HANS WILHELM GIERTZ
HANS WILHELM GIERTZ, Professeur à l'Ecole des arts et métiers de Trondheim (Norvège) a présenté cet article à la Conférence des Nations Unies sur l'application de la science et de la technique dans l'intérêt des régions peu développées qui s'est tenue à Genève en février 1963. R. Eklund (FAO) était Secrétaire de la Section de la pâte et du papier de cette conférence.
Conséquences pour les pays en voie de développement des récents progrès techniques
JUSQU'A une époque assez récente, la fabrication du papier était un art qui ne pouvait s'apprendre que par un long apprentissage. L'accroissement rapide de la demande, entraînant une production massive de nombreuses qualités de papier, et le besoin grandissant de produits de caractéristiques définies ont contraint peu à peu les producteurs à entreprendre des recherches fondamentales et appliquées destinées à améliorer et à étendre les techniques de fabrication. En conséquence, la décennie d'après-guerre a connu une évolution rapide des principes et techniques de la fabrication des pâtes et papiers, et on connaît aujourd'hui beaucoup mieux quelques-uns des facteurs influençant les caractéristiques et propriétés des produits ouvrés.
D'un point de vue général, la plupart des matières ligno-cellulosiques et cellulosiques de structure fibreuse peuvent être transformées en plusieurs catégories de papiers et cartons. (cependant, les fibres des diverses matières premières ne sont pas semblables. Elles diffèrent considérablement par leurs caractéristiques morphologiques et chimiques et, ainsi, conviennent plus ou moins bien pour la fabrication du papier.
Deux raisons principales font qu'actuellement plus de 90 % de la pâte destinée à la fabrication de papiers et carton proviennent de résineux:
a) la prédominance des bois résineux dans les régions industrialisées, qui ont une part prépondérante dans la consommation et la production de pâte et papier;b) les avantages techniques réels des fibres longues des résineux sur les fibres courtes des bois feuillus et des résidus agricoles.
Parmi les résineux, l'épicéa et d'autres espèces de même catégorie telles que les sapins, en particulier le sapin baumier, et le tsuga, occupent une place de choix pour Les raisons suivantes:
a) le bois est tendre et a une teneur en résine peu élevée, ce qui est un avantage pour le défibrage;b) l'absence dans le bois de cœur de substances phénoliques telles que la pinosylvine, alliée à la présence de fibres longues, en fait la matière première la mieux adaptée au procédé au sulfite;
c) la pâte au sulfite est la seule catégorie de pâte qui puisse devenir très brillante au blanchiment;
d) la pâte au sulfite est la, seule pâte utilisable pour la viscose ou d'autres transformations à base de solvants.
Comme on le verra plus loin, les procédés de trituration et de blanchiment de la pâte ont progressé à un point tel qu'il est possible aujourd'hui de fabriquer de la pâte avec n'importe quelle matière première. Pendant longtemps cependant, on a cru que, pour toutes les catégories de papiers, il fallait des fibres longues' c'est-à-dire des fibres de 2 à 4 mm, tandis que les pâtes de fibres courtes, qu'on ne trouvait au début que sous la forme de pâtes blanchies à la soude, n'étaient utilisées qu'en faible quantité, comme pâtes de remplissage. Cette situation a changé radicalement au cours des deux dernières décennies.
Papiers destinés à l'impression et à l'écriture
Dans la fabrication des papiers destinés à l'impression et à l'écriture, une bonne formation des feuilles est d'une extrême importance. Les fibres longues ont toujours tendance à floculer, et, pour éviter une mauvaise formation lors de l'utilisation des pâtes de fibres longues, le papetier est obligé de raffiner les fibres pour les raccourcir. Mais le raffinage a des conséquences néfastes sur d'autres propriétés importantes du papier comme l'épaisseur, la transparence et la résistance au déchirement. Avec la pâte de fibres courtes, on obtient automatiquement une bonne formation et, il suffit d'un raffinage léger pour obtenir une résistance suffisante au déchirement. En même temps, les fibres courtes contribuent à donner une surface plus lisse et une opacité plus grande.
