Aspects économiques pour le développement d’adhésifs écoresponsables pour le bois

Aspects économiques pour le développement

d’adhésifs écoresponsables pour le bois

Mémoire

Roland Jacks Ékila

Maîtrise en Sciences du bois

Maître ès Sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

© Roland Jacks Ékila, 2015

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Résumé

L’étude de la faisabilité économique de l’ingénierie d’un procédé de fabrication d’un adhésif écoresponsable porte sur la recherche d’une alternative économiquement viable aux problèmes environnementaux posés par les adhésifs conventionnels. Dans ce travail, il a fallu tout d’abord rechercher un adhésif qui réponde aux conditions de produits écoresponsables.

Après avoir fait la revue de littérature, selon les principes de la chimie verte et les études d’analyse de cycle de vie démontrant la performance environnementale d’adhésifs à base de tanins, l’adhésif à base de tanins autocondensés a été retenu dans ce travail comme un produit écoresponsable. L’enjeu du développement d’adhésifs écoresponsables issus de sous-produits de l’industrie forestière pose un problème économique de concurrence avec les adhésifs conventionnels à bon marché.

Une étude comparative d’une production d’adhésifs à base de la résine urée formaldéhyde et celle d’adhésifs à base de tanins autocondensés, a permis de déterminer les enjeux de la rentabilité de ces adhésifs. La production des adhésifs à base de tanins autocondensés apparaît rentable, mais ils réalisent des profits moindres qu’une production d’adhésifs à base de résine urée formaldéhyde.

Deux possibilités d’amélioration de la rentabilité de la production de ces adhésifs sont discutées, à savoir l’augmentation de 3 % du prix de la tonne métrique d’adhésif à base de tanins autocondensés ou la diminution de 2 % du prix de la tonne d’extraits de tanins secs. Les adhésifs issus des sous-produits de l’industrie forestière sont des produits en pleine innovation en accord avec le développement durable et potentiellement à forte valeur ajoutée. La reconnaissance par le marché de la valeur ajoutée d’un tel adhésif serait à valider par une enquête dans une étude future.

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Abstract.

The study of the engineering economic feasibility of the development of an eco-friendly wood adhesive is about finding an economically viable alternative to the environmental issues raised by conventional adhesives. In this work, it was first necessary to find an adhesive that met the requirements of eco-responsible products.

After reviewing the literature, according to the principles of green chemistry and life cycle analysis, considering studies demonstrating the environmental performance of adhesives based on tannin, an autocondensed tannin based adhesive was chosen in this work to be studied as an eco-responsible product. The challenge of developing eco-friendly adhesives from forest industry by-products poses the economic problem of competing with cheap conventional adhesives.

A comparative study of the production of a urea formaldehyde resin and of an autocondensed tannin adhesive has identified the challenges of the profitability of these latter adhesives. Autocondensed tannin based adhesives appear profitable, but they yield lower profits than urea formaldehyde resin.

Two possibilities of improving the profitability of production of autocondensed tannin adhesives are discussed, namely the 3% increase in the price value of a metric ton of adhesive based on autocondensed tannins or the decrease of 2% of the price per ton of extracted dry tannins.

Adhesives from forest industry by-products are innovations consistent with sustainable development and potentially high added value. The market added value recognition of such adhesives should be validated by a survey in a future study.

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Table des

matières

Résumé ... iii

1 Introduction ... xv

2 Revue de littérature ... 5

2.1 Les adhésifs pour le bois ... 5

2.1.1 Les adhésifs conventionnels ... 6

2.1.2 Adhésifs écoresponsables ... 12

2.2 Activité de collage du bois ... 17

2.3 Qualification environnementale des adhésifs pour le bois ... 19

2.3.1 Analyse de cycle de vie des adhésifs pour le bois ... 22

2.4 Applications de la chimie verte aux adhésifs pour le bois ... 24

2.4.1 Rendement chimique des adhésifs écoresponsables pour le bois ... 27

2.5 Écoconception des adhésifs pour le bois ... 28

2.6 Analyse économique d’adhésifs écoresponsables pour le bois ... 31

3 Méthodologie ... 33

3.1 Démarche méthodologique ... 33

3.2 Usine de référence de production d’urée formaldéhyde ... 42

3.3 Modélisation économique comparative des procédés ... 43

4 Résultats et Discussion ... 47

4.1 Présentation de résultats ... 47

4.2 Discussion ... 52

5 Conclusion ... 63

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Liste des Figures

Figure 1 : Formation des liaisons éthériques dans la fabrication de la résine urée formaldéhyde

(Bandel, 1995) ... 8

Figure 2 : Impacts environnementaux exprimés pour des adhésifs alternatifs par rapport à un scénario de référence utilisant un adhésif d’urée formaldéhyde. Les résultats utilisant IMPACT 2002 + par catégorie de dommages. Scénario 1: adhésif tanin de pin; scénario 2: adhésif tanin de raisin; Scénario 3: colle à base de soja. Cobut (2013). ... 24

Figure 3 : Procédé de transformation de méthanol en formaldéhyde (Cognet 2006) ... 34

Figure 4 : Étapes de fabrication de la résine à base d'urée formaldéhyde ... 34

Figure 5 : Étape de fabrication de la résine à base de tanins autocondensés ... 35

Figure 6 : Analyse de sensibilité du prix du tanin et de l’adhésif en fonction de la valeur actualisée nette. Scénario 1. La courbe en bleu montre l’évolution de la rentabilité de la production d’adhésifs à base de tanins autocondensés en fonction du prix du tanin. Scénario 2. La courbe en rouge donne la variation de la variation de la rentabilité de la production de cet adhésif en fonction de son prix sur le marché... 52

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Liste des Tableaux

Tableau 1 : Paramètres d'investissement Adhésif UF et Tanins autocondensés ... 43

Tableau 2 : Paramètres d’exploitation adhésifs UF et tanins autocondensés ... 43

Tableau 3 : Paramètres directs de production de l’adhésif UF ... 45

Tableau 4 : Paramètres directs de production adhésifs tanins autocondensés ... 45

Tableau 5 : Paramètres indirects de production adhésifs UF ... 46

Tableau 6 : Paramètres indirects de production adhésifs de tanins autocondensés ... 46

Tableau 7 : coûts d’investissement des adhésifs UF et tanins autocondensés ... 47

Tableau 8 : Coûts directs de production adhésifs UF ... 48

Tableau 9 : Coûts directs de production d’adhésifs à base de tanins autocondensés ... 48

Tableau 10 : Coûts indirects de production adhésifs U F et tanins autocondensés ... 49

Tableau 11 : Rentabilité des adhésifs U F et tanins autocondensés ... 50

Tableau 12 : Rentabilité d’adhésifs de tanins autocondensés en fonction du prix du tanin ... 51

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Liste des équations

Équation 1. a_ b_c : Réaction de méthylolation de la résine UF ... 7

Équation 2 : a.b.c.d.e Réaction de synthèse d'une résine UF: phase de condensation ... 8

Équation 3 : Réaction d'autocondensation de tanin en milieu alcalin (Wieland, 2007) ... 15

Équation 4 : Équation de Young ... 18

Équation 5 : Calcul du coût d’une unité industrielle ... 36

Équation 6 : Calcul de la valeur actualisée nette en fonction duTRAM (Park, 2009) ... 39

Équation 7 : Calcul de la valeur future équivalente en fonction du TRAM (Park, 2009) ... 40

Équation 8 : Calcul de la valeur annuelle équivalente en fonction du TRAM (Park, 2009) ... 40

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Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier les partenaires de l’École Nationale des Eaux et Forêts du Gabon, à savoir le Réseau des Institutions de Formation Forestière et Environnementale d’Afrique Centrale (RIFFEAC) et le Projet d’Appui au programme Élargi de Formation en Gestion de Ressources Naturelles dans le Bassin du Congo (PEFOGRN-BC), pour le soutien financier de ma formation.

