210 - L’industrie de la transformation du bois à l’heure de la transition écologique et énergétique

Pour une application extérieure, le bois doit généralement être traité, modifié ou avoir une finition pour améliorer sa durabilité. L'épinette blanche (Picea glauca) est une essence de bois utilisée au Canada pour les revêtements extérieurs. Les facteurs qui limitent généralement sa durée de vie comprennent les fissures et le gauchissement dus à l'instabilité dimensionnelle et à l'altération de la surface. Il existe des traitements commerciaux, mais tous sont utilisés sur des espèces perméables comme le pin radiata (pinus radiata). Les organosilanes sont des produits déjà utilisés dans des revêtements ou des applications textiles comme traitement hydrophobe. Toutefois, l’imprégnation d’espèces réfractaires avec un traitement aux organosilanes a très peu été étudiée. Dans cette étude, l'épinette blanche et le pin gris (pinus banksiana) ont été traités avec un traitement d’organosilanes combiné à un traitement thermique. La rétention des produits ainsi que le gain de masse après traitement thermique ont été évalués. L’efficacité anti-gonflement a été étudié en humidité et en immersion pour les différentes espèces traitées et a montré des améliorations jusqu’à 43% en efficacité anti-gonflement. Les échantillons traités avec les organosilanes ont été vieillis avec et sans revêtement semi-transparent pendant 2000 h pour évaluer le changement de couleur et l’adhérence du bois traité. Le traitement organosilanes semble prometteur pour une application de revêtement extérieur.

De nos jours, de nouveaux matériaux innovants à base de bois ou de ses dérivés sont développés chaque année. La compréhension de leur comportement face aux intempéries et les manières de les protéger sont donc essentielles pour bien les utiliser et accroître leur durée de vie.
De même que pour les matériaux, les systèmes de finition ont eux aussi grandement bénéficié de nouvelles innovations. Les entreprises manufacturières commencent à emboîter le pas du changement en utilisant des procédés de finition à faible impact environnemental. Ces produits permettent d’adresser des enjeux environnementaux, de santé pour les travailleurs et les collectivités qui seraient exposées aux solvants et finalement de sécurité au travail.
Tout d’abord, les problématiques de gestion des produits à base d’eau ont été identifiées. Puis, les résultats expérimentaux obtenus sur la qualité, la productivité, le cout et la disponibilité de nouvelles technologies de gestion ont permis de minimiser ces freins et de proposer un plan stratégique favorisant le déploiement des finitions à base d’eau dans l’industrie du meuble et des bois d’apparences.
Finalement, il sera présenté les orientations d’Inovem pour les prochaines années ce qui concerne la finition.

Dans un contexte où l’utilisation de ressources renouvelable est de plus en plus privilégiée, le bois est plus que jamais un matériau de choix dans le domaine de la construction. Utilisé depuis longtemps pour son aspect et pour ses bonnes propriétés mécaniques, l’industrie du bâtiment est confrontée à certaines limites de ce matériau dont notamment sa tenue au feu. L’application d’un revêtement retardateur de flamme à sa surface est une des méthodes d’ignifugation possible. Cette étude vise à comprendre l’influence de l’ajout d’un monomère phosphate-acrylate à différents taux (0%, 1,7% et 3,4% massique de phosphore). L’ajout de phosphore dans la formulation améliore le pourcentage de masse résiduelle à la fin des analyses thermogravimétriques (de 0% sans à 20% avec le plus haut taux de phosphore). Les composés phosphorés se dégradent et réagissent pour former des produits stables à 800°C. Des analyses au cône calorimètre ont complété l’étude du comportement au feu des revêtements. Le pic de débit calorifique des vernis modifiés avec du phosphore est diminué de 50 KW.m^-2 par rapport à la formulation vierge. Les analyses de sorption de vapeur ont mis en avant l’affinité avec l’eau des vernis phosphorés. Bien qu’offrant une action retardatrice de flamme efficace, les revêtements contenant un monomère phosphate-acrylate doivent être intégrés comme une couche intermédiaire d’un système complet afin d’en maximiser les propriétés.

