Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / Le but de ce projet est de concevoir un nouveau composite de type « bois-plastique » à base de poly(succinate de butyle) (PBS) et de fibres d'érable. La fibre d'érable provient d'un rejet de l'industrie forestière sous forme de poudre, tandis que la résine PBS (vierge) est disponible sous forme de granulés. Les échantillons de composite sont produits selon la méthode d'extrusion puis moulés à l'aide d'une presse à injection. Le travail se décompose en trois parties. La première partie étudie l'effet de la concentration de fibres d'érable (0 à 40% en poids) dans le composite. Selon les résultats de caractérisations obtenus (mécanique, physique et morphologique), la deuxième partie étudie l'effet de la concentration (0 à 15% en poids) d'un agent couplant commercial (polypropylène greffé d'anhydride maléique, MAPP). Finalement, la troisième partie étudie le comportement au recyclage mécanique en boucle fermée pour le composite optimisé (30% de fibres d'érable et 10% d'agent couplant). Comme conclusion principale, on observe que le composite a vu ses propriétés augmenter à l'aide de l'agent couplant mais pas de façon significative. Il présente néanmoins une bonne conservation de ses propriétés au recyclage. Cette étude aura permis de montrer que la méthode d'extrusion fonctionne pour le composite à base de PBS et de fibres de bois. Cependant, il faudra revoir la partie de compatibilisation matrice/renfort pour le futur. / The goal of this project is to design a new wood-plastic composite based on poly(butyl succinate) (PBS) and maple fibres. Maple fibres are residues from the forest industry in a powder form, while PBS (virgin) is available in pellets. The composites are produced using extrusion and then molded via injection molding. The work is divided into three parts. The first part studies the effect of maple fibers concentration (0 to 40% by weight) in the composite. Based on the characterization results obtained (mechanical, physical and morphological), the second part studies the effect of the concentration (0 to 15% by weight) of a commercial coupling agent (polypropylene grafted with maleic anhydride, MAPP). Finally, the third part studies the behavior under mechanical recycling in a closed loop for the optimized composite (30% maple fibers and 10% coupling agent). As a main conclusion, it is observed that the composite has better properties with the addition of the coupling agent, but not significantly. Nevertheless, it retains its properties in recycling. This study shows that extrusion works well for composites based on PBS and wood fibers. However, it will be necessary to review the matrix/reinforcement compatibility part in future work.

L'objet de ce travail est de produire et de caractériser des composites à base de polyéthylène de très haut poids moléculaire (UHMWPE) et de fibres de bois. Tout d'abord, la préparation des échantillons renforcés avec de la poudre de bois provenant de sciure de bois obtenue d’une scierie s'est faite. Ce projet souligne l'utilisation des matières premières sous forme de poudre. Les échantillons sont préparés avec la technique du mélange à sec, avec un simple mélangeur, ensuite moulés par compression. Des teneurs en bois allant jusqu'à 30% en poids ont été employées à cette fin. L'étude de l'effet de la concentration de bois sur la morphologie, la densité, la dureté et sur les propriétés mécaniques (flexion, torsion et traction) est le moteur de cette recherche. On démontre que l'ajout de la farine de bois a augmenté significativement les modules (jusqu'à 97%). On montre aussi que l’adhésion et la dispersion des fibres de bois au sein de la matrice étaient bonnes et que l'ajout du bois améliore considérablement les caractéristiques mécaniques de ces composites. / The aim of this study was to produce and characterize composites made from wood flour and Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). Firstly, the composites were initially prepared with wood sawdust provided from a sawmill and this study highlights particularly the use of raw materials in a powder form. Composites were prepared by a simple dry mixing technique and then compression molded. The wood content was up to 30%wt. The effect of wood content on morphology, density, hardness, and mechanical properties (tensile, torsion and flexion) was investigated. The results show that wood flour addition increased substantially all the moduli (up to 97%). The results show also that good dispersion and adhesion were achieved and wood flour addition increased significantly the mechanical properties of the composites.

