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(2002-2005)
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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"

V - Emballage et transformation

V - 4 - Valorisation de différents déchets agricoles pour une application en papeterie
Séverine Schott, Didier Chaussy, Évelyne Mauret, Isabelle Desloges, Naceur Belgacem

Cette recherche porte sur la valorisation de déchets agricoles comme source de fibres cellulosiques pour la production de papier pour carton ondulé.

1 - Pâte de paille de blé

Ce thème de recherche s'effectue dans le cadre d'un appel d'offre Agriculture, Agro-industrie et Espace Rural et en collaboration avec la coopérative agricole EMC2, qui a développé et breveté un procédé de mise en pâte par explosion en phase vapeur.

Les fibres de bois représentent la principale matière première pour l'industrie papetière. Néanmoins, l'utilisation de pâtes issues de plantes annuelles connaît un regain d'intérêt. En particulier, en Europe, la nouvelle politique agricole commune incite les exploitants agricoles à trouver d'autres débouchés pour leur production. Dans cette optique, la valorisation de la paille constitue un enjeu important.

Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la caractérisation de la pâte de paille obtenue par le procédé d'explosion en phase vapeur EMC2. Il est apparu que cette pâte, comme toutes les pâtes de paille, possède une teneur élevée en hémicellulose (23 %) ainsi qu'une forte proportion d'éléments fins (60 % inférieurs à 0,68 mm). Ces deux points sont responsables d'une faible capacité d'égouttage (35°SR environ) et d'un niveau d'hydratation élevé (WRV voisin de 2 g/g), pour la pâte brute. Nous avons également montré que le raffinage de cette pâte permet de développer d'excellentes caractéristiques de la feuille consolidée, notamment de bonnes valeurs de SCT, de CMT et de cohésion interne. En outre, l'épuration est essentielle, puisqu'elle entraîne une amélioration de certaines caractéristiques mécaniques de 15 à 25 %. Compte tenu de ces résultats, la pâte explosée semble parfaitement adaptée à une utilisation dans les papiers d'emballage, en complément d'une pâte de vieux papiers.

Dans un deuxième temps, la recherche a été axée sur l'étude de mélanges de pâtes de paille et de vieux papiers. Nous nous sommes intéressés au mode de raffinage, au comportement au pressage et au séchage de mélanges contenant 0, 10, 30, 50 et 100 % de pâte de paille. L'ajout de pâte de paille permet d'améliorer les caractéristiques mécaniques de la feuille consolidée et cela d'autant plus que les pâtes sont raffinées séparément.
Néanmoins, l'introduction de pâte de paille s'accompagne d'une diminution de l'efficacité du pressage, ce qui se traduit par la suite par une durée de séchage accrue. Ces travaux ont permis une meilleure compréhension du comportement des pâtes en mélange.
Suite à ces essais en laboratoire, plusieurs essais industriels ont été effectués dans le cadre des papiers pour ondulés et des cartons pour tubes. Une centaine de tonnes a été produite, sans qu'aucun incident ne soit rencontré lors de la fabrication. Les caractéristiques des cartons ont été améliorées, mais une perte de productivité a été relevée (diminution de la vitesse de production et augmentation de la consommation en vapeur nécessaire au séchage). Les produits obtenus peuvent être économiquement rentables, à condition de bien optimiser le choix de la composition fibreuse, le raffinage, le choix d'agents d'égouttage, et le pressage.

Par ailleurs, d'autres thèmes de recherche semblent devoir être abordés : la stabilité dimensionnelle et le potentiel de recyclage de papiers fabriqués à partir de mélanges de fibres recyclées et de pâte de paille.

Enfin, l'ensemble de ces résultats, confrontés à ceux obtenus par ailleurs sur des papiers industriels et des échantillons de diverses pâtes de plantes annuelles, nous a permis d'analyser les principaux phénomènes intervenant lors des essais de compression des papiers. Ainsi, en s'appuyant sur plus de 250 sortes de matériaux fibreux différentes, nous avons déterminé les facteurs influençant par exemple la résistance à la compression à plat de cannelure et proposé un modèle pratique de calcul du CMT (Equation suivante). Cette propriété mécanique, fondamentale pour les papiers cannelures, dépend ainsi de deux caractéristiques physiques du matériau, à savoir sa rigidité à la flexion et sa résistance à la délamination. Ces résultats permettent une évaluation plus précise des propriétés d'usage de certains matériaux papiers. D'autre part, de façon plus générale, ils peuvent contribuer à l'optimisation du procédé de fabrication des matériaux et notamment à guider le choix d'additifs ou de matières premières afin d'améliorer la qualité du papier produit.

R² = 0.84
MRE = 9.9 %
(Écart Relatif Moyen)
Avec Et, le module de Young en traction (GPa)
et ZTS, la cohésion interne (kPa)

2 - Pâte de tronc de bananier

La production de banane est une source économique majeure pour l'île de Madeire au Portugal (1/3 des exportations et 20 % des revenus de l'île) et cette culture occupe 77 % des surfaces agricoles. Cette activité produit des quantités énormes de déchets (tronc de bananier : Musa accuminata Colla) qui ne sont pas exploités et qui encombrent des espaces agricoles pendant plusieurs mois avant qu'ils soient bio-dégradés. Le but de ce travail est de valoriser cette matière végétale pour la production de fibres cellulosiques.

Plusieurs modes et conditions de cuisson ont été appliqués pour délignifier les résidus de bananiers et différentes pâtes cellulosiques ont été produites. Il est intéressant de retenir que cette matière première donne des rendements en pâte chimique de l'ordre de 40 % et que le temps de délignification est très court (moins de 15 minutes) pour des cuissons soude-anthraquinone et/ou kraft à des températures de l'ordre de 120°C.

Les pâtes obtenues ont été caractérisées en termes de morphologie de fibres, d'égouttabilité et de propriétés physiques, optiques et mécaniques. Comme pour la pâte de paille de blé, celles obtenues à partir des troncs de bananier se sont avérées contenir une haute proportion de fine (60 % de fibres ont une longueur inférieure à 0,5 mm).

À partir de ces pâtes, des papiers de 140 g/m2 ont été fabriqués et utilisés pour la production de cannelure. Les caractéristiques, de différents papiers, sont regroupées dans le tableau1. On peut voir que les propriétés des papiers obtenus à partir des déchets de bananiers sont au moins aussi bonnes, voire meilleures, que celles des papiers commerciaux. En particulier le RCT et le CMT sont améliorés.

3 - Pâte d'artichaut sauvage

L'artichaut sauvage est une plante qui pousse dans des régions arides avec des précipitations très faibles. On peut la récolter deux fois par an. Cette plante pousse notamment en Espagne et au Portugal.

Nous avons étudié cette plante avec les mêmes objectifs que ceux mentionnés précédemment. La cuisson soude-anthraquinone s'est avérée la mieux adaptée pour cette plante. Les conditions optimales ont été établies et montrent qu'en deux heures à 140°C, 38 % de pâte chimique non-blanchie peuvent être obtenus. Les résultats de caractérisation des propriétés mécaniques de cette pâte sont donnés dans le [Tableau 1]. À partir de ces résultats, les pâtes obtenues ont montré une bonne aptitude à la transformation en cannelure, le CMT est meilleur que celui des produits commerciaux.

En conclusion, ces déchets agricoles sont exploitables comme sources de fibres cellulosiques pour les papiers cannelures. Ils peuvent être envisagés pour le remplacement au moins partiel des fibres recyclées actuellement utilisées dans les matériaux d’emballages.

  Papiers
pour cannelure
Paille de blé Tronc
de bananier
Artichaud
sauvage
Shopper - Riegler °SR - 58 59 24
Grammage (g/m2) 130 130 136 142
Volume massique (cm3/g) 1.5- 1.6 1.3 1.06 1.3
Masse volumique (g/cm3) 0.67 - 0.62 0.77 0.94 0.77
Indice d'éclatement (kPa.m2/g) 1.5 - 1.7 3.5 4.7 3.7
Indice de déchirure (mN.m2/g) 3.5 3.7 13.8 3.3
Allongement à la rupture (%) 2.2 - 1.44 3.2
Longueur de rupture (Km) 3.1 6.6 6.2 6.1
Longueur de rupture
à mâchoires jointives (Km)
8 - - 9.2
RCT (N) 126 - 220 180
CMT (N) 160 - 230 225 301 252

Tableau 1 - Comparaison des propriétés mécaniques des pâtes non blanchies
utilisées couramment pour la production des papiers pour cannelures.

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