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         Révision : 30 décembre 2000
Le papier thermique
Barbara TRUFFI - EFPG
(12 décembre 2000)
V - Les propriétés des papiers thermiques
 
V-1 Introduction : les papiers étudiés

Nous avons caractérisé des papiers thermiques d’origine japonaise. Les papiers mis à notre disposition peuvent être divisés en trois catégories :

    le papier protégé, qui possède une couche protectrice au recto et une au verso ;
  le papier semi-protégé, qui possède une couche faiblement protectrice principalement au recto (mais il existe aussi des papiers que la possèdent au recto et au verso) ;
  le papier non protégé, ou "normal", qui ne possède aucune couche protectrice.
Une première série de mesures optiques et physiques ont été réalisées sur les papiers suivants :
1)  Papier protégé
        Société Stora —> TT 7035
2) Papier semi-protégé
    Société Stora —> T 7035
    Société Kanzan —> KP-360
    Société Kanzan —> KLS-36
    Société Jtc —> AP63KS
3) Papier non protégé ou normal
    Société Stora —> TN 7051
    Société Kanzan —> KP-312
    Société Kanzan —> KP-315
    Société Jtc —> AP62KM-A
    Société Jtc —> AP62KS-H
    Société Arjo Wiggins —> S802/76
 
V-2 Propriétés physiques
V-2-1 Grammage et épaisseur

La figure 11 ci-dessous rassemble les résultats des mesures d'épaisseur (exprimée en µm) et de grammage (exprimé en g/m2). Un papier thermique d'usage courant possède une épaisseur variant entre 70 et 80 µm, mais l'impression des tickets et des billets de chemin de fer se fait sur un papier d’épaisseur voisine de 150 µm. On retrouve effectivement ces deux valeurs en examinant la figure 11.

Figure 11 : épaisseur et grammage des papiers thermiques examinés
V-2-2 Résistance mécanique

Nous avons mesuré la résistance à la traction des papiers thermiques précités. Les échantillons ont été conditionnés à une température de 23ºC avec 60 % d’humidité. Ils ont été coupés aux dimensions standard de 15 x 100 mm. Les essais ont été effectués à l’aide d’un extensiomètre Instrom. La force de rupture est proportionnelle à la largeur de l’échantillon et à son grammage.

La résistance à la rupture s'exprime par la longueur d’une bande de papier (fixée à une de ses extrémités) requise pour produire sa déchirure sous l’effet de son propre poids. Cette résistance est donc indépendant de la largeur de la bande, et s’exprime en mètres. Sa mesure s’effectue soit dans le sens marche, c’est-à-dire dans le sens de fabrication du papier, soit en travers. Les résultats obtenus sont rassemblés figure 12 ; comme on peut le constater, ils sont voisins pour les différents papiers.

Figure 12 : résistance à la rupture des papiers thermiques examinés (dans le sens de la marche en jaune, en travers en bleu)
V-2-3 Lissé

Le degré de lissé est un des facteurs les plus importants. Si le papier n’est pas suffisamment lisse, le contact entre tête d'impression et papier devient irrégulier, réduisant ainsi le transfert de la chaleur, et conduisant à une image de faible densité optique, ou avec un contraste irrégulier. Si le papier est trop lisse, il peut devenir brillant, ce qui réduit sa blancheur et le rend moins apte comme support d’impression.

Mais il faut distinguer le "lissé d’impression" du lissé propre au papier lorsque sa surface n’est soumise à aucune pression. Le "lissé d’impression", c’est-à-dire le lissé du papier pendant son passage dans la zone d’impression, est influencé non seulement par le lissé initial, mais aussi par la compressibilité et l’élasticité du papier. Afin d’améliorer la compressibilité de la feuille, il peut être utile d’adjoindre à la pâte un certain pourcentage de fibres courtes, de pâte mécanique, ou de papier recyclé. L’élasticité de la feuille peut être augmentée par l’emploi de polymères synthétiques dans le mélange.

Pour une estimation complète du "lissé d’impression", il est nécessaire de prendre aussi en considération le type d’irrégularité superficielle que la couche présente, c’est-à-dire son état de surface qui est lié aux variables du procédé de couchage, à la formulation de la couche, à l’absorption du support et au système d’application adopté.

Le lissé Bekk représente le temps en secondes pour le passage de 10 cm3 d’air sous une dépression de 0,5 bar (380 mm de mercure environ) entre la surface du papier et la surface de référence de l’appareil. Nous avons donc utilisé cet indice pour pouvoir comparer nos résultats avec les valeurs données par les fabricants. La figure 13 montre l’écart entre les valeurs obtenues dans notre laboratoire (en violet) et celles données par les fournisseurs (en bleu clair). Nos valeurs sont la moyenne d’une dizaine de mesures effectuées sur chaque papier conditionné pendant plusieurs jours à 23°C et à 60 % d’humidité relative. On peut remarquer qu’il n’existe aucune relation entre les différents résultats ; ceci peut être dû au fait que les conditions expérimentales relatives aux mesures n’étaient pas les mêmes.

Figure 13 : lissé Bekk des papiers thermiques examinés
 
V-3 Propriétés optiques

Les caractéristiques qui ont une influence sur l’amélioration du contraste, de la définition, de la tonalité et de la chromaticité de l’image sont de nature optique. Parmi celles-ci, la blancheur et en général la couleur permettent d’optimiser le contraste de l’image. Un autre paramètre très important est l’opacité, qui doit être assez élevée pour empêcher de voir l’image imprimée au travers de l’épaisseur du papier (transvision).

L’opacité et la blancheur d’un papier couché dépendent des caractéristiques du support, mais principalement des dimensions et de la dispersion des pigments ainsi que de la proportion de liant. Généralement, on peut dire qu’elles dépendent fondamentalement des coefficients d’absorption et de diffusion de la couche. Pour un même coefficient d’absorption, une augmentation du coefficient de diffusion provoquera un accroissement à la fois de l’opacité et de la blancheur ; pour un même coefficient de diffusion, une augmentation de celui d’absorption provoquera un accroissement de l’opacité, mais aussi une diminution de la blancheur et cela d’autant plus que la valeur du coefficient de diffusion sera faible. En résumé, on peut dire que le paramètre le plus significatif est le facteur de diffusion, qui est toujours lié à l’indice de réfraction du pigment et aux interfaces pigments-liant-air qui existent dans la couche [3].

Au-delà des caractéristiques optiques globales du papier, le coefficient de diffusion surfacique de la couche a aussi une autre conséquence : en effet, il conditionne partiellement le contraste et le rendu des demi-teintes. On observe cet effet quand le coefficient de diffusion est très élevé : en empêchant la lumière de pénétrer dans le papier, on diminue la diffusion interne qui provoque dans les images tramées (juxtaposition de zones blanches et de zones encrées) une atténuation de la réflectance apparente des zones blanches (élargissement optique du point de trame).

Le brillant du papier ainsi que le brillant des zones encrées, contribuent à modifier l’aspect et le contraste des images imprimées. Le brillant est influencé à la fois par la nature et la concentration du liant de la couche, et surtout par la nature, les dimensions et la forme des particules du pigment. Des particules petites et lamellaires, comme dans le cas du kaolin, sont particulièrement aptes à donner un brillant élevé sous l’action du calandrage ; un excès de liant, en remplissant les vides entre les particules de pigment et en empêchant ainsi l’action du calandrage, donne un résultat moins intéressant. Un brillant élevé est, dans la plupart des cas, associé à un degré élevé de lissé ; mais ce n’est pas toujours la solution recherchée, puisque l’utilisation de papiers mats permet une vision de l’imprimé plus reposante grâce à l’élimination, au moins partielle, des reflets lumineux.

