DENIS BELLEY

DETERMINATION DES PROPRIETES DE TRANSFERT DE CHALEUR ET DE MASSE DES

PANNEAUX DE FIBRES DE BOIS

Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l'Université Laval

dans le cadre du programme de maîtrise en sciences du bois pour l’obtention du grade de maître ès science (M.Sc.)

DÉPARTEMENT DES SCIENCES DU BOIS ET DE LA FORÊT FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC

2009

© Denis Belley, 2009

Résumé

Plusieurs modèles mathématiques ont étés développés au fil des ans pour prédire le

comportement du panneau de fibres de bois MDF ¨medium density fiberboard¨ lors du

pressage à chaud. Malgré les efforts déployés, bon nombre d’éléments spécifiques restent à

préciser pour bien décrire l’ensemble des phénomènes physiques impliqués lors du

pressage.

Ce projet portait sur la détermination expérimentale de paramètres requis dans un modèle

par éléments finis du pressage à chaud des panneaux de fibres de bois. Plus spécifiquement,

le projet a porté sur la détermination et l’analyse de la conductivité thermique, de la

perméabilité au gaz et de la porosité en fonction de la granulométrie, de la teneur en

humidité, de la masse volumique et de la température du panneau MDF.

Les panneaux utilisés dans le cadre du projet ont été fabriqués à partir de fibres d’épinette

noire (Picea mariana), selon trois granulométries et cinq masses volumiques. Cette essence

a été choisie car sa fibre constitue la majeure partie des panneaux MDF fabriqués dans l’Est

du Canada. Les méthodes qui ont servi à l’évaluation de la perméabilité au gaz et de la

conductivité thermique ont été éprouvées auparavant par d’autres chercheurs.

Les résultats de perméabilité intrinsèque au gaz variaient de 1,0 x 10 m m pour

les panneaux d’environ 200 kg/m à 8,3 x 10 m m pour des panneaux d’environ

800 kg/m . Ces résultats ont permis de conclure que la taille des fibres n’a pas d’impact

significatif sur la perméabilité au gaz. Par contre, la masse volumique s’est avérée

significative lorsque mise en relation avec la perméabilité au gaz. En effet, plus la masse

volumique augmente plus la perméabilité au gaz diminue, ce qui correspond à la littérature

sur le sujet. Les résultats de conductivité thermique variaient entre 0,06 et 0,25 W/mºC

selon la masse volumique, la taille des fibres et la teneur en humidité. Plus précisément, les

travaux ont démontré que la conductivité thermique des panneaux de fibres MDF augmente

avec la masse volumique, la teneur en humidité et la température jusqu’à un certain point

comme le mentionne la théorie sur le sujet. On a relevé une différence significative de

conductivité thermique entre la classe des grosses fibres par rapport celle des fines et

moyennes.

-11 3air

-1panneau

3 -14 3air

-1panneau

3

ii

Abstract

Numerous mathematical models have been developed to predict the behaviour of medium

density fiberboard panels (MDF) during the hot pressing process. However, despite these

efforts, it still remains many parameters to define precisely in order to describe correctly

the physical phenomena occurring during the hot pressing process.

This project was focused on the determination of the parameters required for a finite

element model of the MDF panels hot pressing process. More specifically, the project

objectives were the determination and analysis of thermal conductivity and permeability in

relation with different factors such as particle size, moisture content, density and

temperature of the MDF panel.

The MDF panels used for the project were made of black spruce fibers (Picea mariana) of

three fiber sizes and five different densities. Black spruce (Picea mariana) fibers were

chosen because they are used for the manufacture of most of the MDF panels produced in

Eastern Canada. The methods chosen to determine gas permeability and thermal

conductivity have been used by many other researchers.

The results obtained show that fiber size has no significant impact on the gas permeability

of MDF panels. However, density had a significant effect on gas permeability. Indeed, the

higher the density, the lower the gas permeability which is in agreement with the literature

on the subject. The results of thermal conductivity were between 0,06 and 0,25 W/mºC

according to density, fibre size and moisture content. Precisely, the results have shown that

the thermal conductivity of MDF panels increases with density, moisture content and

temperature up to a certain point as the theory mentions. However, for thermal

conductivity, a significant difference was noticed between the large fiber size class panels

and the average and small fiber size class panels. The last two classes had a similar

behaviour all along the test while the large fiber size panels behaviour was different for the

variables studied.

Avant-propos

Le présent document comporte cinq chapitres portant sur le transfert de chaleur et de

masse, la perméabilité au gaz et la porosité. La nouveauté dans ce travail a été d’étudier le

comportement du transfert de chaleur avec une variable comme la granulométrie.

Également, une méthode par imagerie a été développée afin de mesurer la porosité des

panneaux.

Les chapitres se présentent comme suit :

Chapitre 1 : Élabore sur les généralités sur le MDF. Revue de littérature comprenant

premièrement les principes de base et les études pertinentes sur les

phénomènes de transfert de chaleur et de perméabilité au gaz en fonction de

plusieurs facteurs tels que la teneur en humidité, la masse volumique, la

porosité, la taille des particules, etc.

Chapitre 2 : On y décrit le matériel et les méthodes utilisés pour ce travail.

Chapitre 3 : Les résultats sont présentés en ce qui concerne la conductivité thermique, la

porosité ainsi que de la perméabilité au gaz.

Remerciements

Œuvrant dans l’industrie depuis la fin de mon baccalauréat en génie du bois, la réalisation

du mémoire faisant l’objet du présent document a justifié mon retour à l’Université Laval.

C’est au Dr Alain Cloutier que je dois l’opportunité de compléter mes études en maîtrise et

que je remercie de tout cœur pour sa confiance et son aide. Sans lui, ce changement de cap

dans ma carrière n’aurait pu se concrétiser.

Je remercie sincèrement le CRSNG qui m’a soutenu financièrement au cours des derniers

dix-huit (18) mois. Je remercie aussi les gens de FPInnovations – Division Forintek tels que

mon co-directeur Dr James Deng et M. Antoine Henry pour leur expertise et également

pour avoir fourni le matériel nécessaire à la production des panneaux MDF, indispensables

à la réalisation du projet.

Je tiens à remercier tous les gens travaillant au CRB qui m’ont facilité la tâche. Je pense

plus spécifiquement à M. David Lagueux, à M. Sylvain Auger, à M. Luc Germain, à M.

Daniel Bourgault, à M. Yves Bédard, à Mme Colette Bourcier et à Mme Guylaine

Bélanger.

Je remercie ma famille pour le soutien offert et plus particulièrement ma conjointe Karine

qui, par son appui, sa bonne humeur et ses encouragements, m’a appuyé tout au long du

projet. Finalement, je remercie mon fils Elliot, né au cours de la période, pour tout le

bonheur qu’il m’apporte.

« Celui qui n’a jamais fait d’erreurs n’a

jamais rien fait de nouveau » Albert Einstein

Table des matières

INTRODUCTION................................................................................................................ 1

CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTERATURE ............................................................ 3

1.0- ..................................................................................................................3 L’industrie du MDF1.1- ................................................................................................................5 Les principes de base1.2- ..................................................................................10 Loi de Darcy et perméabilité au gaz1.3-

..........................................................................................................................................13 Études traitant des facteurs influençant le transfert de chaleur et la perméabilité au gaz

1.4- ............................................................................14 Masse volumique et teneur en humidité1.5- ..........................................................................................................16 Géométrie des lamelles1.6- .........................................................................................17 Temps de fermeture de la presse1.7- .................................................................................................................18 Perméabilité au gaz1.8- Conductivité thermique ...........................................................................................................22 1.9- ......................................................................................................................................27 Objectifs

CHAPITRE 2 MATERIEL ET METHODES ............................................................... 28

2.0- Matériel........................................................................................................................................28 2.1- Méthodologie..............................................................................................................................29 2.2- Transfert de chaleur .................................................................................................................32 2.3- Perméabilité au gaz..................................................................................................................34 2.4- Porosité ........................................................................................................................................35

CHAPITRE 3 RESULTATS ET DISCUSSION............................................................ 37

3.0- Profil de masse volumique......................................................................................................37 3.1- Porosité ........................................................................................................................................38 3.2- Perméabilité au gaz..................................................................................................................40 3.3-

.......................................................................................43 Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité, de la masse volumique et de la granulométrie

3.4- ................................................................................................................49

Conductivité thermique en fonction de la granulométrie, de la masse volumique et de la température

CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS.............................................................. 56

Recommandations..............................................................................................................................58

BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................. 59

ANNEXE A......................................................................................................................... 63

ANNEXE B ......................................................................................................................... 65

Liste des tableaux

Tableau 1. ...................................................................................... 25

Coefficient de conductivité thermique de divers matériaux de construction courants (Goulet 1992)

Tableau 2. ........................................................................... 25

Coefficient de conductivité thermique pour le panneau de fibre MDF à 10ºC (Sonderegger et Niemz 2008)

Tableau 3. Paramètres de raffinage..................................................................................... 28 Tableau 4. Répartition des panneaux à produire................................................................. 30 Tableau 5.

........................................................................................ 42 Effet de la granulométrie et la masse volumique sur la perméabilité au gaz (Two-way ANOVA).

Tableau 6. .............................................. 47

Effet de la granulométrie, de la masse volumique et de la teneur en humidité sur la conductivité thermique (Split-plot ANOVA).

Tableau 7. ...................................... 50

Effet de la masse volumique, de la granulométrie et de la température sur la conductivité thermique (repeated measure ANOVA).

Liste des figures

Figure 1. ....... 4 

Schéma général de fabrication des panneaux de fibres à moyenne densité (MDF) (Source: http://www.cotopaxi.com.ec/paginas/mdf/proceso.htm).

Figure 3.  .............. 14 

Influence de la teneur en humidité initiale and du temps de pressage sur la température au centre du panneau de particules (Maku et al. 1959).

Figure 4.  ........................................ 15 

Température maximale au centre de l’ébauche en fonction de la teneur en humidité pour les panneaux MDF (Cai et al. 2006).

Figure 5.  .................. 16 

Pression de vapeur maximale au centre de l’ébauche en fonction de la teneur en humidité pour les panneaux MDF (adapté de Cai et al. 2006).

Figure 6. ............................................................................... 18 

Effet du temps de fermeture de la presse sur le profil de masse volumique (adapté de Moslemi 1974).

Figure 7. ...................................................................... 19 

Effet de la masse volumique des panneaux de particules sur la perméabilité au gaz (adapté de Hata. et al.,1993)

Figure 8. ................................................................................. 20 

Effet de la masse volumique des panneaux MDF sur la perméabilité au gaz (Garcia et Cloutier 2005)

Figure 9. ....................................... 21 

Progression du pressage d’un panneau OSB (Hood 2004). A) début du pressage, B) milieu du pressage, C) fin du pressage.

Figure 10. .................................... 22 

Perméabilité au gaz transversale et valeurs prédites en fonction de l’épaisseur des lamelles et du ratio de compression (Hood 2004).

Figure 11. 

....................................................... 23 

Conductivité thermique (λ) du bouleau en fonction de la température, de la masse volumique (ρ) et de la porosité (r) selon les directions longitudinale (a) et transversale (b) (Suleiman et al., 1999)

Figure 12.  ................ 24 Conductivité thermique en fonction de la porosité (%) (Siau 1995)Figure 14.  ................................................... 31 Schéma de découpe des panneaux fabriqués.Figure 15.   ............................... 32 Rainure sur échantillon de MDF (tiré de Harrisson 2006).Figure 16.  

................................................................................................ 32 Montage de l’appareil servant à la mesure du transfert de chaleur. (tiré de Harrisson 2006).

Figure 17.  ..................................................................................................... 34 

Dimension des échantillons pour les mesures de perméabilité au gaz ................ (Lihra 1999).

Figure 18.  ............................ 35 Schéma du montage de perméabilité au gaz (Lihra 1999).Figure 19.  ..... 37 Profil de masse volumique de panneaux produits à 400 kg/m (longues).3

Figure 20. 

.......... 38 

Image à 100X de panneaux de fibres MDF de masse volumique de a) 400 kg/m (porosité = 0,804), particules fines; b) 600 kg/m (porosité = 0,640), particules fines; c) 800 kg/m , particules grossières (porosité = 0,461).

3 3

3

Figure 22. ................................................................... 41 

Perméabilité intrinsèque au gaz en fonction de la masse volumique (Masse humide/Volume humide) (H=6%).

Figure 23. .............. 45 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (0% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

Figure 24. ........... 45 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (4,4% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

Figure 25. ........... 46 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (6,9% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

Figure 26. ...................................................................... 46 

Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité à 100°C (plaque chaude) fibres de taille moyenne.

Figure 27. ........................... 48 

Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres fines) à 100°C (plaque chaude).

ix

Figure 28. .............. 48 

Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres moyennes) à 100°C (plaque chaude).

Figure 29. .................. 49 

Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres grosses) à 100°C (plaque chaude).

Figure 30. 

...................................................................................................... 51 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 100ºC.

Figure 31. 

...................................................................................................... 51 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 125ºC.

Figure 32. 

...................................................................................................... 52 

Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 150ºC.

Figure 33.  

................................................................................................ 53 

Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres fines. (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons).

Figure 34.  

................................................................................................. 54 

Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres moyennes (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons)

Figure 35.  