Les développements récents de la législation associée aux impacts environnementaux des déchets plastiques d’origine post-consommation ont mené à des efforts sur le développement de techniques viables de recyclage. Ainsi, le but de cette recherche était de produire des composites bois-plastique (WPC : wood plastic composites) à partir de la fraction légère des déchets plastiques municipaux (post-consommation) et de résidus de transformation du bois (sciure). Afin d’améliorer la compatibilité et l’adhésion entre le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP), un copolymère d’éthylène-octène (EOC: ethylene-octene copolymer) a été utilisé pour développer la compatibilité entre les phases polymères tout en agissant comme modificateur d’impact. L’ajout de PE et PP maléatés (MAPE: maleated polyethylene; MAPP maleated polypropylene) a permis de fournir une meilleure compatibilité entre la matrice polymère et la farine de bois. Les effets combinés de tous les composants ont mené à la production de composites présentant des propriétés morphologiques (dispersion et adhésion) et mécaniques (traction, torsion, flexion et impact) intéressantes après l’optimisation de l’ensemble des additifs (mélanges d’agents couplants). Dans un second temps, des composites structuraux à trois couches ont été produits à partir des matériaux composites mentionnés plus haut afin d’étudier l’effet des paramètres de design sur les performances en flexion et à l’impact. Les paramètres étudiés incluent la teneur en bois, l’épaisseur des couches individuelles de composite, ainsi que la séquence et la configuration d’empilement des différentes couches (structures symétriques et asymétriques). Enfin, la théorie classique des poutres a été utilisée avec succès pour prédire le module en flexion et ce, avec un maximum de 10% de déviation pour ces structures complexes. / Recent legislations associated with environmental impacts of post-consumer plastic wastes have driven substantial attention toward developing viable recycling techniques. Therefore the aim of this research was to produce wood plastic composites (WPC) from the light fraction of municipal plastic wastes (post-consumer) and wood processing residues (sawdust). In order to improve compatibility and adhesion between polyethylene (PE) and polypropylene (PP), an ethylene-octene copolymer (EOC) was used to compatibilize the polymer phases and also to act as an impact modifier. Addition of maleated polyethylene (MAPE) and maleated polypropylene (MAPP) provided improved compatibility between the polymer matrix and the wood flour. The combined effect of all the components was found to produce composites with interesting morphological (dispersion and adhesion) and mechanical properties (tension, torsion, flexion and impact) after optimization of the additive package (blend of coupling agents). In the second phase, three-layered structural composites were produced from the aforementioned composites to investigate the effects of design parameters on their flexural and impact performance. The studied parameters include wood content, thickness of individual composite layers, as well as stacking sequence and configuration (symmetric and asymmetric structures). In addition, the classical beam theory was successfully used to predict the flexural modulus within 10% of deviation for these complex structures.

L'idée d'utiliser des fibres végétales naturelles comme renfort dans une matrice de polymère n'est pas tout à fait nouvelle, mais dans un contexte où le recours à des ressources renouvelables tend à devenir une priorité, elle est désormais considérée comme une voie prometteuse et doit poursuivre sa contribution aux objectifs de développement durable tout en continuant à répondre aux préoccupations environnementales. D'autant que des industriels ont déjà mis au point la production de composites renforcés de fibres végétales pour des applications ciblées. Ils s'efforcent donc d'élargir leurs marchés qui sont encore modestes. Seulement quelques dizaines de milliers de tonnes de fibres végétales sont intégrées aujourd'hui dans des composites, à comparer aux 2 millions de tonnes de fibres de renfort de synthèse utilisés par an [1]. Associer l'industrie du bois à celle des plastiques est un segment d'affaire qui peut permettre à l'industrie du bois de trouver des solutions adaptées à l'économie québécoise, en investissant dans la dans la recherche, l'innovation et la modernisation des équipements. Cela permet aussi d'accroître et de parfaire la production de produits tels que les panneaux à base de bois, les bois d'ingénierie, les bois-polymères, ainsi que d'autres produits à valeur ajoutée. Le renforcement d'un polymère avec des fibres naturelles qui ne sont pas compatibles avec la matrice produira un matériau totalement différent. D'un point de vue mécanique en général, cette charge améliore certaines propriétés comme la résistance mécanique et au fluage. Néanmoins, qu'en est-il pour leurs propriétés thermophysiques (conductivité et diffusivité thermique) qui sont des paramètres aussi importants pour prédire les variations de température au cours d'un processus spécifique? En particulier, dans le cas de procédés où les