Caractérisation des transformations physico-chimiques intervenant lors de la thermodégradation du bois. Influence de l'intensité de traitement, de l'essence et de l'atmosphère

Candelier Kévin. 2013. Caractérisation des transformations physico-chimiques intervenant lors de la thermodégradation du bois. Influence de l'intensité de traitement, de l'essence et de l'atmosphère. Nancy : Université de Lorraine, 139 p. Thèse de doctorat : Sciences du bois et des fibres : Université de Lorraine

Titre anglais : Characterization of physical and chemical changes occurring during wood thermal degradation. Influence of treatment intensity, wood species and inert atmosphere

Encadrement : Petrissans, Mathieu

Résumé : Le bois traité thermiquement connaît depuis quelques années un essor important du fait de son caractère non biocide et de son faible impact environnemental. En effet, le principe de ce traitement est basé sur la modification chimique des biopolymères par thermodégradation, en évitant l'imprégnation de produits chimiques ; en fin de vie le matériau peut donc être très facilement ré-utilisé ou recyclé. Ce traitement améliore la stabilité dimensionnelle ainsi que la durabilité fongique du bois. Il constitue un moyen de valorisation d'essences européennes peu durables pour une utilisation extérieure. L'amélioration des ces paramètres se fait au détriment des propriétés mécaniques du bois qui ont tendance à s'affaiblir. Aujourd'hui, plusieurs types de procédés sont utilisés pour réaliser le traitement thermique du bois. Ces différentes méthodes se distinguent entre autre par la nature du milieu dans lequelle se déroule le traitement : fumée, vapeur d'eau, vide plus ou moins poussé, azote, immersion dans un bain d'huile. La durabilité de ce nouveau matériau bois est fortement liée au degré de thermodégradation des polymères, qui elle-même dépend des conditions et de l'intensité du traitement (couple temps-température). Un pilote de traitement thermique par conduction, pouvant travailler sous vide ou sous azote, permettant une mesure dynamique de la masse est utilisé afin de mieux comprendre l'influence de l'atmosphère sur les réactions chimiques de dégradation. Les résultats obtenus, pour des échantillons de sections industrielles, montrent que l'utilisation du vide permet d'éliminer, de l'enceinte de traitement, les produits volatils se formant au cours du traitement conduisant à des taux d'extractibles et de lignine de Klason plus faibles du fait de la non recondensation des produits de dégradation. Cette disparition ou limitation du phénomène de recondensation des produits volatiles engendre des pertes de masse (ML) pour une même intensité de traitement plus faibles et permet d'expliquer les taux de polysaccharides plus élevés pour un traitement sous vide. Des analyses fines ainsi que l'étude des cinétiques des réactions de thermodégradation ont permis de confirmer la plus grande sensibilité des feuillus vis-à-vis de la thermodégradation (en comparaison aux résineux). De plus, ces analyses ont permi d'identifier les principaux produits de thermodégradation du bois qui varient en fonction de l'intensité du traitement. Cela à permis de montrer, à l'aide des énergies d'activations, une thermo-sensibilité plus importante de la lignine que de l'hollocellulose pour des températures inférieures à 230°C, à plus haute température cette tendance s'inverse. Le fruit de ces travaux est donc une progression significative des connaissances de bases concernant les mécanismes de thermodégradation ainsi que leurs relations avec les paramètres de traitement.

Résumé (autre langue) : For several years, heat-treated wood is more and more used because of its non-biocide behavior and its low environmental impact. This sort of treatment is based on biopolymer chemical degradation by heat transfer, without additional chemical products impregnation; re-utilization or recycling of these products are possible at the end of life of the material. This process improves the dimensional stability and the decay resistance of wood. It allows valorizing European wood species with low durability for an exterior utilization. These improvements come at the expense of wood mechanical properties of wood which weak. Several types of heating processes exist currently differing mainly by the nature of the inert atmosphere used during treatment: smoke, steam, vacuum, nitrogen, oil. The durability of this new wood material is strongly correlated to the degree of polymers thermal degradation depending on the conditions and the treatment intensity (timetemperature). A conducting heat treatment pilot using nitrogen or vacuum and allowing dynamic record of mass loss is used to understand better the atmosphere influence on the chemical degradation reactions. The results on industrial size wood samples show that utilization of vacuum permit the elimination of volatile products formed during heat treatment and accumulated in oven, leading to lower extractives and Klason lignin contents due to the non recondensation of thermal degradation products. Elimination or limitation of the formation of recondensation products generates a lower mass loss for same treatment intensity and explains the lower polysaccharides degradation during a vacuum process than a nitrogen treatment. Fine chemical analyses and the study about thermal degradation reaction kinetics have allowed to confirm the higher sensibility of hardwood than softwood to thermal degradation. In addition, these analyses have permitted the volatile thermal degradation products identification related to the treatment intensity. Subsequently, activation energies have shown a higher thermal sensibility of lignin than holocelluloses for temperatures below 230°C. This trend is reversed at higher temperatures. The result of this work is a significant increase in basic knowledge about the mechanisms of wood thermal degradation as well as their relations with the processing parameters.

Mots-clés Agrovoc : bois, traitement thermique, propriété physicochimique, température, biopolymère, impact sur l'environnement, durabilité, propriété mécanique, composition chimique, extrait, préservation du bois

Classification Agris : K50 - Technologie des produits forestiers
J12 - Manutention, transport, stockage et conservation des produits forestiers

Champ stratégique Cirad : Axe 2 (2005-2013) - Biomasse énergie et sociétés du sud

Auteurs et affiliations

• Candelier Kévin, Université de Lorraine (FRA) ORCID: 0000-0002-9328-8511

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/587171/)

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