................................................................................................. 54 

Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres grosses (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons)

Figure 36.  ... 55 

Exemple de résultats de conductivité thermique obtenus en fonction de la température (fibres moyennes à 186 kg/m ) trois échantillons (H = 0%).3

Figure 37.  ... 55 

Exemple de résultats de conductivité thermique obtenus en fonction de la température (fibres moyennes à 873 kg/m ) trois échantillons (H = 0%).3

Introduction

Le transfert de chaleur et de masse dans le bois ou dans les composites à base de bois a déjà

été exploré dans plusieurs études telles que celles de Humphrey et Bolton (1989), Carvalho

et Costa (1998), Mansilla (1999), Defo (1999), Thoemen (2000), Zombori (2001), Garcia

(2002), Godbille (2002), Ben Ismail et Morlier (2003) et plusieurs autres. L’objectif de la

plupart de ces études était de définir un modèle de transfert de chaleur et de masse. Selon

ces auteurs, les modèles élaborés diffèrent les uns des autres compte tenu des facteurs pris

en compte et de leur importance relative. Par exemple, des facteurs jugés importants par

certains chercheurs ont été considérés non pertinents par d’autres. Vidal Bastias (2006)

présente la majorité des modèles de transfert de chaleur et de masse étudiés jusqu’à

maintenant, ce qui permet de saisir les différences existantes entre les principaux modèles

étudiés.

Notons que des facteurs comme la température, la masse volumique, le programme de

hpressage, la teneur en humidité et la pression gazeuse ont déjà été étudiés lors de la

modélisation du pressage. Ces données sont cependant difficiles à obtenir car elles sont

rarement rendues publiques par ceux qui financent les travaux de recherche. Il est important

d’avoir accès aux données étudiées et de disposer de l’information des aspects moins

connus afin d’améliorer le modèle mathématique et physique. Lors de la cuisson des

panneaux de fibres de densité moyenne (medium density fiberboard, MDF), d’autres

facteurs que ceux étudiés précédemment viennent influencer le transfert de chaleur et de

masse ainsi que la perméabilité au gaz. Dans le but d’obtenir un modèle mathématique

fiable, il est impératif de dégager une vue d’ensemble de la situation.

Quels facteurs influencent le transfert de chaleur et de masse? Voilà la question à laquelle il

faut répondre. Dans les travaux cités ci-haut, plusieurs facteurs ont été identifiés comme

importants lors du transfert de chaleur. Il s’agit de la masse volumique des panneaux, de la

teneur en humidité, du programme de pressage, etc. Ces facteurs ont sans aucun doute un

impact sur le transfert de chaleur et de masse mais il en existe d’autres qu’il faut aussi

considérer.

2

Pour augmenter la fiabilité du modèle portant sur la cuisson des panneaux MDF, il faut

prendre en considération le plus grand nombre de facteurs possible. L’établissement d’un

modèle mathématique tenant compte de tous les facteurs serait idéal mais difficilement

réalisable avec les moyens disponibles et dans des délais raisonnables. Plus on ajoute de

variables au modèle, plus il devient complexe et c’est pourquoi, les facteurs peu

significatifs, doivent être exclus afin de ne pas l’alourdir inutilement.

Le but de cette étude était de mesurer la perméabilité au gaz, la conductivité thermique

ainsi que la porosité des panneaux de fibres pour ensuite être en mesure d’améliorer le

modèle présentement en développement à l’Université Laval. Dans cet ordre d’idée et dans

un désir d’améliorer nos connaissances, la granulométrie, la température et la masse

volumique ont été retenues comme variables dans la présente étude. Il est intéressant de

voir l’influence de ces facteurs sur la conductivité thermique ainsi que sur la perméabilité

au gaz. En théorie, on peut s’attendre à ce qu’une granulométrie plus grande ait un impact

négatif sur la conductivité thermique, puisque les grosses particules ne devraient pas se

compacter aussi facilement que les petites. Il devrait alors résulter plus de vides entre les

particules et une pression des gaz moins élevée au centre de l’ébauche. Ces particularités

physiques devraient normalement avoir un impact négatif sur la conductivité thermique en

théorie. De plus, on peut également faire l’hypothèse que la présence de particules

grossières résulterait en une perméabilité au gaz plus élevée mais ceci reste à vérifier. Bien

entendu, d’autres facteurs influencent le transfert de chaleur et de masse, mais compte tenu

de la contrainte de temps, il a fallu se restreindre quant à l’étendue de l’étude.

Chapitre 1 Revue de la littérature

1.0- L’industrie du MDF

Les matériaux composites ne datent pas d’hier et le sujet des panneaux de fibres à moyenne

densité (MDF) a déjà été abordé à plusieurs reprises. En effet, l’histoire nous démontre que

les égyptiens et même les japonais fabriquaient des produits à l’aide de fibres de bois et de

colle naturelle, il y a plusieurs siècles déjà. Il a fallu toutefois attendre la fin des années 1800

pour voir apparaître les premiers panneaux de bois composites fabriqués de façon industrielle

en Angleterre. Ce n’est que quelques années plus tard que la technique de fabrication traversa

l’Atlantique pour rejoindre l’Amérique. Plus spécifiquement, il a fallu attendre 1965 pour voir

la première usine de fabrication de panneaux MDF aux États-Unis. Depuis ce temps, plusieurs

usines ont vu le jour partout dans le monde.

La consommation de panneaux MDF a beaucoup augmenté entre 1998 et 2004. De plus en

plus de produits à base de MDF sont disponibles aujourd’hui que ce soit pour l’industrie du

meuble, de la moulure et de la menuiserie. Le panneau MDF est attrayant et demeure un

matériau prisé dû à l’usinabilité de ses chants et à sa surface exceptionnellement lisse.

Cependant, avec les difficultés croissantes dans le secteur domiciliaire américain,

particulièrement depuis 2006, on note une certaine stagnation du marché.

La plus grande part de la production de panneaux MDF aux États-Unis est destinée au marché

des meubles. Pour ce secteur d’activité, il y a eu une augmentation de la consommation de

42% au cours des années 80 et de 56% au cours des années 90. Cependant, depuis 2002,

l’utilisation du panneau MDF pour les meubles a connu un déclin soit une baisse de 10%

entre 2002 et 2005. Mentionnons également que les usines nord-américaines font face à la

concurrence asiatique. Depuis quelques années, l’importation de panneaux MDF provenant de

l’Asie a connu une forte augmentation aux États-Unis.

4

Les panneaux MDF sont fabriqués avec des fibres ligno-cellulosiques consolidées à l’aide

d’une résine sous l’effet de la chaleur et de la pression. Les usines actuellement en production

utilisent massivement les résidus des scieries et des copeaux pour leur approvisionnement.

L’urée formaldéhyde est l’adhésif le plus utilisé pour la fabrication des panneaux MDF

compte tenu de son coût. D’autres additifs tels que la cire sont également ajoutés pour profiter

d’une meilleure stabilité dimensionnelle. De façon générale, les étapes de production débutent

avec la préparation de la matière première et se poursuivent avec le défibrage, l’encollage,

l’ajout de cire et d’adjuvant, le séchage, la formation de l’ébauche, le pressage et la finition.

Tel que mentionné, plusieurs études couvrent ces étapes (Garcia 2001 et Vidal Bastias 2006).

Figure 1. Schéma général de fabrication des panneaux de fibres à moyenne densité (MDF) (Source: http://www.cotopaxi.com.ec/paginas/mdf/proceso.htm).

5

1.1- Les principes de base

Le terme chaleur est utilisé couramment et il importe dans le cadre de la présente étude de le

définir plus précisément. On appelle chaleur, la forme d’énergie qui est transmise à travers les

limites d’un système ayant une température donnée vers un autre système (ou vers le milieu

ambiant) ayant une température plus basse. On sait, par expérience, que si on laisse un café

chaud sur une table il se refroidira et qu’à l’inverse une boisson gazeuse froide se réchauffera

jusqu’à ce qu’un équilibre avec la température de la pièce soit atteint. Le transfert d’énergie

s’effectue toujours du corps le plus chaud vers le plus froid. Par exemple, lors du pressage les

plateaux de la presse transfèrent leur énergie au panneau MDF. Lorsque les deux corps

atteignent la même température, il n’y a plus d’échange de chaleur, ce qui signifie qu’il s’agit

d’un phénomène transitoire. On peut donc affirmer que la chaleur n’est présente qu’aux

limites d’un système donné et qu’elle se définit comme l’énergie transmise aux limites de ce

système. La chaleur peut être transférée de trois manières différentes soit par conduction, par

convection et par radiation. Dans tous ces cas, pour qu’il y ait transfert on doit nécessairement

avoir une différence de température. Boles et Çengel (1998), présentent bien les principes de

base du transfert de chaleur.

La conduction est l’agitation thermique se transmettant d’une substance à une autre adjacente

par une molécule ou un atome qui cède son énergie cinétique à son voisin. La conduction peut

se produire chez les solides, les liquides et les gaz. Par diverses expériences, il a été observé

que le débit de chaleur par conduction à travers une couche d’épaisseur constante est

proportionnel à la différence de température à travers cette couche et à l’aire considérée

perpendiculairement à la direction du transfert de chaleur. De ce fait, on peut également

affirmer que la conduction est inversement proportionnelle à l’épaisseur de la couche étudiée

pour une différence de température donnée. Chaque matériau a sa propre conductivité

thermique. Le bois par exemple est un moins bon conducteur de chaleur que le cuivre dû à sa

porosité élevée, l’air agissant comme isolant. Le flux de chaleur est proportionnel au gradient

de température selon la loi de Fourier :

6

x

Tk

A

Qq t

condcond

(1)

où,

Qcond : débit de chaleur par conduction (J/s ou W)

qcond : flux de chaleur par conduction (J/m2 s ou W/m2)

k : conductivité thermique du matériau (W/m K)

A : surface perpendiculaire à la direction du flux (m2)

ΔT : différence de température entre les deux faces (T2-T1) (K)

Δx : épaisseur de matériau (m)

En ce qui concerne le pressage à chaud des panneaux agglomérés à base de bois, les trois

modes d’échange de chaleur peuvent y être observés, soit la conduction, la convection et la

radiation. Les plateaux de la presse fournissent une grande part de l’énergie nécessaire à la

cuisson des panneaux mais la polymérisation et la compaction du panneau génèrent également

de la chaleur interne. Bowen (1970) a trouvé que la compression de l’ébauche contribuait à

2% de chaleur et que la polymérisation de la résine correspondait à 22% de surplus d’énergie

thermique.

Selon Kamke (2003) et d’autres auteurs, les conditions internes des panneaux changent

rapidement lors du pressage. Premièrement l’énergie des plateaux est transmise aux ébauches

par conduction. S’il n’y avait pas d’humidité dans le panneau, la chaleur se transfèrerait

presqu’uniquement par conduction. Nous verrons plus loin que le phénomène de conduction

est affecté par plusieurs facteurs.

Au début du pressage, l’augmentation de température dans le centre est retardée par la

conductivité thermique de l’ébauche qui est faible et du temps requis pour que la vapeur

migre vers le centre. La conductivité thermique des ébauches dépend d’une combinaison de

plusieurs facteurs comme l’essence de bois utilisée, la teneur en humidité, la taille des

particules, la porosité, etc.

7

La convection est un mode de transfert de chaleur entre un solide et un liquide ou un gaz en

mouvement adjacent au solide. Lors du pressage, ce mode de transfert de chaleur est

important. Il implique des phénomènes de conduction et de mouvement de fluide. Plus le

fluide est rapide et plus grand est le transfert de chaleur par convection. Le taux de transfert

de chaleur par convection entre un solide et un liquide ou gaz en mouvement adjacent au

solide est calculé à partir de la loi de Newton tel qu’illustré dans Boles et Çengel (1998) :

)( fsconv TThAQ (2)

où,

Qconv : débit de chaleur transmis par convection (W)

h : coefficient de convection (W/m2K)

A : surface perpendiculaire à la direction du flux (m2)

Ts : température de la surface (K)

Tf : température du fluide (K)

En pratique, On reconnait la convection naturelle et la convection forcée. Pour la convection

naturelle, la chaleur elle-même est responsable du mouvement. Pour ce qui est de la

convection forcée, le fluide est forcé par un élément externe comme par exemple un

ventilateur, une pompe ou tout simplement le vent.

Maku et al (1959) et Kamke (2003) ont déjà expliqué ce que la convection apportait lors du

pressage. Comme il y a toujours une certaine teneur en humidité dans les particules des

couches couvrantes afin de favoriser le transfert de chaleur, la hausse rapide de température

lors du contact entre l’ébauche et la presse a pour effet de vaporiser l’eau de ces particules à la

surface. À ce moment, le phénomène de convection entre en jeu. De plus, le phénomène de

changement de phase de l’eau absorbe ou dégage la chaleur latente de vaporisation. Une fois

en vapeur, les particules d’eau voyagent par filtration dans la direction du gradient de pression

décroissant. Ainsi, cette vapeur ira vers le centre de l’ébauche en transportant la chaleur

latente de vaporisation ainsi que la chaleur sensible. La chaleur latente de vaporisation et la

chaleur de sorption correspondent à l’énergie nécessaire pour extraire l’eau des parois

cellulaires et la vaporiser.

8

Bien sûr, en arrivant au centre, la vapeur se condense étant donné que la température de

l’ébauche est moindre à cet endroit et à ce moment précis. Ce n’est que lorsque la vapeur se

condense que la chaleur de vaporisation est transformée en énergie sensible et que la

température et la teneur en humidité grimpent rapidement au centre du panneau. Pendant ce

temps, la température des couches couvrantes augmente et se rapproche de la température des

plateaux de la presse. Alors, la pression des gaz au centre augmente tant que la vapeur

continue d’arriver de la surface. La chaleur transmise par conduction est à ce moment

accélérée compte tenu de l’action de la presse sur l’ébauche. Cet apport de chaleur fait en

sorte que la température du centre s’élève et vaporise les particules d’eau créant ainsi une

augmentation de la pression qui s’échappera par les rives de l’ébauche. Ainsi, un transfert de

masse s’enclenche à partir de l’énergie des plateaux de la presse. On peut affirmer que la

conduction et la convection sont des phénomènes très importants lors du pressage.