matériaux vont subir un changement de phase (c'est le cas du rotomoulage par exemple), où un risque de dégradation thermique est toujours présent dû au long cycle de production. Ces propriétés suscitent donc beaucoup d'intérêts pratiques et théoriques. C'est la raison pour laquelle un grand nombre de ces travaux ont été réalisés dans ce domaine. L'objectif principal de ce mémoire est de se confronter à certaines de ces difficultés pour tenter d'établir la relation entre le comportement thermique d'un composite bois-polymère et l'influence des paramètres tels que le taux de charges, l'orientation et le changement de température sur l'évolution des propriétés thermophysiques, et cela on déterminant les conductivités thermiques apparentes des composites étudiés et la création d'un modèle simplifié afin de simuler un cycle de rotomoulage, en tenant compte du changement de phase. On vise ici le rotomoulage comme procédé de mise en forme afin de simuler tous les phénomènes de transfert de chaleur, et cela pour un composite bois-polymère dont la variation des paramètres cités précédemment (taux de charge, l'orientation et la distribution de taille) sera maitrisée. Dans un premier temps, le travail consiste donc à développer un modèle de simulation pour prédire le comportement thermique d'un composite bois-polymère. Par la suite, il faudra déterminer l'influence du taux de charge sur l'évolution des conductivités thermiques en fonction de la température, à l'état solide et à l'état fondu de la matrice polymère. Ceci se fera en comparant les résultats entre la simulation et les résultats expérimentaux. La deuxième partie du projet consiste à prédire le comportement de ce composite avec un modèle thermique simplifié, pour un procédé de rotomoulage en tenant compte des paramètres essentiels et de voir aussi l'influence de toutes données qui peuvent être modifiées dans le but d'optimiser le cycle, de suivre l'évolution des températures dans les différentes couches de polymère/composite ainsi formé, au niveau du four et de l'air interne, de la température en chaque instant du cycle thermique, à différents temps de chauffe, etc. La dernière partie de ce mémoire discutera de tous les résultats obtenus et de conclure sur la validité du modèle de simulation dans le cas des calculs de conductivités thermiques et la modélisation du cycle de rotomoulage.

Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser un composite bois polymère ou WPC, rencontrant certaines exigences, notamment la post-thermoformabilité. Nous avons élaboré un panneau composite fibre de bois/thermodurcissable/thermoplastique dans la logique d’un « éco-matériau ». Ce matériau innovant est destiné à un usage structurel ou décoratif. Il est fabriqué selon un procédé de pressage à chaud d’un matelas fibreux. La problématique de l’incompatibilité d’interface entre le bois et le thermoplastique, récurrente pour bon nombre de WPC, a été résolue grâce au développement d’une technique originale d’amélioration de l’adhésion par enrobage. Les améliorations ont permis d’obtenir des caractéristiques physico-mécaniques semblables aux panneaux de densité moyenne. La composante thermoplastique nous a permis d’octroyer une aptitude de post-thermoformabilité à ce matériau. L’analyse détaillée de la composition des panneaux WPC, de leurs propriétés à différentes températures, ainsi qu’un travail de modélisation expliquent, en partie, le comportement complexe de ce nouveau WPC. / This project deals with a new type of Wood Polymer Composite (WPC) able to be post moulded. Based on wood industry processing we developed different wood/adhesive/thermoplastic fibreboards. This exploratory work leads to an innovative WPC fibreboard dedicated to structural or decorative use. In order to reach sufficient mechanical properties we managed to improve the cohesion properties. In fact, weak interfacial adhesion is a recurrent problem of all Wood/Thermoplastic products. An original coating process of MAPP onto PP fibres gave great interfacial adhesion enhancement and mechanical properties similar to MDF panels. The post thermoforming ability was measured with an original thermoforming test. These investigations, through characterisation and modelling, allowed us to determine the role of different factors and their interactions. Our post mouldable composite WPC fibreboards are porous and made-up of a fibre network which showed a complex rheological behaviour. Morphology, concentration, distribution of each components and surface interactions between them explain this behaviour.