Les objectifs de cette étude ont été 1) d’améliorer la stabilité dimensionnelle des panneaux de fibres de densité moyenne (MDF) par trois traitements physico-chimiques: a) l’estérification, b) l’addition de polypropylène maléaté et c) le traitement à haute température; 2) de déterminer l’effet de ces traitements sur les propriétés mécaniques, les profils de masse volumique et les propriétés de mouillage des panneaux et 3) de déterminer les modifications chimiques suite aux traitements. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres estérifiées à 5 % d’anhydride maléique. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après 2 heures d’immersion dans l’eau. Toutefois, le traitement n’a pas amélioré les propriétés physiques dans les autres conditions. L’angle de contact en retrait a augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué suite au traitement. Des panneaux MDF ont été produits avec deux types d’adhésifs (urée-formaldéhyde et mélamine-urée-formaldéhyde) et trois concentrations de polypropylène maléaté (0, 3 et 5 %). Les photomicrographies ont montré la formation d’agglomérats de polypropylène maléaté à l’intérieur des panneaux. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. La dilatation et la contraction linéaire ont augmenté. Le gonflement et le retrait en épaisseur en conditions d’adsorption et de désorption ont diminué. Le traitement a aussi amélioré les propriétés mécaniques ainsi qu’augmenté les angles de contact et diminué l’absorption d’eau par capillarité. La spectroscopie infrarouge n’a pas détecté de réactions chimiques entre les fibres et le polypropylène maléaté. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres non traitées et de fibres traitées à la chaleur à 150 et 180oC pendant 15, 30 et 60 minutes. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. Le gonflement en épaisseur après des cycles répétés d’humidité relative a augmenté alors que les autres propriétés mesurées dans les mêmes conditions n’ont pas changé. Les angles de contact ont augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué. La spectroscopie des photoélectrons a montré une légère réduction du ratio O/C et des changements du ratio C1/C2 pour les fibres traitées. / The objectives of this study were 1) to improve the dimensional stability of medium density fiberboards (MDF) by three physical or chemical treatments: a) esterification, b) maleated polypropylene wax and c) heat treatment; 2) to determine the effect of these treatments on the mechanical properties, vertical density profiles and wetting properties of the panels and 3) to determine the chemical modification following treatments. MDF panels were produced from fibers esterified with 5 % maleic anhydride. The esterification treatment showed a reduction in thickness swelling and water absorption after 2 hours water soaking independently of reaction time. However, the treatment did not improve the physical properties after 24 hours water soaking or after relative humidity repeated cycles. The receding contact angle increased while wicking decreased following esterification. MDF panels were produced from two resin types (urea-formaldehyde and melamine-urea-formaldehyde) and three maleated polypropylene contents (0, 3 and 5 %). Photomicrographs showed that maleated polypropylene forms agregates within the panels. The treatment showed an important reduction of thickness swelling and water absorption after water soaking. Linear expansion and contraction increased following treatment. Thickness swelling and shrinkage in adsorption and desorption conditions decreased following treatment. The treatment improved the mechanical properties. Advancing contact angles increased for panels treated and bonded with urea-formaldehyde. Receding contact angle increased with 5 % maleated polypropylene content while wicking decreased following the treatment independently of maleated polypropylene content. Infrared spectroscopy did not detect chemical reaction between the fibers and the maleated polypropylene. MDF panels were produced from untreated fibers and heat-treated fibers at 150 and 180oC for 15, 30 and 60 minutes. Heat treatment showed a reduction on thickness swelling and water absorption after water soaking. Thickness swelling increased after relative humidity repeated cycles. Linear expansion and contraction and springback were not improved by the treatment. The treatment showed no significant effect in the mechanical properties and vertical density profile of the panels. The advancing and receding contact angles increased while wicking decreased by the treatment. X-ray photoelectron spectroscopy showed slight decreases in O/C ratio and changes in C1/C2 ratio for heat-treated fibers.

