Swietenia, Cedrela, Khaya et Toona sont des genres d'arbres tropicaux à bois précieux. Une identification précise du bois est nécessaire pour contrôler l'exploitation forestière illégale et le commerce connexe ainsi qu'à des fins de certification dans l'industrie des produits forestiers et du bois. Swietenia mahagoni, Swietenia macrophylla et Cedrela odorata ont été inscrites à l'Annexe II de la Convention sur le commerce international des espèces de faune et de flore menacées d'extinction (CITES) et le commerce de ces espèces a été restreint par l'imposition de documentation spécifique et de permis pour l'importation et l'exportation de marchandises. En conséquence, certaines espèces (par exemple, Khaya ivorensis et Toona ciliata) ont été introduites comme substituts de ces espèces et leur identification est maintenant un problème difficile pour l'application de la réglementation liée à la CITES à travers le monde. Ainsi, le but de l'étude est d'identifier et de différencier des espèces étroitement apparentées de la famille des Meliaceae, à savoir Swietenia mahagoni, Swietenia macrophylla, Cedrela odorata, Khaya ivorensis et Toona ciliata sur la base d'analyses anatomiques, de vision et d'intelligence artificielles et de caractérisation chimique du bois. Dans cette étude, trois approches ont été utilisées, la structure du bois par microscopie optique, le système de vision artificielle et le profilage du métabolome par chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle combinée à la spectrométrie de masse à temps de vol (GC*GC-TOFMS). Au total, nous avons analysé 50 échantillons de bois des espèces susmentionnées provenant des xylothèques du Service canadien des forêts et du Centre de recherche sur les matériaux renouvelables de l'Université Laval. Des variations considérables ont été observées dans les caractéristiques anatomiques du bois de ces espèces, mais ces variations n'étaient pas suffisantes pour les différencier au niveau de l'espèce. De même, le système de vision artificielle (Xylotron) est simple et efficace pour l'identification du bois, mais cet outil est encore en développement et les bases de données de référence sont encore insuffisantes pour pouvoir différencier efficacement les espèces étudiées. En revanche, la technique de GC*GC-TOFMS combinée à des statistiques non supervisées (Analyse en Composantes Principales) a montré des signatures chimiques distinctes à partir d'échantillons de bois des cinq espèces, ce qui a permis une identification rapide au niveau de l'espèce. Ainsi, GC*GC-TOFMS fournit une méthode rapide d'identification du bois qui peut être facilement appliquée à de petits échantillons de bois de duramen et peut avoir des applications potentielles dans un contexte d'application de la loi et d'analyse/identification judiciaire des bois illégaux, et dans diverses recherches liées à la foresterie, aux sciences du bois et à l'écophysiologie des arbres. / Swietenia, Cedrela, Khaya and Toona are tree genera providing valuable tropical timber. Accurate identification of timber is necessary to control illegal logging and related trade as well as for certification purposes in the forest and wood products industry. Swietenia mahagoni, Swietenia macrophylla and Cedrela odorata have been included in Appendix II of Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES) and trade in these species has been restricted by the imposition of specific documentation and permits for importation and exportation of goods. As a result of these essential restrictions to protect species survival, other closely related non-CITES species including Khaya ivorensis and Toona ciliata have been introduced as substitutes for these CITES- regulated species and their accurate identification represents a challenge for the application of CITES regulation worldwide. Thus, the aim of the study is to evaluate identification methods to identify and differentiate closely related species of the Meliaceae family namely Swietenia mahagoni, Swietenia macrophylla, Cedrela odorata, Khaya ivorensis and Toona ciliata based on anatomical, machine-vision and chemical analysis of the wood. In this study, three approaches were used, analysis of the wood structure by optical microscopy, machine-vision system and metabolome profiling by two-dimensional gas chromatography combined with time-of-flight mass spectrometry (GC*GC-TOFMS). In total, 50 wood samples of the above-mentioned species from the Xylaria of the Canadian Forest Service and the Centre de recherche sur les matériaux renouvelables, Université Laval were analyzed. Considerable variations were observed in the anatomical characteristics of the wood of these species, but these variations were not sufficient to differentiate them at the species level. Similarly, machine-vision system (Xylotron) is simple and effective in wood identification, but this tool is still in development and require the construction of sufficient reference databases to cover a greater number of wood species. In contrast, GC*GC-TOFMS combined with unsupervised statistics (Principal Component Analysis) showed distinct chemical signatures from wood samples of five species, which allowed rapid identification to the species level. Thus, GC*GC-TOFMS provides a rapid method for wood identification that can be easily applied to small samples of heartwood and forensics and have potential applications in a context of law enforcement analysis/identification of illegal wood, and in related to forestry, wood science and tree ecophysiology.

