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Réinventer la feuille grâce à la nanotechnologie

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Innovations, petites et grandes?
D'accord. Mais quand??

« Nous n'avons ni l'argent, ni les effectifs, ni le temps pour investir dans le changement! »

Bon d'accord, l'économie mondiale est en pleine période de récession. Mais qu'en est-il de l'impact positif de l'innovation en ces temps difficiles? Et si on pouvait remplacer le contenu en fibres par des minéraux encore moins coûteux, tout en améliorant la qualité? Et qu'on pouvait par le fait même réaliser d'importantes économies d'énergie? Le papier pourrait-il redevenir un produit à la mode par le biais de nouvelles formules innovatrices permettant de produire une feuille plus « verte »?

koepenick1-photo1Selon le professeur Art Ragaustus, de l'École de chimie et de biochimie de l'Institut des sciences et technologie du papier, à l'Institut de Technologie de Georgie, le temps est venu pour les scientifiques de réinventer le papier en utilisant la la connaissance de la nanotechnologie pour obtenir des résultats d'envergure.

Les matériaux composites constituent la voie de l'avenir, estime M. Ragaustus. « Cela comprend les nano-composites, composés de fibre, les minéraux, les silices, les amidons, les résines et bien d'autres – tous conçus pour atteindre des résultats précis de la façon la plus efficace possible. Certaines innovations exigeront des changements radicaux, tandis que d'autres produiront d'importants résultats avec des ajustements mineurs. Alors, qu'attendons-nous?"

Dean Benjamin, directeur de la recherche chez NewPage Corporation, note pour sa part que certaines applications en nanotechnologie, telles que les additifs de rétention/égouttage et quelques formules de sauce de couchage, existent depuis déjà un bon moment. « Force est de constater la présence de nouveaux concepts prometteurs de pigments de couchage, d'agents de liaison et d'amidon, » ajoute-t-il.

« La nanotechnologie est la toute dernière mode dans l'industrie, même pour les matériaux qui auraient été revus et corrigés de toute façon. Il est important de le faire sur une base pratique. »

S'il n'en tient qu'à Tony Lyons, directeur de la recherche chez Imerys Pigments, groupe d'affaires Papier, "la nano-ingénierie est aussi importante, et peut-être plus encore, que l'usage des matériaux à l'échelle nano. Dans le nouveau monde d'aujourd'hui, la meilleure façon d'optimiser les propriétés du papier sans recourir à d'importants investissements en capitaux est sans contredit de « structurer » la feuille à l'échelle nano.

Inventer des systèmes par nanoparticules

koepenick1-photo2M. Benjamin confirme que plusieurs usines de la compagnie NewPage font appel à de la silice et aux nanoparticules de bentonite ou à des systèmes de microparticules à des fins de rétention, d'égouttage et de formation de la feuille depuis plus de quinze ans. Il ajoute que les performances atteintes n'auraient jamais été possibles en ayant recours à des polymères standards.

"Une partie de la mécanique et de la chimie de formation d'une feuille de papier se produit à très petite échelle, celle-ci s'approchant de la nano-dimension. Il est donc naturel que nous ayons recours à des matériaux qui répondent bien à cette échelle. Tout ce qui rehausse l'étape de la formation améliorera l'uniformité de la feuille. Nos imprimeurs, par exemple, remarqueront l'incidence positive d'une feuille à l'apparence plus uniforme sur la qualité de l'impression. La force de la feuille est également plus uniformément répartie, ce qui permet une productivité accrue sur les machines à papiers et sur les presses d'impression de nos clients. Une meilleure uniformité permet aussi une réduction de grammage (poids de base) du papier. Pour nos clients, cela veut dire des économies de frais d'envoi par la poste.

"Un meilleur égouttage signifie aussi une feuille au meilleur contenu en solides, ce qui réduit la période de séchage et permet des économies d'énergie."

4e génération de sols de silice

koepenick1-photo3"La quatrième génération de nanoparticules constitue la première vraie percée dans le domaine depuis les années 90, » assure Mark Zempel, directeur, Produits globaux, Systèmes de rétention, chez Eka Chimie. Des résultats probants ont été atteints dans plusieurs applications commerciales, tout en améliorant la performance de rétention. Notre Eka NP 2180 a permis à des papetiers de produire une feuille plus propre, avec moins de casses, tout en augmentant la vitesse de machine de 8%. »

À la base de ces améliorations d'efficacité et de performance, on retrouve l'ingénierie, à l'échelle nano, des particules de silice colloidale. L'innovation dans la formulation et la fabrication de silice ont permis de contrôler soigneusement la dimension des particules, ainsi que le degré et le type d'agglomération, et la modification de surface. Ce contrôle dans le dimensionnement du produit permet au papetier de produire un papier et un carton avec des performances de drainage et de rétention de beaucoup supérieures à ce qu'il était possible d'atteindre auparavant.

Joakim Carlén, chef des opérations de recherche et développement chez Eka, ajoute que ce progrès dans la conception de particule représente un changement radical par rapport aux designs de nanoparticules précédents. La recherche scientifique, combinée à toute une série d'essais en laboratoire et en usine, ont contribué à pousser la nanochimie de la rétention/égouttage vers de nouveaux sommets de stabilité et d'interaction. Cette découverte n'aurait pas été possible sans le dialogue constant avec les papetiers et les ajustements constants sur les procédés.

