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Vous êtes ici : Accueil > La technique > Procédés > Rapport d'activité scientifique du LGP2 > Physique des structures fibreuses > Physico-chimie de la partie humide           Révision : 05 juillet 2011
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Chercheurs du LGP2
(Mai 2011)
 
Grenoble INP-Pagora, Ecole internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux
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Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2)

III - Physique des Structures Fibreuses

III - 4 - Physico-chimie de la partie humide
Jérôme Da Silva Mourao, Elisa Zeno, Evelyne Mauret

Les recherches menées dans l’équipe sur ce thème traitent de l’utilisation des additifs en partie humide, c’est-à-dire des produits ajoutés au cours des différentes étapes d’élaboration de la suspension fibreuse. Ces additifs peuvent être regroupés en deux classes. Les agents de rétention et d’égouttage améliorent la rétention des éléments fins (fines cellulosiques et charges minérales) dans le matelas fibreux en cours de formation. Modifiant l’état de floculation de la suspension fibreuse, ils permettent également d’augmenter la vitesse de formation du matelas fibreux en facilitant l’écoulement de l’eau. Le deuxième groupe d’additifs se rapporte aux produits conférant aux papiers et cartons des propriétés d’usage spécifiques. La résistance des papiers en l’état ou à l’état humide peut ainsi être modifiée, de même que le niveau de "collage" interne des papiers (ou leur capacité d’absorption des liquides). Des travaux se rapportent ainsi à la modification des fibres, principalement par adsorption de polyélectrolytes, pour conférer au papier des propriétés particulières (Thèse de O. Paquet, post-doctorats de M. Krouit et de N. Tabary). Les études menées dans l’équipe ont également pour objectifs d’approfondir la connaissance des mécanismes d’adsorption des polyélectrolytes comme l’amidon cationique ou lapolyamide-amine épichlorhydrine (thèse de E. Siqueira), de mieux comprendre les effets des agents de rétention sur l’état de floculation de la suspension fibreuse ainsi que ceux des substances dites perturbatrices sur l’efficacité des additifs. C’est dans ce contexte que J. Da Silva Mourao a effectué son doctorat (partenariat (CIFRE) avec le Centre Technique du Papier (CTP) dans le but d’évaluer comment le collage interne pouvait être modifié par l’action de contaminants.

Collage interne des papiers et cartons

Le collage interne est un traitement utilisé afin de contrôler la pénétration des liquides dans les papiers et cartons, principalement pour les opérations d’impression et de transformation. Les additifs, introduits dans la suspension fibreuse et adsorbés par les fibres avant la formation de la feuille, abaissent l’énergie de surface de ces fibres. L’AKD (alkyl ketene dimer) et l’ASA (alkenyl succinic anhydride) sont largement utilisés : ils permettent de produire des papiers fortement collés et peuvent être mis en œuvre en milieu neutre ou alcalin, rendant ainsi possible l’ajout de charges minérales comme le carbonate de calcium. Le collage peut être perturbé par la présence en quantité importante d’éléments fins dans la suspension fibreuse, la fermeture des circuits et le type de pâte cellulosique utilisée. Ces problèmes sont souvent liés à la présence de substances perturbatrices (substances dissoutes ou colloïdales souvent relarguées par les fibres cellulosiques). Le principal objectif de ce travail est d’évaluer l’effet de certains composés du bois et des ions calcium sur l’efficacité de l’ASA et de l’AKD. Dans ce but, deux séries d’expériences ont été menées. La première a consisté à tester l’efficacité du collage sur une pâte thermomécanique (TMP) avant et après une série d’extractions permettant l’élimination sélective des extractibles : extraction à l’hexane (H), à l’acétone (A) et à l’eau (W). La deuxième série d’expériences a été menée sur une pâte chimique blanchie (BKP) dans laquelle des composés modèles ont été introduits : acide déhydroabiétique, xylane et galactomannanes. Le niveau de collage a été évalué en mesurant le Cobb qui correspond à la quantité d’eau absorbée par le papier (en g/m) déterminée dans des conditions définies.

