Titre de l'écran-titre (visionné le 25 janvier 2024) / L'objectif principal de cette thèse fut d'évaluer les effets de la vitesse de coupe et d'avance d'une équarrisseuse-fragmenteuse sur la coupe de billes d'épinette noire en conditions gelées et non gelées. Les critères d'évaluation furent la distribution des dimensions des copeaux papetiers, la qualité de la surface des équarris et l'énergie requise de coupe. Neuf groupes de billes ont été transformés à 20, 25 et 30 m/s de vitesse de coupe, à 19, 25 et 32 mm d'avance par couteau et à -13°C et 19°C. La distribution de la taille des copeaux a été évaluée selon leurs épaisseur, largeur et longueur. La taille des copeaux a diminué à mesure que la vitesse de coupe augmentait ou que la vitesse d'avance diminuait. Les billes gelées ont produit de plus petits copeaux et plus minces que celles non gelées. L'angle du fil du bois et la proportion des nœuds ont eu des impacts importants sur la taille des copeaux. Par ailleurs, la surface des équarris a été évaluée par des paramètres d'ondulation, de rugosité et du fil arraché. Cette surface était meilleure à mesure que la vitesse d'avance diminuait. Elle a eu également tendance à être meilleure à des vitesses de coupe plus grandes. L'ondulation et le fil arraché produits furent similaires pour le bois gelé et non gelé. Les nœuds et la fibre torse à gauche ont contribué à réduire la qualité de la surface. La puissance moyenne requise était plus grande à mesure que la vitesse de coupe ou celle d'avance augmentaient. Par contre, l'énergie spécifique de coupe a augmenté avec l'augmentation de la vitesse de coupe et la diminution de la vitesse d'avance. Le bois gelé a requis davantage d'énergie de coupe que celui non gelé. Cette thèse montre qu'un choix judicieux des paramètres de coupe, ainsi qu'un bon suivi des caractéristiques des billes, particulièrement les propriétés des nœuds et la présence de fibre torse dans les billes, permettront d'améliorer la qualité des copeaux et des surfaces produites par cette machine. De plus, l'optimisation des paramètres de coupe visant à diminuer l'ondulation, contribuera également à réduire la profondeur du fil arraché, évitant ainsi les pertes de matière. Enfin, les résultats permettront également d'ajuster les paramètres de coupe de l'équarrisseuse-fragmenteuse afin de minimiser la consommation d'énergie des scieries. / The main objective of this study was to evaluate the effect of the cutting speed, the feed per knife and temperature condition of black spruce logs on the performance of a chipper-canter. The evaluation criteria chosen were the chip size distribution, the surface quality of the cants and the energy requirements during cutting. For this purpose, nine groups of logs were transformed at 20, 25 and 30 m/s of cutting speed, 19, 25 and 32 mm of feed per knife, and at -13 °C and 19 °C. The chip size distribution was evaluated according to their thickness, width, and length. Results showed that thinner chips were produced with the increase of the cutting speed or decrease of the feed per knife. Frozen wood produced a greater proportion of small chips and thinner chips compared to unfrozen wood. The grain angle and the proportion of knots were the main significant covariates for the chip size distribution. Moreover, the surface quality was evaluated by parameters of waviness, roughness, and torn grain. The results showed that the surface quality improved as the feed per knife decreased. Surface quality has also shown a tendency to be better with greater cutting speeds. The waviness and depth of the torn grain were similar for both frozen and unfrozen wood. The knots characteristics and the presence of left handed spiral grain contributed to reduce the quality of the surface. The mean power demanded was greater as the cutting speed or the feed per knife increased. On the other hand, the specific cutting energy increased with the increase in cutting speed and the decrease in feed per knife. For all the evaluated parameters, the energy consumption was higher for frozen wood. This thesis demonstrates that a careful choice of the cutting parameters, as well as monitoring the wood characteristics, particularly the knot properties and the presence of spiral grain, will lead to quality improvements in chip size distribution and surfaces produced by this machine. In addition, the optimization of the machining parameters to reduce waviness will also help to reduce the depth of the torn grain thus avoiding material loss. Finally, the results also will allow adjustments in the cutting parameters of chipper-canters to minimize the energy consumption of sawmills.

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. / 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 offibers. The effects of these operational parameters on debarking quality were studied takinginto 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.