Il est bien établi aujourd'hui que l'emploi de pâtes de fibres courtes offre toute une gamme d'avantages dans la fabrication de papiers de qualité. C'est la raison de la tendance à un emploi de plus en plus large de ces pâtes dans l'industrie du papier de qualité. Il est courant aujourd'hui que les producteurs de papier de qualité s'approvisionnent pour 50 % en pâtes de fibres courtes, et souvent jusqu'à 80 %. Certains papiers à imprimer sont fabriqués pour des raisons commerciales à partir de pâtes contenant 100 % de pâte de feuillus, mais pour la plupart des emplois on juge nécessaire d'ajouter 20 % environ de pâte de fibres longues pour accroître la résistance à l'état humide de la passant dans la presse de la machine. Cela est surtout vrai pour les machines à grande vitesse.
Papiers Kraft
Dans le cas des papiers Kraft, comme le papier d'emballage et les sacs à plusieurs épaisseurs, la résistance est la qualité dominante. Pour les papiers d'emballage de qualité inférieure, la proportion de pâtes de fibres courtes peut atteindre 100 % ou s'en approcher, mais pour satisfaire aux normes internationales il faut ajouter des pâtes de fibres longues, en proportion variable suivant la catégorie de papier.
Ce problème a été étudié de façon approfondie en Australie, où la principale matière première nationale pour la production de pâte est le bois d'eucalyptus dont la fibre est courte. Les papiers Kraft d'emballage et les sachets d'épicerie contiennent 50-60 % de pâte Kraft d'eucalyptus. L'exigeance la plus nette concernant ces produits est une résistance élevée au déchirement, et cela restreint le pourcentage de pâte d'eucalyptus susceptible d'être utilisé. Le papier Kraft pour sacs multicouches, employé par exemple dans l'emballage du ciment et des engrais, utilise 35 % de pâte d'eucalyptus. Dans ce cas, les spécifications concernant la résistance au déchirement et à la traction sont très élevées. Au Mexique et au Pérou, la pulpe de bagasse est utilisée aux mêmes fins.
On parlera plus loin du nouveau procédé de fabrication de papiers Kraft élastiques qui pourra modifier la proportion des pâtes de fibres courtes et longues au profit des fibres courtes.
Carton ondulé
Le carton ondulé comprend une âme composée d'une ou plusieurs couches ondulées (cannelures) recouvertes sur une face ou sur les deux d'une feuille de Kraft ou de «carton mince». La cannelure a été, et est encore, faite dans une très large mesure de déchets de papier. Il en est de même pour le «carton mince». Mais aujourd'hui il est bien établi que le meilleur matériau pour l'âme ondulée provient de la pâte semi-chimique au sulfite neutre, à fibre courte. Le revêtement de Kraft est habituellement fait de pâte Kraft de pin, mais on peut aussi utiliser une forte proportion de pâte Kraft de feuillus. Une papeterie japonaise produit des enveloppes Kraft contenant 70 % de pâte d'un mélange de bois de feuillus.
Il est donc clair que pour les catégories de papiers les plus importantes, à l'exception du papier-journal dont il sera question plus loin, les pâtes de fibres courtes peuvent être utilisées pures ou en très forte proportion. Tout ce qui vient d'être dit à propos des pâtes à fibres courtes est en général aussi valable pour les pâtes de bagasse, de paille, et d'autres résidus agricoles que pour les pâtes de feuillus. La pâte de bambou est par contre à classer comme une pâte de la catégorie à fibres longues, les fibres de bambou ayant 2 à 3 mm de long.
Le procédé Kraft est applicable à toutes sortes de matières premières, parmi lesquelles les bois résineux, tous les types de feuillus, la paille, la bagasse et le bambou. La pâte obtenue est, quelle que soit la matière d'origine, de la meilleure qualité. Sa couleur brune et les difficultés de blanchiment sont des inconvénients mineurs. Mais l'inconvénient majeur du procédé Kraft est la consommation très élevée de produits chimiques: elle se monte à 400 kg de liqueur de soude par tonne de pâte.
En conséquence, il est indispensable de récupérer les produits chimiques, et l'équipement de récupération étant compliqué et coûteux, les papeteries Kraft ne peuvent être que d'importantes unités à capacité de production élevée.
