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Vous êtes ici : Accueil > La technique > Consommables et papier > Le papier, un matériau complexe > Voyage au coeur du papier           Révision : 02 février 2004
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Christian Voillot /EFPG
(02 février 2004)

II - Voyage au coeur du papier

Des millions de fibres, dont chacune garantit les propriétés du produit final. Des adjuvants minéraux. Le papier est un matériau complexe produit en masse et à grande vitesse. D'où une variété de problèmes physiques et chimiques.
 

II-1- Introduction

Aujourd'hui une machine à papier moderne peut produire, à plus de 150 Km/h, une feuille de 10 mètres de large d'une épaisseur de plus ou moins 2 microns. Dans son format A4, cette feuille contient entre 5 et 20 millions de fibres, soit une longueur cumulée de près de 30 Km ! Ces chiffres traduisent bien les contraintes de cette industrie : contrôler l'assemblage d'une grande variété d'objets issus de cellules végétales vivantes, de la dimension de quelques centaines de microns, qui contribuent tous aux propriétés du produit final fabriqué à raison de plusieurs centaines de tonnes par jour. Le tout, avec des impératifs de régularité et de fiabilité de ses propriétés mécaniques, optiques et de texture. On imagine aisément la variété des problèmes physiques et chimiques rencontrés.

 

II-2- A papier particulier, fibre particulière

Fibres d'eucalyptus    
Fibres d'eucalyptus
Les fibres végétales issues du bois constituent plus de 90 % de la masse de ces objets. Les 10 % restants sont issues d'autres végétaux : pailles, coton, lin, chanvre, alfa, kénaf, jute, ramie, abaca, bambous, canne à sucre (son déchet, la bagasse). On trouve également quelques fibres artificielles ou synthétiques, pour des usages très particuliers (notamment dans les papiers sécurisés, tels les chèques ou les billets de banque), des fibres minérales comme les fibres de verre utilisées dans certaines applications de filtration, des fibres animales tels la laine et le cuir, et enfin des déchets de feuilles de tabac pour reconstituer des feuilles continues. Pour le plus grand nombre des papiers à utilisation courante, les fibres végétales issues du bois, vierges ou recyclées, suffisent à "construire" une feuille. En revanche, dès que les usages deviennent particuliers, les fibres provenant des autres végétaux prennent le relais : la variété de leurs morphologies permet de développer des propriétés particulières.
 

II-3- Les trois propriétés du papier

Schématiquement, le papier est analysé suivant trois critères :

L'humidité et la température pouvant influer sur ces quatre types de propriétés, ces dernières sont mesurées dans des atmosphères conditionnées dont les évolutions doivent être connues et modélisées. Dans le même ordre d'idée, les conditions dynamiques d'application des contraintes pour mesurer les propriétés mécaniques doivent être maîtrisées.

Ainsi, le papier ayant le plus souvent un comportement viscoélastique, ses propriétés mécaniques doivent être mesurées à des vitesses parfois très lentes, pour simuler et prévoir, par exemple, le fluage des caisses en carton lorsqu'elles restent longtemps empilées.

Surface d'un papier journal    
Surface d'un papier journal
Il existe d'autres critères, liés à des usages spécifiques. Ainsi les propriétés électriques des papiers (charge de surface, constante diélectrique) sont de plus en plus souvent contrôlées pour les procédés d'impression comme l'héliogravure (assistance électrostatique), la magnétographie ou la xérographie. Ces propriétés électriques s'avèrent également fondamentales pour les cartons utilisés dans les transformateurs de courant électrique aux sorties des centrales nucléaires qui travaillent à des tensions de plusieurs centaines de milliers de volts.
 

II-4- Vers l'infiniment petit

Au premier abord, rien ne ressemble plus à une fibre de bois... qu'une autre fibre bois. Les dimensions longitudinales et transversales varient peu entre les espèces d'une même essence. Les fibres issues des bois résineux s'avèrent cependant plus longues (2,5 mm en moyenne) que celles provenant de bois feuillus (1 mm en moyenne), ce qui les destine aux papiers d'emballage pour lesquels on recherche des propriétés de résistance.

Fibres de pin maritime    
Fibres de pin maritime
À des échelles beaucoup plus petites, d'autres différences se révèlent. La paroi végétale est constituée de microfibrilles de cellulose dont les dimensions latérales sont parfois inférieures à la centaine de nanomètres. La structure de cette paroi se modifie pendant la fabrication de la pâte à papier, au cours du traitement de raffinage et également au moment du recyclage et du désencrage, qui visent à redonner à la fibre ses propriétés initiales.

Souvent inférieurs à 100 nm, les pores interstitiels de cette paroi sont occupés par des molécules d'eau, des ion présents dans la suspension de fibres, et des molécules issues des adjuvants chimiques utilisés dans le procédé (anti-mousse, bactéricide, fongicide, floculant, épaississant...), qui influent sur sa plasticité. Chaque fibre contribuant à la structure de la feuille, c'est donc à une échelle minuscule que se construisent les propriétés finales du papier.

 

II-5- Petite erreur, grands effets

Parmi les autres constituants majeurs des papiers et cartons, les adjuvants minéraux occupent une place importante pour les propriétés optiques et celles de surface. Ces charges minérales (kaolin, carbonate de calcium naturel ou précipité, dioxyde de titane, talc, silice colloïdale) sont utilisées en charge de masse ou en enduction de surface notamment pour les papiers destinés à l'impression.

Indices de réfraction, coefficients d'absorption et de diffusion de la lumière, granulométries, autant de propriétés mesurées sur ces produits. Principale difficulté : les dimensions très réduites de ces objets (souvent inférieur à 5 microns) nécessitent des agents de rétention et de floculation pour les retenir dans la feuille de papier, une fois introduits dans la masse.

Les grandeurs, comme le potentiel électrocinétique, les demandes ioniques doivent être mesurées avec précision dans la suspension pour prédire et contrôler les fractions retenues et leur distribution finale dans l'épaisseur de feuille qui conditionnent l'homogénéité des propriétés du papier.

Les charges utilisées en pigments de surface en mélange avec des liants organiques comme les latex, permettent de contrôler la rugosité et la porosité de surface, deux paramètres déterminants pour la pénétration des encres et donc de la qualité d'impression. Des variations de rugosité inférieures à 0,5 micron sur les papiers, ou celles liées à la migration hétérogène des liants organiques lors du séchage, peuvent provoquer des défauts d'impression comme le "moutonnement", phénomène visible à l'œil et particulièrement sensible dans les tons légers des impressions en héliogravure. À petite erreur, grands effets.

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