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Avril 1999

Chapitre 2 - La fabrication

I. La fabrication de la pâte et de ses différents types

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La fabrication de la pâte consiste à travailler le bois pour obtenir une suspension de fibres de cellulose individualisées ayant les meilleures caractéristiques morphologiques, optiques et mécaniques possibles.

Pour ce faire, deux grands procédés existent :

- la voie mécanique (les rondins sont rapés par des meules ou les copeaux passent dans des disques défibreurs),

- la voie chimique (cuisson du bois en élevant la température et en ajoutant des produits chimiques, pour que la lignine se ramollisse sous l'effet de la chaleur ou d'agents chimiques).

Dans les deux cas il faut dépenser de l'énergie mécanique, chimique et/ou thermique, et suivant le rendement de ces procédés, on pourra établir un classement des différentes pâtes.

I1 - Les pâtes mécaniques
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On regroupe sous cette appellation un certain nombre de pâtes dont le procédé de fabrication est majoritairement mécanique. Le procédé de base purement mécanique permet d'obtenir la pâte de meule, les autres procédés ajoutent dans le process des actions thermiques ou chimiques.

* pâte de meule (SGW Stone Groundwood)

Les rondins sont râpés sur une meule abrasive ou défibreur. La chaleur dégagée aide au ramollissement de la lignine. Cette meule est humidifiée car l'eau :

• refroidit la meule ce qui empêche également le bois de brûler,
• lave la surface de la meule et entraîne la pâte

Il faudra pour ce procédé essentiellement des fibres longues car elles sont plus résistantes (cellules à parois plus épaisses). La pâte obtenue présente donc des fragments de fibres, toujours liées par la lignine, des bûchettes (gros éléments de fibres accolées), des fibres longues, des fibres courtes et des éléments fins qui servirontà améliorer la résistance à la traction ou l'opacité du papier.

* pâte de meule sous pression (PGW Pressurized Groundwood)

Cette pâte est obtenue par amélioration du procédé précédent, par action de la température et de la pression, ce qui permet l'obtention d'une proportion plus importante de fibres longues.

* pâte de raffineur (RMP Refiner Mechanical Pulp)

L'obtention de la pâte de raffineur fait intervenir un procédé dérivé du précédent, qui convient mieux aux feuillus. Il consiste à faire passer non plus des rondins mais des copeaux dans des disques. La pâte obtenue se trouve moins dégradée.

* pâte thermomécanique (TMP Thermomechanical Pulping)

Pour obtenir cette pâte, le procédé utilisé associe un étuvage des copeaux à la vapeur à une température supérieure à 100°C, à un défibrage sous pression puis un défibrage en atmosphère ambiante.

Les caractéristiques des pâtes ainsi préparées sont meilleures, et on augmente encore la proportion de fibres longues.

* pâte chimicothermomécanique (CTMP Chemi Thermomechanical Pulping)

Cette pâte s'obtient par un défibrage sous pression suivi d'une imprégnation chimique en présence de soude et de de bisulfite de soude à une température toujours supérieure à 100°C.

Toutes ces pâtes sont appelées pâtes à haut rendement. Elles ont ensuite besoin d'être classées (tri des fibres), épurées (élimination des impuretés) et généralement blanchies suivant leur utilisation, mais devront de préférence être utilisées sur site car le séchage détruit une bonne partie de leurs caractéristiques mécaniques. Pour la commercialisation, elles sont séchées sous forme de flocons et vendues en balles de 200 à 300 kg.

Elles entrent dans la composition du papier journal, du papier pour magazines, et à moindre échelle dans celle des papiers à usage graphique (édition, bureau, écriture, enveloppe, affiche, imprimante), du carton, des papiers sanitaires et domestiques.

Globalement ces pâtes à haut rendement ont les caractéristiques suivantes :

• caractéristiques mécaniques plus faibles que les pâtes chimiques,
• prix de revient faible puisque le rendement est élevé,
• bonne opacité, bonne aptitude au calandrage,
• bonne imprimabilité,
• mauvais vieillissement,
• peluchage.

I2 - Les pâtes chimiques
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Deux grands types de pâtes existent selon le produit chimique utilisé :

• le procédé alcalin au sulfate (on parle aussi de procédé kraft), ou à la soude
• le procédé acide au bisulfite

Ces procédés s'adaptent aux feuillus et aux résineux.

Le principe consiste à cuire les copeaux dans un réacteur chimique appelé lessiveur, avec une "liqueur blanche", liquide constitué des agents chimiques. Cette cuisson se fait à chaud, de 130 à 180°C, sous pression pendant 2 à 5 heures suivant l'essence du bois.

