Comportement en sorption à la vapeur d'eau du bois de peuplier

COMPORTEMENT EN SORPTION À LA VAPEUR D’EAU DU BOIS DE PEUPLIER

Généralité sur le bois

Le bois est un ensemble de tissus de consistance plus ou moins dure formant la masse principale du tronc des arbres. C’est un matériau qui présente des tissus hétérogènes et organisés. La figure 2 illustre d’une manière simple le bois à différents niveaux d’observation: les tissus, la cellule et la paroi cellulaire.La majorité des éléments présents dans un tronc d’arbre (1) sont morts. Cependant il existe une fine couche de cellules vivantes, assurant la division cellulaire, située entre le bois et le liber (ou écorce interne) appelée le cambium (2). L’aubier (3) est constitué de cellules reliées entres–elles par les perforations (ouverture à chaque extrémité) et formant les vaisseaux (5). La circulation de la sève brute s’effectue verticalement par les vaisseaux mais aussi dans une moindre mesure, horizontalement par les ponctuations. Lorsque les vaisseaux ne sont plus fonctionnels, on obtient alors le bois de cœur (4). Les rayons (6), lames de cellules parenchymateuses, outre leur rôle de conduction dans le sens horizontal, assurent également le stockage et la distribution de substances de réserve. Lors de la genèse des cellules par division, une couche mitoyenne de nature pectique se forme, puis les cellules sécrètent une paroi primaire (8) de cellulose de part et d’autre de cette couche mitoyenne. L’ensemble formé par les deux parois primaires et la couche mitoyenne est appelé lamelle moyenne (7) (Détienne, 1988). Par la suite, au cours de la différenciation de la cellule, apparaît la paroi secondaire (9), mince, épaisse ou très épaisse, composée de trois couches successives : les couches S1, S2 et S3. Ces différentes couches, composées de microfibrilles (10) de cellulose (11) associée à des hémicelluloses(12) et de la lignine composent la matrice amorphe (15). Les couches S1 et S3 assurent la résistance à la compression alors que la résistance à la tension est assurée par la couche S2.D’un point de vue chimique, le bois est essentiellement constitué de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine. La cellulose est le composée majeur du bois. Elle est caractérisée par un polymère linéaire (PM : 15000 à 2000) formé de exclusivement de ∃-Dglucose. Comme l’illustre la figure 3, chaque motif glucose est tourné de 180° par rapport au voisin (Champetier-Monnerie, 1969) et des liaisons hydrogènes intra-moléculaires sont ainsi favorisées. Cette configuration confère à la cellulose une linéarité et une rigidité exceptionnelle.Les hémicelluloses sont des polysaccharides plus complexes que la cellulose. Ce sont des polymères ramifiés. Elles sont chimiquement hétérogènes, et les oses constitutifs sont le xylose, l’arabinose, le mannose, le galactose, ou des combinaisons de sucres (figure 4). Elles ont un rôle très important dans le comportement hygroscopique du bois.La lignine, composé peu affecté par la torréfaction, issu de la copolymérisation de 3 alcools phenyl-propénoïques, est le troisième constituant majeur des végétaux. Elles assurent le colmatage des espaces interfibrillaires et elles donnent au bois sa rigidité et sa résistance à la compression.

Porosité du bois

Le bois est un matériau poreux. La porosité (paramètre adimensionnel) correspond à la fraction de vide du milieu ou des pores de l’échantillon de bois par rapport à son volume total.La porosité peut s’exprimer en fonction de plusieurs paramètres. Trendelenburg (1955) utilise des éléments et paramètres comme le volume du bois anhydre, la masse volumique de la matière ligneuse, le volume du bois saturé, l’infradensité, et le retrait total du bois. Perre (1987) exprime la porosité par rapport à la masse volumique anhydre et la masse volumique des parois (cellulose, hémicelluloses et lignine) qui ne dépend pratiquement pas de l’essence. Il trouve ainsi une valeur de 0.66 pour le bois. Malgré cette porosité très élevée, le bois, de part son architecture, est beaucoup moins perméable que d’autres corps poreux (brique, sable, billes de verre).

