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   Technologie du bois
La composition chimique du bois

De petites molécules forment un grand matériau


Une des principales caractéristiques du bois est certainement son hétérogénéité. Avec la variété d’essences qui existe, dans des régions tempérées ou tropicales, les propriétés sont extrêmement variables.

Cependant, il est intéressant de constater que cette variation est présente à toutes les échelles d’observation. Ainsi, il est nécessaire d’étudier le niveau moléculaire, malgré sa complexité : bien que le matériau présente une base commune au niveau chimique, des variations de structure moléculaires peuvent expliquer certaines propriétés constatées à l’échelle macroscopique, et permettent de diversifier les usages du matériau.

C’est pourquoi les différentes méthodes d’identification des molécules seront tout d’abord détaillées, avant d’aborder les constituants du bois (structures, rôles et proportion dans le matériau ou encore débouchés). Enfin, nous verrons que ces composants sont la cause de multiples propriétés observées.

I Des molécules non visibles, mais identifiables

A une échelle moléculaire, il est nécessaire d’utiliser des techniques avancées pour déterminer de quoi la matière est faite. Ainsi, c’est sur les propriétés des molécules et des fonctions chimiques que se basent les méthodes d’identification actuelles. On peut par exemple parler de deux types de techniques majeures : la spectroscopie et la résonance magnétique nucléaire (RMN) (JODIN, 1994).

Les spectroscopies, focalisées sur une spécialité

Ces méthodes se basent sur l’absorption des longueurs d’onde par les atomes. Ainsi, en faisant passer un faisceau témoin et un même faisceau à travers la structure, en parallèle, on peut comparer ces deux rayons à la sortie de l’appareil. Les photons peuvent être absorbés ou peuvent entraîner des réactions chimiques que l’on peut remarquer. Le passage du faisceau permet donc de révéler la présence de tel ou tel atome ou liaison... Mais comme la lumière peut être divisée en plusieurs catégories, les spectroscopies sont diverses :

-  Ultraviolet (UV) ou visible : elle renseigne sur la présence de doubles liaisons ;

-  Infrarouge : elle renseigne sur les fonctions chimiques, et les liaisons hydrogène ;

-  Rayons X : elle renseigne sur les cristaux.

La RMN : technique complexe et complète

Cette technique plus récente se base sur la capacité des atomes d’hydrogène et de l’isotope1 13 du carbone à s’orienter selon un champ magnétique donné. Ainsi, on obtient des informations sur le nombre de fonctions chimiques composant la molécule, ou encore le nombre d’atomes d’hydrogène dans chaque fonction.

On peut donc tracer un spectre qui permet d’identifier la structure moléculaire d’un constituant.

II La cellulose, un élément petit, mais costaud ...

La cellulose est certainement l’élément constitutif du bois le plus connu. Au même titre que l’arbre à beurre (Karité), la cellulose fait que toutes les essences ligneuses sont en quelque sorte des « arbres à papier ». Environ 40% du bois en est constitué (JODIN, 1994). C’est donc l’élément le plus représenté dans le matériau, et, heureusement, ce n’est pas le plus complexe.

Une chaîne homogène

La cellulose est une substance macromoléculaire de type polysaccharide : c’est donc un enchaînement de sucres. Ces oses sont également tous du même type : il s’agit de molécules appelées bêta-D-glucopyranose, dont la représentation est la suivante :

(JPG)

En tant que stéréoisomère2 de la molécule de glucose, sa formule brute est C6H12O6. Cependant, avec les liaisons qui se créent, les chaînes de cellulose sont une succession d’unités anhydroglucoses, c’est-à-dire la molécule précédente amputée d’une molécule d’eau H2O.

Ainsi, des liaisons peuvent apparaître pour former des cellobioses (2 unités anhydroglucoses, inversées l’une par rapport à l’autre), puis des cellotrioses, puis toute une chaîne de cellulose. Ce cellobiose constitue le réel monomère3 de la cellulose. Des liaisons hydrogène intramoléculaires se créent également, ce qui empêche toute rotation d’un cellobiose par rapport à un autre. Deux cellobioses peuvent aussi se superposer, par création de liaisons hydrogène intermoléculaires (JODIN, 1994). Tout ceci assure une certaine résistance de la molécule entière.

La cellulose est donc un polymère, linéaire et non ramifié. Il est aussi important de noter que, quelle que soit l’essence, la cellulose formée a la même constitution. Seul le nombre d’unités constitutives varie, ce qui génère des fibres de cellulose plus ou moins longues. Mais, cette longueur ne change en rien la disposition de la cellulose au sein de la paroi cellulaire.

Une disposition fonctionnelle ...

