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- 1. Papier et carton Jean-Sébastien Bessette 111 074 985 BES en sciences et technologie
- 2. www.ulaval.ca 2 Qu’est-ce que du papier? • Deux définitions du Petit Robert en ligne : • « Feuille très mince de métal, servant à envelopper. » • « Matière fabriquée avec des fibres végétales réduites en pâte, étendue et séchée pour former une feuille mince. »
- 3. www.ulaval.ca Le bois et ses composants • 3 substances principales : • 45 – 50 % de cellulose • 20 – 30 % d’hémicellulose • 20 – 30 % de lignine • Et quelques autres substances – matière résineuse, minérale et organique 3 http://www.chm.ulav al.ca/gecha/chm2904 /index.html Une unité de cellulose
- 4. www.ulaval.ca Le bois un polymère • Le papier, tout comme le bois, est un polymère. 4 http://www.chm.ulav al.ca/gecha/chm2904 /index.html
- 5. www.ulaval.ca La fabrication du papier : différents types de pâtes • Procédé ayant pour but d’extraire les fibres de cellulose du bois ou du moins les séparer. • Différentes méthodes pour différentes pâtes : • la méthode mécanique Pâtes mécaniques • la méthode chimique Pâtes chimiques • la méthode mi-chimique Pâtes mi-chimiques 5 Une unité de cellulose
- 6. www.ulaval.ca Évaluation selon trois propriétés • les propriétés mécaniques de résistance (ex. traction) • les propriétés optiques (ex. blancheur) • les propriétés de texture ex. perméabilité à diverses substances) • Ces propriétés diffèrent d’un papier à l’autre 6
- 7. www.ulaval.ca Conifères et résineux • Fibres longues (2 à 4 mm v.s. 0.8 à 3 mm) • Permet un papier plus résistant 7 Au Québec, les fibres cellulosiques non recyclées viennent principalement du pin, du sapin et de l’épinette (noir) Sapin https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Sapin_des_vosges.jpg
- 10. www.ulaval.ca Papier avant la pâte de papier! • Papyrus • Fabriqué par collage de bandes croisées à l’aide des tiges d’une plante poussant près du Nil • Des traces de cet outil de calligraphie datant de 3000 av. J.C. 10 Papyrus égyptien Observez la texture https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Papyrus2.jpg
- 11. www.ulaval.ca À qui le mérite du papier moderne? • 105 ap. J.C. – Cai (Tsai) Lun découvre une pâte à papier fait à base d’écorce, de vieux chiffons et de filets de pêche. • Trace de papier plus archaïque avant Cai Lun. • Où? En Chine. 11
- 12. www.ulaval.ca Un petit bout d’histoire • 1450 – Gutenberg invente la presse à imprimer • 17ième siècle – Pénurie de Chiffon • 1825 - Industrialisation massive de la fabrication du papier • Entre 1850 et 1878 - Inventions de la pâte mécanique et chimique 12 https://fr.wikipedia.org/wiki/Johannes_Gutenberg#/media/File:Presse_ xylographie.jpg
- 13. www.ulaval.ca • L’écorce des arbres retirée lors de l’écorçage. Pourquoi? • L’écorce ne contient pas de bonnes fibres • Elle réduit la résistance et la propreté de la pâte • Elle occasionne la formation de dépôts de résines • Elle consomme les produits chimiques de mise en pâte L’écorce Machine pour l’écorçage du bois
- 14. www.ulaval.ca Enfin la pâte! 14 Pâte à papier-mâché http://monblogrecettes.centerblog.net/2-pate-a-papier-macher Pâte mécanique http://www.thequestforoptimality.com/cases/lsj/?page_id=12
- 15. www.ulaval.ca Pâte mécanique • Pâte de meule (conifères et résineux) • Rondins râpés sur meule abrasive ou défibreur • Pâte de raffineur (feuillus) • Transformation des rondins en copeaux • Agressions mécaniques moindres que la pâte de meule • Pour pallier aux inconvénients • Pâte thermomécanique (PTM) • Proportion de fibre longue dans la pâte augmente • Pâte chimico-thermomécanique (PCTM) • Emplois de soude et bisulfite de soude facilitant le défibrilage 15
- 16. www.ulaval.ca Défibreur v.s. Coupeuse à disque https://fr.wikipedia.org/wiki/Papier#/media/File:Defibreur.png 16 Coupeuse à disque Document Boréalis
- 17. www.ulaval.ca 17 La pâte mécanique de défibreur Avantages • Faible consommation d’énergie • Opacité • Réceptivité à l’encre • Pâte claire si le bois est frais • Rendement du bois de 90 à 95 % Inconvénients • Beaucoup de manutention • Peu résistante • Variations de qualité • Automatisation faible
- 18. www.ulaval.ca Pâtes thermomécaniques et autres pâtes de raffineur Avantages • Plus résistante • Automatisation • Peu de main d’œuvre • Résidus des scieries • Coût de production faible Désavantages • Consommation d’énergie élevée • Blancheur modérée • Jaunissement
