Valorisation des résidus d'écorce de bouleau blanc (Betula papyrifera) sous forme de fabrication de panneaux

Des 3 500 000 tonnes métriques anhydres (TMA) d’écorces produites en 2004 par l’industrie forestière au Québec, 96 000 (soit 2,7% de la masse totale des écorces produites la même année) étaient celles de bouleau blanc. Ces écorces sont en grande partie utilisées dans la production d’énergie alors qu’elles généreraient plus de gains si elles étaient utilisées pour la fabrication de panneaux agglomérés. L’objectif de ce projet de recherche est de mettre sur pied des stratégies permettant d’utiliser efficacement les particules d’écorce de bouleau pour fabriquer différents types de panneaux de masse volumique moyenne qui satisfont les exigences de la norme des panneaux conventionnels. Les essais préliminaires ont laissé entrevoir qu’il était difficile de fabriquer les panneaux de masse volumique moyenne exclusivement à base de ces particules d’écorce, à cause de leur faible taux de cellulose, surtout dans les particules d’écorce externe qui ne fait pas d’elles une matière structurale comme le bois. En outre, la forme granuleuse de la partie interne de cette écorce ne favorise pas l’effet d’entrelacement qui contribue fortement à l’amélioration des propriétés de flexion des panneaux. Également, la forte concentration des subérines dans la partie externe de cette écorce la rend très hydrophobe et sa surface est comme celle du téflon, c'est-à-dire, très difficile à mouiller. Les parties externe et interne de cette écorce ont des propriétés différentes, et pour pallier ces difficultés, la solution idéale consistait à concevoir des panneaux mixtes où ces particules d’écorce seraient renforcées avec les particules, les fibres et les lamelles de bois. Le premier type de panneau mis sur pied est fait d’un mélange de fibres de bois et de particules d’écorce interne de bouleau blanc dans la couche médiane et de fibres de bois dans les couches couvrantes. Le pourcentage de fibres de bois (deux niveaux) et le pourcentage de fibres de bois ajoutées aux particules d’écorce interne de la couche médiane (trois niveaux) constituaient les deux facteurs du dispositif utilisé pour la fabrication de ce type de panneaux. Les panneaux fabriqués ont tous eu des propriétés mécaniques qui rencontraient les exigences de la norme, le panneau avec 25% de fibres de bois dans les couches couvrantes et 9% de fibres de bois ajoutées aux particules d’écorce de la couche médiane ont eu les meilleurs propriétés mécaniques alors que le panneau le plus stable dimensionnellement est celui avec 22% de fibres de bois dans les couches couvrantes et 5% de fibres de bois mélangées aux particules d’écorce de la couche médiane. Quant au second type de panneau, il est constitué de particules d’écorce externe de bouleau blanc dans les couches couvrantes et respectivement de particules et de fibres de bois dans la couche médiane. Les deux facteurs intervenant dans sa fabrication sont le type de matériel dans la couche médiane (particules de bois versus fibres de bois) et le pourcentage de particules d’écorce dans les couches couvrantes. La méthode d’analyse statistique utilisée a permis de sélectionner le panneau avec 45% de particules d’écorce externe de bouleau dans les couches couvrantes et les particules de bois dans la couche médiane comme le meilleur du groupe, surtout en se basant sur le critère de la stabilité dimensionnelle mesurée par la dilatation linéaire. Le troisième type de panneau est un panneau sous-plancher de 8 mm d’épaisseur et densifié à 800 kg/m3. Il est constitué de particules d’écorce externe de bouleau dans les couches couvrantes et de particules de bois dans la couche médiane. Les deux facteurs utilisés pour sa conception sont : le pourcentage de la résine phénol-formaldéhyde (PF) utilisée pour encoller les particules d’écorce des couches couvrantes (trois niveaux de pourcentage) et le traitement des particules d’écorce utilisées (écorce non traitée à la soude versus écorce traitée à la soude). Les particules d’écorce sont traitées afin de mettre en évidence leur impact sur les propriétés des panneaux produits. Le traitement à la soude a diminué les propriétés des panneaux produits en affaiblissant les structures de l’écorce externe de bouleau. Le meilleur panneau du groupe est celui dont les particules d’écorce externe de bouleau non traitées à la soude sont encollées avec le plus bas pourcentage de résine PF. Le dernier type de panneau concerne un panneau mixte avec les particules d’écorce externe de bouleau blanc au centre et les lamelles de bois dans les couches couvrantes. Deux facteurs sont utilisés dans sa mise en place : l’orientation des lamelles dans les couches couvrantes (orientées versus non orientées) et le type de matériel dans la couche médiane (écorce non traitée à la soude, écorce non traitée à la soude plus 10% de fibres de bois, écorce traitée à la soude). Le traitement à la soude n’a pas produit les effets escomptés (amélioration des propriétés mécaniques). L’analyse statistique utilisée dans un plan factoriel en blocs complets a permis de déterminer le meilleur panneau comme étant celui avec les particules d’écorce