La cellulose est présente dans les parois des cellules de bois. Sa disposition varie en fonction de la couche où elle se trouve.

Dans la paroi primaire, les fibres sont désordonnées, ce qui n’assure aucune résistance mécanique. En revanche, dans la paroi secondaire, les microfibrilles de cellulose ont des angles particuliers, ce qui confère des propriétés mécaniques bien différentes. Le tableau suivant représente la proportion de cellulose par couche de la paroi secondaire, ainsi que l’angle des fibres (JODIN, 1994) :

Proportion de cellulose en % Angle des microfibrilles en °
Paroi secondaire couche S1 5 à 10 60 à 80
Paroi secondaire couche S2 85 5 à 30
Paroi secondaire couche S3 5 à 10 60 à 90

Les angles sont donnés par rapport à l’axe de l’arbre. Ceci signifie qu’un angle de 5° correspond à des fibres quasiment verticales. Il existe donc une interaction entre la structure et la fonction, puisque 85% de la cellulose est proche de la verticale pour assurer le soutien de l’arbre. Sans cela, la tige s’écroulerait sous son propre poids. C’est donc une petite molécule qui assure en partie le maintien d’arbres d’une trentaine de mètres de hauteur, voire plus. Elle devait donc être étudiée pour que ses propriétés soient transposables aux utilisations humaines.

... pour faire des papiers.

L’usage de la cellulose par excellence est sans aucun doute la confection de papier. A partir d’une pâte, mécanique ou chimique, on peut aboutir à la production de papiers de tous types. La pâte mécanique, ou pâte à haut rendement, est composée de fibres de bois, sans distinction des différents constituants. C’est le cas pour le papier journal. La pâte chimique, elle, cherche à isoler les fibres de cellulose. C’est ce qu’on utilise largement dans l’édition (JODIN, 1994). Pour faire le papier, il faut cependant ajouter des produits autres pour que le produit obtenu soit résistant et homogène. On peut également rendre le papier plus ou moins imperméable. En conséquence, les papiers existants sont très variés : papier journal, kraft, papier buvard (avec une grande proportion de cellulose qui le rend très absorbant car très hydrophile), ... (JODIN, 1994)

Outre le papier, la cellulose peut entrer dans la composition d’adhésifs ou même de vernis à ongle. La branche du textile est même concernée, puisque la cellulose sert à former de la fibre de viscose.

III Les hémicelluloses : plus compliquées, mais tout aussi utiles

Le bois présente également d’autres composants que la cellulose. Il y a en effet les hémicelluloses que l’on pourrait classer dans une même catégorie, mais qu’il faut tout de même bien distinguer.

Une structure ressemblante mais variable

On peut répertorier différentes hémicelluloses au sein du bois, alors que la cellulose est unique. Cependant, il s’agit également de polysaccharides, mais, qui sont plus courts et composés de divers sucres (JODIN, 1994). Ces co-polymères, malgré leur nombre et leur complexité ne peuvent être négligés. En effet, dans leur globalité, ces molécules représentent environ 30% de la matière ligneuse. Un des moyens existants de les séparer de la cellulose est de les solubiliser dans de la potasse4 KOH.

Une fois isolées, on peut identifier différentes molécules qui les composent. Cependant, d’une essence à l’autre, ces structures ne seront pas nécessairement les mêmes. Ainsi, on peut distinguer les familles des Xylanes (dont l’unité élémentaire est un sucre de type xylose), des Galactanes (avec du galactose) ou encore des Mannanes (avec du mannose) (JODIN, 1994). Il existe également une structure très complexe, dont le nom usuel est Gomme arabique, extrait des essences du genre Acacia spp. (GRAMATICA, ZANARDELLI, 2003).

Dans tous les cas, ces molécules sont ramifiées, ce qui rend leurs associations difficiles. Elles ont cependant un caractère hydrophile assez marqué, et forment aisément des gels. Les propriétés et le nombre de molécules formées permettent ainsi d’envisager de nombreux emplois.

Du bois au nylon ...

Aussi étonnant qu’il puisse paraître, certaines hémicelluloses peuvent conduire à la synthèse de nylon. Ainsi, les forêts d’aujourd’hui peuvent vous fournir les vêtements de demain... Par ailleurs, ces molécules peuvent entrer dans la composition du papier, tout comme la cellulose. Cependant, c’est en tant qu’additifs et non pas composants majoritaires que les hémicelluloses sont utilisées.

