Le soudage du bois par rotation à haute vitesse est une technique qui a été développée durant les cinq dernières années. La rotation à haute vitesse permet le soudage du goujon en bois, sans ajout d’adhésif, avec une force considérable. Le procédé de soudage est basé sur la friction mécanique créée par la haute vitesse de rotation. Ce procédé a démontré être aussi efficace que le procédé de soudage par vibration, induisant une température favorisant le ramollissement des constituants structuraux, principalement du matériau polymère amorphe dans la structure du bois, notamment, la lignine, mais aussi les hémicelluloses. Ceci a pour conséquence une forte densification au niveau de l'interface soudée. L'objectif de cette étude était d'analyser les changements chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation avec des goujons et des substrats en bois provenant de deux essences feuillues canadiennes : l'érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les analyses chimiques ont été effectuées en utilisant la pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse GC et à la spectrométrie de masse MS. L’étude de la modification structurale du bois après soudage a été complétée par l’utilisation des techniques DSC et XPS. Les différences en composition chimique du bois entre deux essences influencent l’efficacité du procédé de soudage. L’augmentation de la température à l’interface provoque une plus forte dégradation des hémicelluloses comparée à celle de la cellulose et de la lignine. La lignine est modifiée dans une certaine gamme de température. Les méthodes traditionnelles d'analyse chimique ont été utilisées pour déterminer la composition chimique de l'érable à sucre et du bouleau jaune. Les résultats montrent que la teneur en lignine de l'érable est plus élevée que celle du bouleau, tandis que la quantité d'hémicelluloses est plus faible que celle du bouleau. La composition en cellulose des deux feuillus est similaire. Les résultats de l'analyse chimique peuvent expliquer en partie les résultats des tests mécaniques de traction qui démontrent que l’utilisation du bois de l'érable permet d’obtenir une meilleure qualité de soudage qu’avec le bois du bouleau. Les modifications chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation.ont été examinées par l’’analyse comparative par Pyrolyse-GC/MS, DSC et XPS, d’un échantillon provenant du substrat en bois dans la zone non soudée (bois de référence) avec celle d’un échantillon provenant de la zone soudée. Les résultats de ces analyses indiquent que les différences de performances mécaniques obtenues avec les deux essences sont essentiellement dues due aux différences dans les structures de la lignine d'origine de deux essences ainsi qu’aux différences de températures de soudage mesurées. L’analyse détaillée des composés identifiés par Py-GC-MS, ainsi que les ratios S/G et L/C est présentée dans ce ratio. La haute température à l’interface de soudage relevée dans le cas de l'érable à sucre pourrait être responsable d'une meilleure fusion des polymères du bois dans cette zone. Ceci explique une plus grande présence de dérivés des hémicelluloses due à la formation d'un nouveau complexe Lignine-polysaccharide (LCC) dans le matériau soudé. / Wood welding by high speed rotation is a technique that has been developed during the last five years. High-speed rotation-induced wood dowel welding, without any adhesive, is shown to rapidly yield wood joints of considerable strength. The welding process is based on mechanical friction created by the high speed rotation. This method has proven to be as effective as vibration welding process, causing a temperature favoring the softening of the main constituents, mainly amorphous zones of cells connecting the polymer material in the structure of wood, including lignin, but also hemicelluloses. This results in high densification of the bonded interface. The goal of this study was to analyze the chemical changes that occur during the rotational welding with dowels of two Canadian hardwood species: sugar maple (Acer saccharum) and yellow birch (Betula alleghaniensis). Chemical analysis was performed using pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS). The study of the structural modification of wood after welding was conducted using DSC and XPS techniques. The differences in chemical composition of both wood species influence the effectiveness of the welding process. Increasing the temperature at the interface causes a higher degradation of hemicelluloses compared to cellulose and lignin. Lignin is softened in a certain range of temperature. The traditional chemical analysis methods were used in this work to determine the chemical compositions of sugar maple and yellow birch. The results show that the lignin content of the maple is higher than that of birch, while the amount of hemicelluloses is lower than that of birch. The contents of cellulose in both hardwood species are very similar. The results of chemical analysis may partly explain the results of mechanical tensile tests which demonstrate that the maple wood yields a better welding quality as opposed to the birch wood. The chemical changes was examined which occur during welding in rotation. The analyses performed separately on wood substrate (reference wood) and welded material by using pyrolysis-GC/MS, DSC and XPS techniques. It is shown that the differences in mechanical performances of the two welded woods are due mainly to the differences in original lignin structures as well as in the welding temperatures determined for the two wood species. The detailed analysis of compounds identified by Py-GC-MS, the ratios S/G and L/C have been discussed. The higher temperature welding found in cases of sugar maple might be responsible for a better miscibility of polymers of wood in the welding zone. This explains the greater presence of hemicellulose derivatives with the formation of a new lignin-polysaccharide complex (LCC) in the welded material.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/21378 |
| Date | 16 April 2018 |
| Creators | Sun, Ying |
| Contributors | Stevanovic-Janezic, Tatjana |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | mémoire de maîtrise, COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 93 p., application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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