Fabrication de Papier

Fabrication de Papier
Le papier est une matière formée à partir de fibres cellulosiques végétales. Il se présente sous forme de feuilles minces. Il est considéré comme un matériau de base servant à écrire, à imprimer, à emballer... Il est également utilisé dans la fabrication de composants divers (filtres...)

Historique
Historiquement, le papier est fabriqué naturellement par une espèce de guêpe, notamment dans le sud de la France, qui prédigère du bois, et produit ainsi la cellulose, nécessaire à la fabrication de ce papier. Ce papier lui sert à créer les alvéoles hexagonales de son nid, qui accueillera ses larves.
Avant l'apparition du papier, les écrits étaient conservés sur des parchemins ou du papyrus.
Le papier est apparu au IIIe siècle av. J.-C. en Chine, sous le règne de Qin Shi Huang (fondateur de la dynastie Qin). Les Chinois avaient alors repéré les dépôts blancs d'écume sur les rochers à la suite des crues. Ils ont alors essayé de le reproduire.
C'est Tsai Lun, ministre de l'agriculture qui, en 105, codifie pour la première fois l'art de fabriquer du papier. Ils utilisaient du lin, du chanvre, du bambou et de l'écorce de mûrier.
Ce secret restera chinois et japonais jusqu'au VIIIe siècle. Lors de la bataille de Talas en 751, les Arabes, victorieux, font prisonniers de nombreux Chinois et récupèrent ainsi le secret. Ils comprennent rapidement l'intérêt de ce nouveau support pour propager l'islam, et Samarkand en sera le tout premier centre de production du monde musulman. Ils essayeront sans résultat d'y incorporer du coton afin d'améliorer sa blancheur.
Le papier arrive alors en Occident avec les conquêtes Arabes. On le retrouve à Bagdad en 793, au Caire en 900, à Xàtiva (San Felipe, Espagne) en 1056, en Sicile en 1102, à Fabriano (Italie) en 1276 et enfin en France au début du XIVe siècle. Le papier est alors un bien rare et des édits sur le recyclage du papier sont prononcés. On y incorpore alors des vieux chiffons qui prennent vite de la valeur, d'où l'expression se battre comme des chiffonniers.
Vers 1150, la première machine à papier européenne fut créée en Espagne.
En créant un système d'impression à caractères mobiles vers 1440, Gutenberg a donné naissance à l'imprimerie en Occident et a permis de vulgariser la connaissance par l'usage des livres. Cela dope l'utilisation et donc la fabrication du papier. Le papier devient alors artisanal, avec utilisation de l'énergie hydraulique. Les artisans papetiers, majoritairement protestants propulsent la France au premier rang parmi les nations papetières. Cependant, la révocation de l'Édit de Nantes en 1685 sonne le glas de la suprématie française.
En 1673, les Hollandais font une invention capitale pour l'industrie papetière : en mettant au point le cylindre hollandais qui permet de remplacer la pile à maillets dans la trituration des chiffons. Les gains sont en terme d'énergie, de main d'œuvre et de qualité. Il faudra attendre le XVIIIe siècle pour voir ce cylindre se répandre dans toute l'Europe.
C'est incontestablement au XIXe siècle que la fabrication du papier s'industrialise avec l'invention de la première machine à papier en continu de Louis Nicolas Robert (1761- 1828) en 1798. L'alimentation en pâte est alors faite en continu et le papier sort en bobine. En moins de vingt-cinq ans, l'ingénieur Bryan Donkin perfectionne « sa » machine (pas moins de 40 modèles différents !). Vers 1825, les papetiers s'équipent en Europe et aux États-Unis : la machine est copiée, imitée. Vers 1850 apparaît la première machine à fabriquer le carton multicouches. À la même époque, on dénombre plus de 300 machines en Angleterre, près de 250 en France et presque autant en Allemagne. Chacun de ces engins, quoique très étroit et très lent comparés aux machines modernes, était capable d'assurer la production de 10 cuves traditionnelles desservies a la main. Louis-Nicolas Robert ne tirera aucun bénéfice de son invention.
La première machine à onduler française est installée en 1888 dans le Limousin.
Les difficultés d'approvisionnement en chiffon se font sentir et l'industrie cherche de nouvelles matières premières. C'est tout naturellement vers le bois qu'ils se tournent. Friedrich Gottlob Keller dépose un brevet en 1844 sur la fabrication de pâte de bois, obtenue à l'aide d'une meule.
La deuxième moitié du XIXe siècle est marquée par l'arrivée massive de la chimie. Les travaux de Français Anselme Payen montrent que dans toute matière végétale existe de la substance blanche et fibreuse : la cellulose et qu'il est possible de la récupérer par des réactions chimiques. Ces découvertes permettent d'avoir des fibres de meilleure qualité et donc d'augmenter les vitesses de production.
L'industrialisation lourde est alors lancée. En 1908, la plus grosse machine a une laize (largeur) de 4,30 m et roule à 165 m/min. En 1910 la vitesse de 200 m/min est franchie. En 1935, la plus grosse machine fait 8,15 m de laize et tourne à 425 m/min. Le cap des 1000 m/min est franchi en 1958. Actuellement les machines font jusqu'à 10 m de laize et tournent à près de 2000 m/min.
Procédé de fabrication
La fabrication de papier repose sur plusieurs étapes, qui se sont modernisées à travers le temps.