Mes principaux remerciements vont à mes directeurs de recherche, les professeurs Robert Beauregard et Pierre Blanchet pour leur encadrement tout au long de la réalisation de mon projet de recherche. Je tiens à remercier particulièrement le professeur Bernard Riedl, qui n’a cessé de m’orienter en ce qui concerne la partie chimie de mon travail. Mes remerciements vont également à l’ensemble du personnel du Centre de Recherche sur les Matériaux Renouvelables (CRMR) pour le travail d’équipe réalisé.

Je veux remercier spécialement Guylaine St-Pierre, Ève Richard et Stéphanie Dubé-Desrosiers, chacune pour leur soutien dans ma formation au-delà de leur mission et domaine de travail. Leur aide a été pour moi un appui essentiel à la réalisation de mon projet. Je ne saurai manquer de remercier mes collègues de l’ENEF-Gabon et de l’ensemble des Écoles forestières du bassin du Congo pour la solidarité dans l’avancement de mon travail

Enfin, j’ai une pensée pour tous mes proches qui ont su m’encourager et m'apporter du soutien, très particulière à mon oncle et père qui a fait toute sa carrière dans la compagnie d’exploitation forestière Rougier Océan Gabon. Il a su très tôt m’inculquer l’importance de cette ressource naturelle qu’est le bois.

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Introduction

Les effets sur l’environnement de la qualité des produits et procédés développés depuis l’avènement de l’industrialisation de la société démontrent que l’on ne saurait satisfaire continuellement les besoins de générations présentes et futures si des changements ne sont opérés aussi bien dans la qualité et la gestion des ressources utilisées que dans les technologies employées. Plusieurs rapports confirment cette nécessité de changement dans la qualité des produits que nous mettons en œuvre. Le rapport du club de Rome 1972 a, parmi les premiers, attiré notre attention sur les limites ultimes imposées par l’épuisement des ressources si des méthodes nouvelles d’exploitations de ces dernières et de développement de produits ne sont pas employées.

La même année, le sommet de la terre de Stockholm, première conférence des Nations Unies portant sur l’impact des technologies sur l’environnement, a soulevé l’importance de changer la qualité des produits et procédés industriels actuels. Le Rapport Brundtland (WCED, 1987) énonce le principe du développement durable de la façon suivante : « un développement qui satisfait aux besoins de la génération présente

sans compromettre la possibilité des générations futures de satisfaire les leurs ». Ce

rapport a permis de mettre l’accent sur la nécessité d’une gestion durable des ressources productives limitées que nous offre la nature. Enfin le rapport du GIEC en 2007 établit la corrélation entre le carbone atmosphérique et le réchauffement climatique et a permis de démontrer la relation entre l’activité humaine et les problèmes environnementaux connus à ce jour [Ashby, 2011]

Ces différents rapports, interpellant à la fois gouvernements, chercheurs, industriels et consommateurs, ont permis de développer des approches nouvelles dans la conception des produits que nous utilisons. Une de ces approches est l’écoconception. L’écoconception est un modèle de conception basé sur l’analyse de cycle de vie. Elle vise à atteindre les meilleures conditions de durabilité des produits développés. D’après Fiksel (2012), l’écoconception est une nécessité, car les technologies et les modèles d'hier ne suffiront pas pour réaliser les changements quantiques qui sont nécessaires aujourd’hui.

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L’industrie de la transformation du bois, marquée par une forte activité de collage, indispensable à la fabrication de plusieurs de ses produits de base, pose depuis quelques années le problème de la qualité des adhésifs employés. En majorité d’origine pétrochimique, les adhésifs pour le bois posent des problèmes environnementaux de nature diverse. Par exemple, les adhésifs à base de résines urée formaldéhyde, adhésifs les plus employés dans l’industrie de la transformation du bois ont été reconnus cancérigènes par l’Organisation Mondiale de la Santé et font l’objet de restrictions dans plusieurs régions [Ernst Blaster + Partner, 2009].

Dans la recherche des adhésifs alternatifs à ceux d’origine pétrochimique dits conventionnels, plusieurs voies ont été explorées. Une étude de l’Organisation des Nations Unies pour le développement industriel, portant sur les adhésifs employés dans l’industrie de la transformation du bois, relève la possibilité d’utiliser des ressources végétales, et plus principalement des tanins issus de différentes espèces forestières, afin de développer des adhésifs à faible trace environnementale [ONU DI, 1977].

Les adhésifs à base de tanins ont été signalés dès le début des années 1960 dans les industries argentines et australiennes de transformation de bois. Ces dernières années, ils sont de plus en plus courants. On note des applications en transformation du bois à partir d’adhésifs à base de tanins en Afrique du Sud, en Nouvelle-Zélande et au Chili [ONU DI, 1977 ; Bandel, 1995 ; Mansouri, 2007]. La performance environnementale des adhésifs à base de tanins a été démontrée dans certaines études. Cobut (2013), dans ses travaux portant sur l’écoconception des produits d’apparence en bois pour la construction non résidentielle, a démontré par une étude d’analyse du cycle de vie une meilleure performance environnementale des adhésifs à base de tanins comparés à l’adhésif à base de résines urée formaldéhyde.

Outre la qualité de la ressource employée, l’adoption de l’écoconception en lien avec les pratiques de la chimie verte dans la conception des adhésifs pour le bois représente une garantie de performance environnementale de ces derniers. Bien que les ressources et les technologies pouvant contribuer au développement durable des produits et

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procédés soient connues à ce jour, force est de constater que très peu de changements sont opérés dans la conception des produits industriels [Fiksel, 2012].

En ce qui concerne les adhésifs pour le bois, malgré de nombreux travaux et études démontrant la capacité d’utilisation de sous-produits de l’industrie forestière dans la conception des adhésifs pour bois à faible trace environnementale, très peu d’adhésifs en sont issus. Hemingway et al. (1989) dans leurs travaux, mentionnaient l’utilisation de sous-produits de l’industrie forestière comme source potentielle d’adhésifs pour le bois. Ils relèvent que l’industrie de la transformation du bois est non seulement un grand consommateur d’adhésifs, mais aussi un producteur d’énormes tonnages de déchets pouvant servir à la conception des adhésifs pour le bois [Hemingway et al. 1989].

Comme dans l’ensemble des produits industriels ayant trait à une meilleure performance environnementale, les adhésifs issus des sous-produits de l’industrie forestière font face à un scepticisme. Nombreux sont ceux qui trouvent trompeuse, la philosophie gagnant-gagnant en lien avec les produits écoresponsables. En effet, ces derniers pensent que le coût environnemental ne cessera d’augmenter, l’emportant sur l’économique, impliquant ainsi des coûts supplémentaires liés à la production de ces produits [Fiksel, 2012]. Bien que pouvant présenter des coûts supplémentaires, les produits industriels durables bénéficient d’une valeur ajoutée due au fait qu’ils trouvent l’assentiment des consommateurs et sont encouragés par les gouvernements [Fiksel, 2012].

La substitution des adhésifs d’origine pétrochimique employés majoritairement dans la transformation du bois par des adhésifs écoresponsables issus des sous-produits de l’industrie forestière semble être une alternative intéressante et prometteuse pour différentes raisons. La principale relevant des domaines économique et écologique en rapport avec les stocks disponibles de matériaux de substitution nous dit Navarrete (2011).En effet, un grand avantage des tanins pouvant être utilisés comme matière de base au développement d’adhésifs pour le bois, est qu’ils peuvent être récupérés des écorces issues de la phase d’écorçage dans les industries de premières transformations du bois.

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Sur la base de la valeur ajoutée apportée par les produits écoresponsables et la qualité de la matière première employée, nous émettons l’hypothèse suivante : un adhésif pour le bois, issu des sous-produits de l’industrie forestière, peut être écoresponsable tout en étant économiquement viable.

