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Rôle de l'interface bois-adhésif dans les lames de plancher d'ingénierie

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2008
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La connaissance approfondie d’un matériau ou phénomène est primordiale afin d’assurer un niveau de précision adéquat en modélisation. Les lames de plancher d’ingénierie (LPI) ont fait l’objet de plusieurs études dans le but de mieux en comprendre le comportement mécanique. Les contraintes présentes dans la lame de surface, suite à la formation d’un gradient de teneur en humidité dans l’assemblage, entraînent la déformation de celle-ci. Il apparaît que la section située sous la lame de surface agit comme une barrière au mouvement de l’humidité. Les phénomènes hygromécaniques ayant lieu au niveau de l’adhésif et de l’interface bois-adhésif sont relativement peu connus. Cette section constitue une barrière au mouvement de la vapeur d’eau et joue un rôle important sur les mouvements d’humidité causés par les changements de conditions hygrothermiques de l’air ambiant. Ce manque de connaissances entraîne une estimation grossière des phénomènes qui se produisent dans les matériaux composites laminés à base de bois. Le nombre restreint d’études sur le sujet explique le manque de connaissances concernant la méthodologie à utiliser lors de l’étude des phénomènes en cause. Cette région est notamment complexe et difficile à isoler pour analyse en raison de sa petite taille. Dans le cadre de cette étude, nous avons développé une méthode pour isoler et étudier les propriétés de l’interface bois-adhésif. Cette technique expérimentale a été développée pour améliorer la précision d’un modèle existant visant à prédire les critères de performance des LPI. Des essais ont également été effectués pour déterminer les coefficients d’expansion et de diffusion en régime permanent de cette zone. L’interface à l’étude était composée d’un substrat d’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et d’un acétate de polyvinyle réticulé (XPVAc) à titre d’adhésif. La détermination du coefficient de diffusion de la vapeur d’eau a été effectuée au moyen de cellules de diffusion. Les coefficients d’expansion ont été déterminés en soumettant des spécimens à un cycle de conditionnement. La modélisation a été réalisée avec un code MEF++ qui utilise la méthode des éléments finis. Des LPI ont également été préparées pour des fins de validation du modèle en utilisant les paramètres déterminés en laboratoire. L’érable à sucre a affiché le coefficient de diffusion le plus élevé à 1,66 x 10-11 m2∙s-1 et le film libre de XPVAc le plus faible à 4,18 x 10-12 m2∙s-1. Tel qu’anticipé, le coefficient de diffusion de l’interface bois-adhésif était sensiblement plus élevé que celui pour le film libre de XPVAc mais inférieur à celui de l’érable à sucre à 5,73 x 10-12 m2∙s-1. Les coefficients d’expansion pour l’interface bois-adhésif et le film libre de XPVAc étaient respectivement de 4 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1 et 3 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1. Dans le cas de l’érable à sucre, le coefficient de contraction tangentiel en désorption (3 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1) était inférieur au coefficient d’expansion tangentiel en adsorption (4 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1). Une comparaison des résultats expérimentaux avec ceux obtenus suite à la modélisation a permis de conclure que le fait de considérer les interfaces et l’adhésif dans les plans de colle n’a pas d’effet significatif sur le gauchissement suite aux changements de teneur en humidité des lames de plancher d’ingénierie. La détermination des coefficients de diffusion a confirmé l’importance de l’interface en ce qui concerne le mouvement de la vapeur d’eau. Cependant, le modèle considérant l’interface bois-adhésif n’était pas plus près de la courbe expérimentale que le modèle sans interface. Ce projet a permis de développer une connaissance accrue des phénomènes hygromécaniques des composites multicouches et un accès à un outil de développement de produits hautement efficaces. Un tel outil permet de réduire les temps de développement et les coûts de recherche et développement. Les méthodes développées dans le cadre de ce projet pourront être réutilisées ultérieurement afin de déterminer ces paramètres pour les vernis.
The accuracy of models of the hygromechanical behavior of wood composite products is determined by a detailed analysis of each layer. It appears that the section located between the wood substrate and the adhesive film has a significant impact on moisture diffusion inside the composite, acting as a barrier to water vapor diffusion. The phenomenon is responsible for the development of a moisture gradient inside the composite. In engineered wood flooring (EWF), this gradient causes stress essentially located in the hardwood surface layer which is conditioned by the ambient air, whereas the core and the backing layers absorb or desorb water vapor at a much slower rate. Properties concerning the adhesive film and the type of substrate used are available in the literature but still no data can be found for the wood-adhesive interface. A complete and satisfying microscopic interpretation of this region is not actually available in the literature, not only because of the complexity of the interface formation but also the difficulty to isolate and by the same way analyze it. The objective of this study was to investigate the wood-adhesive interface in EWF. The study investigated the wood-adhesive interface for EWF. The steady-state radial water vapor diffusion and the expansion coefficients were determined for the interface formed by the sugar maple (Acer saccharum Marsh.) substrate and cross-linked polyvinyl acetate adhesive (XPVAc). A diffusion cup was used for the determination of the steady state water vapor flow. The expansion coefficient was obtained by comparing the differences between the sample size for different conditions. The experimental technique was developed to enhance the accuracy of an actual predictive model of product performances. A comparison of the experimental results with those given in the literature showed a good fit. Engineered wood flooring strips had also been realized for the validation part. Sugar maple had the highest diffusion coefficient at 1.66 x 10-11 m2∙s-1 and the free film of XPVAc had the lowest at 4.18 x 10-12 m2∙s-1. As expected, the diffusion coefficient obtained for the wood-adhesive interface is slightly higher than that of pure XPVAc film but lower than that of solid wood at 5.73 x 10-12 m2∙s-1. The tangential coefficient of moisture expansion for the wood-adhesive interface was found to be 4 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1 and 3 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1 for the XPVAc. In the case of sugar maple, the tangential shrinkage coefficient at 3 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1 was slightly lower than the tangential expansion coefficient at 4 x 10-3 mm∙mm-1∙%-1. A comparison of the experimental results, previous modeling results and improved model results are presented. The consideration of the interface effects did not have a significant influence on the hygromechanical distortion of engineered wood flooring. The determination of the diffusion coefficients confirmed the importance of the interface concerning the water vapor movement inside the composite material. However, improved model considering the interface effects was not closer to the experimental curve than the previous model without interfaces.
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