Le bois rétifié

par R. Guyonnet, de l'Ecole des Mines de Saint Etienne, Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels (SPIN)

document trouvé sur le site :

http://www.lebois.ch/leboisretifie.html  le 4/11/2005

Un des enjeux de la recherche sur le bois est la mise au point de traitements de stabilisation et de préservation du bois naturel, peu onéreux et mieux acceptés par les contraintes environnementales que les traitements classiques.

Un des procédés actuellement en cours de développement consiste à soumettre le bois à un traitement thermique. Ce traitement, appelé rétification du fait de la mise en évidence de phénomènes de réticulation de la matière ligno-cellulosique, a pour effet de réduire son hygroscopie, d'améliorer sa stabilité dimensionnelle, d'augmenter sa résistance aux agents de dégradation et de modifier ses propriétés physico-mécaniques.


I. LA RÉTIFICATION

I.1 Principe

La rétification est un traitement physique du bois sans emploi de produit chimique externe. Le vecteur de transformation est le flux thermique qui engendre des modifications physico-chimiques intrinsèques du bois. Le principe est simple : il consiste à réaliser une pyrolyse ménagée du bois à l'état massif ou divisé sous atmosphère et température contrôlées. Si le principe est simple, du fait de la complexité physico-chimique du bois, les paramètres qui influent sur le contrôle des réactions et du produit final sont nombreux.

Le bois n'est pas un matériau inerte, il est extrêmement sensible aux conditions de son environnement. En général, les feuillus apparaissent plus réactifs que les résineux. Les composés chimiques sont arrangés d'une façon physiquement hétérogène et leurs propriétés physiques diffèrent, en particulier leur température de transition vitreuse. La présence d'eau abaisse la valeur de cette température et modifie les cinétiques de dégradation, car les mouvements moléculaires sont facilités. Le bois est un composite complexe macromoléculaire multicomposants. L'étude en DSC de la pyrolyse montre une succession de réactions en chaîne que le thermogramme (Figure l) peut décrire finement suivant les conditions pour chaque essence. D'une manière générale, on distingue:

Une première étape entre 20 et 150 °C, endothermique, correspondant au séchage. La vapeur d'eau produite migre différemment selon qu'elle provient de l'eau libre ou de l'eau liée. Le départ de cette dernière demandera plus d'énergie pour rompre ses liaisons avec le bois.

De 200 à 250 °C, la thermicité des réactions est difficile à déterminer. Dans cette zone de température, le thermogramme est très variable suivant les essences. Elle présente une forte dérive thermique avec une tendance à l'exothermicité. Ce n'est plus du séchage, le bois subit d'importantes réactions chimiques, mais ce n'est pas encore de la carbonisation. C'est la zone de craquage des hémicelluloses qui peut être influencée par de nombreux paramètres. C'est le domaine de la rétification.

A partir de 250° la transformation devient fortement exothermique et le bois évolue vers la carbonisation, avec dégagement de CO2 et de pyroligneux. Les différents pics exothermiques sont grossièrement attribuables aux dégradations successives des composants essentiels du bois la lignine puis la cellulose.

Le bois est un mélange hétérogène de polymères organiques possédant des liaisons plus ou moins fragiles. Un traitement thermique suffisamment énergétique pourra rompre certaines de ces liaisons et donner lieu à des réarrangements et des départs de produits volatils. L'étude du procédé de rétification montre que l'exothermicité des réactions commence vers 200 °C pour les feuillus et 220 °C pour les résineux, mais elle est encore faible. Au-delà de 250-260° C, l'exothermicité devient importante, la réaction est de plus en plus difficile à contrôler : elle peut s'emballer et partir en carbonisation si la chaleur produite n'est pas rapidement évacuée.


I.2 Les facteurs d'influence

Une élévation de température seule ne gouverne pas le processus de transformation du bois et il existe de nombreux autres facteurs susceptibles d'influencer le déroulement de réactions de transformation thermique. D'une manière générale, il est possible de distinguer :

- d'une part, les paramètres dépendant de l'état initial du bois :

• l'essence

Elle joue un rôle à la fois par sa composition chimique qui conditionne la réactivité du matériau (on note que pour une même température la réactivité des feuillus est supérieure à celle des résineux) et par l'organisation cellulaire qui conditionne le mouvement des liquides et des gaz.