Les différentes colles utilisées actuellement par l’industrie du meuble au Canada nécessitent des temps de polymérisation constituant un goulot dans la production des meubles et limitant l’atteinte de la production unitaire. Ces adhésifs synthétiques généralement issus de la pétrochimie nécessitent énormément d’énergie lors de leur confection. L’utilisation de connecteurs métalliques ou plastiques, quant à elle, limite les phases de découpage et sablage subséquentes. La présence d’adhésifs et connecteurs, considérés comme une source de contamination tant dans des procédés de valorisation par la filière énergétique que dans les procédés existants de recyclage des produits du bois, limite la recyclabilité du produit rendant sa gestion en fin de vie utile très difficile. L’assemblage de composants en bois par la technique de soudage par friction rotationnelle est une alternative intéressante aux colles et connecteurs métalliques dans l’industrie du meuble. Le soudage du bois permet d’offrir un produit minimisant l’impact environnemental d’une entreprise alors que ce mode d’assemblage ne constitue pas une contrainte à la gestion en fin de vie du produit. La recyclabilité ou revalorisation des assemblages soudés permet d’offrir un produit en mesure de séquestrer du carbone plus longtemps ou encore de ralentir la réémission de celui-ci dans l’atmosphère. Le présent projet de recherche visait à évaluer l’aptitude du soudage par friction rotationnelle pour la fabrication de panneaux lamellés-soudés à usage intérieur. L’objectif était de concevoir des panneaux aussi performants que leur équivalent collé tout en réduisant les coûts de conception en éliminant l’utilisation d’adhésifs synthétiques, conférant du même coup un aspect écologique et durable au produit. Les objectifs spécifiques du projet étaient: de déterminer les paramètres optimaux variables du soudage rotationnel pour deux essences feuillues canadiennes soit l’érable à sucre et le bouleau jaune; de caractériser les propriétés mécaniques des joints soudés ainsi que la stabilité dimensionnelle de panneaux lamellés-soudés; de procéder à la caractérisation de la zone de fusion afin de comprendre les phénomènes physico-chimiques en cause afin de les mettre en relation avec les performances mécaniques des assemblages; d’analyser les émanations volatiles produites lors du soudage afin d’évaluer l’impact environnemental de ce procédé. ii Ce projet de recherche à fait l’objet d’une collaboration avec FPInnovations, EQMBO-Entreprises et le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) qui a conçu et assemblé un banc d’essai spécifiquement pour le panneautage par le procédé de soudage rotationnel. Considérant cette collaboration, une tangente industrielle a été donnée à la méthodologie employée afin de répondre aux objectifs des partenaires. Le banc d’essai a d’ailleurs fait l’objet d’ajustements et d’améliorations tout au long du projet en vue de son optimisation pour un transfert de cette technologie en milieu industriel. Le matériel utilisé pour cette étude visait également à refléter la matière première utilisée chez les fabricants de produits d’apparence en bois. Le banc d’essai conçu par le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) a permis d’étudier l’effet de différents paramètres sur la qualité de soudage pour l’érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les facteurs à l’étude étaient: l’essence (érable à sucre et bouleau jaune), la vitesse de rotation du goujon (1000 tours min-1, 1500 tours min-1 et 2500 tours min-1), la vitesse d’insertion du goujon (12,5 mm s-1, 16,7 mm s-1 et 25,0 mm s-1) et enfin l’angle d’insertion par rapport au fil du bois (insertion tangentielle à 0° par rapport au fil du bois et insertion radiale à 90° par rapport au fil du bois) pour un total de 36 combinaisons de facteurs. Dix répétitions pour chacune des combinaisons ont été effectuées pour un total de 360 soudages. Des essais mécaniques de traction appliqués à la zone de soudage ont permis de connaître les paramètres d’assemblage optimaux pour les deux essences considérées. Des mesures de température effectuées au moyen d’un système d’acquisition munis de thermocouples ont également été effectuées. Les résultats obtenus démontrent une interaction significative entre l’essence, la vitesse de rotation et la vitesse d’insertion. L’érable à sucre a permis de produire les joints soudés ayant les meilleures propriétés mécaniques en traction. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une vitesse rotationnelle de 1000 tours min-1 tant pour l’érable à sucre que le bouleau jaune. Une vitesse d’insertion de 25,0 mm s-1 s’est avérée optimale pour le soudage de l’érable à sucre. Dans le cas du bouleau jaune, une vitesse d’insertion de 16 mm s-1 a permis de produire les joints soudés les plus solides pour cette essence. L’angle d’insertion par rapport au fil du bois n’a pas eu d’effet significatif sur les essais mécaniques en iii traction. L’essence et la vitesse rotationnelle ont eu un effet significatif sur la température maximale à l’interface lors du soudage. Des températures maximales à l’insertion de 244 ˚C et 282 ˚C ont été mesurées pour l’érable à sucre et le bouleau jaune à partir des paramètres des soudages optimaux pour chaque essence, respectivement. Cette étude a également examiné la faisabilité du panneautage pour des applications d’apparence intérieures à partir de la technologie de soudage du bois par friction rotationnelle. Pour chacune des essences étudiées, douze panneaux lamellés-soudés de 30 mm x 225 mm x 300 mm ont été fabriqués. Six panneaux lamellés-collés de mêmes dimensions, assemblés avec une émulsion de type acétate de polyvinyle (PVA), ont été assemblés pour chaque essence étudiée pour fins de comparaison. Des essais de flexion statique en trois points ont été effectués afin d’adresser la performance mécanique des assemblages. Des essais non destructifs sous caisson climatiseur ont également été effectués afin comprendre le comportement d’un panneautage lamellé-soudé sous atmosphère alternativement humide (20 °C et 80 % d’humidité relative) correspondant aux conditions estivales et sec (20 °C et 20 % d’humidité relative) pour des conditions hivernales afin d’observer les déformations ou délaminations possibles pouvant se produire sur les panneautages. Des forces maximales à la rupture en flexion de 1,79 kN et 1,70 kN ont été obtenues pour les panneaux lamellés-soudés de bouleau jaune et d’érable à sucre, respectivement. La fracture se produisait généralement dans la section transversale du goujon. Aucun déplacement des goujons n’a été observé à l’interface de soudage. De la délamination dans les panneautages a été constatée au terme des cycles à atmosphère variable autant pour les constructions soudées que collées. Toutefois, celle-ci n’a pas affecté les propriétés en flexion des panneaux lamellés-soudés. Les résultats confirment le potentiel du soudage par friction rotationnelle pour la production de panneaux lamellés-soudés à partir d’essences feuillues canadiennes. La caractérisation de la ligne de soudage a permis de saisir certains aspects fondamentaux liés au soudage du bois par friction rotationnelle. Grâce aux méthodes de pyrolyse couplée à un chromatographe en phase gazeuse et un spectromètre de masse (Py-GC/MS), de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier sur un montage de réflexion totale iv atténuée (ATR-FTIR) et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayon-X (XPS), il a été possible d’évaluer les changements thermochimiques durant le soudage par friction rotationnelle chez l’érable à sucre et le bouleau jaune. Le matériel ligneux de référence et le matériel à l’interface de