Enfin, on peut noter des usages autres, comme les adhésifs. Si on reparle de la gomme arabique, elle sert entre autres au collage « papetier » (étiquettes ...), mais a aussi des emplois en peinture : utilisée par les Egyptiens pour fixer les hiéroglyphes, elle est aujourd’hui partie intégrante du liant de nombreuses gouaches et aquarelles. On lui trouve également des usages thérapeutiques, cosmétiques, voire alimentaires (GRAMATICA, ZANARDELLI, 2003).

IV Qui dit bois, dit matériau ligneux ; qui dit matériau ligneux, dit lignine ...

La lignine est également une structure complexe, mais complètement différente des molécules précédentes. Elle n’est en effet pas composée d’oses, et ses propriétés sont uniques. La lignine représente en moyenne 20 à 40% de la matière ligneuse (JODIN, 1994). Elle est majoritairement présente dans la paroi secondaire des cellules, en proportion. Cependant, en concentration, c’est la lamelle moyenne qui est plus lignifiée.

Différents alcools la composent

La structure de la lignine est très stable, ce qui est en partie dû à ses cycles benzéniques5, et sert à la résistance mécanique du matériau. Il existe trois monomères, qui sont des alcools : alcool coumarylique, alcool coniférylique et l’alcool sinapylique. Leur structure est montrée par le schéma suivant :

(JPG)

Ces alcools peuvent être oxydés pour former des radicaux, qui peuvent se coupler par la suite : les lignines peuvent ainsi être très variées. En outre, on ne peut pas définir une composition exacte, car elle est extrêmement hétérogène. Sa structure varie selon son emplacement, l’individu et son âge... (JODIN, 1994).

Cependant, on peut noter que les lignines de résineux présentent des monomères de type alcool coniférylique uniquement. Chez les feuillus, on trouvera en plus des alcools sinapyliques. Enfin, les plantes annuelles ont des lignines plus complexes, car elles ont les trois types de monomères (JODIN, 1994). Dans tous les cas, on peut définir des mêmes propriétés.

La lignine est naturellement peu appréciée ...

La lignine est une molécule hydrophobe, contrairement à la cellulose. Ainsi, cette molécule n’aime pas l’eau, ce qui permet à la sève de circuler dans les pores, sans causer de problèmes. Par ailleurs, comme l’eau ne peut pas se fixer à cette structure, le bois imbibé dans l’eau reste toujours à la surface (sauf si sa densité naturelle est supérieure à 1) (PRAT, 2005).

Par ailleurs, la lignine sert de lien entre les molécules de cellulose, et assure donc la cohésion et la capacité de soutien (JODIN, 1994). Elle joue aussi un rôle de protection. En effet, les cellulose et hémicelluloses, composées de sucres, sont très attractives pour les champignons et insectes. Cependant, la lignine, elle, est beaucoup plus difficile à biodégrader : certains champignons le peuvent (Ex : Pourritures blanches6 comme Sporotrichum pulverulentum), mais ces pathogènes sont tout de même limités. Cette capacité de défense est assurée par la propriété d‘antioxydant de la molécule.

Enfin, la lignine peut être un ennemi des papetiers et des utilisateurs de bois en extérieur. En effet, elle est sensible à la lumière et donc au rayonnement solaire, ce qui provoque une altération de la couleur. Cependant, il y a à la fois une photocoloration et une photodégradation, qui peut devenir contraignante avec le temps. Pour faire du papier blanc, et pour faire en sorte qu’il le reste, il faut donc extraire le maximum de lignine du matériau initial. Le meilleur exemple est celui du papier journal, qui jaunit après exposition aux UV solaires. Mais pour ce papier qui sert une journée, il n’est pas nécessaire d’avoir du papier de très grande qualité.

... mais peut avoir des avantages

Toujours au niveau papeterie, la lignine est tout de même utile dans le procédé de fabrication. En effet, la lignine est extraite du bois, et forment des liqueurs noires. Celles-ci sont brûlées pour fournir de l’énergie nécessaire à la confection du papier et renouveler les bases nécessaires en début de cycle de fabrication. Ainsi, il n’y a pas besoin d’un apport extérieur d’énergie. Par ailleurs, il est étonnant de constater que la lignine peut aboutir à la formation d’arômes. Plus particulièrement, c’est l’arôme de vanille (ou vanilline) qui peut être synthétisé à partir de cette molécule.

V Les extractibles utiles dans de nombreuses branches

Les extractibles sont des substances très légères (masse molaire inférieure à 3000 g/mol selon DIOUF, EL BAKALI, MERLIN et PERRIN), à l’origine de couleurs, d’odeurs, ou encore de résistances face aux agresseurs biologiques (JODIN, 1994).

De nombreux exemples ...