non traitées à la soude et sans ajout de fibres de bois. La méthode mise sur pied pour les fabrications des quatre types de panneaux mixtes susmentionnés permet de valoriser plus de 50% (par rapport à la masse anhydre totale des particules utilisées pour fabriquer le panneau) de particules d’écorce de bouleau blanc par panneau fabriqué, ce qui conforte l’idée d’employer de façon judicieuse cette écorce comme source alternative d’approvisionnement en matière première pour les usines de panneaux.In the year 2004 alone, 96 000 dry metric tons (DMT) of white birch bark were produced by forest industries in Quebec. This constituted approximately 2.7% of total bark production for the region. These barks which are mostly used for energy production would have generated more benefits had they been used for agglomerated panels manufacture. The objective of this research project was to set up strategies which will make possible to effectively use bark particles of white birch, for the manufacture of various types of medium density panels that meet the standard requirements of particleboards. The preliminary tests revealed that, it was difficult to manufacture medium density panels based on bark particles exclusively, due to the following disadvantages. (1): their low cellulose content, especially on the outer bark particles, does not make them a structural material like wood; (2): the granular form of the inner bark does not contribute to the interlacing effects, which strongly contribute to the improvement of panels bending properties; (3): the high concentration of suberins on the outer bark makes it very hydrophobic with a surface similar to teflon which is very difficult to wet; and (4): the outer and inner parts barks have different properties. In the face of such difficulties, the ideal solution consisted in designing mixed panels where these bark particles will be reinforced with wood particles, wood fibres and wood strands. The first panel type was set up - a mixed panel with wood fibres in the surface layers, and a mixture of wood fibres and inner bark particles of white birch in the core layer. The percentage of wood fibres (two levels) and the percentage of wood fibres added to the inner bark particles in the core layer (three levels) were the two panels manufacturing factors. All manufactured panels fulfilled the standard requirements for all mechanical properties. Panel with 25% wood fibres in the surface layers and 9% wood fibres mixed with bark particles in the core layer had the best mechanical properties, while panel with 22% wood fibres in the surface layers and 5% wood fibres mixed with bark particles in the core layer was the most dimensionally stable. The second panel type is composed of outer bark particles of white birch in the surface layers and wood material in the core layer. The two manufacturing factors were: the type of wood material in the core layer (wood particles versus wood fibres) and the percentage of outer bark particles in the surface layers. The statistical analysis method used made possible to select the panel with 45% outer bark particles of white birch in the surface layers and wood particles in the core layer as the best, especially by taking into account the dimensional stability criterion based on linear expansion measurement. The third panel type was a sub-flooring panel with a thickness of 8 mm and a density of 800 kg/m3. It was composed of outer bark particles in the surface layers and wood particles in the core layer. The two factors used for its experimental design were: the percentage of phenol-formaldehyde resin (PF) used to bond bark particles of surface layers (three levels of percentage) and the treatment of bark particles used (untreated bark versus bark treated with soda). The bark particles were treated in order to highlight their impact on the properties of manufactured panels. The alkali treatment lowered the properties of manufactured panels because soda treatment weakened the structures of outer bark particles of white birch used. The best panel was that with untreated outer bark particles of white birch, bonded with the lowest percentage of PF (5%). The last panel type was a mixed panel with outer bark particles of white birch in the core layer and wood strands in the surface layers. Two factors were used in its setting-up: the orientation of strands in the surface layers (oriented versus not non oriented) and the type of material in core layer (untreated bark particles, a mix of untreated bark particle and 10% wood fibres, bark particle treated with soda). The alkali treatment did not produce the expected effects (improvement of panels’ mechanical properties). The statistical analysis used in a factorial design in complete blocks made possible to choose the panel with untreated outer bark particles without wood fibres addition as the best. The method used to manufacture the above-mentioned mixed panels permitted to add higher proportion of white birch bark particles in each manufactured panel. The result of the present research project demonstrates that, bark particles of white birch, could be an alternative source of raw material supply for wood-based composite mills

