Propriétés physiques complexes

Les propriétés physiques complexes (moins bien définies) sont les suivantes:
• rigidité
• résistance à la compression de la boîte
• résistance au déchirement
• résistance au choc ou à l’éclatement
• résistance au délaminage
• solidité de surface.
La rigidité et la résistance à la compression de la boîte sont décrites dans des paragraphes distincts.

Propriétés déterminantes

La résistance est augmentée par l’augmentation du grammage. En outre, les deux facteurs déterminants sont le type de fibres et la méthode de fabrication ; autrement dit, les fibres longues obtenues par réduction chimique et provenant d’essences comme le pin et l’épicéa donneront les meilleurs résultats. Les méthodes de traitement des fibres comme le raffinage ont, elles aussi, leur importance. Le rapport des résistances SM/ST dépend du procédé de formation en partie humide de la machine à carton.

Résistance au choc, à l’éclatement

Différentes méthodes plus ou moins complexes existent pour évaluer la résistance physique du carton à l’impact ou aux efforts de pénétration. La plus courante est l’essai d’éclatement, initialement conçu pour le papier mais modifié en fonction du carton.

La complexité de ces tests d’éclatement ou de poinçonnement résulte du grand nombre de paramètres impliqués. La résistance à la traction, l’allongement, la flexion, la rigidité et le déchirement jouent un rôle suivant les conditions géométriques dans lesquelles l’essai est exécuté. Il est difficile de tirer des conclusions plus particulières. Pourtant, une valeur élevée dans cet essai dénote un matériau résistant et tenace, apte à résister à toute une série de sollicitations et de déformations.

Résistance au déchirement

Cette propriété décrit le comportement du carton aux sollicitations susceptibles de provoquer des déchirures. La méthode d’essai simule un déchirement du papier (déchirure perpendiculaire au plan de la feuille). Après avoir pratiqué une entaille initiale, on déchire la feuille dans des conditions bien définies. Il n’en demeure pas moins que la signification physique de la valeur mesurée (l’énergie de déchirement) n’est pas évidente. Dans l’ensemble, une résistance au déchirement élevée dépend du niveau général de résistance (à la traction et à l’allongement), de la quantité de fibres longues et de leur cohésion (plus il y a de fibres et plus elles sont longues, meilleur sera le résultat).

Propriétés mesurables

Résistance au déchirement (ISO 1974)
La résistance au déchirement est la force requise pour déchirer le carton à partir d’une entaille initiale.

Méthode d’essai et matériel
On utilise pour cet essai un testeur du type Elmendorf. On réalise l’essai dans le sens machine (SM) et dans le sens travers (ST), et on exprime le résultat en mN.

 


Principe de la résistance à l’éclatement. 

Testeur de résistance au déchirement.
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La méthode est assez bonne pour le papier mais convient moins au carton. En raison de la manière dont l’essai est réalisé, les valeurs pour le papier épais et le carton sont influencées par la rigidité à cause de la flexion pendant le déchirement. Autre facteur, le déchirement, par exemple, de feuilles de carton multijet change parfois le mode de défaillance qui devient un délaminage, ou une combinaison de déchirement et délaminage. Ces circonstances empêchent la résistance au déchirement d’avoir plus qu’une valeur pratique limitée, si l’on tient compte de sa complexité et ses erreurs intrinsèques. Cette valeur indique toutefois si le carton est cassant ou tenace.

Il existe des méthodes qui, en conditions contrôlées, sont capables de mesurer la résistance à la propagation d’une déchirure dans un plan. C’est une valeur scientifique qui prouve qu’il existe aussi des méthodes pour quantifier le comportement au déchirement et au délaminage en physique des matériaux.

Propriétés déterminantes

Une bonne résistance au déchirement est requise pour presque toutes les applications graphiques ou d’emballage : bande d’arrachage pour l’ouverture d’une boîte, présentoirs à suspendre pour emballage blister, couvertures de livres, brochures, etc.

Résistance au délaminage, cohésion des fibres

La résistance au délaminage ou cohésion des fibres se définit généralement par une série de méthodes qui mesurent la force ou l’énergie nécessaire pour séparer ou délaminer la structure interne du carton. C’est la force de cohésion dans ou entre les jets et non pas à l’interface entre fibres et couches ni dans la couche elle-même. De nombreuses applications graphiques ou d’emballage exigent un certain niveau de cohésion interne. Elle doit être suffisamment élevée pour que les tranches, les coins et les rabats résistent aux manipulations, mais suffisamment faible pour un bon délaminage pendant le rainage et le pliage.