- 19. www.ulaval.ca Pâte mécanique utile? • Permet de produire du papier de qualité moindre à prix réduit. • du papier journal ; • du papier pour magazine ; • des papiers à usage graphique (édition, bureau, écriture, enveloppe, affiche, imprimante) ; • du carton plat ; • des papiers sanitaires et domestiques 19
- 20. www.ulaval.ca Pâte chimique • Utilise des réactifs chimiques « cuit » le bois • « liqueur de cuisson » mélange des copeaux de bois et réactifs chimiques. Sépare la lignine des fibres sans les briser. • Deux procédés: • Alcalin (sulfate) (kraft) • Acide (bisulfate) • Pourquoi? • Permet de retirer les autres substances que la cellulose de la fibre de bois 20
- 21. www.ulaval.ca La liqueur noire Produit final après le filtrage de la lignine + pâte. 21
- 22. www.ulaval.ca Procédé alcalin • Alcalin (sulfate) (kraft) • Le plus commun • bonne résistance mécanique • un bon indice de déchirure • une bonne longueur de rupture. • Plus difficile à blanchir que la pâte du procédé acide 22
- 23. www.ulaval.ca Procédé acide • Acide (bisulfate) • Rarement employé (pollution) • Caractéristiques mécaniques plus faibles (encore plus en déchirure) • Pâte plus claire, plus facile à blanchir 23
- 24. www.ulaval.ca Pâte chimique utile? • Elle permet la fabrication : • du papier kraft ; • de papiers impression-écriture ; • de certains papiers d'emballages • Afin d’augmenter la résistance mécanique de certains papiers spécialisés. 24
- 25. www.ulaval.ca Procédé chimique (kraft) Avantages • Pâte très résistante • Blancheur élevée après blanchiment • Blancheur stable • Cycle de récupération efficace Désavantages • Coûts élevés • Rendement de moins de 50 % • Opacité moindre
- 26. www.ulaval.ca Les classes de fibres recyclées Les résidus de transformation • Plus propres • Peu contaminées • Catégories précises (49 catégories de base, 27 spéciales) Les papiers de post- consommation • Moins propres • Très contaminées • Peu de catégories
- 27. www.ulaval.ca Pâtes recyclées Avantages • Environnement • Économique Désavantages • Qualité variable • Taux de contamination • Coût des fibres
- 28. www.ulaval.ca Gouvernement du Québec un propos sur la production de papier • « De plus en plus, le papier et le carton sont fabriqués à partir des sous-produits des scieries (copeaux, sciures, etc.) et de fibres recyclées (cartons ondulés, journaux, magazines et papiers récupérés). Le bois rond provenant de la récolte en forêt ne constitue plus qu’une source secondaire d’approvisionnement. » 28 http://www.mddelcc.gouv.qc.ca/milieu_ind/bilans/pates-procedes-rejets-reglementation.pdf
- 29. www.ulaval.ca Boucle de Möbius • Deux significations différentes : • Recyclable • Contient du recyclé (à l’intérieur le % de fibres cellulosiques recyclés) 29 http://fr.canson.com/les-labels-produits/cycle-de-mobius-et-apur
- 30. www.ulaval.ca Association des Producteurs et Utilisateurs de Papier Recyclé • Ou APUR est un logo : 30 • Ce logo indique la proportion de fibres cellulosiques récupérées dans le produit consommer http://www.cercle- recyclage.asso.fr/publications/dossiers/item/ 407-recup03-recuperation-et-recyclage-des- produits-papiers-cartons-en-france.html#2
- 31. www.ulaval.ca Triturateur • Grande cuve • Papier carton à recycler • Eau • Vapeur • Parfois produits chimiques • Retour à l’état de pâte 31 Document Boréalis
- 33. www.ulaval.ca Papier utile à : • la fabrication des cartons ondulés ou plats; • du papier hygiénique; • du papier essuie-tout; • des mouchoirs de papier; • de napperons; • de certains papiers d’impression 33
- 34. www.ulaval.ca Le blanchissement • Opérations de traitements chimiques différents selon la pâte. • Pâte mécanique (réactifs) • eau oxygénée ; • l'hydrosulfite de sodium • Pâte chimique (réactifs) • des composés chlorés (eau de Javel) ; • des composés non chlorés comme le peroxyde d’hydrogène, l’oxygène et l’ozone. 34 Pâte mécanique http://www.thequestforoptimality.com/cases/lsj/?page_id=12
- 35. www.ulaval.ca Réaction dioxide de chlore (ClO2) avec la lignine (lors du blanchissement) (abandon) 35 https://www.researchgate.net/figure/254371627_fig2_Figure-2-The- oxidation-of-primary-lignin-by-chlorine-dioxide-R2-H-for-guaiacyl
- 36. www.ulaval.ca Réaction ozone (O3) avec la lignine (lors du blanchissement) 36 http://www.aet.org/science_of_ecf/eco_risk/sap97sec2.html
- 37. www.ulaval.ca Réaction ozone (O3) avec la lignine (lors du blanchissement) 37 http://images.slideplayer.com/17/5345728/slides/slide_6.jpg
