Désencrage des encres UV, désencrage des vernis UV (imprimerie)

MÉMOIRE

cerig.efpg.inpg.fr

Le désencrage des encres et vernis UV

Stéphanie Massoutier et Olivier Pollack (étudiants EFPG)
Ce texte a reçu une mention spéciale au Grand Prix des Couleurs 2000


	Plan
	I -	Introduction
	II -	Les différentes étapes du désencrage
	III -	La physico-chimie du désencrage
	IV -	Les voies d'amélioration
	V -	Conclusion
	VI -	Bibliographie


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I - Introduction

De nos jours, on utilise de plus en plus de papiers recyclés. Or, les technologies d'impression nouvelles, comme celle de l'impression avec des encres et vernis UV, posent des problèmes pour le désencrage. Lors du séchage d'une encre UV, une réticulation des polymères se produit. Cette réticulation garantit un séchage quasi-instantané, qui scelle le film d'encre sur le support. C'est la formation de ces polymères réticulés qui donnent aux encres UV une grande partie de leur intérêt, mais qui en même temps rend leur désencrage problématique.

Nous allons dans un premier temps présenter les différentes étapes du désencrage pour une encre UV pour ensuite nous intéresser à la physico-chimie du désencrage. Nous finirons en tentant de dégager les possibilités d'amélioration des procédés.

II - Les différentes étapes du désencrage

Les procédés de recyclage des vieux papiers sont anciens et s'appliquent globalement à tous les types d'imprimés indépendamment du type d'encres utilisé.

II-1 Le défibrage

C'est la première étape du recyclage des fibres. Dans un pulpeur un peu différent des pulpeurs à pâte traditionnelle, les fibres usagées sont séparées les unes des autres, ainsi que des charges et autres additifs. Le décrochage commence dans le pulpeur. On doit rechercher un compromis entre le détachement de l'encre et la fragmentation des contaminants pour faciliter leur élimination ultérieure. Pour améliorer le détachement de l'encre, le défibrage est réalisé en milieu alcalin, avec addition de produits chimiques tels que le silicate de sodium et des savons.

II-2 L'élimination des contaminants

Les contaminants sont constitués de toutes les matières autre que les fibres :les agrafes, les morceaux de colle ou de reliure et l'encre. C'est donc l'étape cruciale du recyclage. L'élimination peut se faire en jouant sur les différences de taille, de densité et de propriétés de surface des contaminants par rapport aux fibres.

Pour les encres conventionnelles, la température et les contraintes de frottement imposées lors du défibrage sont suffisantes pour fragmenter les agglomérats d'encre détachée en particules assez petites pour passer au travers des mailles du tamis pendant le lavage (washing). Ce lavage permet d'éliminer toues les charges minérales contenues dans le papier et les impuretés. Pour les encres UV, les particules résultantes du défibrage sont trop grosses pour être éliminées lors du lavage.

Le filtrage (screening) permet d'éliminer les contaminants de grande taille, tels que les films plastiques, morceaux de reliures, agrafes, par passage de la suspension fibreuse au travers d'un écran à maille assez large pour laisser passer les fibres. Cette étape est elle aussi inefficace en ce qui concerne le traitement des encres UV, les particules de tailles de 40 à 100 µm passant avec les fibres.

L'action de nettoyage (cleaning), a lieu dans les hydrocyclones. Elle est basée sur les différences de densité et consiste en l'utilisation des forces centrifuges existantes au sein d'un vortex artificiel pour séparer les contaminants "lourds" (heavyweight cleaner), plaqués sur les bords d'un cône en rotation. Il suffît d'aspirer la suspension au milieu du vortex, là où restent les fibres. Cette méthode est surtout efficace pour l'élimination des métaux, du sable et des particules de vernis. On peut utiliser la même technique pour séparer les fibres des éléments "légers" (lightweight cleaner).

En comparaison avec le lavage, la flottation est la meilleure méthode permettant d'éliminer les particules d'encres UV détachées [7]. La flottation, technique empruntée à la métallurgie et adaptée aux fibres, consiste en une élimination des particules hydrophobes (surtout les particules d'encre), en les faisant remonter à la surface de la suspension grâce à l'action d'un jet continu de bulles d'air. En modifiant chimiquement la surface des particules d'encre UV et des bulles créées, les particules d'encre deviennent plus adhérentes à la surface des bulles et remontent à la surface avec elles. La flottation ne garantit cependant pas un résultat parfait. C'est la flottation que les chercheurs tentent d'améliorer et d'adapter pour désencrer le mieux possible les encres UV, notamment grâce à l'utilisation des tensioactifs spécifiques et de conditions optimales de consistance, de pH et de température.

