Soutenance mémoire
Introduction à l’anatomie des conifères
Par opposition aux feuillus, le bois des résineux (gymnospermes) présente une structure anatomique relativement simple, uniforme et régulière. Cela lui permet d’être convenable pour différentes applications (Panshin et De-Zeeuw, 1980). Seulement deux principaux types de cellules constituent les plans ligneux de tous les résineux : les trachéides qui constituent 90% de 1 ‘ensemble des cellules du bois des résineux et les cellules de parenchyme. Étant donné que le bois des résineux ne contient pas des éléments de conduction spécifiques (les vaisseaux), les trachéides remplissent le double rôle de conduction verticale de la sève brute et de soutient mécanique de la structure, alors que les rayons ligneux servent d’éléments de stockage et de distribution de réserves horizontalement (Core et al., 1979). Le xylème des résineux contient aussi des cellules de parenchyme à paroi cellulaire mince. Ces cellules entourent les canaux résinifères radiaux et longitudinaux. En réalité, ces derniers ne forment pas des éléments proprement dit du bois mais une cavité entourée par des groupes de cellules de parenchymes et épithéliales excrétrices organisées pour former un canal où les substances secrétées sont rejetées dans sa cavité (Panshin et De-Zeeuw, 1980) (Figure 2.1.a). La variation du nombre, de la manière avec laquelle les canaux résinifères sont regroupés, de leur taille ainsi que de la taille et le type des cellules épithéliales ne dépendent pas seulement de 1 ‘espèce, de 1’ âge de 1 ‘arbre et du taux de croissance, mais aussi des accidents d’origine quelconque. En effet, en cas de lésion, les résineux élaborent des tissus spéciaux de cicatrisation autre que les canaux résinifères. Ces canaux sont appelés des canaux traumatiques souvent alignés tangentiellement (Figure 2.1.b). De nombreux genres sont dépourvus de canaux résinifères, par exemple, Cedrus, Abies, … (Core et al., 1979)
Comme le montre la Figure 2.2.a, les trachéides longitudinales dans le plan ligneux d’un gymnospem1e, exemple du Thuja occidentalis L., sont arrangées en structure uniforme. Dans le bois initial, les trachéides longitudinales sont hexagonales, ayant une paroi cellulaire relativement mince et un diamètre plus étendu dans la direction radiale (figure 2.2 .b). Dans la direction tangentielle, le diamètre demeure sensiblement constant dans un même cerne annuel et ne varie que légèrement avec l’âge de l’arbre (Panshin et De-Zeeuw, 1980). Lorsqu’on passe du bois initial au bois final, on remarque une diminution radiale de la cellule accompagnée d ‘une augmentation de l’épaisseur des parois. La transition d’un type à l’autre entre une saison de végétation et la suivante est toujours abrupte tandis qu’à l’intérieur d’une saison de végétation, elle est relativement graduelle (Thuja occidentalis L), (Figure 2.2.a) ou abrupte (Pinus banksiana lamb), (Figure 2.2.b). Les faces radiales des trachéides longitudinales portent de nombreuses ponctuations aréolées, permettant les échanges de cellule à cellule (Figure 2.3.a et b). Ces ponctuations sont moins abondantes sur la face tangentielle. Chez les résineux, le flux dans la direction axiale qui se fait à travers les ponctuations aréolées est de 50 à 200 fois plus rapide que dans les deux autres directions (Stamm, 1953). Les échanges dans la direction tangentielle sont contrôlés par les ponctuations situées sur la face radiale de la paroi des trachéides (Banks, 1970; Watanabe, 1998; Ols son et al., 2001) alors que la communication entre les trachéides longitudinales et les parenchymes radiaux se fait à travers les ponctuations des champs de croisement (Panshin et De13 Zeeuw, 1980). En outre, Malkov et al. (2003) ont comparé la vitesse de pénétration de l’eau dans des cubes de bois d’aubier et bois de duramen. Ils ont observé que la pénétration dans le bois d’aubier est beaucoup plus rapide que dans le bois de duramen. Ils ont expliqué cela par la différence de capillarité entre ces deux types de bois.
Longueur des trachéides
La relation entre la taille des trachéides et 1 ‘âge cambial est souvent discutée (Lindstrôm, 1997; Lindstrôm et al., 1998; Sirviô et Karenlampi, 2001). Bien qu’il ait été démontré que la variation des dimensions physiques de la trachéide est prédominée par la maturité du cambium (Panshin et De-Zeeuw, 1980; Lindstrôm et al., 1998), on retient dans cette étude bibliographique que les longues fibres (trachéides) de résineux ont une paroi relativement plus épaisse que les fibres courtes. En effet, les trachéides atteignent une longueur minimale dans la zone de bois initial alors qu’un maximum de longueur est observé dans la zone de bois final : où la paroi des trachéides atteint également un maximum d’épaisseur (Panshin et De-Zeeuw, 1980). Tel que illustrée par la figure 2.4, la variation des dimensions des trachéides suit une courbe de forme typique des résineux. En effet, cette courbe peut être divisée en deux phases : (i) une phase initiale, aux alentours de la moelle, qui correspond au bois juvénile et durant laquelle une augmentation rapide des dimensions des trachéides a été observée et (ii) une seconde phase qui reflète la période de stabilité de fonctionnement du cambium mature. Durant cette dernière phase, la longueur des trachéides est plus ou moins constante (Panshin et De-Zeeuw, 1980). Il est entendu que l’optimisation des propriétés mécaniques dépend étroitement de 1’ efficacité du transfert de charge entre les fibres et la matrice (Sans chagrin et al., 1988; Tze et al., 2007).