Le procédé classique au bisulfite de calcium ne comporte pas de récupération de produits chimiques, et les papeteries au bisulfite peuvent être installées économiquement sous forme d'unités plus petites que les usines Kraft. Mais ce procédé a des applications limitées. On sait bien maintenant que, pour des raisons chimiques, on ne peut cuire que certaines essences, telles que l'épicéa, le sapin baumier et le tsuga. On ne peut pas lessiver le bois de cœur de pin ni d'autres espèces résineuses denses, et d'autre part, la plupart des feuillus et tous les matériaux «diffus». comme la paille et la bagasse, donnent des pâtes très peu résistantes. Ces dernières années cependant, les connaissances de base sur la cuisson au bisulfite se sont améliorées et de nouvelles techniques de cuisson au bisulfite semblent offrir des possibilités très intéressantes.
Au cours des 20 dernières années, le procédé au sulfite neutre a fait de rapides progrès. Ce procédé est semichimique et il faut défibrer mécaniquement les copeaux après cuisson pour pouvoir travailler la pâte. Aussi la pâte est-elle réservée à certaines catégories de papiers, principalement les cannelures du carton ondulé. Toutes les matières premières peuvent être employées, celles qui conviennent le mieux étant le bois de feuillus, la paille et la bagasse. Le seul élément de base utilisable est le sodium, mais la consommation de produits chimiques, de l'ordre de 150 kg de sulfite de soude par tonne de pâte, est de toute façon si basse que le procédé peut s'employer économiquement sans récupération de produits chimiques.
Ces toutes dernières années, le procédé dit au bisulfite a attiré fortement l'attention. De nombreuses papeteries fonctionnent aujourd'hui suivant ce procédé, certaines étant des usines au sulfite transformées, d'autres ayant été installées spécialement pour cela.
La cuisson au bisulfite s'opère en milieu légèrement acide, de pH 3 à 5, avec une liqueur de cuisson contenant essentiellement du bisulfite et sans excès de SO2. Le métal de la base peut être le sodium ou le magnésium. Contrairement au sulfite neutre, dont la cuisson se fait à un pH de 7 à 9, la liqueur de bisulfite est assez acide pour hydrolyses et dissoudre la lignine. C'est pourquoi la délignification est presque complète et donne des copeaux bien cuits et une pâte bonne à travailler. A l'inverse, la liqueur n'est pas aussi acide que dans la cuisson classique au bisulfite (pH 1 à 2) qui produit une hydrolyse plus faible, et par suite un rendement plus élevé avec une pâte plus résistante. Les pâtes chimiques non blanchies de bois résineux donnent des rendements de l'ordre de 60 % du bois contre 50 % pour les pâtes courantes au sulfite et au procédé Kraft. Mais les pâtes blanchies n'ont qu'un rendement peu supérieur à celui des pâtes blanchies classiques. La résistance est plus élevée que pour les pâtes courantes au sulfite et on peut la comparer, celle des pâtes Kraft.
La cuisson au bisulfite offre l'avantage appréciable de permettre la cuisson de la plupart des matières premières. Les bois habituellement traités au sulfite - le pin, y compris son bois de cœur, et différents bois de feuillus sont convenablement lessivés dans des usines qui fonctionnent déjà. On n'a pas encore d'expérience complète pour d'autres matières premières comme la paille, la bagasse et le bambou.
La consommation de produits chimiques dépend beaucoup du degré de cuisson et du taux d'extraction de la pâte. Certaines des papeteries existantes fonctionnent rentablement sans récupération. Cela vaut à la fois pour les pâtes non blanchies et blanchies, pour le sodium et le magnésium. Le fait que la récupération de produits chimiques ne soit pas absolument nécessaire permet la construction économique de petites papeteries (50 tonnes/jour) fonctionnant au bisulfite.
Dans cet ordre d'idées, il faut noter qu'il n'existe pas de différence fondamentale entre les cuissons au sulfite neutre et au bisulfite et que, dans une papeterie au bisulfite, on peut passer sans délai d'un procédé à l'autre. Cette facilité permet la production d'une gamme étendue de catégories allant des pâtes semi-chimiques aux qualités susceptibles d'être blanchies.
