La transformation du bois en papier et ses résidus

La transformation du bois en papier et ses résidus

Le matériau bois

Le matériau bois est perçu comme un choix écologique. Il s’agit d’une ressource renouvelable, recyclable et biodégradable. Le bois est un matériau fortement anisotrope et hétérogène composé principalement de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine. Des substances extractibles et des matières inorganiques appelées « cendres » s’y trouvent aussi en faible quantité. On distingue d’importantes variations dans ces composantes en fonction de l’essence, l’âge de l’arbre, la position dans l’arbre, mais surtout en fonction de la nature de 1′ essence, soit des bois de résineux ou des bois de feuillus (Perré, 2007). Un jeune arbre produit des fibres de bois courtes, appelées « bois juvénile ». Quand il vieillit, ces fibres produites s’allongent jusqu’à une longueur maximale (environ 2 mm pour les feuillus et 5 mm pour les résineux) et elles portent ensuite l’appellation de« bois mature». Le bois d’aubier est peu lignifié et le bois de coeur (duramen) est totalement lignifié, donc il est plus riche en substances extractibles. Les anneaux de croissance montrent aussi une variation importante entre le bois initial, plus poreux, et le bois final, plus dense et plus lignifié (FPL, 2010). Les propriétés des fibres de bois varient aussi en fonction des positions longitudinales, radiales et tangentielles comme présentées dans le tableau 1.1.

Les valeurs indiquées dans le tableau permettent de prévoir ce qui serait observé en termes d’ordre de grandeur dans les directions radiales et longitudinales en fonction d’une valeur observée dans la direction tangentielle (Perré, 2007). L’aubier contient beaucoup plus d’eau que le bois de duramen, mais le duramen a une perméabilité à 1 ‘eau plus faible qui le rend plus difficile à sécher. L’aubier des feuillus contient moins d’eau (80-120 %) que celui des résineux (150-200 %). Dans le duramen, ce sont les feuillus qui contiennent 1 égèrement plus d’eau ( 60-100 %) en comparaison avec le bois provenant d’essence résineuse (40-80 %). Or, les propriétés hygroscopiques et l’anisotropie du bois influenceront son comportement au séchage (figure 1. 1 ). Sur une pièce de bois, les défauts comme les gerces de surface, 1 e gauchissement, le fendillement, l’affaissement et l’encroûtement peuvent être observés si les conditions de séchage ne sont pas adéquates (Cech et Pfaff, 1980).

Le bois dans l’arbre est presque tout mort.

La seule partie vi vante est constituée des cellules de parenchymes et d’aubier, qui totalisent une épaisseur d’environ 100 11m, soit une dizaine de cellules d’épaisseur. Les parenchymes ont une épaisseur d’environ 100 11m et servent au transport de l’eau et des ré serves de nutriments. Les cellules vivantes dans le bois ont une paroi mince, une forme allongée et sont peu lignifiées. Elles contiennent uniquement les couches M (la lamelle moyenne), P (la paroi cellulaire primaire) et SI (la première couche de la paroi secondaire). Les cellules mortes, quant à elles, ont une forme plus ovale et une paroi très épaisse. Au fur et à mesure que le processus de lignification progresse, les deux autres couches de la paroi secondaire (S2 et S3) se forment. Les microfibrilles sont des filaments de cellulose cristalline que l’on trouve dans les parois cellulaires de l’arbre. La paroi secondaire S 1 sert de support pour empêcher la cellule chargée d’eau d’éclater dans le sens radial, et son épaisseur approximative est de 0,1 )lill.