L’objectif de ce travail porte sur les aspects de rentabilité de la substitution d’adhésifs conventionnels employés dans l’industrie de la transformation du bois par des adhésifs écoresponsables pouvant être issus des sous-produits de l’industrie forestière. Plus particulièrement, l’étude vise à établir le niveau de la rentabilité économique d’une substitution des adhésifs à base de la résine urée formaldéhyde par ceux à base de tanins autocondensés pour la fabrication de produits du bois à usage intérieur. L’objectif de remplacer les adhésifs d’origine pétrochimique utilisés actuellement dans l’industrie de la transformation du bois par des adhésifs alternatifs à base de ressources végétales pouvant être écoresponsables a été poursuivi dans de nombreuses études, mais très peu ont recherché les aspects de rentabilité d’une telle substitution [Navarrete, 2011 ; Wieland, 2007].

L’évaluation des aspects économiques d’un projet d’ingénierie, nous dit Park (2009), implique de disposer d’une estimation raisonnable des divers coûts et des revenus qui le caractérisent. Dans la recherche des aspects économiques des adhésifs écoresponsables, seul une estimation raisonnable de coûts et revenus pouvant être rencontrés permettra de déterminer leur caractère économiquement viable.

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1 Revue de littérature

1.1 Les adhésifs pour le bois

L’emploi des colles dans le travail du bois est connu des civilisations anciennes depuis plusieurs milliers d’années. Il y a environ 3000 ans, les Égyptiens utilisaient déjà des colles animales pour la fabrication des arcs et meubles, y compris les placages de bois [Pizzi et Mittal, 2003]. À l’origine, les colles pour le bois étaient essentiellement artisanales. Il s’agissait de colles à base de matières premières animales ou végétales telles que le blanc d’œuf, le sang animal, des extraits de collagène d’os ou de peaux d’animaux et autres [Pizzi et Mittal, 2003].

La première usine de colles commerciales est apparue en Hollande en 1690. Bien que produites industriellement, ces colles demeurèrent à base de ressources renouvelables, telles que la caséine, l’amidon, le soja et autres [Pizzi et Mittal, 2003]. Il faut attendre la deuxième moitié des années 1800 pour voir l’apparition des adhésifs de synthèse. Le premier adhésif d’origine pétrochimique est apparu en 1877, ce fut l’adhésif à base de la résine phénol formaldéhyde, encore appelé Bakélite. Sa mise sur le marché n’a été rendue possible qu’en 1912 par l’usine RÜTGEN-WERKE-HOECHST [Schindel-Bidinelli, 1992]. Quelques années plus tard, ce fut l’apparition des adhésifs à base de la résine urée formaldéhyde suite à la découverte de la molécule d’urée par Wölher [Mansouri, 2007].

La demande croissante des produits à base de bois et les progrès réalisés par la chimie moléculaire favoriseront le développement d’une plus grande diversité d’adhésifs d’origine pétrochimique qui vont très vite surclasser les colles anciennes d’origine naturelle. Mais les problèmes environnementaux résultant de l’emploi des adhésifs d’origine pétrochimique et le premier choc pétrolier des années 1970 ont dirigé les travaux de recherche des récentes années vers des adhésifs écoresponsables [Navarrete, 2011].

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Les adhésifs écoresponsables sont essentiellement issus des ressources renouvelables. Parmi ces ressources se trouvent des sous-produits de l’industrie forestière, principalement les tanins provenant des écorces de diverses essences. Les tanins démontrent plus de succès dans la conception des adhésifs pour le bois et connaissent des applications dans l’industrie de la transformation du bois. En Argentine, l’emploi des tanins issus du bois de québracho est mentionné dans des applications de transformation du bois, et ce, depuis plusieurs décennies [ONU DI, 1977]. En Australie, ce sont plutôt des extraits de tanins issus d’écorces d’acacia qui sont employés dans la transformation du bois [ONU DI, 1977]. Au Chili, le tanin de pin radiata est utilisé avec succès dans la fabrication d’adhésifs pour le bois [Bandel, 1995]. Parmi les autres matières premières issues de sous-produits de l’industrie forestière pouvant contribuer au développement d’adhésifs écoresponsables, figure la lignine. Toutefois les résultats concernant les adhésifs à base de lignine demeurent peu satisfaisants à ce jour [Bowyer et al. 2003].

Outre l’utilisation de sous-produits de l’industrie forestière dans la recherche des adhésifs écoresponsables, le soja suscite à nouveau beaucoup d’intérêt dans le développement d’adhésifs pour le bois. Un adhésif à base de soja a été développé ces dernières années par le professeur Kaichang Li, lauréat du prix Presidential Green

chimistry challenge Awards, distinguant chaque année les technologies chimiques

intégrant les principes de chimie verte dans la fabrication et l’utilisation des produits industriels [Fiksel, 2012]. De manière générale les adhésifs pour le bois peuvent être subdivisés en deux catégories, les adhésifs conventionnels, issus de matières premières non renouvelables ou de procédés dommageables pour l’environnement, et les adhésifs écoresponsables.

1.1.1 Les adhésifs conventionnels

Les adhésifs conventionnels sont constitués de deux grandes familles, les adhésifs à base de formol (aminoplastes, phénoliques et résorcines) et les adhésifs polyvinyliques, tous issus de matière première d’origine pétrochimique [Bécué, 2009]. Les adhésifs conventionnels sont très appréciés pour leurs performances techniques. Ils sont caractérisés par une vitesse de production maximale, un temps de collage minimum,

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une bonne résistance à l’eau, des forces de liaisons appréciables et une bonne résistance aux attaques des champignons [Cognard, 2000].

En revanche, ils demeurent limités du point de vue environnemental. Nombre de ces adhésifs font l’objet de restrictions par les normes en vigueur dans certaines régions. En dépit des problèmes environnementaux, ils demeurent très employés, car ils sont issus d’une matière première abondante et bon marché. Dans l’industrie de la transformation du bois, les adhésifs conventionnels régulièrement employés sont : les adhésifs à base des résines urée formaldéhyde, mélamine formaldéhyde, phénol formaldéhyde et polyisocyanates ou polyuréthanes.

1.1.1.1 Résines urée-formaldéhyde (UF)

Les résines urée formaldéhyde constituent les résines les plus employées en matière d’adhésifs pour le bois [Mansouri, 2007]. Elles varient selon les proportions de synthèse urée et formaldéhyde. La résine urée formaldéhyde est obtenue par réaction de synthèse entre l’urée et le formaldéhyde en milieu alcalin, cette dernière se déroule en deux phases. La première phase dite de méthylolation, décrite par l’équation 1, consiste en une association de molécules d’urée et de formaldéhyde donnant lieu à des complexes méthylol-urée de type mono, di ou triméthylol-urée [Bandel, 1995 ; Rield, 2008]. H2N C NH2 O H2N C NH CH2OH O OHCH2 C NH CH2OH O OHCH2 C NH (CH2OH)2 (a) (b) (c) HCHO O

Équation 1. a_ b_c : Réaction de méthylolation de la résine UF

La deuxième phase dite de condensation est décrite à l’équation 2. Au cours de cette phase, les propriétés adhésives de la résine sont induites en milieu légèrement acide. Elle résulte de l’addition entre les molécules urée méthylolée ou non, avec élimination

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de molécules d’eau. Le polymère ainsi formé est caractérisé par des liaisons de type éthérique, voir figure 1 [Bandel, 1995]

RNHCH2OH + H+ RNHCH2OH2+ RNHCH2OH2+ RNHH +_CH 2 + H2O RNHH+_CH 2 + H2NR` RNHCH2H2N +<sub>R` + H</sub>+ 2 RNHCH2OH RNHCH2OCH2NHR + H2O RNHCH2H2N+R` RNHCH2H2NHR` + H+ (a) (b) (c) (d) (e)

Équation 2 : a.b.c.d.e Réaction de synthèse d'une résine UF: phase de condensation

O C NH₂ NH CH2 O H2C HN C O NH2 O C NH CH2 O H2C HN NH CH₂OH C O H2N O C NH CH2 O H2C HN NH C O CH₂OHHO H2C HN O C NH CH2 O H2C HN N CH2OH CH₂OH C O NH CH₂OH (a) (b) (c) (d)

Figure 1. a.b.c.d Formation des liaisons éthériques dans la fabrication de la résine urée formaldéhyde (Bandel, 1995)

Les adhésifs à base de résines urée-formaldéhyde présentent plusieurs avantages, à savoir, une applicabilité à diverses espèces forestières, une couleur blanchâtre, un temps de pressage très court, moins de 2 minutes, la possibilité de servir de diluant pour des adhésifs plus chers, et un coût relativement bas [Mansouri, 2007 ; Wieland, 2007 ; Riedl, 2008]. Par contre, ces adhésifs présentent comme inconvénient le manque de résistance à l’eau due à l’hydrolyse de liaisons chimiques, responsables de la réticulation de la résine, c’est-à-dire les ponts méthylène (-CH2-) et méthylène éther

(-CH2-O-CH2) [Wieland, 2007]. Un inconvénient majeur de ces adhésifs est l’émission

de formaldéhyde [Wieland 2007 ; Riedl, 2008].

