Société canadienne des postes Envois de publications canadiennes Contrat de vente no. 40069240

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Transparence de la feuille

Kruger passe au travers du problème Les applications pour le papier

Voyage au coeur de la nanotechnologie J O U R N A L O F F I C I E L D E S A R C H I V E S , A S S O C I AT I O N T E C H N I Q U E D E S P Â T E S E T PA P I E R S D U C A N A DA

Le Roux et al: AMÉLIORER LA RÉTENTION DES CHARGES MINÉRALES

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LE magazine technique français d’Amérique

Dans ce numéro...

UNE PUBLICATION DU GROUPE D’INFORMATION D’AFFAIRES ISSN 0847-2645 NOUS REMERCIONS LE GOUVERNEMENT DU CANADA POUR SON APPUI FINANCIER POUR NOS FRAIS POSTAUX, VIA LE PROGRAMME D’AIDE AUX PUBLICATIONS Un tour d’actualité complet de l’industrie des pâtes et papiers du Québec et de l’Est du Canada avec ses nouvelles sur les innovations en cours dans les domaines de la recherche, de la technologie et de la gestion d’usine. Se joignent à cela des rapports détaillés sur l’application de ces innovations et des analyses sur les tendances futures et des textes techniques. Rédacteur en chef Composition artistique Services publicitaires Directrice de la production Adjointe à la production Éditeur senior VP, Publications Président, Groupe

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VENTES ET ADMINISTRATION Pour les régions suivantes, prière de contacter les représentants de marché à l’adresse citée plus haut: Ottawa, Québec, Est du Canada et Est des États-Unis: JIM BUSSIERE, éditeur senior, tél.: 514-630-5955 poste 222, jbussiere@pulpandpapercanada.com Ontario, Ouest du Canada et Centre et Ouest des États-Unis: EILEEN WALTERS, directrice de comptes, tél.: 514-630-5955 poste 234, ewalters@pulpandpapercanada.com ANNONCES CLASSÉES ET VENTES INTERNES NATALIE QUAMMIE Du Canada: (416) 510-5198, 1-800-268-7742, poste 5198 Des États-Unis: 1-800-387-0273, poste 5198 NQuammie@bizinfogroup.ca

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11 Saisir la balle au bond Les papetières doivent saisir les nouvelles opportunités que recèle la nanotechnologie. Par Martin Koepenick, Innova 12 FPInnovations se démarque avec la nanocellulose cristalline FPInnovations progresse dans l’élaboration d’un nanomatériau écologique voué à de multiples applications. Par Jean Bouchard, FPInnovations

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LES PAPETIÈRES DU QUÉBEC, une division du Groupe d’information d’affaires partenariat Limitée, qui est chef de file canadien dans le secteur de l’information possédant des quotidiens, des journaux régionaux et des services d’information d’affaires. PDQ est membre affilié de l’Assocation technique des pâtes et papiers du Canada ainsi que du “Canadian Business Press” et de l’Office canadien de la vérification et de la diffusion “ABC”. LES PAPETIÈRES DU QUÉBEC (ISSN 0847-2645) est publiée cinq fois au cours de l’année 2008 par le Groupe d’information d’affaires, 12 Concorde Place, Suite 800, Toronto, ON M3C 4J2. Tarifs d’abonnement: Canada: 34,00$ par année; 54,00$ pour deux ans, 64,00$ pour 3 ans. États-Unis: 53,00$ par année, 66,00$ pour deux ans. Autres pays: 81,00$ par année. Toute copie additionnelle: 13,00$ l’unité. Tous droits réservés. Le contenu de cette publication ne peut être reproduit en partie ou en totalité sans l'autorisation du propriétaire des droits d'auteur. À l'attention de Postes Canada: Numéro de produits pour envois postaux de Postes Canada, catégorie publications canadiennes: 40069240. Faites parvenir s’il-vous-plaît les formulaires 29B et 67B à l’adresse suivante: 12 Concorde Place, Suite 800, Toronto, ON M3C 4J2. Retour postal garanti. Dépot légal, Bibliothèque nationale du Québec. US office of publication, 2424 Niagara Falls Blvd., Niagara Falls, NY 14304-0357. Periodical Postage Paid at Niagara Falls, NY, USA. Postmaster send address correction to: Les Papetières du Québec, PO Box 1118, Niagara Falls, NY 14304. Occasionnellement, nous partageons notre liste d’abonnés avec certaines compagnies ou organisations dont les produits ou services peuvent vous intéresser. Si vous ne voulez pas que vos coordonnées soient partagées, prière d’en faire la demande au 1-800-0668-2374, Fax 416-442-2191 ou par courriel au privacyofficer@bizinfogroup.ca. Une demande peut aussi être postée au Privacy Officer, Business Information Group, 12 Concorde Place, Suite 800, Toronto, ON M3C 4J2.

ARTICLES 6 Quand la transparence dans un journal devient un défaut Pour surmonter le problème, une équipe de l’usine de Kruger à Trois-Rivières a eu recours à une méthode qui a fait ses preuves. Par Yves Lavertu, rédacteur en chef 7 Il rafle les trois prix Christian Gaudet de Kruger à Trois-Rivières est un habitué des prix décernés par le secteur des pâtes et papiers. Par Yves Lavertu, rédacteur en chef

YVES LAVERTU SUE WILLIAMSON LOUISE MARCIL LOUISE MARCIL APRIL BAXTER JIM BUSSIERE ALEX PAPANOU BRUCE CREIGHTON

Publication dont l’administration et la rédaction se situent au 6600 Route Transcanadienne, bureau 209, Pointe-Claire, QC H9R 4S2; tél.: 514-630-5955, téléc.: 514-630-5980.

Vol. 19, No. 2

TEXTE TECHNIQUE 15 Traitement d’une pâte thermomécanique pour améliorer la rétention des charges minérales L’oxydation et la cationisation de la pâte thermomécanique permettent d’accroître la rétention du carbonate de calcium. Par J. Le Roux, C. Daneault et B. Chabot RUBRIQUES 5 Noir sur blanc : Papier japonais 10 Calendrier 18 Annonces classées, index des annonceurs

Photo en page couverture : Usine de Kruger à TroisRivières (Yves Lavertu)

Dans le numéro de septembre/octobre 2008 • • • •

Compte-rendu de la Conférence internationale sur le blanchiment Congrès 2008 du Conseil de l’industrie forestière du Québec (CIFQ) Texte technique Chronique « Optimisation »

Faites-nous parvenir vos commentaires, suggestions et communiqués de presse à l’adresse électronique suivante : ylavertu@lpdq.ca; consultez aussi notre site Internet www.lpdq.ca Les Papetières du Québec

NOIR SUR BLANC

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Papier japonais

idées rebondissent et le tout finit par créer un climat favorable à la evant la porte de la boulangerie Fairmount Bagel, rue Fairmount créativité. à Montréal, il faut souvent s’armer de patience avant de pouvoir Dans le monde des pâtes et papiers, certaines idées qui n’ont enfin arriver jusqu’au comptoir tellement les bagels qu’on fait naître jamais été jetées en pâture ou qui dorment dans les cartons sont, de la pâte y sont appréciés. À deux pas de là, un sympathique ateà cet égard, tout sauf farfelues. Pour les faire émerger et en faire lier qui donne directement sur le trottoir invite les passants à dévelopnaître de semblables, on a tout avantage à «,canadianiser,» l’esprit per leur créativité en peignant, en dessinant ou en manipulant du associé au papier japonais, c’est-à-dire celui qui stimule l’énergie papier assez particulier, du papier japonais. créatrice. Vieux de 1,300 ans, le washi est produit au Japon de façon artiC’est dans cette perspective qu’on doit aborder les discussions qui sanale — c’est-à-dire à peu près comme le sont les bagels d’à côté. ont cours actuellement et qui visent à revamper des formules d’événeLe papier possède de longues fibres qui lui donne une légèreté, une ments tels la Semaine internationale flexibilité et une résistance tout à du papier ou le Congrès Carton fait uniques. On en dénombre pas « Place à la créativité dans les discussions visant Fibre Papier (CFP). L’année 2008 moins de 400 sortes. Les gens s’en à revamper des formules d’événements tels s’avère cruciale pour ces deux renservent pour fabriquer des cartes la Semaine internationale du papier ou contres. Des décisions importantes d’invitation, mais aussi des abatle Congrès Carton Fibre Papier (CFP). » sont attendues. Dans les deux cas, jour, voire des cerfs-volants. Lorson peut s’attendre à des tournants qu’on se met à le travailler, affirmajeurs. On ne doit donc pas craindre d’innover pour adapter ces ment les mordus inconditionnels, le washi libère une créativité que rendez-vous à la conjoncture, qu’il s’agisse de repenser les lieux pour bien souvent l’on ne soupçonnait pas. la tenue de ces assises, de remettre en question leur fréquence, de Associer un produit papetier à une lame d’énergie créatrice songer à de nouvelles alliances, bref de soupeser autant le contenu s’avère loin d’être une mauvaise idée par les temps qui courent. Car que le contenant. Cette étape s’avère nécessaire avant de pouvoir dans le secteur des pâtes et papier, de nouvelles formules qui étaient penser à reconstruire autrement et pour longtemps. Yves Lavertu vues jusqu’ici d’un mauvais œil, ou tablettées au rayon des tabous, ou encore laissées pendant des lustres dans une plate indifférence se doivent d’être encouragées et mises de l’avant. Place à la créativité,! Il existe au moins cent définitions possibles du mot créativité. Chose certaine, on ne peut réduire le terme à l’image d’un atelier de peinture et le cantonner à la simple créativité artistique. Pour en avoir une illustration concrète, on lira avec intérêt dans ce numéro certains exemples qui s’y rattachent. Ainsi, pour surmonter un problème de transparence du papier journal constaté sur sa machine no 7, Kruger de Trois-Rivières a mis en place un groupe chargé de résoudre une fois pour toutes cette lancinante question. Dans ses démarches, le comité était bien sûr guidé par une philosophie d’amélioration continue, laquelle balisait son approche. De plus, les membres du groupe bénéficiaient d’une méthodologie à même de leur servir de point de repère. Cela dit, on peut s’avancer à dire que les experts ont aussi fait preuve d’imagination, et plus particulièrement d’une imagination orientée vers la découverte et la mise au point d’une solution à un problème pratique. Voilà qui nous rapproche de l’essence de la créativité. Les membres de l’équipe de Kruger ont d’ailleurs eu recours à une technique de créativité bien connue, le brainstorming. Ils ont instauré en bonne et due forme ces séances de remue-méninge à l’intérieur de leur processus. Non seulement ont-ils mis en place un cadre propice à l’éclosion de nouvelles idées, mais ils se sont montrés ouverts à des innovations venant de collègues qui ne faisaient pas partie de leur groupe. Par exemple, un bel accueil a été fait à une brillante suggestion en provenance des gens des opérations. Elle consistait à installer un pointeur laser (comme on en retrouve chez Rona) à un endroit stratégique sur la machine à papier. Depuis la mise en place de ce dispositif, celui-ci fonctionne et il donne même d’excellents résultats. En matière de brainstorming, une des règles de base pour qu’une dynamique du remue-méninge puisse donner ses fruits est de s’abstenir, du moins dans un premier temps, de critiquer les idées émises par les collègues autour de la table. Certains membres, plus timides, sont ainsi incités à prendre la parole sans craindre de paraître ridicules. En lançant pêle-mêle des idées, un rythme est créé. Les

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POROSITÉ DE LA FEUILLE

Pour surmonter le problème, une équipe de l’usine de Kruger à Trois-Rivières a eu recours à une méthode qui a fait ses preuves. Par Yves Lavertu, rédacteur en chef

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vez-vous déjà eu l’impression de lire deux nouvelles à la fois alors que vous teniez entre les mains votre journal préféré,? Probablement, expérimentiez-vous alors les désagréments causés par un problème de transparence du papier survenu au moment de l’impression. Dans ce genre de situation, le lecteur voit se profiler de manière plus ou moins prononcée les inscriptions gorgées d’encre contenues ... à l’endos de la page qu’il est en train de lire. Lorsque la transparence du journal passe du domaine éthique pour devenir un problème technique, il y a lieu de tirer la sonnette d’alarme. Car l’affaire devient embêtante, aussi bien pour l’imprimeur que pour le producteur de papier journal. Il y a quelques années, le problème est survenu à l’usine de Kruger à Trois-Rivières. Il a été résolu mais seulement après qu’un groupe de travailleurs se fut penché assidument sur la question. Au mois de mai 2007, dans le cadre du Congrès CFP tenu à Québec, Christian Gaudet, ingénieur de procédés chez Kruger de Trois-Rivières, a exposé les démarches qui ont permis à son équipe et à lui d’en finir avec ce problème. La communication technique qu’il a présentée au nom de son équipe lui a valu le Prix Raimbault de Mon-

tigny 2007. Lors d’une récente entrevue accordée à la revue Les Papetières du Québec, M. Gaudet a repris les grandes lignes de sa présentation intitulée «,Transparence de la feuille sur la machine à papier no.7,».

UNE CARACTÉRISTIQUE MESURABLE En novembre 2004, un client qui faisait affaire depuis plusieurs années avec Kruger se plaint d’un problème sporadique de transparence relié au papier journal qui lui est livré. Quand on lit la première page du journal, dit-il, on voit apparaître en toile de fond les inscriptions qui sont imprimées à l’endos. Dans les semaines qui suivent, ce

dernier signale de nouveau le problème. Imprimeur de son métier, le client en question possède des presses assez particulières dans la mesure où elles ne permettent qu’un seul ajustement d’encre par section. Quoi qu’il en soit, dans la foulée de cette première plainte, Kruger entreprend des investigations. L’étude initiale ne permet d’établir aucune corrélation évidente entre le problème de transparence et les procédés qui sont employés à l’usine. En revanche, l’étude subséquente (un essai d’imprimabilité) identifie une première piste. On met le doigt sur un indice de poids dans le cadre d’une comparaison qui est faite entre la feuille produite

À l’usine de Kruger à Trois-Rivières, seule la machine no.7 (à gauche) engendrait un problème de transparence de la feuille. Quant à l’autre machine à papier journal de l’usine, la machine no.10 (à droite), il n’y avait rien à signaler. Ci-haut,: un aperçu du problème de transparence tel qu’il se retrouvait sur le papier journal une fois celui-ci imprimé. Sont encerclés en rouge les endroits où l’encre à l’endos transparaît jusque sur la première page. 6

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POROSITÉ DE LA FEUILLE

par un compétiteur et celle fabriquée sur l’une de deux machines à papier journal que possède l’usine, la machine no.7. Kruger réalise que le papier produit avec cet équipement s’avère plus transparent que celui du compétiteur. Pour ce qui est de la machine no.10, il n’y a pas de problème. Aucun défaut de transparence n’est relevé. Les recherches se précisant, un nouveau mot fait son apparition dans les discussions. «,Ce que l’on cherchait à faire, relate Christian Gaudet, c’était de transformer les besoins du client en caractéristiques mesurables. La transparence, c’est ce que le client constate. Quant à nous, il fallait se baser sur une caractéristique qui puisse être quantifiée à l’aide de nos appareils.,» Cette caractéristique, c’est la porosité. «,On n’améliore pas la transparence, de dire l’ingénieur. On améliore la porosité qui vient d’un impact sur la transparence.,» «,Cela aurait pu être l’opacité, poursuit-il. Mais dans ce cas-ci, c’est le facteur de la porosité qui était vraiment déterminant parce qu’il présentait les plus grandes différences avec la feuille produite par la compétition.,» Le type de porosité d’une feuille de papier, précise M. Gaudet, se définit par la façon dont sont enchevêtrées les fibres ensemble. Par exemple, dans un processus de fabrication de la pâte, des fibres grossières produisent un matelas fibreux à l’intérieur duquel les fibres sont espacées les unes des autres. La feuille formée de cette manière est très poreuse. L’encre placée sur le papier est absorbée en profondeur car elle va se loger dans les espaces libres. Par contre, un matelas fibreux tissé serré retient davantage l’encre en surface. Par conséquent, il y a moins de risque de se retrouver avec un problème de transparence sur les bras. Conduits en février 2005, les essais d’imprimabilité montrent que la feuille fabriquée sur la machine no.7 affiche une porosité beaucoup plus élevée que la feuille produite par le compétiteur. Les gens de Kruger effectuent le test à l’aide d’un appareil conçu pour mesurer la perméabilité à l’air d’une feuille de papier. Reconnu par toute l’industrie, le test de porosité PPS (Parker Print-Surf) sert à calculer le volume d’air qui passe à travers une feuille à chaque minute. Dans le cas qui nous intéresse, ce test dévoile que la porosité de la feuille sur la machine no.7 s’avère de 100 ml/min (PPS) plus élevée que la compétition. Construite en 1972, la machine à papier de Kruger se range dans la catégorie des systèmes dits «,Papriformer,». Au Québec, l’entreprise en possède deux de ce genre,; l’autre étant en fonction à son usine de Bromptonville, en Estrie. D’une largeur de 619 cm (244 po.), la machine installée à Trois-Rivières traite une pâte composée à 80,% de pâte thermo-mécanique (PTM) et à 20,% de pâte désencrée. En matière de porosité, la pâte peut jouer un rôle déterminant. Car du degré de raffinage de celle-ci peut dépendre en bonne en partie le taux de porosité. Par exemple, une pâte très raffinée engendre un matelas fibreux serré, lequel est susceptible de générer un bas taux de porosité. Dans ces conditions, l’encre a tendance à s’égoutter moins facilement et à ne pas pénétrer en profondeur la feuille.

LA MÉTHODE DMAIC Au début du mois d’avril 2005, Kruger reçoit trois nouvelles plaintes de son client en lien avec le problème de la transparence. Du coup, la compagnie perd le contrat de production de la première page du journal qui était imprimée jusqu’alors sur les presses de cet imprimeur. Au-delà des pertes financières, c’est l’impact relié à la réputation de Kruger qui est le plus difficile à encaisser. Le message lancé ressemble à celui-ci,: la qualité de la feuille produite à l’usine n’est pas suffisamment acceptable pour qu’on puisse l’utiliser comme première page d’un journal. Chez l’entreprise, on ne veut pas en Les Papetières du Québec

Il rafle les trois prix Par Yves Lavertu, rédacteur en chef Issu d’une famille de papetiers, Christian Gaudet est un habitué des prix décernés par le secteur des pâtes et papiers et qui visent à souligner l’excellence du présentateur d’une communication technique. Le Prix Raimbault de Montigny qu’il a reçu en mai 2007 pour sa présentation intitulée «,Transparence de la feuille sur la machine à papier no.7,» fait suite à deux autres récompenses récoltées dans autant de catégories. Il a tout d’abord gagné en 1999 le Prix JustinJacob, une distinction établie afin d’honorer un étudiant de niveau collégial. Puis en 2002, le lauréat a remporté la Bourse Christian Gaudet, nouveau Lorenzo-Marchildon, laquelle superviseur des services techcouronne la qualité de la pré- niques à l’usine de Kruger de sentation technique d’un étudi- Trois-Rivières, est le récipiant de niveau universitaire. endaire du Prix Raimbault de Pour ce qui est du Prix Raim- Montigny 2007, de la Bourse bault de Montigny qu’on lui Lorenzo-Marchildon 2002 et du a remis l’an dernier dans le Prix Justin-Jacob 1999. cadre du Congrès CFP, la récompense est destinée aux candidats qui sont déjà sur le marché du travail. M. Gaudet a fait ses études collégiales en techniques des pâtes et papiers au Cégep de Trois-Rivières. Il a par la suite décroché un baccalauréat en génie chimique de l’Université du Québec à TroisRivières (UQTR). Aujourd’hui, en parallèle à son travail chez Kruger, l’ingénieur de 29 ans poursuit des études supérieures. Elles doivent le mener à l’obtention d’une maîtrise en administration des affaires (MBA). Son père y a travaillé pendant 40 ans. Ses oncles et son frère ont fait de même. Le jeune finissant s’est tôt inscrit dans la tradition familiale,: Christian Gaudet a choisi de gagner sa vie dans le secteur des pâtes et papiers. Il a commencé sa carrière à Crabtree, près de Joliette, chez Papiers Scott, une division de Kruger. Puis en 2004, il a été transféré à l’usine de Kruger à Trois-Rivières où il est devenu superviseur en matière de qualité, de contrôle et d’environnement. Récemment, en février 2008, le jeune père de famille a été promu superviseur des services techniques au sein de l’usine. LPDQ rester là. «,Cela ne correspondait pas à la philosophie de Kruger,», fait remarquer Christian Gaudet. À la fin du mois d’avril, la papetière met sur pied un comité de cinq employés chargé de résoudre une fois pour toutes le problème. La constitution du groupe s’inscrit dans une tradition déjà bien implantée au sein de la compagnie. «,Il y a une philosophie d’amélioration continue chez Kruger, note Christian Gaudet,: une fois que l’on constate un problème, il y a un comité spécifique qui est formé.,» Le nouveau comité est composé du surintendant de la machine no.7, Claude Pelletier, de Jean-PierreToupin, contremaître général, de Francis Lemonde, adjoint technique, de France Fernet, SSBB, et de l’ingénieur de procédés Christian Gaudet, lequel se joint à l’équipe en cours d’année 2005. À partir de ce moment, démarches et essais vont s’échelonner sur plusieurs mois. Ils ne se termineront qu’à la fin de 2006. Pendant toute cette période, un outil qui a fait ses preuves va servir de guide. Il s’agit de la méthode de résolution de problèmes connue sous l’acronyme DMAIC. Mai/Juin 2008

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sur le raisonnement suivant,: si une Ce modèle d’amélioration des perseule variable n’a pas le poids suffisant formances comporte différentes phases pour expliquer tout le problème de pode travail à respecter. Il inclut des disrosité, la comparaison avec d’autres cussions, des essais, des analyses de paramètres peut s’avérer d’un grand secauses, des tests de validation, etc. À cours. Pareille étude est à même de faire l’intérieur de chaque projet, la rigueur ressortir quel acteur joue le rôle princiest le maître mot. «,On ne passe pas à pal dans la variation de la porosité. une étape supérieure, explique ChrisLes membres du groupe se mettent tian Gaudet, tant que l’autre n’a pas été donc à recueillir des données sur la complétée.,» valeur, à différents moments de la L’équipe Six-Sigma de Kruger journée, de variables comme la vitesse commence tout d’abord par définir de la machine, l’épaisseur de la pâte, le problème et par déterminer les la pompe de mélange secondaire, objectifs. La porosité, on l’a vu, devient l’humidité, les tirages dans les sections, rapidement la cible, c’est-à-dire le etc. En parallèle, on établit le degré de paramètre quantifiable sur lequel on porosité qu’on enregistre au même s’appuiera pour avancer. L’objectif moment. Ces informations sont inque l’on se fixe est d’abaisser la porosérées à l’intérieur du modèle en voie sité de la feuille. Plus précisément, d’élaboration. souligne l’ingénieur, le groupe souhaite Les statistiques concernant ces «,atteindre une moyenne de 320 paramètres varient d’une heure à l’autre ml/min de porosité (PPS) avec une de même que les informations au sujet variation de 3 sigma, soit plus ou moins du degré de porosité. Cela est sans 80 ml/min et se situant, dans 99,7,% du temps, entre 240 et 400 ml/min.,» Une dépense additionnelle de 250,000,$ par an en compter que certains facteurs ne génèrent pas d’impact significatif sur la Évidemment, poursuit M. Gaudet, électricité a été inscrite au budget de Kruger afin d’enrayer le problème de la transparence. porosité. Toutefois, des constantes se l’objectif ultime est d’obtenir la satisdégagent. Les résultats les plus probants ont trait au tirage de la faction du client et d’éliminer complètement le problème. feuille entre les différentes sections des presses. Une fois le sujet défini et les objectifs bien campés, l’équipe En matière de presses, la machine no.7 possède certaines caracs’attelle à mesurer l’étendue du problème. On constate que sur téristiques assez particulières. «,Dans le jargon des papetiers, une période d’un an, soit de janvier à décembre 2005, 46,% des explique Christian Gaudet, c’est une machine que l’on appelle tests effectués sur la machine no.7 révèlent que la feuille a une “open draw”. Il faut vraiment tirer sur la feuille pour la porter porosité qui se situe au-dessus de 400 ml/min, c’est-à-dire au-delà d’une section à l’autre.,» En comparaison, on ne tire pas sur la de la moyenne de l’objectif visé. Puis, on passe à l’analyse des causes susceptibles d’affecter la feuille qui est en train d’être produite sur la machine no.10. porosité. Plusieurs projets sont menés en ce sens. Communément Lorsque la feuille est tirée, explique l’ingénieur, son matelas appelé le diagramme en forme d’arrête de poisson, le diagramme fibreux se disloque un peu avant qu’elle ne reprenne sa route. «,Si d’Ichikawa s’avère d’une grande utilité. Dans le but d’étayer ce l’on ne tirait pas, dit-il, le matelas fibreux resterait bien tissé.,» tableau, les membres du comité jettent des idées sur la table. Il Forts de ces rés’agit pour eux d’identifier quels paramètres peuvent avoir un effet sultats, les membres sur la porosité. de l’équipe portent Dans un deuxième temps, l’équipe classe ces variables selon six leur attention sur le groupes d’importance. On place dans ce schéma des éléments tels tirage entre la secque la configuration de la machine à papier, la pâte thermotion de la sècherie et mécanique, la pâte désencrée, la proportion des pâtes mélangées, la troisième presse les propriétés de la feuille, etc. et entre la deuxiPuis, les membres sélectionnent douze variables qui ont le ème et la troisième grand avantage d’être faciles à étudier. Kruger possède beaucoup presse. Dans cette de données sur elles. Les membres du groupe ciblent la demande foulée, on applique cationique, le calandrage, la rétention, le pourcentage d’air enl’analyse des 5 pourtraîné, les toiles, etc. quoi. Pourquoi, par Entre deux sections de presses, les gens Ces variables en mains, on est prêt à se lancer dans une étude de exemple, doit-on des opérations ont installé un pointeur corrélation. Telle journée, par exemple, on constate une demande augmenter le tirage laser tel qu’on peut s’en procurer chez cationique très basse. Aussitôt, on examine en parallèle son impact de la feuille à n’importe quel quincaillier. Le rayon en regard de la porosité de la feuille. Une autre journée, la decertains moments,? rouge, projeté toujours au même endroit, mande cationique est très haute. On refait le même exercice et on Parce que la feuille sert d’indicateur visuel aux travailleurs. La se penche sur les données en matière de porosité. Menée selon les est trop humide. feuille, avant d’entrer dans la nouvelle section, doit être enlignée avec le laser. règles de l’art, l’étude de régression linéaire simple ne pointe Pourquoi est-elle cependant en direction d’aucun facteur significatif. trop humide,? Cela dépend de la consistance du fourni, c’est-à-dire L’équipe de Trois-Rivières choisit alors de passer à une nouvelle de la pâte. Et ainsi de suite. étape. On sélectionne d’autres variables que l’on intègre cette fois dans un modèle de régression multiple. De quoi s’agit-il,? On parUN OUTIL EFFICACE le ici d’un modèle mathématique comprenant plusieurs paramètres Dans sa quête de réponses, l’équipe Six-Sigma met sur pied un qui interagissent entre eux. À la base de cette démarche, on se fonde projet de design d’expérience. À quoi sert pareil projet,? Le design 8

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d’expérience, explique Christian Gaudet, remplace le besoin de mener certains essais sur le plancher de l’usine. «,Par des calculs mathématiques, on est capable de voir l’effet de chaque variable sur la porosité. C’est un peu plus complexe, mais c’est un outil qui est très efficace parce que l’on sauve beaucoup de temps.,» Les membres du groupe créent ce que l’on appelle un plan factoriel fractionné. Ils alimentent leur outil avec des informations en regard de cinq paramètres, soit la vitesse de la machine, l’ouverture de la lèvre de la caisse d’arrivée, le calandrage, le pourcentage de pâte désencrée et l’humidité de la feuille. Pour chacun de ces éléments, ils insèrent dans ce modèle l’éventail des données possibles en faisant jouer toutes les variations et tous les scénarios imaginables. Par exemple, à propos de la caisse d’arrivée, l’équipe entre les informations reliées à ses différentes possibilités d’ouverture. En parallèle, le groupe introduit des données concernant le débit de l’eau ou la consistance de la pâte. Du projet de design d’expérience, deux variables majeures ressortent,: la vitesse de la machine à papier et l’ouverture de la lèvre de la caisse d’arrivée. Avec ce projet, note Christian Gaudet, «,on commence à être plus concret et à toucher des variables qui ont un impact sur la porosité.,» Ainsi, en abaissant la vitesse de la machine à papier pour la ramener à 90 ml/min et en ouvrant la lèvre de la caisse d’arrivée au minimum, l’équipe obtient une porosité de 346 ml/min. Cet indice de porosité est réduit de 110 ml/min en comparaison d’une situation où ces deux éléments sont ajustés au maximum. Il y a tout de même un bémol. Le facteur de la vitesse ne peut servir qu’à titre indicatif. Pour l’usine, abaisser la vitesse de la machine no.7 est hors de question,: cela aurait des répercussions trop importantes sur le plan financier. Malgré tous les tests effectués, les objectifs de l’équipe à ce stade ne sont toujours pas atteints. C’est pourquoi, les membres du groupe se tournent vers un paramètre que l’on sait crucial,: la pâte thermo-mécanique (PTM). Une corrélation se doit d’être établie avec la porosité. L’équipe constate que l’indice d’égouttage de cette pâte a été augmenté à l’été 2004. Cela coïncide à peu près avec l’apparition de la première plainte pour transparence. On veut prouver ce lien hors de tout doute. Dans ce but, on met de l’avant divers tests de régression linéaire simple. À titre d’exemple, on alimente la machine no.7 avec un indice d’égouttage fixé à 105 ml, puis on revient avec un indice à 90 ml. On répète le même scénario à plusieurs reprises. Le tableau devient limpide. Selon les séquences, la porosité est élevée, puis elle s’abaisse avant de redevenir élevée, etc. «,À elle seule, affirme Christian Gaudet, la variation de l’égouttement de la pâte thermomécanique explique 40,% de la variation de la porosité. C’est majeur. Il n’y a aucun facteur qui peut expliquer plus de variations que l’indice d’égouttage.,»

IMPLANTER DES SOLUTIONS L’équipe de Kruger a défini le problème, puis en a mesuré l’étendue avant de se lancer dans son analyse. Reste à examiner les solutions. Voici celles que l’on a apportées et que l’on a mises en application. En ce qui concerne le tirage de la feuille, les gens des opérations ont eu une très bonne idée, rapporte Christian Gaudet. Ils ont installé sur la machine à papier un pointeur laser tel qu’on peut s’en procurer chez n’importe quel détaillant d’articles de quincaillerie. Le rayon rouge, projeté toujours au même endroit, sert d’indicateur visuel aux travailleurs. La feuille, avant d’entrer dans la nouvelle section, doit être enlignée avec le laser. C’est par ce moyen qu’on s’assure d’obtenir un tirage optimum. Si elle Les Papetières du Québec

n’est pas enlignée, les travailleurs procèdent alors aux ajustements. Bref, sur le plancher de l’usine, on n’a désormais plus de questions à se poser quant à savoir si l’on doit modifier ou non le tirage. La mise en place du pointeur laser entraîne des effets positifs. Cela ne diminue pas la porosité de la feuille. En revanche, l’utilisation de l’outil atténue les écarts de variation. En bout de piste, l’instrument octroie plus d’uniformité. «,Au lieu d’avoir des variations importantes, souligne Christian Gaudet, on est plus en contrôle.,» La deuxième solution élaborée consiste à ouvrir au minimum la lèvre de la caisse d’arrivée. À ce chapitre, les tests ont été convaincants. Cela a pour effet de diminuer la porosité de 30 ml/min. La troisième et dernière solution concerne l’égouttement de la pâte thermo-mécanique. Constatant que la machine no.7 ne peut fonctionner avec un indice d’égouttage (CSF) trop élevé, on ajuste celui-ci en fonction du degré de porosité de la feuille. Si, par exemple, la porosité de la feuille atteint un pic de 400 ml/min, on réduit alors le CSF en conséquence. L’expérience le prouve,: l’indice d’égouttage doit d’ailleurs être abaissé dans 40,% du temps. Notons que cet ajustement est pratiqué tant sur la machine no.7 que sur la machine no.10 (de toute façon, il n’y a pas d’impact sur cette dernière). Résultat,: en abaissant de 105 ml à 90 ml le CSF, on obtient une baisse moyenne de porosité de 67 ml/min. «,C’est là l’impact majeur sur la porosité,», affirme Christian Gaudet. Des coûts importants sont toutefois rattachés à cette opération. Produire à partir de copeaux, puis de Dans le but de s’assurer que le profibres, une pâte dont blème de transparence ne surviendra l’eau s’égoutte moins pas de nouveau, un contrôle des procédés a été mis en place chez facilement exige beauKruger. coup plus d’énergie, c’est-à-dire plus d’électricité, que dans le cadre d’un traitement plus régulier. L’opération équivaut à une dépense additionnelle de 250,000,$ par an en électricité. «,Mais on n’a pas le choix,», fait valoir M. Gaudet qui mentionne que d’autres projets d’optimisation reliés à cet enjeu sont à l’étude chez Kruger. L’un consiste dans un projet de désencrage,; l’autre touche à la récupération d’énergie.

CONTRÔLER LES PROCÉDÉS En octobre 2006, l’équipe Six-Sigma de Kruger peut dire mission accomplie. Alors qu’avant le début des travaux de ce groupe, on enregistrait sur la machine no.7 une moyenne de porosité de la feuille de 400 ml/min, un an et demi plus tard, ce niveau se situe entre 245 et 375 ml/min. De plus, il s’accompagne d’un écart de variation beaucoup moins élevé. Par ailleurs, avant les tests, la Mai/Juin 2008

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feuille produite atteignait dans 46,% du temps une porosité de 400 ml/min. Après octobre 2006, le cap des 400 ml/min n’a plus jamais été franchi. C’est par l’action combinée des trois solutions décrites ci-haut qu’on a pu atteindre ces objectifs. «,L’ensemble de ces trois facteurs, souligne Christian Gaudet, donne moins de variations et un niveau plus bas de porosité.,» Cela dit, ajoute l’ingénieur, l’élément de changement qui s’est avéré déterminant dans ce dossier a été l’abaissement de l’indice d’égouttage de la pâte thermomécanique. En terminant, il faut dire un mot sur le contrôle des procédés. Il représente aux yeux de M. Gaudet un aspect important que l’on ne doit surtout pas négliger. Une fois le problème identifié et les solutions trouvées, il faut en effet s’assurer que la difficulté ne réapparaîtra plus. C’est dans cette optique qu’a été verrouillée l’ouverture de la lèvre de la caisse d’arrivée. Désormais, plus personne ne peut la modifier. Quant au tirage de la feuille, les gens des opérations se fient maintenant à l’indicateur que constitue le pointeur laser. Ils font une vérification visuelle constante. Enfin, à propos de l’égouttement de la pâte, les directives d’opération sont claires. Lorsque l’usine en est à produire le papier pour le client en question, les travailleurs ajustent l’indice d’égouttage. «,C’est très bien ancré dans l’esprit des gens,», indique Christian Gaudet. L’utilisation de la méthode de résolution de problème DMAIC, conclut l’ingénieur, «,a permis d’atteindre la cible de porosité, de réduire sa variation et d’éliminer le problème de transparence chez le client,». Après 2006, ce problème n’est d’ailleurs plus survenu. Pour la plus grande satisfaction du client. LPDQ

Avant la mise en place des solutions proposées par le groupe responsable de résoudre ce problème, la feuille produite sur la machine no.7 atteignait dans 46,% du temps une porosité de 400 ml/min, soit bien au-delà de l’objectif visé (graphique du haut). Après octobre 2006 (graphique du bas), le cap des 400 ml/min n’a plus jamais été franchi.

À VENIR

JUIN 2008 • Conférence internationale sur le blanchiment de la pâte. Du 2 au 5 juin 2008. Québec, QC. Contact: Greg Hay. Tél.: 514-392-6954. Fax: 514-392-0369. Courriel: ghay@paptac.ca • Séminaire sur les développements en physique du papier. Du 2 au 5 juin 2008. Université d’Helsinki, Finlande. Infos: Hannu Paulapuro: paperphysics08@tkk.fi; www.tkk.fi/Units/Paper/paperphysics08/ index.html. • Séminaire de l’Association internationale des transporteurs de produits forestiers (IFPA). Du 4 au 6 juin 2008. Séminaire régional, région Asie, organisé conjointement avec RISI. Hôtel Four Seasons, Shangai, Chine. Infos: www.ifpta.org. • Control Systems (incluant la Conférence Pan Pacific). Du 16 au 18 juin 2008. Vancouver, C.-B. (Hôte: PAPTAC et co-parrainé par Japan TAPPI, APPITA, Korea TAPPI, Philippines TAPPI, Taiwan TAPPI, TAPPI, SPCI, ATCP). Contact: Greg Hay. Courriel: ghay@paptac.ca. • Séminaire technique sur la manutention des bobines. 17 et 18 juin 2008. Montréal. Organisé par Seminars For Engineers, USA, une division de Sensor Products Inc. Courriel: info@SeminarsFor Engineers.com. Tél.: 1.877.755.2272 ou 1.973.560.9092. Site Web: www.SeminarsForEngineers.com/converting. • Conférence PACWEST. Du 18 au 21 juin 2008. Fairmont Jasper Park Lodge, Jasper, AB. Contact: Mary Barnes. Tél.: 604-988-2956. Fax: 604-988-9869. Courriel: barnesmm@ shaw.ca. • IFRA Forum. Du 22 au 24 juin 2008. Moscou, Russie. Infos: Michael Heipel: tél.: +49-6151-733-781 ; heiipel@iifra.com.

AOÛT 2008 • Engineering, Pulping, Environmental Conference and Trade Fair. Du 24 au 27 août 2008. Portland, OR. Contact: Ken Patrick, courriel: kpatrick@tappi.org; www.tappi.org. 10

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• Fundamental and Applied Pulp and Paper Modelling Symposium. Du 27 au 29 août 2008. Centre intégré en pâtes et papiers, Université du Québec à Trois-Rivières, Qc, Canada. Contact: Nancy L’Ecuyer, coordonnatrice du symposium. Tél.: 819-376-5011 x4526. Fax: 819-376-5148. Courriel: Sylvain.Robert@uqtr.ca.

SEPTEMBRE 2008 • Symposium sur les technologies chimiques en fabrication du papier. Du 16 au 19 septembre 2008. Munich, Allemagne. Contact: Heinrich Hammer, courriel: pta@ptspaper.de; www.cht-symposium.com. • Papertech India 2008. Du 18 au 20 septembre 2008. Mumbai, Inde, Bombay Exhibition Centre. Infos: bharat.joshi@expomediagroup.com; tél.: 44-0-208-387-3200 ; fax: 44-0-208-387-3201. • American Filtration & Separation Society Conference. Du 22 au 25 septembre 2008. Charlotte, NC. Infos: Suzanne Sowers, AFS, Tél.: 612-861-1277. kssafs@mac.com. • International Printing and Graphic Arts Conference. Septembre 2008, Canada. Contact: Contact: Greg Hay. Tel.: 514-392-6957; Fax: 514-392-0369. Courriel: ghay@paptac.ca.

OCTOBRE 2008 • International Symposium on Corrosion in the Pulp and paper Industry. Octobre 2008, Suède. Contact: Gunnar Berman. Tél.: 46-8-674-1728; fax: 46-8-674-1780; courriel: gunnar.bergman@ corr-institute.se. • International Pulp, Paper & Tissue Forum (IPPTF). Du 8 au 9 octobre 2008. Holiday Club, St-Petersbourg, Russie. Infos: Marcus Bergstrom, tél.: + 358.9.150.940.1; fax: +358.9.142.358. Courriel: marcus.bergstrom@adforum.se; www.ipptf.com. • Congrès annuel de NPTA Alliance. 21 octobre 2008. Chicago, IL. Hyatt Regency Hotel. Infos: Tracy Schorle. Courriel: tschorle@ gonpta.com; www.gonpta.com/about/calendar_of_events.cfm. Les Papetières du Québec

NANOTECHNOLOGIE

Saisir la balle au bond Les papetières doivent saisir les nouvelles opportunités Par Martin Koepenick* que recèle la nanotechnologie.

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• Une blancheur et une brillance bien accordées avec la feuille et lle se retrouve dans les iPod Nano, dans certaines crèmes sa surface; de protection solaire, dans les raquettes et les balles de • Des feuilles riches en minéraux, aux propriétés performantes tennis. Aujourd’hui, la nanotechnologie est présente augmentées et utilisant moins de fibres; partout dans la vie et l’esprit du public. Même les fameux • Des catégories de papier et de carton plus résistantes et plus soldats en terre cuite façonnés en Chine 200 ans avant légères; notre ère en sont maintenant enduits ! Avec les développements • Des nouvelles catégories hybrides de films et de métaux de polyimportants de la nanotechnologie en matière de résistance, de mères et de fibres alternatives; poids, d’enduits, d’anti-égratignures, de conductivité, etc., il de• Des papiers intelligents RFID et autres papiers intelligents vrait être évident pour tous que la nanotechnologie et le papier intégrés; sont faits pour aller ensemble. • Des produits qui utilisent moins de matières premières, d’une Le papier, un matériau composite flexible, polyvalent et multidurabilité accrue, biodégradables et plus faciles à recycler; forme, s’avère le terrain idéal d’application pour les avancées en • Des produits plus faciles à défendre en matière de nanotechnologie. Pourtant, assez matière éthique et sociétale; curieusement, l’industrie du papier, au ni• Des systèmes d’épuration des eaux en veau des ventes et de la gestion, mène peu boucle avec la nano-filtration; de discussions quant à la façon dont le papi• Des avantages en matière de protection er, le carton et le papier de spécialité pourdes marchandises expédiées; raient s’insérer dans l’équation de la nano• Des perfectionnements sur le plan des technologie. effluves et de l’hygiène. Aujourd’hui, on peut voir une mordue de tennis écouter son iPod Nano tout en maniant sa raquette nano, résistante et flexible, et POURQUOI FAIRE LE SAUT ? frapper la balle dont le noyau a été conçu La raison principale qui justifie la mise en grâce à la nanotechnologie. Une crème place de solutions faisant appel à la nanosolaire nano protège sa peau pendant qu’autechnologie est liée à sa valeur ajoutée. En dessus d’elle un dôme en tissu nano permet fait, la nanotechnologie pour les papetiers a au soleil d’entrer, tout en empêchant la pluie tout à voir avec la science des matériaux. Le et le vent de le faire. papier est une matière composite, un méDe nouvelles idées naissent visant, À la pause, elle peut prendre son lunch entre autres, à créer à partir de lange de matériaux organiques et inorganitout en feuilletant un magazine de mode qui tubes nano à base de carbone et ques « extraordinaires ». contient des nanoparticules de silice pour de fibres de nouveaux papiers La nanotechnologie ouvre la voie à de une meilleure imprimabilité. Elle peut hybrides, intelligents et dotés de plus grands bénéfices pour les papetiers et savourer un sandwich gardé bien au frais propriétés uniques. (Courtoisie : leurs clients. Pourtant, elle demeure loin des dans un sac ou une boîte qui a été recou- DuPont) préoccupations des utilisateurs, voire des verte d’un enduit imperméable à l’eau grâce papetiers, qui la regardent parfois comme la à des minéraux nano, lesquels éliminent le recours aux fluorodernière nouveauté, ou le dernier truc de vente à la mode. carbones et réduisent l’utilisation de polymères à base de pétrole. Sur le plan de la fabrication, la charge de particules qui remBien qu’elle ait pu choisir sa nouvelle raquette en se fiant à un placent les fibres, combinée à leur plus grande légèreté dû à leur message publicitaire vantant les mérites de la nanotechnologie, ou résistance supérieure sauve à l’industrie des sommes colossales qu’elle ait choisi sa balle pour les mêmes raisons, on peut penser d’argent et/ou confère des performances plus élevées et des améque les caractéristiques propres au toit et à son magazine ne lui ont liorations en regard des propriétés de la feuille. Les pressions exerpas traversé l’esprit, pas plus que le rôle joué par la nanotechnolocées par le marché sur les imprimeurs et les transformateurs ont gie dans ces matériaux. masqué les atouts pour les fabricants de papier en termes de coûts Son iPod dit Nano est un truc de vente pour signifier la petite sauvés et de nouveaux avantages pour le même prix ou en deçà. taille du lecteur portatif. Il est de plus appelé ainsi en raison des D’ailleurs, les producteurs qui ont investi dans les catégories de éléments de nanotechnologie qui se retrouvent à l’intérieur. Ceuxpapier haut de gamme en ressortent sans doute aujourd’hui comme ci permettent de grandes performances sur le plan des fonctions et les grands gagnants. ce, à une dimension incroyablement petite. Sans fanfare, les progrès dans la nanotechnologie et les nouPROCHAINES ÉTAPES velles opportunités qu’elle offre pour le papier et le carton contiEn matière de fabrication du papier, les bouts humides sont depuis nuent de s’accumuler. Listons-les : longtemps « nano ». On peut se demander alors quelle est la pro• Des papiers couchés plus minces, plus lisses, plus résistants, à chaine étape ? base d’eau et non toxiques; Il faut regarder du côté de la chimie de la rétention/épaississe• Des surfaces de feuille plus lisses permettant une meilleure ment et du couchage. Depuis un certain temps déjà, les chimistes imprimabilité et recouvertes parfois d’encre nano; et les ingénieurs se tiennent tout près de la frontière avec Les Papetières du Québec

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la nanotechnologie. Les modifications sur le plan de la structure poreuse sont devenues possibles à l’échelle nano et elles peuvent conduire à des changements importants en matière d’optique et d’imprimabilité. Quant aux pigments conçus à l’échelle nano, ils contribueront un jour à améliorer la résistance du papier. Selon Tony Lyons, directeur des applications technologiques chez Imerys Pigments for Paper, «,nous avons découvert que les pigments de kaolin au-dessous de 100 nanomètres d’épaisseur améliorent la rigidité comparé aux pigments de kaolin conventionnels pour le couchage et les applications de pigmentation en surface. Notre récent système breveté à base de

minéraux Barrisurf MD pour la protection lors du couchage est l’une des solutions nanotechnologiques pouvant s’appliquer au papier. Nous avons également développé des minéraux à l’échelle nano comme Contour Xtreme pour le papier couché. Outre leur dimension, ils peuvent aussi être employés pour le couchage avec des pigments conventionnels,». Quant à Kaj Backfolk de Stora Enso, celui-ci affirme que «,l’ajout de nanoparticules en polymères pour altérer les propriétés optiques, mécaniques et de protection est à portée de la main,». On a aussi tout intérêt à regarder du côté des progrès constants accomplis dans l’ingénierie nano en ce qui concerne les enduits qu’on combine avec des liants en latex. Les adhésifs de structure nanomique peuvent offrir aux producteurs une surface

FPInnovations se démarque avec la nanocellulose cristalline

de papier couché plus résistante apte à améliorer l’imprimabilité, particulièrement lorsque des encres haut de gamme sont employées. Les structures nano en latex sont aujourd’hui communément utilisées pour améliorer différentes propriétés du papier, telles la rigidité et l’opacité pour une gamme de catégories de papier de plus en plus légères. Des études de nature académique sont en cours dans certains instituts nordiques afin d’étudier la pulvérisation à poudre lors du couchage. Ceci peut contribuer à réduire l’utilisation de l’eau, à allonger la durée de vie du produit et à offrir, du moins théoriquement, des résultats assez spectaculaires. Toutefois, cela signifie un investissement en capitaux et le développement de nouvelles formules technologiques en lien avec le couchage.

Par Jean Bouchard*

FPInnovations, créé il y a un an par la fusion de FERIC, Forin- NCC possèdent une très grande surface spécifique et sont d’une tek et Paprican, a démarré un programme de recherche axé sur force comparable à l’acier. De plus, ils peuvent s’auto-assembler les technologies transformantes. Celles-ci pourraient grande- en solution et, une fois séchés, former des films translucides et ment modifier l’allure de nos usines et de l’industrie toute iridescents. Une percée technologique a été réalisée par FPInnovationsentière dans un futur rapproché. Ce programme a vu le jour grâce à un support substantiel du gouvernement fédéral. Un des Paprican qui a développé un procédé à l’échelle pilote pouvant domaines de recherche du programme est la nanotechnologie produire des kilogrammes de NCC à partir de pâte chimique. où notre mandat consiste à développer, pour le secteur forestier, Cette percée ouvre la voie au développement de nouveaux prola recherche en nanotechnologie ainsi que le réseau de mise en duits et permet d’en explorer les applications de façon réaliste. Voici, à titre d’exemples, quelques applications potentielles sur application. Trois conditions sont nécessaires afin de définir un nano- lesquelles nous travaillons présentement: contrôle de la perméabilité à l’oxygène pour matériau. Premièrement, la les cartons d’emballages; agent dimension des particules doit se de renforcement dans les nanosituer entre 1 et 200 nm. Cette composites et polymères bioplage correspond à la croisée de dégradables; mise au point de la physique classique et de la films iridescents avec contrôle physique quantique et nous de la couleur réfléchie; emploi amène à la deuxième condition; comme additif dans les vernis et un nanomatériau doit posséder peintures; emploi comme bardes propriétés uniques et difrière limitant l’émission des férentes de celles du produit de composés organiques volatiles. départ (ex. propriétés élecCe programme de FPInnotriques, physiques, chimiques, vations, nous a permis d’établir optiques). Finalement, l’obten- Voici deux images montrant à quoi ressemble la des collaborations fructueuses tion de ces propriétés doit être nanocellulose cristalline. Celle de gauche, en noir et blanc, a été prise à l’aide d’un microscope électroavec NanoQuébec, le CIPP reproductible et contrôlable. à Trois-Rivières, le centre Dans notre programme sur nique à balayage. La seconde, en couleur, est un Énergie, Matériaux et Téléles nanotechnologies, il va de ensemble de confettis fabriqués à partir de films de communications de l’INRS à soi qu’un de nos objectifs est nanocelluloses cristallines de différentes couleurs. Varennes, l’Institut des Comd’identifier, de développer et (Courtoisie : FPInnovations) de transférer à notre industrie, des applications dérivées de la munications Graphiques du Québec ainsi que les universités nanotechnologie. Un second objectif, toutefois, est le dévelop- d’Ottawa, de la Colombie-Britannique et McGill. Comme nous avons déjà franchi l’étape du gramme au kilo pement d’un produit provenant de notre fibre: la nanocellulose cristalline ou NCC. Unité structurelle de base de la microfibrille avec succès, nous avons la prochaine étape, du kilo à la tonne, de cellulose, la NCC fut isolée et identifiée dans les années 90 et sur notre planche à dessin,! En conclusion, FPInnovations progresse rapidement dans fut l’objet de nombreuses thèses de doctorat, particulièrement dans le laboratoire du professeur Derek Gray de l’université l’élaboration d’un nanomatériau écologique, redispersible, McGill. Avec son collègue, le regretté Jean-François Révol, ils renouvelable, recyclable et neutre en carbone qui sera employé ont, entre autres, démontré les propriétés optiques étonnantes dans de multiples applications dans un futur rapproché. de la nanocellulose cristalline. La NCC se présente sous forme d’aiguilles (10×200 nm) et * Jean Bouchard, Ph.D. est Scientifique Principal chez FPInnovations — démontre plusieurs propriétés remarquables. Les cristaux de Division Paprican. 12

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L’un des tournants à opérer dans ce domaine concerne l’élimination des fluorocarbones dans le papier couché et l’attention portée à réduire l’utilisation de films de polymère à base de pétrole. Les applications du papier et du carton dans le domaine de l’alimentation ont prouvé leur succès grâce aux nouveaux enduits imperméables (WBBC) qui protègent des graisses, du pétrole et de la vapeur via le recours à une formule minérale brevetée qui fait appel à la nanotechnologie.

première fois en Chine, déclare Dave Lovell, directeur du marketing pour l’Asie et le Pacifique chez Eka Chemicals. Nous avons développé Compozi® Fx pour plusieurs machines à haute vitesse, ce qui les a aidées à accroître leur productivité. Mais ce n’est pas juste une question de vitesse puisque le volume de la charge s’avère important, que les coûts de la fibre sont bas et que des contrôles de procédés ont été instaurés.,»

Au début des années 1980, quelquesuns des pionniers dans le domaine des systèmes de conversion des nanoparticules de silice ont débuté leurs projets au Canada. À ce moment, la plupart des producteurs privilégiait des volumes de charges importants pouvant aider à la formation et au

DU CÔTÉ DE L’ASIE Il est temps pour les papetiers qui sont plus familiers avec les méthodes habituelles de fabrication du papier de regarder du côté de la Chine et des nouvelles machines à haute vitesse qui y sont en opération. Celles-ci atteignent de nouveaux records de vitesse et possèdent de grands volumes de charge. «,Notre dernière chimie de rétention des nanoparticules a connu un succès pour la

Structures nano composites dont l’image tridimensionnelle a été prise par Ghim Wei Ho au moyen d’un microscope électronique. Images colorées à l’aide de Adobe Photoshop. (Courtoisie et copyright,: Ghim Wei Ho et Prof. Mark Welland, University of Cambridge Nanoscale Science Laboratory)

Nanotechnologie : des dirigeants parlent • Mikail Roco, conseiller senior à la National Science Foundation souligne l’importance pour les experts, dans une perspective de bonne conduite des affaires, de mener des projets gouvernementaux et universitaires qui se fassent en dehors des murs des laboratoires. « Les scientifiques ne comprennent pas toujours comment fonctionne l’industrie manufacturière. Pour accroître l’innovation, nous avons besoin de modèles d’affaires et de la souplesse propre au monde des affaires. » • Kaj Backfolk, directeur des enduits et de l’impression chez Stora Enso, indique « qu’au départ, les nanoparticules s’inscrivaient à l’intérieur de créneaux de produits spéciaux alors qu’elles sont maintenant utilisées à titre de produits bouffants, par exemple. Aujourd’hui, les récents produits lancés qui utilisent des nanoparticules dans le couchage ou pour des formules en rapport avec la surface de la feuille s’ajoutent à la variété d’applications pratiques que peut offrir la nanotechnologie dans le domaine de la fabrication du papier ». • Selon Lennart Nilsson, directeur du marketing global chez Eka Chemicals, « alors que la fabrication du papier continue d’évoluer, nous avons désormais recours à la technologie des nanoparticules pour garder le pas, et parfois même pour créer de nouvelles opportunités d’affaires. Il y a plusieurs décennies, nous mettions nos efforts à accroître les volumes de charge et à améliorer la formation. Aujourd’hui, en parallèle à nos recherches pour réduire le contenu en fibres, nous fabriquons des feuilles dotées de nouvelles composantes, lesquelles permettent une meilleure impression, se déchirent moins souvent sur les presses et sont plus faciles à recycler ». • « La forêt est peut-être la plus grande fabrique nano au monde et les machines à papier les derniers équipements au bout de la chaîne de ce processus, affirme Phil Jones, directeur du marketing technique et des produits d’avenir chez Imerys. Alors que certaines fibres nano de carbone coûtent des millions par tonne à produire, les coûts de la fibre ligneuse ne représentent que quelques centaines de dollars par tonne. Dans plusieurs cas, les fibres ligneuses s’avèrent meilleures que les fibres synthétiques sophistiquées. Aussi, quand vous mélangez ensemble la cellulose et les minéraux (un autre cadeau de la nature), et que vous appliquez dans les deux cas la science du papier et celle des matériaux, vous avez entre les mains un grand potentiel pour l’industrie, une merveille du 21e siècle, à la fois rentable et variée. Plus on reconnaît ce potentiel, plus s’avère grand le potentiel permettant d’obtenir des prix élevés pour le papier et le carton. » • Pour sa part, Tom Lindstrom, professeur à l’Institut royal de technologie de Suède déclare : « Aujourd’hui, la technologie multicouche constitue un secteur chaud en science du papier car, grâce à la nanotechnologie, les propriétés de la pâte s’en trouvent bonifiées. Cela implique de pouvoir bâtir un matériel qui se compose de différentes couches, chacune superposée différemment. Jusqu’ici, l’enjeu avait été de mettre au point des méthodes de production efficaces. Mais désormais, la technologie permet de passer à une nouvelle étape, celle de la production proprement dite. Avec ces nouveaux moyens, des

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papiers très résistants peuvent être produits. » • Art Ragauskas, professeur au Georgia Tech’s Institute of Paper Science & Technology insiste sur le fait que le matériel à l’échelle nano se comporte tout à fait différemment qu’à une échelle plus large. « Les avancées en nanotechnologie et dans l’ingénierie offre des solutions pratiques qui répondent à plusieurs besoins actuels en matière d’empaquetage, particulièrement en raison des grandes propriétés protectrices offertes, des surfaces autonettoyantes très hydrophobes et des composantes aux propriétés antibactériennes et antifongiques conçues pour les produits à caractère sécuritaire. En un mot, disons que notre capacité à modéliser et à reproduire des composantes biologiques à une échelle nano « La forêt est peut-être la plus grande s’opère au même rythme que fabrique nano au monde et les machines le développement des nouvelles à papier les derniers équipements au technologies d’impression et de bout de la chaîne de ce processus », affirme Phil Jones de Imerys. formation d’image. » • Enfin, comme le dit si bien (Courtoisie : Photos.com) Theodore H. Wegner du Service forestier américain : « Notre compréhension s’accroît rapidement en ce qui a trait à la façon dont interagissent ensemble, à l’échelle nano, les composantes moléculaires et les parois des cellules (dans les cas de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine). En comprenant, via la génomique fonctionnelle, comment les arbres produisent et assemblent à l’intérieur des parois des cellules les composantes moléculaires et les structures de dimension nano, nous devrions être en mesure de manipuler et de créer de nouvelles structures à l’échelle nano. Celles-ci posséderont des propriétés physiques uniques et engendreront des surfaces de papier aux multiples fonctions. Cette science jumelée aux progrès technologiques en matière de fabrication du matériel à l’échelle nano nous permettra de créer de nouvelles générations de produits qui offriront un rendement élevé et à valeur ajoutée. » LPDQ

Propos recueillis par Martin Koepenick (Traduction : Yves Lavertu)

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NANOTECHNOLOGIE

Quelques produits nano comportement de la feuille, à sa qualité et pouvant même contribuer à réduire les coûts. Art Ragauskas, professeur au Georgia Tech’s Institute of Paper Science and Technology indique qu’il existe au moins 1000 machines dotées d’un système de rétention de nanoparticules. Ce qui a pour effet d’améliorer la formation de la feuille. Plusieurs producteurs ont vu les avantages d’une structure ouverte. «,Le fait que le travail à l’échelle nano, ajoute Ragauskas, permette des améliorations sur le plan de la surface de la feuille et que l’apport des nanoparticules améliore le couchage ont placé la barre haute en matière d’impression en ce qui concerne un large éventail de catégories de papier.,» Pour certaines de ces catégories comme le papier «,white top,», les producteurs utilisent désormais des nanoparticules de silice. Les compagnies KemiArt de Finlande et Simpson Tacoma Kraft pour l’Amérique du Nord ont ouvert la voie pour accroître la qualité d’impression des empaquetages. Elles sont devenues des modèles à suivre. Par ailleurs, Eurocan use de nanoparticules de silice pour réaliser des produits «,feuille ouverte,» à même d’être attrayants pour des producteurs de ciment et pour d’autres entrepreneurs ayant besoin de voir leurs sacs «,respirer,» pendant les opérations de remplissage et même après. Les gens qui font preuve de vision au sein de l’industrie voient bien le potentiel que recèlent les produits forestiers pour les producteurs en quête de produits bio plus faciles à recycler. En d’autres termes, l’avenir repose sur les composantes nano à cause de leur caractère naturel et de leur potentiel de fonctions multiples ainsi que leur longue durée.

Les modifications sur le plan de la structure poreuse sont devenues possibles à l’échelle nano et elles peuvent conduire à des changements importants en matière d’optique et d’imprimabilité. (Courtoisie,: Imerys) «,La nanotechnologie présente d’énormes possibilités, conclut le professeur Tom Lindstrom de l’Institut royal de technologie de Suède. Elle propose des produits à base de cellulose qui correspondent davantage aux préoccupations environnementales. La forêt possède une longueur d’avance en matière de développement bio et nano. Nous, les humains, devons simplement saisir ce que la nature offre déjà et développer des produits dans une optique de développement durable.,» LPDQ * Martin Koepenick d’Innova écrit sur l’innovation en matière de technologie au sein de l’industrie des pâtes et papiers depuis plus de 20 ans. On peut le rejoindre au mkoepen@earthlink.net. ** Traduction du texte en français de Yves Lavertu, rédacteur en chef de la revue Les Papetières du Québec. 14

Mai/Juin 2008

Encres nano On recense beaucoup d’activités du côté des injections de nano-pigments, ces formules sophistiquées conçues pour les produits aqueux, les solvants et les dissolvants d’encre UV. La dimension particulièrement petite des particules permet, à la suite de leur épandage sur la feuille, des tonalités de couleurs plus foncées, une excellente stabilité, une protection contre l’eau ainsi qu’une basse viscosité. Jets d’encre, laser, enduits nano Le produit NanoTope conçu pour le traitement de la surface du papier a été utilisé par Mondi Business Paper afin de développer son papier bureautique de marque « Neox ». Ce produit unique et polyvalent possède la finition glacée du papier couché, mais offre la blancheur élevée et la rigidité propres au papier non couché. Ce nouveau papier s’avère particulièrement approprié pour l’impression laser de qualité. De plus, il offre une série d’avantages en termes de fixation de l’encre; ce qui procure une résolution plus élevée et une image imprimée qui présente plus de densité. Grâce à la nanotechnologie, Akzo Nobel a littéralement transformé l’apparence des véhicules automobiles ainsi que le soin à leur apporter. (Courtoisie,: Akzo Nobel)

Produits d’alimentation et d’hygiène Partout où il y a de l’innovation, comme dans le cas de ces nouvelles approches qui intègrent lotion et fragrance dans le tissu, la nanotechnologie n’est jamais loin. La greffe de fibres via certains enzymes permet d’assurer l’intégrité et la longévité de ces additifs dans le tissu. Elle préserve par ailleurs la fraîcheur et la saveur des aliments empaquetés. Des biodétecteurs ont aussi été développés dans le but d’indiquer l’état du contenu qui se trouve à l’intérieur. Des produits qui miment les coquillages Certains nouveaux enduits ultra-résistants miment les stratégies que l’on observe au sein de la nature chez les coquillages, dans les os et dans les dents. Un projet pilote conduit à l’Université du Michigan a ainsi permis de mettre au point des enduits à base d’argile qui possèdent des propriétés de très haute résistance. Le recours à ce genre d’enduits de nature solide fera gagner des millions aux producteurs de papiers et de cartons. Les fournisseurs de minéraux en bénéficieront également, eux qui seront récompensés pour avoir contribué au développement de pareils matériaux. Les études menées par Ragauskas à l’IPST ont démontré la capacité des particules d’argile que l’on couche sur la feuille à développer des propriétés hydrophobes uniques lorsque des techniques « couche sur couche » sont employées pour les traiter. D’ailleurs, la compagnie Behr fait la promotion de ses peintures en vantant leur caractère unique en raison de l’emploi de nanoparticules, lesquelles se trouvent à améliorer les performances de ses produits (voir à ce sujet les dépliants de Home Depot). Chef de file en matière de peinture, Akzo Nobel a, pour sa part, littéralement transformé l’apparence des véhicules automobiles ainsi que le soin à leur apporter. Nano-filtration de l’eau À l’usine de Ford Motor à Saarlouis, en Allemagne, les eaux usées sont traitées grâce à un processus de nano-filtration. On y a installé une membrane bio extrêmement fine, laquelle s’avère perméable seulement aux nanoparticules. Résultat : une osmose inversée se produit. Couplé avec le processus de nano-filtration, le système permet la séparation des particules de déchets qui sont extraites de la vapeur des eaux usées. Voilà pourquoi il y a lieu de croire que la nano-filtration a pleinement sa place dans les usines de pâtes et papiers.

Martin Koepenick (Traduction : Yves Lavertu)

Les Papetières du Québec

PÂTE

Traitement d’une pâte thermomécanique pour améliorer la rétention des charges minérales L’oxydation et la cationisation de la pâte thermomécanique permettent d’accroître la rétention du carbonate de calcium. par J. Le Roux1, C. Daneault1,2, et B. Chabot1 es fibres, les fines, plusieurs additifs fabrication du papier car ils peuvent interagir chimiques et certains constituants des électrostatiquement avec les autres constituants matières dissoutes et colloïdales de de la suspension fibreuse. Le groupement carl’eau blanche possèdent des groupe- bonyle peut être limité par la méthylation et conments carboxyliques qui interagissent verti en groupements méthylamide nonionique durant la fabrication du papier et qui peuvent [13,14]. Les objectifs de la présente étude consistent à affecter les propriétés du papier. Les groupements carboxyliques de la pâte influencent non préparer par oxydation avec le TEMPO une pâte seulement le caractère anionique des fibres mais thermomécanique au caractère cationique et peuvent servir de sites de rétention des additifs d’évaluer l’effet de la cationisation de la pâte sur cationiques utilisés durant la fabrication du papi- la rétention du carbonate de calcium (GCC). Des er. Isogai a montré les effets de l’incorporation essais de rétention ont été effectués avec et sans de groupements carboxyles à la surface des fibres l’utilisation d’un polyacrylamide commercial. d’une pâte chimique sur la rétention d’additifs chimiques et sur les propriétés du papier [1]. Plusieurs procédés d’oxydation de la cellulose ont MATÉRIELS ET MÉTHODES été décrits au cours des années, notamment ceux Matériels utilisant le bioxyde d’azote, l’ozone, l’hypochlo- Une pâte thermomécanique (PTM) non blanchie rite de sodium, le périodate de sodium et le per- d’une usine de l’est du Canada a été utilisée dans oxyde d’hydrogène [2]. Tous ces procédés per- cette étude. La pâte a été désintégrée dans l’eau mettent d’incorporer des groupements chargés à déminéralisée à l’aide d’un désintégrateur stanla surface de matériel lignocellulosique [3]. dard. Le taux de groupements carboxyles était Dernièrement, des études ont démontré la possi- de 20 mmol/100g sec de pâte. Le 4-acétamidobilité de modifier une pâte kraft par une oxyda- TEMPO, le bromure de sodium, l’hypochlorite tion catalytique avec le TEMPO [4,5]. Elles ont de sodium et le réactif «,T,» de Girard (chlorure montré que le système NaOCl/NaBr/TEMPO est de 2-hydrazo-N,N,N-triméthyl-2-oxoéthanamitrès sélectif et permet de convertir les groupe- nium) provenaient de Aldrich Chemical (tous de ments hydroxyles primaires de la cellulose en grades réactifs). Le Carbodiimide soluble dans groupements carboxyliques avec une excellente l’eau (N-(3-Diméthyl-aminopropyl)-N’-éthyl-carboefficacité. Les réactions d’oxydation sont effec- diimide) provenait de la compagnie Fluka. tuées en milieu alcalin (pH 10-11) [6]. Le TEMLe polymère cationique utilisé pour les essais PO peut être régénéré in-situ à l’aide de divers de rétention est un copolymère d’acrylamide et agents oxydants tels que l’acide m-chlorobenzoïque, de 10% mole de chlorure d’acrylamido propyl les sels de cuivre ou le système préconisé dans triméthyl d’ammonium. Le poids moléculaire du notre étude NaOCl/NaBr [7-10]. Kitaoka et al. copolymère était de 6 x 106 g/mole et provenait [11] ont montré qu’un système NaOCl/NaBr/ de CIBA Specialty Chemicals. TEMPO permet d’accroître la présence de Le carbonate de calcium moulu (GCC) a été groupes carboxyliques à la surface de la pâte de 6 utilisé comme charge minérale. La suspension mmole/100 g à 45 mmole/100 g. Merbouh et al contenait 63% de solide et a été obtenu de la [12] ont démontré l’efficacité du 4-acétamido- compagnie Omya. TEMPO dans l’oxydation de solutions aqueuses d’amidons, celui-ci étant moins volatil et plus Oxydation et cationisation de la pâte thermostable (Figure 1). Les résultats ont permis de mécanique fabriquer des amidons ayants de hauts degrés Un échantillon de 30 g de pâte thermode substitution. mécanique a été dispersé dans 3L d’eau déminéLes groupements carboxyliques de la pâte ralisée. Des solutions de 4-acétamido-TEMPO jouent un rôle déterminant dans le procédé de (400 mg) et de NaBr (15 mg) ont été préparées dans 100 mL. Ces solutions ont ensuite été addi1. Centre intégré en pâtes et papiers, Université tionnées à la suspension fibreuse. Les essais ont du Québec à Trois-Rivières, 3351 boulevard des été exécutés à la température de la pièce. Le pH Forges, Trois-Rivières (Québec), Canada G9A de la suspension fibreuse a été ajusté à 10 à l’aide du NaOH 1M. L’hypochlorite de sodium a en5H7 2. Chaire de recherche du Canada sur la fabrica- suite été ajouté en trois fractions égales dans un rapport stoechiométrique par rapport au nombre tion de papiers à valeur ajoutée

L

Les Papetières du Québec

B. Chabot

C. Daneault

J. Le Roux

Mai/Juin 2008

15

PÂTE

FIGURE 1. Représentation schématique du 4-acétamido-TEMPO.

FIGURE 2. Spectres infrarouge de la pâte PTM modifiée et non modifiée.

TABLEAU I. Effet de l’oxydation de la pâte sur la formation de groupements carboxyliques. Pâte

Groupements carboxyliques

Groupements carboxyliques après amidation

TABLEAU II. Effet de la modification sur le ratio oxygènecarbone à la surface de la pâte PTM. Pâte PTM

Pic

Position BE (eV)

Conc. Atomique %

Ratio O/C

Non traitée

O 1s C 1s

531,0 285,0

30,72 69,28

0,44

Oxydée

O 1s C 1s

531.5 285.1

33,0 67.0

0,49

Amidation

O 1s C 1s N 1s

531,3 285,1 399,0

31,45 65,57 2,98

0,48

mmol/g pâte Bisulfite Kraft PTM

PTM (oxydation, 1 heure) PTM (oxydation, 4 heures) PTM (oxydation, 7 heures)

0,03 0,06 0,20 Oxydation TEMPO

Amidation

1,00 1,50 1,80

0,20 0,26 0,27

de groupements alcool primaire de la pâte et le pH a été maintenu à 10 par l’addition continuelle de NaOH 1M à l’aide d’un contrôleur de pH. Un excès d’éthanol a ensuite été additionné pour arrêter la réaction. La pâte oxydée a par la suite été filtrée et lavée avec de l’eau déminéralisée. La cationisation de la pâte a été effectuée par l’amidation des groupements carboxyles via leur conversion en groupements amine quaternaire à l’aide du réactif de Girard et du sel soluble de carboiimide (WSC) selon les conditions suivantes,: 1% de consistance, température pièce, pH de 4,75, réaction durant 5 heures. Le WSC a été ajouté en quantité stoechiométrique par rapport au nombre de groupements carboxyliques présents. Le réactif de Girard a été additionné à la pâte selon les mêmes proportions. Le pH a été ajusté durant l’amidation à l’aide du contrôleur de pH et de solutions de NaOH (1N) et de HCl (1N). Rétention des charges minérales Des essais de rétention de carbonate de calcium ont été effectués avec des mélanges de pâtes contenant diverses proportions de pâtes PTM modifiées et non modifiées. Les proportions de pâte oxydée ont été variées de 0% à 20%. Dans une première série d’essais, aucun agent de rétention n’a été employé. Un agent cationique (floculant) a été employé dans la deuxième série à un dosage constant de 0,25 kg/tonne. Des formettes (60 g/m2) ont été fabriquées selon la méthode 16

Mai/Juin 2008

standard PAPTAC. Le pH de la suspension fibreuse a été ajusté à 7 avant l’introduction du carbonate de calcium, puis 20% de carbonate de calcium (GCC) a été additionné à la suspension fibreuse. Le pH de la suspension a ensuite été réajusté à 7. L’agent de rétention cationique a par la suite été additionné à un dosage constant de 0,25 kg/tonne lorsque requis (deuxième série d’essais seulement). La rétention du carbonate de calcium a été déterminée par la détermination du pourcentage de cendres à 525°C afin de prévenir la décomposition du carbonate de calcium. Mesure de la concentration de groupements carboxyliques La quantité de groupements carboxyliques a été déterminée selon la méthode TAPPI T 237-om-93. Spectroscopie infrarouge (FT-IR) Un spectrophotomètre à transformée de Fourier Perkin-Elmer 2000 a été utilisé, les longueurs d’onde étant comprise entre 4000-400 cm–1, 32 balayages à une résolution de 2 cm–1. Spectroscopie à photoélectrons (ESCA) Les mesures ont été effectuées du côté lisse et au milieu de la formette à 3 ou 4 endroits. La pression dans l’appareil était de 109 torr et la surface de mesure était de 2 mm sur 1 mm. Un spectromètre Kratos Axis Ultra (HIS 165) utilisant un faisceau de rayon-X à haute intensité a été employé pour les analyses. Les Papetières du Québec

PÂTE

TABLE III. Effet du contenu de pâte oxydée sur la rétention du GCC sans addition de l’agent de rétention cationique. Pâtes

Rétention du GCC (%)

PTM 5% Pâte oxydée / 95% PTM 10% Pâte oxydée / 90% PTM 20% Pâte oxydée / 80% PTM

5,42 7,86 7,89 7,62

TABLEAU V. Effet de l’agent de rétention cationique sur la rétention du GCC pour des mélanges de pâtes contenant diverses proportions de pâtes PTM oxydées. Pâte

Rétention du GCC (%)

PTM 5% Pâte oxydée / 95% PTM 10% Pâte oxydée / 90% PTM

Une largeur de bande de 160 eV fut employée en deux balayages. Le temps total d’acquisition et de traitement des données était de 242 secondes. L’acquisition et le traitement des données ont été effectués par un ordinateur SUN Sparc Station IPX (vision 2).