• le taux d'humidité initial

Il va influencer la perte de masse totale, ainsi que les cinétiques et les transferts de chaleur et de masse et par conséquent les vitesses de décomposition.

• la géométrie et la taille des échantillons

A partir d'une taille de la pièce de bois supérieure à 1 mm, on montre que l'on ne peut plus négliger les phénomènes de transfert de chaleur : il y a alors installation d'un gradient thermique et avancée du front de pyrolyse dans le temps et dans l'espace. Par ailleurs avec l'épaisseur, l'évacuation des produits de décomposition est plus lente et ceux-ci subissent des réactions secondaires d'autocatalyse.

- d'autre part, les paramètres du procédé proprement dit :

La pyrolyse peut se dérouler de manière isotherme (la température à laquelle est soumis l'échantillon est constante) ou dynamique (elle varie au cours du temps de façon continue ou séquentielle). Dans les deux cas, les facteurs suivants jouent un rôle essentiel :
• la température de traitement de la matière

• le temps de séjour

car les cinétiques dépendent du temps et de la température

• la nature de l'atmosphère.

La présence d'un oxydant accélère les réactions de dégradation du matériau. L'atmosphère inerte ou légèrement réductrice favorise le contrôle du cycle de traitement. En atmosphère humide sous vapeur, les réactions d'hydrolyse se superposent aux réactions de pyrolyse proprement dites.

• la pression

Sous pression, la perte de masse augmente et la complétion de la réaction est plus rapide ce qui peut s'expliquer par une autocatalyse par les gaz avec promotion des réactions secondaires.

• la présence de catalyseurs

Ils peuvent être présents dans le bois, ou ajoutés. Certains sels organiques, ou la présence d'extractibles initiateurs d'une décomposition radicalaire des hémicelluloses peuvent jouer ce rôle.

Dans le cas d'un environnement en température dynamique, un autre facteur important est joué par la vitesse de montée en température. Son augmentation déplace les mécanismes de décomposition vers les hautes températures, génère des surpressions internes pouvant être l'origine de défauts dans la structure, ou ne permet plus au matériau une relaxation de ses contraintes lors du passage aux transitions vitreuses. Avec la vitesse de balayage des gaz, les produits de décomposition sont éliminés et ne peuvent plus réagir à la surface de l'échantillon.

I.3 Les réacteurs

Plusieurs générations de prototypes ont été construits pour le développement du procédé de rétification. Nous ne décrirons ici que les pilotes faisant l'objet de l'étape de pré-industrialisation en cours.

Suivant la nature et l'état physique du bois, il existe deux types de réacteurs :
• Pour le traitement du bois massif : planches, chevrons, lames, ... un réacteur «batch» à lit fixe est développé (Figure 2). De géométrie cylindrique à axe horizontal, il s'agit d'un four proche de ceux utilisés dans la métallurgie pour les traitements thermiques de l'acier. Le chargement du bois se fait par l'avant au moyen d'un porte charge roulant sur des rails. La charge de bois est chauffée au moyen de résistances électriques. Les gaz de réaction sont recyclés par une boucle de ventilation et sont réinjectés dans l'enceinte à la partie supérieure du réacteur. L'atmosphère inerte est assurée par un balayage d'azote ou d'un autre gaz neutre. Un brassage puissant de l'enceinte est réalisé par une turbine qui doit assurer l'homogénéité thermique du milieu. Un circuit secondaire permet le refroidissement de la charge. L'ensemble fonctionne en circuit étanche et peut travailler en pression ou en dépression. Un programmateur couplé à un système d'acquisition informatisé assure la régulation et la gestion des données.