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Les propriétés de flexion et la stabilité dimensionnelle sont des propriétés déterminantes pour le potentiel d’utilisation du bois dans les structures de bâtiments et les produits à valeur ajoutée. Une connaissance détaillée des patrons de variation des propriétés du bois à l’intérieur de l’arbre est essentielle pour optimiser l’usage de cette ressource renouvelable et développer des produits hautement performants. L’objectif général de cette recherche doctorale était de caractériser et modéliser les patrons de variation des propriétés de flexion et de la stabilité dimensionnelle du bois à l’intérieur de l’arbre en fonction de différents paramètres (l’âge cambial, hauteur dans la tige, largeur des cernes) et en tenant compte de l’historique des peuplements. Cet objectif fut poursuivi au moyen des objectifs spécifiques suivants: décrire le patron de variation des propriétés physico-mécaniques de la moelle vers l’écorce (c.-à-d. en fonction de l’âge cambial) et dans l’axe longitudinal de la tige ; modéliser l’effet du taux de croissance radiale sur les propriétés physico-mécaniques ; modéliser l’effet de la masse volumique basale du bois sur les propriétés physico-mécaniques et examiner les différences entre les deux types de structures de peuplements (régulier et irrégulier). L’étude a porté sur l’épinette noire (Picea mariana [Mill.] B.S.P), une espèce de grande importance commerciale au Canada. Soixante arbres ont été échantillonnés dans 12 peuplements localisés au nord et au sud de la Côte-Nord, 30 arbres dans 6 peuplements de la région de l’Abitibi-Témiscamingue et 42 arbres provenant de la région du Lac-Saint-Jean. Une approche de modélisation statistique a été utilisée pour rapporter les paramètres de résistance à la flexion, de rigidité et de stabilité dimensionnelle à des variables telles que l'âge cambial et le taux de croissance annuel. Les peuplements ont été échantillonnés avec un temps connu depuis le passage du dernier feu, car cela est connu pour influencer la structure du peuplement et la croissance des arbres. Les résultats ont confirmé que l'âge cambial est clairement la source la plus importante de la variation en direction radiale des propriétés du bois, lequel pourrait être utilisé comme variable prédictive. La largeur des cernes annuels a eu une influence additionnelle faible pour expliquer les variations des propriétés mécaniques et celles de stabilité dimensionnelle. Le bois des arbres à croissance plus rapide des peuplements réguliers avait des propriétés mécaniques supérieures, et était moins stable en termes de dimensions. Les arbres à croissance lente issus de peuplements irréguliers pourraient produire du bois final moins dense, ce qui tendrait à diminuer les propriétés / Bending strength, stiffness, and dimensional stability of wood are determining properties fortheir potential use in building structure and added-value products. A detailed knowledge of the variation patterns of the properties inside a tree is essential to optimize the use of this renewable resource and to develop high-performance products. This PhD project’s goal is to characterize and model the variation pattern for bending strength, stiffness, and dimensional stability within the tree as a function of different parameters (radial distance, the height ofthe stem, the ring width) and taking into account the history of the stands. This general objective was pursued by the means of the specific objectives to : 1) describe the variation pattern of the physico-mechanical properties from pith to the bark (i.e. as a function ofcambial age) and in the longitudinal axis of the stem; 2) model the effect of the radial growth rate on the physico-mechanical properties; 3) model the effect of the basic specific densityon the physico-mechanical properties and examine the differences between the two types of stand structures (regular and irregular). The study focused on black spruce (Picea mariana[Mill.] B.S.P.), a species of high commercial importance in Canada. Sixty trees were sampled in twelve stands located north and south of the North Shore region, thirty trees in six standsin Abitibi-Témiscamingue and forty-two trees from Lac Saint-Jean. This study used astatistical modelling approach to relate flexural strength, stiffness and dimensional stability parameters to variables such as cambial age and annual growth rate. The stands were sampled with a known time since the last fire because this is known to influence stand structure and tree growth. The results confirmed that cambial age is clearly the most important source ofradial direction variation in wood properties, which could be used as a predictive variable. The ring width had a small additional influence to explain the variations in mechanical and dimensional stability properties. The fast-growing wood in regular stands had superior mechanical properties and were less dimensionally stable. Slow-growing trees from unevenaged, irregular stands may produce less dense late wood, which would tend to reduce mechanical properties and increase the dimensional stability of the material. Thus, these properties may be affected by the patterns of intra-ring variation in wood density. The effect of stand type on the wood physico-mechanical properties may also be due to the presence of mild compression wood, which can occur in trees of layer origin or in trees subjected togreater or more complex mechanical stimuli. Analyses also indicate that wood density and cambial age measurements can be used to estimate dimensional stability and mechanical properties. In addition, prediction indices have shown that it is preferable to predict dimensional stability from MOE and cambial age measurements rather than opting for the opposite case, i.e., estimating mechanical properties from dimensional stability. These results could have practical implications for decision-making in forest management and wood allocation. The selection of forest stands to produce black spruce wood for either high dimensional stability or high mechanical properties may be an interesting option that emerges from our results. In general, the modelling results were able to clearly characterize the differences between the two types of stand structures. However, further fundamental researchis needed to elucidate the mechanisms of wood formation that are responsible for differences in properties related to the growth environment in these two types of stand, including the internal structure of growth rings and the ultrastructure and chemical composition of the cell wall of wood tracheids, in order to obtain a more complete tool of simulation of wood qualityfor black spruce.