Ce transfert de charge est souvent défini en termes de longueur critique des fibres (le). Toutefois, il ne faut pas négliger le rôle de l’interaction physico-chimique, établie au niveau de l’interface, qui joue aussi un rôle clé dans la détermination du degré du transfert de charge et, par conséquent, sur la v ale ur de le. D’ailleurs, c’ est la raison pour laquelle plus 1′ adhésion entre les fibres et la matrice est grande, plus la longueur critique est faible (Nardin et Schultz, 1993). Le concept de la longueur critique développé par Kelly et Tayson (Kelly et Tyson, 1965) a été couramment appliqué dans l’objectif de déterminer la relation entre la longueur des fibres et les propriétés mécaniques des matériaux composites renforcés par des fibres unidirectionnelles. Cette longueur critique est définie comme la longueur minimale de la fibre pour laquelle la contrainte de traction appliquée au composite peut atteindre la résistance maximale à la traction de la fibre. En d’ autres termes, le est la longueur au-dessus de quelle la fibre, située symétriquement de part et d’autre du plan de rupture, se casse plutôt que de s’arracher (Carlsson et Lindstrom, 2005). La longueur critique s’écrit alors de la façon suivante (Kelly et Tyson, 1965):
Paroi de la trachéide
À cause des contraintes de cisaillement qui se développent au cours des procédés de fabrication des composites bois plastique (raffinage, mélange, extrusion, injection … ), les fibres de bois changent de forme. Le niveau de changement et d ‘endommagement subi par les fibres dépend de leur diamètre et aussi de leur longueur. De plus, compte tenu de la variabilité intra et interspécifique, les fibres de bois peuvent avoir la même rigidité mais avec des diamètres différents. Par ailleurs, la présence d’un facteur de forme (l/d) critique, plutôt que la longueur critique (le), sera plus important à considérer lorsqu’on étudie l’influence des fibres de bois sur le comportement mécanique du matériau composite. D’ailleurs, Stark et Rowlands (2003) ont comparé 1’ effet de particules de bois tendre et de bois dur sur le comportement en traction des matériaux composites mis en forme par injection. Il a été conclu que le facteur de forme est plus important au développement des propriétés mécaniques que la longueur des particules. Les mêmes constatations ont été rapportées par Sanschagrin et al. (1998). Toutefois, étant donnée leur structure tubulaire, la paroi cellulaire est largement responsable du comportement physique et mécanique des trachéides.
En effet, au cours du procédé de raffinage mécanique, par exemple, les fibres de bois initial, ayant une paroi mince, ont dû changer leur forme transversalement en manifestant un plus grand degré d’aplatissement et un affaissement ( collapse) de leur paroi. Inversement, les fibres de bois final, aux parois cellulaires plus épaisses, sont plus résistantes à de tels changements au cours du raffinage (Mohlin, 1997). Elles conservent souvent leur forme originale bien qu’une certaine diminution de l’épaisseur des parois et une fibrillation excessive apparaissent souvent sur ce dernier type de fibres (Laine et al., 2004). La cellule ligneuse complètement différenciée présente une structure pluristratifiée. La représentation schématique des différentes couches constituant la paroi est donnée à la figure 2.5. De l’extérieur vers l’intérieur, on peut distinguer une couche intercellulaire qui sert à souder deux cellules adjacentes. Ensuite, une fine paroi primaire de structure fibreuse se plaque sur la couche intercellulaire, tandis que la paroi secondaire se dépose sur la paroi primaire. Par sa structure et son volume, la paroi secondaire constitue la partie de cellule la plus résistante mécaniquement. Elle est dense, rigide et contient une forte proportion de cellulose. Cette paroi est généralement composée de trois couches fibreuses qui se distinguent facilement par le degré d’inclinaison de leur angle de microfibrilles (Salmén et Burgert, 2009):
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Table des matières
Avant-propos
Table des matieres
liste des figures
Liste des tableaux
Glossaire des termes et des symboles
Abstract
Résumé
1 Introduction
2 Revue de litterature
2.1 Introduction
2.2 Les éléments anatomiques clés influençant la performance des composites à base de fibres courtes et polymère thermoplastique