Propiedades físicas y mecánicas de paneles a base de partículas de corteza externa de abeto blanco: Mezcla de paneles con partículas de madera versus fibra de madera

El uso de la corteza externa de abeto blanco en la fabricación de canoas por las primeras naciones de Canadá es un ejemplo de su uso más antiguo. Esto confirma sus características hidrófugas, la cual puede ser explotada mediante su uso en la superficie del panel compuesto de 3 capas para protegerlo de filtraciones de humedad. Estos tableros fueron fabricados con partículas de corteza externa en las capas superficiales, y con partículas gruesas o fibras de madera en el corazón. Un experimento factorial en un diseño de bloque completo hizo posible realizar el diseño de experimento. Los dos grandes factores considerados, fueron el porcentaje de corteza en las capas superficiales con 3 niveles y el tipo de material usado en el corazón, con dos niveles respectivamente (partículas y fibras de madera). Cuatro réplicas fueron hechas para cada panel. Sólo los tableros con partículas gruesas de madera en el corazón pasaron todas las pruebas físicas satisfaciendo los requerimientos del interior de los tableros de partículas. Paneles con 45% de partículas de corteza en la superficie y 55% de partículas de madera en el corazón fueron seleccionados como los mejores, debido a su buena estabilidad dimensional. AbstractThe use of outer white birch bark in canoes is an example of its oldest use by the first nations in Canada. This use confirms the hydrophobic characteristics of this bark, which can be capitalized on by using it in the outer layers of three-layer mixed composite panels in order to protect them from water infiltration from their surface. These panels were made up of outer white birch bark particles in the surface layers with coarse wood particles or wood fibres in the core layer. A factorial experiment used in a complete block design permitted to carry a suitable statistical analysis of measured properties. The two main considered factors were respectively the bark percentages in the surface layers with three levels and the type of material used in the core with two levels. Four replicates were done for each panel. The panels with wood particles in the core layer gave physical and mechanical properties satisfying the indoor requirements for particleboards and those with wood fibres in the core layer passed the requirement of medium fibres density board. Panel with 45% bark particles in the surface and 55% wood particles in the core was selected as the best because of its good dimensional stability

PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF PANEL BASED ON OUTER BARK PARTICLES OF WHITE BIRCH: MIXED PANELS WITH WOOD PARTICLES VERSUS WOOD FIBRES

The use of outer white birch bark in canoes is an example of its oldest use by the first nations in Canada. This use confirms the hydrophobic characteristics of this bark, which can be capitalized on by using it in the outer layers of three-layer mixed composite panels in order to protect them from water infiltration from their surface. These panels were made up of outer white birch bark particles in the surface layers with coarse wood particles or wood fibres in the core layer. A factorial experiment used in a complete block design permitted to carry a suitable statistical analysis of measured properties. The two main considered factors were respectively the bark percentages in the surface layers with three levels and the type of material used in the core with two levels. Four replicates were done for each panel. The panels with wood particles in the core layer gave physical and mechanical properties satisfying the indoor requirements for particleboards and those with wood fibres in the core layer passed the requirement of medium fibres density board. Panel with 45% bark particles in the surface and 55% wood particles in the core was selected as the best because of its good dimensional stability

