Amélioration de l’écorçage à anneau de deux espèces du Québec

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Amélioration de l’écorçage à anneau de deux espèces

du Québec

Thèse

Wassim Kharrat

Doctorat en génie du bois et des matériaux biosourcés

Philosophiæ doctor (Ph. D.)

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Amélioration de l’écorçage à anneau de deux

espèces du Québec

Thèse

Wassim Kharrat

Sous la direction de :

Roger E. Hernández, directeur de recherche

Carl Blais, codirecteur de recherche

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Résumé

La présente recherche a eu comme objectif principal d’améliorer la qualité de l’écorçage à anneau de billes de deux espèces résineuses du Québec, soit l’épinette noire et le sapin baumier. Afin d’évaluer les effets des paramètres de l’écorçage à anneau sur la performance du procédé, un premier volet du travail s’est consacré au développement d’un prototype pour simuler l’action de coupe de la machine en laboratoire. Ce prototype a ainsi été construit, de manière à pouvoir régler la force radiale d’écorçage, l’angle d’attaque des outils de coupe ainsi que les vitesses d’avance et de rotation. Suite à cela, un deuxième volet a évalué les effets de la force radiale et de la position suivant la hauteur de la bille dans la tige sur l’écorçage de billes gelées des deux espèces. La qualité d’écorçage fut évaluée selon deux critères, soit la proportion de la surface d’écorce restante par rapport à la superficie totale de la bille et la proportion de fibres de bois dans les résidus d’écorce. L’augmentation de la force radiale a engendré une diminution de la proportion d’écorce restante sur la bille mais une augmentation de la proportion des fibres dans les résidus d’écorce. De plus, la qualité d’écorçage n’a pas été affectée par la position de la bille dans la tige. Un troisième volet s’est consacré aux effets de la force radiale et de l’angle d’attaque sur la qualité d’écorçage des billes gelées et non gelées d’épinette noire. L’effet du gel des billes sur la qualité de l’écorçage s’est avéré très important. De plus, l’impact de la force radiale sur les deux critères de la qualité d’écorçage a été confirmé pour les deux températures. Cependant, l’angle d’attaque n’a pas affecté de manière significative l’écorçage des billes non gelées. Pour les billes gelées, une augmentation de l’angle d’attaque a produit une légère diminution de la proportion d’écorce restante sur la bille. Les effets de ces paramètres de la machine furent étudiés en tenant compte de diverses propriétés des billes. Des équations de régressions ont ainsi été établies pour prédire les deux critères de qualité d’écorçage pour les différentes conditions étudiées. D’une part, l’adhésion bois-écorce, la force radiale et la surface des nœuds étaient les meilleurs prédicteurs de la proportion de la surface d’écorce restante sur la bille. D’autre part, l’excentricité des billes et l’adhésion bois-écorce venaient s’ajouter à la force radiale comme étant les meilleurs prédicteurs de la proportion des fibres de bois dans les résidus d’écorce. L’écorçage pourra ainsi être amélioré en ajustant la force radiale et l’angle d’attaque tout en tenant compte des propriétés des billes, en particulier, l’excentricité, l’adhésion bois-écorce et les caractéristiques des nœuds.

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Abstract

The main goal of this research was to improve ring debarking of logs from two lumber-producing species in Quebec: black spruce and balsam fir. Firstly, a one-arm laboratory-scale debarking prototype was built in order to analyze the effects of operational parameters on ring debarking process and performance. The prototype allows to set the radial force, rake angle, and cutting and feed speeds. Secondly, the effect of the radial force applied by a ring debarker tip to frozen black spruce and balsam fir logs, obtained at three positions in the stem, was studied. Debarking quality was evaluated by two criteria: the proportion of bark remaining on log surfaces (BRL) and the amount of wood in bark residues (WIB). The proportion of BRL increased while the amount of WIB decreased as radial force decreased. However, log position in the stem did not affect any of debarking quality indicators. Finally, the effects of the radial force and the rake angle to frozen and unfrozen black spruce logs were studied. Log temperature significantly affected the ring debarking process and performance. In addition, the impact of the radial force on both debarking quality indicators was confirmed for frozen and unfrozen logs. On the contrary, the rake angle did not affect any of debarking quality indicators for unfrozen logs. An increase of the rake angle brought a slight decrease in the proportion of BRL for frozen logs without negatively affect loss of fibers. The effects of these operational parameters on debarking quality were studied taking into account log characteristics. Regressions equations were established in order to predict debarking quality indicators. The statistical model showed that radial force, bark/wood shear strength, and knot surface were significant predictors of BRL. On the other hand, radial force, bark/wood shear strength, and log eccentricity were significant predictors of WIB. Therefore, ring debarking could be improved by applying an appropriate radial force, choosing an optimal rake angle, and taking into account the log eccentricity, bark/wood shear strength, and knot features.

(5)

Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des figures ... viii

Liste des tableaux ... xi

Liste des abréviations ... xiii

Remerciements ... xv

Avant-propos ... xvii

Introduction ... 1

Chapitre 1 Revue de littérature ... 4

1.1 L’écorçage ... 4

1.1.1 Pourquoi faut-il bien écorcer les billes ? ... 4

1.1.2 Relation entre le xylème et le phloème ... 5

1.1.3 Écorce interne ... 6

1.1.4 Écorce externe ... 6

1.1.5 Les propriétés de l’écorce... 7

1.1.6 Effet de l’écorce sur la fabrication de pâte à papier ... 8

1.1.7 Évolution de l'écorçage au Québec ... 8

1.2 Types d’écorceuse ... 10

1.2.1 Écorceuse à tambour ... 10

1.2.2 Écorceuse à fraises ... 11

1.2.3 Écorçage par jets d'eau ... 12

1.2.4 Écorçage enzymatique ... 13

1.2.5 Écorceuse à anneau ... 14

1.3 Principaux défauts d’écorçage et l’entretien de l’écorceuse ... 19

1.4 Facteurs qui interfèrent dans l’opération d’écorçage ... 20

1.4.1 Forme de la bille ... 20

1.4.2 Adhésion bois-écorce ... 21

1.4.3 La saison d’abattage ... 23

1.4.4 Le temps d’entreposage des billes ... 25

(6)

1.4.6 La force radiale d’écorçage ... 29

1.4.7 Traitements de ramollissement de l'écorce ... 30

1.5 Optimisation du procédé d’écorçage ... 30

1.5.1 Critères d’évaluation de la qualité d’écorçage ... 31

1.5.2 Travaux antérieurs sur l’optimisation de l’écorçage ... 31

1.6 Objectifs et hypothèses de recherche ... 33

1.6.1 Objectif général ... 33

1.6.2 Objectifs spécifiques ... 33

1.6.3 Hypothèses de recherche ... 34

Chapitre 2 Matériels et méthodes ... 35

2.1 Développement du prototype de machine d’écorçage au niveau laboratoire ... 35

2.2 Matériel et plan d’expérience ... 36

2.2.1 Volet 2 : Échantillonnage à la forêt Montmorency ... 36

2.2.2 Volet 3 : Échantillonnage dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue ... 37

2.3 Les indicateurs de la qualité d’écorçage... 38

2.3.1 Mesure de la proportion de la surface d’écorce restante sur la bille ... 38

2.3.2 Mesure de la proportion des fibres de bois dans les résidus d’écorce ... 39

2.4 Mesure de l’adhésion bois-écorce, des teneurs en humidité et des masses volumiques basales de l’aubier et des écorces interne et externe ... 41

2.4.1 Préparation des carottes pour les essais d’adhésion bois-écorce ... 41

2.4.2 Essai d’adhésion bois-écorce... 41

2.4.3 Mesure des teneurs en humidité et des masses volumiques basales de l’aubier et des écorces interne et externe ... 42

2.5 Analyse statistique... 43

Chapitre 3 Effects of radial force and log position on the stem on ring debarker efficiency in frozen black spruce logs ... 45

3.1 Résumé ... 45

3.2 Abstract ... 45

3.3 Introduction ... 46

3.4 Materials and Methods ... 48

3.4.1 Testing material ... 48

3.4.2 Bark/wood shear strength, basic density, and moisture content measurements ... 49

3.4.3 Debarking experiments ... 50

(7)

