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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Notes > Valorisation des nanocelluloses dans la pâte thermomécanique pour la production de papier à haute valeur ajoutée           Révision : 7 janvier 2014
     
Valorisation des nanocelluloses dans la pâte thermomécanique
pour la production de papier à haute valeur ajoutée
(Valorization of NFC in TMP pulp
for value-added paper producing)


Gilles Lenfant
Promotion 2012
Mise en ligne : Janvier 2014

Résumé du projet de fin d'études encadré
par Alain Dufresne (Grenoble INP-Pagora)
 

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La Cellulose réunit les anciens élèves de Grenoble INP-Pagora (ingénieurs et diplômés de licence professionnelle). Chaque année, l'association attribue le Prix de La Cellulose à un(e) jeune ingénieur(e) diplômé(e) de l'école qui s'est distingué(e) par son travail tout au long de son parcours scolaire et particulièrement durant sa troisième année d’études, au travers de son projet de fin d’études (PFE). La participation à ce Prix est individuelle, gratuite et ouverte à tous les élèves-ingénieurs de Grenoble INP-Pagora ayant été diplômés l’année en cours.
Le Prix de La Cellulose est remis au (à la) gagnant(e) lors de la cérémonie de remise des diplômes.
Voici le résumé du projet de fin d'études d'un ingénieur diplômé en 2012, candidat au Prix de la Cellulose.

I - Objectif et réalisation

Voir aussi

Mon projet de fin d'études a eu lieu dans la ville de Trois-Rivières (Québec). Il s'inscrit dans le cadre du réseau ArboraNano qui vise à promouvoir la recherche des universités canadiennes sur les matériaux cellulosiques au service des industries. Objectif : créer des papiers à haute valeur ajoutée à base de pâte mécanique afin de relancer la branche papetière au Canada. En effet, celle-ci connaît une forte décroissance depuis des années en raison de la baisse de la demande de papiers en tous genres (journaux, magazines,...).

Mon projet a consisté à insérer des nanofïbres de cellulose en surface de feuilles faites de pâte thermomécanique afin d'en diminuer la perméabilité et d'en augmenter les propriétés mécaniques. Pour cela, j'ai étudié la dispersion des nanofïbres de cellulose. En effet, en augmentant leur dispersion et leur homogénéisation en solution, on augmente le potentiel de liaisons hydrogènes dans le matériau ainsi que la surface spécifique. Les liaisons hydrogènes participent au renforcement mécanique tandis que la surface spécifique réduit la perméabilité.

Dans un premier temps, mon travail a été de caractériser les nanofibres de cellulose pour connaître leur morphologie. La teneur sèche a été déterminée selon une méthode de taux de cendres. Dans la partie sèche de la suspension fibreuse originale, il y a 80% d'éléments cellulosiques pour 20% de charges (carbonate de calcium). Il est apparu que la suspension fibreuse de nanocelluloses comporte en fait une proportion conséquente de fibres macroscopiques classiques ainsi que des fibres de tailles microscopique et nanométrique. Ce résultat a été démontré notamment par l'utilisation d'un classage de fibres selon leur taille avec deux appareils, le Bauer McNett et un équipement optique de type MorFi. Une observation au microscope électronique à balayage a confirmé ce résultat.

Dans un deuxième temps, nous avons utilisé la rhéologie pour étudier la dispersion de la nanocellulose. Une suspension fibreuse sous cisaillement a été simulée afin de voir si cela peut avoir un impact sur l'enchevêtrement des nanofibres entre elles, le but étant de préparer la dispersion des fibres avant leur envoi sur la surface du papier. Le principal résultat de cette étude rhéologique a été observé avec l'ajout de la carboxymethyl cellulose (CMC) sur la suspension fibreuse qui la rend plus élastique. En effet, aux plus hautes concentrations en nanofïbres, la CMC provoque un comportement de gel dans la suspension, signe d'une meilleure homogénéisation du milieu avec une diminution des agrégats. Par ailleurs, cette suspension, bien que soumise aux phénomènes de sédimentation, a démontré sa stabilité dans le temps. Ainsi, la redispersion ultérieure de la suspension n'a pas impacté la viscosité du système. Il semble par ailleurs qu'il existe une concentration critique en CMC autour de 4 wt% par rapport à la masse sèche en cellulose dans ce système. Cette concentration critique correspondrait au minimum de la viscosité entre la dispersion des nanofibres dans le système et l'effet d'épaississant reconnu de la CMC.

Le mélange par trituration mécanique a aussi été étudié afin de voir si l'agitation peut améliorer l'écoulement des fibres dans le milieu. Il a été montré que l'agitation mécanique permet d'éviter une contrainte seuil d'écoulement. Cette contrainte seuil est un certain effort à fournir à la suspension pour lui permettre de s'écouler plus facilement et de manière plus homogène tout en ayant moins d'effet de floculation des nanofibres entre elles.

Pour compléter ce travail, les nanofibres de cellulose ont été introduites en surface de feuilles de papier TMP créées à partir d'une formette dynamique. Deux pâtes TMP, dites pâtes A et B, ayant un degré de raffinage différent, ont été comparées. Un meilleur recouvrement du papier a été observé au microscope à balayage avec la pâte A, la plus raffinée, en comparaison avec la pâte B. L'ajout de nanofibres a montré une augmentation des propriétés en tension des feuille de papier dans les sens marche et travers. L'effet de la CMC n'a été observé que pour la fabrication de feuilles en nanofibres seules. Aucun effet conséquent n'a été remarqué si la CMC est mélangée avec les nanofibres pour un traitement en surface de la feuille TMP. En effet, la teneur en CMC dans les nanofibres étant très faible a pu être perdue dans les eaux blanches.

II - Conclusion

Cette étude constitue le point de départ d'un projet industriel visant à étendre le couchage des nanofibres sur les papiers issus de pâtes TMP. Malgré la composition contrastée de la suspension nanofïbreuse étudiée dans ce projet, les phénomènes d'agitation mécanique et la CMC ont apporté de nouvelles informations sur une méthode possible pour homogénéiser la suspension. Malheureusement, la forte polydispersité des tailles de fibres dans la suspension utilisée la rend très difficile à caractériser tant au niveau rhéologique qu'au niveau optique.

 
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