Techniques d’analyse de la composition chimique de la surface des fibres

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ou FTIR, Fourier Transformed InfraRed spectroscopy) est basée sur l'absorption d'un rayonnement infrarouge par le matériau analysé. L’interprétation des fonctions chimiques présentes dans le matériau s’effectue via la détection des vibrations caractéristiques des liaisons chimiques

correspond au domaine de l'énergie de vibration des molécules. Lorsque l'énergie apportée par le faisceau infrarouge est voisine de l'énergie de vibration de la molécule, cette dernière absorbe le rayonnement et la diminution de l'intensité réfléchie ou transmise sera alors enregistrée. Toutefois l’absorption du rayonnement IR dépend aussi de la géométrie de la molécule et en particulier de sa symétrie (Colthup et al., 1975). Par conséquent, à une molécule de composition chimique donnée correspond une bande d'absorption caractéristique permettant de l'identifier. L’ensemble des bandes d’absorption forme le spectre d’absorption d’un matériau donné. Les informations tirées des spectres sont généralement qualitatives. En effet, elles permettent l’identification des longueurs d'onde auxquelles l'échantillon absorbe qui sont caractéristiques des groupes chimiques présents dans le matériau analysé. Des tables permettant d'attribuer les absorptions aux différents groupes chimiques présents dans les fibres de bois sont données dans le Chapitre IV de ce document. Néanmoins, des informations quantitatives peuvent aussi être tirées du spectre d’absorption IR. En effet, l'intensité de l'absorption à la longueur d'onde caractéristique (l'aire du signal) est souvent reliée à la concentration du groupe chimique responsable de l'absorption (Solomon et Carangelo, 1982; Drumond et al., 2006; Cornel et al., 2008).

Parce qu’il est doté d’une structure chimique très complexe, le bois fait partie des matériaux les plus analysés par cette technique. Certaines études ont simplement utilisé le FTIR pour élucider les différents groupes chimiques présents sur la surface des fibres de bois (Barker et Owen, 1999; Ferraz et al., 2000; Ajuong et Redington, 2004; Colom et Carrillo, 2005; Toivanen et Alén, 2006). Dans d’autres études, cette technique a été utilisée comme outil de vérification de l’établissement des liaisons chimiques (i.e., liaison ester) entre le bois et d’autres composants chimiques à base d’anhydride (Kazayawoko et al., 1997; Pandey, 1999; Carlborn et Matuana, 2006; Dominkovics et al., 2007). Dans une autre perspective, Raiskila et al. (2007) ont utilisé la spectroscopie IR pour déterminer la teneur en lignine dans le bois de

duramen et le bois de l’aubier de trois clones de Picea abies, tandis que Rodrigues et

al. (1998) ont servi de cette technique pour déterminer la teneur en monosaccharide

chez l’Eucalyptus globulus.

Grâce à la grande diversité des montages expérimentaux (montage de réflexion totale atténuée (ATR), montage de réflexion/transmission (DRIFT)), la spectrométrie IR permet d'analyser aussi bien les matériaux organiques que les matériaux inorganiques indépendamment de leur état physique ou de surface.

4.4.2.2 Spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X  

L’analyse par XPS (X-ray photoelectrons spectroscopy) est la méthode la plus utilisée dans l’analyse des surfaces. Elle peut fournir la composition atomique d’un échantillon ainsi que la nature des liaisons chimiques présentes et leur distribution, et ce jusqu’à une profondeur de 10 nanomètres (Andrieu et Müller, 2005). Ainsi, l’analyse chimique par XPS permet de connaitre la distribution des différents types de liaisons chimiques présentes. Par exemple, pour un échantillon de bois, il sera possible de déterminer les abondances relatives des liaisons C-C par rapport aux liaisons C=C ou C-O, etc.

Le principe de cette technique est basé sur l’irradiation d’un échantillon par un faisceau de rayons X issu d’une source monochromatique. Les énergies les plus courantes sont 1486.6 Ev (Al) et 1253.6 eV (Mg). Sous l’effet des photons ayant l’énergie la plus haute, les électrons des couches électroniques peuvent être excités et éjectés des atomes. Les électrons ainsi libérés possèdent une énergie cinétique qui varie en fonction de (i) l’énergie du photon X et de (ii) l’énergie de liaison du niveau où se trouvait l’électron (Yip-wah, 2001). L’éjection des électrons hors de l’échantillon permet leur collection et leur analyse grâce à un analyseur d'électrons. Après un balayage de la gamme des énergies, un spectre des énergies de liaison est alors reconstitué (voir exemple de spectres dans le chapitre IV). Le spectre

comprend des pics qui correspondent aux énergies de liaison des niveaux électroniques des atomes. Ces pics sont caractéristiques des atomes dont ils proviennent, permettant ainsi de déterminer les éléments qui composent la surface d’un matériau.

Koubaa et al. (1996) ont eu recours à la technique de XPS afin d’analyser l’effet d’un pressage et séchage simultanés sur la composition chimique des fibres obtenues par le procédé chimio-thermomécanique (CTMP). Les spectres ont montré une augmentation de la teneur en lignine et une diminution des polysaccharides des fibres pressées-séchées à une température de 175 °C. Plus tard, Johansson et al. (1999) a utilisé la spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X comme indicateur de la teneur en lignine résiduelle sur la surface des fibres ayant subit différents procédés chimiques de mise en pâtes. Il a été conclu que l’efficacité de cette technique reste tributaire du niveau de contrôle de la contamination qui pourrait avoir lieu lors des mesures. Dans une autre perspective, Tserki et al. (2005) ont étudié l’effet du traitement par acétylation et propionylation sur la surface des fibres naturelles moyennant le recours à la technique XPS. La variation du ratio O/C a été utilisée comme principal indicateur de changement de la surface des fibres par estérification. Une discussion plus détaillée de l’application de cette technique a été présentée dans le chapitre IV de ce document.

En réalité, plusieurs autres méthodes spectroscopiques sont aussi utilisées pour déceler la composition chimique de la surface des matériaux. En effet, pour déterminer les groupements fonctionnels, la RMN, Raman, UV-visible, en plus de la spectroscopie Infrarouge, sont les techniques les plus couramment utilisées, alors que les informations sur la nature des liaisons chimiques au niveau superficiel peuvent être obtenues par les techniques (autre que la XPS) de spectroscopie d'ions rétrodiffusés (ISS, ion scattering spectroscopy), spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS), spectroscopie électronique à distribution angulaire (ADES,

angular-distribution electron spectroscopy). Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) a été récemment utilisé pour visualiser la topographie de la surface d'un échantillon.

2.4.3 Techniques d’analyse thermique et calorimétrique des fibres de bois et des