L'objectif principal de cette recherche est d'établir une meilleure compréhension du procédé de densification thermo-hygromécanique (THM) et du comportement physique, chimique et mécanique du bois dans des conditions thermiques et hygrométriques diverses. La densification THM est un procédé complexe impliquant simultanément, les phénomènes couplés de transfert de chaleur et de masse, plusieurs mécanismes de déformation instantanée et dépendante du temps ainsi que des changements physiques, chimiques et mécaniques dans le bois. Malgré de nombreuses recherches au cours des dernières décennies, les mécanismes fondamentaux du comportement en compression du bois soumis à une charge et à une variation de sa teneur en humidité demeurent en grande partie méconnus. La densification et la relaxation des contraintes sont deux phénomènes très complexes en raison de la nature des déformations réversibles et permanentes qui se produisent simultanément à diverses étapes du procédé de pressage. De plus, les déformations sont affectées par de nombreux facteurs physiques et le comportement de compression à son tour affecte l'ensemble du système physique. Dans cette étude, le procédé de densification THM a été optimisé en utilisant la méthode des surfaces de réponse (RSM) pour étudier les effets de la température et de la durée du traitement sur la dureté et le retour viscoélastique en épaisseur et analyser les interactions entre ces paramètres physiques. Plusieurs propriétés physiques et mécaniques, telles que le profil de densité, le retour viscoélastique en épaisseur, la dureté et la résistance à la flexion des échantillons témoins et du bois densifié THM ont été évaluées et comparées. Les modifications chimiques de surface des échantillons densifiés ont été examinées en utilisant la spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR), la spectroscopie photoélectronique X (XPS) et la pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (Py-GC/MS). Par ailleurs, les évolutions de la masse volumique anhydre, la perméabilité et la conductivité thermique pendant le procédé de densification THM ont été déterminées expérimentalement. Les résultats suggèrent que les conditions de densification optimales résultant en une dureté élevée et un faible retour viscoélastique en épaisseur ont été obtenues à une température de 180 °C, un temps de densification de 1004 s et un temps de post-traitement de 1445 s. La densité des échantillons densifiés a considérablement augmenté par rapport à l'échantillon témoin. La vapeur et la température ont des impacts importants sur les propriétés mécaniques, chimiques et la stabilité dimensionnelle du bois d'érable à sucre. Un pourcentage plus élevé de perte de masse a été trouvé à 220 °C, résultant en une diminution évidente de la masse volumique et de la dureté du bois, alors qu’un léger retour viscoélastique en épaisseur a été observé pour l'érable à sucre densifié à la même température. De plus, la haute température et la vapeur sont bénéfiques pour fixer la déformation de compression. La vapeur pourrait faciliter la dégradation avancée des polymères du bois. Le traitement de densification THM a entraîné des modifications chimiques importantes de la surface du bois. Les résultats des spectres ATR-FTIR ont confirmé la décomposition des hémicelluloses et l’augmentation de la teneur relative en cellulose et lignine de la surface du bois. Les résultats du Py-GC/MS et du XPS en terme d'augmentation du rapport O/C indiquent que des substances chimiques contenant une fonctionnalité oxygénée se sont formées après densification. Le traitement de densification a favorisé la dépolymérisation des hémicelluloses et de la cellulose, ce qui a entraîné une augmentation de la teneur en sucres anhydres (lévoglucosane) de la surface du bois. La densification a également facilité le clivage de la chaîne latérale de la lignine, ce qui a entraîné une augmentation de la teneur en unités phényle avec chaînes courtes. La masse volumique anhydre n'a pas augmenté avec la diminution de l'épaisseur. La perméabilité au gaz de l'échantillon témoin peut être 5 à 40 fois plus élevée que celle du bois densifié, ce qui indique que le volume des vides du bois diminue considérablement après le traitement de densification. La conductivité thermique augmente avec l'augmentation de la teneur en humidité de 0,5 à 1,5% par pourcentage d'augmentation de la teneur en humidité pour le bois densifié. La conductivité thermique des échantillons densifiés était plus petite que celle des échantillons de contrôle. / The main purpose of this research is to establish a better understanding of the thermo-hygromechanical (THM) densification process and physical, mechanical and chemical behavior of wood under diverse temperature and humidity conditions. THM densification is a complicated process involving simultaneous, coupled heat and mass transfer phenomena, several instantaneous and time-dependent deformation mechanisms as well as some physical, mechanical and chemical changes in wood. Despite numerous researches in the past decades, the basic mechanisms of compressive behavior of wood subjected to load and moisture variation are not completly understood. Wood densification and stress relaxation are very complicated, because both recoverable and permanent deformations occur at various stages of the pressing process. Moreover, deformations are affected by many physical factors, and the compressive behavior in turn affects the entire physical system. In this study, the THM densification process was optimized using response surface methods (RSM) to investigate the effects of temperature and treatment duration on hardness and compression set recovery (CSR) and further to analyze the interactions between these physical parameters. Several physical and mechanical properties such as density profile, compression set recovery, hardness and bending strength of control and THM densified wood were evaluated and compared. The surface chemical changes of densified samples were examined using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry (Py-GC/MS), respectively. In addition, evolutions of oven-dry average density, permeability and thermal conductivity during the THM densification process were experimentally determined. The results suggested that the optimum densification conditions resulting in high hardness and low compression set recovery were obtained at a temperature of 180 °C, a densification time of 1004 s, and a post-treatment time of 1445 s. The density of the densified samples was dramatically increased compared to the control sample. Both steam and temperature have important impacts on mechanical, chemical properties and dimensional stability of sugar maple wood. A higher percentage of weight loss occurred at 220 °C, resulting in an important decrease in the density and hardness of wood. However, almost no compression set recovery was observed for the sugar maple wood densified at 220 °C. In addition, high temperature and steam are helpful to fix the compressive deformation. Steam could facilitate the advanced degradation of wood polymers. THM densification treatment resulted in significant chemical changes on the wood surface. The results of the ATR-FTIR spectra confirmed the decomposition of hemicelluloses and the relative content of cellulose and lignin on wood surface increased. The Py-GC/MS and XPS results in term of the O/C ratio increase indicated that chemical substances containing oxygenated functionality were formed after densification. Densification treatment favored the depolymerization of hemicelluloses and cellulose resulting in the content of anhydrous sugars (levoglucosan) increased on wood surface. Densification also facilitated the cleavage of lignin side chains, resulting in the increase of the content of phenyl units with short chains. The oven-dry density did not exactly increase with the decrease of its thickness, the permeability of the control sample could be 5 to 40 times higher than that of densified wood, which indicated that the voids of wood reduced notably after densification treatment. The thermal conductivity increased by 0.5 - 1.5 percent increase of one percent moisture content for densified sugar maple wood. The thermal conductivity of densified samples was lower than that of the control samples.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/33511 |
| Date | 09 February 2019 |
| Creators | Fu, Qilan |
| Contributors | Laghdir, Aziz, Cloutier, Alain |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xv, 163 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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