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Le but de ce travail est de produire et de caractériser des structures sandwich à trois couches asymétriques avec ou sans cœur moussé. Pour ce faire, le travail est divisé en deux sections. Dans la première partie, l'effet de la variation des quantités d'agent de couplage et de fibres sont étudiés. La microscopie et la caractérisation mécanique sont utilisées pour évaluer l'effet du polyéthylène greffé d’anhydride maléique (MAPE) sur l'amélioration de la compatibilité entre les fibres de chanvre et le polyéthylène de haute densité (HDPE). Les résultats montrent que les propriétés mécaniques optimales (tension, flexion, torsion et impact) sont obtenues à 9% en poids de MAPE. Dans la deuxième partie, des structures sandwich asymétriques à trois couches, avec ou sans cœur moussé, sont produites par extrusion suivi par un moulage en compression. Les effets de paramètres tels que la densité du cœur, la concentration en chanvre dans les peaux, les épaisseurs des couches et la séquence d'empilage sur leurs comportements en flexion et en impact sont étudiés. Les effets combinés de tous les paramètres mènent à contrôler les propriétés mécaniques (traction, torsion, flexion et impact) des structures sandwich asymétriques. / The aim of this work is to produce and characterize asymmetric three-layer sandwich structures with and without foam core. In order to do so, the work is divided in two sections. In the first part, the effect of coupling agent and fiber content is investigated. Micrographs and mechanical characterizations are used to show that the addition of maleic anhydride polyethylene (MAPE) improved the compatibility between hemp and high density polyethylene (HDPE). It is found that the optimum mechanical properties (tension, flexion, torsion and impact) are obtained with 9% wt. of MAPE in the composite. In the second part, asymmetric three-layer sandwich structures with and without foam core were produced using extrusion followed by compression molding. The effect of different parameters such as core density, skin hemp content, layer thickness, and stacking sequence on their flexural and impact behaviors are studied. The combined effect of all the parameters was found to control the mechanical properties (tension, torsion, flexion and impact) of asymmetric sandwich structures.

Le bois est une ressource renouvelable qui est utilisée comme matériau dans les produits d'apparence depuis des années. Malgré sa résistance mécanique supérieure, différents procédés de modification ont été développés pour améliorer la dureté du bois et en faire un matériau encore plus durable. L'imprégnation avec des monomères est une méthode de modification prometteuse, compte tenu de son coût et de sa disponibilité. Ce procédé est actuellement mis en oeuvre pour produire des composites bois-polymère (CBP), qui peuvent présenter des qualités physiques modifiées et améliorées par rapport à un produit en bois non traité. Le développement industriel est principalement concentré sur la production de ces composites pour de nombreuses applications telles que la construction civile, les meubles, les revêtements de sol et les équipements sportifs. Actuellement, l'imprégnation des monomères est réalisée par la méthode du vide-pression. Le produit chimique réalisable avec cette méthode est considéré comme élevé; dans certains cas, jusqu'à 200 %. Les produits CBP ont présenté des propriétés mécaniques améliorées et une meilleure résistance à l’absorption de l'eau. Cependant, le procédé d’imprégnation dure environ 1 heure et le bois doit être immergé dans le liquide (processus à cellules complètes de Bethell). Pour cela, ils peuvent être considérés comme un gaspillage tant sur la quantité de matériaux que sur la durée du processus. Des études antérieures ont conclu que la réalisation d'une imprégnation de monomère sur une surface de bois feuillus en utilisant une courte période de vide était réussie et pouvait réduire ces problèmes. Par conséquent, le besoin de moyens pour réduire le temps et le coût de l'imprégnation industrielle s'est formé. L'objectif de ce travail était d'évaluer les paramètres qui influencent la pénétration des monomères dans la surface tangentielle des échantillons de bouleau jaune (Betula alleghaniensis Brit.) et de chêne rouge (Quercus rubra L.). Les facteurs analysés étaient la viscosité des formulations monomères, la température de surface, le niveau de vide appliqué au procédé, le temps d’absorption et l’anatomie des échantillons. Après l’imprégnation, le gain de masse des échantillons a été calculé. La profondeur de pénétration du monomère a été calculée à l'aide des profils de densité (pour les échantillons de bouleau jaune) et la pénétration a été visualisée avec une imagerie par micro-tomographie aux rayons X. Les résultats ont montré que la température de surface n'a influencé le gain de masse pour aucune des espèces étudiées. Cependant, l'augmentation de la température a accéléré le processus de polymérisation des formulations monomères, ce qui peut avoir limité l'augmentation de la rétention chimique pour une température plus élevée. Les images de micro-tomographie après étude de la température ont montré que l'imprégnation était concentrée près de la surface des échantillons, c'est-à-dire qu'il n'y avait pas de pénétration profonde des monomères. La soumission des échantillons à un bref niveau de vide a augmenté le gain de masse des échantillons par rapport à l’imprégnation sous pression atmosphérique. La force motrice de la pénétration du monomère était la différence de pression imposée par le niveau de vide, qui a surmonté l'action capillaire. Pour les échantillons de bouleau jaune, la variation des niveaux de vide n'a pas affecté de manière significative les résultats de gain de poids, peut-être en raison de la taille de ses