soudage de deux pièces de bois, un goujon et un substrat, ont été comparés dans le but d’expliquer les différences de propriétés mécaniques entre les essences. Les émissions volatiles libérées durant le procédé de soudage ont été analysées en reproduisant le traitement thermique par Py-GC/MS de même qu’avec un chromatographe en phase gazeuse avec détection de conductivité thermique et d’ionisation de la flamme (GC/TCD-FID) afin d’analyser les émanations captées lors du soudage. Les résultats démontrent que le procédé thermique lié au soudage du bouleau jaune et de l’érable à sucre dégrade les hémicelluloses et affecte les polymères de la lignine via une dépolymérisation. L’efficacité du procédé de soudage est ainsi directement liée aux propriétés initiales des constituants du bois, essentiellement la lignine et les glucides. Les changements liés à la lignine à l’interface de soudage ont été plus nombreux chez l’érable à sucre que le bouleau jaune corroborant les résultats obtenus lors des essais mécaniques. Les proportions d’émission volatile ont été similaires pour nos deux essences. L’analyse des composés organiques volatils a permis de conclure que les émanations produites lors du soudage sont négligeables et ne présentaient pas de risque pour la santé humaine ou pour l’environnement. / Gluing is a valid and extensively used alternative to paneling in the furniture industry. However, adhesives, which are generally produced by the petrochemical industry, require curing times (up to 24 h) and multiple handling, which limits the production flow and flexibility required for customized production. Moreover, they are generally derived from non-renewable fossil resources, making the end product expensive from both an ecological and economic standpoint. They also pose a recovery problem, as they are considered a source of contamination in biomass energy methods and wooden waste recycling. Wood welding can shortens the production cycle and reduces dependence on the petrochemical industry. By replacing synthetic resins with the intrinsic lignin binders present in lignocellulosic fibre materials, the depletion of fossil resources could be abated. Wood, which is a renewable, CO2 neutral raw material, can play a key role in sustainable development and have a significant impact on responsible residual waste management. This study examines the suitability of wood welding technology for producing composite panels for furniture applications with two Canadian hardwood species, sugar maple (Acer saccharum) and yellow birch (Betula alleghaniensis). The specific objectives of the present study were: to define optimal wood-dowel welding parameters for two North American hardwood species frequently used for indoor appearance products: sugar maple and yellow birch; to produce wood-welded panels made from sugar maple and yellow birch using a specifically designed panelling machine; to assess the flexural properties of the wood-welded panels, considering the required load-bearing capacity for a typical standard panel used for furniture components; to assess the performance of the wood-welded panels at standard moisture conditions and after humidity cycling; to investigate chemical changes occurring at the welding interface; and to determine the gases released during welding under conditions of optimised welding parameters. High-speed rotation-induced mechanical friction wood-dowel welding was performed using a panelling machine specifically designed at the Centre de Recherche Industrielle du Québec. A comparative analysis of wood-dowel welding parameters was performed. The investigated parameters for both species were grain orientation (tangential or radial), vi rotational speed (1000 rpm, 1500 rpm, and 2500 rpm) and insertion speed (12.5 mm s-1, 16.7 mm s-1, and 25.0 mm s-1) for 36 possible combinations. Ten samples were prepared for a total of 360 wood welded specimens. Optimal welding mechanical properties were determined from the dowel withdrawal strength using a standard tensile strength test. Temperature profile measurements at the interface during rotational wood-dowel welding were also carried out. Results revealed a significant interaction between species, rotational speed, and insertion speed. Sugar maple produced wood joints with higher withdrawal strength than yellow birch. The best results for sugar maple and yellow birch were obtained with a rotational speed of 1000 rpm. A 25 mm s-1 insertion speed produced significantly stronger welded joints in sugar maple than at 12.5 mm s-1. For yellow birch, a 16.7 mm s-1 insertion speed provided the best results. Both species and rotational speed had a significant effect on peak temperature at the interface during welding. Peak welding temperatures with optimal parameters were 244˚C and 282˚C for sugar maple and yellow birch, respectively. This study examined the suitability of wood welding technology for producing composite panels for furniture applications with sugar maple and yellow birch. For each species, twelve 30 mm x 225 mm x 300 mm panels were manufactured using a panelling machine specifically designed for rotational wood-dowel welding with optimized parameters. Six edge-glued panels of the same size were manufactured from each species using a non-structural polyvinyl acetate (PVA) adhesive and tested for comparative purposes. The experimental program included three-point bending at 255-mm span and visual inspection of the panels to assess performance at standard moisture conditions and after an aging cycle with variable relative humidity. Cycling conditions were 20 °C and 80% relative humidity (RH) and 20 °C and 20% RH. Wood-welded panel bending properties were not affected by wood species, with average load at break of 1.79 kN and 1.70 kN for yellow birch and sugar maple, respectively. Fractures consistently occurred in the dowels as splintering tension, and no slippage was observed along the welded interface. No distortion was observed in wood-welded panels following humidity cycling. The cycling did not negatively affect the panel’s bending properties. Edge splitting was observed in both wood-welded and glued panels due to wood vii slat shrinkage in response to dry conditions. The results confirm that wood-dowel welding could be suitable for producing panels from certain North American species. Thermochemical changes during wood-dowel welding were investigated. The original reference wood sample and the welded interface between two bonded wood pieces, a dowel and a substrate, were compared to explain differences in mechanical properties between species. Pyrolysis gas chromatography - mass spectrometry (Py-GC/MS), attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used. The gases emitted during wood welding were determined by Py-GC/MS and gas chromatography coupled with a thermal conductivity detector and a flame ionization detector (GC-TCD/FID). The results of this investigation showed that thermal treatment of birch and maple wood degrades hemicelluloses through acid hydrolysis and dehydration mechanism and affects lignin polymer through depolymerisation reactions. The gas emission results show similar proportions of non-condensable gases for the two studied species. Most of the volatile compounds identified during pyrolysis were non-toxic products derived from degradation of wood polymers. No carbon monoxide was produced during welding, and only traces of hydrogen and carbon dioxide were present. The proportion of detected volatile organic compounds was relatively low and below the lower exposure limits. Hence, wood welding appears to be an ecological technique for assembling furniture components and other applications, and is not harmful for human health.

