204 - Les nouveaux produits d'origine lignocellulosique : outils pour une industrie plus verte

On assiste à une forte croissance de l'intérêt porté à la biomasse comme source renouvelable d'énergie et de matériaux. On peut notamment noter la production de matériaux fibreux présentant une ou deux dimensions de l'ordre du nanomètre à partir de nombreuses sources cellulosiques par des traitements chimiques et mécaniques appropriés. Le terme nanocellulose est utilisé pour couvrir la gamme de matériaux dérivés de la cellulose avec ces dimensions nanométriques. Les matériaux à base de nanocellulose sont neutres en carbone, recyclables et non toxiques, s'inscrivent dans une politique de développement durable, et ont donc le potentiel d'être des nanomatériaux verts avec de nombreuses propriétés intéressantes et inattendues. Leurs propriétés mécaniques et leur capacité de renfort impressionnantes, leur abondance naturelle, leur faible densité et la biodégradabilité de ces nanoparticules en font des candidats idéaux pour la préparation de nanocomposites polymères. Avec un module d'Young de l'ordre de 130 GPa et une surface spécifique de plusieurs centaines de m².g^-1, elles présentent une capacité de renfort significative à faibles taux de charge. Cependant, comme pour toute nanoparticule, le principal défi est lié à leur dispersion homogène dans une matrice polymère. Un défi important consiste notamment dans la possibilité de préparer des nanocomposites polymères en utilisant des techniques industrielles de transformation à l'état fondu, évitant ainsi les méthodes en milieu liquide.

La boue de désencrage (BD) est un résidu généré lors du recyclage du papier qui contient moins de matière organique que les boues primaires et secondaires provenant de l'industrie papetière. Actuellement, il est difficile de valoriser la DB avec les bioprocédés de digestion bactérienne. De plus, la politique québécoise de gestion des matières résiduelles interdit l'élimination du papier et du carton depuis 2013. Il est impératif de trouver de nouvelles avenues de valorisation pour cette boue. Le but du projet est d'introduire la BD dans la production de composites bois-polymère (CBP), puisqu'elle contient des fibres de bois et d'argile (kaolinite). Ainsi, l'objectif général de l'étude est d'évaluer le potentiel de valorisation des BD pour la production de composites à base de fibre de Kraft et de polyéthylène. Les échantillons de composites furent formés en deux étapes, soit l'extrusion pour former des granules puis le moulage par injection. Les échantillons moulés correspondent à des éprouvettes d'essais pour les tests mécaniques et physiques. Les résultats obtenus montrent que l'ajout de BD dans le polymère permet de produire un matériau avec une grande résistance à l'eau, une ténacité et une ductilité élevées en comparaison aux CBP traditionnels. L'introduction de la fibre Kraft produit des CBP plus rigides et résistants que la BD.

L'utilisation des nanoparticules est parmi les approches envisagées pour l'amélioration des propriétés et du comportement en service des composites bois-polymère (CBP). Cependant, l'addition des nanoparticules dans la formulation pourrait entraîner des changements aux paramètres de mise en forme et aux propriétés des CBP. Notre objectif était d'étudier l'effet des nanoparticules sur les propriétés rhéologiques et mécaniques des CBP. Les granules ont été obtenues par extrusion selon un dispositif factoriel 3³ ou les facteurs sont la proportion de bois, le type de nanoparticules (Alumine, Silicate, Montmorillonite) et le taux de nanoparticules. Le polyéthylène greffé à l'anhydride maléique a été utilisé comme agent de couplage à raison de 3% dans chaque formulation. Le rhéomètre à couple nous a permis d'étudier les propriétés de fusion des composites. Les éprouvettes d'essais de flexion, de traction et de résistance aux chocs ont été obtenues par injection. Contrairement aux fibres qui accroissent le couple à la stabilité ainsi que l'énergie de mélangeage, les nanoparticules réduisent considérablement ces paramètres. L'alumine s'est montré la nanoparticule la plus active pour agir sur les propriétés rhéologiques et cela à raison de 3%. Les propriétés mécaniques ont augmenté avec l'ajout des fibres. Quant aux nanoparticules les résultats ont montré qu'ils avaient un effet significatif, mais instable sur les propriétés mécaniques des composites bois-polymères.

