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(2002-2005)
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Chercheurs du LGP2 (EFPG, INPG, CNRS, CTP)
(Novembre 2006)
 
Documents extraits du
"Rapport d'activité scientifique du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers  - UMR 5518
Grenoble - France
Janvier 2002 - Novembre 2005"

III - Physique des structures fibreuses

III - 2 - Caractérisation structurale de matériaux fibreux

Sabine Roland du Roscoat, Xavier Thibault, Yves Chave, Jean-Francis Bloch

L’étude de l'influence des opérations unitaires de la fabrication du papier sur sa structure fibreuse permet d'envisager l'optimisation des procédés et d’améliorer les propriétés d’usage des papiers et cartons.

Des techniques expérimentales ont été développées dans le but de caractériser la structure fine du matériau. Néanmoins, il convient d'utiliser un instrument de mesure non destructive garantissant l'intégrité du matériau.

Ainsi, la technique classique de découpe au microtome puis d'observation au microscope ne peut être utilisée sans avoir en tête les éventuelles détériorations liées à la découpe. Nous avons accès depuis peu à une nouvelle technique expérimentale : la microtomographie aux rayons X.

Elle permet de visualiser la structure d'un matériau poreux à une résolution de l'ordre du micron. Deux thèses ont déjà mis à profit cette technique (N. Reverdy-Bruas et X. Thibault) afin de caractériser la structure fibreuse de papier et de feutre, respectivement.
L'originalité de ces travaux a été d'étudier également l'influence de la déformation sur les propriétés de structure et en particulier leur anisotropie. Ces évolutions ont été corrélées aux mesures du tenseur de perméabilité en considérant la déformation des matériaux.

Une thèse (S. Rolland du Roscoat) a débuté afin de caractériser la structure tridimensionnelle des matériaux fibreux en collaboration avec l'ESRF.

L’analyse fine des structures fibreuses des papiers et cartons est le principal objectif de cette étude. Ce travail est motivé en particulier par les limitations actuelles rencontrées lors de la caractérisation structurelle des papiers à cette échelle par les méthodes conventionnelles et l'intérêt industriel pour une telle connaissance.

D’autre part, nous pouvons désormais séparer par traitement d’images les fibres et certaines charges (telles que le Carbonate de Calcium). Ces résultats originaux permettent d’obtenir le profil de répartition des charges au sein de la structure fibreuse. De plus, nous avons pu obtenir une répartition granulométrique de ces charges. Les résultats quantitatifs ont été validés tant sur des formettes de laboratoire que sur des papiers industriels. Ceci permet par conséquent d’envisager la caractérisation de la répartition spatiale de ces charges dans la structure fibreuse tridimensionnelle et ainsi l’optimisation des propriétés d’usage des papiers.

L’enjeu est ici dans un premier temps d’imager la structure étudiée, à une échelle fine choisie. Puis il convient de filtrer les données afin d’atténuer les bruits de mesure. Des logiciels dédiés sont nécessaires et développés dans le cadre de cette thèse. Puis, une méthode numérique a été mise au point afin de segmenter ces structures.

Il convient de préciser que ces techniques portent sur des objets tridimensionnels et non bidimensionnels pour lesquels de nombreuses méthodes existent. Ainsi, des objets (réseau fibreux) peuvent être différenciés à partir de la collection d’images en niveaux de gris. Puis la structure fibreuse étant identifiée, sa caractérisation peut débuter. Les résultats concernent ainsi la caractérisation de la structure fibreuse, et en particulier son hétérogénéité dans l’épaisseur. On met en avant également le gradient d’anisotropie en orientation des fibres.

Nous avons parallèlement participé à un projet européen (Long Term Project) qui nous a permis d'accéder dans la durée à une ligne de lumière (ID19/ESRF) de façon régulière. De plus, dans le cadre d’un partenariat avec la région Rhône-Alpes, une collaboration entre différents laboratoires régionaux et des industriels a été initiée, afin d'une part de caractériser les matériaux et d'autre part de simuler les propriétés physiques telles que la perméabilité ou les propriétés thermiques par exemple. Une thèse (M. Decain) a ainsi débuté avec comme principal objectif la modélisation de propriétés physiques des structures fibreuses à partir des structures précédemment obtenues.

Feutre reconstitué en utilisant la technique X-SRmCT   Feutre reconstitué en utilisant la technique X-SRmCT
Figure 1 - Feutre reconstitué en utilisant la technique X-SRmCT.
Les dimensions du feutre (à gauche) sont de 3,8 mm de côté et 2 mm d’épaisseur et celles du feutre (à droite)
sont de 3,8 mm de côté et 0,8 mm d’épaisseur.
Exemple de segmentation   Exemple de segmentation
Figure 2 - Exemples de segmentation :
à gauche, différenciation des zones par niveaux de gris -
 à droite, différenciation des zones par deux couleurs :
 le noir représente l’air et le blanc les fibres
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