3.4.5 Statistical analysis ... 54

3.5 Results and discussion ... 54

3.5.1 Bark/wood shear strength ... 54

3.5.2 Effects of radial force and log position on the stem on debarking quality ... 55

3.5.3 Multiple linear regressions of debarking quality indicators ... 59

3.6 Conclusions ... 64

Chapitre 4 Ring debarking efficiency of frozen balsam fir logs is affected by the radial force but not by the log position on the stem... 65

4.1 Résumé ... 65

4.2 Abstract ... 65

4.4 Material and methods ... 69

4.4.4 Debarking quality indicators ... 73

4.5 Results and discussion ... 75

4.5.2 Effect of radial force and log position on the stem on debarking quality ... 76

4.5.3 Multiple linear regression of debarking quality indicators ... 81

Chapitre 5 Influence of radial force and rake angle on ring debarking efficiency of frozen and unfrozen black spruce logs ... 87

5.1 Résumé ... 87

5.2 Abstract ... 88

5.4 Materials and methods ... 91

5.4.4 Debarking quality indicators ... 93

(8)

5.5.2 Effect of the log temperature on bark chip formation during debarking ... 97

5.5.3 Effects of radial force, rake angle, and covariates on debarking quality ... 98

5.5.4 Multiple linear regression of debarking quality indicators ... 104

Conclusion... 111

Recommandations ... 114

Bibliographie ... 116

Annexe A Figures illustrant les effets des co-variables sur les indicateurs de qualité d’écorçage indépendamment de la force radiale appliquée pour les billes gelées d’épinette noire ... 123

Annexe B Figures illustrant les effets des co-variables sur les indicateurs de qualité d’écorçage indépendamment de la force radiale appliquée pour les billes gelées de sapin baumier ... 126

Annexe C Figures illustrant les effets des co-variables sur les indicateurs de qualité d’écorçage pour chaque niveau de force radiale appliquée pour les billes gelées d’épinette noire ... 129

(9)

Liste des figures

Figure 1.1 Ancêtre de l’écorceuse à anneau (tiré de Stephenson 1950). ... 9

Figure 1.2 Écorceuse à tambour (tiré de http://www.eucalyptus.com.br/icep02/antti jalonen.pdf). ... 10

Figure 1.3 Écorceuse à fraises (Dalois 1990). ... 12

Figure 1.4 Influence du temps de traitement et de la concentration de Pectinex Ultra SPL sur l’énergie nécessaire pour l’écorçage (Rättö et al. 1993). ... 13

Figure 1.5 Stabilité de la Pectinex Ultra SPL dans les bassins d’eau à 20°C (Rättö et al. 1993). ... 14

Figure 1.6 Principe de l’écorçage à anneau (adapté de Koch 1985). ... 15

Figure 1.7 Schéma représentatif des différentes sections d’une écorceuse à anneau (adapté de Laganière 2002). ... 16

Figure 1.8 Écorceuse à anneau avec rouleaux d’alimentation en triangle (a) rouleaux d’alimentation superposés (b) et écorceuse à anneau avec entrainement des billes par chenille crantée (c) (Lamoureux 2003). ... 17

Figure 1.9 Composantes d’une pastille fixée sur le bras de l’outil (Laganière 2003). ... 17

Figure 1.10 Angles principaux d’écorçage (adapté de Calvert et al. 1975). ... 18

Figure 1.11 Les facteurs de forme affectant l’écorçage (adapté de Berlyn 2000). ... 21

Figure 1.12 Effet de la température sur l’adhésion bois-écorce pour le sapin baumier (a) et l’épinette noire (b) (adapté de Laganière et Bédard 2009). ... 23

Figure 1.13 Coupe transversale montrant l’interface bois-phloème-cambium pour la période de dormance (a) et la période de croissance (b) pour le chêne sessile (adapté de Vilkovský et al. 2016). ... 24

Figure 1.14 Courbe de variation du degré d’adhésion bois-écorce en fonction de la saison d’abattage pour l’épinette rouge et l’érable à sucre (Wilcox et al. 1954). ... 24

Figure 1.15 Courbe de variation du degré d’adhésion bois-écorce mesuré à partir de la fin avril en Suède (adapté de Duchesne et Nylinder 1996)... 26

Figure 1.16 Courbe de variation du degré d’adhésion bois-écorce en fonction de la teneur en humidité moyenne de l’aubier (adapté de Duchesne et Nylinder 1996)... 27

Figure 1.17 Affûtage d’une pastille avec une meule (Laganière 2003). ... 28

Figure 2.1 Conception du prototype de machine d’écorçage au niveau laboratoire. ... 36

Figure 2.2 Position des billes dans la tige. ... 37

Figure 2.3 Images déroulées des billes scannées et traitées par le programme développé. 39 Figure 2.4 Les résidus d’écorce d’une bille gelée (a) et non gelée (b) d’épinette noire. ... 40

Figure 2.5 Dimensions de la carotte pour les essais d’adhésion (a) séparation de la carotte en aubier, écorce interne et écorce externe (b). ... 42

(10)

Figure 3.1 Schema showing the distribution and dimensions of samples used for bark/wood

shear strength measurements. ... 50

Figure 3.2 Schema showing the rake angle (α), the sharpening angle (β), and the clearance

angle (γ) of the tool tip installed in the debarker knife arm. ... 51

Figure 3.3 Design of the laboratory-scale debarking prototype ... 52 Figure 3.4 Images showing the developed method to measure the proportion of bark

remaining on log surfaces and the proportion of knot surface for a black spruce log... 53

Figure 3.5 Effect of radial force on the amount of bark on surfaces of black spruce logs

debarked at -19°C (bars are the standard errors). ... 56

Figure 3.6 Effect of radial force on the amount of wood in bark residues for black spruce

logs debarked at -19°C (bars are the standard errors). ... 58

Figure 3.7 Selection of the optimal radial force for debarking black spruce at -19°C taking

into account the two indicators of quality. ... 59

Figure 3.8 Effect of bark/wood shear strength on the amount of bark on log surfaces for

each radial force... 61

Figure 3.9 Effect of the proportion of knot surface on the amount of bark on log surfaces

for each radial force. ... 61

Figure 3.10 Effect of log eccentricity on the amount of wood in bark residues for each

radial force. ... 63

Figure 3.11 Effect of bark/wood shear strength on the amount of wood in bark residues for

Figure 4.2 Schema showing the rake angle (α), the sharpening angle (β), and the clearance

angle (γ) of the tool tip installed in the debarker knife arm. ... 71

Figure 4.3 Design of debarking laboratory prototype. ... 72 Figure 4.4 Images showing the developed method to measure the proportions of remaining

bark and knots on log surfaces for a balsam fir log. ... 74

Figure 4.5 Effect of radial force on the amount of bark on surfaces of balsam fir logs

debarked at -19°C (bars are the standard errors). ... 78

Figure 4.6 Effect of radial force on the amount of wood in bark residues for balsam fir logs

debarked at -19°C (bars are standard errors). ... 80

Figure 4.7 Selection of the optimal radial force for debarking balsam fir at -19°C taking

into account the two indicators of quality. ... 81

Figure 4.8 Effect of bark/wood shear strength on the amount of bark on log surfaces for

Figure 4.9 Effect of the proportion of knot surfaces on the amount of bark on log surfaces

for each radial force. ... 84

Figure 4.10 Effect of bark/wood shear strength on the amount of wood in bark residues for

(11)

Figure 4.11 Effect of log eccentricity on the amount of wood in bark residues for balsam

fir. ... 86

Figure 5.2 Design of debarking laboratory prototype. ... 94 Figure 5.3 Debarking action for frozen (a) and unfrozen (b) black spruce logs and the

corresponding bark residues obtained ((c) for frozen and (d) for unfrozen logs). ... 97

Figure 5.4 Effect of radial force on the amount of bark remaining on log surfaces of black

spruce at -20°C (a) and +20°C (b). ... 102

Figure 5.5 Effect of radial force on the amount of wood in bark residues of black spruce at

-20°C (a) and +20°C (b). ... 103

Figure 5.6 Selection of the optimal radial force for debarking frozen black spruce logs

taking into account the two indicators of quality. ... 103

Figure 5.7 Effect of rake angle on the amount of bark remaining on log surfaces for black

spruce at -20°C (3 curves at the top) and +20°C (3 curves at the bottom). ... 105