2.2.1 Introduction à 1 ‘anatomie des conifères
2.2.2 Longueur des trachéides
2.2.3 Paroi de la trachéide
2.2.4 Ponctuations et perforations des parois cellulaires
2.2. 5 Surface des fibres
2.3 Compatibilité et adhésion des fibres de bois avec les polymères thermoplastiques
2.3.1 Chimie de la paroi de trachéides
2.3.2 Relation entre la composition de la surface et son énergie libre
2.3.3 L’adhésion bois/thermoplastique
2.3.4 Pratiques de modification des fibres de bois
2.4 Techniques d’analyse des caractéristiques intrinsèques des fibres de bois
2.4.1 Techniques d’analyse de la morphologie des fibres de bois
2.4.2 Techniques d’analyse de la composition chimique de la surface des fibres
2.4.4.2.1 Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
2.4.4.2.2 Spectroscopie de photoélectrons excités par rayons X
2.4.3 Techniques d’analyse thermique et calorimétrique des fibres de bois et des composites bois/thermoplastique
2.4.3.1 Analyse thermogravimétrique (TGA)
2.4.3.2 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
2.4.4 Techniques d’analyse des relaxations mécaniques des composites bois thermoplastiques par analyse dynamique mécanique (DMA)
2.5 Conclusion
3 Materials and methods
3.1 Introduction
3.2 Materials
3.3 Methods
3.3.1 Experiment design
3.3.2 Processing methods
3.3.2.1 Compounding process
3.3.2.2 Injection mol ding pro cess
3.3.2.3 Extrusion process
3.3.2.4 Compression mol ding process
4 Analysis of Among-Species Variability in Wood Fiber Surface Using Drifts and XPS techniques: Effects on Esterification Efficiency
4.1 Abstract
4.2 Résumé
4.3 Introduction
4.4 Experimental
4.4.1 MAPE grafting
4.4.2 DRIFT measurements
4.4.3 XPS measurements
4.5 Results and Discussion
4.5.1 Surface and interface characterization by DRIFTS
4.5.1.1 FTIR spectra ofuntreated wood fibers
3.5.1.2 FTIR spectra ofMaleic Anhydride Polyethylene
4. 5.1.3 Comparison between treated and untreated fi ber surfaces
4.5.2 Surface and interface characterization by XPS
4.5.3 SEM investigations
4.6 Conclusion
5 Thermal sensitivity and nucleating ability of wood particles
5.1 Abstract
5.2 Résumé
5.3 Introduction
5.4 Experimental
5.4.1 Materials
5.4.2 Methods
5.4.2.1 Thermogravimetry (TGA)
5.4.2.2 Differentiai Scanning Calorimetry (DSC)
5.5 Results and Discussion
5.5.1 Analysis ofthermal sensitivity
5.5.2 Crystallinity and nucleating ability analysis
5.6 Conclusion
6 Effects of Fiber Characteristics on Physical and Mechanical Properties of Wood plastic Composites
6.1 Abstract:
6.2 Résumé
6.3 Introduction
6.4 Composite preparation
6.5 Results and Discussion
6.5.1 Effect offiber type
6.5.2 Effect ofparticle size
6.5.3 Effect of fi ber proportion
6.6 Conclusion
7 Effects of Processing Methods on wood particle development and length distribution: Consequences on Mechanical Properties of Wood/Thermoplastic Composites
7.1 Abstract
7.2 Résumé
7.3 Introduction
7.4 Experimental
7.4.1 Characterization of particle length distribution after processing
7.4.2 Mechanical measurement
7.5 Results and discussion
7.5.1 Development of wood particle reinforced HDPE
7.5.2 Characterization ofparticle length distribution
7.5.3 Effect of Weight length and fines on mechanical properties
7.6 Conclusion
8 Effects of Wood Filler Addition and Processing Method on the Dynamic Mechanical Properties of Wood Particle/HDPE Composites
8.1 Abstract
8.2 Résumé
8.3 Introduction
8.4 Experimental
8.4.1 DMA testing
8.5 Results and Discussion
8.5.1 Storage modulus
8.5.2 Loss modulus
8.5.3 Frequency-temperature dependence
9 Creep Behavior of HDPE/Wood Particle Composites
9.1 Abstract
9.2 Résumé
9.3 Introduction
9.4 Theoretical background
9.4.1 Bürger’s Model
9.4.2 Findley power law
9.4.3 Harmonie tests
9.5 Experimental
9.5.1 Creep Tests
9.5.2 Dynamic Mechanical Tests
9.5.3 Simulation method
9.6 Results and discussions
9.6.1 Effect of Temperature
9.6.2 Effect of wood species
9.6.3 Effect ofparticle load
9.6.4 Effect ofparticle size
9.6.5 Effect ofprocessing conditions
9.6.6 Limit ofBürger’s model to predict long time creep behavior
9.6.7 Time-Temperature Superposition (TTSP) and Long-Term Creep prediction
9.6.8 Prediction of dynamic mechanic behavior
9.7 Conclusion
Conclusion générale
Références citées
Appendixes
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