La protection contre le feu pour les bâtiments incluant les finitions du bois est depuis toujours un enjeu majeur à cause des risques des propagations des flammes. Les traitements traditionnels ignifugeants, utilisant un revêtement ou l’imprégnation du bois, ont un fort impact écologique à cause de leur consommation de matière et d’énergie. Les traitements par dépôt plasma ont déjà été utilisés au cours des dernières années pour protéger avec succès de tissus cellulosiques contre le feu. Notre étude évalue le potentiel de différentes couches fines déposées par un plasma à la pression atmosphérique sur la performance au feu de l’érable à sucre (Acer saccharum). Ce travail analyse aussi l’impact que la préparation du substrat a lorsque la polymérisation du revêtement est faite avec un plasma. La caractérisation chimique et morphologique (XPS, FTIR, MEB) a été réalisée sur les dépôts appliqués sur le bois et un substrat de référence (silicium). La performance au feu a été évaluée par cône calorimètre. Nos résultats suggèrent que le dépôt synthétisé par plasma peut jouer un rôle dans la protection du bois contre le feu. Finalement, nos résultats montrent aussi que la couche de préparation utilisée pour couvrir classiquement le substrat (primaire d’adhésion) permet d’assurer une bonne performance au feu lorsque le traitement plasma est effectué.

La part du marché des composites bois-polymère (CBP) ne cesse d’augmenter et sont utilisés dans divers domaines, dont la construction et le transport. Cependant, ces matériaux sont inflammables à cause de leur composition organique. Dans ce contexte, l’objectif général de cette étude porte sur l’évaluation du potentiel des revêtements intumescents pour retardement du feu des CBP. Des CBP, à base de polyéthylène haute densité contenant 60 % de fibres lignocellulosiques ont subi un traitement de surface mécanique avant l’application des peintures intumescentes. On a étudié l’effet du type de la peinture (5 peintures : trois commerciales et deux formulées au laboratoire), du mode d’application (deux modes d’application : pinceau et pistolet) et trois grammage (240 g/m², 360 g/m², 480 g/m²) sur les propriétés ignifuges des CBP. Les deux peintures formulées au laboratoire visaient à évaluer le potentiel de la lignine comme agent de carbonisation dans la formulation intumescente, l’une a subi une substitution partielle de pentaérythritol (PER) par la lignine et l’autre est formulée entièrement avec le PER comme témoin. Les CBP revêtus ont été caractérisés en termes d’adhésion, de résistance au feu (calorimètre à cône et UL-94) et de stabilité thermiques (analyses thermogravimétriques (TGA) et calorimétrie à balayage différentiel (DSC)). Le traitement mécanique a augmenté la rugosité et a permis l’exposition des fibres de bois à la surface, ce qui a fourni des forces d’adhérence supérieures à 1 MPa à la plupart des peintures. Indépendamment du revêtement intumescent appliqué, les résultats obtenus démontrent clairement une amélioration des propriétés ignifuges et thermiques des CBP, comparés aux CBP non revêtus. En outre, ces propriétés augmentent avec l’augmentation du taux de recouvrement. Toutes les peintures ont permis une classification UL-94 V-0 aux CBP à partir de taux de grammage optimal 360 g/m², équivaut approximativement à une épaisseur sèche > 276 µm. Selon les résultats du calorimètre à cône, l’application par pistolet à peinture a conduit à de légères variations sur les propriétés au feu des CBP versus l’application par pinceau. Par rapport à la formulation de référence, le remplacement partiel de PER par la lignosulfonate de sodium a mené à une réduction de la résistance au feu des CBP, mais elles restent intéressantes en comparaison de celles de CBP non revêtu.

