R.L. Youngs
Robert L Youngs est professeur au Département des sciences du bois et des produits forestiers de l'Institut polytechnique de Virginie et de l'Université d'Etat de Blacksburg, Virginie.
Une analyse des tendances en matière de recherche sur les produits forestiers ligneux et fibreux, axée sur les travaux menés aux Etats-Unis.
La recherche sur les produits forestiers vise à renforcer la base économique qui donne aux forêts leur valeur économique la plus directe; son but est donc de permettre de tirer profit des diverses ressources forestières grâce à leur exploitation efficace, rentable et respectueuse de l'environnement, leur transformation et leur commercialisation. A long terme, la forêt sera protégée et entretenue dans la mesure où les législateurs, les économistes et les décideurs sont convaincus qu'elle constitue un réel atout économique. Si la recherche est incapable de les en persuader, elle n'est pas efficace.
La recherche sur les produits forestiers doit être dynamique, de manière à s'adapter à l'évolution des besoins et des capacités de la forêt et de l'industrie forestière. Le bois d'œuvre dont sont tirés les produits est très différent d'il y a quelques décennies à peine, et les plantations et les zones reboisées sont toujours plus destinées à l'approvisionnement en bois. La technologie de fabrication des produits forestiers évolue et l'ordinateur devient partie intégrante des usines; il permet d'évaluer les produits, de contrôler la fabrication, d'analyser, de dresser des inventaires et de transmettre des informations. Les normes de qualité applicables aux produits forestiers deviennent plus rigoureuses, et les attentes des consommateurs plus strictes.
Le monde de la recherche sur les produits forestiers a beaucoup changé par rapport à il y a 100, 50 ou même 20 ans. Souvent, le chercheur passe plus de temps devant un ordinateur que derrière un microscope ou une machine d'essais. En outre, il a des contacts plus étroits avec les administrateurs et les industriels de la foresterie, ainsi qu'avec des collègues qui travaillent dans des domaines apparentés, techniques ou scientifiques. Les moyens de communication modernes rendent possibles ces échanges. L'évolution de la gestion forestière, les besoins en matière d'exploitation du bois, la sensibilisation à l'environnement et l'ingénierie et les sciences connexes les rendent indispensables.
La recherche sur les produits forestiers aux Etats-Unis est menée dans les secteurs tant public que privé, et la coopération entre les deux ne cesse de se développer. Les instituts du secteur public consacrent quelque 60 à 70 millions de dollars U.S. par an à la recherche forestière. Celle-ci est axée principalement sur le bois massif et les composites, surtout dans les universités, mais elle couvre aussi des domaines fondamentaux liés à l'exploitation industrielle du bois. Il est impossible de comparer précisément les investissements dans la recherche au niveau des universités d'Etat et au niveau des instituts fédéraux, en raison de la présentation différente des budgets; toutefois, il semble que les universités absorbent environ 60 pour cent de la totalité des fonds destinés au secteur public, et qu'une grande partie des ressources allouées au niveau fédéral soient destinées spécifiquement à la recherche universitaire.
Aux Etats-Unis, une quarantaine d'universités mènent au moins quelques activités de recherche sur les produits forestiers. Ces recherches occupent au moins une partie du temps d'environ 200 universitaires et un nombre plus important d'agents auxiliaires et d'étudiants licenciés. Les capacités couvrent toute la gamme de la science et de la technologie du bois et du papier, avec un intérêt spécifique pour le traitement du bois.
La recherche fédérale concernant les produits forestiers relève en grande partie du Service des forêts du Département de l'agriculture. Le Laboratoire des produits forestiers de Madison, Wisconsin, en est le principal responsable, des activités complémentaires étant menées dans plusieurs stations expérimentales régionales. Environ 120 scientifiques et de nombreux agents auxiliaires se consacrent activement à ces recherches.
La plus grande partie des activités de recherche-développement concernant l'industrie forestière est axée sur le secteur de la pâte et du papier; on estime à environ 1 milliard de dollars le budget qui lui est consacré chaque année, contre peut-être 60 à 70 millions de dollars pour l'industrie du bois massif. Il n'existe pas de distinction nette entre recherche et développement, mais la part du développement est sans doute plus importante.