III - La physico-chimie du désencrage

Le désencrage consiste à décrocher les particules d'encre de la surface des fibres puis à les éliminer de la suspension.

III-1 Le décrochage de l'encre

Le décrochage est le résultat d'une action chimique et mécanique dans le pulpeur. Les produits chimiques utilisés sont : la soude, le silicate de sodium, le peroxyde d'hydrogène, et le savon ou les tensioactifs synthétiques.

La soude est utilisée pour élever le pH et saponifier et/ou hydrolyser les liants des encres. Elle crée aussi l'alcalinité nécessaire pour entraîner le gonflement des fibres favorisant le détachement de l'encre en liaison avec l'action mécanique de la trituration.

Le silicate de sodium est aussi un agent alcalin qui permet d'avoir une réserve d'alcalinité sans augmentation excessive du pH. C'est aussi un agent dispersant facilitant ainsi la collecte de l'encre dans les cellules de flottation. Il intervient également dans les équilibres du calcium et le mécanisme de collecte de l'encre par le savon. C'est enfin un bon agent stabilisant du peroxyde d'hydrogène, par son action insolubilisante des ions métaux lourds.

Le peroxyde d'hydrogène est utilisé pour empêcher le jaunissement des pâtes mécaniques dû à la présence de soude, et pour améliorer le degré de blancheur.

Le savon ou les tensioactifs synthétiques favorisent le décrochage de l'encre sur la surface des fibres et la stabilisent dans la suspension. Le choix du tensioactif se fait en fonction du procédé ultérieur d'élimination de l'encre. Dans le cas de la flottation, on utilise un produit permettant de rendre la particule d'encre hydrophobe.

Figure 1 : mécanisme du décrochage de l'encre

Il n'existe pas encore de modèle définitif des mécanismes du décrochage de l'encre. En général, les modèles reposent sur le fait que l'addition de soude augmente l'ionisation des groupes carboxyliques des fibres cellulosiques. Cette ionisation augmente la dispersion et la répulsion entre les fibres mais aussi entre les fibres et les particules d'encre. Ce phénomène est renforcé par l'addition des tensioactifs et du savon. L'agent tensioactif est adsorbé à la surface des fibres et des particules d'encre. Les forces de cisaillement agissant dans le pulpeur entraînent le décrochage final de l'encre.

III-2 L'élimination de l'encre par flottation

Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer le mécanisme. Un modèle part du fait que les savons de calcium forment des flocs sur lesquels les particules se fixent bien alors que les fibres ou les particules plus lourdes (charges) qui adhèrent éventuellement sont séparées relativement facilement par l'effet de cisaillement dans la cellule de flottation. La charge négative des particules favorise le décrochage de l'encre des fibres mais les empêche de se fixer aux bulles d'air. Les ions calcium précipitent avec une partie du savon et ce précipité entoure les particules comme une "microencapsulation" donnant aux particules le caractère hydrophobe du savon de calcium. La répulsion entre les particules diminuant, ces dernières forment aisément de petits agrégats qui ont une aptitude à la flottation supérieure aux particules individuelles.

Figure 2 : rôle du savon de calcium dans la collecte de l'encre

III-3 Le défaut de poivrage

Le principal problème du désencrage des encres et vernis U.V est le défaut de poivrage c'est-à-dire la formation de particules d'encre colorées assez grandes pour être visibles à l'œil nu. En anglais, on les appelle des "specks". Les specks diffèrent en fonction de la taille, la forme, la couleur. En général, ces particules varient en diamètre de 40 à 400 µm, sont plates avec une épaisseur allant de quelques micromètres à une dizaine de micromètres.

Ce défaut résulte d'une mauvaise dispersion dans le pulpeur. Alors que ce problème peut être résolu pour les papiers couchés résistant à l'eau en augmentant la quantité de réactifs dans le pulpeur ou la durée de désintégration, il n'en est rien pour les impressions UV. Le taux d'élimination des specks en flottation est relativement élevé mais, compte tenu de leur nombre et de leur taille visible à l'œil nu, ce taux n'est pas suffisants pour l'obtention de pâtes propres [9]. D'autre part, il semblerait que la saponification n'ait pas lieu lors du défibrage, ce qui constituerait une des causes du poivrage.