Les propriétés mécaniques des matériaux composites sont fortement liées aux propriétés d'interface fibre-matrice et fibre-fibre pour les composites à fibres naturelles (CFN). Pour améliorer ces propriétés, des traitements physiques ou chimiques peuvent être appliqués individuellement ou conjointement sur les fibres et la résine. Les modifications selon la chimie-click de type cycloaddition de Huisgen catalysée par Cu(I) figurent parmi les méthodes les plus récentes. Cette étude porte sur la modification par chimie-click des fibres de pâte kraft afin d’évaluer la possibilité d’appliquer ensuite ces transformations sur des fibres de lin. L’objectif étant de développer des renforts améliorés pour des applications composites. La stratégie adoptée permet l’adaptation des réactions de propargylation et de tosylation des fibres de cellulose en milieu aqueux. Après azidation des fibres tosylées, la réticulation est réalisée avec et sans catalyseur en utilisant l'eau comme solvant pour former des feuilles de fibres kraft améliorées. L'évaluation des propriétés physiques, mécaniques et les analyses FTIR, EDX des fibres traitées à des étapes intermédiaires a permis de confirmer la présence de diverses fonctions à la surface des fibres modifiées avec un degré de substitution très élevé et la réticulation par chimie-click des fibres d'une part et, d'autre part, de présenter des résultats intéressants pour des feuilles contenant des fibres propargylées. 

Ce projet a pour objectif général de développer un isolant giclé ayant une empreinte environnementale réduite par l’utilisation de matériaux biosourcés, dont la cellulose comme ressource principale. Ce type d’isolant a de bonnes performances et de nombreux avantages. Facile et rapide à appliquer, il s’adapte parfaitement à l’irrégularité des surfaces. Il permet aussi de contrer les infiltrations d’air. Dans un premier temps, l’objectif était de formuler un isolant giclé en mousse polyuréthane non biosourcé répondant aux performances fixées par la norme CAN/ULC-S705.1. Tous les isolants formulés par la suite seront comparés selon leurs performances avec cet isolant de référence défini en début de projet. Dans un deuxième temps, l’objectif est d’étudier l’introduction de fibre de cellulose à différentes proportions dans la mousse. La substitution par ce matériau pourra éventuellement être complétée par d’autres matières biosourcées afin d’obtenir le pourcentage en matière biosourcée le plus élevé possible. Ainsi la voie de la substitution du polyol et du retardateur de flamme. Des analyses approfondies seront faites sur les propriétés de la mousse telles que la proportion d’ouverture des alvéoles, la résistance thermique, ou la résistance à la compression. On s’appuiera sur les méthodes d’analyse mentionnées dans la norme CAN/ULC-S705.1 et sur des méthodes d’analyse régulièrement utilisées dans la littérature. Les résultats obtenus seront présentés lors du colloque.

L'augmentation exponentielle des besoins en matériaux à bonnes performances diélectriques, la croissance des composites
à base de biopolymères et la limitation des ressources fossiles créent une base consistante pour le développement de
nouvelles structures biosourcées et/ou biodégradables adaptées à nombre d'applications diélectriques. Bien que des
travaux aient déjà été réalisés dans ce domaine de la science des matériaux, de nombreuses limitations de la matrice
polymère existent encore pour bénéficier pleinement des performances diélectriques de ces nouveaux matériaux. Pour
étudier de plus près les performances diélectriques des matériaux bionanocomposites, de nombreuses équipes se
concentrent sur le développement de ces matériaux innovants. Dans ce contexte, notre projet de recherche vise à : i) évaluer
le potentiel diélectrique des polymères biosourcés et/ou biodégradables, ii) étudier et améliorer les propriétés
multiphysiques (mécaniques, microstructurales) et diélectriques de bioanocomposites polymères-particules. Différents
mélanges de polymères (PLA-PHBV, PLA-AC, PHBV-acétate de cellulose) ont été préparés par différentes technologies
(extrusion et impression 3D) et leur comportement physique, rhéologique et diélectrique a été étudié. La présentation se
concentrera sur les méthodes d'optimisation de la matrice, des charges biosourcées et des bionanocomposites pour faciliter
l'intégration de ces nouveaux matériaux dans les applications électroniques.