Nous avons effectué des mesures sur les papiers thermiques disponibles sur le marché à l’aide d’un spectrocolorimètre Elrepho 2000. L’appareil a été spécialement développé pour l’application dans l’industrie du papier ; il correspond donc aux normes établies telles que DIN, ISO, SCAN et TAPPI. Nous avons déterminé l’opacité, la transparence, le degré de blancheur et de jaune, la diffusion et l’absorption, les composantes et les coordonnées trichromatiques. D’une façon générale, on peut affirmer que tous les papiers examinés présentent des caractéristiques optiques similaires -- sauf dans le cas du papier protégé, qui présente une meilleure brillance due à la composition de la couche protectrice. Par ailleurs, nous avons constaté que la couche de protection, déposée sur la couche active, n’a aucune influence sur les caractéristiques optiques du papier correspondant. Les résultats détaillés de ces mesures figurent dans le tableau ci-dessous.

  Opacité Trans-
parence
Blancheur Degré
de jaune
Absorption
(m2/g)
Diffusion
(m2/g)
Coordonnées
trichromatiques
AP62KM-A 96,1 10,5 87,5 -1,7 672,6 7,3 0,3126 / 0,3288 / 86,47
AP62KS-H 96,4 10,0 88,6 -2,8 707,0 7,4 0,3117 / 0,3276 / 86,73
AP63KS 96,6 10,7 88,3 -8,3 604,1 10,9 0,3077 / 0,3208 / 82,97
KLS-36 97,7 9,5 83,0 -7,6 580,8 17,58 0,3076 / 0,3229 / 78,52
KP-312 98,6 7,5 81,6 -6,1 667,0 20,8 0,3087 / 0,3248 / 78,23
KP-315 98,6 7,3 83,7 -5,4 723,3 18,1 0,3096 / 0,3248 / 80,28
KP-360 97,1 10,7 83,3 -7,7 540,8 15,76 0,3077 / 0,3230 / 78,88
S802/76 95,9 11,5 87,2 -4,5 583,9 9,2 0,3106 / 0,3253 / 83,96
T 7035 95,1 13,2 80,8  2,8 509,2 9,5 0,3164 / 0,3335 / 82,38
TN 7051 96,8 9,8 88,3 -4,5 688,2 9,0 0,3103 / 0,3256 / 85,29
TT 7035 96,8 10,2 85,6 -2,9 636,7 10,6 0,3122 / 0,3262 / 83,47
Propriétés optiques des papiers thermiques étudiés
 
V-4 Courbe de réponse

L’augmentation de la densité optique sur un papier "courant" dépend de la quantité d’encre déposée sur sa surface ; dans le cas des papiers thermiques, la densité optique mesurée est fonction de la température et de l’énergie fournie aux têtes thermiques lors de la réaction.

Les résultats obtenus correspondent à la moyenne d’une dizaine d’essais pour chaque type de papier. Pour simuler une imprimante thermique, nous avons utilisé l’appareil d’origine allemande "Steffisburg station" de Charles Richiger. Il est composé de 12 têtes thermiques réglables en température, qui peuvent avoir un contact avec la surface du papier allant de quelques dixièmes de secondes jusqu’à 5 secondes. Nous avons fixé ce temps à 1 seconde pour être en accord avec les tests thermiques les plus courants.

La densité optique a été mesurée à l’aide d’un spectrocolorimètre Gretag SPM 55, sur chaque petite plage, révélée à une température donnée.

La figure 14a représente de manière schématique la courbe de réponse de deux papiers thermiques. La courbe noire correspond à un papier thermique protégé de bonne qualité (TT7035), la courbe rouge à un papier pour imprimante rapide (AP63KS). Dans ce dernier cas, la réaction commence à une température plus basse (60°C au lieu de 70°C), et la densité optique obtenue est un peu plus faible. On ne fabrique pas de papier thermique dont le développement s'amorce à une température inférieure à 50°C, parce que la réaction correspondante risquerait de se produire spontanément au stockage.

Figure 14a : courbe de réponse de deux papiers thermiques

Les courbes de réponse réelles de tous les papiers étudiés sont rassemblées dans la figure 14b (ouverture dans une nouvelle fenêtre - 30 Ko).

 
 
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