Afin de faire face aux restrictions en matière d’émissions de formaldéhyde, les proportions de synthèse de résines urée formaldéhyde ont été revues à la baisse avec pour conséquence la diminution de la performance technique de l’adhésif [Bandel, 1995 ; Mansouri, 2007]. Pouvant être développé, selon les conditions stœchiométriques dans un rapport molaire U:F 1 :4, la résine urée formaldéhyde est synthétisée

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industriellement dans les proportions molaires U:F allant de [1 :1,2] à [1 :2] [Bandel, 1995]. Les résines urée formaldéhyde peuvent également être améliorées par l’ajout de sels de mélamine permettant d’obtenir une résine mélamine urée formaldéhyde (MUF) de meilleure performance technique et environnementale, en plus de présenter une bonne résistance à l’hydrolyse [Wieland, 2007].

Ces dernières années, des associations résines urée formaldéhyde et polyisocyanates (pMDI) sont mentionnés, ces combinaisons permettent d’inhiber le dégagement de formaldéhyde rencontré dans les adhésifs à base de résines urée formaldéhyde [Wieland, 2007]. On note également une possibilité d’amélioration de la résine urée formaldéhyde par l’utilisation des boues de stations d’épuration dans la synthèse de cette résine [Xing, 2013]. Les adhésifs à base de résines urée-formaldéhyde sont d’un enjeu économique majeur pour l’industrie de la transformation du bois. Car ils sont à la fois les adhésifs les plus employés dans cette industrie et les moins coûteux sur le marché. Une substitution de ces dernières implique un défi technico-économique important. Les adhésifs à base de résines urée formaldéhyde sont employés essentiellement pour la fabrication des produits finis à usage non structural.

1.1.1.2 Résines mélamine-formaldéhyde (MF)

Les résines mélamine-formaldéhyde présentent des caractéristiques semblables à celles des résines urée formaldéhyde, car elles font toutes parties des adhésifs de type aminoplastes. Tout comme dans la synthèse des résines urée-formaldéhyde, la réaction de synthèse des résines mélamine-formaldéhyde se déroule en deux étapes et par l’intermédiaire des liaisons amines. La première étape dite de méthylolation consiste à la fixation de molécules de formaldéhyde sur les sites azotés situés autour du noyau cyclique de la molécule de mélamine, ce qui permet d’obtenir un composé à six groupes méthylène. La phase de condensation a lieu entre groupements méthylène ou non. Elle est rendue possible au moyen des liaisons de type méthylmélamine (NH-CH2

-HN) et méthylmélamine éther (NHCH2-O-CH2NH) [Riedl, 2008].

La réticulation de la résine de mélamine formaldéhyde permet son durcissement complet par réaction de l’amine et des regroupements méthylolés libres restants

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[Bandel, 1995]. Les adhésifs à base de résines mélamine-formaldéhyde présentent l’avantage d’une bonne résistance à l’eau, cependant ils sont relativement plus chers. Ils sont 4 à 5 fois plus chers que les adhésifs à base de résines urée formaldéhyde [Riedl, 2008]. À cause de leurs coûts élevés, de nombreux industriels utilisent plutôt des résines mélamine urée formaldéhyde (MUF) pour des applications identiques. Dans certains pays d’Europe, en raison des normes restrictives en matière de composés phénoliques, les adhésifs à base de résine mélamine urée formaldéhyde (MUF) sont admis dans la fabrication des différents types de panneaux à usage structural [Mansouri, 2007]. Plus économique que les adhésifs à base de mélamine formaldéhyde (MF), ils demeurent toutefois de performance technique moindre.

1.1.1.3 Résine phénol-formaldéhyde

Les résines phénoliques sont obtenues par réaction du phénol et du formaldéhyde. En effet, les phénols sont des molécules polyfonctionnelles réagissant avec le formaldéhyde à la fois en position ortho et para des groupements hydroxyles [Pizzi, 1994]. La réaction entre le phénol et le formaldéhyde a lieu en milieu basique [Riedl, 2008]. Comme dans les composés aminoplastes, la réaction de synthèse de résines phénoliques se déroule en deux étapes. Une première étape de méthylolation entre le phénol et le formaldéhyde par ajustement du pH au moyen de l’hydroxyde de sodium (NaOH). Cette étape conduit à la formation du phénolate de sodium puis à la fixation de molécules de formaldéhyde. L’étape suivante de condensation a lieu entre des molécules de phénol méthylolées ou non et permet d’obtenir la résine phénol-formaldéhyde réticulée. [Riedl, 2008].

Les adhésifs à base de résines de phénol-formaldéhyde présentent des avantages tels que, une application assez rapide sur les placages de bois à basse température, de bonnes propriétés mécaniques de panneaux encollés, une bonne résistance à l’eau et sans émission de formaldéhyde [Riedl, 2008]. En revanche, ils sont relativement coûteux comparativement aux adhésifs à base de résines urée formaldéhyde et de mélamine formaldéhyde [Riedl, 2008].

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Les adhésifs à base de résines phénol formaldéhyde sont employés dans plusieurs applications de transformation du bois, telles que la fabrication des contreplaqués et des panneaux agglomérés pour la construction de bâtiments [Bandel, 1995]. La résistance à l’eau en fait des adhésifs appropriés pour les usages structuraux, où des infiltrations d’eau pourraient causer des problèmes de sécurité. Aux États-Unis, les adhésifs à base de résines de phénol formaldéhyde sont les principales colles utilisées dans la fabrication de panneaux à usage structural [Bowyer et al. 2003]. Ils sont relativement bon marché comparativement aux colles isocyanates pouvant être utilisées pour les applications similaires.

1.1.1.4 Résines polyisocyanates (pMDI)

Les résines polyisocyanate (pMDI) sont les plus récentes parmi les résines d’origine pétrochimique employées dans l’industrie de la transformation du bois. Elles sont apparues pour la première fois en 1975, dans l’industrie allemande de transformation du bois [Riedl, 2008]. Les résines polyisocyanates sont des composés chimiques caractérisés par le groupement fonctionnel –NCO. Elles réagissent avec des composés présentant des groupements hydroxylés tels que la cellulose et l’eau. Lorsqu’ils sont appliqués au substrat bois, les adhésifs à base de résines polyisocyanates peuvent occasionner la formation des liaisons chimiques [Riedl, 2008]. Les isocyanates, chimiquement très réactifs, jouent un rôle important dans le procédé de fabrication et dans l’application des colles à base de polyuréthane [Ernst Blaster + Partner, 2009]. Les adhésifs à base de résines polyisocyanates sont très appréciés pour leur performance technique, leur bonne adhésion, leur rapidité de polymérisation, leur résistance à l’eau et pour le fait qu’ils n’émettent pas de formaldéhyde ni de COV. Cependant, ils présentent des conditions de sécurité limitantes dues à leur toxicité au moment de leur synthèse. En usage normal, une fois polymérisées, elles sont inoffensives [Riedl, 2008]. Les adhésifs à base de résines polyisocyanates sont des plus onéreux parmi les adhésifs pour le bois. Ils sont deux à trois fois plus chers que les adhésifs à base de résines phénol-formaldéhyde [Riedl, 2008]. Ils sont employés dans l’industrie de la transformation pour la fabrication des produits structuraux.