Papier journal
Le papier journal soulève un problème particulier: 75 à 85 % de l'approvisionnement sont constitués par la pâte mécanique, obtenue habituellement à partir d'épicéa ou d'autres essences voisines.
Les inconvénients dus à la résine, classiques dans la pâte mécanique de pin, sont maintenant surmontés et dans le monde entier de nombreuses papeteries produisent aujourd'hui du papier journal à partir de bois de pin, provenant de plantations dans certains pays comme l'Afrique du Sud, le Chili et la Nouvelle-Zélande. En même temps, la pâte chimique nécessaire est une pâte Kraft mi-blanchie de pin à la, place de la pâte au sulfite non blanchie d'épicéa.
Il :n'existe pas encore de solution universelle pour le défibrage des bois de feuillus. S'il s'agit d'essences à bois peu coloré et tendre, comme le peuplier, le tremble, le saule et certains eucalyptus (Tasmanie), la pâte mécanique obtenue est acceptable pour le papier journal et pour les périodiques, mais, la résistance obtenue étant inférieure à celle de la pâte d'épicéa, il faut généralement augmenter la proportion de pâte chimique. Quant aux bois de feuillus denses ou colorés - c'est le cas de la plupart des bois tropicaux - ils ne donnent pas une pâte mécanique acceptable dans l'état actuel de la technique de défibrage.
Cependant, une solution acceptable a été trouvée pour le défibrage des bois de feuillus denses: c'est le procédé dit de l'attrition. Les copeaux, préalablement ramollis par voie chimique, sont ensuite défibrés dans un raffineur à disques. La pâte, obtenue avec un rendement de 80 % ou plus, a les mêmes caractéristiques générales que la pâte mécanique. On peut en faire varier la qualité entre certaines limites et le produit obtenu remplace partiellement le mélange pâte mécanique-pâte chimique. Le procédé du préramollissement chimique demande un traitement au sulfite neutre ou au bisulfite, qui se fait sous pression à haute température ou qui applique le nouveau procédé à froid à la soude. Dans ce dernier procédé, si l'on part d'un bois coloré, il faut blanchir la pâte avec l'hypochlorite, le, peroxyde ou l'hydrosulfite. Les prix de fabrication sont plus élevés que pour la, pâte mécanique normale, mais ce désavantage est plus que compensé par le bas prix du bois de feuillus utilise.
Un grand nombre de papeteries de ce type fonctionnent maintenant dans le monde entier, et leur pâte est en train de remplacer les pâtes mécaniques pour le papier journal, le papier de périodiques, et d'autres papiers pour l'impression de qualité inférieure. La nouvelle papeterie de Kulna (Pakistan) présente un intérêt particulier, car elle s'approvisionne en bois de feuillu indigène (gewa), transformé en partie en pâte mécanique classique, en partie en pâte mi-chimique obtenue par attrition. L'apport de pâte à fibres longues provient de l'importation de pâte mi-blanchie au sulfate.
Cette nouvelle technique de l'attrition présente le grand intérêt de démontrer qu'il est possible de produire rentablement de la pâte de type pâte mécanique à partir de nombreuses essences feuillues techniquement importantes, antérieurement jugées d'un intérêt industriel nul.
Dans cet ordre d'idées, il faut aussi mentionner qu'on a mis au point; des procédés d'utilisation de la bagasse pour le papier journal. Une papeterie va être construite en Inde pour cette technique.
Le procédé au bisulfite est réputé le meilleur pour la fabrication de pâte pour la rayonne et d'autres pâtes pour traitements aux solvants. Le produit obtenu est facile à blanchir. Sa pureté et sa réactivité sont grandes. C'est pour cette raison que l'industrie de la pâte pour la rayonne s'est surtout approvisionnée en bois d'épicéa ou d'essences voisines.
Mais, ces dernières années, les progrès du procédé au sulfate dit a préhydrolyse ont permis d'utiliser -pour cette production d'autres matières premières que l'épicéa. Dans ce procédé, le lessivage commence par une hydrolyse à la vapeur à haute température, suivie par la cuisson Kraft classique. Le rendement est comparable à celui du procédé au bisulfite (30 à 35 %) et le produit obtenu est d'une très haute qualité pour l'industrie de la viscose. On peut employer toutes sortes de matières premières. Plusieurs papeteries utilisent des pins et des feuillus, une autre utilise des roseaux. Une papeterie en cours de construction en Inde sera alimentée avec le bambou. Mais l'installation de récupération - identique à celle d'une papeterie Kraft classique - est coûteuse et nécessite la construction de grandes unités de production.