IV - Les voies d'amélioration

Pendant nos recherches, nous avons constaté que le désencrage des encres UV reste un problème non résolu et qui fait peu l'objet de recherches.

IV-1 L'utilisation des encres UV

Depuis que le recyclage moderne des fibres existe, les imprimés sont recyclés après un tri sélectif selon les différents types d'imprimés(journaux, journaux invendus sur papiers blancs) ; c'est la classification CEPAC. Jusqu'à il y a une dizaine d'années, les encres UV étaient si peu employées qu'elles n'influaient que peu sur les résultats des traitements. En 1987, on prévoyait que l'augmentation du nombre d'imprimés UV allait justifier la mise au point de cellules destinées à désencrer un taux de 100 % d'imprimés UV et capables de faire avancer l'état des connaissances sur les phénomènes. Nous pensons que c'est cette faible proportion des imprimés UV qui est la cause de ce manque de connaissances relatives au désencrage des encres UV. Les connaissances et recherches actuelles se limitent aux domaines des laboratoires, qui travaillent avec des cellules à échelle réduite. S'il est vrai que les chercheurs peuvent trouver des solutions pour améliorer le désencrage des imprimés UV, il est difficile d'avoir des données sur la répercussion qu'auront ces améliorations sur le désencrage en milieu industriel, étant donné que le taux d'utilisation des encres UV est encore faible. Cependant, il semblerait que les dirigeants des usines de recyclage ne soient pas prêts à modifier leurs cellules de flottation et leurs procédés chimiques.

IV-2 Un procédé spécifique

Non seulement il ne semble pas pour l'instant envisageable de trier les imprimés selon des critères visant optimiser leur désencrage (type d'encre), mais il n'existe pour l'instant qu'un seul type de procédé de désencrage. Ce procédé, dont nous avons énuméré au début de notre exposé les principales étapes, est plus ou moins adaptable à chaque type d'imprimés. Il est en perpétuelle amélioration puisqu'il faut tenir compte de la diversité croissante des supports d'impression et des types d'encres utilisés. Nous nous sommes demandés s'il n'était pas envisageable de chercher un procédé radicalement différent de celui existant à l'heure actuelle, qui soit spécifiquement adapté au traitement des imprimés UV.

IV-3 Les idées

Nous avons lu des documents concernant le recyclage des vieux papiers qui faisaient état de l'utilisation des biotechnologies dans le cadre du traitement des eaux de procédé [3]. Il semble que ces techniques ne soient pas envisageables dans le cadre du désencrage des encres UV. Il serait aussi possible de considérer le problème dans l'autre sens, en se demandant si l'on ne pourrait pas modifier la formulation des encres UV. En fait les radiations UV permettent aux polymères de réticuler, ce qui les rend insolubles et infusibles. Le même problème se pose pour l'industrie automobile qui ne peut rien faire des pneus usagés, pneus qui sont l'exemple même du polymère réticulé, insoluble et infusible.

Pour cette raison il est raisonnable de penser que ce sont les propriétés de surface des particules d'encres UV qui sont pour l'instant le plus à même d'offrir une possibilité d'amélioration du désencrage. On pourrait aussi essayer d'agir au niveau du défibrage dans le pulpeur sachant que c'est la mauvaise dispersion des particules qui est à l'origine du poivrage.

Il existe une voie d'amélioration possible par le biais de l'utilisation des ultra-sons. Après un rapide déchiquetage des papiers en pulpeur, la suspension peut être traitée par ultrasons, entraînant la dispersion de l'encre qui peut ensuite être éliminée par flottation ou lavage. Pour l'instant, cette méthode n'a été essayée qu'en laboratoire et n'a pas été développée au niveau industriel.

V - Conclusion

Le désencrage des encres et vernis U.V est un problème récent qui se heurte au principe même du recyclage, qui jusqu'à maintenant consistait à ne traiter que des vieux papiers journaux (70 %) et des magazines (30 %). Aujourd'hui, les techniques de désencrage classiques (flottation) ont été modifiées pour les encres et vernis UV, mais le problème du poivrage demeure. Une solution serait d'adapter les structures de recyclage (par exemple la méthode des ultra-sons) mais elles sont difficiles à faire évoluer.




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