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1.1.2 Adhésifs écoresponsables

Les adhésifs écoresponsables ou alternatifs sont apparus depuis le début des années 1960, à la suite de nombreux constats des limites environnementales posées par les adhésifs conventionnels [ONU DI, 1977]. Contrairement aux adhésifs conventionnels, les adhésifs écoresponsables sont issus de ressources renouvelables. Ils présentent plusieurs avantages, parmi lesquels, une faible émission de formaldéhyde, la non-toxicité des produits synthétisés et le caractère renouvelable des ressources utilisées [Wieland, 2007]. En revanche, ils sont souvent désavantagés par la lenteur des réactions mises en œuvre, le manque de résistance à l’eau, le coût élevé des matières premières et les risques de conflit alimentaire pour certaines ressources [Wieland, 2007].

Les adhésifs écoresponsables s’appuient sur la valorisation de ressources, la préservation de la biodiversité, la construction écoresponsable et les changements globaux sur l’environnement [Wieland, 2007]. Les adhésifs écoresponsables, bien que présentant un véritable enjeu pour l’industrie de demain, restent peu développés pour deux raisons principales: les coûts qui doivent défier la rude concurrence engendrée par les adhésifs conventionnels et l’aspect technique pour obtenir des performances appropriées.

Autres aspects non négligeables influençant le développement des adhésifs écoresponsables, plus particulièrement ceux issus des sous-produits de l’industrie forestière, sont la disponibilité des matériaux et la répartition géographique des ressources utilisées [Navarette, 2011]. Les espèces forestières tropicales sont les plus employées dans la conception d’adhésifs issus de ces ressources d’où le plus grand développement de ces adhésifs dans les pays du sud. Mohamad et al. (2008) présentent l’opportunité de développer un adhésif à base de résidus lignocellulosiques issus du palmier à huile.

1.1.2.1 Adhésifs à base de tanins

Les tanins sont des composés chimiques de nature phénolique divisés en deux groupes, les tanins hydrolysables et les tanins condensés. Les tanins hydrolysables sont

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constitués en grande partie d’acide éllagique et gallique, ainsi que d’esters de sucres. Tandis que les tanins condensés sont constitués d’unités de flavonoïdes, en majorité de monoflavonoïde de type flavonoïde 3,4 diol associés à des carbohydrates, ainsi qu’à des traces d’amino et imino acides [Wieland, 2007; Stevanovic et Perrin, 2009].

Les tanins condensés présentent de meilleures propriétés dans la fabrication d’adhésifs à cause de la densification de leurs réseaux polymères [Wieland, 2007]. Les adhésifs à base de tanins peuvent être obtenus selon les trois types de procédés suivants : la formulation par utilisation du formaldéhyde, de l’hexaméthylènetriamine (hexamine) et l’autocondensation [Wieland, 2007]. Une autre forme de synthèse d’adhésifs à base de tanins, encore expérimentale, est l’association de lignines et tanins [Navarrete, 2011]. Les tanins les plus employés à ce jour dans la fabrication d’adhésifs pour le bois sont issus d’écorces d’acacia, du québracho et du pin radiata [ONU DI, 1977; Bandel, 1995; Wieland, 2007]. Les adhésifs à base de tanins trouvent des applications diversifiées; aussi bien dans la fabrication de produits d’apparence que structuraux [Wieland, 2007]. Parmi les applications d’adhésifs à base de tanins, on note la fabrication de contreplaqué dans l’industrie malaisienne de transformation du bois [ONU DI, 19977]. Des essais de tanins tirés du palétuvier ont été développés dans la fabrication d’adhésifs, destinés à la fabrication du contreplaqué, sauf que ces derniers se sont avérés coûteux, car il fallait augmenter considérablement la proportion de résine afin d’améliorer la capacité d’adhésion du produit encollé [ONU DI, 1977].

Plutôt que d’être utilisés comme adhésifs, les tanins sont aussi très employés en tant qu’accélérateur peu coûteux et efficace pour le durcissement des résines phénol-formaldéhyde. Par exemple, le durcisseur Trishydroxylmethyl nitromethane (TN) est utilisé afin de réduire les émissions de formaldéhyde des panneaux, mais son utilisation peut occasionner des coûts plus importants [Wieland, 2007]. En Finlande, l’emploi industriel de tanins tirés du quebracho a été mentionné pour accélérer le durcissement d’adhésifs à base de résines phénoliques dans la fabrication des contreplaqués [ONU DI, 1977]. Les colles de tanins sont bien connues et utilisées en Australie, dans les pays d’Amérique du Sud, en Afrique du Sud et se développent peu à peu en Europe. Elles

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peuvent donner des panneaux pour un usage extérieur, résistant aux intempéries, avec des temps courts et une émission de formaldéhyde limitée [Mansouri, 2007].

1.1.2.1.1 Adhésifs à base de tanin formulé avec du formaldéhyde

La première utilisation du tanin dans le développement d’adhésifs fut rendue possible grâce à la formulation à l’aide du formaldéhyde [Pizzi, 1994]. À l’origine, les tanins ont été exploités dans le but de substituer le phénol synthétique employé dans les résines phénol-formaldéhyde [Pizzi, 1994]. La présence des groupements hydroxyle (OH) dans les molécules de tanins a fait penser qu’il serait possible de substituer le phénol synthétique utilisé dans la conception d’adhésifs à base de résines phénol-formaldéhyde par le tanin. En effet, les réactions de synthèse phénol-phénol-formaldéhyde, et tanin-formaldéhyde ont lieu par l’intermédiaire des mêmes groupements hydroxylés (OH), sauf que le rendement chimique de ces deux réactions demeure très différent [Pizzi, 1994].

Les adhésifs à base de tanins formulés avec le formaldéhyde sont obtenus à l’aide du durcissement de flavonoïdes formant les tanins condensés par polycondensation avec le formaldéhyde [Pizzi, 1994]. Pendant la réaction des tanins polyflavonoïdes avec le formaldéhyde, deux réactions compétitives peuvent se produire, la réaction de l’aldéhyde avec les tanins et la formation d’un nombre important de ponts de type méthylène éther [-CH2OCH2-] instables à partir du formaldéhyde non réagi [Wieland, 2007]. Malgré une performance technique limitée, les adhésifs à base de tanins formulés avec du formaldéhyde présentent l’avantage de faibles émissions de formaldéhyde comparativement aux adhésifs à base de résine urée formaldéhyde. Les adhésifs à base de tanins formulés avec du formaldéhyde sont employés dans la fabrication des produits à usage intérieur exclusivement [Pizzi, 1994]. Bien que n’étant pas en mesure de substituer les adhésifs phénoliques à usage extérieur, par manque de résistance à l’eau, les adhésifs à base de tanins formulés avec le formaldéhyde peuvent toutefois être considérés comme une alternative à des adhésifs tels que ceux à base de résine urée formaldéhyde. Malgré le prix élevé du tanin, les adhésifs à base de tanins formulés avec du formaldéhyde peuvent être économiquement avantageux par rapport

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à certains adhésifs pouvant être utilisés pour de mêmes applications tels que ceux à base de résines mélamine formaldéhyde.

1.1.2.1.2 Adhésifs à base de tanins réagissant par autocondensation

Les adhésifs à base de tanins réagissant par autocondensation ont récemment été étudiés dans les travaux de Wieland (2007) au sein de l’équipe du professeur A. Pizzi. L’autocondensation de tanins en milieu alcalin est favorisée par deux types de réactions. La première due à une rupture des liaisons interflavonoïde conduit à la formation de carbocations qui, par réarrangement, vont mener à une autocondensation en milieu alcalin [Wieland, 2007].

