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La découverte d’un produit renouvelable et léger, dérivé de la cellulose qui ajoute de la force aux produits a pris l’industrie canadienne de la biomasse par surprise.


Les trois étapes du processus : copeaux de bois, fibre de pulpe de bois et nanocellulose cristalline

Les chercheurs font tout pour dénicher LA découverte qui marque-ra le monde, une innovation qui changera la façon de faire ou qui augmentera la valeur d’un produit. Mais le plus grand obstacle qu’ils rencontrent est le temps. Il en faut beaucoup en recherche.

Une des plus récentes découvertes prétendue à un tel potentiel est la nanocellulose cristalline (NCC). On l’obtient en appliquant un acide sur les liens qui forment la chaîne de molécules de la cellulose, cellulose auparavant moulue à partir de la pulpe. Ce procédé permet aux régions cristallisées de la chaîne de se séparer afin d’être concentrées et utilisées comme liant pour les besoins des industries et des commerces.

Une fois séchés et raffinés, les blancs flocons de NCC, ressemblant à de la neige, peuvent servir dans une multitude d’industries. Chaque flocon mesure de 100 à 200 nanomètres.

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« Cette nanofibre du bois a la capacité de transférer la force des arbres dans d’autres matériaux », dit Jean Moreau, président de CelluForce, un projet de développement de NCC entre FPInnovations et Domtar, situé à Windsor, au Québec.

De tous les usages potentiels de la NCC, le plus intéressant est sans aucun doute cette capacité de renforcer n’importe quel produit. D’après une recherche menée par CelluForce, la NCC peut aspirer à une plus grande force de tension que l’acier inoxy-dable.

Selon M. Moreau, quatre catégories de produits peuvent être améliorées par la NCC :

  • Les films iridescents et les barrières, tels que les pigments et l’emballage
  • Les revêtements, tels les peintures et vernis
  • Les textiles
  • Les composites

De plus, puisque la NCC provient de la fibre de bois, elle est renouvelable, recyclable et constitue une source de développement durable.

Premier au monde
Le Canada est le chef de file en recherche et application de la NCC grâce à deux projets, l’un au Québec et l’autre en Alberta.

CelluForce a construit une usine à Windsor – sur le site de l’usine de papier de Domtar – qui a été officiellement inauguré le 26 janvier dernier. L’objectif de cette nouvelle usine est « d’atteindre une production d’une tonne de nanocellulose par jour », explique M. Moreau.

Il ajoute que l’usine d’environ 46 millions $ a vu le jour grâce au financement de 10 millions $ du gouvernement du Québec via Domtar, 23 millions $ de Ressources naturelles Canada (dont 21 millions $ de FPInnovations et les 2 millions $ restants de Domtar), et 11 millions $ de Domtar et 2 millions $ de FPInnovations.

Domtar et FPInnovations ont ainsi financé le projet à hauteur de 23 millions $ chacun et possèdent 50 % de la compa-gnie.

Le but ultime de Celluforce n’est pas de fonctionner commercialement – pour cela, il faudrait une production quotidienne de 25 tonnes de nanocellulose, affirme M. Moreau. La compagnie vise plutôt des études de marché et tente de démontrer précisément toutes les possibilités de la NCC avec l’aide des chercheurs et des partenaires industriels.

Ancien comptable agréé et directeur financier chez Domtar, M. Moreau croit que les applications de la NCC sont la voie du futur, vu la perfection du produit. « Les cristaux sont biocompatibles, biocompostables, recyclabes et renouvelables. »

À l’ouest
Alberta Innovates – Technology Futures (AITF) est l’autre fer de lance canadien en recherche et innovation qui planche sur la NCC.

Situé à Edmonton, le projet-pilote de 5,5 millions $ est financé par le ministère de l’Éducation avancée et de la Technologie du gouvernement albertain (2 millions $) et par la Diversification économique de l’Ouest Canada, un programme fédéral (2,5 millions $). AITF fournit le million $ restant. La construction de l’usine devrait être terminée à l’été 2012 et les opérations devraient commencer peu après.

Selon le Dr Robert Jost, chercheur principal du programme de NCC à l’AITF, la propriété la plus intéressante de la NCC est qu’elle agit complètement différemment de la pulpe de bois ou des polymères; ce qui lui donne un potentiel accru dans de nombreuses applications.

« Avec cette usine-pilote, nous voulons vraiment créer plus de produits, augmenter la production et mettre en place des applications commerciales et créer la demande pour le produit, mentionne le Dr Jost. Notre but est que la NCC améliore les propriétés des produits, ou qu’elle soit utilisée comme substitut à la cellulose. »

La cellulose se veut une sorte de polymère omniprésent sur le marché; on la retrouve dans de nombreuses industries et une multitude de produits, allant des cosmétiques à l’ingénierie aérospatiale, ce qui prouve ses grandes applications. En tant que dérivé de la cellulose, la NCC peut s’utiliser dans les mêmes produits et dans beaucoup d’autres encore.