Dans la fabrication de panneaux de fibres, le pressage à chaud est une étape fondamentale, car elle a une haute influence sur la performance du panneau fini. La modélisation du pressage permet de prédire les principales variables qui ont un effet direct sur le développement du profil de masse volumique selon l’épaisseur pendant le pressage, soit la température, la teneur en humidité et la pression de la vapeur. L’interaction des mécanismes de transfert chaleur- masse ainsi que le changement des conditions internes de l’ébauche de fibres rend souvent leur étude complexe. Établir et bien caractériser les relations entre les propriétés physiques de l’ébauche de fibres pendant le pressage permet d’acroître la précision des prédictions faites par les modèles mathématiques. Ce projet de recherche a été consacré à l’étude des phénomènes de transfert de la chaleur et de la masse dans les ébauches de fibres de bois. Ainsi, la perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité ont été déterminées à cinq niveaux de masse volumique pour trois différentes tailles des fibres afin d’évaluer la relation entre ces propriétés et le niveau de densité locale de l’ébauche de fibres durant le pressage. En plus, l’effet de la taille des fibres sur les propriétés déjà mentionnées a été d’ailleurs évalué. La perméabilité au gaz a été déterminée à quatre niveaux de pression d’entrée : 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa sur d’échantillons conditionnés à 65% d’humidité relative et une température de 21°C. Le débit d’air à travers l’épaisseur de l’échantillon a montré de glissement moléculaire. La conductivité thermique a été mesurée par la méthode du steadystate thermal resistance, en utilisant un gradient de 1,6°C mm-1 sur d’échantillons avec une teneur en humidité de 7,6% (s=0,3). La porosité a été calculée par analyse d’image de coupes minces par la méthode du contraste de la couleur noir et blanc. Cette méthode utilise des images obtenues à partir de coupes minces extraites de panneaux de fibres fabriqués sans profil de masse volumique selon l’épaisseur. La perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité obtenues dans ce travail de recherche ont été entre 2,16 x10-13 et 5,96 x10-12 m2; 0,05 et 0,15 W m-1 K-1 et 0,44 et 0,93 respectivement, dans un intervalle de masse volumique de 198 kg m-3 et 987 kg m-3. Les résultats indiquent que la masse volumique est, en effet, une variable significative par rapport aux propriétés physiques de l’ébauche étudiées. Une chute importante de la perméabilité au gaz a été observée autour de 598 kg m-3 de masse volumique. Ceci a un impact important lors du pressage à chaud lorsque la densité locale de l’ébauche des fibres est autour de cette valeur. En outre, la taille des fibres est un facteur dominant sur la conduction de la chaleur et la structure poreuse de l’ébauche. Étant donné les résultats actuels, l’impact de la taille des fibres sur la conductivité thermique et la porosité a été significatif. Cependant, la taille des fibres n’a pas eu un effet statistiquement significatif sur la perméabilité au gaz. En conséquence, il n’y a pas eu d’éléments suffisants dans cette étude pour affirmer que la taille des fibres a un impact significatif sur la pression de la vapeur de gaz produite lors du pressage. / In panel manufacturing, the hot-pressing process is a fundamental step because it has a great influence on final product quality. Hot-pressing modeling allows predicting the main variables that it has a direct effect on the development of density profile through the thickness during hot pressing, namely temperature, moisture content and vapour pressure. The study of the heat and mass transfer and mat internal conditions is complex owing to their interaction and changing conditions. Establish and characterize properly the relations between fiber mat physics properties during hot-pressing process it allows to increase the accuracy of predictions made by mathematic model. This research project was conducted in order to study the mass and heat transfer phenomena in fiber mat. Thereby the gas permeability, thermal conductivity and porosity were determined to five density levels and three different fiber sizes in order to evaluate the relationship of these properties and densification level representing the local density though the fiber mat thickness during the hot-pressing process. Furthermore, fiber size effect on these properties already mentioned has been evaluated. Gas permeability was determined to four-inlet pressure: 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa on specimens conditioned to 65% of relative humidity and 21C of temperature. During gas permeability measurements, the air flux though the disk thickness showed slip flow. Thermal conductivity was measured using a gradient of 1,6°C mm-1 on specimens with a moisture content of 7.6% (s=0,3). Mat porosity measurements were performed using the white-black color contrast method. This procedure use images taken from layers impregnated with acrylic resin, which were extracted previously from panels with homogeneous density, profile through the thickness. Gas permeability, thermal conductivity and porosity obtained in this research work were between 5.96 x10-12 and 2.16 x10-13 m2; 0.05 - 0.15 W m-1 K-1 and 0.44 - 0.93 respectively in a range of 198 kg m-3 and 987 kg m-3 of density. The results indicated that the mat density was, in fact, a significate variable in relation to the physical properties of fiber mat considered in this study. Additionally, the fiber size was a dominant factor on heat conduction and porous structure of the fiber mat. Given these results, the fiber size had anoticeable effect on both mat properties thermal conductivity and porosity. Conversely, the fiber sizes studied had no significant effect on gas permeability. Hence, there was not enough evidence to affirm that the fiber size has a significant impact on vapour pressure produced during the hot-pressing process.