Les composites hybrides de polypropylène (PP) renforcés avec des fibres de bois de Peuplier et des fibres de carbone ont été préparés par extrusion. L'anhydride maléique greffé polypropylène (MAPP) a été utilisé comme un agent de couplage pour améliorer l'adhésion entre les fibres et la matrice. Le comportement thermique des composites a été étudié par analyse de calorimétrie différentielle (DSC). Les résultats ont montré que la température de fusion de tous les composites n'a pas été modifiée d'une façon significative avec la teneur en fibres de carbone et de fibres de bois. Par ailleurs, les valeurs de degré de cristallinité ont diminué avec l'augmentation de la teneur en fibres de carbone et des fibres de bois par rapport au PP vierge, résultat prévisible sachant que la cristallinité des composites se situe entre celle du peuplier et du polypropylène, qui sont de l'ordre de 40% et 70%, respectivement.

Des observations par microscopie électronique à balayage (MEB) des composites ont permis de mettre en évidence une meilleure adhésion des fibres dans la matrice en présence de MAPP. Le taux d'absorption de l'eau dans les composites hybrides a diminué en raison de la présence de l'agent de couplage. L'ajout de fibres de carbone aux composites bois-polymère a résulté en des améliorations substantielles de la contrainte maximale et du module d'élasticité en traction.

En plus des avantages environnementaux, l'utilisation du plastique recyclé pour la production des composites bois-plastique (CBP) s'avère une voie intéressante pour diminuer les coûts de production et améliorer la compétitivité du produit. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet des variations de la matrice thermoplastique et des caractéristiques des fibres de bois sur les propriétés des CBP. La variation de la matrice thermoplastique est assurée par l'utilisation du polyéthylène à haute densité (HDPE) et du polypropylène (PP) et de deux mélanges des deux polymères pour simuler l'utilisation du plastique recyclé (20% PP + 80% HDPE et 20% HDPE + 80% PP). Les fibres de l'épinette noire et du pin gris à une proportion fixe de 35% et deux classes de longueur ont été utilisées. Les propriétés mécaniques augmentent proportionnellement avec l'augmentation de la taille des fibres. En flexion, les CBP contenant 80% de PP et 20 % de HDPE ont montré les propriétés les plus élevées. En traction, la matrice PP a donné les propriétés les plus élevées. Compte tenu du caractère hydrophobe des différents plastiques, les CBP produits se sont comportés de façon similaire face à l'immersion dans l'eau vu que la proportion du bois est constante (35%). Les résultats démontrent qu'un mélange de plastique utilisé dans la fabrication des CBP assure des propriétés physico-mécaniques relativement importantes pouvant répondre à plusieurs utilisations potentielles telles que l'emballage ou la décoration.

Les panneaux agglomérés à base de bois présentent de bonnes propriétés physiques et mécaniques pour différents usages (structurales et non structurales). Ils présentent aussi certaines faiblesses comme une faible résistance à l'eau, une faible stabilité dimensionnelle et une vie utile limitée quand ils sont exposés à changements d'humidité relative. L'objectif de cette étude était d'évaluer les propriétés physiques et mécaniques des panneaux agglomérés à base de bois renforcés avec un alliage d'aluminium. À cette fin, une structure sandwich a été choisie en utilisant quatre types de panneaux agglomérés comme cœur et deux tôles d'alliage d'aluminium 3003 de 0,6 mm d'épaisseur comme recouvrement. Le polyuréthane liquide a été utilisé comme adhésif. Les panneaux renforcés ont été fabriqués à une pression des plateaux de presse de 689 kPa et à 120 °C. Les essais ont été faits selon la norme ASTM 1037-06a. Les résultats ont démontré que les panneaux renforcés présentent une amélioration de leurs propriétés physiques comme le gonflement en épaisseur, l'absorption de l'eau et la dilatation linéaire. De la même façon, le module d'élasticité a augmenté entre 215 % et 570 % par rapport aux panneaux sans recouvrement. De plus, le module de rupture a augmenté entre 185 % et 366 % toujours par rapport aux panneaux sans recouvrement. Les résultats ont confirmé une amélioration des propriétés physiques et mécaniques des panneaux agglomérés renforcés.