Le soudage du bois par rotation à haute vitesse est une technique qui a été développée durant les cinq dernières années. La rotation à haute vitesse permet le soudage du goujon en bois, sans ajout d’adhésif, avec une force considérable. Le procédé de soudage est basé sur la friction mécanique créée par la haute vitesse de rotation. Ce procédé a démontré être aussi efficace que le procédé de soudage par vibration, induisant une température favorisant le ramollissement des constituants structuraux, principalement du matériau polymère amorphe dans la structure du bois, notamment, la lignine, mais aussi les hémicelluloses. Ceci a pour conséquence une forte densification au niveau de l'interface soudée. L'objectif de cette étude était d'analyser les changements chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation avec des goujons et des substrats en bois provenant de deux essences feuillues canadiennes : l'érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les analyses chimiques ont été effectuées en utilisant la pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse GC et à la spectrométrie de masse MS. L’étude de la modification structurale du bois après soudage a été complétée par l’utilisation des techniques DSC et XPS. Les différences en composition chimique du bois entre deux essences influencent l’efficacité du procédé de soudage. L’augmentation de la température à l’interface provoque une plus forte dégradation des hémicelluloses comparée à celle de la cellulose et de la lignine. La lignine est modifiée dans une certaine gamme de température. Les méthodes traditionnelles d'analyse chimique ont été utilisées pour déterminer la composition chimique de l'érable à sucre et du bouleau jaune. Les résultats montrent que la teneur en lignine de l'érable est plus élevée que celle du bouleau, tandis que la quantité d'hémicelluloses est plus faible que celle du bouleau. La composition en cellulose des deux feuillus est similaire. Les résultats de l'analyse chimique peuvent expliquer en partie les résultats des tests mécaniques de traction qui démontrent que l’utilisation du bois de l'érable permet d’obtenir une meilleure qualité de soudage qu’avec le bois du bouleau. Les modifications chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation.ont été examinées par l’’analyse comparative par Pyrolyse-GC/MS, DSC et XPS, d’un échantillon provenant du substrat en bois dans la zone non soudée (bois de référence) avec celle d’un échantillon provenant de la zone soudée. Les résultats de ces analyses indiquent que les différences de performances mécaniques obtenues avec les deux essences sont essentiellement dues due aux différences dans les structures de la lignine d'origine de deux essences ainsi qu’aux différences de températures de soudage mesurées. L’analyse détaillée des composés identifiés par Py-GC-MS, ainsi que les ratios S/G et L/C est présentée dans ce ratio. La haute température à l’interface de soudage relevée dans le cas de l'érable à sucre pourrait être responsable d'une meilleure fusion des polymères du bois dans cette zone. Ceci explique une plus grande présence de dérivés des hémicelluloses due à la formation d'un nouveau complexe Lignine-polysaccharide (LCC) dans le matériau soudé. / Wood welding by high speed rotation is a technique that has been developed during the last five years. High-speed rotation-induced wood dowel welding, without any adhesive, is shown to rapidly yield wood joints of considerable strength. The welding process is based on mechanical friction created by the high speed rotation. This method has proven to be as effective as vibration welding process, causing a temperature favoring the softening of the main constituents, mainly amorphous zones of cells connecting the polymer material in the structure of wood, including lignin, but also hemicelluloses. This results in high densification of the bonded interface. The goal of this study was to analyze the chemical changes that occur during the rotational welding with dowels of two Canadian hardwood species: sugar maple (Acer saccharum) and yellow birch (Betula alleghaniensis). Chemical analysis was performed using pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS). The study of the structural modification of wood after welding was conducted using DSC and XPS techniques. The differences in chemical composition of both wood species influence the effectiveness of the welding process. Increasing the temperature at the interface causes a higher degradation of hemicelluloses compared to cellulose and lignin. Lignin is softened in a certain range of temperature. The traditional chemical analysis methods were used in this work to determine the chemical compositions of sugar maple and yellow birch. The results show that the lignin content of the maple is higher than that of birch, while the amount of hemicelluloses is lower than that of birch. The contents of cellulose in both hardwood species are very similar. The results of chemical analysis may partly explain the results of mechanical tensile tests which demonstrate that the maple wood yields a better welding quality as opposed to the birch wood. The chemical changes was examined which occur during welding in rotation. The analyses performed separately on wood substrate (reference wood) and welded material by using pyrolysis-GC/MS, DSC and XPS techniques. It is shown that the differences in mechanical performances of the two welded woods are due mainly to the differences in original lignin structures as well as in the welding temperatures determined for the two wood species. The detailed analysis of compounds identified by Py-GC-MS, the ratios S/G and L/C have been discussed. The higher temperature welding found in cases of sugar maple might be responsible for a better miscibility of polymers of wood in the welding zone. This explains the greater presence of hemicellulose derivatives with the formation of a new lignin-polysaccharide complex (LCC) in the welded material.