L'utilisation des panneaux composites à base de bois s'oriente de plus en plus vers des applications techniques d'ameublement et d'agencement. Cette reconquête implique le développement d'outils prévisionnels performants permettant une plus grande maîtrise du comportement hygromécanique de ces matériaux mis en service dans les conditions climatiques nord-américaines. Pour des raisons économiques ou esthétiques, on remarque une tendance dans l'industrie qui consiste à appliquer des revêtements de qualité différente sur les deux faces du panneau. Ces pratiques entraînent une distribution de teneur en humidité et de contrainte non uniforme selon l'épaisseur du panneau, pouvant engendrer des déformations. Le gauchissement de ces produits pourrait faire l'objet d'un rejet par le consommateur et d'une dégradation de l'image de marque de l'enseigne. Dans le but de prévenir ce gauchissement, on doit bien connaître le comportement de chaque composante ainsi que celui de l'ensemble formant le composite. Dans ce projet, trois produits de finition sont considérés : le placage d'érable à sucre, le papier décoratif imprégné de mélamine et le papier foil. Dès lors, l'objectif est de caractériser le comportement hygromécanique des panneaux de fibres et de particules finis asymétriquement par ces revêtements tout en décrivant les conditions climatiques de transport et de mise en service. L'étude comporte à la fois un aspect expérimental et un aspect modélisation par éléments finis. Il a donc fallu établir un modèle mathématique approprié; déterminer les propriétés physiques et mécaniques des composites, de l'adhésif et des revêtements relatives au transfert d'humidité, à la dilatation linéaire, au retrait/gonflement et aux déformations; procéder à la résolution du modèle par éléments finis et, finalement, valider les résultats du modèle en les comparant aux résultats expérimentaux. Le modèle mathématique proposé est basé sur une équation de transfert d'humidité en régime transitoire, la loi de Hooke du comportement élastique et une équation d'équilibre.

Selon le Règlement sur les matières dangereuses du Gouvernement du Québec, les résidus de bois encollés de résine sont susceptibles d’être des matières dangereuses résiduelles toxiques, car ils contiennent du formaldéhyde. La gestion des résidus toxiques est problématique pour l’industrie de la seconde transformation du panneau, car il pourrait s’avérer que la majorité des usines ne disposent pas de chaudière de combustion d’une puissance assez élevée pour brûler leurs résidus de panneaux en conformité avec les exigences gouvernementales. La récupération de ces résidus pourrait être envisageable, mais une connaissance plus approfondie de la nature de ceux-ci est essentielle pour être en mesure d’envisager cette option. L’objectif de cette étude est de caractériser les résidus provenant de l’industrie québécoise de la seconde transformation des panneaux de particules et de fibres de bois dans le but d’éclairer le choix des options de récupération, d’utilisation ou de disposition de ces résidus. Une enquête réalisée auprès des industriels de seconde transformation du panneau a permis de dresser un portrait des résidus générés. Un questionnaire a été transmis par la poste à un échantillon d’usines de chaque secteur industriel. L’utilisation d’une méthode en cinq points de contact a mené à l’obtention d’un taux de réponse de 32%. Une quantification des résidus a été réalisée dans le but final d’extrapoler les résultats à l’ensemble de l’industrie québécoise. L’analyse des résultats a permis de dresser un portrait des résidus de panneaux quant à la gestion, la disposition et la contamination de ceux-ci. L’enfouissement est le mode de disposition le plus répandu et les entreprises de petite taille ont plus tendance à faire appel à cette pratique. La gestion des résidus de panneaux est problématique chez 30% des industriels et certains d’entre eux ont déjà tenté de trouver de meilleurs débouchés que ceux dont ils disposent actuellement. / According to Québec’s Règlement sur les matières dangereuses, wood residues containing resin are likely to be toxic residual dangerous matters because of their formaldehyde content. The management of these residues is problematic for the secondary board manufacturers because the majority might not operate a combustion boiler with high enough power to burn board residues in conformity with regulatory requirements. The recovery of these residues could be possible, but no decision can be taken without knowing the nature of the residues. The objective of this study is to characterize the residues coming from the secondary board manufacturers in the province of Québec in order to find opportunities for recuperating, recycling or disposing of these residues. A survey of secondary board processing plants has been conducted to draw a picture of the disposal of residues. A mail questionnaire was sent to a sample of plants within each industrial sector. The five points of contact method was applied, yielding a response rate of 32%. A quantification of the residues was made and the data was used to extrapolate the results to the whole of Québec industry. A segmentation of the results according to the size of the plant or to the industrial sector was made and significant differences were found between classes regarding the management, the use and the contamination of the residues. The majority of secondary board manufacturers send their board residues to landfill sites. This is the case of most small size mills. The survey indicates that 30 percent of the mills have experienced serious problem in managing these residues and they have already tried to find a better solution to dispose of them.