Le transfert de chaleur se fait généralement par une combinaison de modes de transfert. Le

transfert thermique entrainera parfois un transfert de matière. Prenons par exemple le cas de

l’eau. Lorsqu’il y a ébullition, le liquide subit un changement de phase de liquide à gazeux. Le

gaz ainsi créé se déplace comme on peut le constater lors du pressage des panneaux. La

chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée sans changement de phase

physique entre deux corps dans un système isolé. Le terme sensible correspond à l’échange de

chaleur, sans changement de phase, où la variation de température peut être mesurée ou

sentie. Ceci est en opposition avec la chaleur latente qui ne se traduit pas par un changement

de température mais par un changement de phase.

Le transfert d’énergie par radiation est émis sous forme électromagnétique. En réalité, le

transfert de chaleur par radiation est aussi rapide que la vitesse de la lumière et n’est pas

affecté s’il est effectué dans le vide. Le meilleur exemple pour représenter la radiation est le

soleil réchauffant la terre. On calcule le transfert de chaleur par radiation avec la loi de Stefan-

Boltzmann. Pour les deux premiers modes soit la conduction et la convection, la présence de

matière est indispensable pour qu'il y ait un transfert thermique à l'inverse du mode de

transfert par rayonnement qui peut s'effectuer dans le vide. La loi de Stephan

Boltzmann s’écrit ainsi:

9

(3) 4srad ATQ

où,

Qrad : débit de chaleur transmis par radiation (W)

: 5,6703 X 10-8 W m-2 K-4 (constante de Boltzmann)

A : surface du corps (m2)

T : température du corps (K)

ε : émissivité, coefficient correspondant à 1 pour un corps noir. Il est compris entre 0 et 1

selon l'état de surface du matériau.

La quantité de chaleur absorbée par rayonnement est fonction de la couleur. Par exemple, on

dit que le noir devient plus chaud à la lumière du soleil. Cela s’explique par le fait qu’un corps

noir absorbe tout le rayonnement solaire. Si un autre corps est rouge, il réfléchit certaines

ondes de lumière et, par conséquent, seules les ondes absorbées contribuent à son équilibre

thermique.

Il faut mentionner que le mode de transfert de chaleur par radiation joue un rôle négligeable

lors du pressage. Ce phénomène se manifeste seulement avant la fermeture de la presse. À ce

moment précis, la couche couvrante du dessus de l’ébauche est soumise à la radiation du

plateau du dessus, ce qui peut causer un léger déséquilibre dans la distribution de la chaleur

mais seulement durant un court laps de temps. L’influence de la radiation dans la cuisson du

panneau a un effet minime, c’est pourquoi on n’en tient généralement pas compte dans les

équations des modèles mathématiques de transfert de chaleur.

Selon Kamke (2003), il y a plusieurs effets contraires au transfert de chaleur et de masse. Par

exemple, une ébauche de masse volumique élevée est moins perméable qu’une de masse

volumique moins élevée, ce qui laisse passer moins de chaleur par convection. Cependant,

plus la masse volumique d’une ébauche est élevée, plus sa conduction thermique est élevée.

Une ébauche plus dense a un taux de transfert de masse plus élevé, ce qui requiert plus

d’énergie pour changer sa température de un degré. Il n’est pas facile de bien comprendre tous

les phénomènes en cause. Quels sont les facteurs qui ont préséance les uns sur les autres ?

Comment interagissent-ils lorsqu’ils sont associés?

10

1.2- Loi de Darcy et perméabilité au gaz

La perméabilité au gaz est une mesure de la quantité de fluide passant dans un milieu poreux

en présence d’un gradient de pression. La perméabilité au gaz dans les matériaux composites

est affectée par plusieurs facteurs tels que la masse volumique, la taille des particules, le ratio

de compression, le plan dans lequel les mesures sont effectuées, etc. L’écoulement dans un

milieu poreux peut se faire en régime permanent, ce qui signifie qu’il n’y a pas de variation

dans le temps. Si on observe une variation, on est alors en présence d’un écoulement en

régime transitoire. Bien sûr, lors du travail de laboratoire il est possible d’imposer des

conditions de régime permanent. La loi de Darcy s’énonce généralement comme suit pour un

fluide incompressible (Lihra 1999):

L

PKAQ

(4)

où,

K : perméabilité au fluide (m3fluidem

-1matériauPa-1s-1)

A : section d’écoulement (m2matériau)

Q : débit volumique du fluide (m3fluide s

-1)

L : longueur d’écoulement (mmatériau)

∆P : différence de pression (Pa)

Cependant pour que l’application de la loi de Darcy soit valide, il faut s’assurer que les

conditions suivantes sont respectées :

Le milieu poreux est homogène.

Le fluide est incompressible et homogène.

La direction du flux est réversible.

La perméabilité au gaz est indépendante de la longueur de l’écoulement.

Il n’y a pas d’interaction entre le fluide et le milieu poreux.

Le flux est visqueux et linéaire.

11

Ces conditions sont difficilement applicables pour le bois puisqu’on ne peut affirmer que le

bois est homogène. Selon Hood (2004), toutes ces conditions sont violées à plus ou moins

grande échelle lorsque nous parlons du bois. En utilisant un gaz pour le calcul de la

perméabilité, la loi de Darcy doit être modifiée pour contrer l’effet de la compressibilité du

gaz comme suit (Perré 1987 ; Siau 1995 ; Lihra 1999):

__

*

P

P

PA

QLk g

(5)

où,

k*g : perméabilité au gaz apparente avec glissement moléculaire (m3

gazm-1

matériauPa-1s-1).

P : pression à laquelle Q est mesuré (Pa).

Q : débit volumique du liquide (m3gaz s

-1).

L : longueur d’écoulement (m2matériau).

∆P : différence de pression (Pa).

A : aire de la section de l’échantillon (m2).

: Pression moyenne dans l’échantillon (Pa).

La perméabilité au gaz apparente (kg*) inclut le flux de glissement moléculaire aussi nommé

effusion. Ceci signifie que le glissement moléculaire peut devenir significatif lorsque le

diamètre des capillaires est sensiblement de même grandeur que celui du libre parcours des

molécules de gaz. Dans de tels cas, il faut tenir compte du glissement moléculaire dans le

calcul de la perméabilité au gaz et on parle alors de la diffusion de Knudsen. La perméabilité

au gaz corrigée pour le glissement moléculaire prendra donc la forme suivante à l’aide de

l’équation de Klinkenberg (Siau 1995).

__

* 1P

bkk gg (6)

où

b : facteur de Klinkenberg (pente de la courbe de kg* vs 1/ ) (Pa)

Le graphique ci-dessous nous présente la perméabilité au gaz apparente au gaz (kg*) en

fonction de l’inverse de la pression absolue moyenne (1/ )

12

kg* (mgaz

3 mmatériau-1s-1Pa-

1)

Figure 2. Perméabilité au gaz apparente en fonction de l’inverse de la pression absolue moyenne (Lihra 1999).

La perméabilité intrinsèque au gaz ou perméabilité au gaz réelle (K), est obtenue par

l’équation suivante :

gkK (7)

où,

K : perméabilité intrinsèque au gaz (m3gaz m

-1matériau).

kg : perméabilité au gaz corrigée pour le glissement moléculaire (m3gaz m

-1matériau Pa-1s-1).

μ : viscosité dynamique du gaz (Pa s).

Lors du pressage, une ébauche moins dense offrira une pression des gaz moins élevée au

centre du fait de sa plus grande perméabilité et laissera échapper plus facilement les gaz par

les côtés. Ainsi, la perméabilité au gaz joue un rôle important lors du transfert de chaleur. Le

transfert de chaleur et de masse ainsi que la perméabilité au gaz ne sont pas des propriétés

simples à expliquer car plusieurs facteurs sont impliqués et certains sont en opposition. C’est

ce qui explique probablement la présence d’autant de modèles développés par les chercheurs

au cours des dernières années.

13

1.3- Études traitant des facteurs influençant le transfert de chaleur et la perméabilité au gaz

La présente section fait référence à des études réalisées par divers chercheurs sur le transfert

de la chaleur et de la perméabilité au gaz. Bien qu’elles ne portent pas nécessairement toutes

sur le panneau de fibres MDF, elles sont d’une aide précieuse dans la compréhension des

phénomènes en cause. Il faut noter que certains éléments traités par une étude peuvent l’être

également par une autre compte tenu que les phénomènes étudiés sont souvent inter-reliés.

Plusieurs auteurs, comme Dai et al. (2007), ont réalisé ou répertorié des travaux sur le

transfert de chaleur et de masse qu’ils ont répartis en trois groupes distincts. En premier lieu,

la structure de l’ébauche est considérée comme un élément très important. Les matériaux

composites sont différents les uns des autres, ce qui explique que le transfert de chaleur les

concernant varie. Les contreplaqués, les panneaux de fibres à moyenne densité (MDF), les

panneaux à lamelles orientées (OSB) ainsi que les autres panneaux composites ont une

structure interne spécifique à chacun d’eux. Ainsi, leur conductivité thermique et leur

perméabilité au gaz diffèrent (Hood et al. 2004 Von Haas 1998, Siau 1995, Hata 1993,

Kamke et Zylkowski 1989).

En second lieu, les conditions internes de l’ébauche incluant, par exemple, la teneur en

humidité et la teneur en résine sont identifiées comme des éléments ayant une influence sur le

transfert de chaleur et de masse. En dernier lieu, les conditions de pressage telles que les

paramètres utilisés pour le pressage, la température de presse et l’épaisseur de l’ébauche sont

identifiés également comme des facteurs importants.

Le texte qui suit présente les résultats d’études portant sur les composites à base de bois selon

qu’elles traitent de la perméabilité au gaz et la conductivité thermique en fonction de la masse

volumique, de la teneur en humidité, de la géométrie des lamelles et du temps de fermeture de

la presse.

14

1.4- Masse volumique et teneur en humidité

L’influence de facteurs tels que la masse volumique, le temps de cuisson, la teneur en

humidité et bien d’autres variables sur le transfert thermique et la perméabilité au gaz a été

étudiée pour les matériaux composites. Par exemple, Maku et al. (1959) faisaient déjà état de

l’effet de la teneur en humidité de l’ébauche lors du pressage. À la figure 3, on peut constater

qu’à une teneur humidité plus élevée, la température grimpe plus rapidement dans le centre de

l’ébauche jusqu’à atteindre 100°C pour ralentir par la suite. On remarque également que le

temps de cuisson a un impact certain sur la température au centre de l’ébauche.

En réalité, Maku et al. (1959) ainsi que Strickler (1959) ont mis en évidence que le transfert

de chaleur vers le centre de l’ébauche était fortement influencé par la teneur en humidité

contenue dans l’ébauche. Leurs résultats furent obtenus à l’aide de thermocouples. Beaucoup

plus récemment, Cai et al. (2006) démontrent bien que les facteurs comme la teneur en

humidité et la masse volumique ont un impact sur le transfert de chaleur dans le panneau

MDF, ce qui est en lien direct avec le présent projet. Pour leur expérimentation, ils ont

fabriqué des panneaux MDF de trois masses volumiques et des ébauches à six teneurs en

humidité différentes.

Figure 3. Influence de la teneur en humidité initiale and du temps de pressage sur la température au centre du panneau de particules (Maku et al. 1959).

15

Ils ont constaté que plus la masse volumique est élevée plus la température au centre est

élevée lors du pressage. Les résultats démontrent que la relation entre la température

maximale au centre et la masse volumique et la teneur en humidité de l’ébauche est assez

linéaire. Ils ont également déterminé qu’à une masse volumique plus élevée, il a fallu plus de

temps de pressage pour atteindre la température maximale.

Les résultats obtenus ont aussi démontré qu’à une masse volumique plus élevée, la pression

interne est supérieure dans l’ébauche. Les panneaux moins denses, donc plus poreux

retiennent moins bien les gaz, ce qui se traduit par une pression interne moins grande. La

figure 4 permet de constater que la pression maximale obtenue au centre du panneau est

influencée par la teneur en humidité de l’ébauche ainsi que par la masse volumique du

panneau.

T

empé

ratu

re m

axim

ale

au c

entr

e(º

C)

Masse volumique basse Masse volumique moyenne Masse volumique élevée

Humidité contenu dans le matelas (%)

Teneur en humidité de l’ébauche (%)

Figure 4. Température maximale au centre de l’ébauche en fonction de la teneur en humidité pour les panneaux MDF (Cai et al. 2006).

16

P

ress

ion

max

imal

e au

cen

tre

(kP

a)

Masse volumique basse Masse volumique moyenne Masse volumique élevée

Teneur en humidité de l’ébauche (%)

Figure 5. Pression de vapeur maximale au centre de l’ébauche en fonction de la teneur en humidité pour les panneaux MDF (adapté de Cai et al. 2006).

Cai et al. (2006) ont également démontré que plus la masse volumique du panneau est grande,

plus la pression au centre du panneau sera élevée (Figure 5). Il en va de même pour la teneur

en humidité. Plus elle est élevée, plus la pression et la température au centre du panneau

seront élevées. Les résultats pour la pression de gaz maximum au pressage prennent plus ou

moins la forme d’une droite lorsque mis en relation avec la masse volumique et la teneur en

humidité de l’ébauche (voir figure 5).