Après ce traitement, les copeaux obtenus en suspension dans la "liqueur noire", liquide contenant les produits chimiques et la lignine dissoute. Par un mécanisme de défibrage, les fibres sortent individualisées et souples. Il reste à procéder aux étapes de lavage, classage, épuration et éventuellement blanchiment.

Cette pâte peut être séchée ou utilisée sur site. Dans le premier cas, elle se présente sous la forme de feuilles épaisses.

*procédé alcalin

Les caractéristiques de la pâte obtenue par un procédé alcalin (cuisson courte de 2 h) sont une bonne résistance mécanique, un bon indice d'éclatement et de déchirure et une bonne longueur de rupture. Par contre, cette pâte sera plus difficiles à blanchir qu'une pâte issue d'un procédé acide. Cette pâte sera utilisée dans l'emballage, pour les papiers impression-écriture lorsqu'elle est blanchie, ou encore en mélange.

*procédé acide

Le procédé acide (cuisson longue de 5 h) confère au papier des caractéristiques mécaniques plus faibles surtout en déchirure, mais la pâte est plus claire, se raffine plus vite et se blanchit plus facilement sans chlore. Cependant, pour des raisons environnementales, elles ne sont presque plus utilisées, sauf pour les papier très raffinés comme les ingraissables, ou encore pour les ouates de cellulose car elle apporte souplesse, douceur et possède des qualités d'absorption..

I3 - La pâte mi-chimique
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Bien sûr il existe des traitements mixtes qui combinent une action chimique et une action mécanique. Ces pâtes sont assez peu utilisées en réalité, on les retrouve essentiellement en cannelure, car les fibres sont individualisées et ont gardé un peu de lignine ce qui les rigidifie et leur donne une qualité de résistance à la compression.

Il existe également d'autres pâtes que nous ne ferons ici que citer, comme les pâtes textiles (lin, chanvre, coton) utilisées pour les papiers cigarette, billets de banque et papiers de longue conservation. Elles ont d'excellentes qualités mécaniques et résistent à l'usure et au vieillissement.

I4 - Le blanchiment des pâtes
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La couleur des pâtes fabriquées d'après les procédés évoqués précédemment est plus ou moins claire et nécessite un éclaircissement sauf pour certaines applications dans l'emballage. Lorsqu'il n'y a pas de blanchiment, la pâte est dite écrue.

On peut distinguer le blanchiment des pâtes chimiques et l'éclaircissement des pâtes mécaniques:

• Dans le cas des pâtes mécaniques, l'objectif est de conserver le rendement élevé. La couleur brune de la pâte est due à la présence de composés dérivés de la lignine, les quinones, qui possèdent des groupements carbonyles C=O. Les traitements actuels de ces pâtes sont réalisés à l'aide de réactifs non chlorés, les péroxydes ou l'hydrosulfite de sodium. Le principe consiste à modifier les groupements chromophores de la lignine permettant l'éclaircissment de la pâte. Mais ce procédé est réversible sous l'action de la lumière, ce qui cause le jaunissement des papiers, par exemple celui des journaux.

• En ce qui concerne le blanchiment des pâtes chimiques, le problème est plus complexe car il faut dissoudre la lignine résiduelle. Le blanchiment consiste à mélanger la pâte dans un "mixeur" avec le réactif choisi puis à le faire réagir dans une tour de blanchiment. Après réaction, on extrait les jus de blanchiment et la pâte est lavée puis filtrée. Les réactifs utilisés sont de nos jours le chlore gazeux, l'hypochlorite de soude (l'eau de javel), le dioxyde de chlore, le péroxyde d'hydrogène (l'eau oxygénée), l'oxygène et l'ozone.
  
  Cette étape reste la plus polluante dans la fabrication du papier et les progrès réalisés dans ce domaine ces dernières années sont considérables vis-à-vis de l'environnement. Il n'en est pas moins que cela reste un point sensible puisque le blanchiment de 450 g de pâte kraft écrue issus d'1kg de bois donnent 420 g de pâte blanchie et 30 g d'effluents chlorés que l'on ne peut pas brûler car ils contiennent des chlorures. Ils sont alors traités en station d'épuration.

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Suivant les produits utilisés, on peut obtenir des pâtes ECF (Elemental Chlorine Free, ce qui signifie pâte blanchie sans chlore gazeux), TCF (Totally Chlorine Free, pâte blanchie sans composé chloré).

Les blancheurs de toutes ces pâtes sont recensées dans le tableau ci-dessous :

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