L'industrie forestière au Québec est en transformation. Des facteurs externes tels que le coût de l'énergie et la substitution du papier journal ont affecté la compétitivité de ses filières, mais l'ont aussi poussé à développer de nouveaux produits. L'objectif de cette recherche est d'illustrer les diverses voies d'avenir et de révéler les principaux choix stratégiques qui sont critiques pour l'avenir. Basée sur un diagnostic dynamique du secteur productif et de ses relations avec l'environnement, la méthode des scénarios a permis d'envisager différents scénarios du futur. Par une enquête Delphi, des experts forestiers ont été sollicités afin de connaître leur perception sur l'influence des tendances mondiales sur la performance de l'industrie forestière et du rôle à jouer de chacun des acteurs et facteurs clés. Des moteurs de l'avenir tels que l'innovation technologique, la reprise du marché américain, la production d'énergie à partir de biomasse et la demande de produits verts sont identifiés. Les groupes appelés à mettre en œuvre des mesures pour l'amélioration de l'industrie sont principalement l'état, l'industrie, les universités et les centres de recherche. Les opinions sur l'avenir des différentes filières sont diversifiées tout comme les stratégies pour leur développement. Les résultats de cette étude apporteront un soutien aux gestionnaires de la forêt pour la prise de décision au niveau des stratégies d'intervention pour l'aménagement des forêts.

La lignine est une constituante majeure de plusieurs végétaux qui se distingue par sa polymérisation complexe et aléatoire. Elle complique la valorisation de la biomasse lignocellulosique car elle peut être extraite et devenir un ingrédient ou un produit biosourcé. Plusieurs affirment qu'on fait beaucoup avec de la lignine, mais malheureusement pas de profit. D'autres sont convaincus qu'en la démystifiant, les portes de l'industrie chimique et des matériaux de construction verts s'ouvriront. L'obtention de vanilline à partir de lignine forestière est un exemple probant.

Le futur de la lignine modifiée comme ingrédient ou produit biosourcés dépend des secteurs des biocarburants et des pâtes et papiers. Les industries de biocarburants conserveront leur lignine pour leur utilisation ou celle de leurs partenaires. Les papetières peuvent fournir de la lignine, mais elles tendent à bénéficier de sa valeur calorifique en la brûlant. Il reste le secteur agricole, qui a le potentiel de générer comme coproduit des tonnes de lignine. Quant aux utilisateurs de lignine modifiée comme l'industrie chimique, il paraît indispensable de faire le pont avec les fournisseurs et transformateurs de biomasse. En fait, l'industrie des produits forestiers doit faire le pont avec l'industrie chimique pour se diversifier et devenir prospère dans le futur. La présentation expliquera le besoin de comprendre la lignine pour en tirer son plein potentiel pour qu'elle réussisse à faire le pont entre ces industries.

Selon le Ministère des Ressources naturelles, chaque année, environ 10 Mm³ de biomasse résiduelle ne sont pas valorisés au Québec faute d'avoir une valeur commerciale. L'utilisation de cette biomasse représente une source importante pour le développement d'une industrie basé sur les produits biosourcés. De plus, la fermeture de plusieurs papetières – notamment dans la région de Pontiac en Outaouais – a poussé les acteurs forestiers (scierie) à rechercher de nouveaux débouchés pour leurs copeaux.