La rhéologie des suspensions de filaments de cellulose FCs joue un rôle important dans l'efficacité et le bon déroulement du processus de production. Même à faible teneur en solides, les suspensions de filament de cellulose dans les résines de polyester insaturé ont une signature rhéologique complexe qui comprend des comportements rhéofluidifiants ainsi que des propriétés viscoélastiques similaires à celles d'autres suspensions de particules nanométriques. La sonication directe discontinue a été utilisée pour disperser les FCs dans la résine polyester. Des géométries à plaques parallèles ont été utilisées pour étudier l'influence des paramètres de sonication, de la concentration de FCs et de la cinétique de gélification sur les mesures rhéologiques oscillatoires des différentes suspensions. La géométrie rugueuse s'est avérée efficace pour corriger le glissement à de faibles taux de cisaillement. Le module de stockage G′ et le module de perte G″ augmentent en fonction de la concentration en FCs. La suspension se comporte comme un gel même à faible concentration, ce qui se traduit par G′ > G″ avec G′ et G″ pratiquement parallèles l'un à l'autre et largement indépendants de la fréquence. Une sonication discontinue pendant 20 minutes améliore la dispersion des suspensions avec des concentrations massiques en FCs jusqu'à 4% mais ce temps de sonication prolongé n'a aucun effet sur les suspensions  plus concentrées. 

La Stratégie nationale de production de bois (SNPB) mise sur l’aménagement durable des forêts québécoises comme moteur économique et comme levier d’atténuation des changements climatiques. Cette stratégie mise notamment sur l’innovation et sur la Politique d’intégration du bois dans la construction. En effet, le secteur du bâtiment est intimement lié aux secteurs de la forêt et des produits du bois. En 2020, près de 80% des volumes de bois rond consommés au Québec étaient destinés à la production de sciages (bois d’oeuvre, produits d’ingénierie).
Comment évoluera le parc immobilier québécois au cours des quarante prochaines années? Quels volumes de bois devront être transformés? Dans un contexte d’innovation et de changement (amélioration de procédés, valorisation des coproduits, utilisation efficace des matériaux, économie circulaire, etc.), comment peut-on évaluer à grande échelle les impacts environnementaux des bâtiments, de la forêt et des produits du bois?
Le modèle ODYM-RECC permet d’évaluer les impacts associés aux matériaux et à l’énergie consommés par le métabolisme social. Cette conférence présentera les résultats préliminaires de l’adaptation d’ODYM-RECC au contexte canadien. Ces travaux permettront d’évaluer les impacts des secteurs des bâtiments, de la forêt et des produits du bois à l’échelle de la société, selon différents scénarios climatiques et différentes stratégies d’atténuation des changements climatiques.

Dans l’est du Canada, les bois sans possibilités de transformation dans les industries conventionnelles (sciage, pâtes et papiers, panneaux) en raison de leur faible qualité sur le marché représentent une importante source de biomasse. La filière de la bioénergie forestière est une avenue prometteuse pour valoriser ces bois et contribuer à l’atténuation des changements climatiques. Cependant, les coûts élevés d’approvisionnement limitent son développement. L’intégration de la récolte de biomasse forestière aux activités sylvicoles pourrait être une solution pour le développement de plans d’affaires profitables de bioénergie forestière. Nous avons réalisé une étude empirique permettant d’évaluer et de comparer la rentabilité liée à l’approvisionnement en biomasse sous la forme de tiges ou de sections de tiges en complément de celles des bois destinés aux industries conventionnelles. Nous avons testé quatre intensités croissantes de récolte dans trois sites d’étude situés en forêts tempérées et boréales du Québec. Récolter la biomasse forestière en complément des produits du bois conventionnels a eu peu d’effets sur les coûts unitaires de récolte ($/m3) et des effets variés sur la rentabilité de l’ensemble de la chaine d’approvisionnement en bois. Notre étude démontre que les caractéristiques forestières, les taux de récolte de biomasse ainsi que les conditions de marché sont des facteurs importants à considérer pour le développement compétitif de la bioénergie forestière.