Au cours de ces dernières années, la recherche s'est caractérisée par un développement de la coopération et de la collaboration entre l'industrie, les universités et les organismes fédéraux de recherche. Cette coopération est menée par le biais de consortiums (par exemple pour le dépulpage biologique à Madison) et de centres (recherche sur les palettes et la commercialisation à l'Institut polytechnique de Virginie et sur le commerce international à l'Université de Washington). Dans le cadre de ces échanges, des crédits fédéraux considérables, outre ceux alloués spécifiquement aux universités, viennent appuyer la recherche coopérative dans les universités. De même, une grande partie de la recherche industrielle s'effectue en coopération avec les laboratoires universitaires et fédéraux.
Alors que l'époque est aux budgets serrés, la recherche suscite de grands espoirs parmi les instituts qui s'y consacrent, l'industrie forestière et les autres utilisateurs de ses résultats. De plus en plus, il est vital que la recherche soit adaptée aux besoins réels et puisse y répondre de manière concrète. On décrit ci-après certaines des tendances de la recherche sur les produits forestiers menée répondre aux objectifs énoncés plus haut, et on les illustre concrètement.
Technologie de la transformation
Une des grandes tendances de la recherche et de la technologie est l'amélioration du contrôle en cours de fabrication afin d'obtenir des produits plus uniformes aux caractéristiques bien précises. La recherche en laboratoire ou en coopération avec l'industrie des produits forestiers vise à trouver des moyens d'intégrer dans les systèmes de production les innovations en matière d'électronique, d'essais non destructifs, de tomographie (scannage à plan simple), de techniques ultrasons, etc. L'introduction de systèmes experts cognitifs est venue s'ajouter récemment à cette tendance; ainsi, les connaissances d'experts réputés dans divers domaines sont programmées sur ordinateur et on peut y faire appel, si besoin est, pour résoudre des problèmes de fonctionnement et de production (Youngs, 1990). Les recherches menées dans ce domaine par l'Université A&M du Texas sont particulièrement remarquables.
Par ailleurs, la recherche et la technologie visent essentiellement à économiser l'énergie et à lutter contre la pollution de l'environnement. Dans le même temps, des activités de recherche - développement s'intéressent à la mise en place de processus souples pouvant être modifiés en fonction des besoins des clients, pour produire, par exemple, des petits lots sur commande plutôt que de grands lots sur inventaire.
Les recherches menées dans les pays nordiques tiennent toujours plus compte de la nécessité de maintenir la compétitivité des prix et de la qualité des produits ligneux. Nombre de ces produits passent désormais directement du producteur à l'utilisateur final, mais c'est le coût final du produit qui détermine son acceptabilité sur le marché. C'est pourquoi la recherche s'est attachée à trouver des moyens efficaces d'élaborer des systèmes complets de meubles, de châssis de fenêtre et autres, souvent sous forme d'unités préfabriquées, préfinies et prêtes à l'emploi. Cette tendance suit l'évolution de l'industrie, qui de compagnies indépendantes fabriquant des produits entiers est passée à une multitude de compagnies spécialisées fabriquant des éléments qui sont ensuite assemblés (Birkeland, 1992).
Scieries et bois de sciage
La technologie concernant le passage des grumes sous la scie de tête et l'acheminement des bois de sciage dans l'usine est le domaine de recherche - développement le plus prometteur en matière d'amélioration de la productivité et de contrôle en cours de fabrication. Depuis les années 70, les scieries de bois tendre du nord-ouest des Etats-Unis connaissent de graves problèmes, concernant tant les ressources que la rentabilité. Les usines conçues pour l'exploitation du bois vieux de grande taille ont dû exploiter de plus en plus des petites grumes de deuxième venue, nécessitant plus de manipulation, de sciage et de travail par unité de production. Il fallait trouver le moyen d'accélérer les opérations et de les rendre plus rentables sans sacrifier la qualité et le volume de production. La recherche sur les opérations de scierie a élaboré le concept de «meilleure surface de coupe», qui a été adapté rapidement au scannage automatique et à la prise de décision informatisée. Ce concept se fonde sur les travaux précurseurs du Laboratoire des produits forestiers de Madison, qui ont permis de constater que l'orientation de la grume quand elle passe sous la scie principale pour la première coupe («angle de coupe») est déterminante pour la production de bois de sciage. A partir de cette découverte, les fabricants de matériel ont mis au point des scanners et des équipements informatiques; les experts les ont intégrés dans des processus efficients; les systèmes ont été assemblés et une nouvelle ère s'est ouverte pour la fabrication de bois de sciage tendre.