Élaboration de la pâte à papier
La pâte à papier est le matériau de base. Elle peut être produite à partir de différents composants :
• le bois et d'autres matières ligno-cellulosiques (bagasse de canne à sucre, paille),
• les plantes fibreuses comme le chanvre ou le lin,
• le tissu (chiffons),
• le papier (recyclé).
Le tissu est trié, lavé et mis à pourrir pendant plusieurs semaines. Les chiffons sont ensuite découpés et effilochés dans plusieurs moulins munis de pile à maillets à clous. La rareté relative du textile a conduit à l'utilisation du bois.











Défribreur à chaînes et meule circulaire.
Le bois est écorcé puis défibré (les rondins sont « râpés » à l'aide d'une meule à laquelle on ajoute beaucoup d'eau). Les particules sont alors filtrées et nettoyées dans plusieurs bains successifs afin d'obtenir une pâte homogène.
Le papier recyclé est élaboré selon un procédé particulier. Les vieux papiers (issus en général de journaux) sont déchiquetés, filtrés puis mis à tremper dans des cuves. Des dissolvants chimiques permettent de retirer l'encre. La pâte subit ainsi plusieurs nettoyages successifs. Voir aussi cette méthode artisanale pour fabriquer du papier recyclé.
La pâte à papier moderne est généralement un mélange de fibres de bois et de papier auquel est ajouté un liant afin d'améliorer la résistance des feuilles produites. Le papier utilisé pour les journaux est essentiellement d'origine recyclé.
Production des feuilles


