Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 49-55. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse de doctorat : Sciences du Bois : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les poussières de bois sont à l’origine de pathologies dont les plus graves sont des cancers des voies respiratoires supérieures. Compte tenu de la dangerosité avérée de ces poussières, un système de filtration très performant est nécessaire pour assainir les ambiances de travail. Couramment, l’industrie de bois utilise des filtres à média sujets à l’encrassement et produisant des déchets. Pour remédier à ceci nous avons choisi une épuration par électrofiltration, procédé sans déchet. Dans une première phase expérimentale nous avons étudié la performance d’un électrofiltre de géométrie fil-cylindre à encrassement contrôlé. Cet appareil conçu et mis au point au LERMAB a permis l’étude des paramètres tels que : la géométrie des électrodes, la tension appliquée, la granulométrie et la nature des particules. Nous avons pu montrer que l’électrofiltration était faisable et d’une efficacité pouvant atteindre 99,9%. Dans une deuxième phase nous avons développé un modèle numérique basé sur l’équation de convection-diffusion couplée aux équations de Navier-Stockes moyennées et au champ électrique local avec la prise en compte des effets électrohydrodynamiques. Ce modèle permet de décrire avec précision les phénomènes locaux et globaux d’un électrofiltre de type Cottrell. Ses prévisions sont en parfaite concordance avec les résultats expérimentaux et avec les données issues de la littérature. Il constitue un outil fiable pour le dimensionnement des électroprécipitateurs. / Wood dust causes a number of pathologies including cancers of the upper respiratory tract and allergic-type diseases. Considering the dangerousness of this dust, a filtration system high performance is required for the treatment of work environments. For this purpose, we have investigated the electrofiltration of wood particles-laden atmospheres. A dust-controlled wire-cylinder electrostatic precipitator has been created and developed at the LERMAB laboratory and a computer code has been developed using the software Comsol Multiphysics. The study of the filtration efficiency has been carried out. This efficiency is larger than 99.9% for the range of fine particles [0.3 µ m - 1 µ m]. The experimental study allows us to identify various parameters governing the electrofilter in operation. The numerical model, in perfect agreement with the experimental results and with the literature, allows to describe with a good precision local and global phenomena occurring in wire-cylinder electrostatic precipitator. It is a good tool for the design of electroprecipitators.

Ce projet de recherche vise à proposer aux producteurs en serre un nouveau type de substrat organique respectueux de l'environnement et plus économique que la laine de roche. Plus spécifiquement, il consiste dans un premier temps à évaluer la phytotoxicité de plusieurs substrats organiques composés de différentes essences forestières puis de valider à l'échelle commerciale la performance agronomique de deux de ces substrats organiques à base de bran de scie (Picea glauca). L'effet de trois milieux de culture (laine de roche, bran de scie et bran de scie amendé de fibre de bois) sur la croissance, le rendement et la qualité de la tomate de serre a été évalué lors de deux saisons de culture. Les résultats n'ont démontré aucune phytotoxicité des essences forestières étudiées chez la tomate alors que pour le concombre et le poivron, seuls Picea glauca, Picea mariana et Abies balsamea ne présentent aucune phytotoxicité. L'utilisation du bran de scie comme milieu de culture organique pour la tomate de serre est avantageuse d'un point de vue économique puisque nous avons observé un taux de croissance similaire et une productivité équivalente aux plantes cultivées en laine de roche.