Par ailleurs, considérant la faible densité géographique de la biomasse et la demande croissante pour l'approvisionnement en composante de la biomasse – dont le sucre cellulosique (sucre de 2^e génération) – il est nécessaire de repenser les procédés de transformation (fractionnement) de la biomasse afin d'arriver à des opérations à dimension régionale ou subrégionale rentable.

Ce projet regroupe deux technologies, l'extrudeuse à bivis qui a déjà démontré un potentiel intéressant pour le fractionnement de la biomasse à petite et moyenne échelle et les liquides ioniques, qui sont utilisés pour le fractionnement de la biomasse forestière.

Nous pensons que l'effet de cisaillement engendré par la bivis sur la matière à fractionner, ainsi que l'effet « solvant » du liquide ionique utilisé conjointement pourraient permettre le développement d'unité de fractionnement de moyenne dimension qui pourrait être rentable. Des résultats préliminaires seront présentés.

L'objectif de cette étude est d'évaluer l'effet de la durée d'acétylation sur l'hydrophobicité des fibres de lin, de kraft et PTM afin d'améliorer leur compatibilité avec des matrices polymériques.La réaction d'acétylation a été menée dans des conditions respectueuses de l'environnement et convenables pour un usage industriel. L'évolution de l'hydrophobicité de nos fibres a été étudiée par la mesure de l'angle de contact que forme une goutte d'eau avec la surface des fibres acétylées. L'hydrophobicité des fibres de kraft et PTM augmente avec le temps de réaction, et cette évolution devient de plus en plus faible au-delà de certains degrés d'acétylation. La présence d'une couche de lubrifiant hydrophobe sur les fibres de lin commerciales explique la diminution de leur hydrophobicité jusqu'à un temps de traitement de 4 heures. Certes, l'acétylation augmente l'hydrophobicité des fibres de kraft et PTM, mais elle touche également leur structure de forme. En effet, l'analyse des fibres par FQA a montré que la longueur des fibres diminue avec le temps d'acétylation tout comme les indices de courbure et d'entortillement qui voient aussi leur valeur diminuer. Un temps de réaction de deux heures a été déterminé comme la limite au-delà de laquelle la structure des fibres présente un comportement différent, ce qui aura probablement un effet sur leur dispersion dans l'eau et leur comportement dans les composites à matrice polymériques, lesquelles sont généralement hydrophobes.

Depuis 1995, la chute de la production de pâte thermomécanique (PTM) a entraîné la fermeture de plusieurs usines au Québec alors que les papiers d'emballage connaissent une croissance exceptionnelle. Les papiers d'emballage contenant des pâtes chimiques possèdent des propriétés barrières et mécaniques que la PTM seule ne peut satisfaire. Cependant, l'intérêt de la PTM est un coût de production et un impact environnemental moindre que les pâtes chimiques. Parallèlement, la cellulose fibrillée constituée de fibres très résistantes de dimensions micro (longueur) et nano (largeur) - cellulose micro-nano fibrillée (MNFC) permet de créer des réseaux fibreux avec des propriétés barrières tout en augmentant les propriétés mécaniques. L'intégration efficace de ce matériau renouvelable est essentielle à une utilisation généralisée en papeterie.

Nous proposons une structuration dans l'épaisseur d'un papier PTM de façon à produire un papier multicouche PTM-MNFC directement en partie humide de machine à papier par couchage rideau. Les propriétés physiques de papiers structurés, en laboratoire et sur machine à papier, analysées en fonction du grammage de MNFC et du degré d'intégration, valident le potentiel technico-économique de la MNFC et l'approche de structuration. Nos travaux démontrent le potentiel de fabrication d'un papier emballage sans pâte chimique, à haute valeur ajoutée à partir de technologies existantes (installations PTM) de MNFC, un matériau novateur et durable.