• Pour le traitement du bois à l'état divisé : plaquettes, sciure, fibres, poudre, ... on peut utiliser un réacteur continu agité, dont le principe est proche de celui d'une extrudeuse (Figure 3) L'enceinte est constituée d'un long tube chauffé par des colliers électriques ou par un fluide caloporteur. La rotation d'une vis sans fin coaxiale au tube, assure le déplacement de la charge de bois fragmentée ainsi que son agitation. La charge à traiter entre à l'une des extrémités et ressort de l'autre. Le temps de séjour est donné par la vitesse de rotation de la vis. Des zones de température différentes le long de l'enceinte fixent les étapes de traitement. Comme pour le réacteur précédent, les gaz de réaction sont recyclés et servent au réchauffement de la charge et fixent l'atmosphère non oxydante du milieu.

II. CARACTÉRISATION DU BOIS RÉTIFIÉ

II. 1. Modification chimique

Le traitement thermique a pour effet de changer la couleur du bois. Celui-ci prend une couleur marron clair dans la masse si le traitement est conduit de façon homogène. Cette couleur dépend de l'essence et des paramètres de traitement appliqués.

A l'examen microscopique, on constate que le matériau a conservé sa structure d'origine. La cellulose armature du matériau composite bois n'est pas altérée et surtout conserve sa cristallinité que l'on vérifie sur un spectre de diffraction de rayon X. En effet sous l'action de mauvaises conditions de chauffage il y a risque d'une amorphisation de ce polymère semi cristallin qui entraînerait une altération des résistances mécaniques du matériau.

L'analyse élémentaire montre que le traitement provoque une légère augmentation du tau de carbone associé à une diminution de la teneur en oxygène et hydrogène qui accompagnent la réduction des groupements hydroxyle et l'élimination des hémicelluloses. Ces polysaccharides responsables en grande partie de l'hygroscopie du bois naturel sont des composants thermiquement fragiles. Leur départ entraîne une réduction des sites de fixation des molécules d'eau. Cela se traduit par un abaissement léger de la densité apparente du matériau qui a perdu également toute son eau de constitution.

On constate également une augmentation du taux des lignines. En fait les lignines ont été modifiées par les produits de thermocondensation provenant du craquage des hémicelluloses et que l'on retrouve insolubles aux acides lors du dosage. Cet effet est d'autant plus marqué que l'essence traitée est riche en hémicelluloses (tableau 1).


II. 2. Caractère hydrophobe

Le changement chimique induit par la rétification modifie l'énergie libre de surface du solide qui présente de nouvelles propriétés de mouillabilité. Les reprises d'humidité d'un bois rétifié sont réduites par rapport à un bois naturel. Les mesures en enceinte climatique (Figure 4) montrent que les espèces les plus hydrophiles (les plus riches en hémicelluloses) sont devenues les plus hydrophobes, du fait de leur thermocondensation sur la structure cellulaire ligno-cellulosique.


II. 3. Stabilité dimensionnelle

L'évolution du bois vers un caractère hydrophobe entraîne l'amélioration de sa stabilité dimensionnelle qui se traduit par une réduction de sa rétractibilité (Figure 5) et par un abaissement du point de saturation des fibres (12 % environ). Ces améliorations qui s'expliquent par la réduction des sites actifs hydroxyles dépendent de l'essence traitée et des paramètres appliqués. L'exemple du pin est significatif. La figure 6 montre l'effet du couple température-durée de traitement sur le coefficient de variation de rétractibilité (ASE Anti Swelling Efficiency). Aux températures inférieures à 230° (tout autres paramètres identiques par ailleurs) le traitement a un effet négatif sur la stabilité dimensionnelle du pin. Passé ce point d'inflexion l'amélioration de la rétractibilité est proportionnelle à l'évolution des paramètres du traitement thermique jusqu'à 250 °C - 15 minutes. Au-delà de ce couple température/temps l'amélioration n'est plus sensible et les propriétés mécaniques se dégradent.