- 38. www.ulaval.ca Cartons fabrication • Deux méthodes très similaires à la fabrication du papier : • à partir de pâte à papier (+ d'autres substances) • à partir de feuilles de papier 38
- 39. www.ulaval.ca Fabrication du papier et du carton avec la pâte à papier Procédé général après la fabrication de la pâte à papier • Buts : • Forme du papier • Sécher retirer l’eau (début haut pourcentage d’eau) • Étapes de finition (calandrage, couchage, etc.) 39 http://www.lepapier.fr/lepapier-images/fabrication.jpg
- 40. www.ulaval.ca Traitements spécifiques • Plusieurs papiers différents selon les éléments ajoutés. Exemples. • Permet d’améliorer certaines caractéristiques du papier. • 1. Les charges minérales Ce sont des poudres fines (ex. silice d'aluminium). Ces charges améliorent l'imprimabilité et l'opacité du papier. 40
- 41. www.ulaval.ca • 2. Les adjuvants Corps en petite quantité dans le papier afin d’améliorer : • cohésion interne de la feuille amidon ; • la rétention des charges résines cationiques; • la blancheur du papier azurants optiques (corps synthétiques n’ayant pas de couleurs) 41 Traitements spécifiques (suite)
- 42. www.ulaval.ca • 3. Les agents de collage Tapissent la surface des fibres avec un dérivé hydrophobe. Utilisation de résines naturelles ou synthétiques. Meilleure résistance mécanique du papier mouillé. 42 Traitements spécifiques (suite)
- 43. www.ulaval.ca Quelques papiers/cartons • Papier kraft • Papier d’Arménie • Papier hygiénique • Papier-mâché • Papier composite haute densité • Papier permanent (ISO 9706) • Papier sulfurisé • Papier cigarette 43
- 44. www.ulaval.ca Papier composite de haute densité • Fabriquer à partir d’un procédé de thermodurcissement • Molécules de résines se lient et forment un composite. 44 http://www.maglin.com/fr/compositedepapier.html • Caractéristiques :inerte, solide, très stable et surtout très durable
- 45. www.ulaval.ca Papier couché • Papier utilisé pour la fabrication de billets de banque et l’impression. • Le papier est recouvert d'une ou deux couches de produits (minéraux et liants) = surface lisse + meilleure caractéristique afin d’être utilisé en imprimerie + blancheur. • Utilisation : catalogues, magazines, dépliants, éditions d'art... 45
- 46. www.ulaval.ca Papier permanent • le pH de l’extrait aqueux de la pâte à papier doit être compris entre 7,5 et 10 ; • Indice Kappa (résistance à l’oxydation) inférieur à 5 ; • la réserve alcaline supérieure ou égale à 2 % (protection contre la dégradation); • Résistance à la déchirure supérieure à 350 mN pour un papier dont le grammage est supérieur à 70 g/m2. • Reconnaissable par le signe mathématique de l’infini dans un cercle « surmontant la mention ISO 9706 ». 46
- 47. www.ulaval.ca Autres alternatives au recyclage? Innovons ou pas. • Il est possible de transformer la cellulose des plantes en papier. • Certains animaux herbivores tels que les éléphants sont incapables de digérer la cellulose 47 Inséré image de fiente d’éléphant?
- 48. www.ulaval.ca Moulin de Brousses • À ce moulin, ils utilisent les excréments de pachydermes afin de produire du papier. • Méthode mécanique et chimique? • Idée • 1841 - M. Tripot 48 http://www.terraeco.net/Le-crottin-d-elephant-se-recycle,45556.html
- 50. www.ulaval.ca Un papier ininflammable • Chercheurs de l’Institut de Céramique de Shanghai • Nouveau papier • Temps de vie significativement plus longue que le papier cellulosique classique • Produit à partir d’hydroxyapatite de calcium (Ca10(OH)2(PO4)6; HAP) • biocompatibilité et non toxique. • Synthèse nanofils + éthanol = fibres plus long (28 mm) possédant une grande flexibilité. 50 Caractéristiques : • Ne jaunit pas • Ne s’enflamme • Grande flexibilité • Facilement recyclable
- 51. www.ulaval.ca Tableau récapitulatif 51 Nature du support Date de production Procédé de fabrication papyrus 4e siècle av. J.C (Egypte) Tiges de papyrus découpées en bandes, puis déposées en deux couches perpendiculaires l'une à l'autre ; la pression exercée crée l'adhérence. parchemin vers 1400 av. J.C (Egypte) Peaux (mouton, veau) tendues sur un cadre et dégraissées à la chaux papier 2e siècle ap. J.C (Chine) Papier fabriqué à partir de fibres végétales (écorces de mûriers, bambou, etc.) papier chiffon (en Occident) vers le milieu du 11e siècle ap. J.C Papier fabriqué à partir de vieux chiffons de lin, de chanvre ou de coton. Ces chiffons renferment de la cellulose pure, les autres constituants végétaux ayant été éliminés au cours des opérations textiles antérieures.