La découpe de wafers génère des quantités importantes de déchets de silicium de grade solaire qui ne sont pas revalorisés actuellement à cause de la contamination lors du procédé de découpe. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude de la purification de déchets de silicium solaire à l’aide d’un procédé assisté par une torche à plasma d’arc non transféré. Cette étude a été menée selon une double approche numérique et expérimentale. Les calculs numériques ont été réalisés à l’aide d’un code de calcul de mécanique des fluides. Ils sont utilisés pour dimensionner la configuration expérimentale et pour comprendre l’influence des paramètres opératoires sur l’écoulement gazeux et le traitement des particules. L’étude expérimentale a consisté à ’injecter des déchets pulvérulents de silicium (sciures de silicium, poudre de concassage) dans un jet de plasma sous atmosphère contrôlée puis à les collecter dans un creuset chaud. La désoxydation et la décarburation de déchets de silicium, notamment de la sciure issue de la découpe des wafers, a été mise en évidence à l’aide du procédé développé. Toutefois, l’élimination des impuretés métalliques dans les sciures de silicium n’a pas été démontrée lors de cette étude. Les résultats expérimentaux et numériques ont mis en évidence que la désoxydation est améliorée avec un jet de plasma lent ainsi qu’avec une teneur en air résiduelle limitée dans la zone de traitement. La carboréduction de la silice ainsi que la volatilisation de la silice par oxydation du silicium semblent être les deux mécanismes de purification mis en jeu lors du procédé. / Wafer manufacturing produces large amounts of solar-grade silicon waste that is not currently recovered because of its contamination during the slicing process. This work deals with the purification of silicon waste using a non-transferred arc plasma process. It was carried out by using a double approach combining numerical simulations and experiments. The former were done using a computational fluid dynamics (CFD) code and made it to size the experimental configuration and understand the effect of process parameters on gas flow fields and powder treatment. The experimental study consisted in injecting powdered silicon waste (sawdust silicon, crushed powder) into the plasma jet under controlled atmosphere and collecting the treated material in a hot crucible. Decarburization and deoxidation of silicon waste, including sawdust resulting from wafer slicing, was achieved by the developed method. However, the removal of metal impurities in silicon sawdust was not demonstrated in this study. The experimental and numerical results showed that deoxidation was improved with a low-velocity plasma jet and limited air content in the area of treatment. Silica carboreduction and silica volatilization by silicon oxidation seemed to be the two mechanisms involved in the purification process.

La présente étude fait suite à d’autres qui proposent une solution de récupération des déchets plastiques et de bois pour en faire un matériau de construction en composite bois-polymère. La particularité de ce travail de recherche est que la matrice thermoplastique utilisée est un ensemble de différents polymères pris dans des proportions bien définies. Les pourcentages considérés pour la matrice obtenue représentent les parts de déchets de polymères que l’on retrouve dans la ville de Cotonou (Bénin). Cette étude a consisté à fabriqué des échantillons de composite bois polymère CBP par extrusion, à les étudier à travers des tests physico-mécaniques et à les mettre en relation avec les échantillons fabriqués avec une méthode artisanale déjà existante. D’une part, nous avons étudié séparément la sciure de bois et la matrice thermoplastique en déterminant les constituants chimiques de la sciure de bois, et en effectuant une analyse physico-mécanique (analyse thermogravimétrique, test en flexion compression et traction, analyse du faciès de rupture au MEB) sur le renfort et la matrice. D’autre part nous avons évalué l’influence de l’ajout de 20%, 25%, 28% et 30% de sciure de bois sur les propriétés mécaniques (compression, flexion et traction). Les résultats obtenus révèlent que la sciure de bois se comporte comme un renfort lorsque l’échantillon est sollicité en compression et en flexion. La sciure de bois joue le rôle de charge lorsque les échantillons de CBP sont sollicités en traction. Par ailleurs, la sciure de bois améliore la rigidité des CBP en traction. Les résultats mécaniques obtenus par extrusion sont nettement meilleurs que ceux issus des méthodes de fabrication artisanale. Les analyses thermogravimétriques effectuées sur les échantillons de CBP issus de la méthode artisanale révèlent que lors de leur fabrication, ces échantillons sont soumis à des températures (supérieure à 300°C) qui entament la dégradation des polymères et de la sciure de bois dans les CBP / This study follow others that propose a solution for the recovery