Figure 5.8 Effect of rake angle on the amount of wood in bark residues for black spruce at

(12)

Liste des tableaux

Tableau 1.1 Masse volumique (Mv) basale de l’aubier et de l’écorce interne et externe du

sapin baumier et de l’épinette noire (selon Ugulino et al. 2020). ... 8

Tableau 1.2 Vitesse d'amenage, vitesse de rotation et puissance requise en fonction du

diamètre (d'après Koch 1985). ... 19

Tableau 1.3 Défauts reliés à l'écorçage et solutions suggérées (d'après Laganière 2003). . 19 Tableau 1.4 Propriétés du bois et de l’écorce pour quelques espèces de feuillus

nord-américaines à l’état vert (adapté de Einspahr et al. 1984). ... 22

Tableau 1.5 Effet de la saison d’abattage sur le degré d’adhésion bois-écorce en direction

longitudinale de quelques espèces de la région des Grands Lacs (adapté de Einspahr et Harder 1983). ... 25

Tableau 1.6 Réglages recommandés pour obtenir la qualité d’écorçage optimale (adapté de

Calvert et al. 1975). ... 32

Tableau 1.7 Variations de la proportion de fibre de bois dans l’écorce et de la proportion

d’écorce restante sur la bille en fonction de la force radiale et du chevauchement des outils (adapté de Laganière et Hernández 2005). ... 33

Table 3.1 Black spruce log characteristics. ... 49 Table 3.2 Bark/wood shear strength at -20°C, basic density of sapwood, inner and outer

bark of black spruce. ... 55

Table 3.3 F-values obtained from the ANOVAs of the effects of bark/wood shear strength,

eccentricity, proportion of knot surface, radial force and, log position in the stem on the amounts of bark remaining on log surfaces (BRL) and wood in bark residues (WIB) for black spruce. ... 55

Table 3.4 Amount of bark on log surfaces (BRL) for each radial force, bark/wood shear

strength, proportion of knot surfaces and taper for black spruce debarked at -19°C. ... 57

Table 3.5 Amount of wood in bark residues (WIB) for each radial force, bark/wood shear

strength, and eccentricity for black spruce logs debarked at -19°C. ... 57

Table 4.1 Balsam fir log characteristics. ... 69 Table 4.2 Bark/wood shear strength at -20°C, basic density of sapwood, inner and outer

bark of balsam fir. ... 75

Table 4.3 F-values obtained from the ANOVAs of the effects of bark/wood shear strength,

eccentricity, proportion of knot surface, radial force and log position in the stem on the amounts of bark remaining on log surfaces (BRL) and wood in bark residues (WIB) for balsam fir. ... 76

Table 4.4 Amount of bark on log surfaces (BRL) for each radial force, bark/wood shear

strength, proportion of knot surfaces and taper for balsam fir debarked at -19°C. ... 77

Table 4.5 Amount of wood in bark residues (WIB) for each radial force, bark/wood shear

strength and eccentricity for balsam fir logs debarked at -19°C. ... 79

(13)

Table 5.2 Bark/wood shear strength at -20°C and +20°C, basic densities of sapwood, inner

and outer barks of black spruce. ... 96

Table 5.3 F-values obtained from the ANOVAs of the effects of radial force, rake angle,

and covariates on the amounts of bark on log surfaces (BRL) and wood in bark residues (WIB) of each temperature (-20 and +20°C) for black spruce. ... 99

Table 5.4 Amounts of bark remaining on log surfaces (BRL) and wood in bark residues

(WIB) for each radial force at two log temperature conditions. ... 101

Table 5.5 Amounts of bark remained on frozen logs (BRL) for each rake angle... 104 Table 5.6 Regression models of BRL for frozen (-20 °C) and unfrozen (+20 °C) black

spruce logs. ... 107

Table 5.7 Regression models of WIB for frozen (-20 °C) and unfrozen (+20 °C) black

(14)

Liste des abréviations

BRL bark remaining on log surfaces WIB wood fibers in bark residues

RF radial force

BWSS bark/wood shear strength EXC log eccentricity

KS knot surface

(15)

Nous trouverons un chemin... Ou nous en créerons un.

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Remerciements

C'est avec une profonde fierté et un immense plaisir que je réserve cette section en signe de gratitude et de reconnaissance à tous ceux et celles qui m'ont aidé à mener à bien cette thèse. Je désire tout d'abord exprimer ma sincère gratitude à mon directeur de recherche Professeur Roger Hernández pour avoir accepté de me diriger patiemment tout au long de ce parcours, pour son soutien continu durant mes études, pour ses encouragements incessants et sa confiance. Je lui suis infiniment reconnaissant de la bienveillance dont il a fait preuve à mon égard à l’échelle humaine et professionnelle.

Je tiens également à remercier mon codirecteur, le Professeur Carl Blais pour les conseils éclairés, les suggestions et les commentaires constructifs qui m’ont permis d'améliorer les différents aspects de ce projet. Je désire exprimer aussi mes vifs remerciements à la Dre Claudia Cáceres pour sa disponibilité, pour l'aide incessante durant l’analyse de mes résultats, pour ses commentaires pertinents et pour ses efforts pour maintenir de bonnes relations au sein du groupe d’usinage. Mes sincères remerciements vont également aux membres de jury qui ont accepté de considérer ce travail de recherche.

J’adresse également mes remerciements à notre partenaire industriel DK-Spec pour la disponibilité et le support technique du personnel qui nous a accompagné dans le développement du prototype d’écorçage et pour les échanges fructueux durant les réunions de discussion du projet.

Je suis également reconnaissant au personnel du Centre de Recherche sur les Matériaux Renouvelables (CRMR) de l’Université Laval, pour l’accueil chaleureux et la gentillesse du secrétariat, l'apport inestimable de tous les techniciens et les stagiaires et la bonne ambiance de travail assurée par mes amis de bureau et mes amis du groupe d’usinage. Je garde de cette expérience partagée avec vous de très beaux souvenirs.

Mes pensées vont finalement à l'ensemble de mes proches. Mes parents et mon petit frère Mahdi, avec votre amour, votre confiance et votre soutien, vous m'avez aidé à surmonter bien des obstacles. Sans vous, je n’aurais pas pu accomplir ce grand défi. Je souhaite remercier également mes grands-parents qui étaient toujours présents malgré la distance. Ma grande reconnaissance s'adresse enfin à ma tendre moitié. Milles merci Imen, pour tes

(17)

encouragements, ta patience, ton aide et ton écoute tout au long de cette aventure. Notre mission sera réussie le jour de ta défense de thèse. Je termine avec Lina, mon petit cœur, ma fille, ma fierté, ma source de motivation qui est venue illuminer notre vie. C’est à elle également que je dédie ce travail.

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Avant-propos

Cette thèse a été réalisée au sein du centre de recherche sur les matériaux renouvelables (CRMR) de l’Université Laval. Le projet a été fait dans le cadre d’une subvention de recherche et développement coopérative du CRSNG portant sur l’optimisation des procédés de transformation des machines-outils pour le bois sous le thème de recherche « Optimiser les paramètres de coupe des écorceuses à anneau ». Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme de doctorat en sciences du bois et des matériaux biosourcés et les résultats obtenus sont présentés sous la forme d’une thèse de publications. Trois articles font ainsi partie intégrante de cette thèse dont leurs titres sont les suivants :

Chapitre 3: Kharrat, W., Hernández, R.E., Cáceres, C.B., and Blais, C. 2020. Effects of radial force and log position on the stem on ring debarker efficiency in frozen black spruce logs.

Wood Material Science and Engineering, (https://doi.org/10.1080/17480272.2020.1801837).

Chapitre 4: Kharrat, W., Hernández, R.E., Cáceres, C.B., and Blais, C. 2020. Ring debarking efficiency of frozen balsam fir logs is affected by the radial force but not by the log position

on the stem. Canadian Journal of Forest Research,

(https://www.nrcresearchpress.com/doi/pdf/10.1139/cjfr-2020-0116).

Chapitre 5: Kharrat, W., Hernández, R.E., Cáceres, C.B., and Blais, C. 2020. Influence of radial force and rake angle on ring debarker efficiency with frozen and unfrozen black spruce logs. (Article accepté, European Journal of Wood and Wood Products).