L'objectif de cette recherche était d'améliorer le rabotage de deux bois très utilisés au Québec, l'érable à sucre et l'épinette noire. L'étude d'outils de coupe hélicoïdaux à angles d'hélice élevés a été décidée comme axe d'amélioration. Ainsi, 3 outils hélicoïdaux (angle d'hélice de 40˚, 50˚ et 60˚) et un outil droit (témoin) ont été fabriqués et montés tour à tour sur une CNC 5 axes. Chacun de ces outils a été utilisé à trois vitesses d'avance par couteau (FK). Les efforts de coupe, le niveau sonore et la consommation de puissance étaient alors mesurés. La qualité de surface des planches usinées a ensuite été évaluée. Pour l'érable à sucre, les efforts de coupe et le son produit augmentaient avec l'augmentation de FK pour les quatre outils de coupe. Les outils hélicoïdaux ont produit moins d'efforts de coupe parallèles (F[indice]P), normaux positifs et négatifs (F[indice]NP et F[indice]NN) et résultants (F[indice]R) que ceux de l'outil témoin. Les efforts F[indice]P et F[indice]R avaient tendance à diminuer quand l'angle d'hélice augmentait. Seul les efforts latéraux (F[indice]L) avaient tendance à augmenter avec des outils à angle d'hélice importants. Ces mêmes outils ont requis moins de puissance à faible FK, et le plus gros avantage provenait du niveau sonore, étant plus faible avec les angles d'hélice les plus élevés. Parmi ces paramètres, peu de différences significatives ont été trouvées entre les outils à 50˚ et 60˚. Pour l'épinette noire, augmenter FK augmentait le son et les efforts F[indice]P, F[indice]L et F[indice]R. Comme pour l'érable à sucre, les outils hélicoïdaux ont requis moins de F[indice]P, F[indice]NP, F[indice]NN et F[indice]R que l'outil témoin. Aussi, F[indice]P et F[indice]R avaient tendance à diminuer quand l'angle d'hélice augmentait, seulement à la plus grande FK. Augmenter l'angle d'hélice avait tendance à augmenter F[indice]L. Cependant, l'outil témoin produisait des efforts de coupe latéraux importants, similaires à ceux de l'outil à faible angle d'hélice (40˚). Par ailleurs, les paramètres de rugosité R[indice]k et R[indice]pk ont montré la meilleure précision pour évaluer la rugosité et la perception tactile des surfaces rabotées des deux essences. La rugosité augmentait au fur et à mesure que l'angle d'hélice et FK augmentaient. Les surfaces rabotées avec les outils hélicoïdaux présentaient une texture pelucheuse. Pour l'érable à sucre, les différences entre l'outil droit et celui à 40˚ étaient faibles. La rugosité des planches d'épinette noire avait tendance à augmenter avec l'augmentation de l'angle d'hélice, et cet effet dépendait de FK. L'outil droit a produit la rugosité la plus faible, à chaque FK. Les outils hélicoïdaux ont produit la plus grande rugosité, résultante d'une grande fibrillation. Ces défauts étaient plus prononcés que ceux obtenus avec l'érable à sucre, et encore plus présents avec les couteaux à 50˚ et 60˚, à FK moyen et élevé (2,9 et 4,7 mm respectivement). Le rabotage pourra donc être amélioré en travaillant à moyen FK (2,9 mm) pour optimiser la productivité, ou à faible FK (1,3 mm) pour minimiser la rugosité de surface. En usinage de l'érable à sucre, un outil à angle d'hélice de 50˚ est recommandé pour diminuer les efforts de coupe et le son. Un outil de 40˚ est à privilégier, si la qualité de surface est un critère important. Pour l'épinette noire, en première transformation, un angle d'hélice de 50˚ est envisageable. Les surfaces obtenues seront cependant très pelucheuses. Un outil à angle d'hélice de 40˚ est alors un bon compromis pour une meilleure qualité de surface, si besoin. Pour fins de finition, un couteau droit est préférable pour raboter l'épinette noire. / The main objective of this research was to improve the planing of two wood species widely used in Quebec, sugar maple and black spruce. The study of helical cutting tools with high helix angles was decided for this purpose. Thus, three helical tools (helix angle of 40˚, 50˚ and 60˚) and a straight one (control) were manufactured and mounted on a 5-axis CNC. For each tool, the variations in cutting forces, sound level and power consumption for three feeds per knife (FK) were acquired. Finally, the surface quality of machined boards was evaluated. For sugar maple wood, all cutting forces and sound level produced by planing increased as FK increased for all cutting tools. The helical tools produced lower parallel (F[subscript]P), normal positive and negative (F[subscript]NP and F[subscript]NN), and resultant (F[subscript]R) cutting forces than the control tool. F[subscript]P and F[subscript]R tended to decrease as the helix angle increased. Only lateral forces (F[subscript]L) tended to increase with the increase in helix angle. Tools with high helix angles required lower power at low