1.5- Géométrie des lamelles

La géométrie et la taille des particules entrant dans la confection des panneaux ont déjà été

étudiées par le passé mais très peu de données sont disponibles sur le sujet. Strickler (1959),

Humprey et Bolton (1989), Hata et al. (1993) et bien d’autres ont étudié l’effet de la

géométrie des particules ou des lamelles. Pour ainsi dire, on retrouve des études sur l’OSB

mais très peu concernant les panneaux MDF. Les effets sur les propriétés mécaniques ainsi

que sur la perméabilité au gaz et le transfert de chaleur ont été considérés. Maku et al. (1959)

ont mis en évidence que la géométrie des particules influence le transfert de chaleur dans le

centre du panneau puisqu’elle affecte le flux de vapeur vers le centre. La température atteinte

dans le centre du panneau est alors affectée. D’autres auteurs comme Garcia et al. (2000) ont

investigué l’effet de l’orientation des lamelles sur le transfert de chaleur et ont trouvé que la

17

pression des gaz et la température au centre était plus élevée lorsque les lamelles utilisées

pour la fabrication de panneau OSB étaient alignées aléatoirement.

Dai et al. (2007) ont eux aussi étudié l’effet de la dimension des lamelles sur le transfert de

chaleur lors du pressage des panneaux OSB. En effet, les résultats de leur expérimentation ont

mis en évidence que la masse volumique de l’ébauche et la dimension des lamelles ont un

effet sur le transfert de chaleur et de masse durant le pressage. Ils ont déterminé qu’il y avait

une interaction entre la masse volumique de l’ébauche et la taille des lamelles. De plus, ils ont

également étudié la pression de vapeur au centre de l’ébauche en fonction de la masse

volumique et de la taille des lamelles. Pour les panneaux de moyenne et de haute masse

volumique, la dimension des lamelles a eu un effet important sur la température et la pression

de vapeur au centre de l’ébauche. Pour les panneaux de basse masse volumique, ils ont

déterminé que la masse volumique était le facteur le plus important concernant le transfert de

chaleur. Ce phénomène est en partie causé par les variations de perméabilité au gaz des

ébauches de basse masse volumique. Il est intéressant de noter qu’ils mentionnent dans leurs

conclusions qu’il serait pertinent de déterminer la conductivité thermique et la perméabilité au

gaz des ébauches.

1.6- Temps de fermeture de la presse

Sans s’attarder sur cette variable qui peut influencer la perméabilité au gaz de l’ébauche dans

le temps et le transfert de chaleur, il est important de la mentionner puisque lors de la

réalisation des panneaux en laboratoire elle doit être prise en compte. La vitesse de fermeture

de la presse a un impact sur le profil de masse volumique du panneau selon l’épaisseur. Une

vitesse de fermeture rapide a pour effet d’accentuer le profil de masse volumique du panneau,

ce qui diminue la perméabilité au gaz. Ce facteur est à prendre en considération pour ne pas

induire de biais lors de la fabrication des panneaux MDF en laboratoire. Moslemi (1974), a

montré que le temps de fermeture de la presse a un effet sur le profil de masse volumique du

panneau. La figure 6 montre bien les résultats obtenus lors de ces études. On y constate qu’un

temps de fermeture de presse court résulte en un profil de masse volumique accentué et qu’un

temps de fermeture plus long résulte en un profil moins accentué.

18

Figure 6. Effet du temps de fermeture de la presse sur le profil de masse volumique (adapté de Moslemi 1974).

D’autres auteurs (Strickler 1959; Alexopoulos 1999; Wang et Winistorfer 2000; Pichelin et al.

2001; Zombori et al. 2004) ont également étudié le temps de fermeture de presse. Les

résultats ont démontré qu’une fermeture lente de la presse résultait en une montée en

température plus lente au centre de l’ébauche.

1.7- Perméabilité au gaz

Selon Kamke (2003), on peut s’attendre à ce que les taux de transfert de chaleur et de masse

soient influencés par la structure poreuse de l’ébauche. Au fur et à mesure que la presse se

ferme, les vides entre les particules sont éliminés mais pas entièrement. Les facteurs comme

la géométrie des particules, la masse volumique du bois et la compression des particules

devraient affecter la porosité de l’ébauche et par le fait même la perméabilité au gaz. La

perméabilité au gaz est également différente selon la direction où l’on prend les mesures. Von

Hass (1998) a déterminé que la perméabilité était fonction de l’alignement des lamelles. En

effet, la perméabilité s’est révélée plus grande lorsque mesurée dans le sens de l’alignement

des lamelles d’OSB.

19

Kamke (2003) affirme que lors du pressage à chaud, le transfert de masse s’effectue par des

phénomènes hydrodynamiques et de diffusion. La teneur en humidité de l’ébauche a une

influence directe sur la pression gazeuse maximale lors du pressage. Plusieurs facteurs

peuvent influencer la pression des gaz dans le panneau tels que la perméabilité au gaz, le type

de grille de formage, le taux de transfert de chaleur dans le panneau, la taille de l’ébauche, etc.

Ce qu’il faut savoir est que la perméabilité au gaz est dépendante de la forme des particules de

bois, de la taille des particules, de la masse volumique du bois ainsi que du degré de

compression de l’ébauche. Les grosses particules ne se compactent pas aussi facilement que

les petites particules et de ce fait, laissent des espaces vides pour le passage des gaz du moins

dans les panneaux OSB. En résumé, la grosseur et la géométrie des particules jouent un rôle

sur la porosité des panneaux. Qui dit porosité, dit facteur affectant la perméabilité au gaz et

par conséquent influençant le transfert de chaleur et de masse. Comme on peut l’observer à la

figure 7, Hata et al. (1993) a démontré que la masse volumique avait un impact sur la

perméabilité au gaz chez les panneaux de particules.

Figure 7. Effet de la masse volumique des panneaux de particules sur la perméabilité au gaz (adapté de Hata. et al.,1993)

Garcia et Cloutier (2005) a également réalisé une étude sur la perméabilité au gaz des

panneaux MDF et les résultats sont également influencés par la masse volumique des

panneaux. Tel que démontré à la figure 8, la masse volumique est définitivement un élément

significatif lors des mesures de perméabilité aux gaz.

20

P

erm

éabi

lité

au

gaz

K (

m3 ga

z m

-1pa

nnea

u)

Masse volumique (kg/m3)

Figure 8. Effet de la masse volumique des panneaux MDF sur la perméabilité au gaz (Garcia et Cloutier 2005)

La perméabilité au gaz demeure un facteur important pour la cuisson des panneaux. Dans un

panneau très poreux les gaz peuvent s’échapper facilement, ce qui aura pour effet de donner

une température moindre au centre de l’ébauche lors de la cuisson.

Kamke (2003) a démontré que dans le cas des panneaux OSB, les particules sont larges et

minces et de nombreux espaces sont apparents avant le pressage comme on peut le constater à

la figure 9. A mesure que le pressage progresse, le volume de vides diminue sans être

complètement éliminé, ce qui indique que la perméabilité au gaz a nettement diminué par

rapport à l’état initial de l’ébauche. Ainsi, la perméabilité au gaz est un phénomène transitoire

puisqu’elle varie du début jusqu'à la fin du pressage.

Kamke (2003) mentionnait que la perméabilité aux gaz n’est pas uniforme dans les panneaux.

Plus la masse volumique d’un panneau est faible, plus sa perméabilité aux gaz est grande et

vice versa. On remarque également qu’une essence plus dense offrira une plus grande

perméabilité au gaz. Une essence moins dense offrira un meilleur ratio de compression et

ainsi moins d’espace apparent entre les particules.

21

Hood (2004) va dans le même sens que Kamke (2003). Il a également étudié le cas des

panneaux OSB et il conclut que la convection est grandement influencée par la perméabilité

au gaz dans les panneaux OSB qui change continuellement lors du pressage. Selon lui, les

soufflés ou les sections délaminées du panneau après pressage sont directement reliés à la

perméabilité au gaz de l’ébauche. De plus, durant la compression de l’ébauche d’OSB la

perméabilité au gaz change. À mesure que la compression s’effectue, les vides dans l’ébauche

s’amenuisent et on observe par le fait même une diminution de la perméabilité au gaz. Il a

également remarqué que l’épaisseur des lamelles avait une influence sur la perméabilité au

gaz. Dans le cadre de son étude, plus les lamelles étaient épaisses et plus grande était la

perméabilité au gaz.

A)

B)

C)

Figure 9. Progression du pressage d’un panneau OSB (Hood 2004).

A) début du pressage, B) milieu du pressage, C) fin du pressage.

Hood (2004) conclut que le ratio de compression a une grande influence sur la perméabilité au

gaz. Cependant pour des ratios de compression plus grands que 1.3, aucune différence

significative n’a pu être remarquée. Tel qu’il est permis de constater à la figure 10, l’épaisseur

des lamelles influence également la perméabilité au gaz. Les panneaux de lamelles plus

épaisses ont une plus grande perméabilité au gaz dans le plan transversal. Comme il le

mentionne, plus les lamelles sont épaisses, moins leur nombre est grand dans l’ébauche. Il y a

moins d’obstacles pour retenir les gaz, donc la perméabilité au gaz est plus grande.

22

Figure 10. Perméabilité au gaz transversale et valeurs prédites en fonction de l’épaisseur des lamelles et du ratio de compression (Hood 2004).

1.8- Conductivité thermique

Suleiman et al. (1999) ont étudié la conductivité thermique sur des échantillons de bouleau à

des températures allant de 20ºC à 100ºC (figure 11). Au fur et à mesure que la température a

augmenté, la conductivité thermique a fait de même, autant dans la direction transversale que

longitudinale. Dans ses conclusions, ils mentionnent que la porosité (conduction à travers les

vides) est le facteur dominant influençant la conduction de la chaleur.

La conductivité thermique de l’ébauche dépend d’une combinaison de facteurs tels que la

conductivité thermique des particules, la teneur en humidité et la porosité. La conductivité

thermique augmente avec la teneur en humidité et la masse volumique (Siau 1995; Kamke et

Zylkowski 1989).

23

Figure 11. Conductivité thermique (λ) du bouleau en fonction de la température, de la masse volumique (ρ) et de la porosité (r) selon les directions longitudinale (a) et transversale (b) (Suleiman et al., 1999)

Comme Suleiman et al. (1999), Siau (1995) a également étudié la porosité en fonction de la

masse volumique pour le bois. Pour effectuer une approximation de la porosité, il a développé

l’équation suivante :

80

01,011

G

M

GGV

wa (8)

où,

Va : porosité du bois (m3vide m

-3matériel)

G : densité basale

G0w : densité anhydre de la paroi cellulaire (1,54) (Siau 1995)

M : teneur en humidité (%)

G8 : densité de l’eau liée au bois (Mac Lean, 1952)

24

C

ondu

ctiv

ité

ther

miq

ue

(W/m

K)

bois.

e à

que

nductivité

iminue.

gure 12. Conductivité thermique en fonction de la porosité (%) (Siau 1995)

ne équation pour évaluer la conductivité thermique dans

bois qui prend la forme suivante :

Siau (1995) présente la conductivité thermique en fonction de la porosité du

Plus récemment Hunt et al. (2006), ont également étudié ce même phénomèn

l’aide de la méthode des éléments finis. La figure 12 présente leurs résultats ainsi

ceux de Siau (1995). On constate que plus la porosité augmente, plus la co

d

Porosité (%)

Porosité (%)

Fi

Siau (1995) a également développé u

le

ACMBGk )( (9)

ermique (W/m K)

basale

umidité < 40%)

: teneur en humidité (%)

où,

k : conductivité th

G : densité

A : 0,024

B : 0,2002

C : 0,0038 (pour teneur en h

M

25

panneaux de fibres isolants, des panneaux de p ême que celui du contreplaqué.

ableau 1. ité thermique de divers matériaux de construction courants (Goulet 1992).

Les Tableaux 1 et 2 suivant présentent des coefficients de conductivité thermique pour

quelques matériaux. Il est possible d’observer les coefficients de conductivité thermique des

articules de m

Coefficient de conductivT

Matériau kW/mºC

Aluminium 232,22Acier 58,06Béton 1,39Verre 1,16Brique Creuse 0,58Plâtre sans granulat (gyproc) 0,70Laine de verre 0,04Polystyrène expansé 0,03Liège aggloméré au blai 0,05Balsa 0,05Contreplaqué 0,15Panneaux de particules 0,12Panneaux de fibres isolants 0,08

Coefficient de conductivité therTableau 2. ique pour le panneau de fibres MDF à 10ºC (Sonderegger et Niemz 2008).

m

Matériel Épaisseur

humidité volumiqueConductivité

thermique

Teneur en Masse

(mm (k ) ( ) (%) g/m3 W/m K)MDF 3 6,8 830 0,1197

6,1 7,6 840 0,1210 10,1 8,5 798 0,1198 16,4 7,7 744 0,1069 18,9 7,7 808 0,1183 25,1 8,5 741 0,1077 40,3 6,9 763 0,1228

26

ire au plan u panneau et

kt0.30 = 4.86 × 10−8 ρ2 + 4.63 × 10−5ρ + 4.38×10−2 (10)

à une teneur en humidité de 30% (W/m K) 3

eurs tels que la teneur en humidité et la température. L’équation

btenue est la suivante :

Δkt = 4.9 ×10−3 u + (1.1×10−4 + 4.3×10−5u) (T −Texp) (11)

exp : température moyenne durant l’essai (30°C dans ce cas)

me la

asse volumique la température et la teneur en humidité. L’équation est la suivante :

kt = kt0,30 + ∆kt (12)

t : conductivité thermique (W/m K)

on Haas (1998) a décrit la relation entre la conductivité thermique perpendiculaVd la masse volumique pour le MDF à l’aide de l’équation suivante :

où kt

0.30 : conductivité thermique à 30°C etρ : masse volumique anhydre (kg/m ) Haselein (1998) a également travaillé sur une équation servant à décrire la conductivité

thermique à l’aide de fact

o

où,

é (%) u : teneur en humiditk Δ t : conductivité thermique (W/m K) : température (°C) T

T Thoemen et Humprey (2006), ont combiné les équations 10 et 11 pour en faire une nouvelle

équation et ainsi mettre en relation la conductivité thermique avec des paramètres com

m

où, k

27

1.9- Objectifs

L’objectif général de ce projet était de déterminer les paramètres de transfert de chaleur et de

masse requis pour le développement d’un modèle de pressage à chaud des panneaux de fibres.