Les résultats de cette étude ont également été présentés sous forme de présentation orale lors du congrès suivant: 24th International Wood Machining Seminar, tenu à Corvallis, Oregon, USA, du 25 au 30 août 2019. Inclus la rédaction d’un article pour les Actes: Effect of radial force on ring debarker efficiency with frozen logs. (Chapitres 3 et 4).

En tant que candidat au doctorat et premier auteur de ces articles, j’ai effectué la planification du travail, la préparation des échantillons, les essais de laboratoire, l’analyse statistique des données ainsi que la rédaction des publications. Le directeur de ma thèse, le professeur Roger Hernández, en tant que coauteur des articles, fut responsable de m’encadrer et de me conseiller pendant tout mon cheminement. De plus, il a fait la révision et les corrections des

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articles. Mme. Claudia Cáceres, professionnelle de recherche au CRMR et M. Carl Blais, professeur titulaire à l’Université Laval en tant que deuxième et troisième coauteurs des articles, ont collaboré également à la révision des manuscrits.

Ce projet de recherche a été financé par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et la compagnie québécoise DK-Spec spécialisée dans la fabrication de rotors des écorceuses à anneau.

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Introduction

L’écorçage est le premier procédé d’usinage que subit la bille dans une usine de bois de sciage. L’objectif de cette opération est d’enlever l’écorce des billes sans toucher aux fibres du xylème. Ce procédé permet également d’enlever les bouts de branches laissés sur les tiges en forêt ainsi que les saletés présentes dans l’écorce, afin d’améliorer l’efficacité des lecteurs optiques et de prolonger la vie utile des outils de coupe et des convoyeurs dans les usines de sciage. Un écorçage efficace contribue ainsi à mieux contrôler le classement des billes par diamètre et forme, ce qui permet d’optimiser les patrons de débitage des centres machines. L’écorçage vise donc à maximiser le rendement en sciages et à minimiser le contenu d’écorce dans les copeaux pour parvenir à respecter les normes des usines de pâte et papier. En effet, la présence d’écorce diminue la qualité du papier et augmente la consommation de produits chimiques lors de la mise en pâte. Une présence accrue d'écorce dans les copeaux diminue également la qualité des panneaux de particules fabriqués à partir des résidus de sciage. Au Québec, l’écorçage des résineux se fait avec des écorceuses à anneau, lesquelles visent à enlever l’écorce de la bille dans la région cambiale par une action de cisaillement perpendiculaire aux fibres. Cette machine est composée d’un rotor ou anneau auquel sont installés des bras munis de couteaux qui tournent autour de la bille en lui appliquant une force radiale et tangentielle. L’écorce est alors enlevée à mesure que la bille traverse l’anneau de l’écorceuse.

L’efficacité du procédé d’écorçage dépend à la fois des propriétés des billes de bois, des paramètres de la machine et de la stratégie adoptée par les scieries. L’espèce, le défilement, l’excentricité et les propriétés des nœuds figurent parmi les paramètres qui peuvent affecter la qualité de l’écorçage. L’utilisation des capteurs et des scanners à l’entrée des chaines de production permet de déterminer ces paramètres. Par contre, ces données ne sont présentement pas utilisées pour ajuster les paramètres de l’écorceuse afin d’améliorer la qualité d’écorçage. D’autre part, au niveau de l’écorceuse, la force radiale appliquée par les couteaux et l’angle d’attaque figurent parmi les paramètres les plus importants affectant la performance de ce type de machine. L’effet de ces deux paramètres devient encore plus important lorsque la température des billes descend en dessous de 0°C. À ce niveau, la stratégie adoptée par les scieries joue un rôle primordial. En effet, l’écorçage devient de plus

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en plus compliqué à cause de l’augmentation du degré d’adhésion bois-écorce reliée principalement à la température et l’humidité des billes. En pratique, les scieries vont souvent sacrifier un volume de bois lors de l’écorçage en appliquant une force radiale trop élevée afin d’éviter des pénalités lors de la vente des copeaux. Cette stratégie permet d’éviter les problèmes liés à la qualité des copeaux mais représente des pertes économiques importantes au niveau du volume de bois de sciage. Les scieries ont très peu de contrôle sur l’angle d’attaque. Les choix de ce paramètre sont généralement liés à la température (bois gelé et bois non gelé) et sont prédéterminés par les fabricants des rotors. Il est donc important d’étudier davantage les principes fondamentaux de coupe de ce type d’écorceuse, en particulier l’effet de la force radiale d’écorçage et l’angle d’attaque des couteaux.

L’objectif général du présent travail était donc d’évaluer les effets de la force radiale, de l’angle d’attaque et de la position de la bille dans la tige sur la qualité d’écorçage des billes gelées et non gelées de deux principales espèces utilisées pour la fabrication de bois d’œuvre au Québec, soit l’épinette noire et le sapin baumier. Le projet a été divisé en trois volets principaux. Le premier volet s’est consacré à la conception et la réalisation d’un banc d’essai de laboratoire pour reproduire l’action de coupe de l’écorçage à anneau. Ce prototype a permis de faire varier la force radiale, l’angle d’attaque, la vitesse d’avance et la vitesse de rotation. Le banc d’essai a été automatisé tout en respectant les normes de sécurité du laboratoire et a été équipé d’un système d’acquisition de données pour enregistrer les valeurs de la force radiale et la vitesse de rotation durant l’écorçage. Le deuxième volet s’est consacré à l’étude des effets de la force radiale et la position de la bille dans la tige sur la qualité d’écorçage des billes gelées d’épinette noire et de sapin baumier. Pour cela, des billes des deux espèces à trois positions dans la tige (bas, milieu et haut) ont été obtenues de la forêt Montmorency. Le troisième volet de cette thèse a eu comme but d’évaluer les effets de la force radiale et l’angle d’attaque sur la qualité d’écorçage des billes gelées et non gelées d’épinette noire provenant de la région de l’Abitibi-Témiscamingue. Les mesures de l’adhésion bois-écorce et des propriétés liées à la forme de la bille ont permis d’établir des équations de régressions pour prédire la force radiale optimale d’écorçage pour chaque espèce.

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Sur le plan pratique, les résultats permettront d’ajuster la force radiale appliquée sur les billes et l’angle d’attaque des couteaux afin d’améliorer la qualité de l’écorçage en tenant compte des deux indicateurs de qualité d’écorçage, soit la proportion de surface d’écorce restante sur la bille et la quantité de fibres de bois dans les résidus d’écorce.

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Chapitre 1 Revue de littérature

1.1 L’écorçage

1.1.1 Pourquoi faut-il bien écorcer les billes ?

L’écorçage, comme premier procédé d’usinage des billes dans une scierie, sert à enlever l’écorce ainsi que les bouts de branches et les saletés. Une fois écorcées, les billes sont sciées par une scie à ruban ou une équarrisseuse-fragmenteuse pour obtenir du bois d’œuvre. Les parties rondes des billes où il n’est plus possible de tirer des sciages c’est-à-dire les dosses, sont transformées en copeaux, lesquels sont destinés aux usines de pâtes et papiers. Si l’écorçage n’arrive pas à enlever toute l’écorce sur la bille, celle-ci va se retrouver sur les copeaux produits. Les scieries doivent éviter cette situation car le prix de vente des copeaux est assujetti à des pénalités en fonction du volume d’écorce présent dans les copeaux. De ce fait, la qualité d’écorçage doit être évaluée en tenant compte de la proportion de la surface d’écorce restante sur la bille. Par ailleurs, l’écorçage peut arracher des fibres de bois provenant de l’aubier. Si les conditions d’usinage sont trop sévères, il pourrait même réduire le diamètre des billes, ce qui affectera négativement le rendement en volume et en valeur des sciages. La qualité d’écorçage doit donc aussi être évaluée en fonction du volume de fibres dans les résidus d’écorçage.