of plastic waste and wood to make it a construction material made of wood-polymer composite. The particularity of this research is that the thermoplastic matrix used is a set of different polymers taken in well-defined proportions. The percentages considered for the matrix obtained represent the proportion of polymer waste that can be found in the city of Cotonou (Benin Republic). This study consisted in making WPC polymer wood composite samples by extrusion, studying them through physico-mechanical tests and relating them to samples made with an already existing artisanal method. On the one hand, we studied separately the sawdust and the thermoplastic matrix by determining the chemical constituents of the sawdust, and by performing a physico-mechanical analysis (thermogravimetric analysis, compression and tensile bending test, facies analysis). SEM fracture) on the reinforcement and the matrix. On the other hand we evaluated the influence of the addition of 20%, 25%, 28% and 30% of sawdust on the mechanical properties (compression, bending and traction). The results show that sawdust behaves like a reinforcement when the sample is stressed in compression and bending. Sawdust acts as a load when WPC samples are stressed in tension. Sawdust also improves the rigidity of WPC in tension. The mechanical results obtained by extrusion are much better than those resulting from the artisanal methods. Thermogravimetric analyzes performed on WPC samples from the artisanal method reveal that during their manufacture, these samples are subjected to temperatures (above 300 ° C) that begin the degradation of polymers and sawdust in WPC

Chaque année au Québec, entre 22 et 24 millions de mètres cubiques de bois résineux sont transformés, principalement de l'épinette noire et blanche, du sapin baumier et du pin gris. L'épinette noire, espèce emblématique de la forêt boréale d'Amérique, a longtemps été à la base de l'industrie forestière et papetière du Québec. Aujourd'hui moins vitale à l'approvisionnement des papetières, elle est surtout appréciée dans l'industrie du bois d'œuvre et du bois d'ingénierie. La production de planches et de poutres de bois génère une quantité appréciable de résidus, dont des copeaux et des sciures, le plus souvent valorisés dans l'industrie du papier, du carton, des panneaux, des granules et de la bioénergie. Les hémicelluloses contenues dans le bois sont des composés hygroscopiques et très peu calorifiques, qui possèdent peu de valeur dans le contexte de la valorisation conventionnelle des résidus de bois. À partir des résidus de bois d'épinette, il est possible d'extraire des hémicelluloses de type galactoglucomannanes, avec des proportions variables de pectines, dexylanes et d'arabinogalactanes, en utilisant des procédés d'extraction à l'eau chaude pressurisée. Ces composés naturels presque entièrement constitués d'hexoses et de pentoses peuvent ensuite être valorisés dans la filière énergétique ou alimentaire alors que les sciures ou copeaux traités à l'eau peuvent être remis en circulation dans les industries existantes ou émergeantes de transformation des produits forestiers. La première partie de cette recherche présente une brève recherche de littérature sur les procédés d'extraction aqueux des hémicelluloses du bois, les procédés permettant leur isolement et les applications nouvelles de ces composés dans les secteurs nutraceutique et alimentaire, deux domaines d'application à haute valeur ajoutée. Sont ensuite présentés les paramètres d'un procédé à l'eau chaude, développé dans le cadre de ce projet de maîtrise, permettant la récupération d'hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire chez Picea mariana, et son efficacité lorsque appliqué sur des résidus de taille moyenne, fine et très fine (≤ 4,0 mm, ≤ 0,6 mm et ≤ 0,2 mm d'épaisseur). Dans un deuxième temps, les caractéristiques de la fraction de haut poids moléculaire sont présentées et discutées, ainsi que l'analyse de sa fermentescibilité in vitro dans le but d'une application dans le domaine alimentaire. L'analyse de fermentescibilité in vitro des hémicelluloses solubles de haut poids moléculaire (HSHPM) extraites de Picea mariana, réalisée en milieu de culture Macfarlane en présence d'un consortium bactérien simplifié, a dévoilé d'intéressantes propriétés nutraceutiques de l'extrait, tel que sa capacité à être partiellement converti en acide butyrique (C₄H₈O₂) lors de la fermentation colique et sa capacité à inhiber la production de métabolites nocifs associés à la putréfaction. La fermentation colique des HSHPM durant une période de 30 h (comparée à celle des fibres d'inuline) a été corrélée, entre autres, à une augmentation de 200 ± 14 % du C₄H₈O₂ ainsi qu'à une diminution de 54 ± 2 % de l'azote ammoniacal, une diminution de 87 ± 2 % de l'isovalérate et une diminution de 81 ± 1 % de l'isobutyrate. Les extraits riches en HSHPM obtenus à partir de bois d'épinette noire pourraient ainsi représenter une