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Les papiers impression minces
Astrid Rapetto - Lycée Techonologique Vaucanson
(30 mai 2001)
III - Fabrication des papiers minces

Les papiers impression minces se distinguent par trois propriétés essentielles : un faible grammage, une forte opacité et une rigidité suffisante. Propriétés à la fois complémentaires et contradictoires que le papetier résout par le choix de ses matières premières mais aussi par la maîtrise de son processus de fabrication.

Toutes ces exigences en font des papiers haut en qualité car pour atteindre ces caractéristiques il faut pouvoir compenser la faible quantité de matières par une technicité appropriée.

 
III-1 Composition fibreuse     Sommaire

En raison de leur faible masse les papiers minces sont composés de fibres vierges de résineux et de feuillus dans des proportions respectives de 75 et 25 %. Dans les papiers impression écriture classique cette proportion s’inverse.

Les fibres de résineux sont des fibres longues dont la longueur varie de 2,5 à 3 mm et la largeur de 30 à 40 µm. Ces dimensions leur confèrent des propriétés de résistance mécanique. Les fibres de feuillus, de dimensions plus petites (leur longueur varie de 0,8 à 2 mm pour une largeur de 20 µm), apportent de l’opacité et contribuent à une meilleure formation de la feuille.

La composition du papier passe aussi par une sélection rigoureuse des fibres et des pâtes car les deux contribuent à donner les propriétés du papier.

Les indices de résistance du papier sont liés à la nature des fibres et des pâtes. Le procédé de fabrication du papier va venir renforcer ces propriétés notamment au cours du raffinage.

Ces papiers ne contiennent pas de fibres recyclées, car celles-ci ne présentent pas de propriétés mécaniques suffisantes pour envisager leur emploi. Les pâtes utilisées sont des pâtes chimiques ECF (pâtes blanchies sans utilisation de chlore gazeux) ou TCF (pâtes blanchies sans utilisation de produits chlorés).

 
III-2 Processus de fabrication     Sommaire

Pour chaque papier, le processus de fabrication sera adapté au cahier des charges. Les exigences des donneurs d’ordre sont rigoureuses. Prenons par exemple le cas des notices pharmaceutiques, qui sont imprimés en 8 à 10 langues. Un point noir sur le papier peut changer la signification d’un mot et être à l’origine d’une erreur de posologie. Le cahier des charges est donc très strict.

La fabrication du papier passe par différentes étapes. Une illustration de cette fabrication figure sur le site de G. Poulain. Les fibres sont mises en suspension dans l’eau. A ce stade, on ajoute des charges minérales destinées à améliorer les propriétés optiques. La pâte passe par différents circuits et est raffinée. Du fait du faible grammage, cette étape est importante et permet de donner à la future feuille ses principales caractéristiques physiques. La pâte continue son trajet, elle est ensuite épurée c’est-à-dire débarrassée des impuretés au niveau du circuit de tête de la machine, avant d’arriver sur la table de formation. La formation de la feuille est ici très importante : les machines à papier pour papiers minces ont une table de formation et une sécherie adaptées.

La feuille reçoit au niveau de la sécherie une enduction de produits destinés à lui conférer ses propriétés d’imprimabilité et de surface.

 
III-3 Raffinage     Sommaire

Le raffinage est un traitement mécanique destiné à conférer aux fibres des propriétés de résistance. Les papiers minces sont des papiers très raffinés avec des valeurs d’indice Schopper voisin de 70, alors qu'un papier impression écriture classique a un indice Schopper de 45.

Le raffinage a trois actions sur les fibres : l’hydratation, la fibrillation et un effet de coupe. Ces trois phénomènes sont plus ou moins recherchés et dépendent d’une du type de raffineur employé et d’autre part de la nature des pâtes. L’indice Schopper mesure la résistance à la filtration d’une pâte et sa valeur est représentative permet de se situer par rapport à l’état de raffinage de la pâte. Plus une pâte sera raffinée, plus la valeur du degré Schopper sera élevée.

La fibre de cellulose est formée de microfibrilles de cellulose qui s’associent pour former la paroi de la fibre. Cette paroi possède une architecture complexe, puisqu’elle se décompose en quatre parois (P1, S1, S2, S3).

Sous l’action des lames du raffineur l’eau pénètre dans la paroi et hydrate les fibres dans un premier temps. La fibre, du fait de l’organisation des microfibrilles, se déforme peu dans le sens de la longueur. Elle va gonfler latéralement, entraînant ainsi des tensions dans les parois de la fibre. A ce gonflement s’ajoute le travail de friction des lames du raffineur qui provoque la séparation de la paroi en fins lambeaux suivant la longueur de la fibre. C’est l’apparition du chevelu ou fibrillation.

Dans la cas des papiers minces on recherchera surtout un effet de fibrillation pour augmenter le nombre de liaisons interfibres et ainsi obtenir un épair très fondu. L’épair est représentatif de la formation de la feuille, c’est-à-dire de la répartition des fibres dans le papier. Il est dit fondu lorsque la répartition des fibres est homogène et s’apprécie visuellement par transparence. Un épair très uni est nécessaire pour éviter le phénomène de transvision (lorsque l’impression du verso est visible sur le recto). Au cours du raffinage les fibres sont coupées, un effet également recherché pour améliorer l’épair.