Le papetier au XVIe siècle
Dans un premier temps, on a utilisé un cadre de bois muni d'une grille sur laquelle la pâte à papier est uniformément versée. Après égouttage, on peut en retirer une feuille et la faire sécher sur un feutre. Différentes couches de feutres et de feuilles peuvent être pressées afin de retirer l'excédent d'eau, avant un séchage définitif à l'air libre sur un étendoir.
La production actuelle s'effectue à l'aide de gigantesques machines de plus de 100m de long et jusqu'à 10m de laize (largeur). La feuille est produite à une vitesse allant jusqu'à 1800m/min. Une machine à papier représente un investissement considérable (le coût d'une machine neuve est proche du milliard d'Euros). De ce fait, la machine tourne 24h/24 et presque toute l'année.
On peut diviser la fabrication en deux étapes : la préparation de la pâte à papier et la fabrication du papier lui-même.
La pâte à papier arrive très diluée (environ 1%) dans la caisse de tête et passe entre deux lèvres afin d'avoir un jet bien uniforme. La solution est déposée sur un tamis roulant ou "toile de fabrication" où des caisses aspirantes vont aspirer le maximum d'eau. La feuille se forme à la fin de ce tamis et est alors pressée pour évacuer le maximum d'eau avant son séchage. On peut alors ajouter des traitements de surface pour améliorer son imprimabilité en faisant passer la feuille dans une size-press (papier photo par exemple).
La feuille une fois séchée peut subir le calandrage qui consiste à presser de nouveau la feuille entre plusieurs lourds rouleaux afin de rendre le papier bien lisse. On parle alors de papier glacé ou calandré.
Afin d'en améliorer l'imprimabilité, on peut déposer à la surface du papier sur une seule face (papier étiquettes) ou sur les 2 faces (papier pour impression) une couche pigmentaire, on parle alors de papier "couché". Ces couches pigmentaires sont principalement constituées de charges minérales (carbonates et kaolins principalement) ainsi que de latex synthétiques (styrènes butadiènes ou styrènes acryliques) et sont déposées au moyen de machines appelées "coucheuses", elles ont pour objectif de régler l'absorption des encres afin de conserver leurs pigments en surface. En sortie de la coucheuse le papier est d'aspect "mat" ou "semi mat" mais aprés une opération de calandrage il peut être rendu "brillant".
On obtient alors une bobine qui est tronçonnée à la taille voulue à la bobineuse. Les bobines de papier peuvent être utilisées tel quel (impression sur presse rotative) ou reconditionnées sous forme de feuilles de formats divers
Production de papier et environnement
La fabrication du papier nécessite de grandes quantités d'eau, : il faut de l'eau pour extraire la cellulose des fibres du bois et de l'énergie pour sécher le papier. Le chlore qui sert à blanchir le papier est un produit chimique polluant. Cependant des progrès importants ont été réalisés en utilisant des produits de blanchiment moins polluants que le chlore (peroxyde d'hydrogène ou azote) et en améliorant le « bouclage » des circuits afin de réduire de façon importante la consommation d'eau.
L'industrie papetière est soumise au respect de normes environnementales strictes, comme l'exploitation raisonnée des forêts, le recyclage des eaux usées, etc. Les arbres proviennent de plantations dont la biodiversité est faible : bouleaux dans les pays nordiques, pins maritimes pour la forêt landaise ou eucalyptus en Amazonie par exemple.
À noter que la production de papier représente 14 % de l'exploitation forestière. Les industries papetières sont généralement propriétaires des forêts qu'elles exploitent de manière cyclique. Ainsi, au Brésil, il est possible de couper des eucalyptus de culture tous les 4 ans et cela suffit à une usine qui produit autant de papier que la France. La déforestation est le plus souvent due à la coupe de bois exotiques pour l'ameublement et à l'expansion des cultures.En effet, le bois utilisé par l'industrie papetière provient soit des sciures de bois (déchets de scierie) soit de jeunes arbres qu'il faut couper pour laisser s'épanouir les autres et que l'on appelle "bois d'éclaircie".
La fabrication de papier recyclé nécessite moins d'eau et d'énergie que la fabrication classique de pâte à papier. Mais pour produire du papier recyclé, il faut quand même nettoyer et désencrer le papier récupéré avec des solutions savonneuses, et pour les clients exigeant la blancheur à laquelle ils ont été habitués, le reblanchir au chlore ou au peroxyde d'hydrogène et les résidus de cette opération de blanchiment ne sont pas sans impact environnemental .
Il faut entre 3 à 12 mois pour qu'un journal se décompose dans la nature. Le recyclage du papier permet d'éviter de l'envoyer à la décharge ou de l'incinérer. Le papier peut être recyclé jusqu'à 10 fois. Ensuite, la qualité du papier devient trop mauvaise.
Mesures de qualité du papier
• L'épaisseur (en micromètres)
• Le grammage (en grammes au m2, pour exemple le papier à cigarette pèse 15 g/m2 et le papier à lettre 80 g/m2)
• La main : rapport épaisseur/grammage
• Le lissé Bekk (s) : temps d'écoulement d'un volume d'air en surface du papier
• La porosité Bekk, ou perméablité à l'air : flux d'air à travers un papier
• L'opacité
• La blancheur (mesurée à 457 nm)
• La brillance : mesurée généralement à 20, 60 , 75 et 85°
Utilisations du papier
• Bureautique et imprimerie
• Papier bible
• Papier hygiénique
• Papier calque (papier translucide)
• Décoration : papier crépon, papier peint
• Papier à cigarette
• Protection contre les intempéries et le regard : emballage, paquet-cadeau, ombrelles et panneaux des habitations traditionnelles japonaises.