On peut inclure dans cette catégorie les sels minéraux, nécessaires à la vie de l’arbre. Par ailleurs, on peut parler des terpènes, qui sont des hydrocarbures purs et dont les usages sont multiples. Ces derniers sont composés d’isoprène (JODIN, 1994). Des extractibles connus sont, par exemple, celui que produit l’hévéa, ou arbre à latex : le caoutchouc. Le pin maritime Pinus pinaster produit également une substance appelée Gemme, qui est composée de terpènes et qui fut autrefois exploitée.

Enfin, on peut parler des tanins, hydrolysables ou condensés, qui sont des polyphénols, dont les plus réputés sont les tanins de chêne (JODIN, 1994).

... pour de nombreux usages

Ces tanins servent à la maturation du vin : dans les fûts de chêne, ces extraits provoquent des réactions chimiques, qui améliorent la qualité gustative du vin. Ils peuvent également servir dans la coloration de peaux, ou même la préservation. On retrouve même des tanins dans l’industrie pharmaceutique. Les molécules végétales sont très importantes pour cette industrie, puisqu’un médicament sur deux provient des plantes. Concernant les terpènes, ils servent pour faire des hydrocarbures, d’origine végétale. L’isoprène rentre dans la constitution de caoutchouc de synthèse ou naturels. Quant à la gemme, elle faisait l’objet d’une récolte abondante dans les Landes, au siècle dernier, pour produire de l’essence de térébenthine et la colophane.

VI Des propriétés générales qu’il faut étudier au cas pas cas

A cause de la variabilité naturelle du bois, les essences auront des proportions ou des structures moléculaires différentes. Par exemple, bien que la cellulose ait la même configuration, on préfèrera les fibres de résineux pour faire du papier, car elles sont plus longues et donc plus résistantes.

De même, les proportions varient énormément en quantité, puisque les parois cellulaires ne sont pas toutes de la même épaisseur chez toutes les espèces. Ceci aura d’ailleurs un impact direct sur la densité du matériau, qui, on le sait, est très hétérogène. La présence de bois de réaction peut également modifier la donne. Le bois de tension développe en effet une couche très cellulosique sur la paroi des cellules le composant (JODIN, 1994).

Une étude a également montré que les extractibles n’avaient pas la même efficacité dans tous les bois. Comme les essences produisent des extractibles spécifiques, certains matériaux sont relativement bien protégés face à la photocoloration7, alors que d’autres y sont plus sensibles : certains extractibles ont un pouvoir oxydant plus fort, qui est corrélé à la durabilité du bois face aux UV (DIOUF, EL BAKALI, MERLIN, PERRIN, 2003).

En conclusion, le bois est un matériau complexe. Malgré une structure moléculaire et des propriétés relativement bien connues, il existe une quantité astronomique de configurations possibles, qui rend chaque essence unique. Mais cette variété a su être exploitée à des usages industriels pour confectionner des produits allant des papiers aux adhésifs en passant par les cosmétiques ou encore les médicaments. Il est cependant évident que de nombreuses recherches sont encore nécessaires pour trouver d’autres débouchés et comprendre encore mieux le matériau, utilisé depuis des siècles.

Thibaud SURINI

Bibliographie :

-  DIOUF P.N., EL BAKALI I., MERLIN A., PERRIN D., « Propriétés antioxydantes en solution des substances extractibles du bois ; rôle dans la durabilité de l’aspect coloré d’une essence de bois », Annales des 6èmes Journées scientifiques de la forêt et du bois, CTBA, 2003, pp. 53-60.

-  GRAMATICA C., ZANARDELLI P., « La gomme arabique en œnologie », Revue des œnologues, OENOPLURIMEDIA, n°109, Septembre 2003, pp. 33-35.

-  JODIN P., Le Bois, matériau d’ingénierie, ARBOLOR, Nancy, 1994, 433 p.

-  PRAT R., Université Pierre et Marie Curie, UFR de Biologie, « La constitution chimique du bois - La lignine », lu le 23 Novembre 2005 : http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/bois/09-chimie.htm.



Lexique

1 : Atomes d’un même élément, ayant des nombres de neutrons différents, mais des nombres équivalents de protons et d’électrons ;

2 : Molécules différenciées dans l’espace, mais ayant la même formule brute ;

3 : Molécule constitutive de base : elle peut s’assembler à des molécules identiques pour former un polymère ;

4 : Composé chimique basique, aussi appelé hydroxyde de potassium ;

5 : Structure plane à 6 carbones et à doubles liaisons conjuguées ;

6 : Aussi appelée pourriture fibreuse, elle est provoquée par un champignon qui peut dégrader la lignine et confère au bois un aspect fibreux et blanchâtre ;

7 : Altération de la couleur naturelle du bois, due à une exposition au rayonnement solaire.



Thibaud Surini

 
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