Les objectifs spécifiques étaient de :

a) déterminer la conductivité thermique des panneaux de fibres en fonction de la

granulométrie des fibres, la teneur en humidité, la masse volumique et la température;

b) déterminer la perméabilité au gaz des panneaux de fibres en fonction de la

granulométrie des fibres et la masse volumique;

c) déterminer la porosité des panneaux de fibres en fonction de la granulométrie des

fibres et la masse volumique.

28

Chapitre 2 Matériel et méthodes

2.0- Matériel

Le matériel utilisé pour la fabrication des panneaux de fibres MDF était constitué uniquement

de copeaux d’épinette noire (Picea mariana) provenant de la Scierie Gérard Crête et Fils de

St-Séverin. Les copeaux ont été raffinés dans les laboratoires de FPInnovation-Division

Forintek Québec. On nous a fourni trois classes distinctes de granulométrie de fibres pour les

besoins de l’étude, soit une granulométrie fine, une moyenne et une grossière (voir figure 13).

Les paramètres de raffinage sont présentés au Tableau 3.

Tableau 3. Paramètres de raffinage

Pression Temps de rétention Vitesse de rotation Espacement des des plaques plaques

(bars) (minutes) (rpm) (mm)

Fines 12 3 2500 0,10 Moyennes 8 3 2000 0,10

Grosses 5 3 2000 0,25-0,30

Les fibres ont été produites afin de couvrir des classes de fibres relativement différentes. Pour

obtenir ces classes à l’usine laboratoire de FPInnovation, il a fallu utiliser différentes

pressions qui ont eu pour impact de modifier les températures de raffinage. Dans le cas qui

nous intéresse, cela veut dire qu’à 5 bars la température devait être aux alentours de 159°C, à

8 bars aux environs de 175°C et à 12 bars environ 191°C.

29

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,4 0,6 0,8 1,3 1,75 2,4 3 3,75 4,5 4,5

Classe de longueur (mm)

Pro

po

rtio

n d

e fi

bre

s (%

)

Fines

Moyennes

Grosses

Figure 13. Répartition des fibres produites.

2.1- Méthodologie

Les fibres raffinées ont été conditionnées pour obtenir une teneur en humidité homogène

d’environ 5-6%. Les panneaux fabriqués avaient les dimensions de 560 x 460 x 16 mm. La

teneur en de résine urée formaldéhyde (UF) utilisée était de 14% de la masse anhydre des

fibres et a été fourni par la compagnie Arclin. Il s’agit d’une résine UF utilisé couramment

dans l’industrie. De plus, une teneur en cire de 1% de la masse anhydre des fibres a été

utilisée également pour reproduire le plus fidèlement possible les conditions d’opération

normales. Le mélange de cire, résine et fibres a été effectué dans le tambour rotatif du

laboratoire de pressage de l’Université Laval. La résine ne devrait normalement pas avoir trop

d’effet sur la porosité des panneaux produits. Cyr (2009) affirme que la résine pénètre dans

les parois cellulaires des fibres et que par conséquent, on peut penser que la porosité des

panneaux produits ne devrait pas trop être affectée. Pour ce qui est de la conductivité, on peut

penser que la résine a un certain effet. Cependant, comme on applique la même quantité sur

toutes les fibres, l’effet sera le même pour l’ensemble de l’échantillonnage.

30

En premier lieu, les panneaux ont été pressés à froid à 80ºC et ensuite, il y a eu une

augmentation de la température de 5 ºC chaque 15 minutes jusqu’à obtention de 100 ºC dans

le centre du panneau et ce pendant deux minutes. Cette façon de faire a été utilisée pour éviter

d’obtenir un profil de masse volumique à travers les panneaux. La masse volumique influence

la perméabilité au gaz ainsi que le transfert de chaleur, il est donc primordial d’éviter un profil

de masse volumique accentué.

Pour les besoins de l’étude, trois types de granulométrie ont été utilisés pour la fabrication des

panneaux. Pour chaque type de granulométrie, trois panneaux ont été produits pour chacun

des cinq niveaux de masse volumique considérés (voir Tableau 4). Une teneur en résine de

14% (base anhydre) a été utilisée. Le schéma de découpe des panneaux est présenté à la figure

14.

Tableau 4. Répartition des panneaux à produire

Type de granulométrie

Masse volumique

(kg/m3)

Nombre de

panneaux

200 3

400 3 Fines 600 3

800 3 1000 3

200 3 400 3

Moyennes 600 3 800 3 1000 3

200 3 400 3

Grosses 600 3 800 3 1000 3

Total 45

31

Au total, 45 panneaux ont été fabriqués pour l’étude. Une fois les proportions de matériel, de

résine et de cire pesées, l’encollage fut effectué à l’aide du tambour rotatif du laboratoire de

pressage. La résine et la cire ont été pulvérisées sur les particules à l’aide d’un atomiseur

pneumatique. Par la suite, l’ébauche a été formée manuellement à l’aide d’un moule de 460 x

560 mm. Un pré-pressage a été effectué pour compresser préalablement l’ébauche qui a été

par la suite pressée à froid (80ºC) dans une presse Dieffenbacher jusqu’à l’épaisseur finale.

On a par la suite chauffé jusqu’à obtention de 100 ºC dans le centre du panneau pendant deux

minutes. Lors du pressage, une sonde (PressMAN) a été insérée dans l’ébauche pour mesurer

la température et la pression de vapeur au centre des panneaux.

560 mm

460 mm

retirer 50,8 mm tout le tour

Échantillons de 50 mm de diamètre Échantillons de 152,4mm x

152,4 mm

Figure 14. Schéma de découpe des panneaux fabriqués.

Pour chaque panneau produit, il y a eu quatre échantillons produits pour les tests de

conductivité thermique et huit échantillons pour les tests de perméabilité au gaz (figure 14). Il

est fort probable que la presse était plus chaude au centre qu’en périphérie, c’est pourquoi les

échantillons de perméabilité au gaz ont tous été découpés au centre afin d’éviter les biais sur

les échantillons. Fait important à noter, les échantillons ont étés échantillonnés aléatoirement

pour éviter tout biais possible pouvant provenir de la presse. Plus précisément, d’un panneau à

l’autre les échantillons ont été attribués de façon aléatoire entre les niveaux des facteurs

étudiés.

32

2.2- Transfert de chaleur

Tel que mentionné, les échantillons découpés avaient les dimensions nominales de 152,4 mm

x 152,4 mm x 16 mm. L’épaisseur moyenne a été mesurée à l’aide d’un micromètre sur

chacun des côtés. Les échantillons ont reçu quelques modifications pour effectuer le test de

conductivité thermique. En effet, des rainures ont été réalisées sur les échantillons pour y

insérer le capteur de flux thermique et les thermocouples tel qu’illustré à la figure 15.

Figure 15. Rainure sur échantillon de MDF (tiré de Harrisson 2006).

Figure 16. Montage de l’appareil servant à la mesure du transfert de chaleur. (tiré de Harrisson 2006).

Le principe est simple, il y a une plaque chauffante sous et sur l’échantillon de MDF. Les

thermocouples servent à indiquer précisément les températures sous et sur l’échantillon. Une

différence de 25ºC a été établie entre le plateau inférieur et le plateau supérieur maintenu à

température constante à l’aide d’un système de refroidissement à air. Le capteur de flux

thermique sert à l’évaluation du flux de chaleur passant à travers le panneau échantillon.

Comme la chaleur passe toujours du corps chaud vers le corps froid, on crée ainsi un transfert

33

de chaleur en maintenant un différentiel fixe de 25ºC. Pour résumer, il y a eu d’abord des

essais avec des échantillons conditionnés à une teneur en humidité de 0, 8 et 12% et aussi des

essais à une teneur en humidité fixe de 0% à des températures de 100, 125 et 150 ºC (plateau

chaud). Pour les essais à des teneurs en humidité variées, les échantillons ont été différents

pour chaque test. Cependant pour l’essai à une teneur en humidité de 0% à différentes

températures, le même échantillon a été utilisé.

Pour les essais réalisés avec les panneaux conditionnés à des teneurs en humidité de 0, 8, et

12%, la température du plateau chaud était d’environ 100ºC compte tenu des difficultés à

contrôler précisément la teneur en humidité à de hautes températures et cela même si l’on

place du silicone sur les rebords de l’échantillon pour éviter les pertes. Signalons aussi que le

test de conductivité thermique dure assez longtemps puisque pour obtenir des conditions

adéquates, il faut de 40 à 60 minutes pour compléter le test. En effet, lorsque l’échantillon est

mis en contact avec les plaques chaudes, les conditions varient rapidement. À partir de ce

moment, nous prenons des mesures de température et de conductivité à toutes les cinq

minutes. Il faut obtenir quatre à cinq mesures de conductivité sensiblement identiques pour

considérer l’essai terminé. Pour avoir ces conditions de stabilité, il faut généralement attendre

de 15 à 30 minutes dépendamment de la densité de l’échantillon, de l’humidité et de la

température à laquelle nous effectuons le test.

En ce qui concerne les échantillons testés à haute température, la teneur en humidité des

échantillons était de 0% pour s’assurer d’une certaine stabilité dans les mesures. La teneur en

humidité a fait partie de cette expérimentation car il nous semblait important de constater

l’impact de ce facteur. Comme on le sait, la teneur en humidité influence grandement le

transfert de chaleur. Dans le contexte ou le type de granulométrie peut influencer la façon

dont les gaz se dirigent vers le centre de l’ébauche il devient intéressant de mettre en relief

l’effet de la teneur en humidité par rapport au type de granulométrie.

Le flux de chaleur a été mesuré à l’aide d’un capteur de flux thermique de type HFS-3 de

Omega. Le capteur de flux thermique fournit des données en millivolts que l’on transforme en

W/m2 grâce à un facteur de conversion fourni par le fabriquant. Ensuite à l’aide de l’équation

34

(1), il est possible de calculer le coefficient de conductivité thermique pour chacun des

panneaux testés en connaissant l’épaisseur et le différentiel de température.

2.3- Perméabilité au gaz

Les échantillons pour la mesure de perméabilité au gaz avaient un diamètre de 50 mm et une

épaisseur d’environ 15 mm. Une couche de silicone a été appliquée, afin d’obtenir le

maximum de contact avec la chambre à air.

Figure 17. Dimension des échantillons pour les mesures de perméabilité au gaz (Lihra 1999).

La perméabilité au gaz a été mesurée à l’aide du montage réalisé à l’Université Laval et

présenté à la figure 18. Ce montage a déjà été utilisé dans plusieurs études précédentes telles

que celles de Lihra (1999) et de Garcia (2001). Le principe de l’appareil est simple. Il a été

développé selon les principes présentés par Tesoro et al (1974) et Perré (1987). Une bouteille

d’air comprimé munie d’un régulateur de pression sert à régler le débit de gaz à la pression

désirée. Le gaz passe dans une chambre en aluminium où se retrouve l’échantillon de panneau

MDF et deux diffuseurs en tilleul. Les pressions sont mesurées par trois manomètres et le

débit peut être mesuré par l’un des quatre rotamètres situés à la fin du montage. Chaque

échantillon a été mesuré à trois pressions différentes soit 138, 241 et 345 kPa. Lors de

l’expérimentation, plusieurs répétitions de chaque mesure ont été nécessaires pour s’assurer

de la précision des résultats.

35

Figure 18. Schéma du montage de perméabilité au gaz (Lihra 1999).

Les perméabilités intrinsèque et apparente ont pu être calculées à partir des équations (5), (6)

et (7) présentées auparavant. En ayant le différentiel de pression, l’aire, l’épaisseur ainsi que

le débit d’air en millilitres par minute, il a été possible de calculer la perméabilité au gaz.

2.4- Porosité

Pour mesurer la porosité, nous avons décidé d’opter pour une nouvelle méthode par imagerie.

En fait, nous avons coupé des échantillons de panneau de un cm3 de différentes masses

volumiques. Suite à cette étape, nous avons imprégné l’échantillon d’une résine acrylique (LR

White medium grade). Une fois la résine polymérisée, des coupes minces de 1μm ont été

réalisées à l’aide d’un ultra-microtome de marque Reichert-Jung modèle ultracut E. Une fois

les coupes effectuées, un colorant bleu à été employé pour bien visualiser les fibres. Le

colorant utilisé était un mélange de 1% bleu méthylène et de 1% bleu méthyle azur II mélangé

dans l’eau à pH neutre. Grâce à un appareil photo jumelé à un microscope, des images des

coupes minces de panneaux ont été prises. Ces images ont permis de calculer la porosité des

échantillons grâce à des logiciels qui ne sont pas nécessairement adaptés à cette tâche.