- 52. www.ulaval.ca Tableau récapitulatif (suite) papier à pâte mécanique vers 1867 Pâte obtenue par frottement des rondins de bois sur une meule en présence d'eau ou par défibrage des copeaux entre deux disques broyeurs d'un raffineur. papier à pâte chimique apparition vers 1850 Pâte obtenue en dissolvant la lignine à l'aide de réactifs chimiques appropriés afin de récupérer des fibres essentiellement constituées de cellulose. procédé au bisulfite (acide) vers 1874 L'élément actif est l'anhydride sulfureux qui "sulfone" à chaud la lignine et la transforme en acides ligno-sulfoniques solubles qui sont ensuite éliminés en même temps qu'une partie des hémicelluloses. procédé au sulfate (alcalin) vers 1878 (utilisé à partir de 1930) Le procédé au sulfate alcalin utilise l'hydroxyde de sodium (la soude) comme agent désincrustant en présence de sulfure de sodium. La fibre obtenue par ce procédé ne contient plus de la lignine. Aujourd'hui les pâtes au sulfate remplacent progressivement tous les emplois des pâtes au bisulfite. papier permanent 1994 Papier fabriqué par le procédé alcalin au sulfate auquel on ajoute une réserve alcaline. Ce papier répond à la norme internationale ISO 9706. 52 Nature du support Date de production Procédé de fabrication http://webworld.unesco.org/safeguarding/fr/txt_grap.htm
- 53. www.ulaval.ca Dégradation du papier (facteurs) • Papier du 19ième siècle Pâte à bois mal purifier puis encollé à la résine de pin (colophane) en milieu acide Vieilli mal. • Hydrolyse ou oxydation • Liaisons glucosidiques de la cellulose stables en milieu neutre et légèrement alcalin hydrolysées par la présence d'un acide fort ou d'une base forte. • La lignine et la colophane formation de peroxyde (agent oxydant) = réaction avec la cellulose 53
- 54. www.ulaval.ca Réaction Cellulose + NaOH (base forte) http://article.sapub.org/10.5923.j.textile.20120106.07.html 54
- 55. www.ulaval.ca Effet de l’acidité sur le papier http://webworld.unesco.org/safeguarding/fr/txt_grap.htm 55
- 56. www.ulaval.ca Liens avec l’enseignement au secondaire (concepts prescrits) Premier cycle: • Propriétés caractéristiques (matière) • Acidité/basicité (pH) (dégradation du papier) • Changement chimique v.s. Changement physique (transformation de la pâte, digestion de la cellulose ou non) • Conservation de la matière (Recyclage) • Mélanges et Solutions (hydrophobe) Deuxième cycle: • Matériaux Type de propriété : céramique, plastique, etc. 56
- 57. www.ulaval.ca Sites consultés importants • http://www.bepub.com/fiches-pratiques/comment-choisir-son-papier-pour- une-impression • http://webworld.unesco.org/safeguarding/fr/txt_grap.htm • http://www.mddelcc.gouv.qc.ca/milieu_ind/bilans/pates-procedes-rejets- reglementation.pdf • http://classes.bnf.fr/dossisup/supports/art15bs.htm • http://www.cercle-recyclage.asso.fr/publications/dossiers/item/407-recup03- recuperation-et-recyclage-des-produits-papiers-cartons-en-france.html#5 • https://books.google.ca/books?id=iBhRA3mNiJEC&pg=PA49&lpg=PA49&dq=C EH+CED+CEDED+ODED&source=bl&ots=EP7MGhs3cl&sig=eQdw2CSwO5Bs8 VfWzxuiPJoy0mM&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwiXnoSum_HLAhUCsxQKHdpTCZ wQ6AEIGzAA#v=onepage&q=CEH%20CED%20CEDED%20ODED&f=false • http://www.sca.com/global/publicationpapers/pdf/brochures/papermaking_fr. pdf • Boréalis – Musée de Trois-Rivière 57