pores. Pour le chêne rouge, le niveau de vide était signifiant et la rétention chimique augmentait avec la différence de pression. Les scans micro-tomographiques ont montré une distribution plus contrôlée et uniforme des monomères. Enfin, le temps d'absorption après relaxation sous vide était significatif dans la rétention de monomère. Le contact des deux espèces avec les formulations pendant plus de 5 minutes a considérablement augmenté l’apport de monomères. Des scans aux rayons X ont montré que pour les deux espèces, plus de pores étaient remplis. La profondeur de pénétration n'a pas tellement augmenté pour le bouleau jaune, mais elle a augmenté pour le chêne rouge. Avec cela, on peut dire qu'un temps d'absorption plus prolongé permet à la capillarité de continuer à remplir les récipients vides du bois jusqu'à ce que la pression interne soit égale à la pression externe. Cette recherche peut encourager des travaux futurs pour étudier la faisabilité de la réduction des cycles vide-pression dans les procédés industriels. Cette méthode peut permettre de densifier la surface d'intérêt d'un produit en bois de manière contrôlée, avec des coûts réduits et d'éviter le gaspillage de matière d'imprégnation. / Wood is a renewable resource that has been used as a material in appearance products for years. Despite its superior mechanical resistance, different modification processes have been developed to enhance the hardness of wood and make it an even more durable material. Impregnation using monomers is a promising modification method, given its cost and availability. This process is currently being implemented to produce wood polymer composites (WPC), which can have modified and improved physical qualities compared to an untreated wood product. Industrial development is mostly focused on the production of these composites for many applications such as civil construction, furniture, flooring and sports equipment. Currently, monomer impregnation is carried out by the vacuum-pressure method. The amount of chemical that can be obtained by this method is considered to be high; in some cases, up to 200%. The WPCs produced have improved mechanical properties and greater resistance to water impregnation. However, the impregnation process takes about 1 hour, and the wood must be immersed in the liquid (Bethell’s full-cell process). This can be seen as a waste of both material and time in the process. Previous studies have concluded that performing a monomer impregnation on a hardwood surface using a short vacuum period was successful and could reduce these problems. Therefore, it became necessary to find ways to reduce the time and cost of industrial impregnation. The objective of this work was to evaluate the parameters influencing monomers penetrationin tangential surface samples of yellow birch (Betula alleghaniensis Brit.) and red oak (Quercus rubra L.). The factors analyzed were the viscosity of the monomer formulation, surface temperature, vacuum level applied to the process, sample anatomy, and absorption time. After impregnation, the weight gain of the samples was calculated. The penetration depth of the monomer was calculated using density profiles (for yellow birch samples) and the penetration was visualized using X-ray tomography imaging. The results showed that surface temperature did not influence weight gain for any of the species studied. However, the increase in temperature accelerated the polymerization process of monomeric formulations, which may have limited the increase in chemical retention at higher temperatures. Microtomographic images after the temperature study showed that the impregnation was concentrated near the surface of the samples, i.e., there was no deep penetration of monomers. Subjecting the samples to a short vacuum level increased the weight gain of the samples compared to impregnation under atmospheric pressure. The driving force behind the monomer penetration was the pressure difference imposed by the vacuum level, which overcame capillary action. For Yellow birch samples, the variation of vacuum levels did not significantly affect the weight gain results, possibly due to the size of its pores. For red oak, the vacuum level was significant, and the chemical retention increased with pressure differential. Microtomographic scans showed a more controlled and uniform distribution of the monomers. Finally, the absorption time after vacuum relaxation was significant in monomer retention. The contact of both species with the formulations for more than 5 minutes significantly increased monomers intake. X-ray scans showed that for both species, more pores were filled. The depth of penetration did not increase so much for yellow birch but increased for red oak. Thus, it can be said that a longer absorption time allows capillarity to continue filling the empty vessels of the wood until the internal pressure is equal to the external pressure. This research may encourage future work to study the feasibility of reducing vacuum pressure cycles in industrial processes. This method can enable hardening the surface of interest of a wood product in a controlled manner, with reduced costs and avoid wasting of impregnation materials.