Premièrement, ArcMap a été utilisé pour calculer la porosité mais la méthode était

36

sensiblement longue et complexe. En second lieu, le logiciel IRIS qui est un logiciel adapté

pour l’astronomie a été utilisé et a donné les mêmes résultats qu’ArcMap. Avant d’utiliser le

IRIS, nous avons simplement utilisé un logiciel de traitement de l’image pour mettre les

images en noir et blanc seulement. Par la suite, tout ce que le logiciel IRIS effectue, c’est de

calculer le nombre de pixels noirs par rapport aux blancs. Comme son utilisation était plus

rapide et facile, il a été utilisé par la suite pour l’ensemble des mesures de porosité.

Chapitre 3 Résultats et discussion

3.0- Profil de masse volumique

La figure 19 présente quelques profils de masse volumique pour des panneaux produits à 400

kg/m3. On remarque que les profils obtenus avec la méthode de pressage à froid qui a été

utilisée sont relativement plats. Cependant, il a été nécessaire d’effectuer un léger sablage de

1 à 2 mm à la surface des panneaux pour retirer une fine couche de haute masse volumique

afin d'obtenir un profil de masse volumique relativement plat. Pour les panneaux de faible

masse volumique, le sablage a été plus léger mais il a été plus grand pour les classes de masse

volumique élevée. Il a été plus difficile d’obtenir la masse volumique cible souhaitée pour les

panneaux de masse volumique élevée (800 et 1000 kg/m3) étant donné que le pressage s’est

effectué à basse température. La puissance maximale de la presse a été atteinte et l’épaisseur

finale du panneau a été souvent plus élevée que la consigne, ce qui a résulté en une masse

volumique moindre que celle qui était recherchée.

250

275

300

325

350

375

400

425

450

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Position (mm)

Ma

ss

e v

olu

miq

ue

(k

g/m

3)

L4-1B

L4-1E

L4-2B

Figure 19. Profil de masse volumique de panneaux produits à 400 kg/m3 (fibres longues).

38

3.1- Porosité

La figure 20 présente des images de la structure interne des panneaux MDF de 400, 600 et 800 kg/m3.

a)

b)

c)

Figure 20. Image à 100X de panneaux de fibres MDF de masse volumique de a) 400 kg/m3 (porosité = 0,804), particules fines; b) 600 kg/m3 (porosité = 0,640), particules fines; c) 800 kg/m3, particules grossières (porosité = 0,461).

39

L’image du panneau de 400 kg/m3 (figure 20a), montre très bien le grand volume de vides

comparativement aux masses volumiques supérieures (figures 20b et 20c).

La figure 21 présente les résultats de porosité obtenus par imagerie ainsi que ceux obtenus

avec l’équation (8). On remarque que les pentes des classes de fibres fines et moyennes sont

sensiblement les mêmes. Cependant, il semble y avoir une légère différence au niveau de la

pente pour la classe des grosses fibres. Ces résultats semblent démontrer des différences au

niveau de la porosité en fonction du type de granulométrie. Il aurait fallu procéder avec un

plus grand échantillonnage pour déterminer statistiquement si ces différences de pente sont

significatives. Cela n’enlève rien à la méthode utilisée pour calculer la porosité à l’aide d’une

image qui apparaît pertinente pour effectuer de telles mesures.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

300 400 500 600 700 800 900

Masse volumique (kg/m3)

Po

ros

ité

(m

3 vid

e/m

3 pan

nea

u)

Fines

Moyennes

Grosses

Siau (0%)

Figure 21. Porosité des panneaux MDF en fonction de la masse volumique et de la taille des fibres déterminée par analyse d’image. Les résultats identifiés Siau (0%) correspondent à la porosité du bois massif à 0% H calculée à partir de l'équation (8).

40

On constate qu’à une masse volumique donnée, la porosité des panneaux MDF semble être

légèrement plus élevée que celle du bois massif calculée avec l'équation (8) (figure 21). Il

faudrait par contre procéder à une étude plus approfondie pour évaluer si cette différence est

significative. Il est également intéressant de remarquer que la pente de la courbe obtenue avec

l’équation (8) est semblable à celle des relations obtenues par imagerie. Il faut noter que nous

avons utilisé une teneur en humidité de 0% pour le calcul de la porosité à l’aide de l’équation

(8). Pour le développement de modèles mathématiques sur les panneaux, il faudrait peut-être

tenir compte de ce phénomène puisque la porosité joue un rôle important dans la conduction

de la chaleur. Les résultats obtenus semblent démontrer qu’il y a une différence entre la

porosité des panneaux de fibres MDF et celle du bois massif à une masse volumique donnée.

3.2- Perméabilité au gaz

Les résultats obtenus pour la perméabilité intrinsèque au gaz sont présentés à la figure 22. Tel

qu’anticipé, la perméabilité au gaz est fortement corrélée à la masse volumique tel qu’observé

par Garcia (2001). Cependant il n’y a pas de différences significatives entre les différents

types de granulométrie et les résultats obtenus concernant la perméabilité au gaz. Les résultats

de l’analyse de variance sont présentés au Tableau 5. Le modèle obtenu pour la perméabilité

au gaz était à variance hétérogène dû à la plus grande variabilité des tests à 400 kg/m3. Les

résultats de mesure de la perméabilité sont détaillés à l’annexe A.

41

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

0 200 400 600 800 1000 1200

Pe

rmé

ab

ilité

ga

zK

(m3 g

az m

-1p

ann

eau)

Masse volumique (kg/m3)

Présente étude (2009)_____

Garcia (2001)_ _ _ _

Figure 22. Perméabilité intrinsèque au gaz en fonction de la masse volumique (Masse humide/Volume humide) (H=6%).

La masse volumique explique 99% (R2) du log de la perméabilité au gaz. On remarque

également que l’équation de régression de la courbe est d’ordre 3 et elle prend la forme

suivante :

Log10 K = -0,3351 + 0,02108 x - 0,00005 x2 + 2,24 x 10-8 x3 (13) où

x : masse volumique Masse humide/Volume humide (kg/m3).

L'obtention d'une courbe d'ordre 3 s’explique en partie par les résultats de faible masse

volumique qui ont été plus difficiles à obtenir. Les limites de l’appareillage on été atteintes

dans ce cas. En effet, pour les panneaux de 200 kg/m3 et les panneaux de 400 kg/m3,

l’indicateur de pression n’était pas assez précis pour obtenir des valeurs de pression fiables. Il

a fallu utiliser une colonne d’eau pour les essais à basse pression. C’est ce qui explique la plus

grande variabilité des résultats à 400 kg/m3 comme on peut le voir à la figure 22.

42

Tableau 5. Effet de la granulométrie et la masse volumique sur la perméabilité au gaz (Two-way ANOVA).

Source de variation Degrés de

liberté Valeur de F

Pr > F

granulométrie 2 0,32 0,7304

masse volumique 1 42,85 < 0,0001***

granulométrie x masse volumique 2 0,67 0,5194

masse volumique x masse volumique 1 10,79 0,0024***

granulométrie x masse volumique x masse volumique 2 0,94 0,4023

masse volumique x masse volumique x masse volumique 1 5,86 0,0212**

granulométrie x masse volumique x masse volumique x masse volumique

2 1,01 0,3768

Erreur 33

Total corrigé 44 ** : significatif ; *** : très significatif

Garcia et Cloutier (2005) ont également mesuré la perméabilité au gaz de panneaux MDF en

fonction de la masse volumique (figure 22). On remarque, que les courbes sont assez

semblables et que les résultats se superposent passablement bien. L’ordre de grandeur des

données obtenues dans le présent travail est comparable à ce que Garcia et Cloutier (2005)

avaient obtenu. Cependant pour les plus faibles masses volumiques, il y a des différences

marquées. C’est probablement la méthode de mesure de la pression peu précise à basse

pression utilisée par Garcia et Cloutier (2005) qui explique les différences au niveau des

résultats de 400 kg/m3 et moins.

Il est possible de remarquer au tableau 5 que la granulométrie n’a pas d'effet significatif mais

que la masse volumique a un effet très significatif sur la perméabilité au gaz.

43

3.3- Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité, de la masse volumique et de la granulométrie

La section 3.3 présente les résultats de conductivité thermique en fonction de la masse

volumique, de la granulométrie et de la teneur en humidité. Les résultats de conductivité

thermique présentés dans cette section ont été obtenus à une seule température, soit 100ºC.

Les figures 23, 24 et 25 présentent les résultats de conductivité thermique en fonction de la

masse volumique à 0%, 4,4% et 6,9% de teneur en humidité respectivement. Au départ, on

s’attendait à ce que la conductivité thermique des panneaux de grosses particules soit plus

faible compte tenu de leur plus grande porosité. De façon générale, les coefficients de

conductivité thermique obtenus vont dans le même sens que ceux répertoriés dans la

littérature. Les résultats obtenus varient d’environ 0.06 W/mºC à 0.25 W/mºC pour les

panneaux de plus haute masse volumique, ce qui correspond aux résultats de Sonderegger et

Niemz (2008) ou encore de Goulet (1992) pour les panneaux isolants. Par contre, il faut

toujours faire attention lorsque l’on compare différentes études puisque les conditions des

essais ne sont pas toujours identiques, comme c’est le cas présentement. Kamke et Zylkowski

(1989) ont déjà démontré que la conductivité thermique des panneaux à base de bois varie

proportionnellement à leur masse volumique. Les résultats obtenus dans la présente étude

vont exactement dans ce sens. Les résultats de conductivité thermique sont détaillés à

l’annexe B.

Les résultats de l’analyse de variance effectuée sur les résultats obtenus pour la conductivité

thermique sont présentés au tableau 6. À la lumière de ces résultats, il a été possible de mettre

en évidence une interaction triple entre la granulométrie, la masse volumique et la teneur en

humidité. On observe également que les panneaux fabriqués à partir des grosses particules ne

se comportent pas comme ceux fabriqués à partir des fines et des moyennes (figure 23).

Cependant, tel que mentionner auparavant, les températures de raffinage des fibres ont été

légèrement différentes pour chacune des classes produites, ce qui a peut-être influencé les

résultats de conductivité thermique.

44

Les figures 23, 24 et 25 présentent les résultats de conductivité thermique proposés par Siau

(1995) (équation 9) pour le bois massif, de Thoemen et Humprey (2006) (équation 12)

provenant des équations de Von Haas (1998) (équation 10) et Haselein (1998) (équation 11)

pour le MDF. On remarque que les résultats obtenus dans la présente étude se comparent à

ceux de Siau (1995) pour le bois massif puisque les valeurs et les pentes sont très semblables

(figure 23). Toutefois, le modèle de Thoemen et Humprey (2006) provenant de Von Haas

(1998) et Haselein (1998) donne des conductivités thermiques inférieures aux résultats

obtenus dans ce travail. Mentionnons que nous avons effectué ces tests de conductivité

thermique à 100ºC alors que ceux de Von Haas (1998) ont étés effectués à 30ºC et à une

teneur en humidité de 0%. C’est avec l’équation de Haselein (1998) qu’on effectue une

correction pour la teneur en humidité et la température à laquelle on effectue le test. Pour

comparer nos résultats obtenus à 100ºC, il a fallu extrapoler ceux obtenus à 30ºC par Von

Haas (1998) à l’aide de l’équation de Haselein (1998). C’est peut-être ce qui explique la

différence entre nos résultats et le modèle de Thoemen et Humprey (2006). La combinaison

température - masse volumique - teneur en humidité n’a peut-être pas le même impact à 30ºC

qu'à 100ºC.

La figure 26 présente les résultats de conductivité thermique en fonction de la teneur en

humidité à différentes masses volumiques. En comparant nos résultats avec ceux de Thoemen

et Humprey (2006), on perçoit très bien que la masse volumique a un plus grand impact pour

nos résultats. En effet, l’écart entre les différentes masses volumiques est beaucoup plus grand

dans notre cas que ceux du modèle de Thoemen et Humprey (2006). Par contre, les pentes

des droites entre les deux modèles sont assez semblables. Ceci explique l’écart des résultats

présentés aux figures 23, 24 et 25.

45

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e (

W/m

ºC)

fine__ __ __

grosse_______

moyenne_ _ _ _

Von Haas & Haselein (1998)

Siau (1995)

Figure 23. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (0% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e (

W/m

ºC)

fine__ __ __

grosse______

moyenne_ _ _ _

Von Haas & Haselein (1998)

Figure 24. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (4,4% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

46

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e (

W/m

ºC)

fine__ __ __

grosse______

moyenne_ _ _ _

Von Haas & Haselein (1998)

Figure 25. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie (6,9% de teneur en humidité) à 100°C (plaque chaude).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 2 4 6 8 10

Teneur en humidité (%)

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Mv = 217 kg/m3 (Belley 2009)

Mv = 365 kg/m3 (Belley 2009)

Mv = 526 kg/m3 (Belley 2009)

Mv = 680 kg/m3 (Belley 2009)

Mv = 838 kg/m3 (Belley 2009)

Mv = 217 kg/m3 (Von Haas & Haselein 1998)

Mv = 365 kg/m3 (Von Haas & Haselein 1998)

Mv = 526 kg/m3 (Von Haas & Haselein 1998)

Mv = 680 kg/m3 (Von Haas & Haselein 1998)

Mv = 838 kg/m3 (Von Haas & Haselein 1998)

Figure 26. Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité à 100°C (plaque chaude) fibres de taille moyenne.

47

Pour ce qui est de nos résultats proprement dit, pour les classes de granulométrie fine et

moyenne, on constate qu’elles interagissent de la même manière en ce qui a trait à la teneur en

humidité et à la masse volumique. Dans le cas des grosses particules, la pente de la droite est

significativement différente (voir figure 23). Lorsqu’on augmente la teneur en humidité au-

delà de 5%, la pente de la courbe de conductivité thermique des panneaux fabriqués avec des

grosses particules devient semblable à celle des panneaux fabriqués avec des particules fines

et moyennes (voir figure 24 et 25).

