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Vous êtes ici : Accueil > La technique > Procédés > Rapport d'activité scientifique du LGP2 > Physique des structures fibreuses > Caractérisation du potentiel papetier de différentes pâtes de fibres de cellulose           Révision : 26 Février 2007
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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 - 5 - Caractérisation du potentiel papetier de différentes pâtes de fibres de cellulose

Jean-Marie Serra-Tosio, Nadège Reverdy-Bruas, Yves Chave

La prévision du potentiel papetier des pâtes est primordiale dans l’industrie papetière. En effet, tout au long du procédé, depuis la préparation de la pâte jusqu’au produit fini, l’objectif consiste à établir des liaisons hydrogène entre les fibres pour construire un réseau cohérent.
Il y a de nombreuses méthodes pour caractériser les propriétés initiales des pâtes humides et des fibres. Il y a aussi de nombreux tests pour étudier les propriétés physiques des papiers. À l’opposé, il y a peu de méthodes pour décrire l’évolution des propriétés physiques des feuilles et des fibres au cours de la formation, du pressage et du séchage. L’opération de séchage est au centre de cette étude.

Il est également intéressant de pouvoir caractériser les propriétés du papier en fonction de la nature des pâtes et des conditions de fabrication. En conséquence, ce travail est focalisé sur la relation entre le comportement de la pâte soumise à différentes stratégies de séchage et les propriétés du papier qui en résultent. Une méthode originale est développée pour sécher dix bandes de papier soumises à une tension. L’appareil VARIDIM© est utilisé [Figure 1]. Il permet de mesurer le retrait pour différentes charges appliquées à l’une des extrémités de l’échantillon tout en maintenant la température et l’humidité relative constantes. Les papiers séchés dans ces conditions sont ensuite testés dans un extensomètre pour déterminer des propriétés mécaniques telles que le module d’Young.

Vue de face de l’appareil VARIDIM©   Courbes, tests, échantillons, VARIDIM©
Figure 1 - Vue de face de l’appareil VARIDIM©
 
  Figure 2 - Exemple de courbes obtenues (déplacement
en fonction du temps) en testant 10 échantillons
à l’aide de l’appareil VARIDIM©

L’originalité principale de cette étude réside dans la possibilité de classer les pâtes en fonction de leur niveau de raffinage au moyen du travail maximum développé au cours du séchage.

Dans la fabrication du papier, le retrait est parfois recherché de manière à obtenir des propriétés particulières, et parmi elles, une déformation plus importante du papier. Dans cette étude, nous proposons d’introduire une nouvelle caractéristique de la pâte et nous définissons ainsi la tension spécifique [Équation 1] et l’énergie spécifique de retrait au séchage [Équation 2]. En analysant l’évolution de l’énergie spécifique de retrait en fonction de la tension spécifique, il est possible de mettre en évidence un maximum qui est caractéristique de chaque pâte.

 

Les pâtes étudiées sont des pâtes chimiques blanchies de feuillus et de résineux soumises à un raffinage Valley standard de laboratoire. Le degré Schopper-Riegler est mesuré pendant le raffinage et la teneur en eau intra-fibres est déterminée par la méthode standard, i.e. centrifugation à 3000 g. Les échantillons testés sont des formettes de laboratoires et les bandes ont une longueur utile de 70 mm. Elles sont ensuite soumises à des conditions contrôlées de séchage, maintenues constantes: un flux d’air à 20% d’humidité relative et une température de 23°C. Enfin, lorsque aucun retrait n’est plus mesurable [Figure 2], les bandes sèches vont être testées dans un extensomètre pour déterminer certaines caractéristiques mécaniques.
Le temps moyen nécessaire pour sécher dix bandes est approximativement de 30 minutes. Au cours d’un essai, le déplacement, la température et l’humidité relative sont mesurés et représentés graphiquement en fonction du temps.

Pour chaque niveau de raffinage, nous avons ainsi mesuré la diminution du retrait lorsque la charge augmentait. L’augmentation du retrait avec le degré Schopper-Riegler a également été mise en évidence pour une charge donnée. Ce résultat est bien connu et en rapport direct avec la plus grande aptitude au retrait des fibres très hydratées.
En outre, au regard des bonnes corrélations obtenues entre le retrait au séchage et la valeur de rétention d’eau, nous avons focalisé notre attention sur la définition d’une corrélation qui permettrait de lier le retrait au séchage, la charge appliquée et le W.R.V. Nous avons ainsi défini la loi suivante [Équation 3] et ajusté cinq paramètres pour le résineux et le feuillu séparément.

 

La loi a été choisie de manière à satisfaire les conditions aux limites: lorsque aucune charge n’est appliquée, le retrait au séchage est une fonction du W.R.V., et quand la charge atteint une valeur limite (fonction du W.R.V.) le retrait au séchage est égal à zéro. Sur la [Figure 3], le retrait calculé est représenté en fonction du retrait mesuré. Une excellente corrélation est ainsi mise en évidence.

Corrélation, valeurs,retrait au séchage, pâte de résineux
Figure 3 - Corrélation entre les valeurs calculées
et mesurées du retrait au séchage
d’une pâte de résineux.

Enfin, les bandes séchées avec différents retraits ont été testées dans un extensomètre de manière à déterminer certaines propriétés mécaniques. Sur la [Figure 4], la diminution considérable du module d’Young lorsque le retrait au séchage augmente est représentée. Ce résultat attendu est d’autant plus prononcé que le niveau de raffinage augmente.

Évolution du module d’Young en fonction du retrait au séchage
Figure 4 - Évolution du module d’Young
en fonction du retrait au séchage

D’autres propriétés telles que la déformation à la rupture ont été testées car elles sont influencées de manière importante par le retrait au séchage. Comme cela était attendu, cette propriété augmente fortement lorsque le retrait au séchage augmente. Ce résultat se comprend aisément car il est nécessaire de tendre le papier (qui a subit un retrait) avant d’atteindre la résistance maximum du réseau lui-même.

Évolution de l’énergie spécifique au retrait en fonction de la tension spécifique
Figure 5 - Évolution de l’énergie spécifique
au retrait en fonction de la tension spécifique

Nous travaillons désormais à l’amélioration de la technique de séchage utilisant l’appareil VARIDIM©. En effet, il serait intéressant d’améliorer la précision des mesures, notamment en augmentant la longueur des bandes de papier, de 70 mm à 200 mm. En outre, il conviendrait de considérer d’autres paramètres pour définir une loi de retrait au séchage calculé qui soit encore mieux ajustée aux données expérimentales. Nous pourrions, par exemple, introduire le paramètre de longueur des fibres.

Enfin, de manière à se rapprocher des papiers industriels, nous envisageons de fabriquer des papiers orientés dans le plan. L’intérêt industriel s’en trouverait alors renforcé car les papiers fabriqués sur machine possèdent tous une orientation fibreuse ce qui leur confère un comportement au séchage très différent de celui d’une formette de laboratoire.

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