Un écorçage optimal permet également de valoriser les deux produits séparément, soit le bois et l’écorce. En effet, la performance des scanners et des systèmes d’optimisation dans les scieries est supérieure avec des billes bien écorcées favorisant une transformation plus efficace de la matière première. La performance de la conversion de la biomasse en biocarburants augmente également avec l’utilisation d’une biomasse ligneuse homogène (Nurmi et Lehtimäki 2011). De plus, l’écorce séparée peut être valorisée comme source de fibres, de colorants, de résines, de matériaux en latex, d’antibiotiques et comme un constituant pour plusieurs produits pharmaceutiques (Harkin et Rowe 1971, Shara et Stohs 2015). L’ajout de faibles proportions d’écorce dans la matière première utilisée pour la fabrication des panneaux de particules peut changer leur apparence sans réduire leurs propriétés physiques (Aaron 1973). Les panneaux de particules d’épinette noire ayant une teneur maximale en écorce de 30% conviennent à la fabrication des meubles (Muszynski et McNatt 1984). L’écorce de sapin baumier peut aussi être utilisée comme adhésif pour le

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contreplaqué et les panneaux de particules (Clermont et Manery 1978). En outre, la technologie de pyrolyse sous vide a été mise au point pour convertir l’écorce en produits utiles (Legault 1999). Cette technologie thermomécanique suppose le décollement rapide des structures complexes de matières ligno-cellulosiques en liquides organiques précieux sous la forme d’huiles phénoliques et de charbon de bois. L’huile phénolique peut être exploité comme résine pour les composites à base de bois ou encore comme gaz pour la production d’énergie électrique (Zhang et Koubaa 2009). Par exemple, dans une exploitation normale, les résidus d’écorce d’épinette noire produisent 31% d’huile, 43% de charbon et 17% d’eau pyrolytique (Pakdel et al. 1994). Le baume du Canada, ou gomme du sapin, présente dans les cloques d’écorce de sapin baumier, sert de ciment pour diverses parties de systèmes optiques grâce à un indice de réfraction qui entraine une dispersion minimale de lumière (Sonderman 1970, Frank 1990). Le baume du Canada est aussi fortement utilisé à des fins médicales (Isenberg et al. 1980). Ainsi, l’écorçage peut contribuer à augmenter la valeur du matériau bois et à valoriser l’écorce comme source de produits à valeur ajoutée.

1.1.2 Relation entre le xylème et le phloème

Le bois (xylème) se trouve sous une enveloppe d’écorce formée d’une couche interne (phloème) et d’une couche externe protectrice (écorce externe) (Shmulsky et Jones 2011). La croissance de l'arbre résulte de la division de cellules cambiales qui forment de nouvelles couches dans le xylème et le phloème. Deux méristèmes sont responsables de ces divisions cambiales: le procambium et le cambium. Il s’agit de deux couches minces génératrices de tissu. Le premier est un méristème apical qui produit les tissus primaires responsable de la croissance en longueur de l’arbre alors que le second, un méristème secondaire responsable de la croissance en diamètre de l’arbre (ou latéral), produit année après année environ de deux à quinze fois plus de cellules secondaires de xylème que de phloème (Koslowski et Pallardy 1997). La proportion d'écorce dans le tronc diminue en allant vers la cime de l’arbre. Cela est relié à la faible épaisseur de l'écorce au sommet de l’arbre et au ralentissement graduel de l'activité méristématique à mesure qu'on atteint la cime de l'arbre. Les tissus étant jeunes, les divisions cellulaires sont moins importantes et sont davantage responsables de l'accroissement en hauteur de l'arbre plutôt que de son diamètre. Par ailleurs, il est reconnu qu'en général la proportion d'écorce dans une bille diminue à mesure que son diamètre augmente (Hale 1955). Cela s'explique par la présence des canaux à sève et des cellules

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compagnes dans le phloème. Ces éléments non lignifiés et qui ne sont fonctionnels qu'une seule année, se font littéralement écraser contre la partie morte du phloème lors de la régénération de nouvelles couches de cellules. Cette compression du phloème augmente le rapport xylème-phloème et fait donc réduire progressivement la proportion d'écorce d'un arbre à mesure que son diamètre augmente (Hale 1955).

1.1.3 Écorce interne

Le phloème des feuillus et des résineux est très mince, variant entre 0,5 et 15 mm. C’est au niveau de cette couche de tissus ou plus précisément dans la couche la plus récente (son épaisseur de 0,2 à 0,3 mm) que s’effectue la circulation descendante de la sève (Esau 1965). Tout comme le bois, l’anatomie de l’écorce interne varie entre les résineux et les feuillus. Le phloème des résineux contient des cellules de parenchyme longitudinal et de rayon mais ne comporte pas de trachéides longitudinales. Ces cellules sont remplacées par des cellules criblées, des fibres et des sclérites. Les cellules criblées, semblables aux trachéides longitudinales, assurent l’acheminement de la sève mais ne remplissent pratiquement pas de fonction structurale. Les fibres, qui sont dans une proportion d’environ 10% du volume de l’écorce, ressemblent aux trachéides du bois final du xylème. Les sclérites sont des cellules souvent fortement lignifiées, à paroi épaisse et de forme souvent irrégulière. De son côté, le phloème des feuillus contient des cellules de parenchyme longitudinales et de rayon, des fibres ainsi que des éléments de tube criblé. Ces derniers sont comparables aux éléments de vaisseaux de xylème de feuillus. Il s’agit de cellules conductrices disposées bout à bout. Le phloème des feuillus se distingue par la présence d’un élément parenchymateux longitudinal appelé cellule compagne. Ce type de cellule contribue à réguler les fonctions des éléments de tube criblé (Shmulsky et Jones 2011).

1.1.4 Écorce externe

Une jeune tige est recouverte d’une couche de phloème primaire et de phloème secondaire (écorce interne). Cette couche est à son tour recouverte d’un mince épiderme qui est détruit lors de la croissance de l’arbre permettant la formation d’une assise de cellules méristématiques appelé phellogène. Comme dans le cas du cambium, le phellogène se subdivise pour produire des tissus vers l’extérieur et vers l’intérieur. Il en résulte la formation d’une nouvelle couche protectrice appelée périderme. Cette couche permet à la fois de

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minimiser les pertes d’humidité par le tronc et absorber les chocs extérieurs. Le périderme est généralement actif pendant quelques années. La formation d’un nouveau périderme coupe le contact entre les rayons et le périderme plus ancien causant la mort du tissu. L’écorce externe est la couche de tissus se trouvant à l’extérieur du périderme le plus récent. Il se compose des vieilles couches de périderme et de tissus de phloème écrasés (Shmulsky et Jones 2011).

1.1.5 Les propriétés de l’écorce

Au niveau de la composition chimique, l’écorce affiche une teneur en lignine beaucoup plus élevée que celle du bois, une teneur en cellulose plus faible ainsi qu’une teneur plus élevée en cendres et en matières extractibles. L’écorce est également moins résistante mécaniquement que le bois. Par contre, elle affiche une teneur en humidité sur pied comparable à celle du bois quoique la teneur en humidité de l’écorce interne est plus importante que celle de l’écorce externe (Shmulsky et Jones 2011, Chahal et Ciolkosz 2019). Hale (1955) a étudié la variation de la masse volumique de l’écorce pour constater que cette propriété diffère non seulement entre les espèces mais encore à l’intérieur de la même espèce. La masse volumique varie aussi entre l’écorce interne, l’écorce externe et l’aubier (Fournier et Goulet 1970). Ugulino et al. (2020) ont constaté que la différence entre la masse volumique de l’aubier et de l’écorce interne est plus importante pour le sapin baumier que pour l’épinette noire (tableau 1.1).

La masse volumique basale moyenne de l’écorce de l’épinette noire varie de 300 à 460 kg/m3_,

celle de l’écorce interne entre 330 et 400 kg/m3_{, et celle de l’écorce externe entre 430 et 460}

kg/m3 (Lamb et Marden 1968, Nielson et al. 1985). Le rapport du volume d’écorce/volume

du bois à l’état vert varie entre 12 et 14% suivant le diamètre des arbres. La teneur en humidité à l’état vert de l’écorce de l’épinette noire est de 131% (Kostiuk et Plaff 1997). Le pouvoir calorifique de l’écorce est compris entre 19,2 et 21,3 MJ/kg (Singh et Kostecky 1986). Du coté propriétés chimiques, l’écorce de l’épinette noire contient 74,7% d’éléments volatiles et 22,5% de carbone fixe (Millikin 1955). La teneur en cendres est de 2% (Chang et Mitchell 1955) avec 0,8% de calcium et 0,1% de silice (Isenberg et al. 1980). Pour le sapin baumier, la masse volumique basale moyenne de l’écorce varie de 320 à 460 kg/m3, celle de l’écorce interne est en moyenne de 320 kg/m3_{, tandis que celle de l’écorce externe oscille}

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entre 420 et 460 kg/m3 _{(Lamb et Marden 1968). Le rapport du volume d’écorce/volume du}

bois à l’état vert est de 14%. La teneur en humidité à l’état vert de l’écorce du sapin baumier est de 161% (Kostiuk et Plaff 1997) avec un pouvoir calorifique compris entre 20,4 et 21,7 MJ/kg (Singh et Kostecky 1986). L’écorce du sapin baumier comporte 19% de lignine, 30% d’extractibles, une teneur en cendres de 2,3%, avec 0,6 à 1,2% de calcium, 0,1% de silice, 0,3% d’azote et entre 0,3 et 0,5% de potassium (Young 1971, Isenberg et al. 1980).