Il faut mentionner que pour respecter le postulat de normalité, une transformation du log a été

nécessaire dans ce cas. Le coefficient de détermination (R2) du modèle dans le cas des

données transformées est de 93.7% et de 93.2% dans le cas des données brutes.

Tableau 6. Effet de la granulométrie, de la masse volumique et de la teneur en humidité

sur la conductivité thermique (Split-plot ANOVA). Source de variation Degrés de liberté Valeur de F Pr > F granulométrie 2 11,70 < 0,0001***

masse volumique 1 614,65 < 0,0001*** granulométrie x masse volumique 2 8,05 0,0012*** erreur1 panneau (granulométrie x masse volumique)

39

teneur en humidité 1 93,34 < 0,0001*** teneur en humidité x granulométrie 2 18,19 < 0,0001*** masse volumique x teneur en humidité 1 13,59 < 0,0004*** masse volumique x teneur en humidité x granulométrie 2 13,37 < 0,0001*** erreur2 33

Total corrigé 44 *** : très significatif

Les figures 27, 28 et 29 présentent la conductivité thermique en fonction de la teneur en

humidité et de la masse volumique moyenne. La masse volumique apparaissant dans la

légende correspond à la moyenne des masses volumiques des trois panneaux échantillons

produits. Il aurait été difficile d’y écrire les masses volumiques individuelles. On y constate

que la relation entre la conductivité thermique et la teneur en humidité semble assez linéaire.

Les droites sont relativement parallèles les unes aux autres et cela peu importe le type de

granulométrie des fibres employées pour la fabrication des panneaux MDF. Il semble aussi y

avoir une relation plutôt linéaire entre la conductivité thermique et la masse volumique

moyenne des échantillons.

48

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 2 4 6 8 1

Teneur en humidité (%)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e (

W/m

ºC)

0

Mv = 215 kg/m3

Mv = 355 kg/m3

Mv = 548 kg/m3

Mv = 709 kg/m3

Mv = 846 kg/m3

Figure 27. Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres fines) à 100°C (plaque chaude).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 2 4 6 8 1

Teneur en humidité (%)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

0

Mv = 217 kg/m3

Mv = 365 kg/m3

Mv = 526 kg/m3

Mv = 680 kg/m3

Mv = 838 kg/m3

Figure 28. Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres moyennes) à 100°C (plaque chaude).

49

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 2 4 6 8 1

Teneur en humidité (%)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

0

Mv = 211 kg/m3

Mv = 370 kg/m3

Mv = 522 kg/m3

Mv = 683 kg/m3

Mv = 781 kg/m3

Figure 29. Conductivité thermique en fonction de la teneur en humidité et de la masse volumique moyenne (fibres grosses) à 100°C (plaque chaude).

3.4- Conductivité thermique en fonction de la granulométrie, de la masse volumique et de la température

La section 3.4 présente les résultats de conductivité thermique en fonction de la masse

volumique, de la granulométrie et de la température à laquelle le test a été effectué. Les

résultats de conductivité thermique présentés dans cette section ont été obtenus à une seule

teneur en humidité, soit 0%. Nous avons procédé ainsi car il est très difficile de contrôler le

facteur teneur en humidité au-delà de 100ºC. Même à 100ºC, il n’a pas été évident de

contrôler ce paramètre parfaitement.

Le Tableau 7 présente les résultats des analyses statistiques des résultats de conductivité

thermique en fonction de la granulométrie, de la masse volumique et de la température. Le

coefficient de détermination R2 était de 95,8% sur les données brutes. En ce qui concerne

l’effet de la température sur la conductivité thermique, il a été possible de discerner une

différence significative entre les classes de fibres fines et moyennes de celle des fibres

grossières. Les panneaux utilisés comme échantillons ont été testés à trois températures

50

différentes soit 100, 125 et 150ºC et ce, à 0% de teneur en humidité. L’effet de la

granulométrie et de la masse volumique s’est avéré différent lorsque les mesures de

conductivité thermique ont été effectuées sur les échantillons de grosse granulométrie. En

effet, en observant les figures 30, 31 et 32 ci-dessous, on remarque que la pente de la courbe

conductivité thermique vs masse volumique obtenue pour les panneaux de grosses fibres est

plus faible que celle des panneaux faits de fibres fines et moyennes. On peut penser que les

panneaux faits de fibres plus grosses ont une plus grande porosité et par le fait même une plus

grande résistivité thermique due au fait que l’air est un isolant. Fait à noter, la figure 30

renferme les mêmes données que la figure 23. On l’a insérée de nouveau afin de mieux

apprécier les résultats aux différentes températures

Tableau 7. Effet de la masse volumique, de la granulométrie et de la température sur la

conductivité thermique (repeated measure ANOVA).

Source de variation Degrés de liberté Valeur de F Pr > F granulométrie 2 23,45 < 0,0001***

masse volumique 1 1329,86 < 0,0001***

granulométrie x masse volumique 2 25,83 < 0,0001***

erreur1 = panneau (granulométrie x masse volumique) 39

Temperature 2 15,94 < 0,0001***

Temperature x granulométrie 4 1,09 0,3659 masse volumique x température 2 16,44 < 0,0001***

masse volumique x température x granulométrie 4 0,99 0,4174 erreur2 78

Total corrigé 134 *** : très significatif

Pour les tests de conductivité thermique en fonction de la température, aucune transformation

des données n’a été nécessaire puisque le postulat de la normalité était respecté. Si on observe

attentivement le tableau 7, on constate que la granulométrie, la masse volumique, l’interaction

masse volumique-granulométrie, la température et l’interaction masse volumique-température

sont fortement significatifs. Donc, plus la masse volumique est élevée plus la conductivité

thermique est élevée comme dans la section précédente. Dans le cas présent, il n’y a pas

d’interaction triple comme c’était le cas précédemment avec la teneur en humidité. Il n'y a pas

d'interaction significative entre le type de granulométrie et la température.

51

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 200 400 600 800 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e (

W/m

ºC)

Fine__ __ __

Grosse______

Moyenne_ _ _ _

Figure 30. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 100ºC.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 200 400 600 800 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Fine__ __ __

Grosse______

Moyenne_ _ _ _

Figure 31. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 125ºC.

52

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 200 400 600 800 1000

Masse volumique (kg/m3)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Fine__ __ __

Grosse______

Moyenne_ _ _ _

Figure 32. Conductivité thermique en fonction de la masse volumique et de la granulométrie des fibres à une teneur en humidité de 0% et une température de 150ºC.

Comme dans le cas précédent de la section 3.3, la relation conductivité thermique en fonction

de la masse volumique est linéaire peu importe la granulométrie mais aussi selon la

température. Il est intéressant également d’observer la conductivité thermique pour un même

échantillon avec trois températures différentes. Selon Suleiman et al. (1999), la conductivité

thermique augmente avec la température et la masse volumique. On remarque cette tendance

dans l’étude. Cependant, on remarque que l’effet de la température sur la conductivité

thermique devient moins marqué aux masses volumiques les plus élevées. Les figures 33, 34

et 35 présentent la conductivité thermique en fonction de la température selon la

granulométrie et la masse volumique moyenne des échantillons.

Les figures 36 et 37 présentent la conductivité thermique en fonction de la température et de

la masse volumique de certains échantillons sélectionnés. En effet en considérant les

échantillons individuellement, on constate que souvent mais pas systématiquement, il y a un

changement de pente dans la courbe conductivité thermique vs température autour de 125-130

ºC. Nous nous sommes posé plusieurs questions face à ces résultats. Ce qui semble plausible

pour expliquer ce phénomène, c’est que ces températures correspondent à la transition

53

vitreuse de la lignine. Est-ce que la conductivité thermique avant et après cette transition,

pourrait être différente? Plus la masse volumique est élevée, plus ce changement de pente

semble prononcé. Est-ce qu’à une masse volumique plus élevée et à une température de

150ºC, l’expansion du matériel ou un changement de la structure de la paroi cellulaire des

fibres de bois provoquerait une baisse de la conductivité thermique? Peut-être, mais nos

résultats ne nous permettent pas de tirer de conclusion à cet effet et cette hypothèse reste à

vérifier. Il semble toutefois clair qu’il ne faut pas prendre pour acquis que la conductivité

thermique augmente linéairement en fonction de la température peut importe les conditions.

On aurait pu également penser qu’il y aurait eu une légère dégradation du bois pouvant

affecter la conductivité thermique. Ganne (2008) mentionne que les hémicelluloses

commenceraient à se dégrader à partir de 100°C. Cependant, elle mentionne que les études ne

convergent pas toutes en ce qui concerne la température de dégradation des hémicelluloses.

De façon générale, aux températures auxquelles nous avons travaillé (100, 125 et 150ºC), la

littérature mentionne qu’il n’y a pas ou très peu de dégradation des fibres. Il serait intéressant

d’investiguer davantage ces phénomènes.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

90 110 130 150

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Température (Celsius)

Mv = 189 kg/m3

Mv = 361 kg/m3

Mv = 553 kg/m3

Mv = 712 kg/m3

Mv = 860 kg/m3

Figure 33. Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres fines. (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons).

54

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

90 110 130 150

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Température (Celsius)

Mv = 194 kg/m3

Mv = 362 kg/m3

Mv = 523 kg/m3

Mv = 686 kg/m3

Mv = 854 kg/m3

Figure 34. Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres moyennes (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

90 110 130 150

Co

nd

uct

ivit

é th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Température (Celsius)

Mv = 175 kg/m3

Mv = 372 kg/m3

Mv = 528 kg/m3

Mv = 698 kg/m3

Mv = 796 kg/m3

Figure 35. Conductivité thermique en fonction de la température et de la masse volumique pour les fibres grosses (Légende : Mv = moyenne de 3 échantillons)

55

0,055

0,060

0,065

0,070

0,075

0,080

0,085

0,090

90 100 110 120 130 140 150 160 170

Température (ºC)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Figure 36. Exemple de résultats de conductivité thermique obtenus en fonction de la température (fibres moyennes à 186 kg/m3) pour trois échantillons (H = 0%).

0,160

0,170

0,180

0,190

0,200

0,210

0,220

0,230

90 100 110 120 130 140 150 160

Température (ºC)

Co

nd

uc

tiv

ité

th

erm

iqu

e(W

/mºC

)

Figure 37. Exemple de résultats de conductivité thermique obtenus en fonction de la température (fibres moyennes à 873 kg/m3) pour trois échantillons (H = 0%).

56

Conclusions et recommandations

Les travaux réalisés lors de cette étude et les résultats des essais qui ont été effectués

permettent de tirer les conclusions suivantes :

Les résultats de perméabilité intrinsèque au gaz varient de 1,0 x 10-11 m3air m

-1panneau

pour les panneaux d’environ 200 kg/m3 à 8,3 x 10-14 m3air m

-1panneau pour des panneaux

d’environ 800 kg/m3.

Le type de granulométrie n’a pas d’effet significatif sur la perméabilité au gaz mais la

masse volumique a un effet significatif.

Les résultats de conductivité thermique varient de 0,06 à 0,25 W/m°C, en fonction de

la masse volumique, de la teneur en humidité, de la température et de la granulométrie.

Ces valeurs sont en accord avec celles rapportées par d’autres auteurs.

La première série de tests concernant la conductivité thermique portait sur des facteurs

tels que la teneur en humidité, la granulométrie et la masse volumique. Ces variables

ont eu un effet significatif sur les résultats de conductivité thermique. Une masse

volumique ou une teneur en humidité plus élevée ou une combinaison des ces facteurs

résulte en une conductivité thermique plus élevée. Pour ce qui est de la granulométrie,

c’est un peu plus complexe. Il a été possible d’établir une différence significative entre

les classes de granulométrie fine-moyenne et celle des fibres grossières. La pente de la

conductivité thermique en fonction de la masse volumique est significativement

différente pour la classe des fibres grossières. On perçoit très bien la pente plus faible

des grosses fibres à une teneur en humidité de 0%. Cependant, plus on augmente la

teneur humidité, plus la pente tend à être semblable à celle des fines et moyennes dans

les conditions considérées dans ce travail. Ce qui démontre que la combinaison taille

des fibres et teneur en humidité pourrait avoir un impact sur la conductivité thermique.

Il faut cependant noter que lors de la caractérisation de nos fibres, les particules de

57

taille moyenne et fine étaient très semblables, ce qui pourrait expliquer en partie ces

résultats.

L’autre série d'essais concernant la conductivité thermique visait à mettre en valeur les

facteurs tels que la granulométrie, la masse volumique et la température à laquelle on

effectue le test. La température, la masse volumique et la granulométrie se sont

avérées significatives pour la conductivité thermique. Pour cette série de tests, on

trouve également une différence significative entre les granulométries fine-moyenne et

celle des grossières concernant la conductivité thermique et la masse volumique.

Encore une fois, les panneaux faits de grosses fibres n’ont pas le même comportement

que ceux des deux autres classes. La pente de la conductivité thermique en fonction de

la masse volumique aux trois températures considérées est plus faible dans le cas des

grosses fibres. Il y a également une interaction entre la masse volumique et la

température. En gros, ceci signifie qu’à une température donnée, plus la masse

volumique est élevée, plus la valeur de la conductivité thermique est grande. Aucun

effet significatif de l’interaction température-granulométrie n’est apparu. La

conductivité thermique augmente avec la température mais pas nécessairement de

façon linéaire. En effet, il y a souvent mais pas systématiquement un changement de

pente de la relation conductivité thermique vs température aux environs de 125 ºC.

Plus la masse volumique est élevée, plus le changement de pente semble marqué.

