Recherche sur le bois: Comment optimiser un produit naturel

26.11.2014 - Avec le bois, la nature a mis au point un matériau très performant. Son utilisation technique pose toutefois quelques défis. A l’Empa et à l’EPFZ, des scientifiques cherchent à l’améliorer pour lui ouvrir de nouveaux débouchés.

Des instruments de pointe qui permettent de dévoiler les secrets du bois. L’instrument présenté est un microscope AFM et Raman combiné.
© Vivian Merk, EPF Zurich

Texte: Lukas Denzler

Les arbres peuvent dépasser 100 m de hauteur et 6000 ans d’âge. Cette capacité exceptionnelle, ils la doivent au génie de la nature. Or il importe de comprendre ces propriétés si particulières pour mettre au point de nouveaux produits.

Ingo Burgert, professeur depuis trois ans dans le domaine des matériaux dérivés du bois à l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ), éprouve un profond respect pour les arbres et leurs prouesses. Leurs propriétés présentent notamment un grand intérêt pour des applications techniques. Mais pourquoi tenter d’améliorer un matériau si efficace et si polyvalent? « La transformation du bois pose divers problèmes », explique Ingo Burgert. En effet, les arbres ont optimisé le bois afin qu’il réponde à leurs exigences propres, et ce en maintenant son taux d’humidité constant. « Or, pour destiner le bois à des applications techniques, nous devons le sécher. C’est là que les choses se corsent! »

Des défis multiples

Lorsque sa teneur en eau varie, le bois change de dimension. L’arbre, quant à lui, ne gonfle pas ni ne rétrécit, car il garde toujours une humidité suffisante. Un arbre en bonne santé ne connaît pas non plus de problème de durabilité. Lorsque le bois est saturé d’eau, les champignons n’ont aucune chance de s’y installer. Seule une blessure qui touche l’écorce et le tronc, et laisse donc pénétrer l’air, peut constituer un risque, car elle crée une surface vulnérable aux maladies fongiques. C’est à cause de ce risque que l’on renonce souvent à utiliser du bois, alors qu’il offre nombre d’avantages écologiques et pratiques.

Les activités de l’EPFZ et de l’Empa menées à Dübendorf dans le cadre de la nouvelle chaire dédiée aux matériaux dérivés du bois bénéficient du soutien apporté par le Plan d’action bois de l’OFEV ainsi que par le secteur de la forêt et du bois. « La recherche dans ce domaine ouvre la voie à de nouvelles applications », souligne Ulrike Krafft, à l’OFEV, pour expliquer la participation de la Confédération. C’est surtout le bois de feuillus qui a besoin de nouveaux débouchés.

Plus résistant au feu

Avec le changement climatique et le désir de forêts renaturées, la part du bois de feuillus s’accroît. Le défi consiste à faire bon usage de tout ce matériau produit et la nouvelle chaire doit jouer un rôle de moteur à cette fin.

Le bois se compose de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Tout comme des barres d’armature, la cellulose augmente la résistance à la traction, tandis que la lignine, à l’instar du béton, accroît la résistance à la compression. C’est la cohésion et l’agencement de ces composantes qui déterminent les propriétés du bois. « La compréhension de ces principes à petite échelle nous permettra de les reproduire et de les utiliser dans des applications techniques », explique Ingo Burgert, décrivant ainsi l’axe de ses recherches. Avec l’aide de son équipe, il vise à modifier entièrement le bois pour lui conférer les propriétés requises.

Il est par exemple possible d’influer sur la combustibilité du bois en introduisant certaines substances, tels des minéraux, dans la paroi de ses cellules. Les premiers résultats font état d’une amélioration de la résistance au feu, avec par exemple un dégagement de chaleur nettement moins élevé. Deux procédés servant à injecter des minéraux dans le bois font justement l’objet d’une demande de brevet et la Commission pour la technologie et l’innovation (CTI) de la Confédération a lancé durant l’été 2014 un projet destiné à étudier comment les mettre en pratique.