La recherche s'efforce maintenant d'élaborer des technologies permettant de déceler les défauts et les irrégularités du bois (voir photo 1). L'application concrète des principes mis au point devrait bientôt avoir une incidence décisive sur la production de bois de sciage tendre et dur, lorsqu'ils seront assez rapides pour être utilisés en ligne à la cadence opérationnelle élevée qui caractérise les usines d'aujourd'hui. Cette technologie permettra de calibrer de manière souple le bois de sciage en fonction des clients ou des fabricants de produits spécialisés. De cette simple opération de calibrage, on pourra passer au traitement automatique, de manière à supprimer ou à remédier aux imperfections et à répondre à des normes prédéterminées. La recherche menée à l'Institut polytechnique de Virginie, à l'Université d'Etat du Michigan et à l'Université de Virginie occidentale pourrait rendre possible ce genre d'activités. La croissance rapide des échanges internationaux de bois de sciage offrira des débouchés exceptionnels à ce type de calibrage et de triage.
Bois de construction
La recherche menée dans les années 50 et 60 sur les procédés automatiques d'évaluation de la résistance du bois de sciage pour la construction a abouti à la production, à la normalisation et à l'utilisation commerciale de machines d'évaluation de la résistance (voir photo 2). Ces machines sont désormais utilisées en de nombreux endroits du monde et sont considérées comme un moyen acceptable et rapide de définir la qualité du bois de sciage destiné à la construction. Ces machines permettent généralement d'évaluer plus précisément la dureté et la résistance que les systèmes visuels utilisés couramment. On commence à élargir cette méthode aux panneaux. De nombreuses activités de recherche, en particulier à l'Université d'Etat de Washington, se sont récemment concentrées sur l'application des méthodes d'essais non destructifs pour déceler la pourriture et évaluer sur place les structures de bois (Ross et Pellerin, 1991).
PHOTO 1. Analyseur d'images pour la détection en ligne des défauts
Grâce à l'évaluation plus précise des capacités du bois de construction, il est possible d'utiliser le matériau de manière plus efficace et plus rentable (photo 3). Les projets fondés sur la fiabilité, qui font appel à la connaissance des variations des propriétés du matériau et l'appliquent de manière statistique pour déterminer la probabilité de défaillance dans des conditions données, deviennent la norme pour la plupart des matériaux de construction. Il n'en va pas ainsi pour le bois, pour lequel on s'appuie encore largement sur des approches traditionnelles. Cependant, les chercheurs en ingénierie du bois du Laboratoire des produits forestiers de Madison et plusieurs universités mettent actuellement au point des méthodes pour appliquer ce concept aux constructions en bois, de manière à tirer parti des capacités considérables de ce matériau. L'analyse des risques et les critères de résistance au feu constituent des applications particulièrement importantes.
Un autre élément clé lorsque l'on utilise du bois de construction est l'assemblage des éléments de manière à former une structure intégrée. Les défaillances des structures de bois arrivent souvent au niveau des assemblages plutôt que du bois lui-même. La recherche porte sur les assemblages constitués de clous, de boulons, de vis et de raccords de bois spécialisés qui améliorent considérablement la fiabilité des structures, des palettes aux constructions lourdes, en passant par les édifices légers (Winistorfer, 1992). Des recherches significatives sont effectuées dans ce domaine à l'Institut polytechnique de Virginie et au Laboratoire des produits forestiers de Madison.