Les résidus solides récupérés au traitement des eaux usées des usines de pâtes et papiers sont appelés boues. La boue primaire (BP) représente une source de fibres pour l'industrie des panneaux de fibres de moyenne densité (MDF) et la boue secondaire (BS) a des propriétés adhésives. L'objectif général de l'étude est d'évaluer la faisabilité de produire des panneaux MDF à partir de BP et de BS issues de différents procédés papetiers, de résine urée-formaldéhyde (UF) et de fibres de bouleau blanc de qualité pâte. Les résidus furent échantillonnés puis caractérisés en termes de composition chimique, de pH, de capacité tampon et de longueur des fibres. Des panneaux de fibres furent fabriqués selon trois dispositifs expérimentaux où les facteurs sont : la proportion de boue, le type de boue (BP, BS), le procédé papetier (PTM, PCTM, kraft) et la teneur en résine UF (0%, 8%, 12%). La BS est riche en protéines et contient plus de lignine et moins de cellulose que la BP. La BP est donc une source de fibres et la BS est une source potentielle d'agent liant. Les boues PTM et PCTM contiennent plus de cellulose et moins de cendre (impuretés) que la boue issue du procédé kraft. Toutefois, les fibres dans les boues kraft sont plus longues. Dans la majorité des cas, le procédé papetier et le type de boue (BP, BS) eurent un effet significatif sur les propriétés des panneaux. Dans les panneaux de boue sans résine, la cohésion interne augmente et le gonflement en épaisseur diminue lorsque la teneur en BS augmente. Ce résultat fut attribué aux propriétés adhésives de la BS. Dans les panneaux MDF (boue, fibres et résine), l'augmentation de la proportion de boue a un effet négatif sur presque toutes les propriétés des panneaux. Toutefois, l'ajout de boues permit de réduire les émissions de HCHO jusqu'à 68% en comparaison avec le panneau témoin, sans effet négatif sur la CI. Les boues ont un pH et une capacité tampon plus élevés que les fibres de bois, ce qui a probablement nuit à la performance (reticulation) de l'adhésif UF.

L'objectif de cette recherche était de mettre au point une technique permettant la visualisation des résines aminoplastes sur et dans les fibres de bois de panneaux de moyenne densité (MDF). Cette technique devait à la fois permettre la mesure de la profondeur de pénétration des résines urée-formaldéhyde (UF) et urée-mélamineformaldéhyde (UMF) et l'évaluation de leur distribution sur la surface des fibres. Les systèmes d'encollages étudiés furent de type sec (mélangeur rotatif) et humide (mélangeur tubulaire). La présence de résine dans la paroi des fibres fut mise en évidence , par microscope confocal à balayage laser (MCBL) pour les deux systèmes. La pénétration de la résine peut être expliquée par la force d'ascension capillaire qui pousse les molécules de la résine dans les différents pores de la fibre lors de l'encollage. Les vitesses de pénétration n'ont pu être mesurées puisque les temps alloués aux mélanges furent suffisants pour que la pénétration soit maximale pour tous les échantillons. Nous avons remarqué que la profondeur de la pénétration dépend fortement du système d'encollage choisi. Le système d'encollage en ligne (tubulaire) présente l'avantage de mieux distribuer la résine sur la fibre avec une moyenne de 22% de la surface couverte. Cependant, l'humidité et la chaleur provoquent une pénétration plus importante de résine dans les parois cellulaires. Pour les mélangeurs humides, la profondeur maximale de pénétration correspond à l'épaisseur de la paroi cellulaire. La modélisation de la pénétration de la résine ne fut réalisée que pour les mélanges à sec où la profondeur moyenne de pénétration est de l'ordre d'un ou deux microns. En divisant cette profondeur par le temps de mélange le plus court, nous obtenons une approximation de la vitesse de pénétration. Les vitesses proposées par le modèle sont du même ordre de grandeur. Finalement, l'utilisation d'un microscope à force atomique (MFA) permit de visualiser la microstructure des fibres d'épinette préparées selon le procédé MDF. La paroi secondaire 1 (S1) et la lamelle moyenne (LM) sont très poreuses en comparaison avec la couche secondaire 2 (S2). Les pores de la paroi SI et de la LM sont de l'ordre de 20 nm en diamètre et sont le résultat d'une organisation aléatoire de petits agrégats de fibrilles. Les fibrilles de la paroi S2 forment des agrégats plus larges et enlignées selon l'axe longitudinal de la fibre. Les longs pores de cette paroi sont de l'ordre de 2-4 nm de large et ne peuvent être représentés par le MFA

L'industrie des bois composites, dont le besoin en fibres est grandissant, trouve de plus en plus de difficultés à s'approvisionner. Trouver de nouvelles sources de fibres est donc très important pour la bonne gestion des forêts et la santé de ce secteur économique. L'objectif de ce projet de recherche est de montrer en quoi le peuplier hybride et les boues papetières constituent une voie exploratoire intéressante en réponse à ce problème. Une trentaine de panneaux de fibres de moyenne densité (MDF) ont été fabriqués avec 12% de résine urée-formaldéhyde et différentes proportions de fibres de peuplier hybride et de fibres de boues primaires issues des procédés papetiers kraft et thermomé- canique. Ces panneaux ont alors été soumis, selon la norme ASTM D-1037, à des essais de cohésion interne, de modules d'élasticité et de rupture, de gonflement en épaisseur et de dilatation linéaire. Les profils de densité et les émissions de formaldéhyde ont également été mesurés. Les résultats montrent que le peuplier hybride satisfait très bien aux exigences de l'industrie des bois composites. Ils montrent également qu'une quantité non négligeable de fibres recyclées, soit 25% de boue kraft ou de boue thermomécanique, peut être incorporée à ces panneaux tout en respectant le plus haut grade de la norme ANSI A208.2-2009. Les boues thermomécaniques obtiennent globalement de meilleurs résultats que les boues kraft, probablement à cause de la présence de cendres