Empêcher le bois de travailler

Une autre solution consiste à induire une polymérisation à l’intérieur des parois cellulaires, à l’exemple de ce qui se passe dans le duramen ou « bois de cœur », au centre du tronc: pour former ce noyau dur, l’arbre est en mesure de modifier son propre bois longtemps après sa formation. Alors que le milieu est saturé d’eau, il stocke des substances hydrofuges dans les parois des cellules. Ce procédé a le mérite de réduire le phénomène de retrait et de gonflement du bois, dû à la présence, dans la paroi cellulaire, de groupes hydroxyles (-OH) qui attirent les molécules d’eau (H2O). En parvenant à lier d’autres molécules aux groupes hydroxyles, ceux-ci « délaisseraient » alors l’eau et pourraient s’associer à d’autres substances, provenant d’un apport extérieur. Les chaînes polymères ainsi formées combleraient les pores de la paroi cellulaire, la rendant étanche.

Un équipement dernier cri

Ces photographies réalisées au microscope à force atomique montrent, de gauche à droite, une section d’épicéa et de frêne minéralisée contenant des cristaux de carbonate de calcium, du hêtre magnétisable contenant des nanoparticules de ferrite, ainsi que du hêtre brisé à basse température dans le sens des fibres.
© Vivian Merk, ETH Zürich

La recherche dans ce domaine recèle encore un potentiel considérable, souligne Ingo Burgert. Pour analyser la transformation du bois, les scientifiques recourent aux techniques les plus modernes. Les microscopes Raman leur permettent de visualiser la structure de la paroi cellulaire, puis de déterminer par exemple s’il est possible d’y stocker certaines substances et à quel endroit. Pour étudier les propriétés superficielles du bois, les spécialistes se servent d’un microscope à force atomique (AFM), qui permet de déterminer les propriétés mécaniques du matériau à l’échelle nanométrique.

Quant à l’influence de la lumière sur les façades en bois, les chercheurs planchent sur le sujet depuis belle lurette. Les rayons ultraviolets dégradent la lignine et provoquent ainsi une altération de la couleur. Si ce résultat est apprécié sur les bâtiments anciens, le but est de l’éviter sur les nouveaux immeubles, car les gens l’associent à un vieillissement prématuré. Ingo Burgert est donc convaincu qu’il faut résoudre ce problème afin de redonner ses lettres de noblesse au bois et restaurer la confiance en sa fiabilité. La difficulté consiste à protéger la lignine à l’aide d’un enduit appliqué à la surface, cet enduit devant rester aussi transparent que possible.

De la façade au lavabo

Les chercheurs travaillent le plus souvent avec de l’épicéa et du hêtre, et s’apprêtent à tester leurs premiers prototypes. Le bâtiment de la « House of Natural Resources » (« Maison des ressources naturelles ») de l’EPFZ, en construction sur le campus du Hönggerberg, leur offre un banc d’essai idéal. Le groupe de recherche d’Ingo Burgert accorde la priorité aux méthodes destinées à préserver l’aspect du bois sur la façade. D’autres expérimentations portent sur des éléments en bois dont la forme varie avec l’humidité et qui peuvent dès lors servir de pièces mobiles dans la construction, par exemple pour orienter des panneaux solaires.

Le vaste projet « NEST » prévoit également d’explorer de nouvelles techniques de construction. Un bâtiment modulaire, édifié sur le site du laboratoire d’essai des matériaux (Empa), accueillera des unités d’habitation et de travail, que les scientifiques et les chercheurs feront tester par des hôtes. Contrairement à la Maison des ressources naturelles, le module « Vision Wood: plug&stay » mettra l’accent sur les innovations dans l’aménagement intérieur. L’un des projets d’Ingo Burgert est un évier en bois. Pour le réaliser, il faudrait transformer le bois au point de le rendre hydrofuge - sans l’enduire - pour qu’il ne se déforme pas à l’usage. Un lavabo en bois aurait le mérite de montrer que cette matière première renouvelable pourrait un jour servir à fabriquer bien d’autres objets d’usage courant.

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Dernière modification 26.11.2014

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