Effet de l’opération d’extraction sur l’efficacité du collage à l’AKD

Le collage a été mesuré sur des formettes de laboratoire réalisées à partir de pâtes extraites et non extraites. La [Figure 1] illustre les résultats obtenus : la valeur du Cobb est reportée en fonction du dosage d’AKD pour la pâte non extraite et les pâtes extraites à l’hexane (H) et à l’hexane + acétone (H+A). Pour comparaison, les valeurs de Cobb d’une pâte chimique blanchie (BKP) sont également données. Ces résultats confirment que la TMP est plus difficile à traiter que la BKP. Les extractions sont un moyen d’améliorer le niveau de collage et l’extraction en deux temps (H+A) est la plus efficace. Même si les résultats obtenus avec des extractions à l’acétone (A) et à l’eau + acétone (H+A), il apparaît que les substances polaires ont un effet plus marqué sur le collage.

extraction, thermomechanical pulp, hexane
Figure 1 - Effect of extraction on sizing response of thermomechanical pulp (TMP);
H-TMP: pulp extracted with hexane;
(H+A)-TMP: pulp extracted with hexane and acetone;
BKP: bleached kraft pulp (reported for comparison).

Effet des composés du bois sur le collage à l’AKD

Deux classes de composés modèles (acide déhydroabiétique pour les composés lipophiles et xylane et galactomannane pour les hémicelluloses solubles) ont été ajoutés à une pâte chimique blanchie. L’effet des ions calcium, ajoutés seuls ou en association avec les composés modèles, a également été étudié. Les ions calcium provoquent seuls une baisse d’efficacité du collage [Figure 2] et l’effet est marqué à partir de 500 mg/L. La [Figure 3] montre l’impact de l’acide déhydroabiétique sur le collage : à partir de 30 mg/L introduits dans la suspension fibreuse, l’efficacité décroît de manière significative. Deux phénomènes peuvent être à l’origine de ce comportement. Des agrégats d’acide dispersés dans la suspension fibreuse peuvent perturber l’adsorption d’AKD par les fibres ou, après leur fixation à la surface des fibres, ces agrégats peuvent limiter les étapes de migration / réaction de l’AKD.

 
Figure 2 - Effect of addition of calcium ions
on sizing efficiency of a bleached kraft pulp (BKP).
  Figure 3 - Effect of addition of dehydroabietic acid (DH)
on sizing efficiency of a bleached kraft pulp (BKP).

Il est intéressant de noter que la présence d’ions calcium peut être un moyen de limiter l’effet négatif de l’acide déhydroabiétique, comme le montre la [Figure 4]. Présents à 150 mg/L, ils permettent d’annuler l’effet négatif de l’acide déhydroabiétique lorsque ce dernier est ajouté à faible concentration ou d’en limiter fortement l’impact dans les autres cas. On peut supposer que les ions calcium jouent le rôle de coagulant et provoquent la précipitation de l’acide déhydroabiétique à la surface des fibres. Ce dernier n’est donc plus disponible pour modifier l’action de l’AKD. Il est probable qu’un dosage optimum en ions calcium existe. Notons enfin que des résultats similaires ont été obtenus avec l’addition d’hémicelluloses à la suspension fibreuse.

Figure 4 - Coupled effect of addition of dehydroabietic acid (DH) and calcium ions (150 mg/L)
on sizing efficiency of a bleached kraft pulp (BKP).

Dans ce projet, nous avons également étudié l’effet des contaminants sur le collage à l’ASA. Des mesures d’AKD ou d’ASA retenu par les fibres et ayant réagi ont été effectuées dans le but de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la diminution du collage. Enfin, les effets des contaminants sur la stabilité des dispersions d’AKD et des émulsions d’ASA ont été évalués. Les résultats obtenus constituent un moyen d’optimiser la conduite du collage en conditions industrielles.

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