La pression exercée par la communauté internationale en matière de protection de l'environnement a incité les chercheurs et les industriels à explorer d'autres sources de matières premières et une technologie moins polluante. Le secteur de l'industrie papetière n'est pas en reste. Afin de préserver la forêt, le recyclage du vieux papier et l'usage de fibres lignocellulosiques issues de plantes annuelles ou pérennes ont connu un développement important depuis la fin du siècle dernier. Dans cette étude, nous avons d'abord extrait et blanchi des fibres à partir de plantes poussant sur le sol marocain. Des formettes ont ensuite été réalisées à partir des fibres seules et additionnées de particules ferroélectriques sous forme de céramiques de type BaTiO₃ et SrTiO₃. Les propriétés mécaniques, optiques et de surface de divers échantillons ont été mesurées selon les normes canadiennes de l'ATPPC. La présence dans nos fibres de fines, en fort pourcentage, handicape leur utilisation seule comme matières premières pour l'industrie du papier mais les prédisposent à être utiles comme appoint pour les fibres pauvres en fines. Il y a une concordance entre l'énergie de surface mesurée par angle de contact et la valeur de la permittivité relative mesurée. Les propriétés mécaniques et les images MEB de composites papier-émulsions vinyliques ou acryliques donnent une bonne mouillabilité des fibres et un bon module de Young. Notre procédé est à la fois économique et écologique.

Myrianthus arboreus est un arbre de forêt secondaire des régions tropicales d'Afrique dont les différents tissus contiennent plusieurs molécules bioactives à effets thérapeutiques. Dans la pharmacopée congolaise, les écorces de racines de M. arboreus sont utilisées dans le traitement traditionnel contre le diabète du type II. Nous allons présenter les résultats des études phytochimiques des extraits d'écorces de M. arboreus obtenus par des solvants «verts» : l'eau, le méthanol et l'éthanol. L'extrait méthanolique servira d'isoler la fraction enrichie en composés alcaloïdiques. La présence des alcaloïdes (de type cyclopeptique) est révélée par chromatographie sur couche mince (CCM) à l'aide du réactif de Dragendorff et la fraction riche en alcaloïdes est étudiée par HPLC. L'extrait éthanolique a servi à la quantification des phénols totaux, des flavonoïdes, des proanthocyanidines et des acides hydroxycinnamiques et pour le criblage chimique réalisé pour identifier la présence des composés triterpéniques à l'aide de la chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse GC-MS. L'analyse du profit massique des composés triterpéniques a permis d'attribuer, à partir de la banque de données du GC-MS, le pic majoritaire au β-sitostérol. Cependant, les autres pics inconnus de la banque de données sont assimilés aux triterpènes isolés sur certaines parties de la plante M. arboreus, en attendant d'être confirmés par des molécules standards.

Une étude a été menée à l'été 2011 dans trois unités d'aménagement situées près du barrage de Manic V sur la Côte-Nord. Notre objectif était de déterminer le potentiel de la ressource pour la production de trois grades de bois classé mécaniquement (bois MSR) en utilisant la vitesse de propagation des ondes mécaniques prise sur l'arbre debout. Les résultats ont montré qu'il est possible de faire une discrimination entre les peuplements en ce qui concerne la qualité de la ressource. Avec une mesure de la vitesse du son sur l'arbre et le diamètre de celui-ci, nous pouvons estimer le module d'élasticité statique (MOE_stat) des planches (R²=0,41) de manière à évaluer le taux de passage des pièces produites pour différents grades MSR. Nous avons obtenu les proportions suivantes pour trois grades MSR, en considérant uniquement la ressource en épinette noire.

1. 1650Fc-1.5E Taux de passage de 92%;

2. 2100Fc-1.8E Taux de passage de 58 à 71% selon la structure du peuplement;

3. 2400Fc-2.0E Taux de passage de 20 à 44% selon la structure du peuplement.

Par la suite, une analyse par simulation dans LogiLab (revenu maximum) a permis d'estimer les revenus potentiels associés à une production de bois MSR par rapport à une production de bois d'œuvre classé visuellement. Selon les simulations, une usine ayant une capacité de transformation de 100 000 m³, pourrait générer un revenu additionnel pouvant atteindre jusqu'à $420 000 annuellement.