II. 4. Résistance à la biodégradation

La dégradation biologique du bois est facilitée par sa teneur en humidité. La rétification améliore la résistance du bois vis-à-vis des champignons. Sur les tests normalisés à l'épreuve des champignons, les mesures de pertes de masse de matière sont négligeables ou nulles (tableau 2), Ainsi certaines essences classées non durables comme le peuplier pourraient passer de la classe S à la classe 1 très durable. Nous manquons de connaissances précises pour donner une explication de cette protection. Une approche biochimique montre que le traitement a une action directe sur l'inhibition des cellulases, enzymes des champignons de dégradation de la cellulose. Mais le bois rétifié est également résistant aux champignons lignivores. Le traitement a pour effet d'éliminer des éléments nutritifs essentiels des micro-organismes, et le caractère hydrophobe ne favorise pas leur développement.

Toutefois les essais à l'attaque des termites montrent que le bois rétifié est dégradé, et que le traitement ne génère pas des insecticides spécifiques.


II.5. Propriétés mécaniques

Au cours du traitement thermique des composants se sont transformés. Des réarrangements moléculaires ont eu lieu avec départ de matière. Le bois est passé par une étape intermédiaire anhydre avec le départ d'eau liée. La température a modifié les caractéristiques visco élastiques des polymères qui sous l'effet de la chaleur se sont ramollis et ont commencé à s'écouler, puis en refroidissant se sont figés dans des configurations différentes de celles de départ. Dans la zone des températures du traitement, les transformations sont complexes car il y a compétition entre des réactions de réticulation avec création de nouvelles liaisons particulièrement au niveau de la lignine qui est plus condensée et plus rigide. La variation relative de la densité en fonction de l'évolution des traitements présente des discontinuités propres à chaque essence que l'on retrouve sur le comportement mécanique.

Sans rentrer dans les détails des modifications physico-mécaniques, on peut résumer les tendances du comportement mécanique :

- augmentation de la rigidité du matériau

- passage d'un comportement visco élastique à un comportement fragile : analogie avec la trempe d'un acier.

Grossièrement, on serait tenté de dire que le traitement a tendance à augmenter le module d'Young, et affecte principalement la résistance à la rupture et le travail maximum à la rupture en flexion. Cependant les études mécaniques fines montrent que les essences se comportent de façon très différente et dans tous les cas les variations ne sont pas monotones mais présentent comme les autres propriétés physico-chimiques des alternances décroissance - croissance liées au mode de traitement (figure 7). Il existe notamment un couple température - temps de séjour pour lequel toutes les propriétés examinées dans toutes les directions d'orthotropie passent par un extrême qu'il convient de déterminer. On constate également que ces discontinuités se manifestent pour de variations thermiques étroites qui imposent un contrôle rigoureux du procédé.

La dureté des feuillus augmente de façon significative d'autant plus qu'ils présentent initialement une densité élevée (tableau 3), tandis que celle des résineux demeure inchangée ou diminue. L'étude microdensitométrique montre que le traitement affecte davantage le bois initial des résineux.

Les essais en compression montrent un maintien des valeurs initiales quelle que soit l'essence à condition que la cristallinité de la cellulose ne soit pas affectée.


CONCLUSION

La rétification est un procédé physico-chimique de traitement qui intègre à la fois la préservation et la stabilisation dimensionnelle du bois. C'est un procédé qui présente les avantages de ne pas employer de produits chimiques toxiques, et de permettre le traitement du bois dans la masse quelle que soit l'essence. Les applications de ce traitement sont nombreuses et pourraient permettre la valorisation d'essences de faible valeur ou de bois secondaires.

- Traitement de pièces de bois massif destinées à être utilisées en extérieur

- Fabrication de matériaux composites à matrice organique et charge de bois rétifié fragmenté

- Association avec d'autres matériaux (verre, fibre de verre, métal...)

- Incorporation à des liants hydrauliques (plâtre, ciment, anhydrite...)

Cependant, il faut garder en tête que le bois est un matériau hétérogène et réactif, et que la rétification n'est pas une simple cuisson. C'est un procédé délicat, qui s'apparente davantage à un traitement thermique de métallurgie qu'à une carbonisation. Conduit dans de mauvaises conditions opératoires ou avec du matériel mal adapté, peut avoir pour effet d'obtenir des produits aux qualités contraires à celles escomptées.