Ondulation papiers couchés propriétés physiques mécaniques

Cinq papiers commerciaux référencés A, B, C, D, E ont été étudiés. Les papiers A, B et C sont connus pour avoir une forte tendance à onduler tandis que les papiers D et E n’ondulent pas ou très peu.

Les papiers étudiés ont été caractérisés physiquement (grammage, épaisseur, main) et mécaniquement (essais en traction, rigidité, stabilité dimensionnelle). Les conditions d’essais sont conformes au standard TAPPI. Les essais en traction ont été réalisés à l’aide d’un testeur Lorentzen & Wettre SE064, tandis que la rigidité a été mesurée à l’aide d’un rigidimètre Kodak RM01. Un appareil Varydim (brevet EFPG) a été utilisé pour la mesure de la stabilité dimensionnelle des papiers. La mesure a été effectuée à différentes humidités relatives (cf. Tableau 5).

Le raffinage a pour effet de faire diminuer la main et la porosité interne du papier. Pour cette raison, les papiers ont été défibrés et leur degré de raffinage a été mesuré. La nature des fibres a été identifiée par microscopie optique après défibrage.

Si l'une des deux faces est bien plus poreuse que l’autre, le liant de l’encre fluidifié par la température du sécheur peut pénétrer plus facilement sur une face du papier que sur l’autre. Des essais de pénétration dynamique ont été réalisés à l’aide d’un appareil PDA. Des mesures de lissé BEKK et de rugosité PPS (Parker Print Surf) ont été effectuées de manière à caractériser les états de surface des deux faces de chaque papier.

Une caractérisation physico-chimique de la surface des papiers a également été réalisée. Les constituants de la couche ont été analysés par spectrométrie infra-rouge (spectromètre Paragon 1000, Perkin Elmer) en transmission et l’énergie de surface des papiers a été déterminée selon les équations d’Owens et Wendt [1969] par des mesures d’angles de contact en appliquant la méthode décrite par P. Aurenty, et al., [1997].

Enfin, les charges introduites dans les sauces de couchage se distinguent par leur géométrie, leur granulométrie et leur organisation à la surface du papier après calandrage pour assurer une bonne symétrie entre les faces et une bonne réceptivité de l’encre. Leur organisation à la surface et dans la masse du papier a été observée avec un microscope à balayage électronique ABT55.

III-2 - Résultats (1)

1 - Les essais physiques

Le tableau 1 présente les propriétés physiques des papiers étudiés.
À noter : les papiers D et E ont une main (volume massique) légèrement supérieure à celle des autres papiers.

2 - Les essais mécaniques

	A	B	C	D	E
grammage (g/m²)	58,3	57,3	60,6	65,8	54,9
épaisseur (µm)	47,3	49,7	49,6	57,4	48,3
main (cm³/g)	0,81	0,84	0,82	0,87	0,88

Les résultats des essais en traction et de la rigidité en flexion sont répertoriés dans les tableaux 2 et 3.
À noter : les papiers D et E ne se distinguent pas des autres papiers ni du point de vue de leurs caractéristiques mécaniques ni de leur anisotropie. Le papier A possède les meilleures caractéristiques mécaniques et la meilleure isotropie.

	A		B		C		D		E
	SM	ST	SM	ST	SM	ST	SM	ST	SM	ST
Force à la rupture (N)	6,24	2,29	5,73	1,57	5,37	1,55	5,83	1,77	4,97	1,72
Coefficient de variation (%)	5,07	3,62	1,00	4,44	9,99	5,97	2,72	3,83	3,31	3,26

Longueur de rupture (Km)	0,73	0,27	0,68	0,19	0,60	0,17	0,61	0,18	0,61	0,21
Coefficient de variation (%)	5,07	3,62	1,00	4,44	9,99	5,97	2,72	3,83	3,31	3,26

Allongement à la rupture (%)	1,32	1,80	1,16	1,67	1,19	1,32	1,24	1,86	1,13	2,27
Coefficient de variation (%)	10,45	13,49	4,80	12,90	17,52	21,71	3,97	13,24	4,19	11,82

Énergie à la rupture (mJ/g)	58,40	33,01	47,17	22,03	43,92	15,48	45,48	24,84	41,00	33,64
Coefficient de variation (%)	17,20	19,14	6,26	18,58	28,55	29,56	6,64	18,50	7,86	16,09

Module d'élasticité (Gpa)	1,195	0,518	1,118	0,401	1,088	0,396	1,022	0,456	1,017	0,364
Coefficient de variation (%)	1,58	3,15	2,10	2,28	5,27	14,27	8,57	3,37	2,43	7,86

	A	B	C	D	E
Anisotropie	2,725	3,650	3,465	3,294	2,890

Le tableau 4 regroupe les valeurs de rigidité en flexion obtenues sur les papiers étudiés.
Comme attendu, du fait que les fibres sont préférentiellement orientées dans le sens marche, la rigidité est supérieure dans le sens marche que dans le sens travers. Il est intéressant de constater que l’écart entre la rigidité SM et la rigidité ST est le plus faible pour le papier A. Il n’y a pas de différence significative entre les cinq papiers concernant la rigidité.

