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Caractérisation de la morphologie des fibres de bois |
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| Raphaël Passas (Septembre 2008) |
Pour utiliser les fibres de bois dans la fabrication des papiers et cartons, il faut les individualiser. Cette étape peut être réalisée de différentes manières et nécessite, pour les optimiser, de connaître les proportions de chacun des constituants chimiques présents dans les bois.
Le bois est constitué principalement de cellulose, d’hémicelluloses et de lignine. La figure 10 montre la répartition de ces derniers.
La cellulose est le composant principal du bois, localisée essentiellement dans la couche S2 des fibres. C'est un polymère à chaîne longue sans ramification composé d’unités de β-D-glucopyranose liées ensemble par des liaisons (1-4) - β - glycosidique. Le degré de polymérisation de la cellulose du bois est d’environ 10 000 unités de glucose. Les molécules de cellulose ont une forte tendance à former des liaisons hydrogènes intra et inter moléculaires ce qui provoque leur agrégation [Fengel 1989, Sjöström 1992]. À cause de sa haute cristallinité et de sa forme non ramifiée, la cellulose est le composant du bois le moins accessible aux solvants. La teneur en cellulose diminue de la base du tronc au sommet de l’arbre.
Les hémicelluloses sont des hétéropolysaccharides contenant deux ou plus unités monosaccharides différentes. Les molécules comportent des chaînes latérales. Le degré de polymérisation est de l’ordre de 50 à 300. Les hémicelluloses amorphes sont facilement hydrolisables en leur monomère (D-glucose, D-mannose, D-galactose, D-xylose, L-arabinose, glucuronique et acide uronique). Comme les polymères hydrophiles, les hémicelluloses ont tendance à avoir une bonne absorption de l’eau et un fort gonflement. Par conséquent, une forte teneur en hémicelluloses augmente la flexibilité des fibres. Pour les feuillus, les hémicelluloses sont les glucuronoxylanes et les glucomannanes. Les hémicelluloses des résineux sont les galactomannanes, les arabinoglucuronoxylanes et les arabinogalactanes. Le bois initial contient plus de xylanes et moins de glucomananes que le bois d’été.
La lignine est un polymère amorphe tridimensionnel de DP = 20 000 formée d’unités phenylpropane [Glasser 1989]. Ces dernières sont jointes entre elles avec des liaisons covalentes stables (ether et C-C). La lignine contient également des groupes fonctionnels tels que methoxyl, phenolic hydroxyl, benzyl alcohol, carbonyl. Les groupements fonctionnels ont une influence majeure sur la réactivité de la lignine. Pour les feuillus, la lignine est de type guaiacyle et syringyle alors que pour les résineux elle est plutôt de type guaiacyle. La sulfonation produit une lignine plus hydrophile qui gonfle les fibres et augmente la flexibilité tout comme son aptitude à former des liaisons hydrogène [Broderick 1996]. Les extractibles sont composés de graisses, de cires ou encore de résines. Ils sont solubles dans divers solvants organiques ou "entraînables" à la vapeur.
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| Figure 10 - Schéma des constituants chimiques du bois | |
Les résineux ont une teneur en cellulose comprise entre 42% pour le pin maritime et 55% pour l’épicéa. Leurs taux de lignine sont de l’ordre de 26 à 29%. Les extractibles à l’eau et à l’acétone peuvent varier du simple (4,7% pour le pin tæda) au triple (12% pour le cèdre rouge). Les feuillus ont d’une manière générale beaucoup moins d’extraits (< 5%) que les résineux sauf pour le chêne et le châtaignier (25%). Leurs teneurs en cellulose sont sensiblement comparables à celles des essences de résineux. En revanche, les feuillus contiennent moins de lignine que les résineux et plus d’hémicelluloses.
En fonction du produit final que le papetier veut obtenir et compte tenu des impératifs économiques, plusieurs types de mise en pâte sont possibles [figure 11]
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| Figure 11 - Schéma de la fabrication de la pâte à papier | |
Le bois arrive dans les usines de production de pâte sous différentes formes (rondins, plaquettes, déchets de scierie et délignures). Dans le cas d’un approvisionnement sous forme de rondins, le bois comporte encore l’écorce qui est impropre à la production de la pâte à papier et qui doit être éliminée = écorçage. Ensuite, ces rondins peuvent être directement transformés en pâte à papier par des défibreurs à meule qui viennent séparer les différents cellules du bois par frottement de rouleaux dentés (meule) pour conduire à de la pâte mécanique (MP).
Une deuxième étape qui est couramment conduite est la mise en copeaux qui se fait à l’aide de coupeuses soit sur site industriel soit directement après l’abattage des arbres. Ces copeaux peuvent alors être traités selon différents procédés :
Les différentes pâtes obtenues sont classées en deux grandes catégories qui sont d’une part les pâtes mécaniques (MP, CMP, TMP, CTMP) et d’autre part les pâtes chimiques : kraft, bisulfite, soude… Leurs caractéristiques chimiques, morphologiques et mécaniques diffèrent. Les figures 12 et 13 montrent une vue d’un mélange de pâtes chimiques de résineux et de feuillus et d’une pâte CTMP de résineux.
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| Figure 12 - Mélange de pâtes chimiques de résineux et de feuillus |
Figure 13 - Pâte CTMP de résineux | ||
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Mise en page : A. Pandolfi |
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