nouvelle source de fibres fonctionnelles ayant des propriétés butyrogènes et donc bénéfiques pour la santé intestinale. / Between 22 and 24 million cubic meters of softwood logs are processed annually in the province of Quebec, mainly from black spruce, white spruce, balsam fir and Jack pine trees. Black spruce is beyond doubt the most emblematic species of the North American boreal forest. Spruce forests have been supplying the provincial and national forest economy for decades and remain a crucial resource for the Canadian timber industry. Lumber production generates important amount of wood residues, including chips and sawdust. Those residues are partly used by paper, cardboard, pellets, or particles board manufacturers. Wood and wood residues contain variable amount of water-soluble hemicelluloses, which are hygroscopic and low-calorific compounds of limited value for conventional wood products. There is a possibility, however, to extract a part of hemicelluloses from softwood residues using superheated water extraction techniques. The main hemicelluloses found in superheated water extracts of spruce's heartwood and sapwood are galactoglucomannans, but such extracts may also contain other minor softwood polysaccharides, such as pectin, methylated glucuronoxylans, and acidic arabinogalactans. These hemicelluloses are hexose-rich and easily fermentable polysaccharides with interesting commercial value (for bioethanol production and other non-wood applications). Their extraction is usually beneficial for further wood processing such as pulping and pelletizing. In this context, the first part of this research presents a short literature review of water-based hemicelluloses extraction processes, hemicelluloses isolation techniques and novel applications for the wood hemicelluloses in the food and nutraceutical industry, for which the hemicellulosic-rich extracts could be considered as high-value ingredients. We present the specific parameters of the water-based process worked out in this study to yield the extract containing the water-soluble high-molecular-weight hemicelluloses from Black spruce wood, and we also determine the efficacy of the superheated water extraction when applied on wood residues of different sizes (≤ 4.0 mm, ≤ 0.6 mm, ≤ 0.2 mm thickness). In the second part of the research, we discuss the results of chromatographic and spectroscopic analysis performed on the high molar mass fraction of the extract, along with its fermentability study (30h in vitro batch fermentation). The results of the fermentability study, performed in a Macfarlane growth medium inoculated with a simplified human gut microbiota, indicated that the high molecular weight fraction (HMWF) of the Black spruce superheated water extract has interesting nutraceutical properties. Notably, the fraction was partially converted into butyric acid (C₄H₈O₂) during a 30 h colonic fermentation and was able to inhibit the production of harmful metabolites associated with putrefaction. Among others, the growth medium containing the HMWF of the Black spruce extract showed a 200 ± 14 % increase of C₄H₈O₂, a 54 ± 2 % inhibition of ammonia, an 87 ± 2 % inhibition of isovalerate and an 81 ± 1 % inhibition of isobutyrate when compared to a control growth medium containing prebiotic inulin fibers. Our results support that high molecular weight hemicelluloses extracted from Black spruce wood are fermentable fibers that could significantly contribute to gastrointestinal health.

La performance d’un produit de finition sur le bois est influencée par la manière dont la surface est préparée. Le ponçage est très utilisé pour préparer les surfaces lors de la finition. Toutefois, ce procédé génère une grande quantité de poussières. Ainsi, les effets des procédés d’usinage sur les propriétés de surface, la performance d’un vernis et l’émission de poussières ont été étudiés dans le but de déterminer les modes de préparation des surfaces les plus adéquats pour le bois de chêne rouge. Dans un premier volet, les propriétés de surface et la performance d’un vernis ont été évaluées sur les surfaces préparées à l’aide du procédé traditionnel de ponçage et de trois procédés alternatifs de rabotage soit la coupe périphérique droite, la coupe hélicoïdale et la coupe oblique. La qualité de surface a été évaluée au moyen des caractéristiques de rugosité, d’endommagement cellulaire et de mouillabilité. Des essais de résistance à l’adhésion d’un vernis d’usage intérieur ont été effectués avant et après un traitement de vieillissement accéléré. Les résultats ont montré que le ponçage a induit une rugosité et un niveau de fibrillation supérieurs à ceux des autres procédés, ainsi qu’une mouillabilité et une adhésion du vernis après vieillissement accéléré élevées. Les surfaces rabotées avec la coupe périphérique droite ont présenté un certain niveau de fibrillation, une rugosité et une mouillabilité intermédiaires. Néanmoins, l’adhésion du vernis après