PROPERTIES OF BIRCH OUTER BARK PANELS REINFORCED WITH WOOD STRANDS IN THE SURFACE LAYERS

The high demand of wood as a raw material can be expected to soon lead to a severe shortage, resulting in drastic competition between various mills. This competition will be worsened by a restriction of forest cuttings in Quebec. One of the solutions to this problem would be to develop a mixed panel in which the strands of core layer are substituted by outer bark particles, and in this particular case, by particles of white birch. This type of panel could be used as siding panels and for the fabrication of boxes, bins, and commercial shelving. The objective of the present research work concerns the design, the manufacture, and the evaluation of mechanical and physical properties of this type of panel. Two manufacturing factors were taken into account: the strands orientation in the face layers and the alkali treatment made on the bark particles used in the core layer. All produced mixed panels met and exceeded almost all CAN3-0437 R-1 and O-1 property requirements. The alkali treatment of bark particles did not improve the mechanical properties of manufactured panels. The statistical analysis method that was used made it possible to choose the panel with non-oriented wood strands in the surface layers and alkali treated bark particles in the core layer as the best by taking into account only the bending strengths in both major and side axes of a panel

Propiedades físicas y mecánicas de paneles a base de partículas de corteza externa de abeto blanco: Mezcla de paneles con partículas de madera versus fibra de madera

The use of outer white birch bark in canoes is an example of its oldest use by the first nations in Canada. This use confirms the hydrophobic characteristics of this bark, which can be capitalized on by using it in the outer layers of three-layer mixed composite panels in order to protect them from water infiltration from their surface. These panels were made up of outer white birch bark particles in the surface layers with coarse wood particles or wood fibres in the core layer. A factorial experiment used in a complete block design permitted to carry a suitable statistical analysis of measured properties. The two main considered factors were respectively the bark percentages in the surface layers with three levels and the type of material used in the core with two levels. Four replicates were done for each panel. The panels with wood particles in the core layer gave physical and mechanical properties satisfying the indoor requirements for particleboards and those with wood fibres in the core layer passed the requirement of medium fibres density board. Panel with 45% bark particles in the surface and 55% wood particles in the core was selected as the best because of its good dimensional stability.El uso de la corteza externa de abeto blanco en la fabricación de canoas por las primeras naciones de Canadá es un ejemplo de su uso más antiguo. Esto confirma sus características hidrófugas, la cual puede ser explotada mediante su uso en la superficie del panel compuesto de 3 capas para protegerlo de filtraciones de humedad. Estos tableros fueron fabricados con partículas de corteza externa en las capas superficiales, y con partículas gruesas o fibras de madera en el corazón. Un experimento factorial en un diseño de bloque completo hizo posible realizar el diseño de experimento. Los dos grandes factores considerados, fueron el porcentaje de corteza en las capas superficiales con 3 niveles y el tipo de material usado en el corazón, con dos niveles respectivamente (partículas y fibras de madera). Cuatro réplicas fueron hechas para cada panel. Sólo los tableros con partículas gruesas de madera en el corazón pasaron todas las pruebas físicas satisfaciendo los requerimientos del interior de los tableros de partículas. Paneles con 45% de partículas de corteza en la superficie y 55% de partículas de madera en el corazón fueron seleccionados como los mejores, debido a su buena estabilidad dimensional

PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF PANEL BASED ON OUTER BARK PARTICLES OF WHITE BIRCH: MIXED PANELS WITH WOOD PARTICLES VERSUS WOOD FIBRES PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE PANELES A BASE DE PARTÍCULAS DE CORTEZA EXTERNA DE ABETO BLANCO: MEZCLA DE PANELES CON PARTÍCULAS DE MADERA VERSUS FIBRA DE MADERA