La problématique rencontrée lors du mélange bois-plastique résulte de la nature des constituants, le plastique étant un matériau non-polaire et hydrophobe par opposition au bois, un matériau polaire et hydrophile. Ce projet de recherche mené en collaboration avec Mafor inc., vise à mieux comprendre le comportement physico-mécanique d’un composite chêne-polypropylène fabriqué suivant une plage étendue des concentrations en bois (30% à 70%) et en agent liant (0% à 4% de polypropylène maléaté par rapport au poids du bois). En l’absence d’un liant, les travaux réalisés ont montré que l’ajout de bois dans la matrice de plastique affaiblit globalement les propriétés physico-mécaniques du composite bois-plastique. En présence d’un liant utilisé en faible concentration (2%), les résultats montrent une forte augmentation relative des modules de rupture en flexion (162%) et en tension (107%) pour un composite contenant 65 % de bois. Dans ce cas, on observe également une réduction de l’absorption d’eau de 45% pour ce composite évalué sur une période de 28 jours de trempage. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Cette étude porte sur la durabilité photochimique de biocomposites constitués de matrices polymère biodégradables et de charges bois. Elle a permis de mettre en relief l'influence de différents paramètres comme la nature de la matrice ou de la charge sur la photostabilité des matériaux. Trois matrices ont été utilisées : le PLA, un PBAT : l'Ecoflex, et un mélange des deux : l'Ecovio. Le bois a été incorporé dans les matrices sous forme de poudre de différents diamètres. Du peuplier et du pin sylvestre ont été étudiés. Et l'effet d'un traitement thermique des bois, appelé rétification, a été observé sur les propriétés des composites. Le photovieillissement des matériaux a été réalisé en conditions naturelles et en conditions accélérées. Des mécanismes de photooxydation ont été proposés pour chacun des matériaux à partir de l'évolution des propriétés viscoélastiques traduisant celle de la structure macromoléculaire.

La mise en oeuvre des composites bois-plastique exige de résoudre trois difficultés: le manque d'adhésion des particules de bois au polymère (dispersion et propriétés mécaniques affectés), la dégradation thermique des particules et la variabilité des propriétés du bois. La mise en oeuvre ici a été faite par rotomoulage ou en moulage compression pour des teneurs variables en poudre de bois et en agent couplant. Les propriétés mécaniques en flexion, en torsion, en traction et en resilience, en plus des propriétés physiques en vieillissement accéléré, en sollicitation thermique et les dimensions structurales ont été caractérisées. Les résultats montrent qu'indépendamment du type de sollicitation (traction, flexion ou torsion dynamique) la rigidité et la résistance des échantillons composites rotomoulés est moindre que ceux obtenus en moulage par compression. Néanmoins, la résistance à l'impact des échantillons rotomoulés est comparable à celle obtenue en moulage compression. En vieillissement accéléré, les échantillons composites ont subit un changement de couleur qui dépend de la teneur en bois et de la qualité de la surface. La clarté augmente avec le temps de vieillissement et les échantillons jaunissent dans les premières heures, puis évoluent vers le bleu.