O O O H O H O H OH OH OH OH OH OH O OH OH OH O H O H + O O H OH OH OH O O H O H OH OH + O O H OH OH OH + + O O H O H OH OH OH OH OH OH

Équation 3 : Réaction d'autocondensation de tanin en milieu alcalin (Wieland, 2007)

La deuxième réaction est une autocondensation partielle provoquée par l’ouverture des hétérocycles du noyau benzénique formant les molécules de flavonoïdes [Wieland, 2007]. En considérant leur caractère macromoléculaire, les tanins condensés réagissent de façon similaire à ce que l’on pourrait attendre des flavanes-3-ols [Wieland, 2007]. En effet, la connaissance de ces réactions primordiales est nécessaire pour la synthèse en industrie de ces adhésifs [Wieland, 2007]. Les adhésifs à base de tanins régissant par autocondensation présentent l’avantage d’être non toxiques et sans émission de

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formaldéhyde [Wieland, 2007]. Par contre, ils manquent de résistance à l’eau et ils requièrent un temps de pressage relativement long comparativement à certains adhésifs conventionnels [Wieland, 2007]. En outre, le prix élevé des extraits de tanins qui se situe autour de 1900$/Tonne métrique présente une limitation sérieuse à la rentabilité financière de ces adhésifs [Wieland, 2007].

1.1.2.2 Adhésifs à base de soja

L’utilisation du soja comme matière première dans la conception d’adhésifs pour le bois n’est pas nouvelle. Les colles pour panneaux de contreplaqué à base de soja sont apparues pour la première fois dans l’industrie de la transformation du bois en 1926 [Mansouri, 2007]. Le développement d’adhésifs à base de soja a connu un grand essor à ses débuts grâce au mélange à des résines protéiques qui permirent une amélioration de leurs performances [Pizzi et Mittal, 2003]. Les colles issues du mélange soja-sang animal furent largement employées pour les contreplaqués à usage intérieur au début des années 1940 et aussi au moment de l’embargo sur le pétrole [Pizzi et Mittal, 2003]. Depuis la fin des années 90, il y a eu un intérêt grandissant pour le soja dans la recherche d’alternatives écoresponsables aux adhésifs conventionnels. En effet, la protéine de soja est en plein développement depuis quelques années dans la réduction des coûts d’adhésifs pour le bois [Pizzi et Mittal, 2003].

Un avantage des adhésifs à base de protéines en général est leur capacité d’application à basse température, minimisant ainsi les coûts énergétiques dans les procédés d’encollage du bois [Pizzi et Mittal, 2003]. Wieland (2007) souligne l'utilisation de protéines de soja modifiées en tant qu'adhésifs pour le bois, comme étant une solution alternative très intéressante. Elle mentionne aussi l'utilisation d'hydrolysats de protéines de soja dans les réactions avec du formaldéhyde phénol résorcinol (PRF) ou de l’urée-formaldéhyde (UF). En effet, les hydrolysats et le l’urée-formaldéhyde réagissent pour former une résine qui permet de coller du bois, grâce à la capacité de ces dernières de pénétrer dans les cellules du bois [Wieland, 2007].

L’utilisation du soja à des fins de production d’adhésifs reste, entre autres, confrontée au problème de conflit alimentaire, car cette ressource représente un aliment de base

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pour les populations humaines. De plus, la bonne performance environnementale des adhésifs à base de soja comparativement aux adhésifs conventionnels a été remise en question par les études d’analyse de cycle de vie [Cobut, 2013]. Bien que le soja soit une matière première renouvelable, la culture du soja implique l’utilisation de larges superficies de terres arabes, des quantités importantes de pesticides, d’engrais chimiques et d’énergie mécanique liée au travail de la terre, ce qui occasionne une trace environnementale considérable pour ces adhésifs. À cela s’ajoute l’emploi de ressources non renouvelables telles que les polyisocyanates dans la production de certains adhésifs à base de soja.

1.2 Activité de collage du bois

Le collage, technique d’assemblage utilisée dans la transformation du bois, demeure très adaptable au matériau bois comparativement aux autres formes d’assemblages pouvant être réalisées, à savoir la soudure et l’assemblage à connecteurs mécaniques. La réussite du collage dépend des trois facteurs que sont : l’adhésif, le substrat et le pressage [Schindel- Bidenelli, 1992]. Le collage du bois est précédé de deux étapes indispensables, le séchage et l’usinage. Le séchage du matériau à encoller est important, car il peut influencer les propriétés physiques et chimiques du bois [Wieland, 2007]. L’usinage, quant à lui, permet de travailler les surfaces de substrats à encoller de manière à favoriser un contact optimal et produire une surface fraiche, non oxydée.

Avant le pressage, une quantité d’adhésif est administrée à la surface du substrat formant une gouttelette d’angle de contact 𝛼. La mesure de l’angle de contact 𝛼 est déterminante pour la qualité d’adhésion qui résultera lors de l’assemblage du produit fini. Pour un angle de contact 𝛼 égal à 0°C on parle d’une bonne adhésion, tandis que si 𝛼 est supérieur ou égal à 90°C, l’adhésion est dite mauvaise [Riedl, 2008]. Une bonne adhésion, c’est-à-dire 𝛼 proche de 0°C, nécessite que l’adhésif soit suffisamment mouillé. Un degré de mouillage assez élevé de l’adhésif permet d’obtenir une adhérence optimale [Schindel-Bidenelli, 1992]. Si la tension superficielle du liquide adhésif est 𝛾L, l’énergie superficielle du substrat solide 𝛾S et l’énergie inter faciale entre

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le liquide adhésif et le substrat 𝛾SL, la valeur de l’angle de contact est reliée à ces trois

énergies par l’équation de Young (1805) [Cognard, 2000] : 𝛾𝐿cos 𝛼 = 𝛾𝑆− 𝛾𝑆𝐿

Équation 4 : Équation de Young

Les résultats de collages optimaux rencontrés dans l’utilisation des adhésifs conventionnels proviennent en effet de la valeur de la tension superficielle de ces adhésifs due à leur rendement énergétique [Cognard, 2000]. La substitution des adhésifs conventionnels par des adhésifs écoresponsables implique l’utilisation de matières premières à forte valeur énergétique, capable de développer des adhésifs à valeur de tension superficielle assez élevée. Plus la valeur de la tension superficielle du liquide adhésif est élevée, plus court sera le temps de pressage de l’adhésif [Cognard, 2000].

Le collage du bois aboutit à la formation d’un joint caractérisé par deux attributs, à savoir, la cohésion et l’adhésion [Bandel, 1995]. Le phénomène de cohésion est lié aux forces adhésives qui permettent à ce dernier de ne pas céder devant les sollicitations auxquelles peut être soumis le matériau à encoller. Tandis que l'adhésion est fonction des forces d’adhérence entre le substrat et l’adhésif [Schindel-Bidenelli, 1992]. Trois types d’adhésion sont rencontrés lors de la formation des joints de collage, l’adhésion mécanique, spécifique ou chimique [Bandel, 1995]. L’adhésion mécanique a lieu lorsque l’adhésif liquide pénètre entre les pores du bois aidé par un processus d’osmose à travers les chaines capillaires qui composent la structure du bois. La rupture d’un tel assemblage conduit à une fissuration des fibres. [Bandel, 1995; Cognard, 2000]. L’adhésion spécifique est basée sur les forces moléculaires et la polarité des composantes de joints [Bandel, 1995]. L’adhésion chimique fait référence à l’interaction chimique entre l’adhésif et le matériel à coller [Bandel, 1995].

L’adhésion naissante dans le substrat encollé est finalisée par la formation de joints, grâce au procédé de pressage. Le pressage à température ambiante ou chaude se fait sous une pression assez faible dans l’objectif de transférer l’adhésif humide aux deux surfaces du substrat à coller [Bowyer et al. 2003]. La difficulté de l’utilisation de

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nombreux adhésifs écoresponsables est souvent rencontrée dans la détermination des temps de pressage appropriés. D’après Wieland (2007), le pressage d’un panneau de particules à l’aide de l’adhésif à base de tanins autocondensés nécessitera environ cinq minutes. Ceci constitue une limitation extrêmement importante de l’utilisation des adhésifs à base de tanins autocondensés dans l’industrie de transformation du bois. L’utilisation des adhésifs alternatifs reste soumise à un défi énergétique afin d’atteindre des temps de pressage très courts lors des procédés d’encollage. L’activité de collage, indispensable à la transformation du bois, est en revanche limitante à cause de la qualité des colles employées. Il est plus que nécessaire de qualifier du point de vue environnemental, la nature des adhésifs pour le bois afin de minimiser leur impact sur l’environnement.