La paroi secondaire S3 est aussi mince que la S 1 et elle contient des microfibrilles alignées près de l’horizontale et une paroi interne dite verruqueuse (figure 1.2). C’est la paroi secondaire S2 qui procure à 1′ arbre sa force structurale grâce aux rn icrofibrilles orientées le plus près de la verticale. Il est à noter que la couche S2 est la plus épaisse des cellules Gusqu’à 2 )lill) et peut contenir jusqu’à 20% de lignine pour les résineux (Bodig et Jayne, 1982). C’est à l’échelle nanométrique que les chaînes de cellulose procurent sa résistance théorique maximale en tension de 1700 GPa (Biermann, 1996). Les procédés papetiers utilisent comme matière première un bois sous forme de copeaux écorcés avant de les réduire à l’état de fibres dans des raffineurs. Le séchage des copeaux s’effectue en deux étapes: la première étant l’évacuation de l’eau libre, la seconde étant 1′ évacuation de 1 ‘eau liée qui induit un gradient d’humidité à l’intérieur des copeaux (Gigler et al., 2000). Les copeaux sont souvent séchés à l’air libre, provoquant une dégradation par une oxydation exothermique qui réduit leur poids d’environ 1 % par mois et facilite du même coup la mise en pâte (Biermann, 1996).

Les procédés de mise en pâte et la fabrication des papiers La mise en pâte des fibres de bois peut être accomplie soit par des procédés mécaniques, chimiques ou un mélange des deux. En général, l’addition de produits chimiques augmente la teneur en cellulose des pâtes, mais réduit le rendement global du procédé (Biermann, 1996). Le procédé de mise en pâte thermomécanique (PTM) est un procédé dit à haut rendement puisqu’il permet de récupérer au-delà de 90% des copeaux. La PTM chauffe des copeaux de bois par de la vapeur à une température supérieure à 100 oc afin d’ amollir les fibres avant le raffinage. C’ est un effet de compression et de décompression successive qui facilite la séparation des fibres dans les disques rotatifs du raffineur. L’utilisation de deux raffineurs en série améliore davantage les caractéristiques des pâtes préparées, car on y augmente la proportion de fibres longues (Garceau, 1989). À des températures de raffinage de l’ordre de 120 à 130 °C, la lignine est suffisamment amollie pour faciliter la séparation des fibres, mais au-delà de 140 °C, l’amollissement subséquent de la lignine pourrait nuire à la fibrillation (Smook, 2002).

Le procédé de mise en pâte kraft, qui signifie résistant en allemand et en suédois, est un procédé chimique de fabrication de la pâte en milieu alcalin ayant un rendement d’environ 50%. La pâte obtenue possède une bonne résistance mécanique, un bon indice d’éclatement et une bonne longueur de rupture. Pour fabriquer cette pâte, les copeaux de bois sont cuits environ pendant 2 h à 170 °C dans la soude caustique contenant des carbonates de calcium et des sulfures de sodium pour permettre le craquage de la lignine, libérant ainsi les fibres. Le mécanisme réactionnel comporte les trois étapes suivantes (Yang et Liu, 2005) : 1. adsorption des hydroxydes et des hydrosulfures sur la lignine; 2. réaction de dégradation en surface de la lignine; 3. désorption du produit dégradé.

Il est important de noter que pendant une cuisson type, 80% de la lignine, 50% des hémicelluloses, dont principalement les xylanes, et 10 % de la cellulose sont dissous (Smook, 2002). Les acides gras résiniques et les matières inorganiques sont aussi retirés de la pâte lors des étapes de cuisson et de lavage (Biermann, 1996). Un autre procédé chimique comme celui de la pâte bisulfite obtient un rendement d’environ 45 %. Ce procédé utilise le bisulfite de calcium pour dissoudre la lignine et les hémicelluloses à une température entre 130 et 140 oc pendant 6 à 8 heures. Ce procédé permet entre autres d’obtenir des pâtes à teneur en cellulose alpha supérieure. Il est à noter qu’en acidifiant moins et en réduisant la cuisson, il est possible de récupérer les hémicelluloses (Biermann, 1996; Smook, 2002).