Elargir la base de ressources
Il est admis depuis de nombreuses années que les espèces sous-utilisées ou moins connues qui poussent dans les mêmes régions que les espèces commerciales les plus prisées permettraient de freiner la surexploitation de ces dernières et d'élargir la base de ressources tout en améliorant l'utilisation durable des forêts pour leurs multiples avantages. La recherche a rassemblé des informations sur nombre de ces espèces sous - utilisées, en tenant compte du fait que pour beaucoup d'entre elles les caractéristiques d'usinabilité, de séchage, de finissage, de collage et de rétractibilité peuvent être plus importantes que leur résistance. Des compilations de ces informations sont disponibles et on s'efforce de commercialiser ces espèces (Supin, 1992; Youngs et Wang, 1992).
L'industrie du bois de charpente et la construction d'habitations sont traditionnellement inséparables. Toutefois, l'attention se tourne à présent vers le marché de la construction non résidentielle. Les ingénieurs et les architectes qui mettent au point des produits pour ce marché associent les résultats de plusieurs domaines de recherche; ils s'efforcent ainsi d'adapter les matériaux en vue de l'utilisation efficace et rentable d'une base de ressources plus large que celle exploitée auparavant pour produire du bois de construction de grande taille (voir photo 4). On peut citer à titre d'exemple les fermettes utilisant des éléments lamellés et des poutres préfabriquées en I avec des membrures en placage lamellé et des âmes de panneaux en dur (voir photo 5), du bois à fibres orientées ou du contreplaqué (Moody et Collet, 1992).
PHOTO 2. Evaluation automatique de la résistance du bois de sciage
PHOTO 3. Mise en place d'une armature
La fabrication se tourne vers les bois durs sous-utilisés et les bois tendres de petite taille qui sont abondamment disponibles. Ce changement s'explique en partie par la moindre rentabilité des produits ligneux traditionnellement utilisés en construction, tels que les bois de sciages-échantillons et les panneaux. Aux Etats-Unis, le tulipier d'Amérique (Liriodendron tulipifera) commence à être calibré et utilisé pour les constructions, notamment sous forme de bois lamellé-collé.
PHOTO 4. Pont de chêne rouge lamellé-collé
PHOTO 5. Poutres préfabriquées en i avec membrures collées - lamellées
PHOTO 6. Maison préfabriquée construite en eucalyptus de plantation âgé de six ans
Au Brésil, où le déboisement soulève des problèmes écologiques, principalement dans le secteur agricole, les activités de recherche visent à améliorer l'exploitation de l'eucalyptus cultivé en plantation. On estime que 30 à 40 pour cent du bois utilisé au Brésil aujourd'hui viennent de plantations industrielles (De Freitas, 1992). De ce fait, les grumes sont de petites tailles et les cadences de transformation élevées. La recherche s'attache à surmonter les facteurs techniques qui empêchent de parvenir à une production rentable et de qualité supérieure dans ces conditions. A titre d'exemple, grâce aux résultats des recherches menées à l'Instituto de Pesquisas Tecnológicas de Sao Paulo, on utilise des eucalyptus âgés de six ans pour les habitations (photo 6), l'ameublement (photo 7) et divers éléments de construction (photo 8) (De Freitas, 1992).
Matériaux composites et produits collés
Le concept de systèmes de produits, ainsi que les différents éléments qui les composent, mérite une attention particulière de la part de la recherche et de ses applications. Les produits composites, sous leurs diverses formes, sont particulièrement appropriés en raison de leur souplesse de conception et de transformation. Ces produits comprennent les parquets, les toits, les murs, les fondations ou même l'ensemble de la maison, en utilisant les matériaux composites, en les associant éventuellement à du bois massif, du papier de construction ou des matériaux non ligneux.
