbon en fonction des conditions de pyrolyse sont liées. Ces deux propriétés seront donc étudiées conjointement dans la suite de ce document.

IV.2.2.a Evolution de la résistance mécanique en fonction de la morphologie des charbons et de la densité de la matière première

Comme présenté à la section précédente, la résistance mécanique d’Epi est plus élevé que celle d’E.glo quelles que soient les conditions de pyrolyse. La densité très élevée de l’essence E.glo entraîne l’apparition de fractures lors de la pyrolyse, fragilisant le charbon de bois. La résistance mécanique est généralement considérée comme corrélée à la densité apparente de l’essence de bois parente. Les bois denses sont susceptibles de produire des charbons denses avec une résistance mécanique élevée [20,67,90,103]. Les résultats (Figure IV.17 et Figure IV.18) démontrent que cette affirmation n’est pas toujours exacte. Notamment lorsque des particules de bois de taille importante sont utilisées comme c’est le cas dans l’industrie.

IV.2.2.b Evolution de la résistance mécanique en fonction de la densité apparente et de la texture poreuse des charbons

Les Figure IV.17 et la Figure IV.18 présentent respectivement l’évolution de l’indice S et de l’indice F avec la densité apparente des charbons de bois. Une augmentation de l'indice S et une diminution de l’indice F sont observées avec l'augmentation de la densité apparente des charbons. La corrélation de

ces deux indices et de la densité apparente est moyenne pour Epi et faible pour E.glo. Les coefficients de corrélation pour les indices S et F sont respectivement de 0,66 et 0,61 pour Epi et de 0,11 et 0,33 pour E.glo. La très faible corrélation obtenue pour E.glo s’explique par le grand nombre de fissures aléatoires dans le charbon de bois (Figure IV.2), ce qui rend ce critère non pertinent. Les résultats sont cependant en accord avec ceux de Kumar, et al. [82] qui ont observé une résistance accrue à la compression avec une augmentation de la densité apparente de charbon de bois d'Acacia et d'Eucalyptus, et ce malgré une forte dispersion dans les données obtenues. Ils attribuent cette augmentation de la résistance à la compression à l’augmentation de la densité apparente résultant de la condensation des microcristallites de carbone, la déposition du carbone pyrolytique et de la perte de porosité avec une hausse de la température de pyrolyse. Cependant les résultats obtenus indiquent une augmentation de la densité apparente et de la porosité avec la température de pyrolyse, accompagnée d’une augmentation de la résistance mécanique. Il est donc possible de conclure que la porosité ne semble pas être le facteur qui permet d’expliquer le comportement mécanique des charbons produits dans la gamme de températures étudiées.

La porosité du charbon de bois dépend de ses densités apparente et vraie. La perte de masse pour des températures supérieures à 600 °C est relativement faible et ne permet pas un fort développement de la porosité. Cependant, le réarrangement de la structure carbonée, c.à.d. une augmentation de la densité vraie, provoque la diminution du volume du charbon entraînant une augmentation de la densité apparente. Selon Oliveira, et al. [3], la diminution du volume du charbon, due au réarrangement de la structure carbonée, provoque une augmentation du nombre de fibres par unité de surface et une augmentation de la résistance mécanique du charbon.

Selon les mêmes auteurs, les changements de taille, de forme et de distribution de la porosité du matériau peuvent influer sur leur résistance mécanique. Nous résultats montrent une diminution de la taille de certains pores du charbon, qui accroît ainsi la rigidité de la macrostructure du charbon. Ce phénomène peut participer de l’augmentation de la résistance mécanique.

Ainsi, pour une essence donnée, il ne semble pas raisonnable de considérer uniquement la densité apparente du charbon pour évaluer sa résistance mécanique, Cette caractéristique ne permet pas de rendre contre directement de la distribution de la porosité ou de l’arrangement de la structure carbonée du charbon dont semble dépendre la résistance mécanique.

Figure IV.17 : Évolution de l’indice S en fonction de la densité apparente des charbons d’Epi et d’E.glo.

Figure IV.18 : Évolution de l’indice F en fonction de la densité apparente des charbons d’Epi et d’E.glo.

IV.2.2.c Evolution de la résistance mécanique en fonction de la structure et de la densité vraie des charbons

Comme nous l’avons montré précédemment (paragraphe IV.1.3), il existe une très forte relation linéaire entre le rapport ID/IG déterminé par spectrométrie Raman et la densité vraie des charbons de

60 65 70 75 80 85 90 95 100 0,18 0,23 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 In d ice S (% ) ρapp (g.cm-3) Epi E.glo 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0,18 0,23 0,28 0,33 0,38 0,43 0,48 In d ice F (% ) ρapp(g.cm-3) Epi E.glo

bois dans la plage de températures étudiées. La densité vraie apparait être un bon indicateur pour suivre l’arrangement de la structure carbonée en fonction des conditions de pyrolyse. La densité vraie traduit également du tassement de la matière dans le charbon dans le charbon de bois.

Les Figure IV.19 et Figure IV.20 présentent respectivement l’évolution de l’indice S et de l’indice F en fonction de la densité vraie des charbons. Les résultats montrent une relation linéaire (R² ≈ 0,9) entre les indices S et F et la densité vraie du charbon d’Epi. Une faible relation (R² ≈ 0,5) a été trouvée pour le charbon d'E.glo. Cela suggère que la résistance mécanique du charbon est étroitement liée au réarrangement et à l’augmentation de densité de la structure carbonée. Le réarrangement des atomes de carbone forme une structure plus résistante et plus compacte. Par conséquent, la densité vraie du charbon de bois semble être un bon indicateur de sa résistance mécanique pour une essence donnée.

Figure IV.19 : Évolution de l’indice S en fonction de la densité vraie des charbons d’Epi et d’E.glo.

60 65 70 75 80 85 90 95 100 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 In d ice S (% ) ρvraie(g.cm-3) Epi E.glo

Figure IV.20 : Évolution de l’indice F en fonction de la densité vraie des charbons d’Epi et d’E.glo.