Une des barrières principales à l’adoption et au déploiement de la bioénergie est la complexité, réelle ou perçue, pour mettre en place des chaînes d’approvisionnement en biomasse. Certaines observations suggèrent que l’information et l’expertise sur l’organisation des chaînes d’approvisionnement existent, mais elles sont cependant disjointes. Les acteurs industriels qui désirent pénétrer et contribuer au marché de la bioénergie et aux chaînes d’approvisionnement peinent à avoir une vue d’ensemble claire pour prendre des décisions d’affaires. Même en présence d’une volonté politique certaine soutenant la bioénergie, des projets tardent à se concrétiser.

Des entrevues semi-dirigées et un atelier de discussion ont permis de révéler que les principaux enjeux sont reliés à la distance de transport, au déploiement des installations de consommation et à la demande pour la biomasse. Des pistes de solutions possibles passent par la décentralisation des points de chute ainsi que par l’instauration de programmes gouvernementaux pour stimuler l’utilisation de la biomasse et standardiser le produit fini. Des hypothèses de solution comprennent la création d’une société d’État ayant pour objectif d’acquérir la biomasse de manière décentralisée et de la distribuer vers les grands centres grâce à un réseau de transport optimisé. 

Le GIEC reconnait que la foresterie constitue une voie privilégiée d’atténuation des changements climatiques parce qu’elle s’inscrit dans une politique plus large d’aménagement du territoire. Le portrait des émissions de GES au Québec identifie les transports, l’industrie et les bâtiments comme étant les trois principaux secteurs d’activité émetteurs. Un exercice de simulation suggère qu’un portefeuille ambitieux d’actions mobilisant le secteur forestier québécois pourrait s’attaquer de manière intégrée à ces sources d’émissions et permettre des atténuations annuelles de 0.5 à 6.7 Mt éq. CO₂ /année dès 2030. La clé de ces actions réside dans une transition industrielle accélérée du secteur forestier vers un haut rendement en produits du bois de longue durée, et une substitution ciblée des matériaux et énergies à fortes émissions de GES. Des mesures soutenant l’utilisation domestique des produits du bois pour la construction et de la bioénergie pour le chauffage, les procédés industriels et le transport pourront avoir un impact tangible sur l’inventaire québécois de GES. Cependant, les changements climatiques auront vraisemblablement un impact important sur les paysages forestiers québécois, par exemple par l’augmentation des espèces feuillues au détriment des espèces résineuses. Des mesures d’adaptation des pratiques d’aménagement forestier et de la capacité industrielle devront être envisagées pour assurer la résilience du secteur forestier sous un climat changeant.

À venir

Au Québec, le bannissement des matières organiques à l’enfouissement, objectif principal de la Politique Québécoise de Gestion des Matières Résiduelles, sera atteint en 2022. Une des techniques existantes pour le traitement du bois traité est la pyrolyse. Or, ce procédé n’élimine pas complètement l’azote présent dans les déchets de panneaux de particules. Dans ce contexte, cette étude vise à valoriser les panneaux à base de bois par la voie thermochimique à échelle pilote en deux étapes en vue de produire du biocharbon activé. Les gaz azotés polluants seront transformés par combustion complète en gaz inoffensifs dans une chambre de combustion modifiée. Des résultats préliminaires ont montré que les panneaux de particules broyés présentaient autour de 5 % d’azote et après le traitement thermochimique en deux étapes, ce taux est réduit à 2.5 %. Pendant ces traitements, le CO2 est le composant gazeux dominant parmi les gaz produits. Quelques gaz azotés formés (ammoniac, oxyde nitrique, etc.) après les deux étapes seront convertis en gaz inoffensifs dans la chambre de combustion (modifiée) dans les fours pilotes. De plus, le biocharbon activé, riche en azote, peut être utilisé dans plusieurs domaines (stockage d’énergie, adsorption de gaz et effluents polluants, catalyse) qui seront testés à la fin du projet. Du point de vue environnemental et économique, le projet contribuera à améliorer la réutilisation des déchets à base de bois selon une approche d’économie circulaire.