La torréfaction du bois

La pyrolyse ménagée ou torréfaction correspond à une dégradation chimique du matériau bois sous l’action de la chaleur en atmosphère inerte ou réductrice (Avat, 1993). La figure 5 donne les plages de température correspondant aux différents traitements thermiques du bois.Les trois principaux polymères du composite bois : hémicelluloses, lignines et cellulose, subissent des modifications physiques et chimiques avec départ de produits volatils ou réarrangements. Ces transformations confèrent au bois de nouvelles propriétés. La première et certainement la plus importante est la diminution de l’hygroscopie du bois, lui conférant une meilleure stabilité dimensionnelle. La destruction des hémicelluloses semble être la principale cause de cette baisse du caractère hydrophile. Les micro-organismes ne peuvent plus se développer en raison de l’abaissement consécutif de l’activité de l’eau (notée aw), (Neya,1993). D’autres conséquences du traitement thermique sont la diminution des propriétés mécaniques du bois et sa forte coloration en fonction de l’intensité du traitement.

Comportement en sorption du bois

La littérature a souvent rapproché et interprété les isothermes de sorption du bois avec celles de la cellulose, cellulose et bois se comportant de façon très similaire. Mais on a porté peu d’attention aux propriétés de sorption et aux possibles interactions des autres constituants à savoir les hémicelluloses, les lignines et les composés extractible alors qu’il constituent la moitié du poids du bois (Christensen et Kelsey, 1959). La capacité de sorption d’eau du bois est généralement plus grande que celle de la cellulose qui en dérive après avoir été extraite (Stamm, 1952). Les teneurs en holocellulose (cellulose et hémicelluloses) ont un effet positif sur la teneur en eau à l’opposé des composés extractibles (Wang et Cho, 1993). Les courbes de sorption, bien que souvent associée au concept d’équilibre, présentent un hystérésis assez marqué dans les cycles de sorption-désorption, la désorption du bois vert n’étant jamais reproductible (Perre, 1987).De nombreuses théories ont essayé de donner une explication thermodynamique à ces courbes. La plus simple est celle de Langmuir ; modèle à une couche adsorbée à la surface solide et la plus connue celle de Brunauer, Emmett et tellet (B.E.T.), modèle multicouche donnant de bonnes corrélations avec les courbes expérimentales pour des humidités assez faibles. Signalons l’existence du modèle de DENT (1977), autre modèle multicouche qui a été utilisé pour sa bonne adéquation avec le bois. Parallèlement sur les produits alimentaires a été développé un modèle similaire par Guggenheim, Anderson et De Boer (G.A.B) qui s’adapte également au comportement du bois (Themelin, 1997).

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Table des matières

I – INTRODUCTION
II – ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1 – GÉNÉRALITÉ SUR LE BOIS
2 – POROSITÉ DU BOIS
3 – LA TORRÉFACTION DU BOIS
4 – COMPORTEMENT EN SORPTION DU BOIS
5 – PROPRIÉTÉS BARRIÈRES
5.1 – Propriétés barrières à la vapeur d’eau et aux gaz
5.2 – Perméation à l’air dans le domaine hygroscopique du bois
III – MATERIELS ET METHODES
1 – LA MATIÈRE PREMIÈRE
2 – DÉTERMINATION DES COURBES DE SORPTION DU BOIS
3 – PROPRIÉTÉS BARRIÈRES
3.1 – Propriétés barrières à la vapeur d’eau
3.2 – Propriétés barrières aux gaz : O2, CO2, C2H4
3.3 – Propriété barrière à l’air
IV – RESULTATS ET DISCUSSION
I – COMPORTEMENT EN SORPTION À LA VAPEUR D’EAU DU BOIS DE PEUPLIER
2 – PROPRIÉTÉS BARRIÈRES
2.1 – Propriétés barrières à la vapeur d’eau
2.2 – propriétés barrières aux gaz : O2, CO2, C2H4
2.3 – Propriété barrière à l’air
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES