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Chercheurs du LGP2 (EFPG, INPG, CNRS, CTP)
(Novembre 2006)
 
Documents extraits du
"Rapport d'activité scientifique du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers  - UMR 5518
Grenoble - France
Janvier 2002 - Novembre 2005"

I - Génie papetier et de l'environnement

I - 3 - Influence des phénomènes de mouillage sur la pénétration de l’eau dans le papier en relation avec le couchage du papier
Martine Bouchon, Martine Rueff, Véronique Morin

La plupart des papiers subissent une enduction pour améliorer leur état de surface. Le couchage du papier consiste à déposer en excès une dispersion pigmentaire sur le support fibreux, doser la quantité déposée puis sécher le papier enduit. La dispersion pigmentaire est principalement composée de pigments et de liants dispersés dans de l’eau. Dès qu’elle est mise en contact avec le papier, la dispersion peut se déshydrater par absorption d’eau dans le papier. D’un point de vue industriel, il est essentiel de contrôler cette quantité d’eau absorbée en des temps très courts, moins de 100 millisecondes, qui est déterminante pour la qualité du produit fini. Une bonne compréhension des phénomènes mis en jeu est donc essentielle.

Les travaux antérieurs, menés au laboratoire dans le cadre de la thèse d’Hélène Bernard (2001), ont conduit, d’une part, au développement d’un banc d’essai permettant d’enduire un papier dans des conditions comparables au procédé industriel [Figure 1] et, d’autre part, à la constatation suivante: pour simuler la cinétique de pénétration de l’eau dans le papier, en adoptant un modèle basé sur l’équation de Szekely et en représentant le papier comme une structure poreuse formée de capillaires cylindriques et tortueux, dont la distribution de taille est connue, il est nécessaire de considérer un angle de contact très proche de 90° pour ajuster les résultats expérimentaux au modèle dans le cas de papiers hydrophiles, en l’absence de pression extérieure. Cette constatation soulève deux questions, l’une relative au mouillage dynamique du papier et l’autre au choix d’un modèle pour représenter la structure du papier.

Vue du dispositif d’enduction développé au laboratoire.
Figure 1 - Vue du dispositif d’enduction développé au laboratoire

Nous avons poursuivi cette étude basée sur l’expérimentation, en nous intéressant notamment à l’influence des phénomènes de mouillage sur la pénétration de l’eau dans le papier. Grâce à un dispositif, dont le principe est conventionnel mais qui a été développé au laboratoire pour acquérir des images à fréquence élevée, c’est-à-dire au moins 1000 images par seconde, nous avons pu analyser l’étalement de gouttes déposées sur des papiers et mettre en évidence les points suivants :

Évolution de l’angle de contact et du diamètre d’une goutte en fonction du temps
Figure 2 - Évolution de l’angle de contact
et du diamètre d’une goutte en fonction du temps

L’existence d’un angle de contact élevé pendant les premières millisecondes du contact ne signifie pas nécessairement qu’il y a absence de mouillage. La valeur élevée de l’angle provient de la dynamique d’étalement de la goutte, par contre les interactions entre le liquide et le support sont instantanées. Si l’on transpose les résultats au cas de la pénétration dans un capillaire, bien que les phénomènes soient plus complexes car le front liquide qui progresse se retrouve en contact avec une nouvelle surface solide, on peut conclure que le concept de retard au mouillage a un sens, même si l’humidification est instantanée. Ceci expliquerait la faible vitesse de pénétration de certains liquides dans certains supports. Par ailleurs, la dépendance de l’angle de contact avec la vitesse d’avancée du front, même en l’absence de retard au mouillage, peut contribuer à une faible vitesse de pénétration.

Volume de liquide transféré au papier par unité de surface   Volume de liquide transféré au papier sur dispositif de laboratoire
Figure 3 - Volume de liquide transféré au papier par unité de surface (à gauche) et sur dispositif de laboratoire (à droite)

Les essais menés sur un pilote de couchage et sur le dispositif de laboratoire nous ont montré [Figure 3] que :

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