dans ces dernières. Avec le plus bas grade de la norme ANSI A208.2-2009, la quantité de boue thermomécanique peut même atteindre les 75%. Les essais les plus affectés par la pré- sence de boue dans les panneaux sont la cohésion interne, la dilatation linéaire et les émissions de formaldéhyde. Pour assurer l'avenir des boues dans les composites, les recherches futures devront démontrer qu'il est possible de s'affranchir du formaldéhyde. / The wood composites industry has more and more difficulties to find raw materials. The aim of this project is to show that hybrid poplar and paper mill sludge are both sustainable fiber ressources. Thirty medium-density fiberboard panels (MDF) were produced with 12% of ureaformaldehyde resin and various ratios of hybrid poplar fibers and primary paper mill sludge from kraft and thermomechanical processes. According to the ASTM D-1037 standard method, the evaluated properties were modulus of elasticity, modulus of rupture, internal bond strength, thickness swell and linear expansion. Panel density and formaldehyde emission were also measured. The results show that MDF made from hybrid poplar fully satisfies the industrial quality requirements. Panels with 25% of kraft or thermomechanical sludge meet the ANSI A208.2-2002 MDF standard for the highest grade. Overall, kraft sludge give inferior performances than thermomechanical sludge, probably due to their high ash content. For the lowest grade of ANSI A208.2-2002 MDF standard, it is possible to increase the amount of thermomechanical sludge to 75%. Sludge plays a significant role in MDF panel properties, particularly for internal bond strength, linear expansion and formaldehyde emission. In the future, research efforts should demonstrate that formaldehyde-free composites are compatible with paper mill sludge.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), par stockage de chaleur latente, peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. En saison froide, ils peuvent emmagasiner de la chaleur durant le jour pour qu’elle soit relâchée durant la nuit, réduisant le besoin en chauffage. En saison chaude, ils peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. Afin d’optimiser le bénéfice énergétique, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Ce travail de thèse présente trois grands axes dédiés à l’étude de matériaux hybrides bois/MCP. Le premier axe traite de la mise en forme et de la caractérisation de panneaux décoratifs intérieurs de haute inertie thermique. Le second axe a pour objectif d’évaluer la performance de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Le troisième axe étudie l’imprégnation de la couche de surface d’une Lame de Plancher d’Ingénierie (LPI) avec des microcapsules de MCP. Dans le premier axe, des panneaux intérieurs décoratifs ont été mis en oeuvre. Ils sont constitués de MDF (Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) et de différents MCP biosourcés. Les MCP ont été macroencapsulés dans des sachets de polyéthylène avant d’être placés dans les panneaux. Leur stockage de chaleur latente a été mesuré avec un débitmètre thermique selon la méthode Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA). Les panneaux stockent une chaleur latente maximale de 57.1 J/g, ce qui est comparable à des solutions existantes de panneaux embarquant des MCP. Leur comportement thermique a été comparé au comportement des MCP purs testés par DSC (Differential Scanning Calorimetry) et des différences significatives ont été observées. Le comportement hygromécanique des panneaux a été évalué et s’est révélé être une question d’importance en vue d’une d’industrialisation. Dans le deuxième axe, deux maisonnettes expérimentales en ossature légère de bois ont été conçues puis placées sur le campus de l’Université LAVAL. Une maisonnette a été équipée de panneaux en bois standards tandis que l’autre contenait les panneaux bois/MCP. Grâce à l’instrumentation embarquée, la performance insitu des panneaux formulés dans le premier axe a pu être étudiée. Les résultats montrent, en saison de chauffe, une réduction de la consommation en chauffage pour la maisonnette équipée de MCP. Cette réduction atteint un maximum de 41 % pour le mois de mai. Pour le confort d’été, les panneaux permettent généralement d’améliorer le confort thermique, en réduisant la surchauffe. Leur efficacité a cependant été révélée limitée par la solidification limitée du MCP pendant la nuit. Malgré une ventilation importante, lors des nuits les plus chaudes, le matériau n’était pas en mesure de se solidifier. Dans le troisième axe, des couches de surface de Lames de Planchers d’Ingénierie (LPI) ont été imprégnés avec des microcapsules de MCP biosourcés. De l’eau distillée a été utilisée comme solvant. Deux essences de bois ont été choisies : le chêne rouge et l’érable à sucre. Le gain de masse thermique s’est révélé significatif pour le chêne rouge mais négligeable pour l’érable à sucre. Pour le chêne rouge, un bénéfice de masse thermique de 77% a été mesuré. Les microcapsules ont été observées dans le bois par microscopie réflective. Elles se sont révélées être principalement présentes, formant des amas, dans les larges vaisseaux du bois initial pour le chêne rouge. Des microcapsules étaient également présentes dans les vaisseaux de l’érable à sucre, en plus petite quantité. Des tests d’adhésion ont été menés sur des lames de planchers vernis et ces tests n’ont révélé aucune influence significative de l’imprégnation sur la tenue d’un vernis. / Phase Change Materials (PCMs) are able to store a high amount of latent heat, which can improve buildings energy efficiency. During the heating season, solar energy can be stored during the day to be released at night, reducing the heating needs. During summer, daily maximum peak temperature can be reduced. In order to maximize the energy benefits, PCMs have to be implemented carefully. This thesis presents three major axes of research about wood/PCMs hybrid materials. The first axis is about manufacturing