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Procédés > Rapport d'activité scientifique du LGP2 > Génie papetier et de
l'environnement > Influence des phénomènes de mouillage sur la pénétration de l’eau
dans le papier aux temps courts en relation avec le couchage du papier |
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Révision : 30 mai 2011 |
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Rapport d'activité scientifique du LGP2
(2006-2009)
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Chercheurs du LGP2
(Mai 2011) |
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I - Génie Papetier et de l'Environnement
I - 3 - Influence des phénomènes de mouillage sur la pénétration
de l’eau dans le papier aux temps courts en relation avec le couchage du papier
Martine Bouchon, Martine Rueff, Véronique Morin
La plupart des papiers subissent une enduction pour améliorer leur
état de surface. Le couchage du papier consiste à déposer en excès une dispersion
pigmentaire sur le support fibreux, doser la quantité déposée puis sécher le papier
enduit. La dispersion pigmentaire est principalement composée de pigments et de liants
dispersés dans de l’eau. Dès qu’elle est mise en contact avec le papier, la dispersion
peut se déshydrater par absorption d’eau dans le papier. D’un point de vue industriel,
il est essentiel de contrôler cette quantité d’eau absorbée en des temps très courts,
moins de 100 millisecondes, qui est déterminante pour la qualité du produit fini. Une
bonne compréhension des phénomènes mis en jeu est donc essentielle.
Les travaux antérieurs, menés au laboratoire dans le cadre de la thèse
d’Hélène Bernard (2001), ont conduit, d’une part, au développement d’un banc d’essai
permettant d’enduire un papier dans des conditions comparables au procédé industriel
[Figure 1] et, d’autre part, à la constatation
suivante : pour simuler la cinétique de pénétration de l’eau dans le papier, en adoptant
un modèle basé sur l’équation de Szekely et en représentant le papier comme une structure
poreuse formée de capillaires cylindriques et tortueux, dont la distribution de taille
est connue, il est nécessaire de considérer un angle de contact très proche de 90° pour
ajuster les résultats expérimentaux au modèle dans le cas de papiers hydrophiles, en
l’absence de pression extérieure. Cette constatation soulève deux questions, l’une
relative au mouillage dynamique du papier et l’autre au choix d’un modèle pour représenter
la structure du papier.
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| Figure 1 - Vue du dispositif d’enduction développé au laboratoire |
Nous avons poursuivi cette étude basée sur l’expérimentation, en nous
intéressant notamment à l’influence des phénomènes de mouillage sur la pénétration de
l’eau dans le papier. Grâce à un dispositif, dont le principe est conventionnel mais
qui a été développé au laboratoire pour acquérir des images à fréquence élevée,
c’est-à-dire au moins 1000 images par seconde, nous avons pu analyser l’étalement de
gouttes déposées sur des papiers et mettre en évidence les points suivants :
- La goutte subit des oscillations qui se répercutent sur les valeurs de
l’angle de contact et du diamètre d’étalement.
- Quel que soit le système liquide/support étudié, la goutte s’étale très
rapidement pendant la première oscillation qui dure environ 7 millisecondes pour nos
conditions opératoires. L’angle de contact décroît très rapidement pendant la phase d’étalement
initial et beaucoup plus lentement ensuite [Figure 2].
- L’angle de contact à un instant donné dépend de la vitesse à laquelle
la goutte s’est étalée. Cette vitesse dépend principalement de la viscosité du liquide
et de la rugosité du support.
- L’angle de contact peut décroître dans le temps en raison soit de la
pénétration du liquide dans le papier soit d’un étalement de la goutte par remplissage
des pores de surface.
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Figure 2 - Évolution de l’angle de contact
et du diamètre d’une goutte en fonction du temps |
L’existence d’un angle de contact élevé pendant les premières millisecondes
du contact ne signifie pas nécessairement qu’il y a absence de mouillage. La valeur élevée
de l’angle provient de la dynamique d’étalement de la goutte, par contre les interactions
entre le liquide et le support sont instantanées. Si l’on transpose les résultats au cas
de la pénétration dans un capillaire, bien que les phénomènes soient plus complexes car le
front liquide qui progresse se retrouve en contact avec une nouvelle surface solide, on peut
conclure que le concept de retard au mouillage a un sens, même si l’humidification est
instantanée. Ceci expliquerait la faible vitesse de pénétration de certains liquides dans
certains supports. Par ailleurs, la dépendance de l’angle de contact avec la vitesse d’avancée
du front, même en l’absence de retard au mouillage, peut contribuer à une faible vitesse de pénétration.
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| Figure 3 - Volume de liquide transféré au papier par unité
de surface (à gauche) et sur dispositif de laboratoire (à droite) |
Les essais menés sur un pilote de couchage et sur le dispositif de
laboratoire nous ont montré que [Figure 3] :
- La quantité de liquide transférée au papier est relativement faible,
de l’ordre de la rugosité de surface du papier.
- Un film de liquide s’écoule sous la lame et est entraîné par le papier.
- Il n’y a pas de pénétration forcée sous la lame et la quantité de
liquide transférée au papier diminue lorsque la pression augmente, ce qui peut être
attribué à la compressibilité du papier.