Si le phénomène de fibrillation améliore les propriétés de résistance de la feuille en permettant plus de liaisons interfibres, il entraîne une diminution de l’opacité de la feuille. Le papetier devra donc concilier propriétés optiques et propriétés mécaniques pour atteindre ses objectifs.

 
III-4 Conduite du processus     Sommaire

Comme dans tout processus de fabrication , la relation produit-procédé est importante. Les papiers minces demandent une bonne maîtrise du processus de fabrication car certaines étapes très techniques doivent être franchies si l’on veut obtenir un papier sans défaut. Parmi ces étapes importantes, on peut citer :

    une formation de feuille la plus régulière possible en raison du faible grammage ;
  un surfaçage qui donne à la feuille ses propriétés d’imprimabilité.

La formation de la feuille doit être sans défaut. Ces papiers ont une épaisseur qui varie de 30 à 40 µm selon le grammage et leur structure est constituée de quelques couches de fibres (figure 1). Tout au long du processus de fabrication, ils peuvent être sujet à des variations de qualité, c’est pourquoi les machines sont équipées d’ordinateur de process qui permettent, entre autre, un suivi des profils.

A : papier impression mince 28 g.m-2 B : papier impression mince 32 g.m-2
C : papier impression 65 g.m-2
 Figure 1 - Microscopie électronique (photos efpg)
Coupes tranversales de papiers impression

Par ailleurs en cours de la fabrication, les paramètres sont réglés de façon à garder la capacité d’allongement du papier afin d’éviter des problèmes ultérieurs de rupture. Si la capacité d’allongement du papier est consommée par la tension exercée sur la feuille en cours de fabrication, le papier sera plus enclin à la rupture. Une fois sur les rotatives, le papier sera plus sensible aux efforts exercés et les risques de rupture apparaîtront.

La structure de la feuille est définitivement fixée pendant la phase de séchage. Les faibles grammages nécessitent une maîtrise de la température de la sécherie afin de ne pas provoquer de séchage rapide du papier. Un choc thermique en sécherie provoque un retrait de la feuille avec comme conséquence une brèche sur le bord et également des défauts d’à-plat, qui se retrouvent chez l’imprimeur.

L’humidité du papier à l’enrouleuse est aussi importante car elle permet de conserver la capacité d’allongement du papier et d’éviter les problèmes de rupture. Sa valeur doit prendre en compte l’usage final du matériau. Ainsi, pour les papiers pré-print, les variations de température subies dans les imprimantes exigent un taux d’humidité très précis (de 5 %).

Les profils de grammage et d’épaisseur sens fibre et sens travers doivent être parfaits. Une variation de 0,5 g sur un grammage de 30 g.m-2 devient importante. Ces variations engendrent des défauts à l’enrouleuse la formation de cordons, qui se traduisent par une surépaisseur locale de la bobine.

Des différences de grammage peuvent donner des différences de tension sur la bobine lors de l’enroulage. Ces différences de tension peuvent générer sur les rotatives du plissage. Des écarts dans le profil sens travers peuvent aussi générer du plissage. Il est nécessaire d’avoir un suivi rigoureux du processus et de contrôler les fabrications par un ensemble de tests réalisés sur le papier à la sortie de la machine.

Le contrôle en cours de production permet de comprendre le comportement de la machine et de le relier aux problèmes rencontrés par le client. Ainsi, les papeteries du Léman ont récemment équipé la machine VI d’un système de contrôle de la production autoline®. Cet automate permet d’effectuer un contrôle des caractéristiques physiques du papier sur toute la laize par petite bande. Il contrôle le grammage, l’épaisseur, la brillance recto/verso, la perméabilité, le lissé Bekk, l’orientation des fibres (TSO), la blancheur, l’opacité, la résistance à la déchirure et à la traction.

Lors de la formation de la feuille, les fibres prennent une orientation et une répartition - ce qu’on appelle aussi la structure de la feuille - qui dépend du procédé de fabrication. Les propriétés mécaniques de la feuille, sa stabilité dimensionnelle, son épair ainsi que ses propriétés optiques vont dépendre de cette structure. Toute irrégularité dans la structure peut causer des transpercements de l’encre ou de son véhicule.

La machine à papier est équipé d’un circuit de désaération de la pâte afin d’éliminer les bulles d’air. La présence de bulles d’air à la surface de la feuille de papier entraîne lors de sa formation des irrégularités de surface et d’autre part, la présence de petits trous dans la structure de la feuille. Les micro-trous peuvent induire des défauts lors de l’impression.

Vu le faible grammage, ces irrégularités peuvent engendrer des casses sur machines ou conduire au transpercement de l’encre en cours de l’impression. Le transpercement se traduit par une migration de l’encre à travers l’épaisseur de la feuille. On conçoit que ce défaut puisse devenir très important avec les papiers minces.

L’orientation des fibres est importante : on vise un papier le plus carré possible, c’est-à-dire avec une différence sens fibres/sens perpendiculaire aux fibres, la plus faible possible.

Une bonne stabilité dimensionnelle est nécessaire car le papier doit pouvoir supporter les chocs thermiques dans les sécheurs des rotatives. Pour compenser ces chocs thermiques, il est nécessaire d’avoir un coefficient de rétractation dans le sens fibre et dans le sens travers le plus faible possible, c’est-à-dire s’assurer que les variations de dimensions des fibres (rétrécissement) sont minimales.

 
 
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