FK, However, the main advantage of these tools was the great reduction of the noise level compared to the straight tool. Among these parameters, few significant differences were found between the 50˚and 60˚ tools. For black spruce wood, sound level, F[subscript]P, F[subscript]L, and F[subscript]R increased as FK increased. As with sugar maple, the helical tools produced lower F[subscript]P, F[subscript]NP, F[subscript]NN and F[subscript]R than the control tool. Also, F[subscript]P and F[subscript]R tended to decrease as the helix angle increased, for the highest FK. Increasing the helix angle tended to increase F[subscript]L. However, the control tool produced high lateral cutting forces, similar to that produced by the low helix angle(40˚) tool. In addition, the roughness parameters R[subscript]K and R[subscript]PK showed the best precision for evaluating the roughness and the tactile perception of the planed surfaces of the two species. The roughness increased as the helix angle and FK increased. Surfaces planed with the helical tools showed a fuzzy texture. For sugar maple, the differences between the straight tool and the 40˚ tool were small. The roughness of black spruce boards tended to increase with increasing helix angle, and this effect depended on FK. The straight tool produced the lowest roughness at each FK. The helical tools produced the highest roughness, resulting in high fibrillation. These defects were more pronounced than those obtained with sugar maple, and even more present with the tools at 50˚ and 60˚, at medium and high FK (2.9 and 4.7 mm respectively). Planing can therefore be improved by working at medium FK (2.9 mm) to optimize productivity, or at low FK (1.3 mm) to minimize surface roughness. When machining sugar maple, a 50˚ helix angle tool is recommended to reduce cutting forces and sound level. A 40˚ tool is to be preferred if the surface quality is an important criterion. For black spruce wood, in primary processing, a helix angle of 50˚ is possible. The surfaces obtained will be however very fuzzy. A 40˚ helix angle tool could be a good compromise for better surface quality. For finishing purposes, a straight knife appears as a better option for planing black spruce wood.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 août 2023) / Le bois est un matériau d'origine naturelle, renouvelable et largement utilisé dans l'industrie de la construction et de la fabrication de meubles. Toutefois, seulement une fraction des troncs d'arbres est utilisée pour le bois d'œuvre ce qui entraîne un gaspillage important de cette ressource. Ainsi, ce projet vise à revaloriser les sous-produits de l'industrie du bois en utilisant cette ressource pour synthétiser des fibres de carbone (FC). La FC est connue comme étant une des fibres les plus résistantes au monde tout en étant extrêmement légère. Ainsi, cette fibre est très utilisée dans le renfort des matériaux. Cependant, la FC est actuellement synthétisée à partir d'une molécule issue du pétrole, ce qui pose non seulement un problème écologique, mais aussi économique car ceci la rend onéreuse. L'objectif général de cette thèse est donc d'utiliser la lignine isolée par le procédé Organosolv catalysé au chlorure de fer III (FeCl₃) du bois d'épinette noire afin de la transformer en fibre de carbone. Pour cela, trois axes de recherche ont été définis afin d'isoler, de filer et de carboniser la lignine Organosolv de l'épinette noire. Dans un premier temps, la méthode d'isolement par le procédé Organosolv catalytisé au FeCl₃ a été sélectionnée et optimisée pour isoler la lignine du bois de l'épinette noire (Picea mariana). Ce procédé a permis d'isoler une lignine pure, peu dégradée et sans soufre. Actuellement, les procédés Organosolv sont principalement utilisés pour isoler la lignine à partir du bois de feuillus. Afin d'augmenter la ressource disponible, nous avons adapté ce procédé à base d'éthanol et d'eau à une essence de résineux (l'épinette noire) et avons obtenu une lignine de très haute pureté (supérieure à 97 %) et peu dégradée avec un rendement supérieur à 70 %. Après une caractérisation complète, la lignine a été transformée en fibre via l'électrofilage à partir d'une solution en DMF concentrée à 57 %m en lignine qui permet d'obtenir des fibres avec un diamètre nanométrique. Les nombreux paramètres étant difficile à maîtriser, l'optimisation de ce procédé fut l'objet du second axe de recherche. Les résultats ont montré non seulement la faisabilité de l'électrofilage de lignine Organosolv de résineux sans ajout de polymère, mais également que l'ajout de 2 %m FeCl₃ dans la solution de lignine-DMF permettait de diminuer le diamètre minimum des fibres de 400 à 200 nm, ainsi que d'augmenter le rendement de la production par l'augmentation du débit de 0,4 