RÉSULTATS ET DISCUSSION Oxydation et cationisation de la pâte PTM non blanchie L’oxydation séquentielle de la pâte thermomécanique a été effectuée à l’aide du système 4-acétamido-TEMPO-NaBr-NaOCl. Le tableau I montre le contenu de groupements carboxyliques de la pâte PTM modifiée. Les résultats indiquent que plus de 80% des groupements carboxyliques par l’oxydation de la pâte ont été convertis par amidation. Isogai et al (14) ont montré que 95% des groupes carboxyliques d’une pâte Kraft de bois dur blanchie ont été convertis en groupement cationiques par amidation. Cette différence est attribuable aux groupements carboxyles formés sur la lignine plus difficilement accessible. La Figure 2 présente les spectres infrarouges (FTIR) de la pâte non modifiée et de la pâte modifiée. Le spectre IR confirme que l’oxydation produit des groupements carboxyliques sur la pâte. La bande d’absorption reliée aux vibrations d’allongement des liaisons C = O de l’acide à 1730 cm–1 montre une très forte augmentation. L’oxydation avec le réactif TEMPO diminue la bande d’absorption des α-carbonyles (1670 cm–1) liés aux groupements hydroxyles substitués des cycles benzéniques de la lignine et de la déformation des groupements hydroxyles. La composition de surface (ratios atomiques des constituants) de la pâte PTM a été déterminée par ESCA. Les résultats avant et après la modification chimique sont présentés au Tableau II. Les Papetières du Québec

10,00 8,75 7,73

TABLEAU IV. Effet du contenu de pâte cationisée sur la rétention du GCC sans addition de l’agent de rétention cationique. Pâtes

Rétention du GCC (%)

PTM 10% Pâte oxydée / 90% PTM 10% Pâte avec des groupements amide / 90% PTM

5,42 7,89 7,93

TABLEAU VI. Effet de l’agent de rétention cationique sur la rétention du GCC pour des mélanges de pâtes contenant des pâtes oxydées et cationisées. Pâte

Rétention du GCC (%)

PTM 5% Pâte oxydée / 95% PTM 5% Pâte avec groupes amides / 95% PTM

L’augmentation du ratio O/C de 0,44 à 0,49 confirme la transformation des groupements hydroxyles en groupements carboxyles en présence de TEMPO. Tel que suggéré par Dorris [15] et Mjöberg [16], nous avons supposé que seulement la lignine et des polysaccharides sont présents à la surface de la pâte modifiée. L’ESCA confirme la présence de l’azote suite à l’amidation de la pâte oxydée. La concentration d’azote à la surface est évaluée à 3% pour une concentration atomique d’oxygène de 30. Rétention du carbonate de calcium Des formettes standard ont été préparées à partir d’un mélange de pâtes PTM non traitées et oxydées selon le protocole expérimental décrit précédemment. Le taux de carbonate de calcium dans la pâte a été fixé à 20% sur la base de fibres sèche. Deux séries d’essais ont été effectuées, la première sans addition de l’agent de rétention cationique et la seconde avec l’addition de 0,25 kg/tonne de l’agent cationique. Le Tableau III montre l’effet de l’oxydation et de la cationisation sur la rétention du carbonate de calcium avec et sans addition de l’agent de rétention. Les résultats montrent que la présence de la pâte oxydée permet d’accroître la rétention du carbonate de calcium comparativement aux essais avec la pâte PTM non modifiée. Toutefois, le niveau de rétention atteint un palier à 10% de pâte oxydée et tend à diminuer à des niveaux de pâte oxydée supérieur. Nous avons effectué des essais similaires avec une pâte cationisée obtenu par amidation de la pâte oxydée. Le Tableau IV présente les résultats obtenus, la présence de groupements NH4+ sur les chaînes cellulosiques conduit à une augmentation du taux de rétention comparativement aux essais avec la pâte non

10,00 8,75 12,80

traitée. Toutefois, la conversion des groupements carboxyliques en groupement amides, n’a pas permis d’accroître la rétention du carbonate de calcium. La deuxième série d’essais a été effectuée avec addition d’un agent de rétention cationique (0,25 kg/tonne). Le Tableau V montre l’influence de l’agent de rétention cationique sur l’efficacité de rétention pour différents mélanges de pâtes contenant des pâtes PTM non modifiées et oxydées. Les résultats obtenus nous montrent une réduction significative de la rétention du GCC dans les papiers contenant une plus grande proportion de pâte oxydée. Ces résultats sont attribuables à l’augmentation du nombre de groupements carboxyliques. Cette augmentation est reliée à l’accroissement de la présence de pâte oxydée dans les papiers. L’agent cationique utilisé comme agent de rétention est un floculant à bas poids moléculaire (6 x 106 g/mol) avec une densité de charges cationiques de 10%. A pH de 7, les groupements carboxyliques à la surface des fibres sont déprotonés et produisent une charge de surface négative. Il est bien connu que les polymères cationiques de haut poids moléculaires sont très efficaces pour les fibres chargées négativement. L’addition d’un polymère augmente le nombre de points de contact entre les fibres et la résistance des flocs de fibres dans la suspension fibreuse [17]. Dans notre cas, les chaînes polymériques sont courtes, et le phénomène inverse se produit. Les chaînes du polymère se fixent directement sur les sites déprotonés des groupements carboxyliques. Le Tableau VI compare l’effet des agents de rétention cationiques sur la rétention du GCC pour des mélanges de pâtes contenant les mêmes proportions de pâtes PTM oxydées et cationisées. Les résultats montrent clairement une augMai/Juin 2008

17

PÂTE

mentation significative du taux de rétention du GCC pour des mélanges contenant des pâtes cationisées comparativement aux mélanges contenant des pâtes oxydées. La rétention des charges minérales est également plus élevée que pour les essais avec la pâte non traitée. La tendance observée avec les pâtes oxydées (Tableau III) est totalement inversée. Le gain de rétention est plus élevé de 30% que celle de la pâte de référence (PTM non traitée) et de 50% supérieur aux essais avec la pâte oxydée.

CONCLUSIONS La modification de la pâte thermomécanique non blanchie peut être utilisée pour augmenter la rétention des charges minérales dans le papier. Nous avons modifié des fibres en deux étapes, soit une oxydation à l’aide d’un agent oxydant commercial, le 4-acétamido-TEMPO, suivi d’une amidation des groupements carboxyliques en groupements cationiques. La première étape a permis de créer des groupements carboxyliques en surface des fibres. La deuxième étape a été utilisée pour convertir ces groupements en groupements amine quaternaire à l’aide du réactif de Girard et le sel soluble dans l’eau carboiimide (amidation). Il a été clairement démontré que la majorité des groupements carboxyliques générés à la surface des fibres durant l’oxydation ont été converti en groupements amine. Nous avons également effectué des essais de rétention avec le carbonate de calcium et divers mélanges de pâtes contenant des pâtes oxydées et cationisées. L’oxydation et l’amidation de la pâte PTM ont permis d’accroître la rétention du car-

bonate de calcium comparativement aux essais avec une pâte PTM non traitée. Toutefois, l’amidation n’a pas permis d’améliorer la rétention par rapport aux essais avec la pâte oxydée. L’addition d’un agent de rétention cationique commercial de type polyacrylamide a réduit la rétention du GCC pour les essais avec les mélanges de pâtes oxydées mais a permis d’accroître légèrement la rétention pour des mélanges contenant la pâte cationisée.

REMERCIEMENTS Les auteurs remercient la chaire du Canada sur la fabrication de papiers à valeur ajoutée pour son assistance financière.

RÉFÉRENCES

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4. Leanna, M.R., Sowin, T.J., Morton, H.E., Tetrahedron Lett. 33 (35): 5029-5032 (1992). 5. Bednarski, M., Danishefsky, S., J. Am. Chem. Soc., 108: 7060-7067 (1986). 6. Tahiri, C., Vignon, M.R., Cellulose 7 (2): 177-188 (2000). 7. Cella, J.A. Kelley, E., Kenehan, F., J. Org. Chem., 40: 1860-1862 (1975). 8. Semmehack, M.F., Schimd, C.R., Cortès, D.A., J. Am. Chem. Soc., 106: 3374-3376 (1984). 9. Inokushi, T., Matsumoto, S., Nishiyama, T., Torii, S., J. Org. Chem., 55: 462-466 (1990). 10. Anelli, P.L., Biffi, C., Montanari, F., Quici, S., J. Org. Chem., 52: 2559-2562 (1987). 11. Kitaoka, T.; Isogai, A.; Onabe, F., Nordic Pulp Paper Res. J., 15 (3), 177-182 (2000). 12. Merbouh, N., Thaburet, J.F., Ibert, M., Marsais, F., Bobbitt, J.M., Carbohydr. Res., 336: 75-78 (2001). 13. Kitaoka, T.; Isogai, A.; Onabe, F.; Nordic Pulp Paper Res. 10 (4): 253-260 (1995). 14. Isogai, A., Kitaoka, C., Onabe, F., J. Pulp Paper Sci. 23 (5): J215-J219 (1997). 15. Dorris, G.M., Gray, D.G., Cellulose Chem. Technol. 12: 721-734 (1978). 16. Mjöberg, P.J., Cellulose Chem. Technol. 15: 481-486 (1981). 17. Petzold, G., Buchhammer, H.M., Lunkwitz, K., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 119: 87-92 (1996).

Résumé:

La présence de groupements acides ou anioniques de la fibre cellulosique joue un rôle très important lors de la fabrication du papier. Ils contribuent fortement au développement de la résistance mécanique du papier et aux interactions de surface de par leur capacité d’échange d’ions. Afin d’accroître ces propriétés, plusieurs recherches sont en cours afin de modifier les propriétés de surface des fibres. Dans cette étude, une pâte thermomécanique (PTM) a été oxydée à l’aide de l’hypochlorite de sodium (NaOCl) catalysée avec du bromure de sodium (NaBr) en présence d’un agent oxydant, le 4-acétamido-TEMPO. Le procédé d’oxydation catalytique permet de transformer principalement les groupements hydroxyles primaires de la pâte PTM en groupements carboxyliques. De plus, nous avons étudié la réaction d’amidation des groupements carboxyliques sur la cellulose. Les résultats nous montrent que les groupements carboxyliques à la surface des fibres peuvent être transformés en groupements amides à l’aide d’un agent soluble dans l’eau, le carboiimide. Nous avons utilisé la spectroscopie de photoélectrons (ESCA) pour caractériser les modifications chimiques apportées à la surface de la fibre cellulosique. Des formettes standard ont été fabriquées avec de la pâte oxydée et avec diverses proportions de carbonate de calcium (5%, 10%, 20%) avec et sans l’utilisation d’un agent floculant. La rétention du carbonate de calcium a été quantifiée à partir du taux de cendres des formettes. Les résultats montrent que la présence des groupements polaires, COO– et NH4+, combinée à l’utilisation de l’agent floculant améliore la rétention des charges minérales dans les papiers.

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Des absorbants d’oxygène, des passivants pour le métal et des traitements de condenses établis en fonction des besoins spécifiques de vos usines.

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Une grande variété de microbicides, d’agents séquestrants et dispersants, et des systèmes mixtes de traitement des eaux pour le refroidissement.

Les experts du traitement des eaux et de la fabrication du papier chez Buckman travailleront de concert pour garantir à votre usine un rendement constant et rentable.

Au-delà de vos attentes

Les Laboratoires Buckman du Canada ltée

351 rue Joseph-Carrier Vaudreuil-Dorion, Québec J7V 5V5 Tél. : (450) 424-4404 Téléc. : (450) 424-4294 Site Web : http://www.buckman.com © Buckman Laboratories