and characterizing woodbased decorative panels of high thermal mass. The second axis aims to evaluate the performance of such panels with two instrumented wood-frame test huts placed on LAVAL University Campus. The third axis is about impregnating the lamella of Engineering Wood Flooring (EWF) with PCM microcapsules. For the first axis, interior wood-based decorative panels containing PCMs were manufactured. Medium Density Fiberboard (MDF), was used as the main component and High Density Fiberboard (HDF) was used for the inner side of the panel. Several bio-based PCMs were chosen to load the panels. A macroencapsulation of the PCMs was achieved using polyethylene bags. The latent heat storage of the panels was assessed with a thermal flow meter using a Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) method. A maximum latent heat storage of 57.1 J/g has been measured, which is comparable to existing panels containing PCMs. Thermal behavior of pure PCMs has been assessed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and then compared to the panels behavior. Significant differences have been revealed. Hygromechanical behavior of the panels has been evaluated, compared to a reference, and has been revealed of importance in case of industrialization. For the second axis, two experimental timber-frame test-huts have been implemented and were placed on the LAVAL University campus. One hut was equipped with standard wood panels whereas the other one was equipped with wood-based panels containing PCMs such as manufactured in the first axis. The in-situ performance of the panels was assessed over several seasons. In winter, the panels induced a reduction of the heating consumption. This reduction reached a maximum of 41% in May. During summer, the panels are generally able to reduce the daily peak temperature. However, their performance was found limited by the solidification of the PCM, which was hard to achieve during hottest nights. For the third axis, lamellas of Engineered Wood Flooring (EWF) have been impregnated with bio-based PCM microcapsules, using water as a solvent. Two wood species were chosen: red oak and sugar. A significant thermal mass enhancement of 77% was measured for the red oak. Impregnation of sugar maple was found harder to achieve and thus its thermal mass enhancement was lower. Reflective microscopy allowed to observe the microcapsules filling red oak initial wood big vessels, forming aggregates. Some microcapsules were also observed in the sugar maple vessels but in lower quantity. Red oak was varnished with a 100 % UV solid wood coating and submitted to pull-off adhesion tests. These tests did not reveal any significant effect of an impregnation on the varnish adherence.

Dans la présente thèse, nous nous intéressons aux phénomènes physiques se déroulant durant le processus de pressage à chaud des panneaux de fibres de bois (MDF). La non-linéarité et la forte interdépendance des phénomènes instationnaires de transfert de chaleur et de masse et du pressage mécanique de l'ébauche de fibres rendent leur modélisation et analyse non triviales. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de sensibilité portant sur le modèle de transfert de chaleur et de masse proposé par Thômen et Humphrey en 2006. Dans cette étude de sensibilité, nous avons déterminé l'impact de la variabilité des propriétés matérielles, des modèles de sorption, des conditions aux limites et de la teneur en humidité initiale sur les variables d'état et les résultats numériques du modèle mathématique. Afin de mieux tenir compte des interactions complexes entre les différents processus physiques, nous avons ensuite proposé un modèle mathématique global tridimensionnel couplé modélisant le processus de pressage à chaud en lot (batch pressing). Le modèle global est constitué de deux entités distinctes, soient le modèle mécanique et le modèle couplé de transfert de chaleur et de masse. Dans cette première phase de développement, la compression de l'ébauche est représentée par un modèle élastique vieillissant que nous avons exprimé en formulation quasi-statique incrémentale. Les variables d'état pour ce modèle sont l'incrément de déplacement et l'incrément de contrainte. Tous les calculs se font sur une géométrie mobile dont la déformation (compression) est une conséquence de la fermeture de la presse. Le développement du profil de densité est ainsi calculé dynamiquement à chaque pas de temps. Quant aux phénomènes de transfert de chaleur et de masse, ils sont modélisés par un système couplé constitué de trois équations de conservation, notamment la conservation de la masse de l'air et de la vapeur ainsi que la conservation de l'énergie. Les équations sont exprimées en fonction de trois variables d'état, soient la température et les pressions partielles de l'air et de la vapeur. Le modèle global est discrétisé par la méthode des éléments finis et les systèmes résultant ont été résolus grâce au logiciel MEF++ développé au GIREF (Groupe interdisciplinaire de recherche en éléments finis, Université Laval). Les simulations numériques ont été menées aussi bien en deux qu'en trois dimensions. Les résultats numériques de température et de pression gazeuse ont été comparés aux mesures prises au laboratoire du CRB (Centre de recherche sur le bois, Université Laval) lors d'un procédé de pressage en lot. Une bonne concordance entre les résultats numériques et expérimentaux a été constatée. Afin d'enrichir le modèle proposé, les futurs développements devraient traiter de la nature viscoélastique et plastique de l'ébauche soumise au pressage à chaud. Il demeure néanmoins clair que la qualité des prédictions produites par des modèles numériques dépendra toujours en grande partie de la disponibilité et de la qualité des valeurs caractérisant les propriétés physiques et matérielles du produit à l'étude. Afin de combler de nombreuses lacunes à ce chapitre, nous ne pouvons qu'encourager les recherches menant à une meilleure connaissance de ces propriétés.