vieillissement a été également inférieure par rapport aux autres procédés. La coupe hélicoïdale a produit une rugosité intermédiaire. D’autre part, la coupe oblique a été le procédé qui a présenté une perte d’adhésion après vieillissement similaire au ponçage. Ce procédé a généré des surfaces lisses avec rugosité et mouillabilité intermédiaires. Sur la base des résultats obtenus, le ponçage à l’aide d’un programme P100-grain et une vitesse d’avance de 7 m/min, la coupe périphérique droite avec un angle d’attaque de 25° et une onde d’usinage de 1,0 mm, la coupe hélicoïdale avec une onde d’usinage de 1,0 mm et la coupe oblique realisé avec un angle oblique de 15° ont permis d’obtenir les meilleures conditions d’usinage pour chaque procédé. Dans un deuxième volet, l’effet de différents paramètres de coupe sur l’émission de poussières et la rugosité de la surface a été étudié lors de la coupe hélicoïdale. Les émissions de poussières ont diminué avec la diminution de laprofondeur de coupe et l’augmentation de l’épaisseur moyenne du copeau. Cependant, les surfaces obtenues avec l’épaisseur moyenne du copeau plus élevée ont présenté une rugosité supérieure. Par contre, si une surface plus lisse est requise, une vitesse d'avance intermédiaire doit être utilisée afin de diminuer la rugosité des surfaces sans exposer les travailleurs à des niveaux élevés de poussière de bois. Par ailleurs, l’émission de poussières pour chaque fraction de particules peut être estimée à travers les modèles développés. / Coating performance on wood could be affected for different aspects including the manner in which the surface is prepared. Sanding is often used to prepare wood surfaces prior to finishing. However, this process can generate large amount of wood dust. Thus, the effects of machining processes on surface properties, coating performance and dust emission were investigated in an attempt to determine the most appropriate methods for surface preparation of red oak wood. In a first part of this project, surface properties and coating performance were evaluated on machined surfaces obtained by sanding, peripheral and helical planing as well as oblique cutting. Surface quality was assessed through roughness, scanning electron micrographs and wettability analyses. The performance of a solvent-borne coating was measured by adhesion strength before and after an accelerated aging. The results showed that sanding induced high surface roughness and fibrillation level as well as high wettability and pull-off strength after aging than other processes. Peripheral planing samples showed a certain cell-wall fibrillation, and intermediate surface roughness and wetting properties. Helical planing samples presented intermediate surface roughness. On the other hand, oblique cutting showed similar loss in adhesion to sanding. This process generated smooth surfaces with intermediate roughness and wettability. Based on the results, sanding with a single stage program P100-grit at 7 m/min feed speed, peripheral planing with a rake angle of 25° and a wavelength of 1.0 mm, helical planing with a wavelength of 1.0 mm, and oblique cutting with an oblique angle of 15° were the best machining conditions for each process. In a second part of the study, the effect of cutting parameters on dust emission and surface roughness was studied during the helical planing of red oak wood. Results showed that dust emission decreased significantly when lower cutting depth and higher average chip thickness was used. However, samples cut at the highest average chip thickness showed higher values of surface roughness. This implies that if a smoother surface is required, an intermediate feed speed should be used in order to decrease surface roughness without exposing woodworker to high levels of wood dust. Moreover, dust emission for each particle size fraction can be estimate through the models developed as a function of average chip thickness and cutting depth.

Pour la tomate de serre, un mélange de 70 % de sciure d'épinette blanche et de 30 % de tourbe de sphaigne brune semble particulièrement intéressant comme substitut à la laine de roche au Québec, mais sa régie d'irrigation doit être adaptée. Cette expérience avait pour but de déterminer cette régie afin d'obtenir les meilleurs rendements et économies d'eau. Différentes régies pour ce mélange (irrigué en fonction du potentiel matriciel (ST/T-12), par minuterie avec correction pour la radiation solaire (ST/M) ou avec remontée capillaire pour deux potentiels matriciels différents (ST/R-11, ST/R-9)) ont été comparées à la laine de roche (LR/M) irriguée selon ST/M. ST/T-12 a permis une augmentation du rendement comparativement à LR/M. La meilleure économie d'eau a été réalisée en remontée capillaire pour le substrat le plus humide (ST/R-9). Finalement, les rendements ont été négativement corrélés au potentiel matriciel moyen maintenu dans le substrat.

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.