On s'intéresse toujours plus aux produits associant le bois et les fibres de verre, les fibres de polyester ou d'autres matériaux non ligneux, car ils permettent d'améliorer les propriétés exceptionnelles du bois en fonction d'applications spécifiques. On commence à utiliser des panneaux à base de bois agglomérés avec du ciment ou du gypse pour offrir à la fois une résistance structurelle et une résistance au feu. Des propriétés telles que l'instabilité et la sensibilité à la dégradation peuvent être améliorées en modifiant la structure chimique de la membrane de la cellule du bois (Rowell, 1992). Des recherches dans ce domaine sont menées actuellement à l'Université d'Idaho, à l'Université d'Etat de Washington et dans le Laboratoire des produits forestiers de Madison.
Les recherches entreprises dans les années 60 et 70 sur l'utilisation de colles de placage sur le bois très absorbant du pin des marais aux Etats-Unis ont donné naissance à l'industrie du contreplaqué à partir de ce matériau; cela a permis d'élargir considérablement la base de ressources pour les contreplaqués en bois tendre. Plus récemment, la recherche aux Etats-Unis et au Canada a fourni une base solide à l'industrie du carton grâce à l'utilisation de particules dans la fabrication de panneaux de construction remplaçant le contreplaqué. La recherche sur l'amélioration des procédés de fabrication du carton se poursuit. Citons par exemple la nouvelle méthode de pressage par injection de vapeur, qui permet d'accroître la productivité tout en réduisant considérablement le temps de pressage.
La recherche sur les composites s'intéresse également aux possibilités offertes par les ressources tirées du bois recyclé. Des millions de tonnes de fibres ligneuses venant de l'équarrissage du bois, des résidus industriels, des déchets de démolition, des palettes usagées et des effluents de papeterie, qui encombrent actuellement les décharges, pourraient fournir de la matière première à des applications productives. Parmi les exemples de matériaux composites à valeur ajoutée obtenus à partir de déchets recyclés figurent les composites ligneux-non ligneux, les produits de fibres ligneuses travaillés à sec, les produits de construction travaillés à l'état humide et les composites fabriqués avec des liants minéraux de gypse, de ciment Portland et de ciment à la magnésie (Hamilton et Laufenberg, 1992; Wegner, Youngquist et Rowell, 1992).
Pâte et papier
Beaucoup plus que l'industrie du bois massif ou des composites, l'industrie de la pâte et du papier est un produit de la recherche. Les premières recherches, inspirées par l'accroissement rapide de la demande de papier et le fléchissement des approvisionnements de chiffons (principale matière première à l'époque), ont donné les procédés à la soude et au sulfite, ainsi que la technique de broyage du bois, qui permettent de fabriquer de la pâte. Le dernier procédé est encore aujourd'hui très utilisé pour la pâte destinée au papier journal. Des recherches plus récentes ont permis d'améliorer les techniques grâce à des traitements chimiques et/ou thermiques qui augmentent l'efficacité et le rendement du défibrage, tout en préservant la qualité supérieure du papier.
Grâce aux recherches sur le séchage par pressage en papeterie, qui permet d'améliorer la liaison des fibres et la résistance du papier, on peut fabriquer du papier kraft fort à partir de bois dur à fibres courtes. En apportant de nouvelles améliorations au dépulpage mécanique et à ses variantes, il serait possible d'accroître les rendements pour ce type de papier, qui passeraient de 50-55 pour cent à 85-95 pour cent (Lange, 1992).
La recherche sur le métabolisme de la lignine des moisissures responsables de la pourriture blanche ouvre de nouveaux horizons prometteurs. Des études sur la chimie et sur le mécanisme d'élimination de la lignine par Phanerochaete chrysosporium et quelques autres agents de la pourriture blanche montrent que le dépulpage biologique pourrait remplacer les produits chimiques utilisés jusque-là. On envisage de recourir à cette méthode pour développer le dépulpage bio-mécanique (Kirk, Burgess et Koning, 1992) (photo 8). Les recherches dans ce domaine sont menées dans le cadre du programme du consortium sur le défibrage biologique de Madison, mentionné plus haut.