La minceur et la résistance du carton, ainsi que sa structure complexe, à la fois fibreuse et poreuse, rend malaisée la mise au point de méthodes d’essai précises et fiables. On a élaboré des méthodes de mesure du délaminage mettant en jeu une traction verticale (résistance z), un effort de cisaillement ou une combinaison des deux. Les conditions complexes de mise en charge avec interposition de bandes adhésives entre le carton et l’appareil d’essai introduisent un certain nombre d’entraves et de sources d’erreur dans les méthodes de mesure.

En raison de leur complexité, les méthodes reconnues ne sont pas vraiment représentatives de la cohésion. La société Innventia (précédemment STFI-Packforsk) a développé une méthode basée sur la ténacité dans la direction z. Cette méthode élimine les difficultés rencontrées précédemment et mesure une grandeur physique bien définie.

Principe de la résistance au délaminage. Cliquez pour agrandir.

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Propriétés déterminantes

Les fibres obtenues par réduction chimique d’un bois contenant des fibres longues – pin et épicéa – soumises à un traitement complémentaire (raffinage) offrent la résistance au délaminage la plus élevée.

Dans les emballages, un défaut fréquent lié au délaminage affecte les bandes d’arrachage : il arrive souvent qu’à l’ouverture, le jet fibreux supérieur de la bande soit le seul à céder.

 
Propriétés mesurables

Résistance au délaminage, cohésion interne (TAPPI 569)
Puisqu’un carton multijet est constitué de plusieurs jets fibreux, il importe que ceux-ci soient correctement liés entre eux. La résistance au délaminage attribue une valeur numérique à cette propriété. Différentes méthodes permettent de la calculer.

Méthode d’essai et matériel
La méthode utilisée pour tous les produits d’Iggesund Paperboard est celle de la cohésion interne mesurée par l’appareil Scott Bond. Dans cet essai, on mesure l’énergie nécessaire pour délaminer un échantillon en appliquant une force perpendiculaire à sa surface. Le résultat s’exprime en J/m². Le principe de la méthode est montré dans cette illustration.

Comportement mécanique

Les différences typiques de comportement mécanique se comprennent mieux à l’examen de la charge et de l’allongement (comportement effort-contrainte). En consignant la force et l’allongement pendant l’essai de résistance à la traction, on peut tracer des courbes semblables à celle que montre l’illustration.

Les produits composés à 100% de pâte chimique sont environ trois fois plus résistants que ceux composés à 100% de pâte mécanique. L’allongement est de quelque 50% plus important, principalement en raison du fait que le procédé chimique de réduction en pâte fournit des fibres longues et bien soudées, conduisant à des produits solides et denses. La différence de pente à l’origine des deux courbes est la conséquence de modules d’élasticité différents.

Le carton est formé d’un réseau de fibres. En raison du procédé de fabrication, il y a davantage de fibres alignées parallèlement au sens de fabrication sur la machine à carton. De ce fait, les propriétés physiques du carton sont directionnelles. Parallèlement au sens de fabrication (le sens machine), les produits offrent une résistance plus élevée que dans la direction perpendiculaire. On utilise habituellement des abréviations pour ces directions : SM pour sens machine et ST pour sens travers. On dit donc que le carton est plus rigide et plus résistant dans le SM que dans le ST. D’un autre côté, l’allongement est plus réduit dans le SM et plus élevé dans le ST. Ces différences de comportement selon la direction sont importants dans de multiples applications, non seulement lorsqu’il s’agit d’assurer une protection physique mais aussi pour satisfaire aux exigences de l’impression : précision du repérage, tuilage et planéité, rainage et pliage.

Il est bon que les différences de direction soient aussi réduites que possible ; on les exprime généralement en rapport de rigidité SM/ST. Pour faire la moyenne des propriétés mesurées dans les deux directions, on calcule la moyenne géométrique de ces valeurs (SMG = √SSM × SST). On dispose ainsi d’un mode de comparaison commode des niveaux de résistance de différents matériaux en plus du rapport SM/ST. La figure ci-dessous rend compte des différences spécifiques d’allongement à la traction.

Propriétés spécifiques du matériau

Le carton est un réseau fibreux composé de fibres cellulosiques et d’air. On en déduit que, dans une bande de carton, les éléments qui supportent les sollicitations – les fibres – n’occupent qu’une partie du volume ou de la section. La contrainte apparente σ, correspondant à un effort F, par unité de largeur (b = largeur de l’échantillon de l’essai) agissant sur la section transversale A , est donnée par la formule:

où ρ F et ρ désignent respectivement la densité de la fibre et de la feuille. On en déduit que l’effort spécifique agissant sur la feuille est égal à l’effort spécifique agissant sur les fibres. Ici, l’astérisque (*) signifie que la grandeur est rapportée à la densité.

Dans de nombreux cas, le papier et le carton peuvent être considérés comme des matériaux homogènes, en dépit de leur structure fibro-poreuse. Mais comme on évalue généralement le carton en fonction de ses applications en examinant les propriétés exprimées par unité de largeur, des caractéristiques comme l’effort de rupture à la traction (σt), l’effort de rupture à la compression (σc) et le module d’élasticité (E), qui sont rapportés à l’unité de surface sont moins représentatives des différents produits. Les propriétés rapportées à la largeur sont en outre moins sensibles aux variations d’épaisseur de la feuille (produites notamment par le calandrage), même si ces dernières ne s’accompagnent pas nécessairement d’une variation de comportement à des sollicitations de traction ou de compression. On peut contourner la difficulté en exprimant les propriétés de la feuille par les expressions : (σt × t), (σc × t) et (E × t), c’est-à-dire en multipliant l’effort de rupture à la traction, l’effort de rupture à la compression et le module d’élasticité par l’épaisseur (t) pour que ces propriétés s’expriment comme une force par unité de largeur.

Ces expressions dépendant du poids de la feuille, la valeur mesurée peut être normalisée en la divisant par le poids (w). On obtient dès lors des expressions de l’effort spécifique de rupture à la traction, de l’effort spécifique de rupture à la compression et du module d’élasticité, qui sont équivalentes aux expressions correspondantes divisées par la densité. Ces propriétés spécifiques du matériau sont donc identiques aux indices de résistance couramment utilisées dans l’industrie papetière et repris dans le tableau ci-dessous.

Elasticité, résistance et allongement.

Différences d'allongement à la traction.
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Propriétés déterminantes

Facteurs influençant la résistance et la ténacité:
• type de pâte
• grammage
• teneur en humidité
• quantité de pâte
• épaisseur
• indice de bouffant ou densité.

Méthodes d’essai

La résistance et la ténacité se mesurent de plusieurs façons. Le module d’élasticité se calcule à partir des valeurs de l’effort et de la déformation obtenues à l’essai de traction. L’allongement de rupture ou élongation est consigné au moment de la rupture de l’échantillon lors de l’essai de résistance à la traction.

On peut modifier la loi de Hooke pour qu’elle s’applique aux propriétés spécifiques:


Dans le cas d’un matériau contenant de l’air, les propriétés spécifiques qui lient la résistance à la masse du matériau sont les plus utiles.

L’effort par unité de largeur F, agissant sur l’échantillon de carton, est supporté par la portion de section transversale occupée par les fibres. Cliquez pour agrandir.

Propriétés spécifiques Relation
Propriétés utilisées dans l’industrie papetière
Effort spécifique de rupture à la traction
Indice de résistance à la traction
Effort spécifique de rupture à la compression
Indice de résistance à la compression
Module E spécifique Indice de rigidité à la traction

Loi des mélanges

Des paramètres tels que le module d’élasticité, la résistance à la traction et à la compression suivent la loi des mélanges. Autrement dit, la résistance du produit est déterminée, en fin de compte, par la quantité et la résistance des composants.

Valeurs typiques pour les différents types de fibres

Les figures ci-dessous donnent quelques plages typiques de propriétés pour les types de fibres les plus utilisées pour le carton. Les diagrammes indiquent les niveaux et plages typiques ainsi que le rôle important de la densité sur les propriétés physiques.

Rigidité à la traction en fonction de la densité
pour des cartons fabriqués à partir de
différentes matières premières. On modifie la
densité par modification du pressage à l’état
humide.

Rigidité à la traction en fonction de la densité
pour des cartons fabriqués à partir de différentes
matières premières. On modifie la densité par
modification du pressage à l’état humide.

 

Indice de résistance à la compression en
fonction de la densité pour des cartons
fabriqués à partir de différentes matières
premières. On modifie la densité par
modification du pressage à l’état humide.

 

Allongement à la traction en fonction de la densité pour des cartons fabriqués à partir de différentes matières premières. Les résultats sont obtenus pour des cartons séchés sous contrainte. On modifie la densité par modification du pressage
à l’état humide. Cliquez pour agrandir.

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