Les matériaux compositesà base de bois
Eric [email protected]
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«« Les matériaux dans l’aménagement de la maison Les matériaux dans l’aménagement de la maison »»
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Les composites à base de bois revêtent des formeset constituants variables qui nécessitent plusieurs
procédés de fabrication
D’après Michaud, 2003
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BOIS
ADJUVANTS
Renforts : fibres, farine Bois divisé Bois massif
Résines
Traitementsde
stabilisation
Bio-polymères
Polymères d’origine fossile
Panneaux defibres
PanneauxlattésLamellé collé
Panneaux departicules
Fibres et bois traités
Bois stabilisé
Profilés extrudésObjets injectés
Bois imprégné
Granulés
Profilés extrudésObjets injectés
Bois imprégné
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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES
� La matrice plastique• Les thermoplastiques (PP, PE, Nylon…)• Les thermodurcissables• Les biopolymères
� Le renfort fibreux• Bois
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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES
• Les procédés de mise en forme– L’ extrusion– L’ injection– Le thermoformage– Le pressage à chaud– Le calandrage– La pultrusion– Le rotomoulage
• Les profilés– Revêtements (et revêtements techniques)– Planchers, plinthes– Terrasses– Portes, montants de fenêtres– Toiture
• L’automobile– Intérieur– Structure
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LES COMPOSITES BOIS POLYMERESLES COMPOSITES BOIS POLYMERES
Élaboration d’un matériau composite innovant à base de bois et de bio-
polymère d’acide lactique
Travaux de recherche de Marion NOËL
Thèse de doctorat soutenue leThèse de doctorat soutenue le
13/07/200713/07/2007
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DÉMARCHE DÉMARCHE
8888
IMPRÉGNATIONVIDE / PRESSION
BIOBIO--POLYMÈREPOLYMÈRE BOIS MASSIFBOIS MASSIF
CHAUFFAGE
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-- BioBio--polymèrepolymère comme renfort de la structure comme renfort de la structure lignoligno--cellulosiquecellulosique
-- Matériaux constitutifs d’origine renouvelableMatériaux constitutifs d’origine renouvelable
-- Recyclage et/ou Recyclage et/ou biobio--dégradationdégradation en fin de vieen fin de vie
-- Amélioration des propriétés du boisAmélioration des propriétés du bois
LES CONSTITUANTSLES CONSTITUANTS
� Le bio-polymère : PLA (Acide Polylactique)– Obtenu par polycondensation de l’acide lactique
• Approvisionnement peu coûteux• Polymérisation possible en laboratoire
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� Le bois– Essences imprégnables (Hêtre, aubier de Pin sylvestre)
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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ
10101010
� Préparation du produit d’imprégnation– Pré-condensation– Ajout possible d’une faible quantité de catalyseur chimique : deux traitements• Sans catalyseur : T1• Avec catalyseur : T2
Liquide de viscosité moyenneLiquide de viscosité moyenne
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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ
� Préparation du bois– Un séchage préalable facilite l’imprégnation– Matériel : étuve / séchoir
11111111
� Imprégnation– Phases de vide / pression– Remplissage important des cellules de bois– Matériel : autoclave
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LE PROCÉDÉLE PROCÉDÉ
� Chauffage– Chauffage du bois imprégné– Matériel : étuve / séchoir
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Bois fortementassoupli
Témoin Traité T1
Bois composite densifié
Traité T2
Bois composite densifié
ÉTAT FINALÉTAT FINAL
Traitement T1
ÉTAT INTERMÉDIAIREÉTAT INTERMÉDIAIRETraitement T2
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ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES
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� Densification par imprégnation– Masse volumique : + 20 à 55%
• Aubier de pin : de 520 à 800 kg.m-3
• Hêtre : de 740 à 900 kg.m-3
� Stabilité dimensionnelle– Efficacité anti-gonflement (ASE) de 70%
� Amélioration de la résistance à l’attaque fongique
ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES
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� Caractérisation mécanique– Comportement en flexion peu influencé : résistance ± 15%
– Comportement en compression axiale : force de rupture +36%
– Dureté (Monnin) augmentée + 20%– Résistance au poinçonnement (Brinnel) améliorée + 15%
� Produit partiellement lessivé par l’eau mais propriétés non modifiées par le lessivage
ÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCESÉTAT FINAL DENSIFIÉ _ PERFORMANCES
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Matériau denseMatériau dense
Matériau stableMatériau stable
Propriétés mécaniques globalement Propriétés mécaniques globalement amélioréesaméliorées
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ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI
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� Se traduit par une perte générale des propriétés mécaniques :– Résistance en flexion divisée par 4– Résistance au cisaillement divisée par 2– Résistance en compression axiale non mesurable– Dureté divisée par 5
ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI
17171717
� Provient de la dégradation de la lignine constituant la lamelle mitoyenne
Autorise une forte déformationAutorise une forte déformation
� Permet un glissement entre les fibres de bois
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� L’assouplissement est suivi d’un durcissement si le cycle de chauffage se poursuit– Résistance au cisaillement divisée par 2– Dureté Monnin +40 à 50%– Résistance au poinçonnement +30%
ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI_DURCI
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Possibilité de mise en forme fixée par chauffagePossibilité de mise en forme fixée par chauffage
Possibilité d’un durcissement sous charge Possibilité d’un durcissement sous charge accentuant la densificationaccentuant la densification
ÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLIÉTAT INTERMÉDIAIRE ASSOUPLI
19191919
Forte déformation possibleForte déformation possible
Forme figée par chauffageForme figée par chauffage
Dureté très élevée dans l’état finalDureté très élevée dans l’état final
Coloration noireColoration noire
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SYNTHÈSE SYNTHÈSE
20202020
Vide / pression classiqueVide / pression classique
Conditions doucesConditions douces
ParqueterieParqueterieCintrageCintrage MatriçageMatriçage DensificationDensification
Mise en forme, possible à froid
Chauffage prolongé du matériau sous contrainte induisant la
polymérisation et le durcissement
Matériau figé en forme, stable
Densification mécanique
Chauffage prolongé du matériau sous charge induisant la
polymérisation et le durcissement
Matériau densifié par
imprégnation-polymérisation et
compression, stable, très bonne
dureté de surface
Imprégnation du bois par le pré-polymère d'acide lactique (T2)
Chauffage court induisant le ramollissement
Imprégnation du bois par le pré-polymère d'acide lactique (T1)
Chauffage prolongé induisant la polymérisation et le durcissement
Matériau densifié par
imprégnation et polymérisation,
stable, de bonne dureté de
surface
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PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENTPERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT
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� Contrôle de la toxicité en usage
� Étude sur l’usinabilité du matériau
� Validation de la viabilité économique
Développement de procédés d’assemblage du bois par thermosoudage
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DEUX TECHNOLOGIESDEUX TECHNOLOGIES
Effort
appliqué
Friction linéaire alternée
Rotation du tourillon
Support avec trou percé.
SOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRESOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRE SOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVESOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVE
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SOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRESOUDAGE PAR FRICTION LINEAIRE
� Fréquence de la vibration
� Durée de la friction
� Temps de maintien
� Pression lors de la friction
� Pression de maintien
� Amplitude de la vibration
Paramètres du procédé :
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SOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVESOUDAGE PAR FRICTION ROTATIVE
� Angle d’implantation
� Vitesse d’avance
� Forme du tourillon
� Pression sur le tourillon
� Diamètre de perçage
� Vitesse de rotation
Paramètres du procédé :
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LE THERMOSOUDAGE DU BOISLE THERMOSOUDAGE DU BOIS
� Feuillus : hêtre, érable, chêne, frêne …
� Résineux : épicéa, pin …
� Panneau de particules
� OSB
� Panneau de fibres
� Contreplaqué
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LE THERMOSOUDAGE DU BOISLE THERMOSOUDAGE DU BOIS
� Le temps nécessaire à l’assemblage des pièces de bois est extrêmement rapide
� La résistance au cisaillement du joint est suffisante pour envisager des applications en emballage, ameublement, aménagement, menuiserie et construction
� Avec ces procédés d’assemblage, il est possible d’envisager la suppression de colles au profit de l’utilisation exclusive de bois
� Le procédé est limité, pour l’instant, à des usages excluant les milieux humides
� Le soudage des bois résineux est délicat
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� Thèse de Ludovic Resch (ENSTIB/LERMAB – CRITT Bois) : Développement d’éléments de construction en bois de pays lamellé assemblé par thermosoudage
� SOUDABOIS : Développement de procédés d’assemblage du bois par thermosoudage (ANR Programme matériaux et procédés 2006)
• Partenaires : CRITT Bois, ENSTIB/LERMAB, ENSCMu/LMPC et 3 industriels (+ HSB + LERFoB)
• Durée : 36 mois
ETUDES EN COURSETUDES EN COURS
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