1.3 Qualification environnementale des adhésifs pour le bois

La conception des adhésifs pour le bois, dominée par l’utilisation de matériaux non renouvelables, demeure très importante du point de vue environnemental sur l’ensemble de la chaine de transformation du bois. Selon Pizzi et Mittal (2003), l’utilisation d’adhésifs et connecteurs représente une source de contamination aussi bien dans les procédés de valorisation de la filière énergétique que dans les procédés existants de recyclage des produits du bois.

Les adhésifs pour le bois en grande partie d’origine pétrochimique sont liés à des émissions de divers type. Dominés par l’emploi d’adhésifs à base de formol, tant pour les adhésifs de type aminoplaste que phénoliques, les adhésifs pour le bois sont principalement en lien aux problèmes d’émission de formaldéhyde. Le formaldéhyde est dangereux de deux manières. Premièrement, à fortes concentrations durant un court laps de temps il provoque une irritation des yeux et des voies respiratoires. Deuxièmement, à faibles concentrations sur une longue période de temps, il présente des risques cancérigènes [Wieland, 2007]. Ernst Blaster + Partner (2009) mentionnent qu’à de fortes concentrations, le formaldéhyde peut irriter les muqueuses et entraîner des troubles de la santé.

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Dans un local clos, la concentration de formaldéhyde émise est déterminée par le rapport de la surface émettrice sur le volume du local. Des températures où des taux d’humidité élevés peuvent considérablement accroître le dégagement de formaldéhyde des produits bois [Riedl, 2008]. Afin d’informer les consommateurs sur la teneur en formaldéhyde des produits à base de bois, la Suisse a fait adopter le label de qualité Lignum CH 6.5. Par contre dans l’Union Européenne (UE), c’est la classe d’émission E1 qui est utilisée. Tous deux prescrivent une limitation à moins de 6,5 mg de formaldéhyde/100 g de matériau en bois, ce qui correspond à 0,1 ppm de formaldéhyde [Ernst Blaster + Partner, 2009]. En Amérique du Nord, c’est en Californie que se retrouvent les restrictions les plus sévères en matière d’émission de formaldéhyde. Selon la norme CARB, les émissions de formaldéhyde doivent être inférieures à 0,09 ppm pour les panneaux de particules et 0,13 ppm pour les panneaux MDF et HDF [Ernst Blaster + Partner, 2009]. Les émissions de formaldéhyde sont principalement mises en cause dans l’emploi des adhésifs à base de résines urée formaldéhyde.

Outre les émissions de formaldéhyde, les adhésifs à base de résines phénol-formaldéhyde sont décriés pour cause d’émission de composés phénoliques [Mansouri, 2007]. Dans certaines régions d’Europe, les adhésifs à base de résines phénol-formaldéhyde font l’objet de restrictions par les normes en vigueur à cause des émissions de composés phénoliques [Mansouri, 2007]. La qualification environnementale des adhésifs pour le bois demeure notamment liée à la toxicité de certains adhésifs, tels que les adhésifs à base de résines polyisocyanates. Les adhésifs à base de résines isocyanates bien que n’émettant pas de formaldéhyde sont tout de même reconnus comme étant nocifs pour la santé [Riedl, 2008]. La toxicité des colles isocyanates est liée à la présence de cyanure. Les adhésifs à base de résines isocyanates sont dangereux lors de la phase de production et de la mise en œuvre en phase liquide. Ils nécessitent des précautions importantes lors de cette phase afin de protéger les employés opérants [Riedl, 2008]. De plus ils peuvent présenter un danger d’émission de cyanure lorsque dégradés par un incendie.

Plus généralement, on relève dans les adhésifs pour le bois, selon leur type, des concentrations élevées de composés organiques volatils (COV) qui ont un effet négatif

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tant sur l’environnement de manière globale que sur la santé [Ernst Blaster + Partner, 2009]. Les COV sont également d’importants polluants de l’air ambiant, car ils sont utilisés comme solvant dans certaines colles à bois. En outre, les COV sont présents de manière naturelle dans le bois sous forme de terpènes [Ernst Blaster + Partner, 2009]. Les émissions de CO2 ne sont pas en reste dans la production des adhésifs pour le bois.

En effet, ils proviennent de la consommation des énergies fossiles dans les phases de mobilisations des ressources naturelles, de transformation industrielle et voir de gestion de fin de vie des produits bois. Les émissions de CO2 de grand impact sur les

changements climatiques nécessitent une diversification d’énergie dans la production des adhésifs pour le bois. On constate de façon générale, à propos des émissions de composés organiques volatils et de CO2 provenant de l’utilisation des énergies fossiles,

que les limites environnementales des adhésifs pour le bois proviennent en grande partie de leur origine.

Les adhésifs à base de résines végétales et plus particulièrement ceux issus de sous-produits de l’industrie forestière démontrent une meilleure qualification environnementale par rapport aux adhésifs conventionnels, notamment en ce qui concerne l’absence d’émission de formaldéhyde et du fait qu’ils proviennent de la revalorisation de déchets de transformation d’une ressource renouvelable [Cobut, 2013; Navarrete, 2011]. Un atout environnemental majeur des adhésifs issus de sous-produits de l’industrie forestière est à la fois le caractère renouvelable des ressources utilisées et la valorisation de ces sous-produits qui limite les stocks de déchets. Les sous-produits de l’industrie forestière demeurent une matière première de choix dans la conception d’adhésifs de meilleure performance environnementale.

Afin de parvenir au développement des adhésifs pour le bois de meilleure qualité environnementale, il est indispensable d’associer à la qualité de la ressource utilisée, un modèle de conception approprié. L’écoconception des adhésifs pour le bois permettrait d’atteindre les conditions de durabilité recherchées dans le développement d’adhésifs écoresponsables [Fiksel, 2012]. Ces dernières années, des progrès ont été réalisés en matière de qualification environnementale des produits dans l’ensemble des secteurs industriels avec la mise en place de la norme ISO 14001 qui concerne les bonnes

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pratiques de gestion environnementale. Toutefois, ces mécanismes ne sont que des mesures préventives et ne font aucune évaluation quantitative de la performance environnementale des produits mis en œuvre [Fiksel, 2012]. Un outil permettant de comprendre la qualification environnementale des adhésifs pour le bois est l’analyse de cycle de vie des produits à base de bois.

1.3.1 Analyse de cycle de vie des adhésifs pour le bois

D’après Da Sylva et al. (2011), « les problèmes et crises écologiques que nous connaissons proviennent essentiellement de la manière dont nous utilisons l’énergie et les matériaux, donc pour renverser la tendance des faits produits par ces causes, il faut retourner au cycle de vie des matériaux ». L’analyse de cycle de vie (ACV) constitue un outil adéquat dans la recherche des solutions aux problèmes environnementaux posés par les produits et technologies que nous développons. Elle aide à la prise de décision sur les choix de matériaux et technologies à adopter dans le développement des produits.

La vie de tout produit passe par cinq étapes essentielles, l'extraction, la fabrication, le transport, l’utilisation et la fin de vie. L’extraction consiste à la mobilisation des matériaux bruts, cette étape est communément appelée « naissance » du produit. Ensuite vient la transformation ou la fabrication, étape est dite de « maturité ». Enfin, elle se termine par l’utilisation qui conduit à la fin de vie du produit, cette dernière étape est dite « morte » [Ashby, 2011]. Lorsqu’étudiés sur l’ensemble de leur cycle de vie, les produits bois, en fonction de l’adhésif employé peuvent présenter différents types d’impacts environnementaux.

Au regard du cycle de vie de ces produits, les étapes ayant un plus grand impact environnemental sont, le collage et l’enfouissement ou le recyclage. Cobut (2013), lors de l’ACV d’une porte intérieure, confirme que la majeure partie des impacts environnementaux liés à cette dernière proviendraient des étapes de fabrication et de fin de vie. La limitation environnementale des étapes de fabrication et de fin de vie des produits à base de bois provient essentiellement de la qualité des adhésifs employés. Sur l’ensemble de la chaîne de transformation du bois, c’est l’apport de constituants

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extérieurs au bois contenu dans les adhésifs qui constitue l’essentiel de l’impact environnemental des produits finis en bois [Pizzi et Mittal, 2003].