Les forêts du sud-ouest de la province de Québec, Canada, sont riches en essences feuillues dites nobles telles que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis) et l’érable à sucre (Acer saccharum). Leur exploitation antérieure a généralement été basée sur une coupe à diamètre limite visant la récupération des billes de grande valeur. Une telle pratique, avec le temps, a amené une diminution générale de la vigueur des arbres sur pied en forêt. La réglementation actuelle oblige les exploitants forestiers à récolter préférentiellement les arbres de faible vigueur de manière à rétablir la qualité des forêts. Ces arbres de faible vigueur, souvent de faible qualité, possèdent généralement une faible valeur économique. La pertinence de l’ajout d’une étape d’extraction chimique à l’éthanol des tissus de bois et de l’écorce dans les procédés de transformation de la matière déjà existants a été étudiée dans ce mémoire. Plus spécifiquement, les travaux visaient à évaluer le potentiel d’une telle stratégie appliquée à la transformation des arbres de faible vigueur. Du bois et de l’écorce provenant d’arbres vigoureux (références) et non-vigoureux mourants (infectés par des champignons ou séchant du houppier) ont été extraits à l’éthanol à l’aide de deux méthodes différentes : par macération et par extraction assistée aux ultrasons. D’une part, les extraits ont été étudiés pour leur contenu en polyphénols (phénols totaux, taux de proanthocyanidines, de flavonoïdes et d’acides hydroxycinnamiques) et en triterpènes et phytostérols. D’autre part, les tissus ont été étudiés avant et après extraction pour leur pouvoir calorifique supérieur, leur composition chimique organique, leur contenu en cendres, ainsi que la composition chimique des cendres. Bien qu’une variation soit observée entre les différents arbres, les extractions n’affectent pas les capacités de combustion des tissus. Elles peuvent en outre constituer un apport notable de polyphénols, de triterpènes et de stérols possédant un potentiel économique dans les domaines nutraceutique, pharmaceutique ou cosméceutique, et ce, peu importe la vigueur des arbres à la source des tissus ou la méthode d’extraction utilisée. L’extraction du bois et de l’écorce de bouleaux jaunes et d’érables à sucre de faible vigueur peut donc être envisagée dans une stratégie de transformation à valeur ajoutée de la ressource. / Forests of South-West Québec, Canada, are rich in yellow birch (Betula alleghaniensis) and sugar maple (Acer saccharum). Past forest practices were aiming to harvest the superior quality and higher value logs via selective cuttings, which resulted in a decrease of the general vigor of the trees left standing in the forests. Current regulations require the foresters to harvest preferentially low vigor trees in order to restore the quality of the forests. These low vigor trees, which are often less suitable for value-added products such as flooring or furniture, are also generally of a low economic value. The addition of an ethanolic extraction of the wood and bark tissues to a currently applied processing approach was studied in order to assess its feasibility with trees of different vigor. Wood and bark tissues were collected from vigorous (references) and non-vigorous dying trees (fungus infected or with very poor foliage) and were extracted with ethanol using two different methods: maceration assisted and an ultrasound assisted extraction. The extracts were characterized for their total phenols, proanthocyanidins, flavonoids, hydroxycinnamic acids, triterpenes and phytosterols content. Tissues were characterized before and after extraction for their calorific value, organic composition, ash content and ash mineral composition. While much variation was observed between trees, the ethanolic extractions did not affect the combustion properties of the tissues, while bringing a significant contribution in polyphenols, triterpenes and phytosterols - all molecules having potential applications in nutraceutics, pharmaceutics or cosmeceutics - no matter the vigor of the tree at the source of the tissues or the extraction method employed. The ethanolic extraction of wood and bark coming from low vigor yellow birch and sugar maple can be considered as a mean to add value to the resource.

Le traitement thermique du bois sous une atmosphère gazeuse est un procédé qui vise à améliorer les propriétés du bois. En effet, les bois traités ont une stabilité dimensionnelle améliorée, une nature hygroscopique réduite et une meilleure résistance à la dégradation par divers facteurs (champignons, insectes). L’inconvénient principal du procédé est la longue durée du traitement. Le présent travail explore l’utilisation des liquides ioniques pour le traitement du bois, car ils ont la particularité d’accélérer la décomposition des principaux constituants du bois. Des analyses de surface et des tests de propriétés physico-mécaniques ont été réalisés sur les bois traités. Les analyses de surface ont révélé que les liquides ioniques ont contribué à la dégradation de la lignine, et au développement du caractère hydrophobe du bois. Les tests physico-mécaniques ont quant à eux montré la baisse dans la reprise d’humidité et d’eau, la réduction du gonflement et des propriétés mécaniques. / The heat treatment of wood in a gas atmosphere is a process that aims to improve the properties of wood. Indeed, treated wood possesses improved dimensional stability, reduced hygroscopic nature and resistance to degradation by various factors (fungi, insects). The main disadvantage of the method is the long duration of treatment. This work explores the possibility of using ionic liquids for the treatment of wood as they have the particularity to accelerate the decomposition of the main wood constituents. Surface analysis and testing of physical and mechanical properties were performed on treated wood. The surface analysis showed that ionic liquids have contributed to the degradation of lignin as well as the development of the hydrophobic character of the wood. The physical and mechanical tests have meanwhile revealed that lower moisture and water absorption contents, decreased the swelling and mechanical properties.