M. Carlén précise aussi que les nouvelles nanoparticules prennent, encore plus qu'auparavant, la forme d'un collier de perle, avec des particules de taille aussi petite que 2,5 nanomètres. « Tout comme pour les perles de mer, le but est d'atteindre la perfection de nos nanoparticules, autant en terme de taille que de forme. Les particules plus petites, de structure à la fois allongée et plus ronde, sont meilleures. »

Arno de Beer enchaîne en soulignant que "les nanoparticules très structurées sont comme du combustible à fusée pour les machines à papier qui auraient le potentiel de tourner plus rapidement, mais qui sont limitées par des facteurs mécaniques ou par la physique du procédé. Avec la baisse actuelle de la capacité de production mondiale, la vitesse n'est pas un facteur important, mais cela est appelé à changer. L'initiative la plus sage serait d'appliquer la technologie maintenant, et de produire du papier de façon plus linéaire et plus propre. Lorsque le moment sera propice, la vitesse excédentaire de production sera déjà disponible. »

Avantage à l'impression

koepenick1-photo4Un large éventail de producteurs de carton couverture blanc fait appel aux systèmes par micro et nano-particules depuis des années, réduisant du même coup la rugosité de la feuille, pour une meilleure imprimabilité. Smurfit Kappa Facture en France, Eurocan en Espagne, Kemiart en Finlande et Simpson Tacoma, aux États-Unis, ne sont que quelques exemples de producteurs qui ajoutent de la valeur pour leurs clients en leur permettant d'imprimer des graphiques dynamiques sur leurs emballages.

Selon Mark Zempel, plus on approfondit non connaissances de la chimie de la retention et du drainage, plus l'impact des nanoparticules sur le papier et le carton sera reconnu. D'autant plus que les imprimeurs et convertisseurs ont déjà commencé à voir ces résultats sur leurs équipements modernes et ultrarapides.

« Au fur et à mesure que s'élargit notre connaissance de la rétention et du drainage sur une machine à papier, nos systèmes de silice sont de plus en plus efficaces à des doses sans cesse réduites, » explique Philippe Tartière, représentant aux ventes chez Eka Chimie, France. En collaborant avec des scientifiques du papier et spécialistes en applications, nous sommes en mesure d'offrir de meilleurs résultats, même sur les rapides presses à dix couleurs. D'autant plus que l'efficacité des produits d'encollage et d'autres additifs ne cesse d'augmenter. »

La progression des nano plaquettes minérales

"Certaines glaises sont conçues à l'échelle de nano-particules, ce qui réfère d'abord et avant tout à l'épaisseur des plaquettes de glaise. Pour un volume ou une masse de glaise, il y aura beaucoup plus de plaquettes, » poursuit Dean Benjamin, de NewPage.

Tony Lyons, d'Imerys, ajoute que "les produits de glaise nano-minces (ou épais) révolutionnent déjà à l'heure actuelle la façon dont les sauces de couchage sont formulées. Cette toute nouvelle dimension ouvre d'incroyables avenues où la créativité vient rencontrer les besoins de l'usager final. »

Ce qui rend les nano-particules de glaise encore plus intéressantes, selon M. Benjamin, c'est qu'elles ouvrent des portes à d'autres additifs à nano-particules. « Nous pouvons maintenant examiner le latex et les agents de liaison en amidon, dont la taille ne cesse de diminuer. En bout de ligne, cela donne des sauces de couchage plus minces mais d'égale (ou de meilleure) efficacité. De nouvelles possibilités s'ouvrent pour l'étape du couchage avec une feuille contenant moins de fibre. Chaque fois que vous êtes aussi efficaces ou plus efficaces en utilisant moins de fibres, vous êtes en position de force. Nous cherchons constamment de meilleures façons de contrôler les propriétés physiques et optiques du papier couché, et c'est ce qu'il est possible d'atteindre avec les nano-particules. »

"Ce qui est tout spécialement motivant, enchaîne M. Lyons, c'est de voir, par exemple, des matériaux naturels comme les coquilles d'huitres, faites d'une épaisse couche de nano-plaquettes de carbonate de calcium stabilisé, qui permettent d'atteindre des propriétés optiques et de force très élevées. Vous êtes alors gagnant pour l'usine qui fabrique le papier, pour les clients imprimeurs et pour l'environnement. Il est très impressionnant de voir ce que la nature est capable de concevoir, sans intervention humaine, avec juste la bonne morphologie de pigment et la quantité suffisante d'agents de liaison. La capacité d'imiter ces systèmes naturels est pour nous d'un grand intérêt. »

Rigidité, force et propriétés optiques

"Des propriétés optiques uniques et une meilleure force de la feuille sont aussi porteuses d'opportunité. La rigidité est un élément primordial si vous réduisez le poids du papier. Les nano-options offrent une rigidité étonnante, plus de brillance, de couleur, d'opacité et des propriétés optiques uniques. Les gains d'opacité potentiels pourraient s'avérer précieux. "

L'équipe de M. Benjamin au Centre de recherche corporatif de NewPage supporte toutes les usines du groupe.


Martin Koepenick est un pigiste spécialisé en production papetière et dans les produits chimiques pour l’industrie papetière. Il possède sa propre entreprise, Innova International, qu’il exploite depuis Atlanta, en Georgie.

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