The use of outer white birch bark in canoes is an example of its oldest use by the first nations in Canada. This use confirms the hydrophobic characteristics of this bark, which can be capitalized on by using it in the outer layers of three-layer mixed composite panels in order to protect them from water infiltration from their surface. These panels were made up of outer white birch bark particles in the surface layers with coarse wood particles or wood fibres in the core layer. A factorial experiment used in a complete block design permitted to carry a suitable statistical analysis of measured properties. The two main considered factors were respectively the bark percentages in the surface layers with three levels and the type of material used in the core with two levels. Four replicates were done for each panel. The panels with wood particles in the core layer gave physical and mechanical properties satisfying the indoor requirements for particleboards and those with wood fibres in the core layer passed the requirement of medium fibres density board. Panel with 45% bark particles in the surface and 55% wood particles in the core was selected as the best because of its good dimensional stability.El uso de la corteza externa de abeto blanco en la fabricación de canoas por las primeras naciones de Canadá es un ejemplo de su uso más antiguo. Esto confirma sus características hidrófugas, la cual puede ser explotada mediante su uso en la superficie del panel compuesto de 3 capas para protegerlo de filtraciones de humedad. Estos tableros fueron fabricados con partículas de corteza externa en las capas superficiales, y con partículas gruesas o fibras de madera en el corazón. Un experimento factorial en un diseño de bloque completo hizo posible realizar el diseño de experimento. Los dos grandes factores considerados, fueron el porcentaje de corteza en las capas superficiales con 3 niveles y el tipo de material usado en el corazón, con dos niveles respectivamente (partículas y fibras de madera). Cuatro réplicas fueron hechas para cada panel. Sólo los tableros con partículas gruesas de madera en el corazón pasaron todas las pruebas físicas satisfaciendo los requerimientos del interior de los tableros de partículas. Paneles con 45% de partículas de corteza en la superficie y 55% de partículas de madera en el corazón fueron seleccionados como los mejores, debido a su buena estabilidad dimensional

Properties of white birch (Betula papyrifera) outer bark particleboards with reinforcement of coarse wood particles in the core layer

$\bullet$ This study proposes substituting traditional raw materials in the surface layers of wood particleboards with the water resistant white birch (Betula papyrifera) outer bark particles, which can help improve the dimensional stability of manufactured mixed particleboards, thereby alleviating shortages of raw material in a cost-efficient manner. $\bullet$ Mixed particleboards were fabricated in the laboratory using untreated or alkali treated white birch outer bark particles as substitute material. These particles were resinated successively with three percentages of phenol-formaldehyde resin. Overall, the results of this study clearly demonstrate that the panels could be manufactured using up to 45% of the proposed substitute material and still maintain the required mechanical and physical properties. $\bullet$ Alkali treatment was used to remove natural wax from bark particles surface which hinders resin adhesion. This treatment negatively affected mechanical and physical properties of finished panels and the variation of phenol-formaldehyde resin percentage in the bark particles significantly affected only their hardness. $\bullet$ Panel with untreated bark particles in the surface layers, resinated with 5% phenol-formaldehyde resin was selected as the best with the help of a statistical analysis carried out in a factorial complete block design, especially from the dimensional stability criterion.Propriétés des panneaux d'écorce externe de bouleau blanc (Betula papyrifera) avec renfort de particules grossières de bois dans la couche médiane. $\bullet$ L'objet de cette étude est de substituer la matière première traditionnelle dans les couches couvrantes des panneaux de particules conventionnelles par les particules hydrophobes d'écorce externe de bouleau blanc (Betula papyrifera) qui peuvent aider à améliorer la stabilité dimensionnelle des panneaux mixtes produits et ainsi permettre d'alléger la pénurie de la matière première d'une manière rentable. $\bullet$ Les panneaux de particules mixtes ont été fabriqués à l'échelle du laboratoire en utilisant les particules d'écorce externe de bouleau blanc non traitées ou traitées à la soude comme matériel de substitution. Ces particules ont été encollées successivement avec trois pourcentages de colle phénol-formaldéhyde. Les résultats de cette étude démontrent d'un bout à l'autre que les panneaux pourraient être fabriqués en utilisant jusqu'à 45 % de matière de substitution proposée et maintenir toujours les exigences des propriétés mécaniques et physiques. $\bullet$ Le traitement à la soude a été utilisé afin d'enlever la cire naturelle de la surface des écorces qui empêche l'adhésion de la colle. Ce traitement a affecté négativement les propriétés mécaniques et physiques des panneaux produits et la variation du pourcentage de la colle phénol-formaldéhyde dans les particules d'écorce a affecté leur dureté de manière hautement significative. $\bullet$ Le panneau avec les particules d'écorce non traitées dans les couches couvrantes et encollées avec 5 % de phénol-formaldéhyde a été sélectionné comme le meilleur à l'aide d'une analyse statistique faite dans un plan factoriel en blocs complets, en se basant sur le critère de la stabilité dimensionnelle