« Grâce à ses propriétés uniques, les polymères de cellulose se retrouvent partout, dans la vinaigrette pour salade jusque dans la pâte à dent et dans d’autres produits à usage quotidien, indique le Dr Jost. Les gens ne savent probablement pas qu’ils ingèrent de la cellulose ou s’en appliquent sur les mains avec des crèmes qui en contiennent. »

Le potentiel de la NCC va même au-delà lorsqu’on pense à son intégration au domaine de l’énergie, une priorité en recherche et développement d’après le Dr Jost.

« Chez ATIF, nous avons une grande division consacrée au pétrole dans laquelle nous travaillons activement à l’utilisation de la NCC », continue le Dr Jost.

« Dans l’industrie du pétrole, on utilise énormément d’eau pour l’extraction. Nous nous penchons donc sur les capacités de la NCC en tant qu’additif pour offrir à l’industrie un élément unique qu’elle ne possède pas encore, ou pour réduire son utilisation des additifs chimiques dont elle se sert actuellement. Ce serait donc bon pour l’environnement ou, du moins, ça pourrait entraîner des économies d’échelle. »

Les applications futures
Deux types d’applications de la NCC exis-tent, selon Yaman Boluk de la Chaire de nanofibre des produits de la forêt à l’Université d’Alberta : à basse et à grande échelle.

« Les applications à grande échelle incluent les composites, les peintures et les autres matériaux où les NCC peuvent être introduits (comme les revêtements). Les applications à basse échelle sont les matériaux biomédicaux très chers, comme le génie tissulaire, les circuits régulateurs de tension, les médicaments et la génétique. »

M. Boluk travaille avec l’AITF à l’usine-pilote de NCC à Edmonton à observer comment la NCC réagit avec différents matériaux et produits chimiques. Il pourra ainsi sans doute trouver de nouveaux usa-ges dans les produits commerciaux et comment des conditions spécifiques peuvent influencer les NCC.

« La prochaine étape, une fois le projet-pilote opérationnel, sera d’améliorer tout le processus de développement, dit M. Boluk. Une fois les matériaux disponibles, nous pourrons démarrer d’autres projets d’applications avec d’autres compagnies et chercheurs. »

L’autre côté de la médaille
Avec tous les bénéfices potentiels de la NCC – force, durabilité, sécurité, iridescence et plus –, existent-t-il des effets néfastes à cette « nouvelle » cellulose?

D’après M. Moreau, le plus grand obstacle se situe dans l’obtention de programmes commerciaux avec la technologie existante; il faut aussi rencontrer toutes les règles de sécurité de Santé Canada, l’Agence de protection environnementale et la Food and Drug Administration des États-Unis.

« Mais jusqu’à maintenant, tous les tests révèlent que la NCC est aussi toxique que du sel de table. »

Une fois tout cela réglé et lorsque la NCC sera produite à l’échelle commerciale, elle pourra prétendre à devenir LA nouvelle fibre sur le marché canadien et dans le monde.                                                          

Bio Vision se lance dans la NCC
Un autre joueur s’ajoute au marché canadien de la nanocellulose cristalline (NCC), la compagnie Bio Vision Technology Inc de Nouvelle-Écosse.

En utilisant la fractionnalisation par jet de la biomasse et un processus qui leur est propre pour relâcher la NCC de la biomasse, au lieu d’un acide comme le font l’ATIF et CelluForce, Bio Vision a créé une nanocellulose cristalline carboxylée connue sous le nom de « Nanocel ». Les façons de faire de Bio Vision ont été mises en place conjointement avec l’Institut de recherche en biotechnologie du CNRC.

Selon le site de la compagnie, la biomasse est affaiblie par de la vapeur à haute pression, libérant ainsi l’hémicellulose et la lignine. Bio Vision estime que son propre projet-pilote devrait parvenir à convertir cinq tonnes de biomasse sèche par heure.

Dans un communiqué de presse du CNRC datant de février 2011, le vice-président aux technologies Stephen Allen précisait que le produit final était plus uniforme que s’il avait été produit par toute autre méthode.

« La NCC carboxylée est aussi plus facile à manipuler que la NCC fabriquée grâce à l’acide sulfurique, soutient M. Allen, car elle fournit une poignée chimique qu’on peut utiliser pour attacher d’autres produits chimiques afin de créer une NCC faite sur mesure, qui servira à différentes applications en rehaussant leurs performances. »