	Rigidité en flexion Rf (mN.m)
	A		B		C		D		E
	SM	ST	SM	ST	SM	ST	SM	ST	SM	ST
Moyenne	0,08	0,07	0,08	0,04	0,09	0,06	0,14	0,09	0,08	0,04
Écart-type	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,02	0,01	0,01	0,01	0,01
Coefficient de variation	10,02	12,21	10,02	12,22	13,32	25,56	6,25	14,35	11,13	16,65

3 - Variations dimensionnelles

Les variations dimensionnelles des papiers ont été mesurées en les soumettant à une variation cyclique de l’humidité relative environnante, de 20 à 80 % HR puis de 80 à 20 % RH en maintenant les échantillons à chaque humidité relative pendant une heure. Chaque cycle comprend 5 points de mesures (20-50-80-50-20 % HR) comme indiqué dans le tableau 5. Les variations dimensionnelles sont calculées par rapport à la référence qui est la valeur 0 à l’étape 1.

Étapes	1	2	3	4	5
Consignes °HR	20,00	50,00	80,00	50,00	20,00
°HR % réel	19,95	50,01	79,90	50,04	19,91
Température °C	25,23	25,24	25,13	25,02	24,97
Temps de mesure (s)	3600	3600	3600	3600	3600

A - SM	0,00	0,08	0,07	-0,02	-0,13
A - ST	0,00	0,19	0,68	0,35	-0,01

B - SM	0,00	0,07	0,07	-0,01	-0,11
B - ST	0,00	0,23	0,92	0,50	0,08

C - SM	0,00	0,08	0,04	-0,04	-0,15
C - ST	0,00	0,25	0,95	0,51	0,09

D - SM	0,00	0,07	0,09	0,02	-0,08
D - ST	0,00	0,19	0,74	0,42	0,10

E - SM	0,00	0,07	0,02	-0,05	-0,15
E - ST	0,00	0,18	0,83	0,51	0,18

Les papiers D et E ne se distinguent pas des autres papiers du point de vue de leur stabilité dimensionnelle. Le papier A est celui qui a subi le moins de variations dimensionnelles tout au long du cycle.

4 - État de surface

Comme indiqué dans le tableau 6, 4 parmi les 5 papiers (excepté le papier C) présentent une très bonne symétrie des caractéristiques de surface. Il est possible que le couchage de 8 à 10 grammes par m² est suffisant pour masquer les hétérogénéités des faces. Les papiers D et E présentent une bonne symétrie entre les deux faces et des valeurs de lissé élevées.

	A		B		C		D		E
	Face A	Face B	Face A	Face B	Face A	Face B	Face A	Face B	Face A	Face B
lissé Bekk (s)	862	843	955	897	1537	1110	1128	1106	1246	1117
Rugosité PPS (µm)	1,9	2,0	1,6	1,7	1,3	1,4	1,4	1,5	1,4	1,5

5 - Absorption

Les tests d’absorption ont été réalisés à l’aide d’un analyseur de pénétration dynamique (PDA). Un signal est transmis à travers le papier entre un émetteur et un récepteur. La cellule de mesure avec analyseur à ultrasons est remplie d’eau. L’air contenu dans le papier est progressivement remplacé par de l’eau. La propagation du signal est différente dans l’air et dans le liquide, ainsi l’intensité du signal diminue au fur et à mesure que le liquide pénètre dans le papier.

La figure 2 représente, pour chaque papier, la décroissance de l’intensité du signal en fonction du temps. La pente peut être assimilée à la vitesse de pénétration du liquide dans le papier.

La vitesse de pénétration du liquide est très rapide pour le papier E tandis qu’elle est la plus lente pour le papier D. Il faut souligner que le grammage du papier D est plus fort. Par conséquent, le papier contient plus d’air avant immersion. Pour tous les papiers, la face A absorbe l’eau moins vite que la face B. Les états de surface montrent que la face A est plus fermée que la face B.

Selon J. Mac Phee, et al., l’eau apportée par le mouillage ne participe pas ou très peu au phénomène d’ondulation. En ce sens et au vu des résultats obtenus, il est raisonnable de penser que la vitesse d’absorption de l’eau a peu d’influence sur le phénomène étudié.

6 - Analyse infra-rouge (IR)

Les spectres IR obtenus par transmission, sur des pastilles de KBr contenant les constituants de la couche grattés à la surface de chaque papier à l’aide d’un cutter, sont représentés sur la figure 3 ci-dessous. Les observations suivantes peuvent être faites :

Suite à ces résultats, la présence de carbonates dans les papiers a été vérifiée par un test à l’acide sulfurique concentré. Ce test confirme que les papiers D et E ne possèdent pas de particules de carbonate.

Les particules de carbonate possèdent un pouvoir couvrant important et apportent de l'opacité au papier. Ils sont communément utilisés comme charge. Ainsi, S. Simmons et al. ont montré dans leur étude que lorsque la quantité de carbonate ou d’amidon dans la formulation de la sauce de couchage augmente, l’amplitude des ondulations augmente. Le papier E contient de l’amidon, cependant les ondulations sont peu visibles sur ce papier. Là encore, S. Simmons, et al. ont montré que l’augmentation de la quantité d’amidon provoque également une augmentation de la longueur d’onde des ondulations. Si la longueur d’onde des ondulations augmente, elles sont moins visibles car moins nombreuses.

Ondulation du papier imprimé sur rotative offset avec sécheur	Page précédente	Page suivante

Franck Medlege - EFPG (01 avril 2005)

III - Caractérisation des papiers

III-1 - Matériaux, matériels et méthodes