Il a été mentionné que les pressions de raffinage ont été différentes afin d’obtenir des

classes de fibres distinctes. En effet, pour obtenir ces classes de fibres, il a fallu utiliser

différentes pressions qui ont eu pour impact de modifier les températures de raffinage.

Dans le cas qui nous intéresse, cela veut dire qu’à 5 bars la température devait être aux

alentours de 159°C, à 8 bars aux environs de 175°C et à 12 bars environ 191°C. Ceci

pourrait expliquer en partie les résultats obtenus pour la conductivité thermique

puisqu’à 159°C il y a quelques changements dans la lignine alors qu’à 175°C, il peut y

avoir des changements dans la cellulose ainsi que dans les hémicelluloses.

58

En bref, pour l’élaboration d’un modèle de transfert de chaleur dans le MDF, il est

impératif de tenir compte de facteurs tels que la masse volumique, la teneur en

humidité, la température et la taille des fibres de même que les différentes

combinaisons entre ces facteurs, puisqu’elles interagissent pour influencer les valeurs

de conductivité thermique.

Il a également été possible de calculer la porosité d’un panneau par analyse d'image.

Les résultats obtenus avec cette méthode semblent démontrer une pente légèrement

différente pour la classe des grosses fibres, en ce qui concerne la porosité en fonction

de la masse volumique. Ceci est intéressant puisque ça va dans le même sens que les

autres résultats obtenus dans cette étude. La porosité des panneaux MDF produits au

cours de cette étude semble différente de la porosité du bois massif à densité

équivalente. En effet, en comparant les résultats obtenus à la littérature, il semble que

les panneaux de fibres MDF aient une porosité légèrement plus élevée que le bois

massif à densité équivalente. Un plus grand échantillonnage aurait été nécessaire afin

d'analyser statistiquement ces relations.

Recommandations

Pour obtenir un modèle mathématique complet, les autres facteurs devront

nécessairement être étudiés dans un futur plus ou moins rapproché. Par exemple, la

répartition des essences dans la fabrication des panneaux MDF est un facteur qui

devrait faire l’objet des prochains travaux. Il aurait été intéressant d’inclure d’autres

essences dans l’étude mais la prise en charge de tous les facteurs inhérents aux

amalgames résultants aurait compromis la durée du projet et l’allocation des efforts.

La méthode de pressage adopté dans ce travail devrait être révisée pour les prochains

travaux car pour les panneaux de masses volumiques élevées, il a été beaucoup plus

difficile d’obtenir les masses volumiques ciblées.

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ANNEXE A Tableau A : Résultats de perméabilité au gaz intrinsèque (K) (fines)

Note : Les résultats de perméabilité au gaz apparaissant dans les tableaux suivants sont la moyenne de 6 échantillons.

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau)

219 1 8,61E-12213 2 7,55E-12198 3 1,00E-11385 1 6,19E-12395 2 9,13E-12402 3 1,14E-11560 1 2,02E-12579 2 1,34E-12600 3 1,70E-12776 1 2,03E-13781 2 2,43E-13770 3 1,98E-13933 1 4,96E-14945 2 3,95E-14912 3 5,19E-14

Tableau B : Résultats de perméabilité au gaz intrinsèque (K) (moyennes)

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau)

202 1 9,46E-12203 2 8,80E-12213 3 7,76E-12391 1 5,11E-12376 2 1,13E-11373 3 7,44E-12567 1 2,65E-12553 2 2,48E-12570 3 2,32E-12751 1 3,13E-13769 2 2,44E-13751 3 3,35E-13934 1 4,99E-14914 2 6,37E-14917 3 5,20E-14

Tableau C : Résultats de perméabilité au gaz intrinsèque (K) (grosses)

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau)

198 1 9,93E-12205 2 8,58E-12177 3 1,03E-11400 1 1,35E-11396 2 1,11E-11381 3 5,64E-12568 1 1,81E-12576 2 1,57E-12545 3 2,02E-12721 1 2,48E-13788 2 1,28E-13759 3 1,38E-13897 1 3,58E-14819 2 1,39E-13863 3 8,32E-14

64 Tableau D : Résultats de perméabilité au gaz apparente (kg

*) (fines)

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau S-1 Pa-1)

219 1 8,61E-12213 2 7,55E-12198 3 1,00E-11385 1 6,19E-12395 2 9,13E-12402 3 1,14E-11560 1 1,10E-07579 2 7,24E-08600 3 9,18E-08776 1 1,10E-08781 2 1,32E-08770 3 1,08E-08933 1 2,70E-09945 2 2,15E-09912 3 2,82E-09

Tableau E : Résultats de perméabilité au gaz apparente (kg

*) (moyennes)

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau S-1 Pa-1)

202 1 5,15E-07203 2 4,79E-07213 3 4,22E-07391 1 2,77E-07376 2 6,09E-07373 3 4,02E-07567 1 1,43E-07553 2 1,34E-07570 3 1,26E-07751 1 1,69E-08769 2 1,32E-08751 3 1,81E-08934 1 2,70E-09914 2 3,47E-09917 3 2,83E-09

Tableau F : Résultats de perméabilité au gaz apparente (kg

*) (grosses)

Masse volumique Panneau Permeabilité

(kg/m3) # (m3air m

-1panneau S-1 Pa-1)

198 1 5,39E-07205 2 4,63E-07177 3 5,55E-07400 1 7,25E-07396 2 6,04E-07381 3 3,07E-07568 1 9,80E-08576 2 8,49E-08545 3 1,09E-07721 1 1,34E-08788 2 6,91E-09759 3 7,50E-09897 1 1,94E-09819 2 7,48E-09863 3 4,48E-09

65

ANNEXE B Tableau G : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la

granulométrie et de la teneur en humidité (fines)

Masse volumique Panneau Teneur en humidité Conductivite thermique

(kg/m3) # (%) (W/mºC)202 1 0,0% 0,071240 1 3,3% 0,091217 1 3,1% 0,097190 2 0,0% 0,075229 2 2,6% 0,083235 2 3,4% 0,099176 3 0,0% 0,068225 3 1,2% 0,091223 3 3,5% 0,100373 1 0,0% 0,090381 1 2,9% 0,136361 1 5,6% 0,148349 2 0,0% 0,108387 2 3,4% 0,140357 2 5,4% 0,148363 3 0,0% 0,105385 3 3,8% 0,114368 3 5,8% 0,138537 1 0,0% 0,115529 1 3,9% 0,185486 1 6,3% 0,175561 2 0,0% 0,124575 2 4,1% 0,175551 2 6,7% 0,214560 3 0,0% 0,138580 3 4,0% 0,164551 3 6,7% 0,202725 1 0,0% 0,192747 1 5,2% 0,214695 1 7,3% 0,223709 2 0,0% 0,160709 2 4,7% 0,211694 2 7,2% 0,212702 3 0,0% 0,159705 3 5,2% 0,214694 3 7,4% 0,224862 1 0,0% 0,199844 1 5,5% 0,232813 1 8,1% 0,254882 2 0,0% 0,218860 2 5,6% 0,237865 2 7,8% 0,262835 3 0,0% 0,211855 3 5,2% 0,239802 3 7,8% 0,223

66

Tableau H : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la granulométrie et de la teneur en humidité (moyennes)

Masse volumique Panneau Teneur en humidité Conductivite thermique

(kg/m3) # (%) (W/mºC)194 1 0,0% 0,070238 1 4,2% 0,087225 1 5,0% 0,092188 2 0,0% 0,058233 2 3,8% 0,088231 2 5,2% 0,099199 3 0,0% 0,061221 3 3,0% 0,076226 3 4,3% 0,103353 1 0,0% 0,084377 1 3,3% 0,131360 1 6,6% 0,162374 2 0,0% 0,098374 2 3,2% 0,139358 2 6,6% 0,147358 3 0,0% 0,094384 3 3,0% 0,130345 3 6,4% 0,145534 1 0,0% 0,116553 1 4,4% 0,189536 1 7,0% 0,196520 2 0,0% 0,114527 2 3,9% 0,160520 2 7,2% 0,199514 3 0,0% 0,114551 3 4,0% 0,163481 3 6,5% 0,164697 1 0,0% 0,148682 1 5,2% 0,217670 1 8,2% 0,222689 2 0,0% 0,146689 2 5,3% 0,215677 2 8,2% 0,218671 3 0,0% 0,151697 3 5,5% 0,235647 3 7,9% 0,198840 1 0,0% 0,207805 1 5,9% 0,246810 1 8,4% 0,246839 2 0,0% 0,180834 2 6,2% 0,246813 2 7,6% 0,238883 3 0,0% 0,201853 3 6,1% 0,242865 3 8,3% 0,250

67

Tableau I : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la granulométrie et de la teneur en humidité (grosses)

Masse volumique Panneau Teneur en humidité Conductivite thermique

(kg/m3) # (%) (W/mºC)188 1 0,0% 0,087235 1 2,9% 0,082206 1 5,1% 0,082165 2 0,0% 0,091238 2 3,0% 0,074228 2 6,3% 0,097173 3 0,0% 0,089234 3 2,4% 0,079232 3 5,7% 0,093379 1 0,0% 0,118395 1 4,2% 0,124369 1 7,7% 0,154361 2 0,0% 0,121388 2 4,8% 0,137346 2 7,2% 0,126377 3 0,0% 0,114377 3 4,3% 0,122343 3 6,0% 0,147540 1 0,0% 0,138534 1 5,5% 0,152486 1 8,4% 0,177527 2 0,0% 0,122538 2 5,0% 0,162520 2 8,3% 0,187516 3 0,0% 0,135565 3 4,7% 0,165476 3 8,3% 0,213679 1 0,0% 0,154667 1 5,6% 0,199665 1 8,4% 0,204706 2 0,0% 0,155692 2 5,6% 0,201665 2 8,4% 0,222708 3 0,0% 0,159688 3 5,7% 0,222678 3 8,7% 0,210869 1 0,0% 0,177847 1 6,8% 0,251804 1 9,7% 0,214730 2 0,0% 0,157693 2 6,1% 0,228720 2 8,0% 0,217789 3 0,0% 0,164777 3 6,2% 0,233805 3 8,4% 0,245

68

Tableau J : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la granulométrie et de la température (fines)

Masse volumique Panneau Temp. Conductivité thermique

(kg/m3) # (°C) (W/mºC)202 1 100 0,071202 1 125 0,080202 1 150 0,082190 2 100 0,075190 2 125 0,088190 2 150 0,085176 3 100 0,068176 3 125 0,081176 3 150 0,078373 1 100 0,090373 1 125 0,109373 1 150 0,125349 2 100 0,108349 2 125 0,117349 2 150 0,118363 3 100 0,105363 3 125 0,113363 3 150 0,115537 1 100 0,115537 1 125 0,131537 1 150 0,120561 2 100 0,124561 2 125 0,142561 2 150 0,135560 3 100 0,138560 3 125 0,145560 3 150 0,142725 1 100 0,192725 1 125 0,183725 1 150 0,163709 2 100 0,160709 2 125 0,185709 2 150 0,153702 3 100 0,159702 3 125 0,173702 3 150 0,153862 1 100 0,199862 1 125 0,222862 1 150 0,195882 2 100 0,218882 2 125 0,214882 2 150 0,189835 3 100 0,211835 3 125 0,209835 3 150 0,193

69

Tableau K : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la granulométrie et de la température (moyennes)

Masse volumique Panneau Temp. Conductivité thermique

(kg/m3) # (°C) (W/mºC)194 1 100 0,070194 1 125 0,075194 1 150 0,084188 2 100 0,058188 2 125 0,079188 2 150 0,079199 3 100 0,061199 3 125 0,085199 3 150 0,078353 1 100 0,084353 1 125 0,101353 1 150 0,100374 2 100 0,098374 2 125 0,115374 2 150 0,112358 3 100 0,094358 3 125 0,107358 3 150 0,092534 1 100 0,116534 1 125 0,132534 1 150 0,128520 2 100 0,114520 2 125 0,121520 2 150 0,121514 3 100 0,114514 3 125 0,125514 3 150 0,132697 1 100 0,148697 1 125 0,151697 1 150 0,164689 2 100 0,146689 2 125 0,160689 2 150 0,160671 3 100 0,151671 3 125 0,150671 3 150 0,157840 1 100 0,207840 1 125 0,222840 1 150 0,177839 2 100 0,180839 2 125 0,191839 2 150 0,169883 3 100 0,201883 3 125 0,215883 3 150 0,205

70

Tableau L : Résultats de conductivité thermique en fonction de la masse volumique, de la granulométrie et de la température (grosses)

Masse volumique Panneau Temp. Conductivité thermique

(kg/m3) # (°C) (W/mºC)188 1 100 0,087188 1 125 0,094188 1 150 0,095165 2 100 0,091165 2 125 0,089165 2 150 0,095173 3 100 0,089173 3 125 0,093173 3 150 0,099379 1 100 0,118379 1 125 0,127379 1 150 0,135361 2 100 0,121361 2 125 0,113361 2 150 0,113377 3 100 0,114377 3 125 0,117377 3 150 0,123540 1 100 0,138540 1 125 0,133540 1 150 0,139527 2 100 0,122527 2 125 0,122527 2 150 0,136516 3 100 0,135516 3 125 0,140516 3 150 0,137679 1 100 0,154679 1 125 0,154679 1 150 0,154706 2 100 0,155706 2 125 0,154706 2 150 0,142708 3 100 0,159708 3 125 0,155708 3 150 0,142869 1 100 0,177869 1 125 0,175869 1 150 0,170730 2 100 0,157730 2 125 0,163730 2 150 0,159789 3 100 0,164789 3 125 0,168789 3 150 0,164