Les procédés de mise en pâte chimico-thermomécanique (PCTM) sont des méthodes intermédiaires qui permettent d’obtenir un rendement d’environ 80 à 95% selon les diverses variantes. Ce procédé est similaire à la PTM, à l’exception qu’on introduit préalablement un traitement chimique avec du sulfite de sodium ou de 1 ‘hydroxyde de sodium à une concentration d’environ 2% par rapport au poids anhydre des copeaux. Par exemple, la sulfonation des copeaux s’effectue à des températures variant de 120 à 160 °C pendant 15 à 120 minutes selon l’essence. Le raffinage de la pâte requiert moins d’énergie et se fait à la pression atmosphérique en un ou deux stades. La pâte PCTM permet donc d’obtenir des fibres plus longues et plus flexibles, comparativement aux méthodes purement mécaniques (Garceau, 1989; Biermann, 1996). Le blanchiment des pâtes chimiques consiste à poursuivre l ‘ extraction de la lignine pour obtenir un produit plus blanc, plus absorbant et plus résistant. Les principaux agents de blanchiment utilisés sont l’oxygène, l’hypochlorite de sodium, le dioxyde de chlore et le peroxyde d’hydrogène (MDDEP, 2011). Les pâtes peuvent être pressées, séchées et ensuite mises en ballot ou simplement diluées de 0,5 à 3 %avant d’être acheminées vers les machines à papier qui se chargeront d ‘en faire des rouleaux, des papiers traditionnels ou des cartons. Le tableau 1.2 présente les propriétés des papiers issus de différents types de pâtes à papier.