à 0,7 mL/h. Enfin, le troisième axe a porté sur la stabilisation des fibres avec et sans FeCl₃. Il a été démontré que l'ajout de 2 %m de FeCl₃ permettait d'améliorer les propriétés thermiques des fibres de lignine lors de la stabilisation. Les fibres stabilisées ont ensuite été carbonisées pour l'obtention de fibres de carbone (FC). La synthèse de fibres de carbone à partir de lignine Organosolv pure de résineux n'avait jamais été réalisée dans la littérature jusqu'à présent. D'après les résultats, la carbonisation à une vitesse de chauffe de 10 °C/min permet d'éviter la pyrolyse des fibres, tandis que l'ajout de FeCl₃ génère une porosité aux fibres. Cette observation est intéressante car cela signifie que le FeCl₃ permet d'augmenter drastiquement la surface d'échange des fibres. La pureté et la faible dégradation de la lignine obtenue, le faible diamètre des fibres ainsi que l'ajout du FeCl₃ pour les traitements thermiques ont été les trois conditions mises en avant pour l'obtention de la FC à partir de la lignine Organosolv du bois d'épinette noire, avec des propriétés améliorées par rapport à celles rapportées jusqu'à maintenant dans la littérature avec d'autres conditions. Les résultats de cette thèse ont permis de mettre en évidence la versatilité du procédé Organosolv catalysé au FeCl₃ en permettant d'isoler une lignine de haute pureté et à un rendement élevé à partir de copeaux issus d'un bois résineux. Les résultats obtenus dans cette recherche ont aussi montré la faisabilité de l'électrofilage de la lignine de résineux sans ajout de polymère, ce qui n'avait jamais été rapporté jusqu'à présent. Enfin, ce projet ouvre la voie à de nouvelles recherches concernant l'usage de FeCl₃ pour l'électrofilage de la lignine, ainsi que pour la stabilisation et la carbonisation des fibres de lignine dans le processus de fabrication des fibres de carbone. / Wood is a natural and renewable material. It is used extensively for construction and furniture for example. However, only a fraction of the tree trunks is used for lumber, and this represents a waste of this resource. Thus, this project aims to valorise the by-products of the wood industry, using this resource to synthesize carbon fiber (CF). CF is known as one of the strongest and lightest fibers in the world. Thus, CF is widely used in the reinforcement of materials. However, CF is currently synthesized from a petroleum derived molecule which poses not only an ecological problem, but also an economical one because it is very expensive. The general objective of this thesis is to use the lignin extracted by the Organosolv process catalyzed by iron III chloride (FeCl₃) from black spruce to transform it into carbon fiber. To this end, three research axes have been defined to isolate, spin and carbonize the Organosolv lignin from black spruce. First, an extraction method (Organosolv process) was selected and optimized to isolate the lignin from the wood of black spruce (Picea mariana). This process allows to isolate pure lignin with low degradation without sulfur. Currently, this process is mainly used to isolate lignin from hardwoods. In order to increase the available resource, we have adapted this ethanol and water-based process to a softwood species (black spruce) and obtained a very high purity lignin (higher than 97 %) and low degradation with a yield higher than 70 %. After a complete characterization, the lignin was transformed into fiber via electrospinning which allows to obtain fibers with a nanometric diameter. The numerous parameters being difficult to control, the optimization of this process was the object of the second research axis. The results showed not only the feasibility of electrospinning softwood lignin without polymer addition, but also that the addition of 2 wt. % FeCl₃ in the lignin-DMF solution allowed to decrease the minimum fibers diameter from 400 to 200 nm, as well as to increase the production yield by increasing the flow rate from 0.4 to 0.7 mL/h. Finally, the third axis focused on the stabilization of the fibers with and without FeCl₃ and showed that FeCl₃ improved the thermal properties of lignin fibers during stabilization. The stabilized fibers were then carbonized to obtain carbon fibers. The synthesis of carbon fibers from pure Organosolv lignin of softwoods had never been reported previously in the literature until now. According to the results, carbonization at the rate of 10 °C/min avoids pyrolysis of the fibers, while the addition of FeCl₃ creates porosity in the fibers. This observation is interesting because it means that FeCl₃ drastically increases the exchange surface of the fibers. The purity and low degradation of the obtained lignin, the small diameter of the fibers, as well as the addition of FeCl₃ for the thermal treatments were the three conditions put forward to obtain biosourced CF with properties higher than those obtained until now in the literature with different conditions. The results of this thesis highlighted the versatility of the FeCl₃-catalyzed Organosolv process in isolating high purity lignin and high yield from softwood chips. The results also showed the feasibility of electrospinning the organosolv softwood lignin without polymer addition, which had never been reported before. Finally, this project opens the way for further research on the use of FeCl₃ for lignin electrospinning as well as for the stabilization and carbonization of lignin fibers in the carbon fiber manufacturing process.

Les arbustes éricacées sont réputés pour nuire à la croissance de l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) [B.S.P.]) par une forte compétition pour les ressources. L’ouverture de la voûte forestière par la coupe peut intensifier cette compétition et mener à l’envahissement des plantes éricacées. L’objectif de ce projet de recherche était d’expliquer, par l’évaluation de la réponse des traits fonctionnels, le potentiel d’envahissement des éricacées et la stagnation de la croissance de la régénération naturelle d’épinette noire après coupe dans le domaine de la pessière noire à mousses de l’est. Le premier volet de la thèse démontre que le thé du Labrador (Rhododendron groenlandicum [Oeder] Kron & Judd) s’acclimate rapidement à l’augmentation de lumière causée par la coupe, spécialement dans les coupes les plus intenses, par des modifications physiolgiques. De son côté, les traits morphologiques de l’épinette noire n’ont pas répondu au changement d’environement créé par la coupe, indicant soit une absence ou un délai d’acclimatation. La deuxième expérience terrain a permis de constater que la photosynthèse de l’épinette noire était influencée négativement par la présence des plantes éricacées sur le parterre de coupe, et ce, peu importe la qualité de la station étudiée. Cette réduction du taux de photosynthèse serait attribuable à la plus faible disponibilité en azote minéral dans les parcelles témoin résultant d’une forte compétition souterraine des plantes éricacées pour les ressources nutritives du sol. Une troisième expérience en serre a démontré que la masse foliaire par unité de surface (LMA) du Rhododendron et du Kalmia a diminué avec l’ombrage. L’épinette noire a montré une taux d’absorption et un taux d’absorption spécifique supérieurs à des niveaux d’azote plus élevés comparativement aux éricacées. La plasiticité envers la lumière fut supérieure pour le Kalmia (sauf pour la LMA) et celle envers l’addition d’azote fut supérieure pour le Rhododendron et l’épinette suggérant que la plasticité des traits est en accord avec le statut successionnel des espèces. / Ericaceous shrubs are known to impair black spruce (Picea mariana (Mill.) [B.S.P.]) growth by creating a strong competition for below and aboveground resources. Opening of the forest canopy with harvest can intensify this competition and lead to enroachment of ericaceous shrub. Our objective was to explain, through evaluation response of functional traits, ericaceous potential enroachment after logging and stagnant growth of black spruce advance regeneration in the Quebec’s eastern black spruce-feathermoss sub-domain. The first chapter demonstrated the rapid acclimation of bog Labrador tea (Rhododendron groenlandicum [Oeder] Kron & Judd) to higher light availability created by logging, especially in the more intense treatements, through a modification of both physiological leaf traits. On the other hand, black spruce leaf traits did not respond to changes in environement associated with logging; this may indicate either an absence or a delay in acclimation. In a second field experiment, black spruce photosynthetic rate was negatively influenced by ericaceous shrub presence on the cutting area, regardless of the site fertility quality. The lower photosynthesis rate of black spruce, when associated with ericaceous shrubs, could be resulting of a lower mineral soil nitrogen availability created by a greater belowground competition for ressources form the ericaceous shrubs. A third experiment under greenhouse conditions showed that Rhododendron and Kalmia leaf mass per unit of area (LMA) was reduced by shading, but was similar for black spruce. There were few differences in trait response to N addition among species. Black spruce showed higher absorption rate and specific absorption rate at higher N levels, compared to the two ericads. Plasticity to light was higher for Kalmia (except for LMA) and plasticity for nitrogen addition was higher for Rhododendron black spruce suggesting that trait plasticity is in accordance with successional status of these species.

Trente-six arbres d’épinette noire ont été récoltés dans la région de Chibougamau au nord de Québec et répartis dans trois catégories de densité de peuplement après avoir déterminé leur densité de peuplement locale. Les arbres ont été débités en trois billes de 2,7 m de longueur dont la partie supérieure de 30 cm de longueur a été coupée et utilisée comme support de l’échantillonnage. Le travail a consisté à étudier les variations des propriétés du bois avec la densité de peuplement à différentes hauteurs de l’arbre. Ces propriétés, estimées comme les critères de qualité du bois les plus importants, sont la masse volumique du bois, le taux de croissance, le retrait, la résistance mécanique et la structure anatomique en coupe transversale. De plus, ces caractéristiques anatomiques, physiques et mécaniques ont été étudiées sur des échantillons de même provenance permettant ainsi de mettre en évidence les relations entre celles-ci. La masse volumique du bois et la structure anatomique ont été déterminées respectivement par densitométrie aux rayons X et à l’aide du logiciel WinCell, cerne par cerne, afin d’obtenir un profil radial dépendant de l’âge cambial. L’angle des microfibrilles a été mesuré par le procédé SilviScan au CSIRO Forestry and Forest Products Department, Australie, et les propriétés mécaniques ont été mesurées par essais de flexion statique sur des éprouvettes tirées de la moelle vers l’écorce. Les résultats montrent en premier lieu de très grandes variations radiales de la moelle vers l’écorce des principales caractéristiques du bois dont certaines (surface des cernes, masse volumique maximale des cernes, angle des microfibrilles, module d’élasticité) caractérisent la transition entre le bois juvénile et le bois mature. Ils montrent aussi que la plupart des variations significatives des caractéristiques étudiées concernent les variations en hauteur dans l’arbre plutôt que les variations causées par la densité de peuplement, et que ces variations sont très accentuées dans le bois juvénile. On constate également que la densité de peuplement a un effet plus important sur les caractéristiques de croissance de l’arbre que sur la masse volumique du bois. L’étude de l’âge de transition du bois juvénile au bois mature, calculé à partir du profil radial de la surface des cernes et de la masse volumique maximale des cernes, met en évidence un effet significatif de la hauteur dans l’arbre dont l’effet est de raccourcir la période juvénile de 17 ans en bas de l’arbre à 12 ans en haut de l’arbre. Toutefois, la proportion en volume de bois juvénile, semble présenter peu de variations avec la hauteur dans l’arbre. L’effet de la densité de peuplement n’est pas significatif sur l’âge de transition, par contre on observe une augmentation de la proportion de bois juvénile avec la densité de peuplement. Une analyse statistique utilisant le modèle mixte a montré qu’il y a une grande influence de l’angle des microfibrilles et de la masse volumique des cernes sur les propriétés mécaniques du bois et que la largeur des cernes n’a pas d’influence sur ces propriétés. / Thirty-six black spruce trees were collected in the Chibougamau area, north of Québec City and assigned into three stand density groups according to their local stand density. The trees were cut into three logs of 2.7-m in length from which the upper 30-cm long bolt was sawn and used as the sampling material. The aim of the study was to determine the variations of the wood properties in relation to stand density at different sampling heights. These properties, considered as determinant for wood quality, are wood density, growth rate, shrinkage, mechanical properties and anatomical structure. Moreover, these anatomical, physical and mechanical properties were studied on the same sample in order to highlight the relations among them. X-ray densitometry and the WinCell software were used to determine wood density and the anatomical structure, for each growth ring, in order to obtain a radial profile in relation to cambial age. The microfibril angle was measured by the SilviScan technology at CSIRO Forestry and Forest Products Department, Australia, and the mechanical properties were determined by static bending on specimens taken from pith to bark. The results show a high radial variation of the main wood characteristics from pith to bark where some of them (ring area, maximum ring density, microfibril angle, modulus of elasticity) characterise the juvenile wood to mature wood transition. The results show that most of the significant variation of wood characteristics occurs with sampling height rather than with stand density, these variations being more important in juvenile wood. One observes that stand density has more impact on growth traits than on wood density traits. The study of the transition age from juvenile wood to mature wood calculated from the radial pattern of ring area and maximum ring density, highlights a significant effect of sampling height. This effect results in a reduction of the juvenile period from 17 to 12 years at the top of the tree. Nevertheless, the juvenile wood volume proportion seems to present little variation with sampling height. The effect of stand density on transition age is not significant but it seems that the proportion of juvenile wood is higher in the high stand density group. A statistical analysis by a mixed model showed a strong effect of microfibril angle and ring density on mechanical properties but no significant effect of ring width.