Tableau 1.1 Masse volumique (Mv) basale de l’aubier et de l’écorce interne et externe du

sapin baumier et de l’épinette noire (selon Ugulino et al. 2020).

Espèce Mv basale de l’aubier (kg/m3₎ Mv basale écorce interne (kg/m3) Mv basale écorce externe (kg/m3) Sapin baumier 316 454 482 Épinette noire 405 458 472

1.1.6 Effet de l’écorce sur la fabrication de pâte à papier

Plusieurs auteurs ont étudié l’effet de la présence d’écorce sur les procédés de pâtes et papiers (Parham 1983, Bergman 1985). Ils soulignent que l’écorce contient peu de fibres, un taux assez élevé de matières extractibles ainsi que quelques éléments inorganiques et des corps étrangers. Ces éléments ont des impacts négatifs sur les procédés mécaniques et chimiques de mise en pâte car ils détériorent les raffineurs et diminuent la qualité du papier (Parham 1983, Bergman 1985). Ils augmentent également la consommation de produits chimiques et réduisent la blancheur du papier ainsi que le drainage de la machine à papier (Parham 1983). Par exemple, les imprimeries de magazines sont de plus en plus restrictives quant à la quantité de sclérites contenus dans le papier. Les sclérites forment des agrégats qui empêchent l’encre de pénétrer, causant ainsi des rejets de papier.

1.1.7 Évolution de l'écorçage au Québec

Les opérations d’écorçage ont débuté au Québec dans les usines de pâtes et papiers vers les années 50. Ne possédant aucun moyen pour écorcer leurs billes, les usines demandaient aux producteurs de bois d'écorcer eux-mêmes leur bois. La solution consistait alors à abattre les arbres au printemps et à les écorcer avec divers objets. Vers ces mêmes années, les premiers essais d'écorçage chimique ont été réalisés. Le procédé consistait à tuer le cambium avec de l'arsénite de sodium. On annelait l'arbre vivant à 150 mm du bas et on injectait le produit.

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L'arbre séchait et l'écorce devenait facile à enlever 3 mois après le traitement qui s'effectuait en juin et juillet. Cela permettait aux producteurs d'écorcer leurs arbres plus facilement. Le principal inconvénient était que le produit est très toxique pour les travailleurs et pour la faune. Ensuite, les premières écorceuses de type tambour sont arrivées vers les années 60. À l’époque, ce n'étaient que quelques papetières qui en possédaient. Par contre, ces usines continuaient à acheter du bois écorcé puisque la productivité de ces écorceuses était faible. À la fin des années 70, il y avait encore certaines papetières qui achetaient des billots écorcés. Entre-temps, les écorceuses à anneau et à têtes rotatives sont apparues. Les usines de sciage perdant beaucoup de matière ligneuse et surtout les usines de papier commençant à s'intéresser à l'achat de copeaux, il devenait alors nécessaire d'écorcer le bois. L'écorçage est devenu depuis une étape importante dans les usines de sciage.

En ce qui concerne les États-Unis, déjà au début des années 1900 on parlait d'écorçage pour les usines de papier. Un manuel publié en 1950 (Stephenson 1950) discutait couramment d'écorçage. L'écorceuse à tambour était alors en opération. On utilisait aussi un type d'écorceuse qui fut sans doute l'ancêtre de l'écorceuse à anneau, laquelle était munie de chaînes qui grattaient l'écorce (figure 1.1). De plus, à cette époque on parlait déjà de l’écorçage par jets d'eau dont plusieurs prototypes furent fabriqués. On constate ainsi que les besoins de l'écorçage existent depuis longtemps. Par contre, au Québec cette opération a été beaucoup plus longue à s'implanter.

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1.2 Types d’écorceuse

Plusieurs types d’écorceuses sont utilisées dans les secteurs appartenant à la première transformation du bois (industries de sciage, de placage, de panneau et de pâte et papier) dans le but d’assurer un bon écorçage en tenant compte des propriétés des différentes espèces de bois (forme et dimensions des billes, adhésion bois-écorce, bois gelé et non gelé). Le choix de la technique d’écorçage dépend principalement de l’utilisation finale du bois écorcé. Nous nous intéressons aux trois principaux types d’écorceuses utilisés en Amérique du Nord, soit l’écorceuse à tambour, l’écorceuse à fraises et l’écorceuse à anneau. Nous aborderons aussi les écorceuses à jets d'eau et l'écorçage enzymatique.

1.2.1 Écorceuse à tambour

L’écorceuse à tambour permet d’écorcer plusieurs billes en même temps. Elle est composée d’un cylindre équipé des ailettes d’acier pointues placées longitudinalement à l’intérieur. Ce cylindre peut avoir une longueur variant de 7 à 61 mètres et un diamètre de 2 à 5 mètres (O'Brien 1977). Le mouvement de rotation du cylindre provoque deux types d’impacts : soit l’impact entre les billes ou encore l’impact entre les billes et les parois du tambour. Les forces de compression et de cisaillement résultant de ces impacts permettent avec le temps d’enlever l’écorce (Hatton 1987, Berlyn 2000). La vitesse de rotation du tambour varie de 5,75 à 7,5 tr/min. Le système d'entraînement du cylindre peut être actionné par des courroies ou par des roulettes.

Figure 1.2 Écorceuse à tambour (tiré de http://www.eucalyptus.com.br/icep02/antti jalonen.pdf).

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La performance de l’écorceuse à tambour dépend non seulement des propriétés des billes (degré d’adhésion bois-écorce, teneur en humidité, forme et dimensions) mais également de plusieurs facteurs en relation avec l’écorceuse elle-même (Chahal et Ciolkosz 2019). Piggott et Thompson (1992) ont mentionné que ces facteurs englobent des paramètres de conception de la machine et des paramètres opérationnels. En effet, les paramètres de conception de la machine ne pourraient pas être modifiés y compris par exemple le diamètre et la longueur du tambour contrairement aux paramètres opérationnels qui peuvent être changés après chaque poste de travail comme le volume du bois dans le tambour ou encore le temps du cycle d’écorçage. Ces paramètres sont susceptibles de changer en fonction de l’espèce du bois, de la longueur des billes ou encore de la saison (bois gelé ou non gelé). En effet, l’espèce et la saison affectent la qualité de l’écorçage à tambour (Berlyn 1965). Piggott et Thompson (1992) ont montré qu’il fallait deux fois plus de temps dans le tambour pour écorcer des billes au mois de décembre comparativement à des billes écorcées au mois de juin.

L’écorceuse à tambour est bien adaptée pour les billes de 1,2 à 7,3 mètres de longueur. Elle requiert un seul opérateur avec un entretien relativement faible en tenant compte de la productivité. Par contre, on observe une faible qualité d’écorçage. En effet, l’écorceuse à tambour brise le bois et enlève les fibres (peut enlever de 1,2 à 2,5 mm d'épaisseur du bois). Il s’agit également d’une écorceuse très chère.

1.2.2 Écorceuse à fraises

L’écorceuse à fraise enlève l’écorce par l’action mécanique exercée par un outil (la fraise) sur la bille. En effet, l’écorce est arrachée par fragments à cause des chocs répétés subis par la bille (Lamoureux 2003). La bille et la fraise sont toujours animées de leur propre mouvement de rotation. Selon la conception de la machine, deux scénarios peuvent avoir lieu pour enlever l’écorce: soit la bille demeure fixe et la fraise se déplace en translation ou l’inverse, l’ensemble bille et support se déplace en translation et la fraise demeure fixe (figure 1.3) (Dalois 1990, Lamoureux 2003). Des fraises à outils droits ou à outils hélicoïdaux sont entrainées en rotation via un moteur électrique. Il est possible également de régler la profondeur de passe pour essayer d’enlever la totalité de l’écorce sans arracher les fibres de bois (Lamoureux 2003).

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Ce type d’écorceuse est généralement utilisée dans les scieries du bois de feuillu de faible capacité (Laganière 2002). Ce modèle peut être utilisé pour des billes malformées qui présentent des cannelures ou des nœuds ou encore pour des billes de gros diamètre comme plusieurs espèces de bois tropicaux (Dalois 1990). Les écorceuses à fraises sont de moins en moins employées dans les grandes scieries du fait que l’écorçage avec ce procédé est nettement moins rapide comparativement aux écorceuses à anneaux.

Figure 1.3 Écorceuse à fraises (Dalois 1990).

1.2.3 Écorçage par jets d'eau

L'écorçage par jets d'eau est basé sur le principe que l'écorce décolle des billots par action de l’eau appliquée à forte pression (Chahal et Ciolkosz 2019). Tel que mentionné plus tôt, ce type d'écorceuse existe depuis plusieurs années. On trouvait une première écorceuse par jets d’eau en 1948 à Washington qui était composée de deux buses oscillantes qui propulsaient de l'eau. Plus récemment, celles qu'on peut retrouver sont constituées soit d'une seule ligne de jets d'eau où la bille oscille en-dessous ou de jets d'eau qui arrivent tout autour de la bille. Krilov (1983) suggère cette méthode d'écorçage pour les billes d'eucalyptus qui présentent de l'écorce à structure fibreuse. Par contre, malgré qu'on obtienne un écorçage de bonne qualité, l'écorçage à jets d'eau s'est peu, pour ne pas dire pas, développé. Malheureusement, on ne possède pas de données sur les coûts d'un tel système d'écorçage et sur la production de celui-ci. Quant aux inconvénients de ce système, on peut penser que si celui-ci ne s'est pas

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développé, c'est sans doute à cause des coûts de production et des contraintes environnementales reliées à la gestion de l’eau qui a été utilisé pour l’écorçage. Ce type de système ne semble donc pas adéquat pour l'adapter à l'industrie québécoise du sciage.

1.2.4 Écorçage enzymatique

Ce type d'écorçage est encore en développement. On utilise des enzymes qui détruisent le cambium pour effectuer l’écorçage. Ces enzymes sont composées en majeure partie de pectine et de protéines. On utilise par exemple la Pectinex Ultra SPL (préparation commerciale) qui hydrolysera la couche de cambium. Ce type d'écorçage serait plutôt utile comme prétraitement pour diminuer l'énergie requise pour l'écorçage. Par exemple, Rättö et al. (1993) ont montré qu'on peut diminuer la demande d'énergie pour l'écorçage des billes d'épinette récoltées au mois d’octobre et novembre jusqu'à 50% en utilisant du Pectinex Ultra SPL pendant 24 heures. En diminuant la concentration de Pectinex, on obtient une diminution d'énergie de 40 à 50%. La figure 1.4 montre que l'énergie nécessaire à l'écorçage est inversement proportionnelle à la concentration de la solution et à la durée de traitement. La stabilité et la durée de vie de cette enzyme présente un des avantages de l’utilisation de cette solution. On constate qu'après 15 jours, l'enzyme conserve encore plus de 70% de son efficacité (figure 1.5).

Figure 1.4 Influence du temps de traitement et de la concentration de Pectinex Ultra SPL sur

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Un des inconvénients de ce type d'écorçage est qu'il reste dans le bois une proportion considérable de solution qui n'a pas réagi. Malgré que ce type d'écorçage soit sans doute loin d'être utilisé dans l'industrie du sciage, des études plus récentes mentionnent qu'il serait possible d'utiliser l'écorçage enzymatique comme prétraitement en ajoutant une solution de Pectinex dans des bassins de trempage (Perem 1958, Kubler 1990, Chahal et Ciolkosz 2019).

Figure 1.5 Stabilité de la Pectinex Ultra SPL dans les bassins d’eau à 20°C (Rättö et al.

1993).

1.2.5 Écorceuse à anneau

L’écorceuse à anneau permet d’enlever l’écorce par une action de cisaillement perpendiculaire aux fibres. En effet, cette machine est composée d’un rotor ou anneau auquel sont installés des bras munis de couteaux qui tournent autour de la bille en lui appliquant une force radiale et une tangentielle. L’arête des couteaux gratte la bille et l’écorce est enlevée à mesure que la bille traverse l’anneau de l’écorceuse (Koch 1985, Chahal et Ciolkosz 2019) (figure 1.6).

L’écorceuse à anneau est la plus répandue dans l'industrie du sciage au Québec. Ce type d’écorceuse permet d’obtenir un taux de production assez élevé grâce à son fonctionnement automatique. Il offre également un écorçage efficace avec un faible niveau sonore (Lajoie 2015). Ce système est bien adapté aux petits et moyens diamètres avec des billes droites et cylindriques. Par contre, il n’est pas assez efficace pour des billes qui ont une courbure prononcée ou une forme irrégulière (Dalois 1990).

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Figure 1.6 Principe de l’écorçage à anneau (adapté de Koch 1985).

1.2.5.1 Composantes principales

Le système d’écorçage à anneau comporte quatre sections principales : le dispositif d’alimentation, l’anneau ou le rotor, le dispositif de sortie et le dispositif d’évacuation de l’écorce (figure 1.7).

Le dispositif d’alimentation comporte le convoyeur d’entrée et les rouleaux d’alimentation. Le convoyeur d’entrée assure le transport des billes dans les rouleaux d’alimentation. Un système de monte-billes est généralement utilisé pour alimenter le convoyeur. Les rouleaux d’alimentation assurent ensuite l’entrainement, le positionnement et le centrage de la bille dans l’anneau (Laganière 2002). Il existe trois modèles de rouleaux d’alimentation. On distingue en premier lieu les rouleaux disposés en triangle avec un angle de 120° entre chaque deux rouleaux. Ils sont montés en porte-à-faux sur des bras oscillants à rappel automatique vers le centre de l’anneau (figure 1.8a). Le deuxième modèle de rouleaux d’alimentation est constitué au moins d’une paire de rouleaux superposés à axes horizontaux (une au-dessus de la bille et une en dessous) (figure 1.8b). Le troisième modèle assure l’entrainement des billes par chenille crantée. Un ou deux rouleaux en forme de diabolo sont fixés horizontalement (figure 1.8c). Ce système, réglable en hauteur, est déplacé par un vérin pneumatique pour assurer à la fois l’entrainement et le maintien de la bille (Lamoureux 2003).

La deuxième section, l’anneau ou le rotor, est muni des 3 à 8 bras d’écorçage, lesquels sont entrainés en rotation autour de la bille afin d’enlever l’écorce par grattage (cisaillement) à l'aide d’une pastille fixée à l’extrémité de chaque bras (figure 1.9). L’ensemble anneau et outils est guidé par roulement à billes et entrainé par une courroie reliée à la poulie du moteur électrique fixé sur le dessus de l’anneau (Laganière 2002, Lamoureux 2003). Chaque outil,

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articulé en rotation est doté d’une rampe latérale. Au moment de l’entrée de la bille dans l’anneau, l’extrémité affûtée de la pastille se déplace du centre du rotor à la périphérie de la bille afin d’arracher l’écorce (Lamoureux 2003).

Le dispositif de sortie est généralement similaire au système d’alimentation. En effet, les rouleaux de sortie assurent le maintien et le centrage de la bille afin de terminer correctement l’écorçage.

Figure 1.7 Schéma représentatif des différentes sections d’une écorceuse à anneau (adapté

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Les fragments d’écorce de dimension assez variables sont canalisés au moyen de déflecteurs dans les trémies afin d’être transférés par des convoyeurs vibrants ou des tapis roulants vers l’unité de stockage (Lamoureux 2003).

Figure 1.8 Écorceuse à anneau avec rouleaux d’alimentation en triangle (a) rouleaux

d’alimentation superposés (b) et écorceuse à anneau avec entrainement des billes par chenille crantée (c) (Lamoureux 2003).

Figure 1.9 Composantes d’une pastille fixée sur le bras de l’outil (Laganière 2003).

1.2.5.2 Angles de coupe de l’écorceuse à anneau

L’angle d’attaque (α) est mesuré entre une ligne tangente à la bille au point de contact et la face interne ou d'attaque du couteau (figure 1.10). En tenant compte de la grandeur du rotor, l’angle d’attaque varie avec le diamètre de la bille à écorcer. En effet, l'angle d'attaque diminue à mesure que le diamètre de la bille augmente. L’angle d’affûtage (β), appelé encore

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angle de la pastille, est mesuré entre les faces d’attaque et de dépouille de la pastille (figure 1.10). L’ajustement de l’angle d’affûtage permet de modifier la profondeur de pénétration de la pastille dans le bois et d’améliorer la résistance à l’usure de l’outil. L’angle de dépouille (γ) est mesuré entre la ligne tangente à la bille au point de contact et la face de dépouille ou extérieure de la pastille (Calvert et Garlicki 1974).

Figure 1.10 Angles principaux d’écorçage (adapté de Calvert et al. 1975).

1.2.5.3 Paramètres de l’écorceuse

La vitesse de rotation de l'anneau et la vitesse d'amenage des billes sont généralement variables en fonction des propriétés des billes à écorcer. Le tableau 1.2 présente les vitesses du rotor et des rouleaux utilisés en fonction du diamètre de billes pour une écorceuse à 5 couteaux. Ainsi, pour une bille de 127 mm de diamètre, la vitesse de rotation du rotor devrait être de 440 tr/min et le moteur requis serait de 30 HP. La vitesse d'avance devrait être de 30,5 m/min et le moteur requis pour les rouleaux serait de 5 HP. Des modèles plus récents d’écorceuse à anneau peuvent fonctionner avec des vitesses d’avance allant jusqu’à 90 m/min selon les espèces et les diamètres des billes.

L’estimation de la vitesse d’amenage de la bille se fait en fonction du facteur de recouvrement. Ce facteur tient compte d’un chevauchement de la trace des couteaux faite sur

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la bille pour s'assurer que ces derniers passent sur toute sa surface et enlèvent le plus d'écorce possible. En général, le chevauchement est supérieur en hiver (varie entre 10 et 35%). De plus, il est à noter que la vitesse d'avance sera également réduite de 25 à 50 % en hiver par rapport à celle utilisée en été (Laganière 2003).

Tableau 1.2 Vitesse d'amenage, vitesse de rotation et puissance requise en fonction du

diamètre (d'après Koch 1985).

Rotor Amenage Diamètre (pouce) Vitesse (tr/min) Puissance (HP) Diamètre bille (pouce) Vitesse (pi/min) Puissance (HP) 14 440 30 5 100 5,0 18 361 50 9 150 7,5 21 242 40 9 80 5,0 26 222 50 11 95 5,0 30 221 75 11 150 15,0 35 90 75 15 70 7,5 40 90 75 15 70 7,5

1.3 Principaux défauts d’écorçage et l’entretien de l’écorceuse

Comme tous les systèmes mécaniques, il existe une multitude de problèmes reliés directement au fonctionnement de la machine comme par exemple le réglage de la pression d’huile. Dans cette partie, nous nous intéressons plutôt aux problèmes reliés à l’opération d’écorçage qui peuvent être facilement détectés par l’opérateur. Le tableau 1.3 résume les principaux défauts d’écorçage ainsi que les solutions possibles.

Tableau 1.3 Défauts reliés à l'écorçage et solutions suggérées (d'après Laganière 2003).

Défauts Solutions

Les outils arrachent la fibre Ajuster la force radiale Augmenter le rayon de l’outil Il reste de l'écorce sur la bille Affûter ou changer les outils

Augmenter la force radiale

Il reste une spirale d'écorce Vérifier les outils (un des outils est endommagé) Le bout de la bille est brisé Affûter la face d'attaque des couteaux

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Le principal entretien de l'appareil est l'affûtage des couteaux. Cet affûtage peut se faire à des fréquences variables selon la qualité d’écorçage désirée. Ainsi, les outils peuvent être affûtés chaque 4 à 5 heures ou bien à tous les 3 à 4 jours (Laganière 2003). L’intervalle d'affûtage dépendra principalement du volume de bois écorcé. Les coûts d'entretien seront également plus élevés en hiver qu’en été. De ce fait, il est courant de faire tremper les billes dans un bassin d'eau chaude en hiver de façon à permettre à l'écorce de se ramollir. Ce traitement est aussi utilisé en été dans le but d'enlever les saletés sur les billes.

Le système d'entraînement requiert aussi de l’entretien. Les pointes sur les rouleaux doivent être remplacées lorsqu'elles cassent ou lorsqu'elles sont trop usées. Il existe toutefois des pointes vissables. Ainsi, au lieu d'avoir à souder des crampons régulièrement, on n'a qu'à les enlever et en visser d'autres. Ces crampons permettent donc de diminuer le temps et les coûts d'entretien.

Finalement, de l'entretien préventif sur les engrenages, les chaînes à rouleaux, les courroies d'alimentation des moteurs ainsi que les poulies du moteur de l'anneau devraient être effectués dans le but de diminuer les pertes de temps dues au bris de l'écorceuse.

1.4 Facteurs qui interfèrent dans l’opération d’écorçage

L’efficacité des différents procédés mécaniques utilisés pour l’écorçage est liée aux propriétés du matériau bois, aux paramètres de l’écorceuse utilisée et à la stratégie adoptée par les usines de transformation du bois. De ce fait, plusieurs facteurs peuvent affecter l’écorçage (Hatton 1987, Chahal et Ciolkosz 2019).

1.4.1 Forme de la bille

Berlyn (2000) a défini quatre facteurs décrivant la forme de la bille: deux reliés aux dimensions (diamètre et longueur) et deux reliés à ses propriétés, en particulier la forme de la courbure et la rugosité de surface (figure 1.11). Il a suggéré que l’effet de la forme de la bille sur la qualité d’écorçage varie selon le type d’écorceuse utilisée. En effet, il a rapporté que la performance de l’écorceuse à tambour est très peu affectée par les facteurs de forme de la bille, contrairement aux écorceuses à fraises ou à anneau qui trouvent des difficultés à écorcer les petites billes (en diamètre et/ou en longueur). Hatton (1987) a également signalé les effets de la taille et de la forme de courbure de la bille sur l’efficacité d’écorçage. De plus,

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il a rapporté que la présence des fissures et des nœuds affecte également l’opération d’écorçage.

Figure 1.11 Les facteurs de forme affectant l’écorçage (adapté de Berlyn 2000).

1.4.2 Adhésion bois-écorce

L’écorçage vise à enlever l’écorce de la bille au niveau de la région cambiale. Ainsi, l’adhésion bois-écorce affecte de manière directe ce procédé. En effet, les problèmes de qualité d’écorçage ont été expliqués en partie par l’augmentation de l’adhésion. Plusieurs chercheurs ont utilisé différentes méthodes pour caractériser l'adhésion bois-écorce au fil des années (Wilcox et al. 1954, Perem 1958, Berlyn 1965, Moore et McMahon 1986, Wingate-Hill et al. 1989, Kubler 1990, Duchesne et Nylinder 1996, Laganière et Bédard 2009, Ugulino et al. 2020).

Berlyn (1965) a montré que le degré d’adhésion bois-écorce varie significativement entre les espèces de bois et entre les saisons d’abattage. Les résultats de ces travaux montrent que le frêne, avec un degré d'adhésion de 1724 kPa, a été le plus difficile à écorcer, suivi du caryer (1655 kPa), de l’érable (1310 kPa) et de l’orme (1035 kPa). L’adhésion bois-écorce varie également entre les billes et à l’intérieur de la même bille (Duchesne et Nylinder 1996). Harder et al. (1983) ont réalisé un essai de traction longitudinale sur des échantillons munis de deux entailles horizontaux faits de part et d'autre de la zone cambiale afin de mesurer la résistance au cisaillement longitudinal de cette zone. Les travaux de Einspahr et al. (1984) ont déterminé le degré d'adhésion bois-écorce en direction parallèle au fil durant les deux saisons été et hiver pour 24 bois de feuillus. Ils ont remarqué que la zone de faiblesse entre