Table des matières

AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
RÉSUMÉ
ABSTRACT
INTRODUCTION
CHAPITRE I REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 La transformation du bois en papier et ses résidus
1.1. 1 Le matériau bois
1.1. 2 Les procédés de mise en pâte et la fabrication des papiers
1.1. 3 Le traitement des effluents papetiers
1.1.4 La déshydratation des boues
1.1.5 Propriétés chimiques des boues papetières
1.1.6 Valorisation des résidus papetiers
1.1.6.1 L’enfouissement des boues
1.1.6.2 La valorisation agricole
1.1.6.3 La valorisation énergétique
1.1.6.4 Utilisation des résidus papetiers pour la fabrication des produits du bois
1.1.6. 5 Utilisation des résidus papetiers pour la fabrication de CBP
1.2 Les matériaux composites bois-polymère (CBP)
1.2.1 Présentation des matériaux composites
1.2.2 Présentation de la matrice thermoplastique
1.2.3 Transformation des thermoplastiques
1.2.4 Les mécanismes d’ adhésion des polymères-fibres
1.2.5 Effets des propriétés des fibres sur les propriétés des CBP
1.2.5.1 Effet de l ‘essence des fibres
1.2.5.2 Effet de la proportion des fibres
1.2.5.3 Effet de la nature des fibres
1.2.5.4 Effet de la morphologie des fibres
1.2.5.5 Effet des traitements de surface des fibres
1.2.5.6 Effet des traitements thermiques de la matière lignocellulosique
1.2.6 Les additifs (adjuvants) utilisés dans les CBP
1.2.7 Effet des matières non conventionnelles dans les CBP
1.2.8 Vieillissement et résistance aux moisissures des CBP
1.2.9 Propriétés physico-mécaniques des CBP
1.3 Objectifs et hypothèses du présent travail..
1.3.1 Hypothèses de la recherche
1.3.2 Obj ectifs de la recherche
1.3.3 Dispositif expérimental préconisé
1.3.4 Originalité des travaux
CHAPITRE II CADRE THÉORIQUE EN RHÉOLOGIE
2.1 Viscosité, type de fluides et rhéologie
2.2 Viscoélasticité et thixotropie
2.3 Comparaison liquide-solide et caractérisation rhéologique
2.4 Différentes formes de viscosité
2.5 Effet de la température sur la viscosité
2.6 Effet des matières en suspension
2.7 Rhéologie et rhéométrie
2.8 Implication de la rhéologie dans les CBP
CHAPITRE III MATÉRIAUX ET MÉTHODES
3.1 Choix des matériaux
3.2 Échantillonnage et préparation des résidus papetiers
3.3 Caractérisation des boues
3.3.1 Caractérisation physique
3.3.1.1 Propriétés à l’état liquide
3.3.1.2 Profil de distribution des fibres
3.3.2 Caractérisation chimique des boues
3.3.2.1 Détermination de la teneur en cellulose
3.3.2.2 Détermination de la teneur en hémicelluloses
3.3.2.3 Détermination de la teneur en lignine
3.3.2.4 Détermination de la teneur en substances extractibles
3.3.2.5 Détermination de la teneur en cendres
3.3.2.6 Détermination de la teneur en azote
3.3.2.7 Détermination de la composition chimique par spectroscopie infrarouge
3.4 Préparation des mélanges polymère-boues
3.4.1 Mise en pastilles
3.4.2 Préparation des éprouvettes pour les essais physico-mécaniques
3.4.3 Mesure en rhéométrie oscillatoire
3.4.4 Analyse enthalpique différentielle (AED)
3.5 Mesures des propriétés des CBP
3.5.1 Absorption d’eau et stabilité dimensionnelle
3.5.2 Essai de traction
3.5.3 Essai de flexion
3.5.4 Essai de résilience
3.5.5 Microscopie électronique à balayage (MEB)
CHAPITRE IV ÉTUDE DU COMPORTEMENT RHÉOLOGIQUE DES COMPOSITES BOIS-POLYMÈRE CHARGÉS DE RÉSIDUS PAPETIERS
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Introduction
4.4 Matériel et méthodes
4.4.1 Préparation des matériaux
4.4.2 Propriétés des mélanges polymère-fibres
4.5 Résultats et discussions
4.5.1 Spectres mécaniques
4.5. 2 Viscosité complexe
4.5.3 Analyse thermique différentielle (ATD)
4.5.4 Microscopie électronique à balayage (MEB)
4.6 Conclusions
CHAPITRE V LE POTENTIEL DES BOUES PAPETIÈRES POUR LA FABRICATION DE MATÉRIAUX COMPOSITES BOIS-POLYMÈRE~ THE POTENTIAL OF PAPER MILL SLUDGE FOR WOOD-PLASTIC COMPOSITES
5.1 Résumé
5.2 Abstract
5.3 Introduction
5.4 Material and methods
5.4.1 Sludge sample preparation
5.4.2 Sludge properties characterization
5.4.3 Composite manufacturing and testing
5.4.4 Statistical data analysis
5.5 Results and discussion
5.5.1 Sludge fiber distribution
5.5.2 Chemical composition
5.5.3 Composite properties
5.5.3.1 Tensile properties
5.5.3.2 Flexural properties
5.5.3.3 Izod resilience
5.5.3.4 Thickness swelling (TS) and water absorption (W A)
5.5.4 Effect of chemical composition on physical and mechanical properties
5.5.5 Practical implications
5.6 Conclusion
5.7 Acknowledgements
CHAPITRE VI EFFETS DE LA COMPOSITION CHIMIQUE ET DES PROPRIÉTÉS DE SURF ACE DES RÉSIDUS PAPETIERS SUR LES PROPRIÉTÉS DES COMPOSITES FAITS DE POLYÉTHYLÈNE HAUTE DENSITÉ (PEHD) CHEMICAL COMPOSITION AND SURF ACE PROPERTIES OF PAPER MILL SLUDGE AND THEIR IMPACTS ON HIGH DENSITY POLYETHYLENE (HDPE) COMPOSITES
6.1 Résumé
6.2 Abstract
6.3 Introduction
6.4 Materials and Methods
6.5 Results and discussion
6.5.1 Chemical composition
6.5.2 Pulp surface characterization
6.5.3 Sludge surface characterization
6.5.4 WPC surface characterization
6.5. 5 Effect of chemical composition on WPC tensile properties
6.5. 6 Effect of chemical composition on WPC flexural properties
6.5. 7 Effect of chemical composition on WPC impact energy
6.5.8 Water absorption and thickness swelling in sludge-filled WPCs
6.6 Conclusions
CONCLUSION
Conclusions générales
Recommandations
Pistes de recherche
ANNEXE A COMPLÉMENT À LA CARACTÉRISATION DES BOUES
ANNEXEECONFIGURATION DES VIS DE L’ APPAREIL POL YLAB DE HAAKE
ANNEXEC EXEMPLE DE COURBE OBTENUE EN ANALYSE ENTHALPIQUE DIFFÉRENTIELLE
ANNEXED EXEMPLE DE RAPPORT D’UN ESSAI DE TRACTION
ANNEXEE EXEMPLE DE RAPPORT D’UN ESSAI DE FLEXION
ANNEXEF EXEMPLE DE RAPPORT D’UN ESSAI DE RÉSILIENCE
BIBLIOGRAPHIE

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