Comprendre les bases génétiques de l'adaptation constitue un objectif important de la biologie évolutive, particulièrement celles reliées aux adaptations au climat, en raison des changements climatiques présents et prédits. Une variation génétique des caractères quantitatifs reliés à l'adaptation selon des gradients géographiques et climatiques a déjà été démontrée chez l'épinette noire (Picea mariana [Mill.] B.S.P.), sans pour autant identifier les variations de l'ADN responsables de ces tendances. Afin de documenter la nature des polymorphismes d'ADN reliés aux adaptations climatiques chez cette espèce, des SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) situés dans des séquences de gènes ont été testés par différentes méthodes, permettant d'identifier des marqueurs ou des régions du génome qui sont sous sélection ou impliqués dans la variation de caractères reliés à l'adaptation. L'étude des niveaux de différenciation génétique entre groupes climatiques de populations pour 583 SNPs de gènes, ayant servi à cartographier le génome de l'espèce, a permis d'identifier 26 polymorphismes reliés à l'adaptation à la température et/ou aux précipitations. Ces SNPs, soumis à une intensité de sélection moyenne mais significative depuis la colonisation postglaciaire, étaient dispersés sur l'ensemble du génome et représentaient une large diversité de familles de gènes dont certaines avaient déjà été relevées dans d'autres études d'adaptation chez les conifères. Des analyses de cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) impliqués dans la variation de la date d'aoûtement ou de la hauteur chez des arbres juvéniles ont également révélé plusieurs régions impliquées dans l'adaptation avec de faibles proportions de variance expliquée par QTL. Par la suite, des tests d'association entre des SNPs candidats et ces caractères ont permis de relier 65% d'entre eux à la variation phénotypique, appuyant leur implication dans l'adaptation. L'étude de la distribution de SNPs neutres à travers l'ensemble de l'aire de répartition de l'épinette noire au Canada a permis d'identifier trois lignées glaciaires et leurs zones de contact. Des analyses d'identification de SNPs reliés à la variation climatique ont été menées indépendamment dans les deux plus grandes lignées glaciaires et ont démontré que l'histoire démographique reliée aux événements glaciaires avait influencé la composition génétique préexistante sur laquelle la sélection naturelle a pu agir ultérieurement.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La génogéographie de l'épinette nOIre (Picea mariana) a été étudiée à l'échelle transcontinentale à l'aide de marqueurs microsatellites de l'ADN chloroplastique, puis comparée à celle obtenue par Jaramillo-Correa et al. (2004) à l'aide de marqueurs du génome mitochondrial. Cette approche a permis de confirmer l'existence de lignées génétiques distinctes au sein des populations modernes résultant de l'isolation probable des arbres dans plusieurs populations ancestrales lors du dernier épisode glaciaire. L'intensification de l'échantillonnage a permis de détecter une nouvelle lignée génétique en Alaska. La comparaison de l'étendue des lignées chloroplastiques et mitochondriales a montré que le flux génique par le pollen est beaucoup plus important que celui par les graines et agit préférentiellement de manière unidirectionnelle d'ouest en est. Cette étude a également mis en évidence que certains individus sont caractérisés par des assemblages de génomes chIoroplastique . et mitochondrial probablement apparus sous l'effet du flux génique lors de la recolonisation postglaciaire.