Dans le contexte actuel de transition d’une société pétro-dépendante vers une société bio-basée, les ressources lignocellulosiques représentent une alternative idéale car elles sont une source importante de lignine et de cellulose, donc des biopolymères susceptibles de remplacer des produits pétro-sourcés. La biodiversité des ressources peut générer des biopolymères aux propriétés et usages différents, aussi accessibles via des résidus lignocellulosiques de l’agriculture. Un couplage des propriétés des biopolymères du bois et de l’agriculture serait également intéressant. L’approche adoptée dans ce projet de recherche est un concept de bioraffinerie adapté à un agro-déchet : la balle de riz. Une hydrolyse acide est réalisée pour convertir le xylane de cet agro-déchet en xylose. Le résidu solide restant après élimination du xylane est transformé par un procédé organosolv catalytique breveté en lignine organosolv d’une pureté remarquable et en pâte cellulosique riche en silice. La pâte cellulosique est enfin purifiée à l’aide de carbonate de soude pour produire de la silice et de la cellulose. Afin d’optimiser ces procédés, différents paramètres ont été évalués : le temps et la température d’extraction, le rapport masse de matériau/volume de solvant, la composition du solvant, ainsi que la concentration en catalyseur et en base. Les biopolymères et la silice produits pourront être utilisés dans des matériaux composites ou comme source de molécules antioxydantes et aromatiques.

Les ressources naturelles forestières au Québec et la crise du papier obligent à innover et à proposer des produits nouveaux pour l’industrie forestière. L'objectif de cette bioraffinerie est de développer et de tester, jusqu’à une échelle précommerciale, une bioraffinerie intégrée novatrice pour une production sélective d'une série de molécules-plateformes biosourcées telles que la lignine pure, le n-butanol, le butadiène, l'acide succinique, l'acide lactique, l'acide lévulinique, le 1,4-butanediol, et le tétrahydrofuranne à partir de résidus lignocellulosiques, et de développer leurs indicateurs clés de performance respectifs.

Cette présentation dressera un portrait succinct des avancements en ce qui a trait au développement de deux procédés: Organosolv amélioré et prétraitement supercritique ainsi que la production d’adhésifs et de fibres de carbone.

La diminution des émissions des gaz à effet de serre est devenue une nécessité incontournable pour l’avenir. Les biocarburants de deuxième génération font partie de la solution pour permettre d’atteindre les objectifs du gouvernement du Québec. Dans ce contexte, RéSolve Énergie travaille activement à la mise en place d’une usine de démonstration permettant la production simultanée d’éthanol de seconde génération et de granulés de lignine à haute densité énergétique à partir de biomasses résiduelles disponible, renouvelables et peu couteuses : les Écorces.

La valorisation des écorces pour la production d’éthanol a toujours été un défi technologique en raison de la grande quantité d’inhibiteurs de la fermentation. Le procédé RéSolve permet d’extraire les sucres fermentescibles des écorces et de les convertir en éthanol tout en limitant l’impact des inhibiteurs sur les rendements. En outre, la lignine résultant de cette opération permet la production de granulés combustibles biosourcés 50% plus énergétiques que les granules de bois conventionnelles et une résistance à l’humidité pouvant faciliter le stockage et le transport. Ces granules de lignines peuvent ainsi concurrencer les énergies fossiles telles que le charbon ou le petcoke dans les applications industrielles.

RéSolve Énergie propose ainsi une solution rentable, favorisant une économie circulaire et réduisant les émissions de GES dans les deux secteurs les plus émetteurs : Les transports et l’industrie.