PHOTO 7. Coffre en eucalyptus de plantation âgé de six ans
PHOTO 8. (A) Structure normale du bois de peuplier (Populus sp.);
PHOTO 8. (B) Structure modifiée par un traitement de trois semaines avec Phanerochaete chrysosporium
PHOTO 9. Elimination des agents contaminants adhésifs du papier recyclé
Des recherches récentes ont permis d'atténuer les impacts sur l'environnement en remplaçant le chlore dans le procédé de blanchiment et en réduisant considérablement les effluents nocifs produits par la fabrication de la pâte et du papier. D'autres recherches ont servi de base à la réduction de la consommation d'énergie et à l'amélioration du contrôle en cours de fabrication de manière à obtenir un produit uniforme. La recherche vise à parvenir au traitement assisté par ordinateur, afin de mettre en pratique les méthodes modernes de contrôle en cours de fabrication et de planification des opérations.
Les principales activités de recherche s'intéressent maintenant au recyclage du papier pour à la fois accroître les disponibilités de matières premières et de réduire le volume des décharges. Elles ont déjà permis d'augmenter de manière substantielle la part de matériaux recyclés en papeterie. L'industrie des Etats-Unis approche de son objectif, fixé à 40 pour cent de matériaux recyclés d'ici 1995; l'industrie européenne a déjà dépassé ce niveau (AFPA, 1992). Les recherches actuelles couvrent des domaines comme le désencrage des matériaux recyclés, l'amélioration de la liaison des fibres recyclées, l'accroissement de la résistance du papier et du carton recyclés, l'utilisation de vieux papiers dans les produits composites et l'élimination des agents contaminants adhésifs (photo 9). La recherche englobe également le mélange de papier journal recyclé avec d'autres pâtes, comme celle obtenue à partir du kénaf, hibiscus largement cultivé pour sa fibre, de manière à récupérer la résistance perdue par rupture des fibres pendant le recyclage.
Commercialisation
La recherche commerciale a prouvé sa fiabilité en aidant efficacement les fabricants à identifier et à satisfaire les exigences du consommateur. Il s'agit parfois de besoins spécifiques et parfois d'impressions ou de perceptions du marché, qui se manifestent dans les grands magasins de bricolage, par exemple; en effet, ceux-ci sont en expansion rapide et deviennent le premier circuit de distribution, tant pour les entrepreneurs que pour les bricoleurs, notamment ceux qui réparent et aménagent leur maison. La recherche commerciale, associée à celle sur les procédés de fabrication, permet d'utiliser efficacement les bois de sciage courts et les nouveaux composites (Sinclair, 1992). A cet égard, les recherches de l'Institut polytechnique de Virginie et du Service des forêts des Etats-Unis sont particulièrement remarquables.
Le concept de commercialisation est de plus en plus appliqué au stade du développement du produit, et de nouvelles méthodes d'analyse sont expérimentées par la recherche et mises en pratique dans l'industrie. Citons, par exemple, l'analyse de l'attribut déterminant, qui permet d'identifier les caractéristiques du produit qui influencent le plus les décisions d'achat (Moody et Collet, 1992).
Le domaine des produits forestiers est dynamique et évolue rapidement. La recherche s'adapte aux besoins de la situation et sert de base tant à la conservation des ressources qu'au développement économique et social. Grâce aux échanges par le biais du courrier électronique, aux revues, aux contacts avec des collègues et des organisations internationales, les activités de recherche menées dans le monde diffèrent surtout par leur domaine d'intérêt, leur ampleur, le soutien financier dont elles bénéficient et leur application spécifique.
Le présent article a mis l'accent sur l'utilisation du bois d'œuvre ou des fibres, bien que la plupart du bois exploité dans le monde sert au chauffage. En outre, nous sommes conscients que les produits non ligneux de la forêt - plantes médicinales, fruits, extraits, fourrages et autres sont au moins aussi importants que le bois dans de nombreuses régions et qu'ils occupent une place croissante partout dans le monde. La recherche sur les produits forestiers tend à s'élargir de manière à les englober, mais il reste encore beaucoup à faire en la matière. Néanmoins, les applications et les tendances décrites dans le présent article reflètent bien l'attention accrue dont bénéficie l'ensemble des ressources forestières.
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