Dans le domaine de la fabrication du papier, la tendance dominante de ces dernières années a été l'augmentation de la vitesse des machines dans le but d'accroître la production. La condition préalable à l'utilisation de machines à grande vitesse est la bonne :formation professionnelle du personnel de service. Dans le même temps, les machines de papeterie tendent à se spécialiser, chaque machine étant réservée à une certaine catégorie de produit. L'expérience acquise sur ces deux plans n'a qu'un intérêt limité pour la jeune industrie papetière d'un pays en voie de développement. Il faut cependant mentionner certaines tendances des techniques modernes de la papeterie.
Les principes du raffinage de la pâte à papier en plusieurs temps de mieux en mieux compris maintenant. Le raffinage en plusieurs temps se pratique quand on emploie ensemble des pâtes de caractéristiques bien différentes, par exemple des pâtes à fibres longues et à fibres courtes. Cette technique, mise au point en Australie, permet d'accroître la proportion de la pâte à fibres courtes aussi bien pour les papiers Kraft que pour les papiers de qualité. On sait aussi maintenant que les types d'épurateur et de raffineur doivent être choisis avec soin pour convenir au type de pâte à traiter.
Dès que les machines à papier journal ont dépassé la vitesse de 500 m/mn, il a fallu augmenter la capacité de l'ensemble des caisses aspirantes pour permettre le passage de la bande de papier humide de la table d'arrivée sur la première presse. En raison de son prix élevé, un tel ensemble n'est utilisé que sur les machines à grande vitesse, et surtout sur les machines à papier journal spécialisées. Il faut également signaler que la technique d'égouttage sous aspiration peut être un moyen d'augmenter la proportion de pâtes à fibres courtes dans le cas de machines fonctionnant à vitesse moyenne.
Pour de nombreuses catégories de papiers, et spécialement pour le papier des sacs multicouches, l'extensibilité du papier a son importance. Pour satisfaire aux normes internationales, il faut que l'essentiel de la production soit constitué de pâte Kraft à longues fibres, comme il a déjà été indiqué.
Récemment, ont été mises au point des méthodes dans lesquelles le papier est pressé encore humide sur la machine, ce qui le rend extensible après séchage. Les papiers ainsi obtenus ont montré des caractéristiques entièrement nouvelles qui les font convenir particulièrement bien pour les emballages d'épicerie et les sacs multicouches. En outre, dans les mélanges de pâtes à fibres longues et courtes, on a constaté la possibilité d'augmenter la proportion de fibres courtes, tout en conservant les propriétés d'un papier Kraft pur. Une papeterie met en œuvre ce procédé au Pérou et fabrique des papiers Kraft avec une proportion importante de pâte de bagasse.
Une machine à papier ordinaire n'est pas adaptée à la fabrication d'une gamme étendue de qualités de papiers et surtout pas des papiers et cartons dont les poids de base varient beaucoup. C'est un désavantage lourd de conséquences pour les pays en voie de développement.
On met actuellement au point un projet de machine de papeterie, et plusieurs unités de production l'utilisent déjà en production commerciale. Le principe en est le suivant: la feuille de pâte est déshydratée par le haut et non plus par le bas, ce qui permet d'empiler les feuilles l'une sur l'autre et d'avoir un séchage très rapide. Ces machines ont une vitesse de fonctionnement qui peut varier entre 50 et 350 m/mn, suivant le poids de base du papier. On peut donc espérer qu'il sera possible de fabriquer avec une seule machine tous les types de papiers, papier-tissu, papier-journal, papier Kraft, papiers destinés à l'impression et à l'écriture, cannelures et revêtements Kraft du carton ondulé, ainsi que les cartons minces et autres cartons de poids de base pas trop élevé. Il faut noter qu'une telle machine à papier «à tout faire» ne fonctionne pas encore industriellement.