Les répercussions de ces derniers demeurent très remarquées jusqu’à la fin de vie des produits finis à base de bois, limitant les procédés d’enfouissement ou de recyclage de ces produits. L’utilisation de ressources non renouvelables dans la conception des adhésifs pour le bois, limite les possibilités de revalorisation des produits du bois en fin de vie et sont principalement à l’origine des émissions de CO2 qui minent l’industrie

des adhésifs. Outre l’utilisation de l’énergie dans l’ensemble du cycle de vie des adhésifs pour le bois, c’est bien le type de matériau employé dans la conception de ces adhésifs qui est véritablement la source de son impact environnemental [Cobut, 2013]. En ce qui concerne la gestion de fin vie des produits bois, Pizzi et Mital (2003) confirment que c’est la persistance en fin de vie des matériaux employés qui limitent le recyclage de ces produits. Au niveau des centres d’enfouissements, un dégagement de méthane est à l’origine du réchauffement climatique occasionné par les adhésifs pour le bois. Aussi, peuvent être relevés des dépôts de cyanure et autres contaminants pouvant s’infiltrer dans les nappes phréatiques au niveau des centres d’enfouissements. Les centres d’enfouissements de matériaux sont généralement qualifiés de stocks de carbone à cause du carbone séquestré issus des adhésifs et du bois enfouis entre autres [Cobut, 2013].

Les adhésifs d’origine végétale, et plus particulièrement des sous-produits de l’industrie forestière moins empreints de constituants étrangers au matériau bois, limiteraient l’impact environnemental relevé lors des étapes de fabrication, d’utilisation et de fin de vie des produits en bois. Contrairement aux adhésifs conventionnels, l’utilisation de l’adhésif à base de tanins n’apporterait pas de constituants étrangers au matériau bois dans la chaine de transformation du bois, ce qui faciliterait leur dégradation en fin de vie. Cobut (2013) a démontré des réductions significatives des impacts environnementaux dans les différentes catégories de dommage grâce à la substitution de l’adhésif à base de la résine urée formaldéhyde par une série d’adhésifs à base de tanin de pin et de tanin de raisin (Figure 2).

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Figure 2 Impacts environnementaux exprimés pour des adhésifs alternatifs par rapport à un scénario de référence utilisant un adhésif d’urée formaldéhyde. Les résultats utilisant IMPACT 2002 + par catégorie de dommages. Scénario 1: adhésif tanin de pin; scénario 2:

adhésif tanin de raisin; Scénario 3: colle à base de soja. Cobut (2013).

Une amélioration de la performance environnementale des produits bois passe par la minimisation des impacts environnementaux des étapes de fabrication et de fin de vie. L’emploi d’adhésifs écoresponsables issus de sous-produits de l’industrie forestière permettrait de pallier aux problèmes environnementaux rencontrés dans les étapes d’encollage et de gestion en fin de vie des produits bois utilisant des adhésifs d’origine pétrochimique.

1.4 Applications de la chimie verte aux adhésifs pour le bois

La chimie verte ou chimie durable fait référence à la conception, la production et l'utilisation de produits chimiques qui réduisent ou éliminent des substances nocives pour la santé humaine et l'environnement, et qui peuvent être produits de manière durable [Heintz et Pollin, 2011]. Les produits chimiques, présents dans la chaîne d'approvisionnement de la quasi-totalité des secteurs industriels sont en grande majorité d’origine pétrochimique et issus des technologies peu soucieuses de l’environnement. Ces produits chimiques sont à l’origine de nombreux problèmes environnementaux rencontrés ces dernières décennies. Depuis l’avènement des produits pétroliers dans les années 1930 et 1940, l'industrie chimique a subi d'énormes transitions [Heintz et Pollin, 2011].

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À l’origine issus des ressources renouvelables, les produits chimiques ont été peu à peu remplacés par ceux issus des ressources non renouvelables, tel fut le cas du passage des adhésifs anciennement employés dans la transformation du bois. Les pratiques de chimie conventionnelle qui ont permis le développement de ces produits axés uniquement sur une réduction des coûts se sont révélées limitantes du point de vue environnemental, nécessitant une redéfinition du mode de développement de l’industrie chimique. Paul Anastas, un des pionniers de la chimie verte, articule cette redéfinition de l’industrie chimique autour des douze principes que sont [Fiksel, 2012]:

1 Prévention : élimination des déchets plutôt que traitement des déchets ;

2. Économie de matière : optimiser le dosage de toutes les matières premières utilisées au cours du processus menant au produit fini ;

3. Synthèses chimiques moins nocives : définir des modes opératoires faisant appel à des matières et réactifs de faible toxicité, d’impact limité sur l’environnement ; 4. Concevoir des produits chimiques plus sûrs : un minimum de toxicité tout en garantissant les fonctionnalités voulues ;

5. Un usage plus sûr des solvants et auxiliaires : éviter ces substances autant que possible et rendre leur utilisation moins dangereuse ;

6. Efficacité énergétique : favoriser les processus à température et pression ambiantes ; 7. Utilisation de matières premières renouvelables ;

8. Réduction des sous-produits ;

9. Catalyse : utiliser les catalyseurs ou des réactifs non stœchiométriques ;

10. Conception de substances non persistantes : favoriser les substances de bonne biodégradabilité ;

11. Gestion de processus en temps réel pour une prévention des pollutions ; 12. Chimie intrinsèquement plus sûre pour une prévention des accidents.

Lorsqu’intégrés, les douze principes de chimie verte visent à minimiser la trace environnementale des produits développés. Les pratiques de chimie verte appuient la recherche fondamentale en chimie respectueuse de l'environnement, elles sont de plus en plus adoptées par l’ensemble de la communauté de la chimie [Fiksel, 2012].

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d’adhésifs pour le bois de faible trace environnementale. Des recherches menées ces dernières années ont démontré de bons résultats. On note la conception d’adhésifs à base de tanins réagissant par autocondensation sans ajout de formaldéhyde [Wieland, 2007].

Les adhésifs à base de tanins vérifient de manière générale plusieurs points des différents principes de chimie verte, notamment l’utilisation de matières premières renouvelables et la réduction de sous-produits. L’adhésif à base de tanins autocondensés, outre l’utilisation d’une matière première renouvelable et la réduction de sous-produits dans l’industrie de la transformation du bois, est conçu selon différents principes de chimie verte, à savoir, la synthèse des produits chimiques moins nocifs et plus sûrs, confirmée par l’absence d’utilisation du formaldéhyde.

Autres principes de chimie verte en accord avec la conception des adhésifs à base de tanins réagissant par autocondensation, l’usage de solvants plus sûrs et l’utilisation de catalyseurs ou de réactifs non stœchiométriques. La sureté de solvants utilisés est confirmée par l’utilisation de l’eau comme seul solvant pour la synthèse de cet adhésif. Les conditions de synthèse non stœchiométrique se vérifient par la synthèse de cet adhésif dans le rapport de 40% d’extraits de tanins secs contre 60%. Les adhésifs à base de tanins réagissant par autocondensation sont des produits biodégradables, car ils ne renferment pas de substance chimique persistante.

Au regard des différents principes de chimie verte énumérés, l’adhésif à base de tanins autocondensés constitue bien un produit en accord avec les principes de chimie verte. Toutefois, les principes relatifs à la chimie verte sont de nature qualitative et ne garantissent pas automatiquement des avantages environnementaux significatifs en termes quantitatifs [Tufvesson et al. 2012]. Pour ce faire, des méthodes d’évaluations quantitatives conséquentes sont plus que nécessaires pour justifier les avantages environnementaux indiqués dans de nombreuses technologies innovantes. En cela, l’analyse du cycle de vie a en effet été reconnue comme un outil précieux permettant de déterminer la performance environnementale des produits et procédés mis en œuvre.